为什么光量子既不是物质粒子也不是波

科普中国网 2017-08-16

　　2016年8月16日，我国发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”。今天，我们就来说一说量子的故事。

　　光量子又称为光子。这个名词是爱因斯坦1905年在公开发表的一篇著名论文中首先提出的，由于光子学说的巨大成功，爱因斯坦获1921年诺贝尔物理学奖。

　　那么，究竟什么是光量子呢？在日常生活中，光是最为人们所熟悉的东西。如果没有光，人们简直无法生活。但是，人们认识光的本性却经过了艰难而又曲折的道路。

　　以牛顿为代表的一种理论认为，物体发光是因为它发射出光的粒子（微粒）流，我们之所以能看到光，是由于这些粒子落到眼睛上引起了视觉。按照这个理论，人们把光的反射现象解释为光的粒子在反射面上发生了弹性碰撞而造成的结果。

　　然而与牛顿同时代的惠更斯则认为，物体发出的光是一种波动，这种波动不同于人们通常观察到的水波和声波——它们都有传播波动的介质，水波的传播介质是水，声波的传播介质是空气或其他液体和固体，而光波的传播是在真空中进行的，也就是说光波以真空为介质。

　　这两种理论一开始就发生了冲突，但由于牛顿在科学界的崇高威望，光的微粒说在很长一段时间内占统治地位。直到19世纪初，杨氏、菲涅尔、夫琅和费新发现的光的干涉、衍射和偏振现象，与惠更斯的光的波动说十分吻合，而牛顿的光的微粒说对此却无法做出解释。

　　随着光学仪器的发展，光学理论也有了很大的进展。麦克斯韦证明了光波是一种电磁波后，光的波动理论似乎完全被实验所证实，光是波动的说法也为人们普遍接受。

　　但是，光是波动的理论在光电效应的实验结果面前却一直显得无能为力。所谓光电效应指的是：当用光照射金属表面时，会把电子从金属中打出来。早在1872年，莫斯科大学的斯托列托夫就已发现了这个现象，以后德国物理学家赫兹和雷纳德对此也进行了研究。当人们试图用光的波动说去解释光电效应时，得出的结论是：当光的强度增大时，从金属中被打出来的电子的速度也应增大。而实验结果表明，用同一频率的光照射时，不论光的强度多大，所有观察到的电子都具有同样的速度，也就是说，从金属中被打出来的电子的速度与光的强度无关！而且当光的频率达到某个极限值时，才会在光照条件下使电子从金属中飞出。而且，从金属中能不能打出电子与光的频率有关，即用紫光照射时飞出电子的速度比用红光照射时飞出电子的速度大！于是，光是波动的说法在实验面前陷入了困境。

　　爱因斯坦以创造性的思维完全从一个不同的角度去考察了光电效应。他提出了光是光量子的理论。按照这个理论，光的能量是由一份一份的不连续的最小单元能量组成的，而这个单元能量大小和光的频率正好成正比关系。光仍然像波动一样具有频率（或波长），但是光还具有微小“粒子”的特性——一个一个的能量单元。这样，光无非就是一束能量流，其中最小的单元能量就称为光量子（光子）。当光照射到金属表面时，光就把光量子的能量传递给电子，光量子就消失了，而电子得到光子的能量，再加上它自身的能量就可能从金属中飞出。由于光量子能量只与光的频率有关，因此只有大于一定频率的光，才能提供足够的能量使电子从金属中被打出来。这样，光量子的理论就以简洁清晰的方式解释了光电效应。

　　爱因斯坦的成功使他荣获了诺贝尔物理学奖，但是光量子理论却把100多年前关于光的本性的问题的讨论又重新摆到人们面前，光究竟是什么？是波动还是粒子？

　　物理学的发展已经使人们不得不接受这样的说法，即光有时以波动的面目出现（如光的干涉和衍射），有时又以粒子的姿态出现（如光的人射和反射），但是光既不是如同水波、声波那样的波动，也不是如同微小质点那样的物质粒子，光具有波动－粒子的二象性，也就是波粒二象性。

　　那么为什么人们看到的太阳光或其他光源发出的光总是稳定的、连续的，而不是一份一份的呢？这是因为光量子的能量微乎其微，用数学形式表示出来就是著名的普朗克关系E=hv，h称为普朗克常数，数值是6.62618×10-34焦•秒，虽然这个数值如此微小，但对于物理学的发展，对于人们认识光的本性的作用却大得很呢。假设我们点亮一盏25瓦的电灯泡，并把发出的光都看成黄光，那么这束光就包含有6×1019个光量子的能量单元，或者说，这束光发出了6×1019个光量子，即每秒发出6000亿亿份能量单元。由于人的肉眼具有的视觉暂留特征，因此，当如此多的光量子以如此快的速度人射时，人的眼睛根本察觉不到一份一份的光量子，所看到的就是一束连续的光。

　　由此可见，光量子指的是能量的最小单元，它不是物质粒子。虽然光量子的能量大小与频率有关，但它也不是通常我们看到的波动。