【大宇宙小故事】43 一體兩面

撰文｜葉李華

1905年三月，愛因斯坦完成一篇影響深遠的論文，題目是〈關於光之產生與轉化的啟發性觀點〉。其中「啟發性」(德heuristischen, 英heuristic)這個詞非常耐人尋味，代表作者對自己的觀點或多或少有所保留。

看到這裡，如果你覺得一頭霧水，那是因為「啟發性」只能算勉強及格的翻譯。這個詞衍生自希臘文的「找」，本意比較接近「有助於找出正確答案的」；它顯然和阿基米德當年大喊的「我找到啦」(德heureka, 英eureka)有親戚關係，在此就不多加考據了。

由此可知，「啟發性觀點」這個說法類似中文的「初探」，萬一作者遭到質疑或反對，它能發揮一點擋箭牌的作用。至於愛氏究竟在擔心什麼，答案很簡單，他擔心科學界無法接受這篇論文的中心思想，亦即「光子」這個概念。

熟悉愛氏生平的人應該都知道，他一生鮮有如此小心翼翼的時候。不過由於前因後果牽涉太廣，我們還是話說從頭吧。

●長久的爭議

在科學史上，光的本質是個充滿爭議的難題，數百年來一直有兩個針鋒相對的觀點：微粒說與波動說。

微粒說最有名的支持者是英國物理大師牛頓，他在1675年發表〈解釋光的若干性質之假設〉一文，巧妙地利用微粒說解釋光的反射與折射(後者其實是錯誤解釋，但當時的實驗技術測不出來)。不過牛頓絕非微粒說的創始人，早在公元十一世紀，伊斯蘭學者海什木(請參考〈尼羅河畔的科學家〉)就提出了「光由眾多微粒組成，速度雖快卻有限」之類的說法。

在牛頓之後的兩百多年間，微粒說幾乎沒有什麼進展。另一方面，波動說雖然起步較晚，但由於人才輩出，逐漸有了後來居上的趨勢。

有人認為十三世紀的英國學者培根(Roger Bacon)提出過原始的波動說，這種說法多少有點牽強附會。不過，若說笛卡兒是波動說的始祖，反對的聲音應該就比較小。笛卡兒基於哲學信念，堅信空間中充斥著「以太」這種神秘物質(請參考〈電學牛頓〉)，而光就是以太彼此推動所產生的效應。這個大約發展於1630年的理論帶有濃厚哲學色彩，但仍勉強可以算是光學史上第一個波動說。

三十多年後，一位英國科學家隔海唱和笛卡兒的理論，他不是別人，正是牛頓後來的死對頭胡克(請參考〈誰是受害者〉)。公元1665年，胡克提出自己的波動說，同樣認為以太是光的介質，不同的則是他將光解釋為以太的振動，換言之就是以太波(正如漣漪等於水波)。

而在英倫海峽彼岸，波動說也有一位強有力的倡導者──笛卡兒的門生惠更斯(C. Huygens, 1629-1695)。惠更斯於1678年在胡克的基礎上更上一層樓，並於1690年正式出版專書。他的理論對後世有深遠的影響，直到如今，中學生仍會在課本中讀到所謂的「惠更斯原理」。

講到這裡，讓我們做個簡單的整理：十七世紀末的歐洲，微粒說與波動說兩大理論並行，各有各的理論基礎和實驗證據，雙方因此相持不下。

這種情形維持了一個世紀，公元1803年，波動說陣營出現了生力軍，即所謂的雙狹縫干涉實驗(亦稱楊氏干涉實驗)。由於「干涉」是波動特有的性質，波動說因此士氣大振，相較之下，微粒說長久未曾注入新血，自然逐漸走下坡了。

到了十九世紀後半，馬克士威提出電磁波理論，將光波視為電磁波的一種(請參考〈光學終結者〉)，波動說的威望更是如日中天，微粒說則幾乎成了歷史陳蹟。

現在大家應該明白，愛氏提出光子的概念，無異於復興微粒說，自然承受了龐大的壓力。後來果然不出所料，反對的聲音此起彼落，支持者則趨近於零。

●遲來的鐵證

事實上，愛氏的論文不但說理清楚，而且證據充分，即使根據今日的標準，其內容也無可挑剔。例如其中對光電效應的論述，至今仍是教科書中的標準教材。可惜的是，由於電磁波理論深入人心，物理學界對光子抱持過度嚴苛的態度，當年相信愛氏的人寥寥無幾。

直到將近二十年後，光子說的鐵證才終於問世，那就是所謂的「康普頓效應」。

康普頓(A. Compton, 1892-1962)是美國實驗物理學家，公元1922年，他嘗試用X射線撞擊電子，結果發現X射線的頻率會因而降低。這是波動說完全無法解釋的現象，例如一束黃光撞來撞去，最後絕不可能撞成紅光。

另一方面，微粒說非常容易解釋這個現象。根據光子理論，光子的能量正比於它所對應的頻率。若將X射線視為一大群光子，那麼在撞擊過程中，光子的一部分能量轉移給電子，本身的能量因而減少，對應的頻率自然就降低了。

●後續的難題

康普頓將實驗結果公諸於世後，物理學界才逐漸接受光子的概念。然而，這並不代表爭議到此結束，就某個角度而言，問題反倒變得更嚴重。

在當時物理學家心目中，波動與微粒是水火不容的兩種物理實體。光子的真實性無異於否定了電磁波的存在，可是後者明明擁有眾多的實驗證據。換言之，現代版的波動說(電磁波)和微粒說(光子)雖然各有各的扎實基礎，彼此卻似乎互相矛盾！

幾年後，隨著量子物理逐漸發展成熟，丹麥物理學家波耳(N. Bohr, 1885-1962)於1927年提出「互補原理」，才終於化解這個勢同水火的矛盾。

互補原理本身雖然深奧，幸好不難找到簡單的類比，請參考下圖。這是心理學家用來示範「視錯覺」的工具，圖中似乎有個花瓶，又似乎有兩張人臉，不過彼此剛好「互補」，因此你無法同時看到兩者。當你看到花瓶時，就一定看不到人臉，反之亦然。

(所以說，這張圖的內容到底是花瓶還是人臉？或者以上皆是？或者以上皆非？請大家不妨靜下心來想想。)

藉著這個類比，就不難瞭解互補原理如何解釋光的本質。光的波動性與微粒性剛好互補，因此科學家不可能同時觀測到兩者。當他們觀測到(服從馬克士威方程組的)波動性時，就觀測不到(服從光子理論的)微粒性，反之亦然。

此外，我們也可以用「一體兩面」這個成語來做比喻。任何人都有一體兩面，亦即前面和背面，當我們看到一個人的前胸，當然就看不到他的後背，反之亦然。然而人是一個整體，前面和背面都只是片面而已，如果我們將某人的「前面」和他這個人畫上等號，那就是標準的以偏概全──正如無論電磁波或光子，都不能完整代表光的本質。

總而言之，不管是多麼原始或多麼先進的波動說或微粒說，其實都無異於盲人摸象。唯有根據互補原理，將光視為「波與微粒的混合體」，才算是見到這隻大象的全貌。

因此，今後如果有人問你光到底是什麼，你不妨義正詞嚴地回答：「光既是波動，又是微粒；既不是波動，又不是微粒。」然後趕緊再強調一下，你絕不是故弄玄虛，而是量子世界的本質正是如此。

 

附錄：愛因斯坦奇蹟年

1905年是公認的愛因斯坦奇蹟年，他總共寫了大大小小27篇論文。

其中21篇是評論他人論文的短文，類似讀書心得，嚴格說來不算研究成果，只能反映愛氏用功之勤。另外六篇，其中一篇是他的博士論文，另一篇刊登於次年初，剩下的四篇則是文獻中經常提到的：

三月論文：〈關於光之產生與轉化的啟發性觀點〉(請參考〈量子元年，哪一年？〉)

五月論文：〈論懸浮微粒在穩定液體中的運動──以熱的分子運動論為前提〉(請參考〈誰贏不了〉)

六月論文：〈論運動物體的電動力學〉(請參考〈迷思、迷思、迷思〉)

九月論文：〈物體的慣性是否與其所含的能量有關？〉

「九月」的題目雖然有問號，目的是為了吸引讀者目光，論文的結論其實非常明確。因此我們可以說，在這四篇論文中，只有「三月」的題目明顯有所保留。