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爱因斯坦和量子力学－为国际物理年而作 关 洪 （中山大学物理系） adsgh@zsu.edu.cn 2005年6月，北京 2005国际物理年徽记－光锥 （一）论爱因斯坦的光量子概念 这里讨论的是爱因斯坦(A. Einstein)在1905这个“奇迹年”发表的三篇具有划时代意义的重要论文之一：《关于光的产生和转化的一个试探性观点》。 大家知道，爱因斯坦这篇文章首次提出了光量子概念，并且由此得到了光电效应这种 “光的产生和转化”过程中所发出的光电子能量的定律。而且，正是主要由于他“发现了光电效应定律”的贡献，获得了1921年度的诺贝尔物理奖。 然而，爱因斯坦在这篇文章里，对传播中的光的性质做了一种缺乏根据的外推。 关洪, 《量子力学的基本概念》, 北京：高等教育出版社, 1990，94页 关洪, 成素梅, 从光子概念看量子实在的新特征, 哲学研究, 1993年5期，51－57 关洪，《一代神话－哥本哈根学派》，武汉：武汉出版社，2002，35－45页 关洪，从现代物理学看构成论到生成论的转变，自然辩证法研究，18卷11期（2002）10－12 其实，这篇文章开始研究的是辐射的熵。爱因斯坦以维恩(W. Wien)的黑体辐射能谱定律为依据，运用玻尔兹曼(L. Boltzmann)统计物理学里熵和几率联系的公式，计算出黑体辐射的熵，由此得到这样的结论： “如果…单色辐射，就其熵对体积的相依关系来说，好像辐射是由大小为 Rbn / N [= hn ]的能量子所组成的不连续媒质一样，那么，接着就会使人去研究，是否光的产生和转化的定律也具有这样的性质，就像光是由这样一种能量子所组成一样。”这种进一步研究的最突出成果，就是爱因斯坦的光电效应定律。 他在这篇文章的导言部分是这样叙述他的推理的：“确实现在在我看来，关于黑体辐射、光致发光、紫外光产生阴极射线 [即光电效应]以及其他一些有关光的产生和转化的观察，如果用光的能量在空间中不是连续分布的这种假说来解释，似乎就更好理解。按照这里所设想的假设，从点光源发射出来的光束的能量在传播中不是连续分布在越来越大的空间之中，而是由个数有限的、局限在空间各点的能量子所组成，这些能量子能够运动，但不能再分割，而只能整个地被吸收或产生出来。” 光子概念的确立 1917年，爱因斯坦在《辐射的量子理论》一文里进一步提出，光的能量子即光量子不仅具有一份能量hn，而且也携带着一份动量hn /c。这一论断亦在1923年前后被“康普顿散射”的实验所证实。不久之后，这种光量子被命名为“光子”，被广泛承认为一种粒子。 光的传播过程同光与物质相互作用的过程的区别 然而，无论是光电效应还是康普顿散射，都是一些“光的产生和转化”的过程，亦即是光同有重物质相互作用的过程。后来的无数事实表明，光在这一类过程中，并且仅仅在这一类过程中的确以光子的形式出现，或者说以光子的形式参加作用。但是不能够由此推断，的自由传播过程里，亦是以光子的形式存在的。 例：b 衰变 例如，在原子核的 b 衰变过程中放出了一颗电子。起先物理学家们认为，那颗电子必定早先就处在原子核里头。所以，在 20 世纪初占支配地位的一种原子核组成的“核内电子”学说，认为电子是原子核的一种组成成分。但后来证明了那种学说是不对的，原子核里并没有电子，电子是在 b 衰变过程中产生出来的。所以，沿着经典物理学的思路，没有根据地把光同物质相互作用时的性质外推到光的传播过程，这种做法确实是不妥当的。 对爱因斯坦光子概念的质疑 最早提出量子论的 Planck 在1913年为爱因斯坦写的（联名）推荐信说：“可能有时候他的设想会迷失方向，例如，他的光量子假说…” 通过实验证实了光电效应公式的 Millikan 在1916年说过：“爱因斯坦推导公式所依据的半微粒理论，现在看来是完全站不住脚的。”直到1948年他还在说：“它（光子）得到了确实的证明，尽管它不合理；因为它似乎违背了我们所知道的一切关于光的干涉的事实。” Bohr 1923年在与 Kramers 和 Slater 合作的著名的 BKS 文章里所表示的对于光子概念有保留的话：“虽然由爱因斯坦关于光电现象的预言的证实而显示出的这一假设的巨大的启发性价值，光量子的理论仍然明显不能满意地解决光传播的问题”， 亦不是没有道理的。虽然康普顿的实验否定了玻尔这篇文章里提出的在个别微观过程中能量不守恒的假设，但是仍然没有消解玻尔这句话里的疑问。 爱因斯坦自己在1911年第一届索尔维会议上也是这样提到他的光量子假说的：“我坚持认为这个概念具有暂时性的特征，因为它与已由实验验证过的波动理论的结果不相协调。” 总之，尽管实验证实了爱因斯坦这篇文章里的光电效应公式，证实了光总是以光子的形式参加同物质的相互作用