光子真实存在：透析光子背后的物理原则

8.光子果真实在吗？

可是，现在还不是很清晰。普朗克对辐射问题具有创造性的解决之意义暂时依然是有争议的。普朗克本人不情愿相信电磁辐射被原则性地约束在这种新方式中，并且希望找到某种为古典物理学所忽略的细微差别以解释为什么波必须以量子的方式携带能量。正如盒子的几何形状允许波只以某个基频的和音存在，普朗克想藉助某种类似的论证解释最终被发现的波之能量的分立化。扼要地讲，普朗克无论如何也不喜欢他所发现的新的且明显地非古典物理学的特征，并且他从不把这个小的电磁能包归因于任何一个真实的物理实在。因为对他所发明的规则的解释，只是时间问题。

在概念的和哲学的方面，物理学家们可以以任何方式不停地争辩这个问题。光子是真实的还是隐藏着某些未知的物理原则？但随着时间的流逝，某些实验结果使这个问题变得明白起来，这些实验都在真正的和普遍的物理客体基础上得以无矛盾地理解。光子不断出没于各处，两条论据特别值得提及。

其一是光电效应，当光照射在某些金属表面时喷射电子。对于为什么电磁能冲击到金属表面能够摇松一些电子，似乎并不难理解。金属导电的原因是，一些电子自由地漫游于其中，从一个原子跳跃到另一个原子，以致，电子在金属中不像在其他物质中那样受限制，这是一个基本事实。你可以想象，以某种方式进行的能量投射，能一次又一次地撞击出电子。但是光电效应的两个细节避免了不严格的解释。

实验者已经发现，为了使任何一种特殊的金属释放电子，倾注在其表面的光必须有某个最小频率，其大小依赖所选用的金属。例如，绿光能从钠金属片中逐出电子，但是要想从铜和铝这类普通的金属中撞击出电子，你需要更大能量的紫外线。此外还发现，一旦电子释放开始，加大光强时射出的电子数增加而每个电子的能量不增加，提高光的频率时出现较高能量的电子，而释能率不变。

这些事实很难用光的波动理论理解，按照这种理论，波所携带的能量等于频率和强度之积；就输运给光电金属表面的能量来说，高强度的低频辐射与低强度高频辐射是一样的，无法解释为什么频率和强度有如此明显不同的效果。

然而，爱因斯坦，以光是一束光子的思想非常简单地解释了光电效应。请设想，一个光子猛撞一个金属，必逐出一个电子。如果这电子被某种引力束缚在金属结构之中，它将用某个最小量的能量挣脱出来。因为光子以与它们的频率成正比的方式携带能量，所以能撞击出一个电子的光子至少必须具有其频率超出某个阀值的能量。（两个低频或低能量的光子，原则上能逐出一个单一的电子，但它们必须相继地击中这个电子，并且时间精度的要求使其未必可能。）这就解释了为什么光必须超出某个最小的频率才能从金属中释放出电子。并且不同的金属有不同的原子特性，所以最小频率应是每个金属的特性。(www.xing528.com)

增大光束强度等于用更多的光子冲击金属表面。个别光子像以前那样撞击出电子，但因为更多的光子，所以光束作为一个整体更迅速地产生电子。另一方面，提高光的频率等于发送具有更大的能量的光子。每一个光子能撞出一个单个电子，但是光子以更多的能量跳进，当电子被撞击时就遭受一个更大的推力。这就解释了为什么一个更强的光束产生更多的电子，而一个更高频的光束产生更高能的电子。

因而，光的光子理论能够非常简单地解释光的波动理论所不能解释的实验事实。爱因斯坦由于这个光电效应的解释而获1921年度的诺贝尔奖。这件事经常被提及，是因为诺贝尔奖委员会胆小而不敢为他的更基础的并且是有争议的狭义和广义相对论授奖。另一方面是对光子的实在性的证明，它在当时也同样是一个有争议的问题，是一个很难放弃的成就。

光子类似小粒子行为的直接演示出自美国科学家阿瑟·康普顿1927年的实验。当时已经发现，从某种晶体反弹回来的X射线，其反射能量小于入射能量，能量的丢失依赖于他们的反射角。康普顿得出结论说，如果你把X射线看做与晶体原子的电子乱撞的个别光子，你就能理解这一现象。如果你把电子和光子两者看做粒子，那么这就是严格的弹子球碰撞，并且电子弹出的方向和它所具有的能量之间有直接关系（譬如一个球直接地撞击另一个静止的球，并在某个速度下以一个斜撞把它撞走使之缓慢旋转）。此外，在冲撞中光子的能量也被改变，并且，按照普朗克假设，因为能量与频率成正比，所以光子能量的前后变化等于很容易检测的频率的变化。

康普顿证明了，这样的冲撞的力学恰是你可以从光子和电子的一个弹子球碰撞模型中所期待的。藉助于对比我们看到，对于为什么一个光子的频率由它与电子的互相作用而被改变，光的波动理论没有提供一个理解。由于这项工作康普顿获1927年度诺贝尔奖。

这绝不是光子实在或不实在的仅有证据，但是这两个持久的论证与任何一个演示一样表明，光子不是它们的发明者普朗克所希望的数学结构，而是一个真实的粒子。

此外，它并非那么简单，光子可能是光的一个小能包、小粒子，但光无疑也有波动性。它是波，它是粒子，它是波和粒子。