4.4　量子理论与光的本性

普朗克的能量量子化理论、爱因斯坦的光量子理论，以及玻尔的原子轨道能量量子化理论，成功地解释了当时物理学界的三大难题，而其基础都建立在量子化假设上，于是引起了当时科学家对量子理论研究的热潮，为量子力学的产生奠定了基础，同时也再一次引起人们对于光的本性的探讨。

如前所述，人们曾经为光的波动说和粒子说争论不休，但谁也没有意识到它们并非水火不容。第一个将光的波动性和粒子性结合起来考虑的人是爱因斯坦。他认为电磁辐射不仅在被发射和吸收时以能量hν的微粒形式出现，而且在空间运动时也具有这种微粒形式，也就是光子。

早在1905年，爱因斯坦在他提出的光量子假说中，就隐含了波动性与粒子性是光的两种表现形式的思想。1909年，爱因斯坦又撰文讨论电磁辐射问题，明确了光的波动性和粒子性是融合在一起的。1916年，他更加明确了光量子的粒子性质，提出光量子应具有单一方向的动量，这是粒子性的重要体现。

爱因斯坦在1916年指出，根据狭义相对论，光子具有能量的同时也应具有单一方向的动量，原子或分子发射光子时，不仅会发生能量转移，而且应受到反冲作用而发生动量转移。要知道，只有两个粒子碰撞才能产生反冲作用，所以如果发现这个反冲作用，就能有力地证明光子是一种粒子。

爱因斯坦的理论很快就得到了实验验证。1923年，康普顿和他的学生吴有训在X射线散射实验中，证明了光子与电子在相互作用中确实有动量交换。这种碰撞作用靠电磁波理论是无法解释的，从而有力地支持了爱因斯坦的光子学说。康普顿也获得了1927年的诺贝尔物理学奖。

可以说康普顿的实验结果不但验证了光子学说，而且也验证了相对论，毕竟光子动量公式是从相对论公式E=mc2推导出来的。难怪爱因斯坦当年得知康普顿的实验结果时是那样欣喜若狂，他热情地宣传和赞扬康普顿的发现，多次在会议和报刊上提到它的重要意义。比如1924年4月20日他专门在《柏林日报》上发表了题为《康普顿的实验》的文章，对将光的波动性与粒子性结合起来的光子学说进行了全面阐述。

密立根的光电效应实验和康普顿的X射线散射实验都为光的粒子性提供了令人信服的证据，而且康普顿效应比光电效应更进一步，它为光的粒子性假说提供了更完全的证据。于是爱因斯坦的融合了波动性和粒子性特征的光子学说也迅速获得了广泛的承认，而且人们为光的本性发明了一个新名词——波粒二象性。这是人类对物质世界认识的一次质的飞跃！