[科普中國(guó)]-為什么光量子既不是物質(zhì)粒子也不是波

光量子又稱為光子。這個(gè)名詞是愛因斯坦1905年在公開發(fā)表的一篇著名論文中首先提出的，由于光子學(xué)說的巨大成功，愛因斯坦獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

那么，究竟什么是光量子呢？在日常生活中，光是最為人們所熟悉的東西。如果沒有光，人們簡(jiǎn)直無法生活。但是，人們認(rèn)識(shí)光的本性卻經(jīng)過了艱難而又曲折的道路。

以牛頓為代表的一種理論認(rèn)為，物體發(fā)光是因?yàn)樗l(fā)射出光的粒子（微粒）流，我們之所以能看到光，是由于這些粒子落到眼睛上引起了視覺。按照這個(gè)理論，人們把光的反射現(xiàn)象解釋為光的粒子在反射面上發(fā)生了彈性碰撞而造成的結(jié)果。

然而與牛頓同時(shí)代的惠更斯則認(rèn)為，物體發(fā)出的光是一種波動(dòng)，這種波動(dòng)不同于人們通常觀察到的水波和聲波——它們都有傳播波動(dòng)的介質(zhì)，水波的傳播介質(zhì)是水，聲波的傳播介質(zhì)是空氣或其他液體和固體，而光波的傳播是在真空中進(jìn)行的，也就是說光波以真空為介質(zhì)。

這兩種理論一開始就發(fā)生了沖突，但由于牛頓在科學(xué)界的崇高威望，光的微粒說在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)占統(tǒng)治地位。直到19世紀(jì)初，楊氏、菲涅爾、夫瑯和費(fèi)新發(fā)現(xiàn)的光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象，與惠更斯的光的波動(dòng)說十分吻合，而牛頓的光的微粒說對(duì)此卻無法做出解釋。

隨著光學(xué)儀器的發(fā)展，光學(xué)理論也有了很大的進(jìn)展。麥克斯韋證明了光波是一種電磁波后，光的波動(dòng)理論似乎完全被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，光是波動(dòng)的說法也為人們普遍接受。

但是，光是波動(dòng)的理論在光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果面前卻一直顯得無能為力。所謂光電效應(yīng)指的是：當(dāng)用光照射金屬表面時(shí)，會(huì)把電子從金屬中打出來。早在1872年，莫斯科大學(xué)的斯托列托夫就已發(fā)現(xiàn)了這個(gè)現(xiàn)象，以后德國(guó)物理學(xué)家赫茲和雷納德對(duì)此也進(jìn)行了研究。當(dāng)人們?cè)噲D用光的波動(dòng)說去解釋光電效應(yīng)時(shí)，得出的結(jié)論是：當(dāng)光的強(qiáng)度增大時(shí)，從金屬中被打出來的電子的速度也應(yīng)增大。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用同一頻率的光照射時(shí)，不論光的強(qiáng)度多大，所有觀察到的電子都具有同樣的速度，也就是說，從金屬中被打出來的電子的速度與光的強(qiáng)度無關(guān)！而且當(dāng)光的頻率達(dá)到某個(gè)極限值時(shí)，才會(huì)在光照條件下使電子從金屬中飛出。而且，從金屬中能不能打出電子與光的頻率有關(guān)，即用紫光照射時(shí)飛出電子的速度比用紅光照射時(shí)飛出電子的速度大！于是，光是波動(dòng)的說法在實(shí)驗(yàn)面前陷入了困境。

楊氏干涉實(shí)驗(yàn)

愛因斯坦以創(chuàng)造性的思維完全從一個(gè)不同的角度去考察了光電效應(yīng)。他提出了光是光量子的理論。按照這個(gè)理論，光的能量是由一份一份的不連續(xù)的最小單元能量組成的，而這個(gè)單元能量大小和光的頻率正好成正比關(guān)系。光仍然像波動(dòng)一樣具有頻率（或波長(zhǎng)），但是光還具有微小“粒子”的特性——一個(gè)一個(gè)的能量單元。這樣，光無非就是一束能量流，其中最小的單元能量就稱為光量子（光子）。當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，光就把光量子的能量傳遞給電子，光量子就消失了，而電子得到光子的能量，再加上它自身的能量就可能從金屬中飛出。由于光量子能量只與光的頻率有關(guān)，因此只有大于一定頻率的光，才能提供足夠的能量使電子從金屬中被打出來。這樣，光量子的理論就以簡(jiǎn)潔清晰的方式解釋了光電效應(yīng)。

愛因斯坦的成功使他榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但是光量子理論卻把100多年前關(guān)于光的本性的問題的討論又重新擺到人們面前，光究竟是什么？是波動(dòng)還是粒子？

物理學(xué)的發(fā)展已經(jīng)使人們不得不接受這樣的說法，即光有時(shí)以波動(dòng)的面目出現(xiàn)（如光的干涉和衍射），有時(shí)又以粒子的姿態(tài)出現(xiàn)（如光的人射和反射），但是光既不是如同水波、聲波那樣的波動(dòng)，也不是如同微小質(zhì)點(diǎn)那樣的物質(zhì)粒子，光具有波動(dòng)－粒子的二象性，也就是波粒二象性。

那么為什么人們看到的太陽光或其他光源發(fā)出的光總是穩(wěn)定的、連續(xù)的，而不是一份一份的呢？這是因?yàn)楣饬孔拥哪芰课⒑跗湮?，用?shù)學(xué)形式表示出來就是著名的普朗克關(guān)系E=hv，h稱為普朗克常數(shù)，數(shù)值是6.62618×10-34焦 秒，雖然這個(gè)數(shù)值如此微小，但對(duì)于物理學(xué)的發(fā)展，對(duì)于人們認(rèn)識(shí)光的本性的作用卻大得很呢。假設(shè)我們點(diǎn)亮一盞25瓦的電燈泡，并把發(fā)出的光都看成黃光，那么這束光就包含有6×1019個(gè)光量子的能量單元，或者說，這束光發(fā)出了6×1019個(gè)光量子，即每秒發(fā)出6000億億份能量單元。由于人的肉眼具有的視覺暫留特征，因此，當(dāng)如此多的光量子以如此快的速度人射時(shí)，人的眼睛根本察覺不到一份一份的光量子，所看到的就是一束連續(xù)的光。

由此可見，光量子指的是能量的最小單元，它不是物質(zhì)粒子。雖然光量子的能量大小與頻率有關(guān)，但它也不是通常我們看到的波動(dòng)。