主题：《量子》重启贴 -- 奔波儿

第五章·当爱因斯坦遇见了玻尔（3）

1923年2月，玻尔收到一封于1月21日发出的信件，寄信人是阿诺德·索末菲，他在信中提醒他注意“一件事情，这是我在美国期间所见到过的与科学相关的最有趣的事情”。为了逃避那个几乎将德国吞噬掉的恶性通货膨胀，他离开德国巴伐利亚的慕尼黑，在美国威斯康辛州的麦迪逊待了一年时间。应该说，索末菲做出了一个非常精明的财务决策，而这个决策的额外收获就是他赶在他的欧洲同行之前，成为最早了解阿瑟·霍利·康普顿（Arthur Holly Compton：1892～1962）所做工作的几个人之一。

康普顿的发现对X射线的波动理论的有效性提出了挑战。因为X射线是电磁波，即一种短波长的、不可见的光，索末菲认为，这个发现作为一种反证据，意味着那种认为光是一种波的观点遇到了严重的问题。索末菲在信中有点含蓄地写道“我不知道我是否应该透露他的工作”，这是由于康普顿的论文还没有正式发表。“我只是想提醒你注意一个事实，完全彻底和崭新的一课可能会出现在我们面前。”而这一课正是爱因斯坦自1905年以来一直试图教给大家的，即光也是量子化的，尽管对这一论断，他时而满怀激情，时而却意志消沉。

康普顿是美国最优秀的青年实验物理学家之一，1920年，在密苏里州圣·路易斯的华盛顿大学，年仅27岁的他就被任命为物理系教授兼系主任。而在之后的两年中，他对X射线的散射现象所做的调查研究工作被称为“20世纪物理学的转折点”。康普顿所进行的实验就是用一束X射线轰击各种元素，例如碳（石墨），并对“次级辐射（Secondary Radiation）”进行测量。当X射线击中目标以后，大部分射线都会径直穿过，但其中一些射线却会以不同角度散射开来。康普顿所感兴趣的就是这些“次级的”或者散射的X射线。他想看看这些射线与击中目标前的射线相比，在波长上会出现什么变化。

他发现，如果将散射的X射线与那些“主要的”即那些径直穿过的射线进行比较，前者的波长要稍微长一点。而根据波动理论，它们的波长应该是完全一样的。康普顿认为波长（或者频率）的变化说明次级X射线与那些轰击目标的X射线并非是一类。这就像是一束红光击中金属表面以后却变成蓝光反射回来，这是不正常的。他的散射数据与根据波动理论得到的预测值并不吻合，因此康普顿把目光转向了爱因斯坦的光量子。几乎是一瞬间，他发现“散射射线的波长及强度变化似乎反映出一份量子辐射被一颗电子撞了回来，就好像是一颗桌球被另一颗反弹回来”。

如果X射线是以量子形式存在的，那么一束X射线就应该像是一群微型桌球那样轰击目标。尽管有些X射线量子由于没有击中任何东西，因而径直向前运动，但有一些会在目标原子的内部与电子相撞。在这一相撞过程中，X射线量子损失了能量，被散射出去，而电子也因此受到反作用力。因为X射线量子的能量是E=hv，其中h是普朗克常数，而v则是它的频率，任何能量的损失都会导致该量子的频率下降。如果频率与波长呈反比，则发生散射的X射线量子的波长会变长。康普顿对探测到的X射线的能量损失情况做了详细的数学分析，发现散射的X射线的波长（或者频率）的变化取决于散射的角度。

外链图片需谨慎，可能会被源头改

康普顿认为，伴随着散射的X射线，应该存在着被反撞出去的电子，可是从来没有人观测到这种现象。但的确，也没有人想寻找这种电子。于是康普顿对此做了观测，并很快就发现了这种电子。“很明显，这说明”，他说“X射线，以及光都是由离散的基本单位组成的，它们沿着一定的方向运动，且每一个基本单位所拥有的能量都为hv，其相应的动量为h/λ。”“康普敦效应（Compton Effect）”，即当X射线因为与电子撞击而发生散射后，其波长会增加的现象，为光量子的存在提供了确凿无疑的证据，而在这之前，光量子在大多数人眼中最多就是一个科幻故事。当X射线量子与电子发生碰撞时，能量和动量是守恒的，利用这种认识，康普顿可以解释他的观测数据。早在1916年，爱因斯坦就首先提出光量子是具有动量这种粒子属性的。

1922年11月，康普顿在芝加哥的一次学术会议上公布了自己的发现。然而，尽管他在圣诞节前就把论文寄到了《物理评论》（Physics Review），但一直拖到1923年的5月，这篇论文才得以发表，因为编辑们无法理解这篇论文的伟大意义。而这个本来可以避免的耽搁导致了荷兰物理学家彼得·德拜（Peter Debye：1884～1966）抢在康普顿之前发表了这一重大发现的完整分析结果。作为索末菲的前助手，德拜在三月份将他的论文投递到一家德国学术期刊。与那些美国同行的态度截然相反，德国编辑们一眼就看出了这项工作的重要性，在第二个月就将文章刊发出去。然而，德拜以及所有其他人都认为，只有这位天才的美国年轻人才配得上这份荣誉和认可。因为这项伟大发现，康普顿在1927年被授予诺贝尔奖。从此以后，爱因斯坦的光量子被重新命名为光子（Photon）。

1923年7月，当爱因斯坦发表他的诺贝尔奖获奖报告之时，有2000人与会，但他明白大部分人的目的只是过来瞧一下他到底长什么样子，而不是来听他讲些什么。当爱因斯坦坐在从哥德堡开往哥本哈根的火车上时，他急切地想见到一个人，因为自己无论说些什么，他都会洗耳恭听，虽然也可能对自己的话提出反对意见。当爱因斯坦走下火车的时候，玻尔已经站在那儿迎接他了。“我们上了电车，眉飞色舞地尽情畅谈，以至于我们都有些忘乎所以”，玻尔在四十年之后回忆说。因为他们是用德语交谈的，所以其他乘客看他们的眼神有些好奇。电车载着他们四处晃悠，而这两位光顾着讨论问题，以至于错过了站。他们的谈话内容当然也包括康普顿效应，这一发现后来被索末菲称为“可能是物理学发展到现在为止最为重要的发现”。玻尔却不这么认为，并拒绝接受光是由量子组成的观点。而现在呢，少数派已经不再是爱因斯坦，而是玻尔。索末菲坚信康普顿已经敲响了“辐射的波动理论的丧钟”。

玻尔后来非常喜欢看西部片，就像这些影片中的末日英雄一样，玻尔向光量子理论发起了最后的抗争，甚至不惜站在大多数人的对立面。玻尔及其助手亨德里克·克拉默斯（Hendrik Kramers：1894～1952），同一位来访的年轻美国理论物理学家约翰·斯莱特（John Slater：1900～1976）开展了紧密的合作，他提出了一个方案，即牺牲掉能量守恒原理，而这一原理正是分析康普顿效应的一个关键性理论。经典物理学的世界是被这一原理统治的，但在原子尺度，假如这一原理并不需要被严格遵从，那么，康普顿效应就不应该被看成是爱因斯坦的光量子理论的一个无可争议的证据。这一方案后来按照玻尔、克拉默斯和斯莱特三人的姓氏首字母被命名为“BKS方案（BKS Proposal）”，它看上去像是一个建议，但实际上却更像是一种充满绝望的行为，反映出玻尔对光量子理论绝不妥协。

在原子尺度，能量守恒原理从未在实验中被测试过，玻尔认为它在诸如光量子的自发辐射这样的过程中是否有效，依旧是一个尚未解决的问题。在爱因斯坦看来，当光子与电子发生碰撞时，能量和动量都是守恒的；但玻尔认为它们只是在统计意义上保持守恒。1925年，当时在芝加哥大学的康普顿做了实验，随后帝国物理研究所（Physikalische Technische Reichsanstalt）的汉斯·盖革和瓦尔特·博特（Walther Bothe：1891～1957）也进行了实验，他们的结果均证实了在光子与电子发生碰撞期间，能量和动量都是守恒的。爱因斯坦是正确的，而玻尔错了。

1924年4月20日（这时，那些让持怀疑态度的人士闭嘴的实验还是一年以后的事情），在《柏林每日评论》上，一向自信满满的爱因斯坦以雄辩的文笔向读者们对当时的情况作了汇总：“目前，有两种关于光的理论，它们均缺一不可——但是在理论物理学的这个领域，经过20余年的艰苦努力，现在我们必须承认——它们在逻辑上互不相干。”爱因斯坦的意思是说光的波动理论以及光量子理论在一定程度上都是有效的。在解释一些与光波相关的现象，例如干涉和散射现象时，光量子理论无能为力。与此相反，如果要对康普顿的实验结果以及光电效应做出完整的解释，则又必须依靠光量子理论的帮助。光具有双重的波粒（wave-particle）特性，物理学家不得不接受这一认识。

一天早晨，爱因斯坦的文章刚刚见报不多久，他就收到了一个包裹，上面打着巴黎的邮戳。打开包裹，他发现里面有一封信，是一位老朋友征询他对附寄的一本博士论文有些什么看法，这篇论文的作者是一位法国公爵，内容是关于物质的本质。

（第五章完）

第六章·双重身份的公爵（1）