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。

E?=M?C?+p?c?,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,他创造了两项记录,估计是前无古人后无来者吧。