波粒二象性可谓是物理学中最为独特的现象之一。光到底是粒子仍是波，牛顿和惠更斯很早就对此提出了各自的理论。可是跟着科学的演进，光的双峰干与试验、光电效应和X射线的康普顿散射等试验一次又一次地轮流责问咱们：光到底是粒子仍是波？即使诺贝尔物理学奖连续颁布给了证明光的粒子特性的发现，但在很长时刻里，诺奖委员会对光的粒子特性一向持踌躇情绪。直到量子电动力学的提出，人们才终究摆脱了关于波粒二象性的无休无止的争辩。今日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行进是怎样艰苦而弯曲的进程。
撰文| G sta Ekspong
翻译| 彬
那些有关光的实质以及光的发射、吸收进程的研讨作业一向是至关重要的。从1900年开端研讨光的实质到20年代量子物理开展到一个顶峰，再到50年代量子电动力学（QED）的成功，探究已根本完结。下面这些被诺奖认可的出色效果十分风趣，乃至激动人心。
波粒二象性
经典理论以为粒子是时空中的能量和其他特性的集合，而波则会在时空中扩打开。光到底是粒子束仍是波，这是一个十分陈旧的问题。这种经典朴素的“此或彼”的描绘办法与现在的“二者皆是”乃至“二者皆非”的描绘办法是不相符的。19世纪前期的试验效果标明光是一种波。这场论争的一个要害人物便是托马斯·杨（Thomas Young）——有史以来最出色的科学家之一，1803年他关于光的衍射和干与的试验效果有力地证明了惠更斯（Christian Huygens）的光动摇理论，这与牛顿（Isaac Newton）光的微粒说相悖。随后又有许多的学者为光动摇理论做出了奉献，如菲涅尔（Augustin Jean Fresnel）的研讨标明光是一种横波。
托马斯·杨的双缝干与试验，在光源（此处为激光）与勘探器（此处为勘探屏）之间存在两条互相平行的狭缝。从一个狭缝中发作的光波与另一条狭缝发作的光波叠加，在勘探屏上显现出明暗相间的干与条纹。| 图片来历：Forskning och Framsteg
牛顿的光微粒说能够轻易地解说物体在光束的直线照耀下构成清楚投影的现象。可是干与现象中光在具有一条或多条狭缝的遮光屏后会构成亮暗相间的区域，这儿就需求用动摇理论来解说。一同光动摇说还能够解说物体暗影的边际其实并不是真的很清楚。
麦克斯韦（James Clerk Maxwell）于1864年建立了电磁学的数学理论，然后引出光具有电磁特性，并以波的方式从光源传达到接收者。19世纪80年代，赫兹（Heinrich Hertz）用试验证明了射频波段的电磁波。麦克斯韦逝世于1879年，年仅37岁的赫兹逝世于1894年，两年后诺贝尔（Alfred Nobel）离世。
19世纪末诺贝尔奖才开端颁布，在这一时期光的动摇说现已站稳脚跟。那些证明光动摇特性的要害作业因为完结太早，以致于没有获得诺贝尔奖。可是X射线却破例。
进入20世纪又呈现了证明光具有粒子特性的新发现，这些效果都理所应当有望获得诺贝尔奖。现实也正是如此，而下面的内容将由诺贝尔档案提醒出一个更为杂乱的开展进程。
关于X射线的诺贝尔奖
1901年首届诺贝尔物理学奖颁发了伦琴（Wilhelm Conrad R ntgen），以赞誉他在1895年发现X射线。虽然从许多方面而言，X射线体现得像光相同，不过与光比较，他发现X射线能径自穿透物体。伦琴预见这个发现将对医学发作重要影响。
X射线的发现发作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射线照耀晶体的干与现象，光的动摇图画才被广泛承受。劳厄也于1914年获得了诺贝尔物理奖。
伦琴（Wilhelm Conrad R ntgen）
劳厄（Max von Laue）
晶体中的原子距离正好与X射线的波长具有相同的数量级。劳厄完结了X射线在三维光栅中的衍射理论，并猜测衍射图画，随后在试验上被弗里德里希（W. Friedrich）和尼平（P. Knipping）所证明。
当伦琴1901年获得诺贝尔奖时，他1895年发现的这种新式辐射还完全没有研讨透彻。起先，它仅有相似于光的当地在于它也沿直线传达。直到1910年巴克拉（Barkla）和布拉格（Bragg）之间发作了剧烈的争辩，前者以为X射线是一种光波，而后者以为X射线是一种粒子束。
康普顿（Arthur H. Compton）在1927年获得诺贝尔奖的讲演标题便是“作为光学的分支之一的X射线”，它开篇讲到：“最近物理学研讨中最吸引人的一项作业便是，将光学中常见的天然法则使用到具有十分高频率的X射线上，直到现在，简直一切光学现象都能在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，一切这些光的根本特性，X射线也相同具有。一同因为X射线具有超高频率，其间有些现象会发作突变，这为咱们怎么了解光的实质供给了更多的信息。”
光的粒子特性的依据
在物理教材中，两个证明光的粒子特性的现象经常被提及：光电效应和X射线的康普顿散射。
一些不那么慎重的教材还会过错地把普朗克研讨热辐射现象时发现的能量量子化作为第三个阐明光的粒子特性的例子。能量量子化这一里程碑式的作业获得了1918年诺贝尔物理奖，不过诺贝尔奖委员会并没有过错地将获奖理由归结为，这一发现证明了光的粒子特性。
普朗克的诺贝尔物理奖
普朗克1918年获奖的原因在于他提出了普朗克常数h，这个天然常数（量纲是能量乘以时刻）通过公式 E=hν 将能量量子E和时刻频率ν联络起来。1918年诺贝尔奖的颁奖典礼介绍是这么说的：“hν其实是热辐射以振荡频率ν向外辐射时的最小能量单元。”普朗克自己也坚决对立以为光在真空中以粒子的方式传达，这种粒子后来被称作光子。
1921年爱因斯坦（Albert Einstein）因光电效应的研讨获得诺贝尔奖（于1922年颁奖），1927年康普顿（Arthur Holly Compton）因以其姓名命名的康普顿效应研讨获得诺贝尔奖，他们的获奖理由都阐明，诺贝尔物理奖委员会并没有认可光的粒子特点。
爱因斯坦1921年的诺贝尔奖
爱因斯坦创始性地使用核算学剖析办法研讨黑体辐射中能量随波长散布的韦恩（Wien）公式， 1905年，他得出光有时体现出粒子特性的定论。
爱因斯坦知道到他的新主意能够很天然地解说光电效应，即光照在金属表面会激宣布电子的现象。光的动摇理论完全无法解说光电效应。1922年的诺贝尔奖颁发爱因斯坦，正是因为他成功解说了光电效应。
爱因斯坦（Albert Einstein）
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核算核算，终究得出定论以为，既需求动摇性，又需求黑体辐射腔所体现出的粒子性。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核算进程，企图压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因为瑞典皇家科学院中有些重要人物对相对论持激烈的置疑情绪。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 ）以为，狭义相对论的正确性依赖于信仰，而非根据现已证明的现实。他还以为，广义相对论算不上是慎重的剖析。
那么，爱因斯坦获得诺贝尔奖是否意味着瑞典皇家科学院认可了光的粒子性？诺贝尔奖委员会仅仅提到，爱因斯坦发现了物质与以太之间通过原子发射或吸收，以hν为单元的能量量子进行能量交流。
跟着光量子（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的单色光激宣布来后，它的最大动能 E=hν-P，其间P为电子从物体中脱离所需求的最低能量。密立根（Robert Andrews Millikan）用10年时刻进行了一系列的丈量研讨，终究准确验证了这个规则的正确性。可是密立根却对光量子的概念感到生疏和古怪。
诺贝尔奖委员会防止供认光的粒子性。在获奖理由中，仅在描绘发射和吸收进程时提到了光量子或许现代所说的光子。委员会以为，爱因斯坦光电效应理论最重要的使用也是最有压服力的证明来自于，玻尔（Niels Henrik David Bohr）将它用于原子结构模型中，然后解说了很多的光谱数据。
玻尔（Niels Henrik David Bohr）
在玻尔的原子模型中，他用爱因斯坦发现的规律来核算发射或许吸收光的频率，当一个原子在E1和E2（1和2皆为下标）两个分立能级之间改变时，发射或许吸收光的频率应为 ν= (E1-E2)/h（1和2皆为下标），这在今日看来或许不算什么，不过是随同有光子的发射或吸收发作时的根本能量守恒。可是，玻尔对立光子这一概念许多年，一向到1925年。在1922年获得诺贝尔奖的讲演中，他说出了对立的原因：“虽然光量子假说具有启发性，但它与光干与现象是十分不行谐和的，不能用于阐明辐射现象的实质。”爱因斯坦本来也被邀请来参加颁奖礼，但因为他已远行日本，未能前往。因而世界错过了一个时机，以见证两位物理学大师关于光的实质的一次前期评论。
诺贝尔物理奖委员会了解爱因斯坦和玻尔之间的相关，在1922年一同确认归属的两个诺贝尔奖明显地提醒出这种相关：上一年的诺贝尔奖颁发爱因斯坦，当年的诺贝尔奖颁发玻尔。
康普顿1927年的诺贝尔奖
早在1923年索末菲（Arnold Sommerfeld）拜访美国时，他写信给玻尔：“最有意思的…...是康普顿在圣路易斯的作业…...从此X射线的动摇理论将失效。”
康普顿观察到一部分X射线被散射后，会违背本来的方向，并且波长变长。他准确地丈量了波长的改变，这种改变不能用经典的动摇理论进行解说。康普顿提出了自己的解说，这个散射进程能够看作是两个粒子的磕碰，一个是自在电子，另一个便是光子。
康普顿（Arthur Holly Compton）
根据量子论和相对论运动学，康普顿使用能量和动量守恒核算了两个粒子磕碰后X射线波长的改变。他的核算效果与试验丈量完全契合。康普顿用X射线光谱仪准确丈量X射线散射，效果包含两个部分，一部分波长发作偏移，一部分波长不变。波长发作偏移的原因是因为被自在电子或近自在电子散射，电子受到冲击，获得动量和可观的能量，而波长不变的景象是因为被捆绑电子散射，在这种景象下，整个原子乃至晶体获得动量，但只获得少到能够疏忽的能量。
康普顿所用的光谱仪作业原理是根据X射线的动摇理论。通过它，康普顿却发现，X射线散射起来像粒子相同。这明显地印证了光的二象性。
康普顿在1927年与创造云室的威尔逊（C.T.R. Wilson）共享了诺贝尔物理奖。使用云室，威尔逊观测到电子在X射线磕碰下的弹射轨道，然后成为康普顿效应的有力依据。
那么到了这时候，皇家科学院终究因为光的粒子性的发现而颁布了诺贝尔奖吗？答案仍是否定的。
在点评陈述中，有一句话写到，康普顿的理论在最新的理论系统中应该被扔掉。因而光粒子理论仍是没有被承受。
诺贝尔奖委员会的态度是能够了解的。因为在康普顿获得诺贝尔奖时，还没有根据光子概念的微分散射截面理论，这一理论要在未来才被人提出。而根据光动摇理论的解说现已提出，将电子和X射线都当作波来处理，相同能够给出准确的波长改变。
诺贝尔奖委员会早在1925年和1926年就评价过康普顿效应，效果以为这个理论不太契合要求。可是1927年状况发作了改变。瑞典乌普萨拉大学力学和数学物理系的奥森（Carl Wilhelm Oseen）教授从头进行了评价。他为委员会做了一项十分完全的研讨。他回忆了1922年康普顿效应提出以来引起的很多重视，许多源于康普顿的理论解说。他写到：“毫不意外，康普顿理论与观测效果的相符将会导致那些不寻求理论慎重的物理学家们以为，光动摇理论和光粒子理论的长期争辩即将完结。这些物理学家将康普顿的发现视作光粒子理论是正确的要害依据。假如这种希望终究完成，那么毫无疑问康普顿便是整个辐射理论开展的要害转折点。”奥森计划证明状况并非如此。可是他的观念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年的流浪，可是康普顿效应对此却毫无协助。他提出，在未受康普顿效应启发下，矩阵力学和动摇力学就现已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）给出了旧的理论解说。在光量子理论的基础上，“他们的理论关于试验研讨作业有必定价值，可是现在在最新的理论系统中，这种旧的理论解说必需要扔掉。”
奥森接着又提到了近期的一些新进展，特别是根据光动摇理论的戈登（Gordon）和克莱因（O. Klein）的作业，他们将电子和光都视作波。通过使散射波与磕碰电子之间满意能量和动量守恒，他们得到的方程与开始康普顿假定两个粒子间磕碰推导出来的方程相同。
奥森终究得出定论，“康普顿-徳拜理论的根基终究被证明不是一个假定，而是原子理论的一个推论，”然后进一步阐明康普顿的理论解说应该被扔掉。并且使用动摇力学也能够得到强度随散射角的改变公式（也便是微分散射截面），并且要比经典动摇理论猜测更契合试验丈量效果。
奥森总结道，在曩昔18个月所获得的革命性效果与康普顿的发现无关，并且这些新效果的开展方向正好与康普顿效应得出的定论相反。这种新的理论是一种比以往任何理论都要更高档的动摇理论。使用这套理论能够给出康普顿效应定性和定量的正确描绘。
诺贝尔奖委员会着重，康普顿效应无论怎么都是重要的，因为它又一次十分清楚地展示出，经典理论在原子物理范畴不再适用了，它为查验新的理论供给了一种受欢迎、有价值的或许性。
关于物质的波粒二象性的诺贝尔奖
光的波粒二象性被扩展到物质中，在物质中也存在相似的波粒二象性。电子和原子起先都被以为是微粒。德布罗意（Louis-Victor de Broglie）因为发现电子的动摇特性于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）别离独立进行了试验验证。他们一同被颁发1937年的诺贝尔物理奖。自从薛定谔（Erwin Schr dinger）1925年给出非相对论动摇方程，电子动摇力学成了研讨天然科学的有力东西。他被颁发1933年的诺贝尔物理奖。
德布罗意（Louis-Victor de Broglie），戴维森（Clinton Joseph Davisson），汤姆森（Sir George Paget Thomson）
诺贝尔奖委员会前期一向慎重防止清晰提及光的粒子性，可是却毫不犹豫地标明物质有时体现出波的特性。1927年玻尔就提出互补原理，因而在1929年诺贝尔奖颁奖典礼的现场讲演中，他是这样讲的：“光好像既是波又是粒子。光的有些性质能够通过波来解说，别的一些则能够通过粒子来解说。两者都是正确的。”
处理光的二象性问题的诺贝尔奖
跟着1925到1926年量子力学的呈现，二象性问题的处理成为了或许。
狄拉克（Paul Dirac）在1927年宣布了一种交融了光的二象性的数学理论，用于处理电磁场中的互相作用，例如光或许X射线与带电粒子的互相作用，这是一种关于量子化场的理论。接着一些物理学家进一步开展了这套理论，使其相同适用于物质场，以致其在今日开展成为处理根本互相作用（强、弱或许电磁）的不行或缺的办法。三位前驱，狄拉克、海森堡（Werner Heisenberg）和泡利（Wolfgang Pauli）别离因为其他的效果被颁发诺贝尔物理奖。
开始版别的狄拉克理论结合了光的动摇性和粒子性，仅仅在一级近似的状况下有用。核算效果与试验观测根本一同，其间之一便是康普顿散射的微分散射截面。可是在某些特定状况下进行更准确的核算时，效果变得发散，现实上得到的效果是无穷大。
到了20世纪40年代，这个问题才被朝永振一郎（Sin-Itiro Tomonaga）、施温格（Julian Schwinger）和费曼（Richard Feynman）处理，他们共享了1965年的诺贝尔物理奖。得益于他们的作业，人类获得了该范畴最完美和准确的理论之一——量子电动力学。它用完美的数学言语描绘，摆脱了关于波粒二象性的无休无止的争辩，转而使用量子场来进行运算。
朝永振一郎，施温格（Julian Schwinger），费曼（Richard Feynman）
费曼用“途径积分”的概念建立起具有他自己特征的量子力学系统。他提出，通过把具有特定相位因子的粒子的每条时空途径叠加求和，能够得到跃迁几率幅。由此动身，费曼推出关于量子电动力学的图形表达，使得这个理论更易于把握。在费曼图中，光子和电子是时空图中的线。其时空图中的粒子线相交时，就发作能量、动量以及其他性质交流的互相作用。费曼图现在是用于理论猜测的规范办法。
可是，关于许多实践使用而言，量子电动力学过分高档，因而它一般只作为高级研讨生课程。每位刚入门的物理系学生不得不与二象性问题持续作斗争，一同答应光的粒子性和动摇性存在，可是这两种性质又互相互斥（正如玻尔在1927年提出互补原理所描绘的那样）。
在此引荐根据广受欢迎的费曼讲座收拾而成的一本入门书：《QED：光和物质的奇特理论》（QED：The Strange Theory of Light and Matter），在这本书里，费曼用通俗易懂的言语介绍了自己版别的量子电动力学，乃至叙说了怎么从量子电动力学推导出几许光学的规律。
波粒二象性在同一试验中体现出来
光束或许电子束的试验效果现已标明，动摇性和粒子性都能够被同一试验观测到。要想发作干与现象，那么束源和勘探器之间就必需要有多条途径存在。干与现象需用动摇性来进行解说。当束源强度降到足够低时，能够在勘探器上看到一次又一次的粒子碰击。此刻能量量子局域在时空中就像一个粒子。
电子双缝试验设备示意图。电子束有两条途径抵达勘探器。| 图片来历：A. Tonomura et al. : American Journal of Physics 57 (1989) 117
勘探器信号显现在电视监视器上，然后发作一组成像画面。榜首帧画面拍于前期，终究一帧画面是通过长时刻磕碰搜集后发作的。跟着独立粒子磕碰次数的增多，干与条纹逐步显现出来。
现代高科技使得使用光子、电子或是原子来规划一些适当杂乱精密的试验成为或许，而当用动摇性或粒子性二者之一去描绘这些试验时，会发作令人难以置信的效果。
后 记
1979年诺贝尔物理奖颁发格拉肖（Sheldon Glashow）、萨拉姆（Abdus Salam）和温伯格（Steven Weinberg），以赞誉他们关于根本粒子间的弱互相作用和电磁互相作用的一致理论，包含对弱中性流的预言的奉献。
1984年诺贝尔物理奖颁发鲁比亚（Carlo Rubbia）和范·德·梅尔（Simon van der Meer）以赞誉他们对导致发现弱互相作用的传递者——场粒子W和Z这一庞大项目的决定性奉献。
本文翻译自nobelprize.org ，原文标题为“The dual nature of light as reflected in the Nobel archives”，戳左下角“阅览原文”可检查。
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