JBO竞博波粒二象性可谓是物理学中最为奇特的现象之一。光到底是粒子还是波，牛顿和惠更斯很早就对此提出了各自的理论。然而随着科学的演进，光的双缝干涉实验、光电效应和X射线的康普顿散射等实验一次又一次地轮番质问我们：光到底是粒子还是波？即便诺贝尔物理学奖接连颁发给了证实光的粒子特性的发现，但在很长时间里，诺奖委员会对光的粒子特性始终持迟疑态度。直到量子电动力学的提出，人们才最终摆脱了关于波粒二象性的无休无止的争论。今天的文章就梳理了与波粒二象性有关的诺贝尔奖，而这段诺奖史也折射出科学的前进是怎样艰辛而曲折的历程。

　　那些有关光的本质以及光的发射、吸收过程的研究工作一直是至关重要的。从1900年开始研究光的本质到20年代量子物理发展到一个高峰，再到50年代量子电动力学（QED）的成功，探索已基本完成。下面这些被诺奖认可的突出成就非常有趣，甚至激动人心。

　　经典理论认为粒子是时空中的能量和其他特性的聚集，而波则会在时空中扩展开。光到底是粒子束还是波，这是一个非常古老的问题。这种经典朴素的“此或彼”的描述方式与现在的“二者皆是”甚至“二者皆非”的描述方式是不相符的。19世纪早期的实验结果表明光是一种波。这场论战的一个关键人物就是托马斯·杨（Thomas Young）——有史以来最杰出的科学家之一，1803年他关于光的衍射和干涉的实验结果有力地证明了惠更斯（Christian Huygens）的光波动理论，这与牛顿（Isaac Newton）光的微粒说相悖。随后又有许多的学者为光波动理论做出了贡献，如菲涅尔（Augustin Jean Fresnel）的研究表明光是一种横波。

　　托马斯·杨的双缝干涉实验，在光源（此处为激光）与探测器（此处为探测屏）之间存在两条相互平行的狭缝。从一个狭缝中产生的光波与另一条狭缝产生的光波叠加，在探测屏上显现出明暗相间的干涉条纹。 图片来源：Forskning och Framsteg

　　牛顿的光微粒说可以轻易地解释物体在光束的直线照射下形成清晰投影的现象。但是干涉现象中光在具有一条或多条狭缝的遮光屏后会形成亮暗相间的区域，这里就需要用波动理论来解释。同时光波动说还可以解释物体阴影的边缘其实并不是真的很明晰。

　　麦克斯韦（James Clerk Maxwell）于1864年建立了电磁学的数学理论，从而引出光具有电磁特性，并以波的形式从光源传播到接收者。19世纪80年代，赫兹（Heinrich Hertz）用实验证实了射频波段的电磁波。麦克斯韦去世于1879年，年仅37岁的赫兹去世于1894年，两年后诺贝尔（Alfred Nobel）离世。

　　19世纪末诺贝尔奖才开始颁发，在这一时期光的波动说已经站稳脚跟。那些证明光波动特性的关键工作由于完成太早，以至于没有获得诺贝尔奖。然而X射线世纪又出现了证实光具有粒子特性的新发现，这些成就都理所应当有望获得诺贝尔奖。事实也正是如此，而下面的内容将由诺贝尔档案揭示出一个更为复杂的发展历程。

　　X射线的发现产生了巨大而深远的影响，它完美地诠释了诺贝尔遗愿中所说的“为人类带来最大利益”。1912年之后，当劳厄（Max von Laue）发现了X射线照射晶体的干涉现象，光的波动图像才被广泛接受。劳厄也于1914年获得了诺贝尔物理奖。

　　晶体中的原子间距正好与X射线的波长具有相同的数量级。劳厄完成了X射线在三维光栅中的衍射理论，并预测衍射图案，随后在实验上被弗里德里希（W. Friedrich）和尼平（P. Knipping）所证实。

　　康普顿（Arthur H. Compton）在1927年获得诺贝尔奖的演讲题目就是“作为光学的分支之一的X射线”，它开篇讲到：“最近物理学研究中最吸引人的一项工作就是，将光学中常见的自然法则应用到具有非常高频率的X射线上，直到现在，几乎所有光学现象都能在X射线中重现。反射、折射、漫散射、偏振、衍射、发射和吸收光谱、光电效应，所有这些光的基本特性，X射线也同样具有。同时由于X射线具有超高频率，其中有些现象会发生渐变，这为我们如何理解光的本质提供了更多的信息。”

　　一些不那么严谨的教材还会错误地把普朗克研究热辐射现象时发现的能量量子化作为第三个说明光的粒子特性的例证。能量量子化这一里程碑式的工作获得了1918年诺贝尔物理奖，不过诺贝尔奖委员会并没有错误地将获奖理由归结为，这一发现证实了光的粒子特性。

　　普朗克自己也坚决反对认为光在真空中以粒子的形式传播，这种粒子后来被称作光子。

　　爱因斯坦认识到他的新想法可以很自然地解释光电效应，即光照在金属表面会激发出电子的现象。光的波动理论完全无法解释光电效应。1922年的诺贝尔奖授予爱因斯坦，正是因为他成功解释了光电效应。

　　普朗克黑体辐射公式比维恩公式更具普适性，爱因斯坦在普朗克公式的基础上再次进行统计计算，最后得出结论认为，既需要波动性，又需要黑体辐射腔所表现出的粒子性。1909年，在普鲁士科学院的一次研讨会上，爱因斯坦演示了他的计算过程，试图说服普朗克和其他在场的人，将光看做是一连串独立粒子也是必要的。

　　众所周知，爱因斯坦没有因相对论而获得诺贝尔奖是由于瑞典皇家科学院中有些重要人物对相对论持强烈的怀疑态度。1911年诺贝尔医学或生理学奖得主阿尔瓦·古尔斯特兰德（Allvar Gullstrand ）认为，狭义相对论的正确性依赖于信念，而非基于已经证实的事实。他还认为，广义相对论算不上是严谨的分析。

　　随着光量子（在现代术语中称为光子）概念的提出，爱因斯坦指出，物体中的电子被频率为ν的单色光激发出来后，它的最大动能 E=hν-P，其中P为电子从物体中脱离所需要的最低能量。密立根（Robert Andrews Millikan）用10年时间进行了一系列的测量研究，最终精确验证了这个规律的正确性。然而密立根却对光量子的概念感到陌生和奇怪。

　　在玻尔的原子模型中，他用爱因斯坦发现的定律来计算发射或者吸收光的频率，当一个原子在E1和E2两个分立能级之间转变时，发射或者吸收光的频率应为 ν= (E1-E2)/h，这在今天看来也许不算什么，不过是伴随有光子的发射或吸收发生时的基本能量守恒。然而，玻尔反对光子这一概念很多年，一直到1925年。在1922年获得诺贝尔奖的演讲中，他说出了反对的原因：“尽管光量子假说具有启发性，但它与光干涉现象是非常不可调和的，不能用于阐明辐射现象的本质。”爱因斯坦原本也被邀请来参加颁奖礼，但由于他已远行日本，未能前往。因此世界错过了一个机会，以见证两位物理学巨匠关于光的本质的一次早期讨论。

　　康普顿观察到一部分X射线被散射后，会偏离原来的方向，并且波长变长。他精确地测量了波长的变化，这种变化不能用经典的波动理论进行解释。康普顿提出了自己的解释，这个散射过程可以看作是两个粒子的碰撞，一个是自由电子，另一个就是光子。

　　基于量子论和相对论运动学，康普顿利用能量和动量守恒计算了两个粒子碰撞后X射线波长的变化。他的计算结果与实验测量完全吻合。康普顿用X射线光谱仪精确测量X射线散射，结果包含两个部分，一部分波长发生偏移，一部分波长不变。波长发生偏移的原因是由于被自由电子或近自由电子散射，电子受到冲击，获得动量和可观的能量，而波长不变的情形是由于被束缚电子散射，在这种情形下，整个原子甚至晶体获得动量，但只获得少到可以忽略的能量。

　　诺贝尔奖委员会早在1925年和1926年就评估过康普顿效应，结果认为这个理论不太符合要求。然而1927年情况发生了变化。瑞典乌普萨拉大学力学和数学物理系的奥森（Carl Wilhelm Oseen）教授重新进行了评估。他为委员会做了一项十分彻底的研究。他回顾了1922年康普顿效应提出以来引起的大量关注，许多源于康普顿的理论解释。他写到：“毫不意外，康普顿理论与观测结果的相符将会导致那些不追求理论严谨的物理学家们认为，光波动理论和光粒子理论的长期争论将要终结。这些物理学家将康普顿的发现视作光粒子理论是正确的关键证据。如果这种期望最终实现，那么毫无疑问康普顿就是整个辐射理论发展的关键转折点。”奥森打算证明情况并非如此。然而他的观点却反过来印证了康普顿效应的重要性。

　　奥森介绍了玻尔理论在1925年的沦落，然而康普顿效应对此却毫无帮助。他提出，在未受康普顿效应启发下，矩阵力学和波动力学就已经进入了物理学的舞台。针对康普顿效应，康普顿、徳拜（Debye）和乌斯（Woos）给出了旧的理论解释。在光量子理论的基础上，“他们的理论对于实验研究工作有一定价值，但是现在在最新的理论体系中，这种旧的理论解释必须要抛弃。”

　　光的波粒二象性被扩展到物质中，在物质中也存在类似的波粒二象性。电子和原子起初都被认为是微粒JBO竞博。德布罗意（Louis-Victor de Broglie）因为发现电子的波动特性于1929年获得了诺贝尔物理奖。纽约的戴维森（Clinton Joseph Davisson）和伦敦的汤姆森（Sir George Paget Thomson）分别独立进行了实验验证。他们同时被授予1937年的诺贝尔物理奖。自从薛定谔（Erwin Schrödinger）1925年给出非相对论波动方程，电子波动力学成了研究自然科学的有力工具。他被授予1933年的诺贝尔物理奖。

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