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EINSTEIN'S PHOTONS
愛因斯坦的光子學

我所摯愛的深邃、優雅的科學理論是愛因斯坦于1905年提出的觀點：光是由能量子組成的。現今我們將能量子稱為光子。相當有趣的一點是，即使在物理學界，也鮮有人知道愛因斯坦是如何得出這個結論的。公眾通常以為，這個觀點是愛因斯坦用來解釋光電作用的。愛因斯坦在1905年發表的觀點里確實有這部分內容，但僅僅在最后才被提及。事實上，這個觀點本身更為深奧、更為優雅，也更為美麗。

假設一個密閉容器的四壁達到了某種溫度，四壁在閃閃發光，它們一邊釋放輻射，一邊也吸收著輻射。一段時間之后，容器內部的輻射分布將會達到平衡。在愛因斯坦之前，這個觀點已經廣為人知。普朗克引入了量子化的概念，對處于這樣一個體積內部的能量輻射分布作出了解釋。愛因斯坦則更進一步，他研究了容器內的輻射是如何有序進行分布的。

對物理學家而言，熵是對混亂程度的一種度量。奧地利物理學家路德維希·玻爾茲曼論證了，一個系統的熵是對該系統狀態可能性的一種度量。舉個簡單的例子，書籍、筆記本、鉛筆、相片等物體，相對于這些東西被整整齊齊碼放在一起，它們更有可能是四處散落在書桌上。或者我們假設，一個容器內裝有100萬個原子，相對于所有原子都集中在一個角落里，這100萬個原子更有可能均勻地分布在容器內。在以上兩種情形下，“均勻分布在容器內”這種狀態的有序性會弱一些，并且當一個更大的容器裝有這些原子（或物體）的時候，它們會具有更高的熵值。

愛因斯坦意識到，其輻射的熵包括光會隨容器體積的改變而改變，對這個過程的計算方法與計算原子的方法相同。在兩種情形下，熵隨著體積對數的增加而增加。對愛因斯坦而言，這絕非巧合。如此一來，我們就可以理解氣體的熵了，因為它是由原子、輻射以及粒子所組成，即被愛因斯坦稱作能量子，即今天所稱的光子。

很快，愛因斯坦把他的想法就應用到了光電效應上。與此同時，他也意識到，能量子（光子）的概念和已經過長期研究并觀察的干擾現象之間，存在著根本性的沖突。問題的實質在于如何理解雙狹縫干涉模式。根據理查德·費曼（Richard Feynman）的理論，此種現象含有量子物理的“量子力學中的意識問題”。挑戰并非難事，當我們將一束光子投射到一個有著兩個狹縫的平面上，并當雙狹縫呈開啟狀態時，在平面后面的觀測屏幕上，我們可以觀察到明暗交錯的干涉條紋。如果只開啟一條狹縫，我們則看不到條紋，而只會觀察到一個分布廣闊的光子。這個結果很容易通過光的波圖來理解：光波分別通過兩個狹縫，在觀測屏幕上相互抵消與增強，如此的此消彼長，就讓我們看到了明與暗交替的條紋。

如果光束的強度低到只有一個光子可以通過裝置，會發生些什么呢？跟隨愛因斯坦現實主義的立場，我們自然而然地會假設一個光子可以通過其中的任意一道狹縫，但無法同時穿過兩條狹縫。我們可以實驗一下，一次送出一個光子。愛因斯坦認為，在這樣的條件下不會出現干涉條紋，因為一個單一的光子，作為粒子，不得不只“選擇”其中一道開啟著的狹縫，因此無法像在波圖中那樣出現增強或抵消的現象。這的確是愛因斯坦的論點，他提出只有在多重光子同時穿過狹縫時，才會呈現因為相互作用而產生干涉模式的條紋。

如今，我們從若干實驗中獲知，即使強度低到每秒只有一個光子通過裝置，干涉條紋模式仍然會出現。如果我們等待足夠長的時間，并在觀測屏幕上觀察所有光子的分布，我們將看到干涉模式。現在對此現象的解釋是，在宇宙中的任何地方，在完全不知道粒子會穿過哪一條狹縫的情形下，干涉模式便會出現。通俗地講，對光子一次同時穿過兩道狹縫的說法我們要持懷疑態度。即便是愛因斯坦，在光的能量子問題上，也犯錯了，比如，光子指向的是遙遠的未來。

1905年，在這個奇跡之年，愛因斯坦發表了狹義相對論。同年，在愛因斯坦寫給他朋友康拉德·哈比希特（Conrad Habicht）的信中，他把在光子方面的論文評價為具有“革命性”的意義。迄今為止，這是愛因斯坦唯一被稱為具有革命性的研究成果，這也的確是名副其實，因此他獲得了1921年的諾貝爾獎。但早些年的狀況并非如此順利，在1913年，那封由普朗克、瓦爾特·能斯特（Walther Nernst）、海因里希·魯本斯（Heinrich Rubens）和埃米爾·瓦爾堡共同簽署，推薦愛因斯坦成為普魯士科學院院士的著名推薦信中，他們寫道：“就如同他的光量子假設說一樣，他的推測偶爾會偏離目標，但我應該對他的這些失誤既往不咎，因為如果沒有偶然性的冒險，最精準的科學則不會存在真正的創新。”1905年，愛因斯坦通過光子對輻射熵所做的深邃、美妙而優雅的闡釋，真真切切地論證了偶然性推測的巨大作用。