X 射线被轻元素散射的量子理论
X 射线撞上电子后波长变长,像台球被撞慢——光以粒子的方式携带动量。
把 X 射线照向一块碳,射线弹回来时「颜色」却变了——而这个小小的变化,了结了一场关于「光是波还是粒子」、持续了二十年的争论。
核心想法
一个世纪以来,光一直被理解为波,而波在反弹时不会改变颜色。可当阿瑟·康普顿用 X 射线轰击物质时,散射回来的射线却更「软」了——被拉到稍长一点的波长;而且偏折得越急,拉得越长。
他的解释,是把 X 射线不当作波,而当作粒子:一颗携带动量的小小光弹。当它撞上一个电子,便把电子撞飞,恰如一颗台球撞上另一颗,自己则带着更少的能量弹开——对光而言,这意味着更长的波长。他甚至能把公式写下来:拉长的量,只取决于反弹的角度,别无其他。实验与公式相符。原来,光,是像个实物那样撞过来的。
它是如何诞生的
早在 1905 年,爱因斯坦就提出过光是一份一份的,可在此后二十年里,大多数物理学家都把它当作一个好用的技巧,而非字面的真理——波动理论实在太成功,让人不忍割舍。康普顿在圣路易斯的华盛顿大学工作,一直在为散射 X 射线里一个波动理论解释不了的怪象而困惑。
约在 1922 年,他迈出了那一步:给每一份 X 射线的能量包一个确定的动量,并把它与电子的相遇当作一次干脆的碰撞。数字干净利落地落了出来,而他在石墨上细致的谱仪测量证实了它们。荷兰物理学家彼得·德拜,几乎在同一时刻独立地得到了同一公式。当别人很快拍到反冲电子与散射射线步调一致地飞出,此案便告了结。康普顿于 1927 年获得诺贝尔奖。
它为何重要
这就是那个让光子成真的实验。光电效应曾暗示光以一块块的形式递送能量,而康普顿则表明,光还携带动量、并在碰撞中反冲——在一切力学意义上,都像个粒子。在康普顿之后,你再也不能把光量子当作一个算起来方便的说法挥手打发掉。光,竟同时既是波又是粒子;而接受这个悖论,正是通向现代量子力学的门——仅仅两年之后,它就来了。
一个可以想象的画面
想象一局台球。母球(X 射线)滚进来,撞上一颗静止的球(电子)。母球穿不过去——它擦着弹开,被撞的那颗球带着一些速度滚走。母球离开时,比来时慢。对光来说,「慢」不太对——光永远以光速行进——所以它用另一种方式卸掉能量:把自己拉到更长的波长。而正如台球里,擦边的一碰几乎什么都不改变,正面相撞却夺走最多的速度;X 射线的拉长,在轻微偏折时最小,在径直弹回时最大。用下面的工具,瞄准这一弹,看波长怎样变长。
它在知识谱系里的位置
康普顿的这次碰撞,是光的故事里的一处合页。在它身后,站着普朗克(1900)与爱因斯坦(1905),是他们最先提出光是一份一份的,以及玻尔(1913),是他把量子放进了原子;在它身旁,站着光电效应,那是光子的另一个证据。在它身前,站着德布罗意(1924),他把康普顿的逻辑反转过来,赋予物质一个波长,还有海森堡——他 1927 年的不确定性原理,用的正是康普顿发现的那个反冲:当你想看一个电子时,光子必然给它的那一脚。康普顿的测量,正是光的粒子从一个假说,变成一个你能称量的事实的那一刻。
This remarkable agreement between our formulas and the experiments can leave but little doubt that the scattering of X-rays is a quantum phenomenon.