量子史話（14）光子沒有質量，爲什麼會有動量？

上回說到，1922年，諾獎委員會在給愛因斯坦頒獎的時候，明確地指出，給愛因斯坦發獎，是獎勵他在解釋光電效應上的突出貢獻。

絲毫不提光量子假設，距離愛因斯坦提出光量子，這已經過去了快20年的時間，人們還是無法接受能量的本質是量子化的。

原因，我在之前的第一次、第二次波粒戰爭中解釋得很清楚，有興趣的可以回看一下，這裡就不重複了。

我們接着說今天的內容：

雖然全世界都不相信光量子，但愛因斯坦還是堅信自己的物理直覺。並且在1916年的時候，不僅提出了原子的受激發射，發現了電子躍遷的隨機性，還提出了一個更爲大膽的想法。

他認爲光量子不僅存在，而且還具有動量，動量這個物理量完全是粒子的屬性，但光也有，這更讓人覺得是在胡扯。

這個發現可以從狹義相對論中直接推導出來，在相對論中一個粒子的能量E，動量P，和靜止質量滿足一些簡單的關係。

E²=M²C⁴+p²c²，由於光子沒有質量，我們就可以得到p=E/C，因爲E=hv，這個公式可以進一步寫成p=hv/c。

所以E=hv和p=hv/c，就成爲了描述光量子的兩個方程。方程的左邊是常用來描述粒子的物理量，能量和動量，方程的右邊有頻率v，體現了光子的波動性。

其實從這兩個公式就能看出光的波粒二象性，這就是愛因斯坦的思想。不過想法歸想法，空口無憑，需要有實驗證據來驗證光的粒子性和動量。

1923年就有人做出了這個實驗，雖然是無意中發現的，但完美地證實了光的粒子性和動量。此人正是美國實驗物理學家康普頓，我們常聽說的康普頓散射，說的就是這個實驗。

在說到這個實驗的時候，我們將第一次在20世紀的科學史中看到中國人名字，他叫吳有訓，是康普頓的學生，此時的康普頓也才27歲。

康普頓在1920年的時候，就在研究X射線經過物質以後發生的散射現象。在往後的2年間，他用X射線照射各種元素，發現大部分的X射線可以穿透物質不發生任何變化，而有很少的一部分X射線，角度會偏離原有的方向。

這些方向發生偏離的X射線被稱爲“二次輻射”，在測量其波長以後，康普頓發現，“二次輻射”的X射線波長變長了。

這種現象非常怪異，用波動無法做出解釋，舉一個不怎麼恰當的例子，這就像是你往金屬表面照射藍光，金屬表面卻反射出了紅光。

無奈之下，康普頓就想起了愛因斯坦的光量子，如果把光看成一個一個的帶有能量和動量的粒子，那麼這個問題就會很容易地解決。

X射線光子照射到物質以後，大部分的光子都會穿過物質，畢竟原子大部分是空的，而有很小的一部分光子會一頭裝在電子上，光子和電子的碰撞就像是兩個檯球碰撞一樣。

在這個過程中就發生動量的相互轉化，光子會將自己一部分的動量傳遞給電子，電子的動量增加，光子的動量減小。

前面我們說了光子的動量公式是p=hv/c，動量減小，那麼它的頻率就會減小，頻率小了，波長就長了。

愛因斯坦的理論解釋這個問題就是這麼簡單，說白了就是兩個粒子之間碰撞的能量和動量守恆而已。所以能量守恆就成爲了康普頓實驗驗證光量子的理論基礎。

爲了保證實驗的嚴謹性，吳有訓在康普頓的指導下，做了不同物質的X射線散射實驗，結果都和愛因斯坦的理論吻合得非常好。

後來吳有訓回到祖國，爲我國的科學建設做出了巨大貢獻，培養很多優秀的人才，很多人的名字相信你都非常耳熟，比如：錢三強，郭永懷，王淦昌，鄧稼先等等。

康普頓在1922年11月的一次科學會議上宣佈了他的發現，12月份就把論文寄給了《物理學週刊》，誰知道這個雜誌的審覈團隊一點也不專業，他們看不出來這個發現有何重要之處，就把康普頓的論文和那些三教九流的文章混在一起，按照提交順序慢慢的發表。

導致了康普頓的文章在1923年的5月才被刊出，德國的德拜，他是索末菲的學生，在1923年的3月也給出了康普頓實驗的正確解釋，他把論文寄給了一家德國雜誌，德國人一看就知道這件事非同小可，這可是要出諾獎的文章，趕緊就發表了。

這件事只是一個小小插曲，德拜並沒有跟康普頓扯皮，1927年康普頓因此獲得物理學諾獎，此時再也沒有人懷疑光量子的真實性，並且直接把光量子稱爲光子。

不過就在康普頓的實驗發表以後，有一幫人還是站出來反對了一波，這一波人的頭，就是玻爾，玻爾雖然量化原子的軌道，但是他從來都不相信光是量子化的。

玻爾聯合他的助手克萊默斯、斯萊特，搞出了一個BKS提議，他們攻擊的對象是康布頓實驗的理論基礎，能量守恆定律。

說，能量守恆確實在經典物理學中是絕對的真理，但在原子尺度上可能並不起作用，拋棄能量守恆現在聽起來感覺，玻爾像瘋了一樣，這足以證明他有多麼的討厭光量子。

不過，後來的事實也證明，玻爾好像也很討厭能量守恆定律，在發現中微子的過程中，玻爾再一次拿能量守恆定律開刀。這次玻爾是真的錯了。

康普頓實驗給了愛因斯坦極大的信心，他在1924年4月的時候，再一次重複了他在1909年的觀點，說，人們經過20年的努力終於確認了光量子，光電效應和康普頓散射是它最好的證據，但不可否認光也具有波動性，衍射和干涉是波動最好的證據，光現在具有二元性，也就是波粒性，未來的物理學需要對此做出描述。

愛因斯坦的這段話，直接終結了波粒數百年來的戰爭，牛頓、胡克、惠更斯、托馬斯·楊、菲涅爾萬萬想不到會是這樣的結局。

不過也好，他們在九泉之下，應該可以握手言和了。不夠牛頓和胡克除外，他倆的仇那簡直大了去了。

就在愛因斯斯坦發表了了他的觀點後不久，也是4月的當月，愛因斯坦收到了一份來自法國的信件，寄信的人是他的老朋友朗之萬。信中的內容，讓愛因斯坦既驚又喜，我們的世界越來越奇妙了。

下個視頻我們將迎來一位科學史上最牛的人，他創造了兩項紀錄，估計是前無古人後無來者吧。