9月10日—證明光是粒子的人

光究竟是粒子還是波？這個問題自古即爭論不休，沒有定論。1704年，牛頓出版《光學》一書，微粒說定於一尊。百年之後，湯瑪斯·楊（Thomas Young）做雙狹縫實驗出現的干涉現象，卻又無法用微粒說解釋，唯有波才會這樣；之後波動說再經菲涅耳（Augustin Fresnel）提出更明確的實驗與理論後，便自1820年代起取代微粒說成為主流。

但20世紀初粒子說又捲土重來。1900年，普朗克為了解釋黑體輻射，把光的能量單位量子化，5年後愛因斯坦直接把光當成粒子，成功解釋了光電效應。不過波動說已經根深蒂固，科學界仍不相信光是粒子；密立根就企圖以實驗駁斥光子說，沒想到1916年發布的實驗數據，卻完全符合愛因斯坦的光電效應方程式。

即便如此，許多人仍認為這只證明電磁波的能量交換有基本單位，不代表光本身真的是一顆顆粒子。最終是靠美國物理學家康普頓（Arthur Compton）的實驗，才一錘定音，讓大家不得不接受光子說。

康普頓1892年9月10日生於俄亥俄州，1916年取得博士學位後，當了一年講師，然後到西屋公司研發利用氣體放電的鈉燈。兩年後他前往劍橋大學的卡文迪許實驗室，研究γ射線的散射，1920年返國至聖路易斯華盛頓大學任教，繼續研究高能電磁波的散射。

康普頓用單一波長的X射線照射石墨靶。照理說，電磁波的波長在撞擊後，應該以原來的頻率（相同的波長）反彈，但他用光譜儀觀測的結果，卻顯示部分X射線散射後的波長竟然變長了，而且散射的角度越大，波長增加的幅度就越大。這完全不符合波的特性。

如果不要把X射線視為波，而是把它當成愛因斯坦所說的光子呢？具有特定能量與動量的光子，撞到石墨的電子，兩者就像撞球那樣彈開。由於光子部分能量移轉給電子，光子能量變少，所以波長就變長了。

康普頓根據能量守恆與動量守恆定律，推算出不同散射角度與波長變化幅度的關係式。然後他將X光散射實驗得出的數據套入這條公式，結果分毫不差。他的實驗極為精確，難以挑剔，因此他於1923年發表「康普頓效應」後，原本對光子說存疑的科學家，面對光具有粒子才有的動量這個事實，終於不得不接受光具有實實在在的粒子性。

光的波粒二象性從此成為普遍共識。不僅如此，德布羅意也因此受到啟發，而於1924年在博士論文中提出物質波，為微觀世界全面適用量子力學揭開了序幕。康普頓因為這項劃時代的發現，獲頒1927年的諾貝爾物理學獎。

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順便說個冷知識：他也是發明減速丘的人。