爱因斯坦的光子学

安东·蔡林格（Anton Zeilinger）

维也纳大学物理学家，奥地利科学院量子光学和量子信息研究所主任，著有《光子之舞》（Dance of the Photons）。

我所挚爱的深邃、优雅的科学理论是爱因斯坦于1905年提出的观点：光是由能量子组成的。现今我们将能量子称为光子。相当有趣的一点是，即使在物理学界，也鲜有人知道爱因斯坦是如何得出这个结论的。公众通常以为，这个观点是爱因斯坦用来解释光电作用的。爱因斯坦在1905年发表的观点里确实有这部分内容，但仅仅在最后才被提及。事实上，这个观点本身更为深奥、更为优雅，也更为美丽。

假设一个密闭容器的四壁达到了某种温度，四壁在闪闪发光，它们一边释放辐射，一边也吸收着辐射。一段时间之后，容器内部的辐射分布将会达到平衡。在爱因斯坦之前，这个观点已经广为人知。普朗克引入了量子化的概念，对处于这样一个体积内部的能量辐射分布作出了解释。爱因斯坦则更进一步，他研究了容器内的辐射是如何有序进行分布的。

对物理学家而言，熵是对混乱程度的一种度量。奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼论证了，一个系统的熵是对该系统状态可能性的一种度量。举个简单的例子，书籍、笔记本、铅笔、相片等物体，相对于这些东西被整整齐齐码放在一起，它们更有可能是四处散落在书桌上。或者我们假设，一个容器内装有100万个原子，相对于所有原子都集中在一个角落里，这100万个原子更有可能均匀地分布在容器内。在以上两种情形下，“均匀分布在容器内”这种状态的有序性会弱一些，并且当一个更大的容器装有这些原子（或物体）的时候，它们会具有更高的熵值。

爱因斯坦意识到，其辐射的熵包括光会随容器体积的改变而改变，对这个过程的计算方法与计算原子的方法相同。在两种情形下，熵随着体积对数的增加而增加。对爱因斯坦而言，这绝非巧合。如此一来，我们就可以理解气体的熵了，因为它是由原子、辐射以及粒子所组成，即被爱因斯坦称作能量子，即今天所称的光子。

很快，爱因斯坦把他的想法就应用到了光电效应上。与此同时，他也意识到，能量子（光子）的概念和已经过长期研究并观察的干扰现象之间，存在着根本性的冲突。问题的实质在于如何理解双狭缝干涉模式。根据理查德·费曼（Richard Feynman）的理论，此种现象含有量子物理的“量子力学中的意识问题”。挑战并非难事，当我们将一束光子投射到一个有着两个狭缝的平面上，并当双狭缝呈开启状态时，在平面后面的观测屏幕上，我们可以观察到明暗交错的干涉条纹。如果只开启一条狭缝，我们则看不到条纹，而只会观察到一个分布广阔的光子。这个结果很容易通过光的波图来理解：光波分别通过两个狭缝，在观测屏幕上相互抵消与增强，如此的此消彼长，就让我们看到了明与暗交替的条纹。

如果光束的强度低到只有一个光子可以通过装置，会发生些什么呢？跟随爱因斯坦现实主义的立场，我们自然而然地会假设一个光子可以通过其中的任意一道狭缝，但无法同时穿过两条狭缝。我们可以实验一下，一次送出一个光子。爱因斯坦认为，在这样的条件下不会出现干涉条纹，因为一个单一的光子，作为粒子，不得不只“选择”其中一道开启着的狭缝，因此无法像在波图中那样出现增强或抵消的现象。这的确是爱因斯坦的论点，他提出只有在多重光子同时穿过狭缝时，才会呈现因为相互作用而产生干涉模式的条纹。

如今，我们从若干实验中获知，即使强度低到每秒只有一个光子通过装置，干涉条纹模式仍然会出现。如果我们等待足够长的时间，并在观测屏幕上观察所有光子的分布，我们将看到干涉模式。现在对此现象的解释是，在宇宙中的任何地方，在完全不知道粒子会穿过哪一条狭缝的情形下，干涉模式便会出现。通俗地讲，对光子一次同时穿过两道狭缝的说法我们要持怀疑态度。即便是爱因斯坦，在光的能量子问题上，也犯错了，比如，光子指向的是遥远的未来。

1905年，在这个奇迹之年，爱因斯坦发表了狭义相对论。同年，在爱因斯坦写给他朋友康拉德·哈比希特（Conrad Habicht）的信中，他把在光子方面的论文评价为具有“革命性”的意义。迄今为止，这是爱因斯坦唯一被称为具有革命性的研究成果，这也的确是名副其实，因此他获得了1921年的诺贝尔奖。但早些年的状况并非如此顺利，在1913年，那封由普朗克、瓦尔特·能斯特（Walther Nernst）、海因里希·鲁本斯（Heinrich Rubens）和埃米尔·瓦尔堡共同签署，推荐爱因斯坦成为普鲁士科学院院士的著名推荐信中，他们写道：“就如同他的光量子假设说一样，他的推测偶尔会偏离目标，但我应该对他的这些失误既往不咎，因为如果没有偶然性的冒险，最精准的科学则不会存在真正的创新。”1905年，爱因斯坦通过光子对辐射熵所做的深邃、美妙而优雅的阐释，真真切切地论证了偶然性推测的巨大作用。