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• 馬克士威證明光是一種電磁波，赫茲隨後也證實了電磁波的存在。然而，黑體輻射的問題卻無法以波動說解釋。
• 愛因斯坦主張普朗克假想的振子就是光量子，並提出光電效應解決黑體輻射的問題，但此理論與古典物理觀念衝突。
• 德布羅意研究電子和光量子的交互作用，最終提出物質波——所有粒子具有波粒二象性，後續也從電子繞射實驗得到驗證。

 
光究竟是粒子還是波？這個問題打從17世紀近代科學開展以來，就一直爭論不休。先是荷蘭物理學家惠更斯（Christiaan Huygens）於1690年提出波動說，解釋光的折射與繞射；接著是英國物理學家牛頓（Sir Newton）在1704年出版《光學》（Opticks）一書，主張光是一種微粒。由於牛頓在學術上有著崇高無比的地位，微粒說就此定於一尊，波動說則被棄置一旁。直到1803年，同是英國學者的楊氏（Thomas Young）以雙狹縫實驗展現了無法以微粒說解釋的干涉條紋，再加上十餘年後，法國物理學家菲涅耳（Augustin Fresnel）追隨楊氏的腳步，提出更明確的實驗結果與理論基礎。至此，波動說才又死灰復燃，但卻仍然難以撼動微粒說的地位。
 
1865年，英國物理學家馬克士威（James Maxwell）結合電學與磁學，不但推導出電磁波的存在，同時還證明光其實就是一種電磁波，不過這只是理論而已；等到1888年德國物理學家赫茲（Heinrich Hertz）發表實驗結果，才證實電磁波的存在，而且驗證它的速度果然等於光速。人們終於願意相信光是波，而不是粒子。
 
誰知才過沒幾年，波動說就出問題了。
 

黑體輻射的矛盾

19世紀末，黑體輻射的問題讓物理學家傷透腦筋，無人能解。「黑體」最早是德國物理學家克希荷夫（Gustav Kirchhoff）在研究金屬加熱後發出的光譜時，於1862年提出來的假想物體。它會百分之百吸收外來輻射，因此是絕對的黑。雖然黑體完全不反射光線，但會以熱的形式輻射出所吸收的能量，熱輻射的光譜涵蓋不同波長，光譜分布則完全取決於黑體的溫度——溫度愈高，黑體輻射強度愈大，光譜也就往波長愈短的方向集中。
 
現實中雖然不存在黑體，但倒是有樣東西和黑體相當接近，那就是鍊鋼的熔爐。熔爐上有個小洞，外部的光線從洞口射入後，只會在熔爐內不斷反射，不太可能再從小洞中射出。因此洞口散發的光芒就純然是內部鐵水本身的熱輻射，相當於黑體輻射。那麼只要量測洞口的光譜，就可以驗證黑體輻射的光譜與溫度的關係。
 
德國物理學家維因（Wilhelm Wien）從熱力學出發，於1896年提出一條關係式符合高頻區段的數據，不過此式卻與低頻區段有不小差距。四年後，英國物理學家瑞利（3rd Baron Rayleigh）根據電磁學推導出「瑞利－金斯公式」，卻只符合於低頻區段的數據，而且輻射的電磁波還會往高頻不斷攀升。這顯然並不合理，怎麼可能隨便加熱一個物體，就會產生致命的紫外線、γ射線？

橫空出現的光量子

直到1900年底，黑體輻射這個無人能解的問題終於得到解答。德國物理學家普朗克（Max Planck）鑽研維因提出的公式，最後為了引入統計力學計算熵的方式，便假想一種虛擬的帶電振子，果真推導出與實際數據完全吻合的公式。但此公式有一項前提：帶電振子必須有最小的基本能量，而且只和它的頻率呈正比（E＝hν，h為後來所稱的普朗克常數）。但這個想法和古典物理的觀念完全衝突，首先電磁波的能量大小應該取決於振幅，與頻率無關才對；其次，能量分布一定是連續的，若有基本單位，不就限制能量只能是基本單位的整數倍？普朗克自己也認為這只是推導過程中的權宜之計，不代表物理上的實質意義。
 
不過當時任職於瑞士專利局的一位年輕職員可不這麼認為。1905年，愛因斯坦（Albert Einstein）發表論文，主張普朗克假想的振子就是光量子，也就是光像粒子一樣有最小不可分割的基本單位，唯有如此才能解釋光電效應中，為什麼只有一定頻率以上的光才能撞出金屬表面的電子。然而光量子假說違背傳統概念，大家還是無法接受。美國物理學家密立根（Robert Millikan）便認為以往的光電效應實驗不夠乾淨，決定另做實驗來駁斥愛因斯坦的理論。沒想到最後他在1914年發表的實驗結果，竟完全吻合愛因斯坦的光電效應公式，反而成為光量子的佐證。……【更多內容請閱讀科學月刊第649期】