论爱因斯坦《关于光的产生和转化的一个试探性观点》一文的得失，本文主要内容关键词为：爱因斯坦论文,试探性论文,一文论文,得失论文,观点论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、爱因斯坦的文章
本文讨论的是爱因斯坦(A.Einstein)在1905这个“奇迹年”发表的三篇具有划时代意义的重要论文之一：《关于光的产生和转化的一个试探性观点》[1]。
大家知道，爱因斯坦这篇文章首次提出了光量子概念，并且由此得到了光电效应这种“光的产生和转化”过程中所发出的光电子能量的定律。而且，主要正是由于“发现了光电效应定律”的贡献，他获得了1921年度的诺贝尔物理奖。
然而，一般读者，包括大多数物理学家，都不清楚这篇论文主要谈的不是光电效应而是辐射的一般性质，更不知道爱因斯坦在这篇文章里，对传播中的光的性质做了一种缺乏根据的外推。（参看文献[2-5]）
其实，这篇文章开始研究的是辐射的熵。爱因斯坦以维恩(W.Wien)的黑体辐射能谱定律为依据，运用玻尔兹曼(L.Boltzmann)统计物理学里熵和几率联系的公式，计算出黑体辐射的熵，由此得到这样的结论：“如果……单色辐射，就其熵对体积的相依关系来说，好像辐射是由大小为Rβv/N[=hv]的能量子所组成的不连续媒质一样，那么，接着就会使人去研究，是否光的产生和转化的定律也具有这样的性质，就像光是由这样一种能量子所组成一样。”这种进一步研究的最突出成果，就是爱因斯坦的光电效应定律。
爱因斯坦当然明白，黑体辐射的熵是不能够直接测量的，而光电效应定律则是比较容易得到实验检验的。所以他在这篇文章的导言部分是这样叙述他的推理的：“确实现在在我看来，关于黑体辐射、光致发光、紫外光产生阴极射线［即光电效应］以及其他一些有关光的产生和转化的观察，如果用光的能量在空间中不是连续分布的这种假说来解释，似乎就更好理解。按照这里所设想的假设，从点光源发射出来的光束的能量在传播中不是连续分布在越来越大的空间之中，而是由个数有限的、局限在空间各点的能量子所组成，这些能量子能够运动，但不能再分割，而只能整个地被吸收或产生出来。”
1917年，爱因斯坦在《辐射的量子理论》一文里进一步提出，光的能量子即光量子不仅具有一份能量hv，而且也携带着一份动量hv/c。[6)这一论断亦在1923年前后被“康普顿散射”的实验所证实。不久之后，这种光量子被命名为“光子”，被广泛承认为一种粒子。
然而，无论是光电效应还是康普顿散射，都是一些“光的产生和转化”的过程，亦即是光同有重物质相互作用的过程。后来的无数事实表明，光在这一类过程中，并且仅仅在这一类过程中的确以光子的形式出现，或者说以光子的形式参加作用。但是不能够由此推断，光在参加这种过程之前或者之后的自由传播过程时，亦是以光子的形式存在的。
这句话初听起来似乎难于理解，因为在日常生活经验和经典物理现象里，我们现在看到的东西，先前必定已经存在。但在微观物理学里就出现了全新的情况。例如，在原子核的β衰变过程中放出了一颗电子。起初物理学家们认为，那颗电子必定早先就处在原子核里头。所以，在20世纪初占支配地位的一种原子核组成的“核内电子”学说，认为电子是原子核的一种组成成分。但后来证明了那种学说是不对的，原子核里并没有电子，电子是在β衰变过程中产生出来的。所以，沿着经典物理学的思路，没有根据地把光同物质相互作用时的性质外推到光的传播过程，这种做法确实是不妥当的。
事实上，光量子的概念一开始就受到最早提出能量子概念的普朗克(M.Planck)和通过实验证实了光电效应公式的密立根(R.A.Millikan)等一流物理学家的怀疑。例如，前者在1913年为爱因斯坦写的（联名）推荐信说：“可能有时候他的设想会迷失方向，例如，他的光量子假说……”；后者不仅在1916年说过：“爱因斯坦推导公式所依据的半微粒理论，现在看来是完全站不住脚的。”直到1948年他还在说：“它（光子）得到了确实的证明，尽管它不合理；因为它似乎违背了我们所知道的一切关于光的干涉的事实。”而爱因斯坦自己在1911年第一届索尔维会议上也是这样提到他的光量子假说的：“我坚持认为这个概念具有暂时性的特征，因为它与已由实验验证过的波动理论的结果不相协调。”[7]
此外，玻尔(N.Bohr)1923年在著名的BKS文章里所表示的对于光子概念有保留的话：“虽然由爱因斯坦关于光电现象的预言的证实而显示出的这一假设的巨大的启发性价值，光量子的理论仍然明显不能满意地解决光传播的问题”，亦不是没有道理的。[4]虽然康普顿的实验否定了玻尔这篇文章里提出的在个别微观过程中能量不守恒的假设，但是仍然没有消解玻尔这句话里的疑问。
总之，尽管实验证实了爱因斯坦这篇文章里的光电效应公式，证实了光以光子的形式参加同物质的相互作用，但从来没有证实过他关于“光束的能量在传播中…是由个数有限的、局限在空间各点的能量子所组成”的论断。
历史上有许多这样的情况，一项研究工作的结果是正确的，但这些结果所依赖的理论基础后来被证明是不对的。例如，19世纪初在热质说的理论基础上做出了三项重要的成果：拉普拉斯(P.-S.M.Laplace)对空气中声速的精确推导，傅里叶(J.Fourier)的热传导理论和卡诺(S.Canot)的热机定理。然而，这些结果的成功并不意味着热质说被证实了。爱因斯坦这篇文章也有类似的问题。
二、狄拉克的专著
1930年，狄拉克(P.A.M.Dirac)出版了《量子力学的基本原理》第一版[8]。在这一版的第一节里，狄拉克发挥了爱因斯坦的观点，声言“诸如光电效应和与自由电子的散射等现象表明了，光是由叫做光子的微粒组成的，每一个光子具有一份取决于光的频率的确定的能量和动量。这些光子表现得正如电子或者在物理学里已知的任何其他粒子的存在那样真实。”在第五节讨论互相干涉的两支分光束时又说了“一颗光子部分地在一分束部分地在另一分束，”“每一颗光子仅仅同它自己干涉，”“两颗不同光子之间绝不可能发射干涉。”等等使用光子语言来描述于涉现象的话。
在狄拉克这本书后来的版本里[9]，第一章第3节干脆写出“光子的干涉”的标题，并且重复着类似的陈述。于是，狄拉克不仅把传播中的光看做是由光子所组成，而且认为光的干涉就是光子的干涉。
由于爱因斯坦和狄拉克的权威，这种把光束看做光子流的观点，以及在这一基础上对光的传播和干涉等观象的解释盛极一时，至今仍然有相当大的影响。
但是，按照爱因斯坦，光子是“局限在空间各点的”。这种在空间中定域的微粒怎么样能够同时既在一支分光束，又在相隔一段宏观距离之外的另一支分光束的问题，以及一颗光子微粒怎么样可以在双缝衍射装置里同时穿越两条相隔一段宏观距离的狭缝的类似问题，曾经使得无数学习量子力学的学生和讲授量子力学的先生感到困惑不已。这一类的解说，业已成为理解量子力学基本原理的一大障碍。
当然，此外还有不使用光子语言的描述方法。例如，在费曼(R.P.Feynman)关于双缝衍射的描述里[10]，一颗颗的光子或者电子只在探测器的记录里出现，而整个干涉现象是用几率幅的叠加来说明的。
又如，1990年巴仑泰(L.E.Ballentine)在他的量子力学教材里对狄拉克的上述断言表示了不同意见。他指出：“严格说来，不是光子在干涉，既不是它们自己干涉也不是它们之间发生干涉，而是在电磁场中出现干涉图样。”“要记得电场和磁场以及相应的量子力学算符（而不是光子的位置和动量）才是理论的基本变量。光子仅仅作为派生的量，即作为场的一种元激发进入理论。”不应当“仅仅把场看做是粒子流”，“不可能用一种光子气体去代替电磁场”等等。[11]
1991年，本文作者在一篇哲学论文里明确指出[12]：“干涉过程只适宜用相位确定的状态（相干态）来描述，在这种状态里是不适宜于使用粒子语言的。”“具有确定相位的自由行进的光束，是不可以看做是由一定数目的光子所组成的光子流的。”
同年晚些时，苏达山(E.C.G.Sudarshan)等在一篇物理学论文里[13]，对这个问题做了比较详细的分析。这两位作者指出：“电场是不同单个光子相联系的。”观察到的“干涉图样不是一些单个光子的干涉图样，而是相干态之间的干涉。”
1995年，在1963年最先提出相干态的格劳伯(R.J.Glauber)在一篇短文[14]里，首先指出狄拉克写下那些“被当做圣经文句”的名言的时候，“没有意识到如此不成熟的陈述竟会造成多么严重的危害”。接着，他在评论近期围绕这个问题的几篇争论文章的时候指出，“最重要之点是在量子力学里干涉的不是粒子…而是几率幅。”“说光子自己干涉或者它们相互干涉都是没有意义的。”
最后，格劳伯下结论说：“总而言之，那几篇讨论文章以及狄拉克的名言本身，从根本上说都是错误的(out in left field)。为了纪念狄拉克，并且表示对他在物理学上的惊人贡献的尊敬，现在是把那句名言束之高阁(put to rest)，并且原谅他在量子力学的早年岁月里写下那些从那时候起业已在物理学家当中引起混乱的过分简单的议论的时候了。”
由此可见，爱因斯坦和狄拉克所倡导的关于光束由光子组成或者说光束就是光子流的传统观念，的确存在严重的错误，已经受到了严厉的批评。
三、关于光的散射和输运过程
新近，北京大学科学与社会研究中心何祚庥教授指导的研究生李宏芳接连发表了针对我上述一些观点的两篇文章(15,16)。对于文献[15]所使用的不正当的批评手段，我已经作了简短的回答[17]，这里再谈谈光的散射和输运这两个问题的实质。
首先，我们讨论一下康普顿效应的意义。文献[15]引用何祚庥写的科普读物[18]说：“康普顿效应的重要意义，就在于为光的辐射确立了粒子观。”从文献[18]里，我们还可以读到何柞庥的另一句话：“康普顿的散射实验，将光辐射看成是既有能量、又有动量的粒子。”当然，作为普及读物，讲得马虎一点也不要紧。但是作为学术研究，就要问问这里讲的“光辐射”是什么意思，是单单指参加散射的光呢，还是包括了自由传播的光？
为了弄清楚这个问题，让我们看康普顿自己是怎么说的。在康普顿1923年的那篇著名论文里有一节的标题就是“散射的量子假设”，其中讲到，“一个X射线量子不是被辐射体中的许多电子散射，而是用自己的全部能量作用到一个电子上。”而且，他正是以这一假设为基础，推导出“散射所造成的波长变化”的公式[19]。1927年，康普顿在诺贝尔物理奖受奖演说里又说：“这个实验直接证明了定向辐射量子的存在，表明每一个反冲电子都伴随有X射线散射。……因此，散射的X射线是以光子的形式发出的……”[20]。由此可见，严谨的实验物理学家康普顿认为自己的实验证实了的，正是光以光子的形式参加散射过程的假设，而没有说成光在传播过程中亦是以光子的形式出现的。（我们很高兴地看到，康普顿的用语“以光子的形式……”是同我们完全一样的。）在这一点上，何祚庥和李宏芳的理解都是不准确的。
其次，文献[16]为了论证光子概念的普遍性，还专门辟了一节“现代物理学中光子在介质中传输的应用”。这一节一开始就说：“现代物理学的发展不仅在实验上证明了光在传播中的粒子性，而且传播中光子的概念已经在……辐射输运过程的研究中得到了广泛的应用。”我们在上面已经充分论证了，无论是文献[15]和[16]里提到的光电效应还是康普顿散射，都没有证明“光在传播中的粒子性”。现在我们再来讨论一下“辐射输运过程”的问题。
文献[16]举出文献[21]作例子质问说：“如果光在传播过程中不是以光子的形式存在，即这种光子输运过程不是客观的真实存在，原子弹和氢弹的研究成果根本无从谈起！面对真实发生的历史事实，面对一代物理学元勋以真实亲身经历书写的客观存在着的物理过程，又怎么能认为光子在传播的过程中是不存在的，只是在观察后才存在呢？”
需要澄清一下，我没有说过光子“只是在观察后才存在”，而是说光只是在与物质相互作用时才以光子的形式出现。输运过程的实质是运动中的一种粒子接连同其他粒子发生碰撞，从而使其统计分布发生变化的过程。辐射输运方程描写的就是光由于受到各种物质粒子的碰撞（散射）而改变其能量分布状态的过程。在这里的决定性机制就是光同物质的相互作用，因此适用光子概念。
例如，在文献[21]34页里列出的“光子的输运方程”是这样写的：
方程左方是光子密度函数的空间时间变化率；右方首项是物质粒子（原子或分子）发射光子的贡献；次项是物质粒子吸收光子的贡献，以及电子对光子散射的贡献；末项描写同电子散射前后光子从初态变为末态所导致的贡献。
事实上，光子输运方程就是在经典统计物理学里的“玻尔兹曼积分微分过程”那一类型的方程，其中微分的是宏观变量，积分的是微观效果。上述方程描写的量n不过是由光在空间中的能量分布决定的光子密度分布函数，它是一个宏观物理量，并不描写单个光子的运动。在光没有同物质作用的时候，上式右方为零，光子输运方程退化为连续性方程，它不外是能量守恒定律的一种表达。因此，的确没有根据说光在传播中是以光子的形式存在的。
总之，输运过程的发生，全在于存在着光同物质的相互作用，因此输运过程与单纯的传播过程有着本质的区别。文献[16]把输运过程同自由传播混为一谈，把输运过程中光以光子的形式参加与物质的相互作用，说成是“证实了光在传播中的粒子性”，不能不说是对物理学基本概念的严重混淆。
文献[16]最后又提到文献[22]说：“最近看到一本《随机介质中的光的传播和应用与成像》，书中的最后一章就专门讲到光子在生物组织中迁移的规律和国内外在这方面的研究成果。如果光在传播过程中不是以光子的形式存在，即这种光子输运过程不是客观的真实现在，这些研究和成果也根本无从谈起！”云云。
查文献[22]第八章的标题是“光波在生物介质中的传播与成像”，其中写道：“光波在生物介质中的传播以散射为主……。”这里的决定性因素也是散射，即光与物质的相互作用，不是单纯的传播过程。上面对文献[21]的议论照样适用于文献[22]，我们不再赘述。
四、态的叠加和变换
最后我们再来说明一下，为什么在现代量子理论里，光或者其他物质粒子能够以一些不同的形式存在，并且在不同的情况下发生它们之间的变换。
这里的原因就在于量子力学里头的态叠加原理。经典物理学的波动学里也有叠加原理，其中叠加的对象都是一些物理量，例如在机械波里的位移，在流体波动里的密度或者速度，在电磁波里的电场和磁场等等。但是，在量子力学里叠加的对象是本身并非物理量的概率幅，而微观对象的状态又是由概率幅来描写的，于是就产生出一些用经典物理学概念难以理解的现象来。
在这方面第一次做出引人瞩目的贡献的是1955年益尔曼(M.Gell-Mann)和派斯(A.Pais)关于中性K介子的叠加或者混合的工作。（参看文献[2],140-143页）中性K介于是一对双重态。它们由强相互作用的散射过程产生，产生出来的是强作用的本征态
和反（其符号是上面画一横杠）。而当中性K介子产生之后，则是以弱作用的本征态
和
进行衰变的。长寿分量和短寿分量的寿命相差数百倍。这两套状态或者说中性K介子双重态的两种存在形式之间存在着下述变换关系：
你们看，中性K介子双重态在自由行进时，是以和的形式进行弱衰变的；而当它们遇到了障碍物，就以和反的形式参加强散射过程。同样，光在双缝衍射装置中传播时，是以相干态的形式进行干涉的；而当光遇到探测器而与物质相互作用时，则是以光子的形式出现的。并且，光的相干态也可以表示成各种光子数本征态的叠加。有关的专业描述就不在这里详细介绍了。
粒子也可以混合吗？从经典物理学看来，这简直是匪夷所思。而在量子力学里，粒子不外是能量、自旋、电荷等的本征态。根据态叠加原理，守恒量子数相同的多个粒子自然可以叠加即混合。在盖尔曼和派斯等人成功地处理了中性K介子系统之后，接着就陆续出现了分别用卡比玻(N.Cabbibo)角和外因伯(S.Weinberg)角描写的粒子混合（参看文献[2]，第4.5节），以及中微子振荡等众多研究成果。
爱因斯坦在量子理论的初期，狄拉克在量子力学的初期没有预见到后来的发展，分别讲过了一些错话，这是任何人都很难避免的。同爱因斯坦和狄拉克了不起的成就比较起来，他们的失误是很次要的。然而，今天的条件不同了，我们要跟上现代物理学的进展，不应当再去重复他们的错误。
总而言之，按照现代量子理论，物质或者粒子能够以不同的一些形式存在。微观对象在自由行进时所采取的存在形式，可以不同于它们同其他物质相互作用时所采取的形式。而人们对微观对象的观察，必须借助于同某种物质的相互作用。因此，不能够说微观对象在未受观察时，必定以受到我们观察到的那种形式存在。这就是我们曾经说过的“在一定的条件下，‘光子在没人看它时是不存在的’”的意思。这是现代物理学告诉我们的科学知识，同唯心论或者唯物论都没有什么必然的联系。再说，我们讲的只是物质具有不同的存在形式，并没有说物质什么时候不存在了。例如，光这种物质总是存在的，但有时候它以光子的形式存在，有时候它以相干态或者别的形式存在。这是我们一贯的说法，光子不存在并不等于光这种物质不存在，妄图把我们的意见曲解成是唯心主义，只能是枉费心机而已！
回想在二十世纪中叶苏联官方曾经强迫推行把相对论和量子力学当作资产阶级唯心主义来批判的运动，而嗣后在中国亦有些“左派”把这种做法当作马克思主义来供奉，其流毒至今依然没有肃清。但时代毕竟不同了，个别人仍然秉承“左派”的遗风，把现代物理学的成就当作唯心论来批判的做法，终将会被历史所唾弃。
（作者感谢庆承瑞教授的友好讨论。）
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