演講側寫
講題：「光子」的歷史
講者：臺灣大學物理學系石明豐教授
側寫者：張晏恂
「科學發現的進程，初期人們都未發覺現象背後的問題。」石老師開場的這句話，為今天的演講下了最簡明的註腳。例如光速早期被理所當然地認為是無限的，但天文學的觀察卻發現光速可能有其極限。「這時候它就從”不是個問題”，變成了”一個問題”，然後開始研究，最後找出答案，科學的脈絡一向如此。」石老師如此強調，接著便帶我們一起回到過去，探究「光子」的歷史。
古代的鐵匠早已知曉鐵在高溫時會燒紅，顯現出光亮度和溫度有某種關係，但沒人有知道不同金屬在相同溫度下，是否會呈現出不同的亮度和色澤。1859年，克希何夫(Kirchhoff)提出了黑體理論，試圖排除物體本身顏色的變因來探討這一個問題，同時樹立了影響半世紀光研究的克希何夫挑戰(Kirchhoff’s challenge)。
19世紀後半葉，人們雖然已經有光的波動性的概念，卻沒有人知道光波是否能產生壓力─「光壓」。斯特凡(Stefan)與波茲曼(Boltzmann)從理想氣體假設中得到靈感，推演出理想黑體中光波壓力強度與溫度的四次方成正比；威廉‧維恩 (Wilhelm Wien) 也透過類似的推演驗證了波長與溫度成反比。在這些發現的基礎上，科學家們在19世紀末成功的測量並繪出我們現在所熟悉的連續光譜圖表。
光是一種電磁波的概念，則是晚了光的波動性半世紀才產生的，而這時候科學家才思考到光頻率與攜帶能量之間的關連性。瑞利男爵(Lord Rayleigh, 提出可解釋藍天的瑞利散射)在這個命題上率先突破，推導出頻率與能量成正比，但卻發現在短波長的區間，振動形式與能量多於馬克士威的理論預期。這樣的結果，成了克希何夫挑戰終結的最後一哩路。直到馬克斯‧普朗克(Max Planck)提出了能階和普朗克常數的概念，才終於完備了黑體幅射理論。
到了20世紀初期，赫茲和雷納德(Hertz & Lenard) 發現了光電效應，但此現象卻和當時對光的波長、頻率和能量的了解有所衝突，凸顯了理論的不完備。這些問題直到了1905年，由愛因斯坦引入普朗克猜想，提出光量子的概念才得以完整的解釋，而也因此正式確立了光的粒子性質，開啟了另一扇光研究的大門。
同一時期，遠在地球另一端的印度物理學家波色(Bose)，意外在一次機率計算錯誤中，推導出普朗克的輻射定律，但波色當時並沒有深入的去解釋這個結果，只是發覺到電磁波能量在不同的波形中所攜帶的能量是無法區分的。在遭到拒絕刊登研究成果後，波色求助於愛因斯坦，這引發了愛因斯坦去解析原子是否也有相似的模式。將波色的統計方式導入理想氣體方程式，愛因斯坦發現不論是光量子或理想氣體，都符合波色的統計方式，同時也進一步的論證了光量子本身符合熱力學的基本假設。
前前後後半個多世紀的光子歷史，到此也即將告一段落，而在演講的最後一階段，石老師也和我們分享光的一個有趣性質：「光子的卜杯」(Hong-Ou-Mandel effect)，由於光疏與光密材質所造成的光相位差，以及光的粒子與波動的雙重性產生的相消性干涉，雙光子一起反射和折射的機率為零，也就是「光子卜不出發生機率應有1/2的聖杯」，實在是相當有趣的現象。
人們從完全不了解光的來源，到晚近的克西荷夫、普朗克等人建構黑體輻射理論，愛因斯坦提出光量子的概念來解構、描述光的各種現象，「但人們還是不曉得光的本質就竟是什麼，這還是科學家在傷腦筋的問題」石老師感嘆的說到，不過從光研究的歷史可以看出，科學進程的脈絡就是不斷發掘問題並一點一點的去了解，然後就這麼輪迴著。「也許，那只是我們還沒有提出一個合適的問題。」