量子史话（14）光子没有质量，为什么会有动量？

　　上回说到，1922年，诺奖委员会在给爱因斯坦颁奖的时候，明确地指出，给爱因斯坦发奖，是奖励他在解释光电效应上的突出贡献。

　　丝毫不提光量子假设，距离爱因斯坦提出光量子，这已经过去了快20年的时间，人们还是无法接受能量的本质是量子化的。

　　原因，我在之前的第一次、第二次波粒战争中解释得很清楚，有兴趣的可以回看一下，这里就不重复了。

　　我们接着说今天的内容：

　　虽然全世界都不相信光量子，但爱因斯坦还是坚信自己的物理直觉。并且在1916年的时候，不仅提出了原子的受激发射，发现了电子跃迁的随机性，还提出了一个更为大胆的想法。

　　他认为光量子不仅存在，而且还具有动量，动量这个物理量完全是粒子的属性，但光也有，这更让人觉得是在胡扯。

　　这个发现可以从狭义相对论中直接推导出来，在相对论中一个粒子的能量E，动量P，和静止质量满足一些简单的关系。

　　E²=M²C⁴+p²c²，由于光子没有质量，我们就可以得到p=E/C，因为E=hv，这个公式可以进一步写成p=hv/c。

　　所以E=hv和p=hv/c，就成为了描述光量子的两个方程。方程的左边是常用来描述粒子的物理量，能量和动量，方程的右边有频率v，体现了光子的波动性。

　　其实从这两个公式就能看出光的波粒二象性，这就是爱因斯坦的思想。不过想法归想法，空口无凭，需要有实验证据来验证光的粒子性和动量。

　　1923年就有人做出了这个实验，虽然是无意中发现的，但完美地证实了光的粒子性和动量。此人正是美国实验物理学家康普顿，我们常听说的康普顿散射，说的就是这个实验。

　　在说到这个实验的时候，我们将第一次在20世纪的科学史中看到中国人名字，他叫吴有训，是康普顿的学生，此时的康普顿也才27岁。

　　康普顿在1920年的时候，就在研究X射线经过物质以后发生的散射现象。在往后的2年间，他用X射线照射各种元素，发现大部分的X射线可以穿透物质不发生任何变化，而有很少的一部分X射线，角度会偏离原有的方向。

　　这些方向发生偏离的X射线被称为“二次辐射”，在测量其波长以后，康普顿发现，“二次辐射”的X射线波长变长了。

　　这种现象非常怪异，用波动无法做出解释，举一个不怎么恰当的例子，这就像是你往金属表面照射蓝光，金属表面却反射出了红光。

　　无奈之下，康普顿就想起了爱因斯坦的光量子，如果把光看成一个一个的带有能量和动量的粒子，那么这个问题就会很容易地解决。

　　X射线光子照射到物质以后，大部分的光子都会穿过物质，毕竟原子大部分是空的，而有很小的一部分光子会一头装在电子上，光子和电子的碰撞就像是两个台球碰撞一样。

　　在这个过程中就发生动量的相互转化，光子会将自己一部分的动量传递给电子，电子的动量增加，光子的动量减小。

　　前面我们说了光子的动量公式是p=hv/c，动量减小，那么它的频率就会减小，频率小了，波长就长了。

　　爱因斯坦的理论解释这个问题就是这么简单，说白了就是两个粒子之间碰撞的能量和动量守恒而已。所以能量守恒就成为了康普顿实验验证光量子的理论基础。

　　为了保证实验的严谨性，吴有训在康普顿的指导下，做了不同物质的X射线散射实验，结果都和爱因斯坦的理论吻合得非常好。

　　后来吴有训回到祖国，为我国的科学建设做出了巨大贡献，培养很多优秀的人才，很多人的名字相信你都非常耳熟，比如：钱三强，郭永怀，王淦昌，邓稼先等等。

　　康普顿在1922年11月的一次科学会议上宣布了他的发现，12月份就把论文寄给了《物理学周刊》，谁知道这个杂志的审核团队一点也不专业，他们看不出来这个发现有何重要之处，就把康普顿的论文和那些三教九流的文章混在一起，按照提交顺序慢慢的发表。

　　导致了康普顿的文章在1923年的5月才被刊出，德国的德拜，他是索末菲的学生，在1923年的3月也给出了康普顿实验的正确解释，他把论文寄给了一家德国杂志，德国人一看就知道这件事非同小可，这可是要出诺奖的文章，赶紧就发表了。

　　这件事只是一个小小插曲，德拜并没有跟康普顿扯皮，1927年康普顿因此获得物理学诺奖，此时再也没有人怀疑光量子的真实性，并且直接把光量子称为光子。

　　不过就在康普顿的实验发表以后，有一帮人还是站出来反对了一波，这一波人的头，就是玻尔，玻尔虽然量化原子的轨道，但是他从来都不相信光是量子化的。

　　玻尔联合他的助手克莱默斯、斯莱特，搞出了一个BKS提议，他们攻击的对象是康布顿实验的理论基础，能量守恒定律。

　　说，能量守恒确实在经典物理学中是绝对的真理，但在原子尺度上可能并不起作用，抛弃能量守恒现在听起来感觉，玻尔像疯了一样，这足以证明他有多么的讨厌光量子。

　　不过，后来的事实也证明，玻尔好像也很讨厌能量守恒定律，在发现中微子的过程中，玻尔再一次拿能量守恒定律开刀。这次玻尔是真的错了。

　　康普顿实验给了爱因斯坦极大的信心，他在1924年4月的时候，再一次重复了他在1909年的观点，说，人们经过20年的努力终于确认了光量子，光电效应和康普顿散射是它最好的证据，但不可否认光也具有波动性，衍射和干涉是波动最好的证据，光现在具有二元性，也就是波粒性，未来的物理学需要对此做出描述。

　　爱因斯坦的这段话，直接终结了波粒数百年来的战争，牛顿、胡克、惠更斯、托马斯·杨、菲涅尔万万想不到会是这样的结局。

　　不过也好，他们在九泉之下，应该可以握手言和了。不够牛顿和胡克除外，他俩的仇那简直大了去了。

　　就在爱因斯斯坦发表了了他的观点后不久，也是4月的当月，爱因斯坦收到了一份来自法国的信件，寄信的人是他的老朋友朗之万。信中的内容，让爱因斯坦既惊又喜，我们的世界越来越奇妙了。

　　下个视频我们将迎来一位科学史上最牛的人，他创造了两项纪录，估计是前无古人后无来者吧。