曾被斥责为“异端”的科学家，用二十年时间赢得了这场科学接力

1905年的春天，瑞士伯尔尼专利局的三级技术员阿尔伯特·爱因斯坦在办公桌抽屉里悄悄展开一叠草稿纸——那里藏着他关于光的本质的革命性思考。这位26岁的年轻人不会想到，他在《物理学年鉴》上发表的论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，将掀起一场改变物理学根基的暴风骤雨。

在这篇被他本人唯一称为“革命性”的文章中，爱因斯坦提出了一个颠覆百年的假说：光的能量在空间中并非连续分布，而是由不可再分、局限在空间各点的“光量子”（后称光子）组成，每个光量子携带能量Ehνh为普朗克常数，为光的频率）。

这一观点如同投进平静湖面的巨石，直接挑战了统治物理学百年的麦克斯韦电磁理论，动摇了光作为连续波动的根基。

1927年，爱因斯坦在布鲁塞尔举行的索尔维会议上的合影，第一排中间为爱因斯坦

（图片来源：Wikipedia）

然而，迎接这位年轻人的不是赞誉，而是近乎一致的冷遇。物理学权威们斥责其为“异端”，甚至量子论的奠基人马克斯·普朗克也批评他“走得太远”。

在近二十年的漫长争议中，三位关键人物——普朗克、密立根与康普顿——以截然不同的角色，共同接力完成了光量子假说从被拒斥到被接纳的科学革命长跑。这段充满戏剧性的历史不仅见证了人类认知的跃迁，更揭示了科学范式更替的艰难与壮美。

奠基者的质疑：普朗克的保守与调和困境

颇具讽刺意味的是，量子理论的开创者马克斯·普朗克，竟成为光量子假说最坚决的反对者。1900年，普朗克提出能量量子化概念（Ehν）以解释黑体辐射，但他认为量子化仅限于物质振子发射或吸收能量的过程，辐射在真空中传播仍是连续的麦克斯韦波。1907年，他在致爱因斯坦的信中直言：

“我为光量子寻找的不是它在真空中的意义，而是它在吸收和发射地方的意义......真空中的过程仍应由麦克斯韦方程精确描述。”

这揭示了两人的根本分歧：普朗克将量子视为解释能量交换的数学工具，是经典理论框架下的修补；爱因斯坦则视光量子为描述光本质的物理实在，要求彻底革新光的理论基础。

当时，光的波动性已被杨氏双缝干涉实验确凿证实，而支持粒子性的仅有光电效应等少数现象。普朗克的保守立场代表了主流物理界的认知惯性。

图2 双缝干涉实验的示意图

（图片来源：Wikipedia）

1913年，普朗克在推荐爱因斯坦进入普鲁士科学院的信中，一面盛赞其相对论成就，一面不忘声明光量子假说是爱因斯坦的“失误”。面对普朗克等权威的反对，爱因斯坦在1909年萨尔斯堡德国科学家年会上首次公开系统论证光量子假说时，仍不得不谨慎声明：“这个概念具有暂时性特征，因为它与实验验证过的波动理论不相协调。”这反映了他对波粒二象性深层矛盾的清醒认识。

1911年，第一届索尔维会议的合影

（图片来源：Wikipedia）

普朗克与爱因斯坦的争论背后，是两代物理学家的思维差异。普朗克曾感慨：“新科学真理的胜利，不是靠说服反对者，而是因为反对者最终逝去，熟悉它的新一代成长起来。”这句话后来成为科学革命的经典注脚。

但鲜为人知的是，这两位理论巨匠私下却保持着深厚友谊。1913年夏天，普朗克与物理学家能斯特专程乘火车到苏黎世拜访爱因斯坦。当两位年过半百的学者走出车厢，看到手捧鲜花迎接的爱因斯坦时，一场影响物理学走向的对话就此展开——他们最终说服爱因斯坦前往柏林工作。

十年“打脸”：密立根的精密证伪与意外证实

当理论争论陷入僵局，美国实验物理学家罗伯特·密立根站了出来。他坚信爱因斯坦的光量子假说是错的，经典波动理论才是光的真理。为了证明这一点，他决心设计一个前所未有的精密实验，目标是直接测量光电效应中电子的能量与光的关系

为此，密立根和他的团队耗费了整整十年（1905-1915），打造了一套极其精巧的实验装置：

• 超高真空环境：将装置内部抽到近乎太空般的真空，排除气体分子的干扰。
• 实时“刷新”金属表面：用微型刀具在真空中不断切削电极，露出绝对干净、无氧化的纯金属表面。
• 精准的“光调色盘”：使用汞灯发出六种颜色（波长）非常精确的单色光，从紫外线到可见光。
• 捕捉电子的“灵敏耳朵”：用超灵敏的静电计，探测金属被光照后释放出的微弱电子流（光电流）。

密立根的核心目标是：测量不同光照射下，被打出来的电子的最大能量（表现为“遏止电压”）。他期待的结果是：光的强度越强，电子能量越大（经典理论预言）。如果实验结果是这样，就能推翻爱因斯坦的理论。反之，如果光的颜色（频率）决定电子能量（爱因斯坦预言），那将是对经典理论的巨大挑战。

然而，实验结果让密立根大吃一惊——数据清晰地支持了爱因斯坦：

频率决定能量：遏止电压与光频率（而非强度）呈完美线性关系。也就是说，高频紫光打出高能电子，低频红光打出低能电子。这直接证实了爱因斯坦的核心预言：光电子能量只由光频率决定，彻底否定了经典“能量积累”模型。

普朗克常数h的普适性：从线性关系的斜率计算出的普朗克常数，与普朗克研究黑体辐射得出的值惊人一致。这证明同一个量子常数既支配炽热物体发光，也支配光电效应，揭示了量子规律的普适性。

逸出功W₀的物理实在：实验直线的截距揭示，不同金属释放电子所需的最小能量（逸出功W₀）并不相同，这验证了爱因斯坦引入的“逸出功”概念，确认为金属的固有属性。

1932年，密立根和爱因斯坦在加州理工学院的合影

（图片来源：Wikipedia）

面对无可辩驳的数据，密立根在1915年论文中承认：“实验精确地验证了爱因斯坦方程……尽管其物理假设（光量子）看似荒谬。” 1923年在诺贝尔奖演讲中，他更是感慨：“我花费十年试图推翻爱因斯坦理论，最终数据迫使我承认其正确性。”这场“被迫的胜利”彰显了实验数据对理论的终极裁判权。

决定性一瞥：康普顿“看见”了光子

光电效应只证实能量离散，却仍留下悬念：光量子是否像实物粒子一样拥有动量？1922年深秋，芝加哥大学一座由红砖砌成的实验室里，阿瑟·康普顿（Arthur H. Compton）把一束波长极短的X射线射向一块看似普通的石墨晶体。他屏息凝神，等待的不是美丽的衍射环，而是一场“粒子台球赛”的开球。

康普顿正在操纵X射线光谱仪

（图片来源：Wikipedia）

康普顿在感光底片上看到了两条清晰分离的光斑：一条与入射波长完全重合，光子只是“擦肩而过”，几乎未失能量；另一条却奇迹般地移向更长波长，能量减少，波长被“拉长”——这是经典波动图像无法解释的。

更关键的是，康普顿发现：散射光波长的增加量（“红移”程度）呈现出一个清晰的规律——它仅与散射角θ（光子被偏转的角度）有关，且随散射角增大而单调增加。为了验证这一规律的普适性，他更换了多种散射材料：从石墨、石蜡、铝片，实验结果都一致——波长偏移量完全独立于材料种类，只取决于散射角。

这一现象彻底超出了经典波动理论的解释能力。康普顿意识到，必须引入新的物理图像：将X射线光子视为携带能量（E = hν）和动量（p = h/λ）的粒子，与靶物质中近似静止的自由电子发生碰撞。如果这个碰撞过程严格遵守能量守恒和动量守恒定律（如同两个台球的弹性碰撞），那么理论计算将预言：散射角θ越大，光子损失的能量就越多，其波长增加量（Δλ）也就越大。

康普顿将不同角度下测得的波长偏移数据，与基于能量-动量守恒原理推导出的理论关系进行比对，发现所有实验点都精确地落在理论曲线上，完美吻合。这一无可辩驳的吻合，提供了光子具有动量的直接实验证据，强有力地支持了爱因斯坦的光量子假说，并确证了光具有粒子性这一基本属性。

康普顿散射的示意图

（图片来源：Wikipedia）

每一个实验点都落在理论曲线上，像钉子一样钉住了光子的“粒子身份”。

为了说服仍沉浸在波动幻想中的同僚，康普顿在1923年春天举办了一次公开演示。他把X射线管、石墨靶、旋转臂式探测器搬进芝加哥最大的阶梯教室，现场调整散射角，实时投影计数器的“咔哒”声。当臂架转到90°时，扬声器里传来密集而清脆的脉冲——那是单个光子被电子撞飞后，探测器发出的“目击证词”。台下惊叹声此起彼伏，一位老教授喃喃道：“原来X射线真的是弹珠。”

就在康普顿论文刊出不久，中国留学生吴有训加入战团。他系统更换散射材料：石蜡、硫、铝、铜......每一次实验，散射后光子波长的增加量都只与角度有关，与材料无关。吴有训将15组数据绘制成一张巨大的“康普顿-吴图”，曲线重合得天衣无缝。这份手稿至今仍保存在清华大学档案馆，成为东方学者对量子革命的直接贡献。

1924年4月，爱因斯坦在《柏林日报》撰文，用大众语言总结这场“台球赛”：“光子不仅携带能量包，也携带动量包。当它撞上电子，就像两颗台球相撞，能量与动量都守恒。我们终于被迫承认，光既是波，也是粒子。”

文章发表当天，柏林街头报童高喊：“光，原来也会打台球！”一夜之间，光量子从“可疑假说”跃升为“家喻户晓的粒子”。1927年，康普顿因该发现荣获诺贝尔物理学奖（与威尔逊共享），标志着光量子作为物理实在被最终接纳。

真理的接力赛

这场持续二十年的科学验证长跑，完美呈现了科学革命的经典路径：普朗克的质疑代表对旧范式的守护，密立根的证伪彰显实验的仲裁力量，康普顿的观测则提供决定性证据链。三人接力推动物理学完成根本性跃迁：能量从连续到离散，量子从工具到本体，研究从现象描述到本质探索。

耐人寻味的是历史的时间差：爱因斯坦1921年因光电效应获诺奖时，颁奖词仅提“发现光电效应定律”，刻意避用“光量子”一词；而康普顿1927年获奖才标志着理论全面胜利——科学共识的形成，往往滞后于真理的发现。

爱因斯坦的光量子假说如同一把钥匙，开启了量子力学的大门。它不仅直接启发德布罗意提出物质波理论（1924年），催生薛定谔波动方程（1926年），更奠定了现代量子光学的基础。从激光技术（受激辐射理论的应用）到光伏发电，从高能物理探测到量子通信，爱因斯坦1905年的奇思妙想已融入人类科技的血液。

再次回望这段历史，光量子的故事告诉我们，真理从不会不战而胜——它需要思想的勇气、实验的严谨，以及那些在黑暗中坚守光明的灵魂。爱因斯坦在伯尔尼专利局抽屉里藏匿的革命火种，最终照亮了人类认知的新大陆。

参考文献

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[6]Einstein A. The Collected Papers of Albert Einstein, Volume 15: The Berlin Years: Writings & Correspondence, June 1925–May 1927-Documentary Edition[M]. Princeton University Press, 1987.

出品：科普中国

作者：栾春阳 王雨桐（清华大学物理系博士）

监制：中国科普博览