粒子物理学评论（二）

——光子

张珏成

有人认为，德国物理学家赫兹于1887年在实验中首次发现光子。

赫兹并没有做出真正意义的光子发现，而是发现了光电效应，而且，赫兹并没有做到清楚地解释光电效应的机理。但是，后来有些人将发现光子的荣誉归给了赫兹。

学习物理学时，想象和理解光的波粒二象性、光量子或光子这两个概念比较困难。而在物理学中，解释这两个概念时，缺少逻辑性，顺从了物理学事件发生的时间次序，没有寻找事件之间的内在逻辑。

早在1675年，基于对光的直线传播、反射和折射等现象的观察，英国科学家牛顿提出了“光是由一种非常小的物质粒子所组成”的观点，可以很好地解释他所观察到的光现象。

到了1801年，英国科学家托马斯·杨做了双缝实验，这个实验后来称为著名的杨氏双缝实验，发现了双缝干涉现象，表明光具有波动性。

本来，后出现的光具有波动性现象并不能否定以前的光具有粒子性现象，反之亦然。于是，本应该自然而然地产生“光的波粒二象性”的假说或假设。可惜在人的思想中，总是存在一种偏执性。在思想、观念方面出现差异的时候，总要认为，某种思想、观念是正确的，而另外的思想、观念是错误的。由于思想偏执性，因此，这时没有提出“光的波粒二象性”认识，没有看到两者并不矛盾，问题只是如何将两种现象统一并合理解释。结果是著名的杨氏双缝实验之后，波动说逐渐占据了主导地位。

在物理学中，错误地记述了这个认识发展过程，没有指出认识的局限，反而给人“二者必选其一”的印象，人为地、但不是故意地制造了理解“光的波粒二象性”的困难。

接下来的历史进程，戏剧性地完成了物理学理论的提升、深化。

1808年的道尔顿“新原子论”、1811年的阿伏伽德罗分子概念，都没有直接使认识引向“光具有波粒二象性”。

1858年，德国物理学家普吕克在进行低压气体放电研究时，意外地观察到荧光现象。但他没有意识到，这是阴极射线作用的结果。其原因在于：分子、原子的概念并没有引起对更细微物质粒子的思考，物理学上还没有建立光和射线、粒子束的联系。

接下来很多科学家研究阴极射线，其中以德国物理学家戈德斯坦（又译为戈尔德施泰因）的研究为代表。根据研究结果，1876年，戈德斯坦将普吕克发现的荧光现象中的射线命名为阴极射线，可惜他没有发现电子。当然这不是他的失误，因为洛伦兹的电磁理论到1895年才提出。

现在知道，阴极射线、b 射线、电子束、电子流等都是同一事物的名称。

1896年，又出现1个戏剧性的事件，法国物理学家贝克勒尔意外发现铀的放射性。放射性是某些元素（物质）发生衰变并发出射线现象。贝克勒尔意外地观察到，铀盐在黑暗中也能使胶片感光。他沿着这个发现继续研究，虽然没有亲自做出后面的很多重要发现，但是他的研究为后面的科学家提供了借鉴。因此，放射性的发现，标志着粒子物理学的开始。但是在开始，这个事件并没有和粒子联系到一起。

1897年，英国物理学家汤姆生在研究阴极射线时发现电子。这是一个里程碑性质的发现，是粒子物理学的开端。

洛伦兹的电磁理论实质是将电的作用和磁的作用统一为电磁作用。而汤姆生天才地运用了电磁理论，从而发现了阴极射线是带负电的粒子束，并通过测量和计算，确定了这种粒子的电荷与质量之比，继而推断出，这种粒子是一种比原子更小的粒子即电子。

在物质结构方面，发现电子意味着存在着比分子、原子更小的粒子。本来，此后对光的研究和认识应该指向“光具有波粒二象性”。但是在物理学发展史上，并没有出现对事件之间联系的思考，没有将发现电子和承认光子的粒子性联系起来，而是将之看作为彼此不相干的两个事件。实际上这两个事件有逻辑联系。因为既然存在电子，那么光的粒子性就不应轻易否认，而且，在直线传播、反射和折射等特征上，电子束的传播特性与光线有相似之处。

1900年，德国科学家普朗克提出能量子假设。在研究黑体辐射问题时，由于存在辐射能量并不连续的现象，普朗克假设，辐射能量具有一个最小单元，并称之为能量子，可见光线、X射线和其他射线等光波必须以能量子形式发射能量，并且其能量与光波的频率成正比。这个假设很好地吻合了辐射能量与光波的频率之间关系的实验结果，再次指证光的粒子性，虽然这是从能量角度提出，以假设方式体现。

直到1905年，爱因斯坦提出狭义相对论，建立了质能公式，于是有了把光的粒子性和波动性统一起来的理论基础。同年，爱因斯坦完善了普朗克假设，提出了光量子理论。他利用了光波就是电磁波的认识，将能量子改称为光量子，并通过将普朗克公式和质能公式联系起来，得到光量子的速度、质量与光波的频率之间的关系，从而统一了光的粒子性和波动性，确认了“光具有波粒二象性”。

光量子理论可以完美地解释光电效应现象，后来将光量子简称为光子。

直到目前为止，人们只是通过实验而观察、检测到光的粒子性，因而确认光子是一种粒子。

光的粒子性再次为科学界接受，是哲学的否定之否定规律的又一次体现、又一个实例。

由于确认“光具有波粒二象性”过程漫长复杂，因此，没有人可以独自获得发现光子荣誉。

在这个认识过程中，有太多的复杂原因。寻找其中的原因不是本文的目的。归结起来，原因无非是囿于成见、认知基础不足、研究方法和方向不对头等。

光子的性质，如实质性以及其他性质，还在深入研究。已经知道知识有：

作为粒子，光子具有能量、动量及动量矩，但不具有实际体积、静止质量。根据光量子理论的普朗克-爱因斯坦关系式，光子的运动质量与光波的频率成正比，并得到实验结果的支持。

电子从高能级跃迁到低能级时，会发出电磁波，也就是光子。反向过程也成立，物体受到光照或电磁波辐射，接受光子，电子从低能级跃迁到高能级。这两个过程中物体的质量变化极微，可以用质能公式解释，并被实验结果证实。

一对正、负电子碰撞后，会湮灭并发出若干光子，可根据质能公式，计算出以这些光子的总能量和总运动质量，其结果与实验吻合。

现在还有人认为，光子不是实质粒子，而是能量和动量的量子化载体，是一种特殊的粒子、一种传递电磁力的规范玻色子。