X 射線被輕元素散射的量子理論
X 射線撞上電子後波長變長,像撞球被撞慢——光以粒子的方式攜帶動量。
把 X 射線照向一塊碳,射線彈回來時「顏色」卻變了——而這個小小的變化,了結了一場關於「光是波還是粒子」、持續了二十年的爭論。
核心想法
一個世紀以來,光一直被理解為波,而波在反彈時不會改變顏色。可當亞瑟·康普頓用 X 射線轟擊物質時,散射回來的射線卻更「軟」了——被拉到稍長一點的波長;而且偏折得越急,拉得越長。
他的解釋,是把 X 射線不當作波,而當作粒子:一顆攜帶動量的小小光彈。當它撞上一個電子,便把電子撞飛,恰如一顆撞球撞上另一顆,自己則帶著更少的能量彈開——對光而言,這意味著更長的波長。他甚至能把公式寫下來:拉長的量,只取決於反彈的角度,別無其他。實驗與公式相符。原來,光,是像個實物那樣撞過來的。
它是如何誕生的
早在 1905 年,愛因斯坦就提出過光是一份一份的,可在此後二十年裡,大多數物理學家都把它當作一個好用的技巧,而非字面的真理——波動理論實在太成功,讓人不忍割捨。康普頓在聖路易斯的華盛頓大學工作,一直在為散射 X 射線裡一個波動理論解釋不了的怪象而困惑。
約在 1922 年,他邁出了那一步:給每一份 X 射線的能量包一個確定的動量,並把它與電子的相遇當作一次乾脆的碰撞。數字乾淨俐落地落了出來,而他在石墨上細緻的譜儀測量證實了它們。荷蘭物理學家彼得·德拜,幾乎在同一時刻獨立地得到了同一公式。當別人很快拍到反衝電子與散射射線步調一致地飛出,此案便告了結。康普頓於 1927 年獲得諾貝爾獎。
它為何重要
這就是那個讓光子成真的實驗。光電效應曾暗示光以一塊塊的形式遞送能量,而康普頓則表明,光還攜帶動量、並在碰撞中反衝——在一切力學意義上,都像個粒子。在康普頓之後,你再也不能把光量子當作一個算起來方便的說法揮手打發掉。光,竟同時既是波又是粒子;而接受這個悖論,正是通向現代量子力學的門——僅僅兩年之後,它就來了。
一個可以想像的畫面
想像一局撞球。母球(X 射線)滾進來,撞上一顆靜止的球(電子)。母球穿不過去——它擦著彈開,被撞的那顆球帶著一些速度滾走。母球離開時,比來時慢。對光來說,「慢」不太對——光永遠以光速行進——所以它用另一種方式卸掉能量:把自己拉到更長的波長。而正如撞球裡,擦邊的一碰幾乎什麼都不改變,正面相撞卻奪走最多的速度;X 射線的拉長,在輕微偏折時最小,在徑直彈回時最大。用下面的工具,瞄準這一彈,看波長怎樣變長。
它在知識譜系裡的位置
康普頓的這次碰撞,是光的故事裡的一處合頁。在它身後,站著普朗克(1900)與愛因斯坦(1905),是他們最先提出光是一份一份的,以及波耳(1913),是他把量子放進了原子;在它身旁,站著光電效應,那是光子的另一個證據。在它身前,站著德布羅意(1924),他把康普頓的邏輯反轉過來,賦予物質一個波長,還有海森堡——他 1927 年的不確定性原理,用的正是康普頓發現的那個反衝:當你想看一個電子時,光子必然給它的那一腳。康普頓的測量,正是光的粒子從一個假說,變成一個你能秤量的事實的那一刻。
This remarkable agreement between our formulas and the experiments can leave but little doubt that the scattering of X-rays is a quantum phenomenon.