譚天榮：震驚世界的光量子

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　　震驚世界的光量子譚天榮青島大學(xué) 物理系青島 266071ttr359@126.com

　　內(nèi)容提要：本文對現(xiàn)代物理學(xué)作了一個(gè)簡單的回顧與展望，并根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的基本觀點(diǎn)，重新解釋了光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)以及輻射的量子性等量子現(xiàn)象。

　　關(guān)鍵詞：電子論；
量子現(xiàn)象；
光子；
輻射量子論；
光電效應(yīng)

　　1 引言

　　1900年，普朗克給出了一個(gè)完全符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的輻射公式，并從它得出結(jié)論：輻射場的能量是由有一些“為數(shù)完全確定的、有限的而又相等的部分組成”，他把這種部分稱為“能量子”，而他的關(guān)于能量子的輻射理論現(xiàn)在稱為“輻射量子論”。當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家們認(rèn)為，普朗克的這種理論，是完全超出物理學(xué)的理論基礎(chǔ)的嶄新的概念，是一個(gè)根本違反物理學(xué)的理論基礎(chǔ)的革命性的概念，它表明能量不再是連續(xù)的，從而看到了物理世界不連續(xù)的另一面目。這一結(jié)論使得物理學(xué)家們極為震驚。例如，愛因斯坦當(dāng)時(shí)就說：“我要使物理學(xué)的理論基礎(chǔ)同這種認(rèn)識相適應(yīng)的一切嘗試都失敗了。這就像一個(gè)人腳下的土地都被抽掉了，使他看不到哪里有可以立足的鞏固基地�！�

　　本文試圖繼續(xù)愛因斯坦的嘗試，在重新認(rèn)識物理學(xué)的理論基礎(chǔ)的前提下，使它與輻射的量子性以及其他量子現(xiàn)象協(xié)調(diào)一致。

　　2 電動(dòng)力學(xué)的世界觀

　　朗之萬在某處說過：現(xiàn)代物理學(xué)是在牛頓力學(xué)的世界觀與電動(dòng)力學(xué)的世界觀的沖突中發(fā)展起來的。他忘了補(bǔ)充一句：現(xiàn)代物理學(xué)正處在牛頓力學(xué)的世界觀已經(jīng)衰老而電動(dòng)力學(xué)的世界觀卻尚未成熟的時(shí)期，量子力學(xué)則是這種青黃不接的理論表現(xiàn)。

　　電動(dòng)力學(xué)建立比牛頓力學(xué)晚，開始時(shí)它自然接受牛頓力學(xué)的現(xiàn)成的世界觀，只有在長期的內(nèi)部斗爭中，它才顯示出自己的本來面目。因此，這兩種世界觀的斗爭，也就是電動(dòng)力學(xué)的內(nèi)部斗爭。

　　早期的電動(dòng)力學(xué)有兩個(gè)對立的學(xué)派。以安培為代表的法國學(xué)派繼承了英國人牛頓的超距作用的觀點(diǎn)；
而以法拉第和麥克斯韋為代表的英國學(xué)派則繼承了法國人笛卡兒的接觸作用觀點(diǎn)。英國學(xué)派建立的電磁場論統(tǒng)一地解釋了當(dāng)時(shí)的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和輻射熱力學(xué)的實(shí)驗(yàn)資料，從而戰(zhàn)勝了法國學(xué)派，這是電動(dòng)力學(xué)世界觀對牛頓力學(xué)世界觀的第一次勝利。

　　洛侖茲用他的“洛侖茲規(guī)范”簡化了麥克斯韋方程，從而用波動(dòng)方程（非齊次波動(dòng)方程，也稱達(dá)朗貝爾方程）取代泊松方程來表現(xiàn)電磁過程。根據(jù)這兩個(gè)方程對于所謂“無界問題”的特解可以看出：泊松方程表示電磁作用是“瞬時(shí)”的，從而是超距作用。而波動(dòng)方程則表示電磁作用的“推遲”的，從而是接觸作用。泊松方程遵循的伽利略變換，波動(dòng)方程則遵循洛侖茲變換，伽利略變換表現(xiàn)牛頓力學(xué)的時(shí)空觀，洛侖茲變換則表現(xiàn)電動(dòng)力學(xué)的時(shí)空觀。因此用波動(dòng)方程取代泊松方程來表現(xiàn)電磁過程已經(jīng)蘊(yùn)含著物理學(xué)史上的一次空前的大變革：用電動(dòng)力學(xué)的時(shí)空觀取代牛頓力學(xué)的時(shí)空觀。

　　1905年愛因斯坦建立的相對論開始了這一變革，1908年閔可夫斯基對相對論的幾何解釋則基本上完成了這一變革。這是電動(dòng)力學(xué)世界觀對牛頓力學(xué)世界觀的第二次勝利。

　　然而，上面的兩次交手都不過是兩種世界觀斗爭的序幕而已，真正的決戰(zhàn)在于對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，即在于“物質(zhì)觀”的問題。

　　牛頓力學(xué)的物質(zhì)觀是所謂“機(jī)械論”，它認(rèn)為“現(xiàn)象世界”的五光十色的運(yùn)動(dòng)形式都可以歸結(jié)為原子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)（即位置移動(dòng)）。因此，物質(zhì)的質(zhì)變（運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)化），只不過是現(xiàn)象，而本質(zhì)世界即原子世界則只有量變。古希臘的原子論哲學(xué)家德謨克里特對這種世界觀作了或許是最早的表述：

　　“按照意見存在著溫暖，按照意見存在著寒冷，按照意見存在著顏色、甜味、苦味；
但按照真理，則只存在原子與虛空。”

　　笛卡兒、牛頓以及同時(shí)代的其他哲學(xué)家和物理學(xué)家，都是機(jī)械論的信徒，但只有到了1842年，機(jī)械論的基本觀點(diǎn)才在物理學(xué)中獲得第一次證實(shí)。這一年“熱的唯動(dòng)說”成功地把熱現(xiàn)象歸結(jié)為分子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而在物理學(xué)中掀起了把一切運(yùn)動(dòng)歸結(jié)為機(jī)械運(yùn)動(dòng)狂熱。

　　然而，把電磁運(yùn)動(dòng)歸結(jié)為某種物理模型（例如，以太粒子）的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一切嘗試都遭到挫折。與此同時(shí)，法拉第和麥克斯韋的電磁場論卻成功地把電磁現(xiàn)象統(tǒng)一于一組數(shù)學(xué)方程。于是電磁場論作為一種唯象理論和原子論對立起來。與此同時(shí)，關(guān)于熱現(xiàn)象的能量理論——熱力學(xué)，也作為一種唯象理論和熱的唯動(dòng)說——分子運(yùn)動(dòng)論——分庭抗禮。

　　唯象理論與原子論的對立在哲學(xué)史上表現(xiàn)為以奧斯特瓦爾德唯代表的“唯能論”和機(jī)械論學(xué)派的分子運(yùn)動(dòng)論的對立。唯能論確認(rèn)運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)化是自然過程的本質(zhì)，但它在反對把一切運(yùn)動(dòng)形式歸結(jié)為原子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的狂熱時(shí)，卻走向了另一個(gè)極端——否認(rèn)原子本身。

　　以洛侖茲為代表的電子論學(xué)派把原子論與電磁場論兩大巨流匯合起來，從而克服了機(jī)械論與唯能論的對立。它一方面確認(rèn)現(xiàn)象世界五光十色的運(yùn)動(dòng)形式可以追溯到原子世界的本質(zhì)，另一方面又確認(rèn)本質(zhì)世界也有質(zhì)變。原子世界不是只有單一的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，而是有兩種對立的運(yùn)動(dòng)形式：機(jī)械運(yùn)動(dòng)與電磁運(yùn)動(dòng)，它們的轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化形成現(xiàn)象世界的各種運(yùn)動(dòng)形式。

　　更重要的是，在“電荷”與“電磁場”哪一個(gè)是物質(zhì)本源的問題上，電子論又克服了法國學(xué)派與英國學(xué)派的對立。按照法國學(xué)派的觀點(diǎn)，電荷是實(shí)在的，而電磁場則不過是一種表現(xiàn)電荷之間的相互作用的輔助概念；
按照英國學(xué)派的觀點(diǎn)，電磁場是實(shí)在的，而電荷則只不過是表示“場的紐結(jié)”的輔助概念。電子論把這兩種觀點(diǎn)各自作為一個(gè)環(huán)節(jié)容納于自身，它確認(rèn)電荷是實(shí)在的，電磁場也是實(shí)在的。傳遞電荷之間作用力的電磁場不是純粹的數(shù)學(xué)抽象，而是物質(zhì)的一種特殊形式，它有連續(xù)分布的能量與動(dòng)量；
作為場源并承受場的作用力的電荷，也不是“場的紐結(jié)”，而是組成“電荷原子”的物質(zhì)微�！�—電子。

　　電子論認(rèn)為：電子是一個(gè)基本的帶電粒子，作為電磁場的場源，它激發(fā)一個(gè)電磁場，這是電子的“固有電磁場”，這個(gè)固有電磁場也電子的自身的組成部分。于是電子乃是一個(gè)帶電粒子與一個(gè)電磁場的統(tǒng)一體。帶電粒子的運(yùn)動(dòng)是機(jī)械運(yùn)動(dòng)，而電磁場的運(yùn)動(dòng)則是電磁運(yùn)動(dòng)，兩者統(tǒng)一于“電子的運(yùn)動(dòng)”。電子論既然把一切物理運(yùn)動(dòng)歸結(jié)為機(jī)械運(yùn)動(dòng)與電磁運(yùn)動(dòng)，也就把一切運(yùn)動(dòng)歸結(jié)為電子的運(yùn)動(dòng)。

　　按照現(xiàn)代物理學(xué)的一般觀點(diǎn)，物質(zhì)有“實(shí)物”與“場”兩種形式，在電子的兩個(gè)組成部分中，帶電粒子是“實(shí)物”，而固有電磁場則是“場”。另一方面，按照電動(dòng)力學(xué)原理，電子的這兩個(gè)組成部分經(jīng)常處在雙重的相互作用之中：帶電粒子按照麥克斯韋方程不斷激發(fā)電磁場，而電磁場又反過來以電磁力（洛侖茲力）不斷作用于帶電粒子。電子論認(rèn)為這種經(jīng)常的相互作用乃是電子的各種行為的內(nèi)因，外力只有通過這一內(nèi)因才能對電子起作用。于是，電子不再是牛頓力學(xué)意義下的那種抽象的、僵死的、只能被動(dòng)地接受外力作用的“力學(xué)粒子”，而是包括“實(shí)物”與“場”的對立于自身，從而處于永恒的、內(nèi)部的、必然的、自己的運(yùn)動(dòng)之中的“電學(xué)粒子”了。

　　這就是電子論的物質(zhì)觀，它在細(xì)節(jié)上雖然失之片面，但它畢竟是電動(dòng)力學(xué)的物質(zhì)觀的第一個(gè)確定的形式。

　　物理學(xué)發(fā)展到了這一階段，牛頓力學(xué)的世界觀機(jī)械論——已經(jīng)壽終正寢；
與此同時(shí)，它的對立面，電動(dòng)力學(xué)的最后一個(gè)學(xué)派——電子論——也走到了盡頭，因?yàn)樗�在自己所面臨的基本問題上遇到了致命的挫折。

　　3 洛侖茲問題

　　按照電子論的觀點(diǎn)，電子有“帶電粒子”與“固有電磁場”兩個(gè)組成部分。這兩部分的相互作用乃是電子的各種行為的內(nèi)因，外力只有通過這種內(nèi)因才能對電子起作用。那么，外力怎么通過電子的內(nèi)因起作用呢？具體地說，問題可以這樣提：電子有電荷，它的運(yùn)動(dòng)（整體運(yùn)動(dòng)與內(nèi)部運(yùn)動(dòng)）形成電流，電荷與電流按照麥克斯韋方程激發(fā)電子的固有電磁場，而電子的固有電磁場又和外電磁場一起作用于電子的電荷與電流。在這種相互作用中，電子在外部作用下將會怎樣運(yùn)動(dòng)呢？回答這個(gè)問題就意味著描寫并說明電子（單個(gè)電子和電子束）在各式各樣的外部條件下的行為。在物理學(xué)史上，只有以洛侖茲為代表的電子論學(xué)派才自覺地考察過這一問題，我們稱它“洛侖茲問題”。電子論既然把一切物理運(yùn)動(dòng)最終歸結(jié)為電子的運(yùn)動(dòng)，也就把一切物理學(xué)問題最終歸結(jié)為洛侖茲問題。

　　然而，電子論學(xué)派并沒有如此明確地表達(dá)過自己的觀點(diǎn)，這是我們從它的基本觀點(diǎn)引出的必然結(jié)論。電子論在處理具體問題時(shí)卻常常簡單地把電子當(dāng)作點(diǎn)電荷來處理。點(diǎn)電荷是帶電粒子的一種簡化的模型，當(dāng)帶電粒子作為電磁場的場源時(shí)，只要觀察點(diǎn)離帶電粒子足夠遠(yuǎn)，這個(gè)帶電粒子就可以當(dāng)作點(diǎn)電荷來處理；
當(dāng)帶電粒子作為電磁力的受力者時(shí)，只要場源離帶電粒子足夠遠(yuǎn)，這個(gè)帶電粒子也可以當(dāng)作點(diǎn)電荷來處理。但是，對于洛侖茲問題，電子既是場源又是受力者，因此，電子的帶電粒子作為電磁場的場源，離觀察點(diǎn)的距離為零；
作為受力者，離場源的距離為零，因此無論電子多么小它都不能當(dāng)作點(diǎn)電荷來處理了。由此可見，電子論在它把電子當(dāng)作點(diǎn)電荷來處理時(shí)，完全忘記了洛侖茲問題，即完全忘記了它自己的基本觀點(diǎn)。然而，電子論的一切積極成果，（例如，推導(dǎo)歐姆定律，計(jì)算拉摩旋進(jìn)等）都得歸功于它的這種健忘。因?yàn)樗�解決洛侖茲問題的嘗試遭到了徹底的失敗。

　　洛侖茲問題的解答決定于電子的結(jié)構(gòu)，而電子是看不見的，我們只能通過電子的行為去認(rèn)識。這就是說，我們應(yīng)該先分析實(shí)驗(yàn)事實(shí)，再塑造電子模型，然后通過計(jì)算給出這個(gè)電子模型在各種特殊場合的行為，與電子的實(shí)際行為比較，即把該模型交給實(shí)驗(yàn)去檢驗(yàn)�？呻娮诱摬皇沁@樣，它想當(dāng)然地把電子當(dāng)作帶電剛球來處理，這就注定它只能一無所獲。更糟糕的是，電子論又想當(dāng)然地應(yīng)用了麥克斯韋方程的推遲解。這就使得它不僅是一無所獲而已。

　　電子論學(xué)派采用剛球模型和推遲解，導(dǎo)出了一個(gè)電子動(dòng)力學(xué)方程。從這一方程得出結(jié)論，電子的固有電磁場對電子的帶電粒子的作用可歸結(jié)為兩項(xiàng)。一項(xiàng)相當(dāng)于電子增加了一份質(zhì)量，稱為“電磁質(zhì)量”；
另一項(xiàng)乃是與電子輻射相聯(lián)系的“阻力”，稱為“輻射阻尼”。這一方程不是像電子論期待的那樣解開原子世界的秘密，而是給物理學(xué)帶來了兩次危機(jī)。

　　第一次危機(jī)是“電磁質(zhì)量”這一范疇帶來的。電磁質(zhì)量不遵循質(zhì)量守恒定律，從而也不遵循動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，再加上當(dāng)時(shí)人們誤解了放射性等實(shí)驗(yàn)事實(shí)，從而從另一角度感覺到能量守恒定律不再成立。這一情況使得物理學(xué)家們大為震驚，彭加勒驚呼這是“物理學(xué)原理的普遍毀滅”！

　　第二次危機(jī)則是“輻射阻尼”這一范疇引起的。與輻射阻尼相關(guān)聯(lián)的是如下結(jié)論：“電子作加速運(yùn)動(dòng)必然輻射電磁波�！睂⑦@一結(jié)論應(yīng)用于盧瑟福在1911年建立的“原子的有核模型”必然得出結(jié)論：“原子中的電子將因輻射而落于核。”這一結(jié)論意味著原子剛一形成就會立刻解體。可事實(shí)卻證明原子能夠持久地存在。

　　第一次危機(jī)動(dòng)搖了人們對經(jīng)典物理學(xué)的信念，第二次危機(jī)則把經(jīng)典物理學(xué)逐出了原子世界。在這里，人們忘記了如下事實(shí)：第一次危機(jī)乃是電子論的電子動(dòng)力學(xué)方程推翻了經(jīng)典物理學(xué)的普遍原理，第二次危機(jī)則是盧瑟福所發(fā)現(xiàn)的新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)否定了這個(gè)方程。兩次危機(jī)的效果剛好相互抵消。唯一留下的結(jié)論是：電子論的電子動(dòng)力學(xué)方程既違背了物理學(xué)的普遍原理，又違背了新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，從而肯定是一個(gè)錯(cuò)誤的方程。

　　電子論解決洛侖茲問題的嘗試就這樣以電子論的電子動(dòng)力學(xué)方程的導(dǎo)出和這一方程帶來兩次危機(jī)告終。在這以后，電子論退出了物理學(xué)的舞臺，而洛侖茲問題則完全被遺忘了。但是，接踵而來的所謂“量子現(xiàn)象”的一類實(shí)驗(yàn)事實(shí)正是大自然對洛侖茲問題的回答，而為說明量子現(xiàn)象而建立的理論，即量子物理學(xué)，則是對這種回答的數(shù)學(xué)描述，只不過人們?nèi)匀话凑张ｎD力學(xué)的物質(zhì)觀來看待這些量子現(xiàn)象，使得量子物理學(xué)的物理詮釋采取極為神秘的形式，并且被當(dāng)作原子世界的特殊規(guī)律與經(jīng)典物理學(xué)相對立。

　　下面，我們將通過幾個(gè)與“光量子”有關(guān)的實(shí)例證明，“量子現(xiàn)象”只不過是大自然對洛侖茲問題的回答，它們是經(jīng)典物理學(xué)的必然結(jié)論。

　　4 波爾論斷

　　電子論的電子動(dòng)力學(xué)方程帶來的第一次物理學(xué)危機(jī)現(xiàn)在似乎已經(jīng)被人遺忘了，而第二次危機(jī)卻留下了致命的后遺癥。1913 年，玻爾提出原子的“玻爾理論”，并提出如下“波爾論斷”：“原子世界有特殊規(guī)律”。其原始依據(jù)是：根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)，電子作加速運(yùn)動(dòng)必然輻射電磁波，把這一結(jié)論應(yīng)用于盧瑟福的原子有核模型將得出結(jié)論：電子會因?yàn)檩椛潆姶挪ǘ�落向原子核，從而原子會自�?dòng)崩潰。這一結(jié)論與事實(shí)不符。在《奇異的電子》一文中我們曾經(jīng)重審這一物理學(xué)的舊案，判決如下：“電子作加速運(yùn)動(dòng)必然輻射電磁波”這一結(jié)論是從麥克斯韋方程的推遲解得出的。(點(diǎn)擊此處閱讀下一頁)

　　按照經(jīng)典物理學(xué)，電子的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)滿足麥克斯韋方程，至于它會滿足哪一個(gè)特解，經(jīng)典物理學(xué)卻沒有先驗(yàn)的規(guī)定，必須根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)來確定。既然事實(shí)證明電子的能量不會流失，上面的疑難就歸結(jié)為如下問題：將麥克斯韋方程應(yīng)用于我們的盧瑟福的原子模型時(shí)，有沒有一個(gè)特解表示如下過程：一方面，電子持續(xù)地旋轉(zhuǎn)，另一方面，原子的能量卻不會因此而流失。回答是肯定的，麥克斯韋方程確實(shí)有這樣的特解。因此，在經(jīng)典物理學(xué)的前提下，原子是可以經(jīng)久不變的。玻爾關(guān)于原子世界有特殊規(guī)律這一論斷的原始依據(jù)是不成立的。

　　但是，人們之所以堅(jiān)信波爾論斷，與其說是由于其原始依據(jù)，倒不如說是由于實(shí)驗(yàn)事實(shí)一再地證實(shí)它。因此，上面我們對波爾論斷的反駁是不夠的。在這里，讓我們再補(bǔ)充一個(gè)論據(jù)。

　　首先，我們提一個(gè)問題：

　　“如果原子世界沒有特殊規(guī)律，電子應(yīng)該怎樣運(yùn)動(dòng)？”

　　湯姆遜當(dāng)年發(fā)現(xiàn)電子，即發(fā)現(xiàn)陰極射線是電子流時(shí)，他默認(rèn)了一個(gè)前提：“電子在外電磁場中的行為和點(diǎn)電荷一樣”，即滿足牛頓第二定律，而按照經(jīng)典力學(xué)，點(diǎn)電荷在外電磁場中的運(yùn)動(dòng)滿足牛頓第二定律。不久以后，人們還根據(jù)這一前提發(fā)現(xiàn)電子的質(zhì)量與速度之間的相對論關(guān)系。由此可見，自從發(fā)現(xiàn)電子以來，人們一致認(rèn)為：

　　“如果原子世界沒有特殊規(guī)律，則電子在外電磁場中的行為和點(diǎn)電荷一樣�！�

　　另一方面，根據(jù)牛頓第二定律，一個(gè)帶負(fù)電的點(diǎn)電荷在一個(gè)質(zhì)量大得多帶正電的點(diǎn)電荷的有心力場中，將作橢圓軌道運(yùn)動(dòng)。由此立刻得出結(jié)論：

　　“如果原子世界沒有特殊規(guī)律，則對于原子有核模型來說，電子將繞核作橢圓軌道運(yùn)動(dòng)�！�

　　量子力學(xué)建立以后，人們發(fā)現(xiàn)：在普朗克常量趨于零的極限情況下，薛定諤方程蛻化為經(jīng)典力學(xué)的雅可比方程。將這一方程應(yīng)用于原子的有核模型，將得出與牛頓第二定律相同的結(jié)論�？梢娂词乖诹孔恿�學(xué)建立以后，人們?nèi)匀荒�認(rèn)上面的結(jié)論。

　　可是，當(dāng)玻爾提出它的原子理論，并斷言原子世界有特殊規(guī)律時(shí)，他的前提卻是：

　　“如果原子世界沒有特殊規(guī)律，則對于原子有核模型來說，電子將不繞核作橢圓軌道運(yùn)動(dòng)�！�

　　即使電子是一個(gè)百依百順的女孩子，任我們梳妝打扮，她也會無所適從。她會問：

　　“你們到底要我怎樣運(yùn)動(dòng)？”

　　但是，胡適的原理在這里似乎不適用。電子非常不聽話，一再讓人們得出“原子世界有特殊規(guī)律”的結(jié)論。不過這也難怪電子，無論電子怎樣運(yùn)動(dòng)，它都會不斷地證明這一結(jié)論。就說電子在原子中的運(yùn)動(dòng)吧，如果電子繞核作橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，它就違背了經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)，這就表明原子世界有特殊規(guī)律；
如果電子不繞核作橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，它就違背了經(jīng)典力學(xué)，這也表明原子世界有特殊規(guī)律。

　　由此可見，波爾論斷之所以不斷被證實(shí)并不是由于它符合實(shí)驗(yàn)事實(shí)，而是因?yàn)樗�的論�?jù)自相矛盾。

　　指出了這一點(diǎn)，我仍然不敢奢望能動(dòng)搖人們對波爾論斷的信仰。因?yàn)楝F(xiàn)在“波爾論斷一貫正確”的信念已經(jīng)如此深入人心，理性的論證在這里已經(jīng)無濟(jì)于事。盡管如此，我還是要繼續(xù)與之抗?fàn)�，逐一地反駁這一論斷的每一個(gè)論據(jù)，直到生命的終點(diǎn)。

　　5 光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)

　　愛因斯坦的“光子理論”，乃是用牛頓力學(xué)的觀點(diǎn)處理洛侖茲問題的典型例子。愛因斯坦忘記了電子自身有一個(gè)固有電磁場，更不曾想到這個(gè)電子的固有電磁場與光波相遇會產(chǎn)生什么樣的效果，卻把電子與光波的相互作用理解為兩個(gè)力學(xué)粒子的碰撞。

　　按照光子理論，光波同時(shí)又是一束稱為“光子”的微粒，光電效應(yīng)則是電子吸收了一個(gè)“光子”并因此而逸出金屬。

　　這一理論有一個(gè)明顯的漏洞：對于參照系的改變，吸收與發(fā)射的對立是絕對的：如果對于某一參照系，一個(gè)物體經(jīng)歷了一個(gè)吸收（發(fā)射）過程，則對于其他參照系，該物體所經(jīng)歷的也是一個(gè)吸收（發(fā)射）過程。反之，加速與減速的對立卻是相對的：如果對于某一參照系，一個(gè)物體經(jīng)歷了一個(gè)加速過程，則對于其他參照系，該物體所經(jīng)歷的可能是一個(gè)減速過程。因此，根據(jù)相對論，一個(gè)物體不可能僅僅因?yàn)槲�收而加速，也不可能以減速為代價(jià)來輻射。由此我們得出結(jié)論：電子不可能在一個(gè)過程中吸收一個(gè)光子并且加速而不引起第三種效果。

　　光電效應(yīng)可描述如下：光線照射金屬以后引起金屬中的靜止電子逸出金屬表面，在逸出的過程中經(jīng)過金屬的表面層時(shí)還作了“脫出功”。這里有一個(gè)“光子論”沒有說清楚的細(xì)節(jié)問題：電子是先吸收光子再作脫出功還是一面吸收光子一面作脫出功。如果是后者，那么，諸電子是在進(jìn)入金屬的表面層以后才吸收光子的，從而這些電子吸收光子時(shí)進(jìn)入表面層的深度將是不同的，從而它們所作的脫出功也是不同的，而根據(jù)愛因斯坦的光電效應(yīng)公式，每個(gè)電子所作的脫出功卻是一樣的。于是我們得出結(jié)論：電子只能先吸收光子再作脫出功。這樣，電子吸收光子的過程乃是電子吸收一個(gè)光子并且加速而不引起第三種效果的過程。這樣的過程違背相對論，從而肯定會違背能量動(dòng)量守恒定律。僥幸的是，對于實(shí)驗(yàn)室這一特殊參照系，能量守恒定律恰好對光電效應(yīng)成立，這就表現(xiàn)為關(guān)于光電效應(yīng)的愛因斯坦公式。但動(dòng)量守恒定律的破壞就在劫難逃了：在比較精確的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，電子飛出的方向與光線入射的方向幾乎是相反的，就明顯地違背動(dòng)量守恒定律。奇怪的是，這樣明顯的事實(shí)，竟然始終沒有人注意。

　　當(dāng)光波照射到金屬表面時(shí)，金屬中的自由電子進(jìn)入光波，將經(jīng)歷一個(gè)怎樣的過程呢？這是一個(gè)特殊的洛侖茲問題，而光電效應(yīng)，則是大自然對這個(gè)問題的回答。

　　我們知道，電子有兩個(gè)組成部分，帶電粒子與固有電磁場。為了言簡意賅，我們把電子的帶電粒子稱為“粒子”，把電子的固有電磁場稱為“波包”，這兩部分處于經(jīng)常的相互作用之中，電子的狀態(tài)經(jīng)久不變這一事實(shí)表明，它的粒子與波包相互處于平衡狀態(tài)，這種平衡是雙重的。第一，波包以洛侖茲力四面八方作用于粒子，其合力為零，從而波包既不會推動(dòng)它也不會阻滯粒子。因此，粒子不受外力作用時(shí)，其整體運(yùn)動(dòng)是等速直線運(yùn)動(dòng)。另一方面，粒子既輻射電磁波又吸收電磁波，總的來說，這種吸收與輻射既不會改變粒子的狀態(tài)，也不會改變波包的狀態(tài)。我們把前一種平衡稱為“力學(xué)平衡”，后一種平衡稱為“電學(xué)平衡”，兩者之合，總稱為“電動(dòng)平衡”。

　　當(dāng)電子從真空進(jìn)入光波時(shí)，由于外部條件突然改變，電子的電動(dòng)平衡遭到破壞，但電子內(nèi)部的自我調(diào)節(jié)機(jī)制將使自己迅速達(dá)到新的電動(dòng)平衡。我們把電子從真空中的電動(dòng)平衡過渡到光波中的電動(dòng)平衡的過程稱為“入光過程”，這是一個(gè)怎樣的過程呢？

　　首先，讓我們回憶一段往事：最初發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)時(shí)，人們斷言，光的波動(dòng)說不能解釋這個(gè)效應(yīng)，理由是，按照波動(dòng)說，金屬中的電子進(jìn)入光波以后，將在光的電磁力作用下強(qiáng)迫振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)的能量積累到一定程度時(shí)，就離開金屬表面成為“光電子”，而這種機(jī)制要求光電效應(yīng)具有“慣性”（即從光線照射到電子逸出有一定的時(shí)間延遲）；
要求光電子的數(shù)量隨光的強(qiáng)度的增加而增加，而且與光的頻率無關(guān)，等等，所有這些，都與事實(shí)不符。

　　在這里，我們的前人實(shí)在太粗心大意了。參與光電效應(yīng)的電子是自由電子，從而沒有平衡位置與恢復(fù)力，怎能作強(qiáng)迫振動(dòng)！再說，根據(jù)相對論，電子的速度不能超過光速，因此，就算電子能在光的電磁力作用下振動(dòng)，其振幅也會小于光的波長，因此振動(dòng)將會小得不能為宏觀儀器所感受，電子怎能憑借這樣小的振動(dòng)離開金屬表面？

　　實(shí)際上，當(dāng)電子進(jìn)入光波以后，根據(jù)力學(xué)原理，電子將在光波的電力作用下振動(dòng)，雖然因?yàn)闆]有平衡位置與恢復(fù)力，這種振動(dòng)的中心位置是移動(dòng)的，其振幅也小得不能為宏觀儀器所察覺，但仍然還是振動(dòng)。此外，電子有磁矩，因此它還會在光波的磁力作用下以交變的角速度進(jìn)動(dòng)。我們把這種振動(dòng)和進(jìn)動(dòng)稱為“光致運(yùn)動(dòng)”，光致運(yùn)動(dòng)將使粒子激發(fā)一個(gè)附加的駐波場，我們稱它“光致波包”。于是，電子在光波中有三種運(yùn)動(dòng)：內(nèi)部運(yùn)動(dòng)、光致運(yùn)動(dòng)與整體運(yùn)動(dòng)。

　　在入光過程中，電子將產(chǎn)生光致運(yùn)動(dòng)，并且激發(fā)光致波包，為此，電子必須從光波中吸收一份能量，換句話說，將吸收一份光波。這份光波，是入射光波的一部分，從而是一份有限的單色平面光波，由于有限，單色只是近似的。這份光波就是一個(gè)愛因斯坦所說的“光子”。

　　其次，讓我們回憶一下大家極為熟悉的牛頓力學(xué)概念“位能”（或“勢能”）。中學(xué)物理課教程說得清楚，位能是機(jī)械能的一種。以自由落體為例，位能有兩個(gè)特性：第一，位能儲存在落體和地球的系統(tǒng)中，而不是儲存在“落體”之中。第二，位能有隨時(shí)變成落體的動(dòng)能的趨勢。但是，位能究竟是什么東西？為什么會有負(fù)的位能？

　　按照靜電學(xué)，點(diǎn)電荷將激發(fā)一個(gè)靜電場。當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)電荷遠(yuǎn)離時(shí)，它們各自激發(fā)一個(gè)靜電場；
當(dāng)它們靠近時(shí)，兩個(gè)靜電場迭加起來成為一個(gè)，其靜電場能不等于原來的兩個(gè)靜電場能之和，如果兩個(gè)點(diǎn)電荷都是正的或者都是負(fù)的，則在迭加過程中靜電場能增加了，反之，如果兩個(gè)點(diǎn)電荷一正一負(fù)，則在迭加過程中靜電場能減少了。在迭加過程中增加的靜電場能，就是這兩個(gè)點(diǎn)電荷的“相對位能”。在前一種情況下，位能是正的；
在后一種情況下，位能是負(fù)的。

　　由此可見，位能并不是“機(jī)械能”的一部分（這是牛頓力學(xué)的觀點(diǎn)），而是“場能”的一部分（這是電動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)）。而且我們可以立刻得出進(jìn)一步的結(jié)論：一般地說，當(dāng)兩個(gè)電磁場迭加時(shí)，電磁場的能量與動(dòng)量都有一個(gè)突變，而且這個(gè)突然改變的能量與動(dòng)量有轉(zhuǎn)化成某種機(jī)械運(yùn)動(dòng)的能量與動(dòng)量的趨勢。當(dāng)電子進(jìn)入光波以后，電子的光致波包與光波這兩個(gè)具有相同頻率的交變電磁場迭加，能量與動(dòng)量將會突變，并轉(zhuǎn)化為電子的整體運(yùn)動(dòng)的能量與動(dòng)量，從而引起電子的整體運(yùn)動(dòng)的速度的改變。

　　于是，在入光過程中，電子會吸收一份光波；
從一種等速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)過渡到另一種等速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；
還有第三種效果：從真空中的電動(dòng)平衡過渡到光波中的電動(dòng)平衡。

　　這種機(jī)制可以說明光電效應(yīng)的最初發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)：首先，入光過程極為短促，因此光電效應(yīng)沒有明顯的慣性；
其次，光越強(qiáng)，入光過程越短促，就有越多的電子在兩次與晶格碰撞的自由程內(nèi)完成入光過程，成為光電子。最后，電子進(jìn)入光波以后的光致運(yùn)動(dòng)，決定于光的頻率而與光的強(qiáng)度無關(guān)，因此電子在入光過程中所獲得的動(dòng)能也決定于入射光波的頻率而與光波的強(qiáng)度無關(guān)。

　　如果電子完成入光過程就離開金屬，那就是光電效應(yīng)。如果電子在離開金屬以前進(jìn)入金屬的晶格點(diǎn)陣留下的陰影中，或者逸出金屬以后離開光波，將經(jīng)歷一個(gè)“出光過程”，它與“入光過程”的時(shí)間次序相反，其效果是：電子離開光波，同時(shí)發(fā)射一個(gè)光子，并再次改變整體運(yùn)動(dòng)的速度。如果一個(gè)電子先經(jīng)歷一個(gè)入光過程再經(jīng)歷一個(gè)出光過程，則其效果是：電子先吸收一個(gè)光子，再發(fā)射一個(gè)光子，并兩次改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這就是康普頓效應(yīng)。對于光電效應(yīng)，有一個(gè)不能為宏觀儀器所覺察的效果：電子的初態(tài)在真空中而其終態(tài)卻在光波中，因此，它的宏觀效果——吸收光子與整體運(yùn)動(dòng)速度改變——不滿足能量動(dòng)量守恒定律。對于康普頓效應(yīng)，電子的初態(tài)與終態(tài)都在真空中，因此，其宏觀效果滿足能量動(dòng)量守恒定律。和光電效應(yīng)一樣，康普頓效應(yīng)也是電子在特殊的外部條件下的行為，從而也是大自然對洛侖茲問題的回答。

　　6 輻射量子論

　　最后，讓我們回到普朗克的輻射量子論。

　　光波的波源是“物質(zhì)”，而物質(zhì)是由一個(gè)一個(gè)分立的原子組成的，相應(yīng)地，物質(zhì)發(fā)射光波的過程是由一個(gè)一個(gè)的分立的“原子發(fā)射光波”的過程合成的。那么，原子怎樣發(fā)射光波呢？在普朗克之前，人們是這樣想象的：原子中的電子作簡諧振動(dòng)，連續(xù)不斷地輻射。但是，輻射將帶走能量，作簡諧振動(dòng)的宏觀諧振子或其他宏觀電磁震蕩源之所以能維持連續(xù)不斷的輻射，是因?yàn)橛型獠磕茉丛丛床粩嗟貫樗�供給能量。但在微觀過程中卻沒有類似的情況：單個(gè)原子近旁沒有某種外部能源為它輸送能量，也沒有一個(gè)總的外部能源向大量原子統(tǒng)一地輸送能量。因此，原子只能以自身的能量減少為代價(jià)發(fā)射光波。原子的能量是有限的，因此原子發(fā)射光波不可能是一個(gè)連續(xù)不斷的過程，而只能是一個(gè)有始有終的有限過程。在這個(gè)有限過程中，原子只能發(fā)射一份有限能量的光波。許多同樣的原子各自經(jīng)歷同樣的有限過程將各自發(fā)射一份同樣的光波。沒有半個(gè)原子，因此沒有半份光波。于是，在物質(zhì)發(fā)射光波的過程中，光波的能量將一份一份地跳躍地增加，而普朗克所說的“能量子”，就是單個(gè)原子在一個(gè)有限的發(fā)射過程中所發(fā)射一份光波。由此可見，普朗克的輻射量子論乃是原子論的必然結(jié)論。

　　單個(gè)原子在一個(gè)有限的發(fā)射過程發(fā)射一份光波，肯定會減少原子的能量，從而改變原子的狀態(tài)，于是，原子不再是不變的。但是，自古以來，(點(diǎn)擊此處閱讀下一頁)

　　原子與“不可分割”是同義語，這種理解具有如下含義：

　　第一，原子是“沒有組成”的；

　　第二，原子是永恒不變的。

　　輻射量子論使我們不得不放棄這種觀念。

　　其實(shí)，古代的原子觀念并不是第一次接受挑戰(zhàn)。人類思想史上似乎有許多具有重大事件由于當(dāng)時(shí)人們不能領(lǐng)會其含義而被人遺忘了。例如，當(dāng)阿伏加德洛提出分子論時(shí)，現(xiàn)代原子論的創(chuàng)始人道爾頓堅(jiān)決反對。他為什么要反對呢？因?yàn)橐坏┌⒎�加德洛的分子論成立，分子就取代原子成了“物質(zhì)分割的限度”，但分子卻由原子組成，從而是“有組成”的，并且在化學(xué)反應(yīng)中可以改變，這就使得從德謨克里特到道爾頓的原子觀念不再成立。

　　實(shí)際上，分子雖然“有組成”，但它確實(shí)是機(jī)械分割的限度，在這種意義下，它雖然不再具有“不可分割性”，卻具有如下意義的“穩(wěn)定性”：分子在機(jī)械分割中保持不變。但在更深層次的化學(xué)反應(yīng)中，卻表現(xiàn)出可變性。可惜，當(dāng)時(shí)人們似乎并沒有意識到“穩(wěn)定性”的這種新的含義。

　　過去實(shí)驗(yàn)一再證明的原子的不變性，應(yīng)該理解為“穩(wěn)定性”這一概念的新含義，這種含義的穩(wěn)定性保證原子在化學(xué)反應(yīng)中保持不變，但在原子發(fā)射光波這樣的更深層次的過程中卻有了變化。原子的穩(wěn)定性意味著原子可以處于一系列的“穩(wěn)定狀態(tài)”，當(dāng)原子發(fā)射一個(gè)光量子時(shí)，從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一穩(wěn)定狀態(tài)。

　　萊布尼茲有一句名言：“自然界沒有跳躍”。這句話僅僅表現(xiàn)事情的一個(gè)方面，原子發(fā)射一個(gè)能量子的過程誠然是一個(gè)連續(xù)過程，但是在普朗克的輻射公式中，光波的能量增加卻呈現(xiàn)為“一次跳躍”。在這里，“跳躍”無非是指一個(gè)短促的連續(xù)過程，但相對于宏觀諧振子的那樣的連續(xù)發(fā)射過程，它卻被看成是一個(gè)在一瞬間完成的過程，正如在牛頓第二定律中人們把有限物體看成是一個(gè)無限小的質(zhì)點(diǎn)一樣，這是一種簡化。這種簡化把連續(xù)性與間斷性之間的對立的相對性從空間擴(kuò)展到時(shí)間。在許多場合下，這種簡化是有益無害的。但如果我們忘記了它僅僅是一種簡化，認(rèn)真地設(shè)想“電子可以從一種狀態(tài)跳躍到另一種狀態(tài)而沒有過渡階段”，那就是自討苦吃了。

　　在原子的“玻爾理論”中，上面說的原子的穩(wěn)定狀態(tài)稱為“定態(tài)”，而從一種定態(tài)過渡到另一定態(tài)的過程，稱為“量子躍遷”，而我們得出這兩個(gè)結(jié)論，并沒有用到玻爾理論，甚至沒有用到盧瑟福的原子有核模型，我們用的只是從“物理學(xué)的理論基礎(chǔ)”出發(fā)所作的合理的推理。從這一推理我們看到，光波發(fā)射的量子性的原因不是由于光本身是由一個(gè)一個(gè)粒子組成的，而是由于作為光源的物質(zhì)是由一個(gè)一個(gè)的原子組成的，換句話說：“輻射的量子性起源于光源的原子性。”

　　我們可以用一個(gè)日常生活的比喻來闡明這一平易近人的道理。春節(jié)時(shí)，孩子們放鞭炮。如果有一位“大人國”的觀察者，他看不見孩子們更看不見鞭炮，但他根據(jù)一系列的測量、計(jì)算與推理得出結(jié)論：在放鞭炮的過程中聲波的能量一份一份地跳躍地增加。那么，這位觀察者合理的推測應(yīng)該是：聲波的能量不連續(xù)地增加因?yàn)槁暡ǖ牟ㄔ词怯梢粋�(gè)一個(gè)的鞭炮組成的，而不是因?yàn)槁暡ū旧硎怯梢粋�(gè)個(gè)粒子組成的。在比喻的意義下我們也可以說：“發(fā)聲的量子性起源于聲源的原子性。”

　　誠然，比喻總有它笨拙的一方面，鞭炮爆炸過程是不可逆的：如果把放鞭炮的過程拍成電影，然后倒過來放映，則銀幕上的過程是不可能實(shí)現(xiàn)的。但是，原子發(fā)射光波卻是可逆的：如果進(jìn)入光波的不是自由電子，而是原子中的電子，則在一定的條件下，電子也會吸收一份光波，并且使得原子從一種狀態(tài)進(jìn)入另一種狀態(tài)。這就是單個(gè)原子的吸收過程。相反，如果原子中的電子離開光波，則在一定的條件下，電子也會發(fā)射一份光波，并且也使得原子從一種狀態(tài)進(jìn)入另一種狀態(tài)。這就是單個(gè)原子的輻射過程。最簡單、最純粹的吸收光波的過程是：當(dāng)單色平面光波照射某一原子時(shí)，該原子經(jīng)歷一個(gè)靠吸收光波而使自身能量增加的有限過程。顯然，在這一過程中，原子所吸收的這份光波是單色平面光波的一部分，從而也近似地是單色平面光波。根據(jù)微觀過程的可逆性，在物質(zhì)發(fā)射光波的過程中，單個(gè)原子所發(fā)射的光波，也近似地是單色平面光波。

　　7 小結(jié)

　　現(xiàn)在，我們初步地實(shí)現(xiàn)了愛因斯坦使物理學(xué)的理論基礎(chǔ)同普朗克的輻射量子論相互適應(yīng)的心愿，更確切地說，我們在重新認(rèn)識物理學(xué)的理論基礎(chǔ)的前提下，使它與量子現(xiàn)象協(xié)調(diào)一致。同時(shí)，我們也弄清了一個(gè)問題：為什么當(dāng)年愛因斯坦在這方面的一切嘗試都會失��？最直接的原因是：他忘記了電子自身有一個(gè)固有電磁場。但他為什么會忘記呢？這里有一個(gè)思想方法的問題，愛因斯坦太醉心于“驚世駭俗的新穎觀念”，不屑于用平易近人的簡單道理來闡明本來就簡單的自然過程。至于更深層的原因，則是由于人們遇到量子現(xiàn)象時(shí)，電動(dòng)力學(xué)的世界觀尚未成熟�？梢灶A(yù)期：一旦人們掌握了電動(dòng)力學(xué)的物質(zhì)觀，現(xiàn)代物理學(xué)將向經(jīng)典物理學(xué)復(fù)歸。當(dāng)然，它將帶著量子力學(xué)的一切積極成果來實(shí)現(xiàn)這一復(fù)歸。

　　Incredible PhotonTAN Tianrong(Department of Physics, Qingdao University, Qingdao 266071, P. R. China.)ttr359@126.comAbstract: A work of reviewing the past and looking forward to the future for modern physics is carried out. Also, the quantum phenomena such as photoelectric effect, Compton effect and quantization of radiation are reexamined by means of the basic concept of classical physics theory. Key words: electron theory; quantum phenomenon; photon; radiation quantum theory; photoelectric effect

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