3-2第三章 火流星
二
位于伯尔尼的瑞士专利局如今是一个高效和现代化的机构，为人们提供专利、商标的申请
和查询服务。漂亮的建筑和完善的网络体系使得它也和别的一些大公司一样，呈现出一种
典型的现代风格。作为纯粹的科学家来说，一般很少会和专利局打交道，因为科学无国界
，也没有专利可以申请。科学的大门，终究是向全世界开放的。
不过对于科学界来说，伯尔尼的专利局却意味着许多。它在现代科学史上的意义，不啻于
伊斯兰文化中的麦加城，有一种颇为神圣的光辉在里边。这都是因为在100年前，这个专
利局“很有眼光”地雇佣了一位小职员，他的名字就叫做阿尔伯特•爱因斯坦。这
个故事再一次告诉我们，小庙里面有时也会出大和尚。
1905年，对于爱因斯坦来讲，坏日子总算都已经过去得差不多了。那个为了工作和生计到
处奔波彷徨的年代已经结束，不用再为自己的一无所成而自怨自艾不已。专利局提供给了
他一个稳定的职位和收入，虽然只是三等技师——而他申请的是二等——好歹也是个正式
的公务员了。三年前父亲的去世给爱因斯坦不小的打击，但他很快从妻子那里得到了安慰
和补偿。塞尔维亚姑娘米列娃•玛利奇（Mileva Marec）在第二年（1903）答应嫁
给这个常� (more...)
3-3
第三章 火流星
三
上次说到，爱因斯坦提出了光量子的假说，用来解释光电效应中无法用电磁理论说通的现
象。
然而，光量子的概念却让别的科学家们感到非常地不理解。光的问题不是已经被定性了吗
？难道光不是已经被包括在麦克斯韦理论之内，作为电磁波的一种被清楚地描述了吗？这
个光量子又是怎么一回事情呢？
事实上，光量子是一个非常大胆的假设，它是在直接地向经典物理体系挑战。爱因斯坦本
人也意识到这一点，在他看来，这可是他最有叛逆性的一篇论文了。在写给好友哈比希特
（C.Habicht）的信中，爱因斯坦描述了他划时代的四篇论文，只有在光量子上，他才用
了“非常革命”的字眼，而甚至相对论都没有这样的描述。
光量子和传统的电磁波动图象显得格格不入，它其实就是昔日微粒说的一种翻版，假设光
是离散的，由一个个小的基本单位所组成的。自托马斯杨的时代又已经过去了一
百年，冥冥中天道循环，当年被打倒在地的霸主以反叛的姿态再次登上舞台，向已经占据
了王位的波动说展开挑战。这两个命中注定的对手终于要进行一场最后的决战，从而领悟
到各自存在的终极意义：如果没有了你，我独自站在这里，又是为了什么。
不过，光量子的处境和当年起义的波动一样，是非常困难和不为人所接受的。波动如今所
占据的地位，甚至要远远超过100年前笼罩在牛顿光环下的微粒王朝。波动的王位，是由
麦克斯韦钦点，而又有整个电磁王国作为同盟的。这场决战，从一开始就不再局限于光的
领地之内，而是整个电磁谱的性质问题。而我们很快将要看到，十几年以后，战争将被扩
大，整个物理世界都将被卷入进去，从而形成一场名副其实的世界大战。
当时，对于光量子的态度，连爱因斯坦本人都是非常谨慎的，更不用说那些可敬的老派科
学绅士们了。一方面，这和经典的电磁图象不相容；另一方面，当时关于光电效应的实验
没有一个能够非常明确地证实光量子的正确性。微粒的这次绝地反击，一直要到1915年才
真正引起人们的注意，而起因也是非常讽刺的：美国人密立根（R.A.Millikan）想用实验
来证实光量子图象是错误的，但是多次反复实验之后，他却啼笑皆非地发现，自己已经在
很大的程度上证实了爱因斯坦方程的正确性。实验数据相当有说服力地展示，在所有的情
况下，光电现象都表现出量子化特征，而不是相反。
如果说密立根的实验只是微粒革命军的一次反围剿成功，其意义还不足以说服所有的物理
学家的话，那么1923年，康普顿（A.H.Compton）则带领这支军队取得了一场决定性的胜
利，把他们所潜藏着的惊人力量展现得一览无余。经此一役后，再也没有人怀疑，起来对
抗经典波动帝国的，原来是一支实力不相上下的正规军。
这次战役的战场是X射线的地域。康普顿在研究X射线被自由电子散射的时候，发现一个奇
怪的现象：散射出来的X射线分成两个部分，一部分和原来的入射射线波长相同，而另一
部分却比原来的射线波长要长，具体的大小和散射角存在着函数关系。
如果运用通常的波动理论，散射应该不会改变入射光的波长才对。但是怎么解释多出来的
那一部分波长变长的射线呢？康普顿苦苦思索，试图从经典理论中寻找答案，却撞得头破
血流。终于有一天，他作了一个破釜沉舟的决定，引入光量子的假设，把X射线看作能量
为hν的光子束的集合。这个假定马上让他看到了曙光，眼前豁然开朗：那一部分波长变
长的射线是因为光子和电子碰撞所引起的。光子像普通的小球那样，不仅带有能量，还具
有冲量，当它和电子相撞，便将自己的能量交换一部分给电子。这样一来光子的能量下降
，根据公式E = hν，E下降导致ν下降，频率变小，便是波长变大，over。
在粒子的基础上推导出波长变化和散射角的关系式，和实验符合得一丝不苟。这是一场极
为漂亮的歼灭战，波动的力量根本没有任何反击的机会便被缴了械。康普顿总结道：“现
在，几乎不用再怀疑伦琴射线（注：即X射线）是一种量子现象了……实验令人信服地表
明，辐射量子不仅具有能量，而且具有一定方向的冲量。”
上帝造了光，爱因斯坦指出了什么是光，而康普顿，则第一个在真正意义上“看到”了这
光。
“第三次微波战争”全面爆发了。卷土重来的微粒军团装备了最先进的武器：光电效应和
康普顿效应。这两门大炮威力无穷，令波动守军难以抵挡，节节败退。但是，波动方面军
近百年苦心经营的阵地毕竟不是那么容易突破的，麦克斯韦理论和整个经典物理体系的强
大后援使得他们仍然立于不败之地。波动的拥护者们很快便清楚地意识到，不能再后退了
，因为身后就是莫斯科！波动理论的全面失守将意味着麦克斯韦电磁体系的崩溃，但至少
现在，微粒这一雄心勃勃的计划还难以实现。
波动在稳住了阵脚之后，迅速地重新评估了自己的力量。虽然在光电问题上它无能为力，
但当初它赖以建国的那些王牌武器却依然没有生锈和失效，仍然有着强大的杀伤力。微粒
的复兴虽然来得迅猛，但终究缺乏深度，它甚至不得不依靠从波动那里缴获来的军火来作
战。比如我们已经看到的光电效应，对于光量子理论的验证牵涉到频率和波长的测定，而
这却仍然要靠光的干涉现象来实现。波动的立国之父托马斯杨，他的精神是如此
伟大，以至在身后百年仍然光耀着波动的战旗，震慑一切反对力量。在每一间中学的实验
室里，通过两道狭缝的光依然不依不饶地显示出明暗相间的干涉条纹来，不容置疑地向世
人表明他的波动性。菲涅尔的论文虽然已经在图书馆里蒙上了灰尘，但任何人只要有兴趣
，仍然可以重复他的实验，来确认泊松亮斑的存在。麦克斯韦芳华绝代的方程组仍然在每
天给出预言，而电磁波也仍然温顺地按照他的预言以30万公里每秒的速度行动，既没有快
一点，也没有慢一点。
战局很快就陷入僵持，双方都屯兵于自己得心应手的阵地之内，谁也无力去占领对方的地
盘。光子一陷入干涉的沼泽，便显得笨拙而无法自拔；光波一进入光电的丛林，也变得迷
茫而不知所措。粒子还是波？在人类文明达到高峰的20世纪，却对宇宙中最古老的现象束
手无策。
不过在这里，我们得话分两头。先让微粒和波动这两支军队对垒一阵子，我们跳出光和电
磁波的世界，回过头去看看量子论是怎样影响了实实在在的物质——原子核和电子的。来
自丹麦的王子粉墨登场，在他的头上，一颗大大的火流星划过这阴云密布的天空，虽然只
是一闪即逝，但却在地上点燃了燎原大火，照亮了无边的黑暗。
三
上次说到，爱因斯坦提出了光量子的假说，用来解释光电效应中无法用电磁理论说通的现
象。
然而，光量子的概念却让别的科学家们感到非常地不理解。光的问题不是已经被定性了吗
？难道光不是已经被包括在麦克斯韦理论之内，作为电磁波的一种被清楚地描述了吗？这
个光量子又是怎么一回事情呢？
事实上，光量子是一个非常大胆的假设，它是在直接地向经典物理体系挑战。爱因斯坦本
人也意识到这一点，在他看来，这可是他最有叛逆性的一篇论文了。在写给好友哈比希特
（C.Habicht）的信中，爱因斯坦描述了他划时代的四篇论文，只有在光量子上，他才用
了“非常革命”的字眼，而甚至相对论都没有这样的描述。
光量子和传统的电磁波动图象显得格格不入，它其实就是昔日微粒说的一种翻版，假设光
是离散的，由一个个小的基本单位所组成的。自托马斯杨的时代又已经过去了一
百年，冥冥中天道循环，当年被打倒在地的霸主以反叛的姿态再次登上舞台，向已经占据
了王位的波动说展开挑战。这两个命中注定的对手终于要进行一场最后的决战，从而领悟
到各自存在的终极意义：如果没有了你，我独自站在这里，又是为了什么。
不过，光量子的处境和当年起义的波动一样，是非常困难和不为人所接受的。波动如今所
占据的地位，甚至要远远超过100年前笼罩在牛顿光环下的微粒王朝。波动的王位，是由
麦克斯韦钦点，而又有整个电磁王国作为同盟的。这场决战，从一开始就不再局限于光的
领地之内，而是整个电磁谱的性质问题。而我们很快将要看到，十几年以后，战争将被扩
大，整个物理世界都将被卷入进去，从而形成一场名副其实的世界大战。
当时，对于光量子的态度，连爱因斯坦本人都是非常谨慎的，更不用说那些可敬的老派科
学绅士们了。一方面，这和经典的电磁图象不相容；另一方面，当时关于光电效应的实验
没有一个能够非常明确地证实光量子的正确性。微粒的这次绝地反击，一直要到1915年才
真正引起人们的注意，而起因也是非常讽刺的：美国人密立根（R.A.Millikan）想用实验
来证实光量子图象是错误的，但是多次反复实验之后，他却啼笑皆非地发现，自己已经在
很大的程度上证实了爱因斯坦方程的正确性。实验数据相当有说服力地展示，在所有的情
况下，光电现象都表现出量子化特征，而不是相反。
如果说密立根的实验只是微粒革命军的一次反围剿成功，其意义还不足以说服所有的物理
学家的话，那么1923年，康普顿（A.H.Compton）则带领这支军队取得了一场决定性的胜
利，把他们所潜藏着的惊人力量展现得一览无余。经此一役后，再也没有人怀疑，起来对
抗经典波动帝国的，原来是一支实力不相上下的正规军。
这次战役的战场是X射线的地域。康普顿在研究X射线被自由电子散射的时候，发现一个奇
怪的现象：散射出来的X射线分成两个部分，一部分和原来的入射射线波长相同，而另一
部分却比原来的射线波长要长，具体的大小和散射角存在着函数关系。
如果运用通常的波动理论，散射应该不会改变入射光的波长才对。但是怎么解释多出来的
那一部分波长变长的射线呢？康普顿苦苦思索，试图从经典理论中寻找答案，却撞得头破
血流。终于有一天，他作了一个破釜沉舟的决定，引入光量子的假设，把X射线看作能量
为hν的光子束的集合。这个假定马上让他看到了曙光，眼前豁然开朗：那一部分波长变
长的射线是因为光子和电子碰撞所引起的。光子像普通的小球那样，不仅带有能量，还具
有冲量，当它和电子相撞，便将自己的能量交换一部分给电子。这样一来光子的能量下降
，根据公式E = hν，E下降导致ν下降，频率变小，便是波长变大，over。
在粒子的基础上推导出波长变化和散射角的关系式，和实验符合得一丝不苟。这是一场极
为漂亮的歼灭战，波动的力量根本没有任何反击的机会便被缴了械。康普顿总结道：“现
在，几乎不用再怀疑伦琴射线（注：即X射线）是一种量子现象了……实验令人信服地表
明，辐射量子不仅具有能量，而且具有一定方向的冲量。”
上帝造了光，爱因斯坦指出了什么是光，而康普顿，则第一个在真正意义上“看到”了这
光。
“第三次微波战争”全面爆发了。卷土重来的微粒军团装备了最先进的武器：光电效应和
康普顿效应。这两门大炮威力无穷，令波动守军难以抵挡，节节败退。但是，波动方面军
近百年苦心经营的阵地毕竟不是那么容易突破的，麦克斯韦理论和整个经典物理体系的强
大后援使得他们仍然立于不败之地。波动的拥护者们很快便清楚地意识到，不能再后退了
，因为身后就是莫斯科！波动理论的全面失守将意味着麦克斯韦电磁体系的崩溃，但至少
现在，微粒这一雄心勃勃的计划还难以实现。
波动在稳住了阵脚之后，迅速地重新评估了自己的力量。虽然在光电问题上它无能为力，
但当初它赖以建国的那些王牌武器却依然没有生锈和失效，仍然有着强大的杀伤力。微粒
的复兴虽然来得迅猛，但终究缺乏深度，它甚至不得不依靠从波动那里缴获来的军火来作
战。比如我们已经看到的光电效应，对于光量子理论的验证牵涉到频率和波长的测定，而
这却仍然要靠光的干涉现象来实现。波动的立国之父托马斯杨，他的精神是如此
伟大，以至在身后百年仍然光耀着波动的战旗，震慑一切反对力量。在每一间中学的实验
室里，通过两道狭缝的光依然不依不饶地显示出明暗相间的干涉条纹来，不容置疑地向世
人表明他的波动性。菲涅尔的论文虽然已经在图书馆里蒙上了灰尘，但任何人只要有兴趣
，仍然可以重复他的实验，来确认泊松亮斑的存在。麦克斯韦芳华绝代的方程组仍然在每
天给出预言，而电磁波也仍然温顺地按照他的预言以30万公里每秒的速度行动，既没有快
一点，也没有慢一点。
战局很快就陷入僵持，双方都屯兵于自己得心应手的阵地之内，谁也无力去占领对方的地
盘。光子一陷入干涉的沼泽，便显得笨拙而无法自拔；光波一进入光电的丛林，也变得迷
茫而不知所措。粒子还是波？在人类文明达到高峰的20世纪，却对宇宙中最古老的现象束
手无策。
不过在这里，我们得话分两头。先让微粒和波动这两支军队对垒一阵子，我们跳出光和电
磁波的世界，回过头去看看量子论是怎样影响了实实在在的物质——原子核和电子的。来
自丹麦的王子粉墨登场，在他的头上，一颗大大的火流星划过这阴云密布的天空，虽然只
是一闪即逝，但却在地上点燃了燎原大火，照亮了无边的黑暗。
Huasing Association 1999 - 2013