1905年的春天，瑞士伯爾尼專利局的三級技術員阿爾伯特·愛因斯坦在辦公桌抽屜里悄悄展開一疊草稿紙——那里藏著他關于光的本質(zhì)的革命性思考。這位26歲的年輕人不會想到，他在《物理學年鑒》上發(fā)表的論文《關于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個啟發(fā)性觀點》，將掀起一場改變物理學根基的暴風驟雨。

在這篇被他本人唯一稱為“革命性”的文章中，愛因斯坦提出了一個顛覆百年的假說：光的能量在空間中并非連續(xù)分布，而是由不可再分、局限在空間各點的“光量子”（后稱光子）組成，每個光量子攜帶能量E=hν（h為普朗克常數(shù)，ν為光的頻率）。

這一觀點如同投進平靜湖面的巨石，直接挑戰(zhàn)了統(tǒng)治物理學百年的麥克斯韋電磁理論，動搖了光作為連續(xù)波動的根基。

1927年，愛因斯坦在布魯塞爾舉行的索爾維會議上的合影，第一排中間為愛因斯坦（圖片來源：Wikipedia）

然而，迎接這位年輕人的不是贊譽，而是近乎一致的冷遇。物理學權威們斥責其為“異端”，甚至量子論的奠基人馬克斯·普朗克也批評他“走得太遠”。

在近二十年的漫長爭議中，三位關鍵人物——普朗克、密立根與康普頓——以截然不同的角色，共同接力完成了光量子假說從被拒斥到被接納的科學革命長跑。這段充滿戲劇性的歷史不僅見證了人類認知的躍遷，更揭示了科學范式更替的艱難與壯美。

Part.1

奠基者的質(zhì)疑：普朗克的保守與調(diào)和困境

頗具諷刺意味的是，量子理論的開創(chuàng)者馬克斯·普朗克，竟成為光量子假說最堅決的反對者。1900年，普朗克提出能量量子化概念（E=hν）以解釋黑體輻射，但他認為量子化僅限于物質(zhì)振子發(fā)射或吸收能量的過程，輻射在真空中傳播仍是連續(xù)的麥克斯韋波。1907年，他在致愛因斯坦的信中直言：

“我為光量子尋找的不是它在真空中的意義，而是它在吸收和發(fā)射地方的意義......真空中的過程仍應由麥克斯韋方程精確描述?！?/strong>

這揭示了兩人的根本分歧：普朗克將量子視為解釋能量交換的數(shù)學工具，是經(jīng)典理論框架下的修補；愛因斯坦則視光量子為描述光本質(zhì)的物理實在，要求徹底革新光的理論基礎。

當時，光的波動性已被楊氏雙縫干涉實驗確鑿證實，而支持粒子性的僅有光電效應等少數(shù)現(xiàn)象。普朗克的保守立場代表了主流物理界的認知慣性。

圖2 雙縫干涉實驗的示意圖（圖片來源：Wikipedia）

1913年，普朗克在推薦愛因斯坦進入普魯士科學院的信中，一面盛贊其相對論成就，一面不忘聲明光量子假說是愛因斯坦的“失誤”。面對普朗克等權威的反對，愛因斯坦在1909年薩爾斯堡德國科學家年會上首次公開系統(tǒng)論證光量子假說時，仍不得不謹慎聲明：“這個概念具有暫時性特征，因為它與實驗驗證過的波動理論不相協(xié)調(diào)?！?/strong>這反映了他對波粒二象性深層矛盾的清醒認識。

1911年，第一屆索爾維會議的合影（圖片來源：Wikipedia）

普朗克與愛因斯坦的爭論背后，是兩代物理學家的思維差異。普朗克曾感慨：“新科學真理的勝利，不是靠說服反對者，而是因為反對者最終逝去，熟悉它的新一代成長起來。”這句話后來成為科學革命的經(jīng)典注腳。

但鮮為人知的是，這兩位理論巨匠私下卻保持著深厚友誼。1913年夏天，普朗克與物理學家能斯特專程乘火車到蘇黎世拜訪愛因斯坦。當兩位年過半百的學者走出車廂，看到手捧鮮花迎接的愛因斯坦時，一場影響物理學走向的對話就此展開——他們最終說服愛因斯坦前往柏林工作。

Part.2

十年“打臉”：密立根的精密證偽與意外證實

當理論爭論陷入僵局，美國實驗物理學家羅伯特·密立根站了出來。他堅信愛因斯坦的光量子假說是錯的，經(jīng)典波動理論才是光的真理。為了證明這一點，他決心設計一個前所未有的精密實驗，目標是直接測量光電效應中電子的能量與光的關系。

為此，密立根和他的團隊耗費了整整十年（1905-1915），打造了一套極其精巧的實驗裝置：

超高真空環(huán)境：將裝置內(nèi)部抽到近乎太空般的真空，排除氣體分子的干擾。

實時“刷新”金屬表面：用微型刀具在真空中不斷切削電極，露出絕對干凈、無氧化的純金屬表面。

精準的“光調(diào)色盤”：使用汞燈發(fā)出六種顏色（波長）非常精確的單色光，從紫外線到可見光。

捕捉電子的“靈敏耳朵”：用超靈敏的靜電計，探測金屬被光照后釋放出的微弱電子流（光電流）。

密立根的核心目標是：測量不同光照射下，被打出來的電子的最大能量（表現(xiàn)為“遏止電壓”）。他期待的結果是：光的強度越強，電子能量越大（經(jīng)典理論預言）。如果實驗結果是這樣，就能推翻愛因斯坦的理論。反之，如果光的顏色（頻率）決定電子能量（愛因斯坦預言），那將是對經(jīng)典理論的巨大挑戰(zhàn)。

然而，實驗結果讓密立根大吃一驚——數(shù)據(jù)清晰地支持了愛因斯坦：

頻率決定能量：遏止電壓與光頻率（而非強度）呈完美線性關系。也就是說，高頻紫光打出高能電子，低頻紅光打出低能電子。這直接證實了愛因斯坦的核心預言：光電子能量只由光頻率決定，徹底否定了經(jīng)典“能量積累”模型。

普朗克常數(shù)h的普適性：從線性關系的斜率計算出的普朗克常數(shù)，與普朗克研究黑體輻射得出的值驚人一致。這證明同一個量子常數(shù)既支配熾熱物體發(fā)光，也支配光電效應，揭示了量子規(guī)律的普適性。

逸出功W?的物理實在：實驗直線的截距揭示，不同金屬釋放電子所需的最小能量（逸出功W?）并不相同，這驗證了愛因斯坦引入的“逸出功”概念，確認為金屬的固有屬性。

1932年，密立根和愛因斯坦在加州理工學院的合影（圖片來源：Wikipedia）

面對無可辯駁的數(shù)據(jù)，密立根在1915年論文中承認：“實驗精確地驗證了愛因斯坦方程……盡管其物理假設（光量子）看似荒謬?！?923年在諾貝爾獎演講中，他更是感慨：“我花費十年試圖推翻愛因斯坦理論，最終數(shù)據(jù)迫使我承認其正確性?！边@場“被迫的勝利”彰顯了實驗數(shù)據(jù)對理論的終極裁判權。

Part.3

決定性一瞥：康普頓“看見”了光子

光電效應只證實能量離散，卻仍留下懸念：光量子是否像實物粒子一樣擁有動量？1922年深秋，芝加哥大學一座由紅磚砌成的實驗室里，阿瑟·康普頓（Arthur H. Compton）把一束波長極短的X射線射向一塊看似普通的石墨晶體。他屏息凝神，等待的不是美麗的衍射環(huán)，而是一場“粒子臺球賽”的開球。

康普頓正在操縱X射線光譜儀（圖片來源：Wikipedia）

康普頓在感光底片上看到了兩條清晰分離的光斑：一條與入射波長完全重合，光子只是“擦肩而過”，幾乎未失能量；另一條卻奇跡般地移向更長波長，能量減少，波長被“拉長”——這是經(jīng)典波動圖像無法解釋的。

更關鍵的是，康普頓發(fā)現(xiàn)：散射光波長的增加量（“紅移”程度）呈現(xiàn)出一個清晰的規(guī)律——它僅與散射角θ（光子被偏轉(zhuǎn)的角度）有關，且隨散射角增大而單調(diào)增加。為了驗證這一規(guī)律的普適性，他更換了多種散射材料：從石墨、石蠟、鋁片，實驗結果都一致——波長偏移量完全獨立于材料種類，只取決于散射角。

這一現(xiàn)象徹底超出了經(jīng)典波動理論的解釋能力?？灯疹D意識到，必須引入新的物理圖像：將X射線光子視為攜帶能量（E = hν）和動量（p = h/λ）的粒子，與靶物質(zhì)中近似靜止的自由電子發(fā)生碰撞。如果這個碰撞過程嚴格遵守能量守恒和動量守恒定律（如同兩個臺球的彈性碰撞），那么理論計算將預言：散射角θ越大，光子損失的能量就越多，其波長增加量（Δλ）也就越大。

康普頓將不同角度下測得的波長偏移數(shù)據(jù)，與基于能量-動量守恒原理推導出的理論關系進行比對，發(fā)現(xiàn)所有實驗點都精確地落在理論曲線上，完美吻合。這一無可辯駁的吻合，提供了光子具有動量的直接實驗證據(jù)，強有力地支持了愛因斯坦的光量子假說，并確證了光具有粒子性這一基本屬性。

康普頓散射的示意圖（圖片來源：Wikipedia）

每一個實驗點都落在理論曲線上，像釘子一樣釘住了光子的“粒子身份”。

為了說服仍沉浸在波動幻想中的同僚，康普頓在1923年春天舉辦了一次公開演示。他把X射線管、石墨靶、旋轉(zhuǎn)臂式探測器搬進芝加哥最大的階梯教室，現(xiàn)場調(diào)整散射角，實時投影計數(shù)器的“咔噠”聲。當臂架轉(zhuǎn)到90°時，揚聲器里傳來密集而清脆的脈沖——那是單個光子被電子撞飛后，探測器發(fā)出的“目擊證詞”。臺下驚嘆聲此起彼伏，一位老教授喃喃道：“原來X射線真的是彈珠。”

就在康普頓論文刊出不久，中國留學生吳有訓加入戰(zhàn)團。他系統(tǒng)更換散射材料：石蠟、硫、鋁、銅......每一次實驗，散射后光子波長的增加量都只與角度有關，與材料無關。吳有訓將15組數(shù)據(jù)繪制成一張巨大的“康普頓-吳圖”，曲線重合得天衣無縫。這份手稿至今仍保存在清華大學檔案館，成為東方學者對量子革命的直接貢獻。

1924年4月，愛因斯坦在《柏林日報》撰文，用大眾語言總結這場“臺球賽”：“光子不僅攜帶能量包，也攜帶動量包。當它撞上電子，就像兩顆臺球相撞，能量與動量都守恒。我們終于被迫承認，光既是波，也是粒子?！?/p>

文章發(fā)表當天，柏林街頭報童高喊：“光，原來也會打臺球！”一夜之間，光量子從“可疑假說”躍升為“家喻戶曉的粒子”。1927年，康普頓因該發(fā)現(xiàn)榮獲諾貝爾物理學獎（與威爾遜共享），標志著光量子作為物理實在被最終接納。

Part.4

真理的接力賽

這場持續(xù)二十年的科學驗證長跑，完美呈現(xiàn)了科學革命的經(jīng)典路徑：普朗克的質(zhì)疑代表對舊范式的守護，密立根的證偽彰顯實驗的仲裁力量，康普頓的觀測則提供決定性證據(jù)鏈。三人接力推動物理學完成根本性躍遷：能量從連續(xù)到離散，量子從工具到本體，研究從現(xiàn)象描述到本質(zhì)探索。

耐人尋味的是歷史的時間差：愛因斯坦1921年因光電效應獲諾獎時，頒獎詞僅提“發(fā)現(xiàn)光電效應定律”，刻意避用“光量子”一詞；而康普頓1927年獲獎才標志著理論全面勝利——科學共識的形成，往往滯后于真理的發(fā)現(xiàn)。

愛因斯坦的光量子假說如同一把鑰匙，開啟了量子力學的大門。它不僅直接啟發(fā)德布羅意提出物質(zhì)波理論（1924年），催生薛定諤波動方程（1926年），更奠定了現(xiàn)代量子光學的基礎。從激光技術（受激輻射理論的應用）到光伏發(fā)電，從高能物理探測到量子通信，愛因斯坦1905年的奇思妙想已融入人類科技的血液。

再次回望這段歷史，光量子的故事告訴我們，真理從不會不戰(zhàn)而勝——它需要思想的勇氣、實驗的嚴謹，以及那些在黑暗中堅守光明的靈魂。愛因斯坦在伯爾尼專利局抽屜里藏匿的革命火種，最終照亮了人類認知的新大陸。

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作者：欒春陽、王雨桐（清華大學物理系博士）

來源：中國科普博覽

編輯：姬子隰

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