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第16部分

10年至1913年間,像M.普朗克和H.A.洛倫茲這樣的科學家對愛因斯坦的光量子理論提出的最尖銳的批評也只限於“光量子說完全不能解釋光的干涉和衍射現象”(1970)。玻爾本人在1913年的一次演說中說,原子釋放的是純輻射而不是光量子。從1913年到大約1920年,玻爾一直嘗試著把經典的光的波動理論與原子輻射理論協調起來,最終建立了他所謂的“對應原理”。但A.索未菲1922年在他的頗有影響的論文《原子結構和光譜線》中,對應原理唯一使他驚奇的是,“保留了那麼多的波動理論,甚至在絕對是量子特性的光譜過程中也是如此”(p.254)。索未菲最後說,“現代物理學目前正面臨著不可調和的矛盾。”(p.56)玻爾本人甚至提議拋棄他所說的“所謂的光量子假說”。對這個激動人心的年代進行探討不僅看到在企圖建立一個與原子模型有關的,令人滿意的光譜學量子論過程中產生了多麼大的混亂,而且還表明將革命的新觀念同經典物理學結合起來是多麼困難。索末菲(1922,254)指出,現代物理學必須勇敢地承認新與舊之間的矛盾,應當“坦率地承認它們的非相容性”,W.泡利對這個觀點極為贊同。

玻爾理論符合科學革命的全部檢驗標準。例如,1929年盧瑟福在一封發表於《自然科學》雜誌的信中宣稱,“玻爾教授大膽地運用量子論解釋光譜的產生”,構成了一場革命,他說玻爾的理論是“普朗克假說的直接發展,對物理學具有深刻的革命意義”,1969年,J.考克羅夫特爵士指出,玻爾把“經典力學和量子論結合起來描述電子軌道的運動”是一次偉大的發展,它“促使原子理論革命化”。同笛卡爾革命一樣,玻爾革命並沒有持續多久。正如當年笛卡爾的工作後來得到了揚棄和發展,玻爾理論的某些基本內容合併到另一場革命,量子力學革命中去。在量子革命過程中,玻爾革命可以被視為第一階段。

通向量子力學:偉大的量子革命

1926年,愛因斯坦的光量子概念獲得了“光子”的稱謂。光子一詞是美國物理化學家G.N.劉易斯建立的,但他用來描述與光電子略有不同的概念。儘管劉易斯原來的概念早已被拋棄了,但光子卻迅速成為物理學中的一個標準詞彙(見斯圖威爾1975,325)。可是,20年代中期的光子概念與愛因斯坦原來的光量子不同,它還包括某種特殊的性質,其中最重要的就是動量,這一點愛因斯坦最初並未考慮,但他確實在1916年引進了動量(P=hv/c)特性;這個概念甚至早在1909年就已出現在J.斯塔克的一篇論文中(見佩斯1982,409)。光子可能具有動量的思想是P.德拜和A.H.康普頓於1923年提出的。事實上,康普頓還做出了現代物理學的一項最轟動的發現,即今天以他的名字命名的康普頓效應。康普頓依據無可辯駁的實驗事實證明:“輻射量子帶有方向性的動量和能量”(斯圖威爾leqs,232)。L.斯圖威爾回顧了這項工作的歷史,他指出康普頓的動機與十年前的密立根不同,不是檢驗愛因斯坦的預言。斯圖威爾還發現,A.索未菲在lop年10月9日寫給康普頓的賀信中,首次使用了“康普頓效應”這一術語。索未菲還透露,康普頓的結果是頭一年夏天他與愛因斯坦“討論的主要問題”。

儘管康普頓的結果最初也引起了一些爭論,但人們(如海森伯)很快就認識到,康普頓效應不僅是輻射量子論的轉折點,而且是全部物理學的轉折點。康普頓很早就意識到自己工作的革命性。1923年,康普頓在美國科學促進協會所作的演講(這篇演講於1924年發表於《富蘭克林研究所雜誌》上)中坦稱,他的發現“使我們關於電磁波傳播過程的概念,發生了革命性的變化。”然而,當他在《國家科學院院刊》(9:350-362)上發表的另一篇文章中卻說:“目前的衍射量子概念絕沒有衝擊”經典波動理論。愛因斯坦終於看到了自己的觀念得到了證實,他宣佈,現在有兩種不同的光本性理論:波動性和粒子性,“二者都是不可缺少的,而且人們必須承認,它們沒有任何邏輯聯絡,儘管二十年來,理論物理學家作了巨大的努力(試圖找到某種聯絡)。”

大約在同一時期,L.德布羅意在康普頓成就的鼓舞和啟發下,提出了物質波的概念。在1923年發表的論文中,他引用了“康普頓的最新結果”,以及光電效應和玻爾理論作為他確信波粒二象性的理由,他宣佈,愛因斯坦的光量子概念是“絕對普適的”。愛因斯坦,玻爾以及康普頓的工作啟發他接受了“光量子