康普顿效应定乾坤

1917年前后，不仅密立根不相信光量子假说，实际上大部分物理学家都没有做好承认光量子假说的准备。

美国物理学家康普顿。

爱因斯坦的光量子假说的命运，自提出之日就坎坷多难，直到1923年由于“康普顿效应”（Compton effect）的正确解释被提出来以后，光量子假说才终于被科学界接受，这时距1905年已经18年了！在此之前，连刚冒出来的新秀丹麦物理学家玻尔（Niels Bohr，1885—1962，1922年获得诺贝尔物理学奖），也完全不相信光量子。为了反对用光量子解释光电效应，玻尔甚至考虑能量和动量守恒定律是否普遍有效。在1921年4月召开的第三次索尔维会议上，玻尔在提到光量子理论时说过一句值得人们注意的话：“如果我们坚持能量和动量守恒具有不受限制的普适性，那么光量子就提供了解释光电效应的唯一的可能性；然而，从光的干涉现象观之，光量子又显然面临难以克服的困难。”

也就是说，为了解释光电效应中出现了实验结果，玻尔宁可抛弃能量和动量守恒这样一个金科玉律，也不同意无法整合到干涉、衍射图像中去的光量子假说。玻尔还曾经开玩笑地说，如果爱因斯坦发电报告诉他光量子已被确证，那他就以这个电报本身作为证据来反驳，因为从柏林发出的信息是用无线电波传递的，在哥本哈根则用天线接收。

在1923年以前，光量子没有任何值得称道的进展。1916—1917年，爱因斯坦曾经就光量子理论写过三篇论文，对普朗克的辐射定律进行了新的推导。这是他从1911年以来“不再过问”量子问题后又一次关注量子问题。1911年5月13日爱因斯坦写信给贝索说：“目前，我正在试图用量子假说推导固体电介质中热传导定律。至于这些量子是否确实存在，我也不再过问它们，因为，我已经明白，我们的脑子是无法透彻理解它们的。”

1911年10月底，这时爱因斯坦已经到布拉格当大学教授了。在第一届索尔维会议上他发表了关于量子理论的报告《比热问题的现状》。但这时爱因斯坦主要的兴趣已经转向了广义相对论，决定暂时放弃光量子的研究。从1912年初起，他们的注意力几乎已经完全脱离了量子论问题。索末菲在1912年11月1日写信给哥廷根大学的数学家大卫·希尔伯特（David Hilbert，1862—1943）时说：“我给爱因斯坦的信证明是徒劳的……显然，他已经那么深地卷进了引力问题，以致他对除此以外的一切都已统统充耳不闻了。”

到1916年6月，爱因斯坦关于广义相对论的研究取得了阶段性成果以后，又回过头来研究量子论。但没有取得什么令人欣慰的成果。

有趣的是，尽管大家普遍反对光量子假说，爱因斯坦还是因为“在数学物理方面的成就，尤其是发现了光电效应的规律”，在1922年获1921年的诺贝尔物理学奖。不过评委们闭口不提“光量子假说”，真是典型的掩耳盗铃！

幸好，正是1922年，阿瑟·康普顿于圣诞节前三周，在严寒的芝加哥举行的一次物理学会议上，宣读了他那篇有历史意义的文献《X射线受轻元素散射的量子理论》，光量子假说终于被彻底证实。

康普顿1892年出生在俄亥俄州的伍斯特，他的父亲是伍斯特神学院的哲学教授。阿瑟有两个哥哥，后来都颇有成就，大哥威尔逊曾担任华盛顿大学校长，另一个哥哥卡尔也是著名的物理学家，曾担任麻省理工学院院长，在第二次世界大战期间还担任很多政府部分要职。

康普顿从小就喜欢自己动手做各种机械，十几岁就做了一架能够飞的滑翔机，后来还发明过一种回转飞机的控制器。因此在他读大学的时候，父亲对他说：“选择职业要立足于发挥自己的特长。我看你从事科学研究会更有前途。”因此康普顿在1909年进入伍斯特学院物理系，1913年毕业；后进入普林斯顿大学物理系读研究生，1916年获得博士学位。毕业后他在明尼苏达大学教过书，在西屋电气公司任过研究工程师。但是志向远大的康普顿不满足于已有的知识，1918年来到英国卡文迪什实验实，先是在J.J.汤姆逊手下研究，1919年又转到卢瑟福（E.Rutherford，1871—1937，1909年获得诺贝尔化学奖）手下做研究。那年卢瑟福正好实现了第一个人工核反应，把氮转变为氧，在当年这是震撼世界科学界的大事—科学家可以在实验室人为地转变元素，人类自古就梦想的炼金术，似乎有了真切的希望！

1919年底回国后，康普顿立即开始着手进行X射线实验。1923年，他就发现了康普顿效应。

图（2—2）康普顿效应示意图。

康普顿在X射线散射实验中，测定散射后的X射线波长的变化。他将X射线以不同的入射角射到轻元素表面上，发现散射后的X射线有两种：一种波长不变，与入射X射线波长一样；另一种波长发生了变化，散射后的波长比原来的要长一些，比如说增加Δλ（这时我们说X射线变“软”了）。为了解释波长变化的起因，康普顿开始试图用经典理论来解释，但都不成功，走了5年的弯路。

到了1922年以后，康普顿终于想放弃经典理论解释的方法，而试一试把X射线当作光量子看待。这样，当X射线射到轻元素上时，这个光量子与元素中的电子发生碰撞，然后他利用动量守恒和能量守恒定律列出两个方程，算出X射线波长的改变量Δλ。结果，这个理论计算值与实验测出的结果精确地一致。据伦敦大学学院科学史和科学哲学教授阿瑟·米勒（Authur I. Miller）看来，康普顿也不是一位自觉的革命者，他开始只是因为没有其他出路而抱着用光量子试一试的想法，却没有想到居然获得意外的成功。米勒在他写的《情欲、审美观和薛定谔的波动方程》一文中写道：

光量子存在的证据，出现在1923年的那些实验之中。但是哪怕是做这些实验的康普顿也不相信自己的这些结果。他拒绝的主要理由在于光量子的能量（这毕竟是粒子，并且因此是定域化的）和它的波长（这不是定域化的）之间的关系。这些完全不同的一些量，怎么可能联系得起来呢？这难道不像是企图把鱼和石头联系在一起吗？

但是实验数据使康普顿不得不承认光的量子假说。最后，他在文章中声称：“……几乎不用再怀疑伦琴射线是一种量子现象了。……验证理论的实验令人信服地表明，光量子不仅具有能量，而且具有一定方向的冲量。”

当康普顿的实验公布之后，美国哈佛大学教授杜安尼（W. Duane，1872—1935）立即表示反对，因为他本人也在做X射线散射实验，却并没有发现康普顿的实验结果，因此他认定是康普顿实验有错误。1924年夏天，在加拿大多伦多召开的英国科学促进会上，康普顿和杜安尼两人展开了激烈的辩论，结果杜安尼占了上风。会议结束时，印度物理学家喇曼（Sir Chandrasekhara Vankata Raman，1888—1970，1930年获诺贝尔物理学奖）似乎很同情地对康普顿说：“您是辩论高手，但这次真理不在你这一边。”

康普顿没有气馁，会议结束后他回到芝加哥大学立即开始做进一步的实验，以便驳倒杜安尼教授。这里应该提到中国著名的物理学家吴有训（1897—1977）。吴有训当时是康普顿的研究生，而且是康普顿最得意的弟子。他在康普顿的指导下，完成了一系列实验，确切地证实了杜安尼的反驳是错误的，从而成功地证实了康普顿效应的正确无误。

康普顿实验大获全胜以后，这个轰动的消息立即像海啸一般传遍了国际物理学界。德国物理学家海森伯后来曾回忆说：“康普顿的论文出现了，它占据了许多人的心。这篇论文强有力地表明了光量子图景的实在性。”索末菲把康普顿效应编到他1924年新版的《原子结构与光谱线》书中，并且评论说：“这可能是当前物理学现状中能够做出的最重大的发现。”还有一位物理学家把康普顿效应的发现称为物理学发展史上的“转折点”之一。

光量子理论由此获得了决定性的胜利。1926年，人们把这种没有静止质量但却具有能量和动量的粒子，命名为“光子”，成为了基本粒子成员中的一员。

光子理论虽然获得了决定性的胜利，但是争论并没有因此结束。一方面，正如派斯所说，“以玻尔为中心的反光子的重要堡垒依然存在”；另一方面，无论是爱因斯坦还是康普顿，都不会忽视电磁波理论所取得的辉煌胜利（包括玻尔前面提到的无线电报！）；这就迫使人们必须接受一个双重的形象，即，光时而是波，时而又是粒子。这种双重形象使人们感到惶惑、不安和迷惘。

爱因斯坦在1924年说：“现在有两种光的理论，这两种理论没有任何逻辑联系，但我们却都不得不承认它们，因为它们是20年来理论物理学家付出了巨大的代价才取得的。”而康普顿则在他发表的那里程碑般的论文中写道：“不管怎样，散射问题与反射和干涉是如此紧密地联系在一起，对它的研究很可能给干涉现象与量子理论的关系这一难题投入一线光明。”康普顿期望的“一线光明”，很快就由法国物理学家路易斯·德布罗意（Louis de Broglie，1892—1987，1929年获得诺贝尔物理学奖）撒向了人间。后面还会专门讲到他的贡献。

1 另两位是普朗克和玻尔。