3 傳播光的小包裹：光子

在我們繼續行進之前，我們需要真正理解我們正在行進中的介質。如果我們做不到這一點，向導向我們保證，對于我們即將看到的東西，我們將領會得非常少。特別是下一個旅程的目標——原子之地的內部，我們將完全無法涉足。雖然我們幾乎沒有離開過舷艙，但是海岸線看上去已經近了許多。

向導接下來要告訴我們的事情非常奇怪，以至于他知道我們可能不會相信他，所以他敦促船長放下船錨且將船員聚集在甲板下面做一個演示。在一些時間的準備之后，在我們船艙漆黑的封閉空間內，向導向一個有兩個很小裂縫的隔板發射了一道激光束；在隔板的另一面是一個探測器，以監視通過裂縫的光。

第一件需要注意的事就是光呈波狀。如果裂縫足夠細，那么裂縫自身就會開始表現得像波的發射器，就像在海港里的狹窄海峽的水波那樣。這個現象指出了光是有波長的，和每個裂縫的寬度差不多的波長，就像衍射最劇烈的水波，有和海港入口寬度差不多大小的波長那樣。

而且，我們通過探測器將會看見一個明暗交錯的帶狀圖案。在我們探測器的每一點上，都有光從兩個源頭被接收——兩個裂縫，就像在海港附近那兩只戲水的海豚。對于恰巧在裂縫中間的點來說，光從每個裂縫所行進的距離是一樣的，且來自兩個裂縫的光波的波峰將會同時到達，即同相。波峰會互相增強，波谷也會，形成一個很強的波，即一段很亮的光。對任何隔板上其他的點來說，光從一個裂縫行進的距離和從另一個裂縫行進的距離不同，所以這種“加倍效應”并不能保證出現。如果行進距離的差是波長的整數倍，那么一個波源的波峰將會和另一個波源的波峰同時到達，它們仍然能夠互相加倍。但是如果行進距離差是波長的整數點5倍，那一方的波峰將會和另一方的波谷同時到達。兩道波處于逆相位。（這就是那些暗帶，波峰和波谷互相抵消的地方。）探測器將會保持黑暗的狀態，就像海鷗在海灣里安穩地休息。

看上去我們已經可以斷言光就是波了。衍射和干涉的現象正在發生，且只有波才能產生它們。我們不會在粒子上看到這種現象。我們甚至能算出波的波長，這顯然對于經典粒子而言是完全說不通的。光是一種波，僅此而已。

但這并不是故事的結尾，有一個轉折，一個重要的轉折。

向導敦促我們更仔細一點去觀察探測器，它正在測量通過裂縫之后的光造成的明暗交錯的干涉光帶。我們實驗中的探測器依賴著“光電效應”——也就是說，當光線照在探測器上時，會釋放出電子，接著電子能攜帶電流。對這個現象的解釋就在原子之地的海岸上，但是現在我們可以看到——通過給探測器加一個電壓，我們能讓電流流動起來，即能夠探測到自由電子。這就是我們為什么知道光線打在探測器上了，且知道亮帶在哪里，暗帶在哪里。

波傳遞能量。這就是讓海鷗浮動且往我們的探測器中釋放電子的能量。而且波的情況是，有兩種方法可以使能量增加。你可以增加水波的振幅，能使海鷗彈起得更高。你也可以增加水波的頻率，能使海鷗更快地上下浮動。光也是一樣的。增加一道激光的能量能夠使它更亮、更強烈，或者是增加它的頻率也可以達到同樣的效果。光的頻率對應著顏色，所以可以說增加頻率可能意味著將光從紅光改為藍光。

但是在我們的實驗中，這兩種增加能量的方法在光線探測器上有非常不同的影響。我們通常都會預計，當照在一個光電材料，比如我們的探測器上的光增強的時候，它所產生的電流也會增加。在某些情況下這是真的，但也并非總是這樣。

舉一個例子，我們正在使用的光是藍色的，這表示它的波長是475納米，與650太赫注1的頻率相匹配（每秒鐘650萬億次振動）。光顯示在光線探測器上，制造出我們可愛的明暗光帶交替的干涉圖案，且明確地表現出光所具有的波的特質。如果我們增強藍色激光的功率，光線探測器上顯現出的光的強度也會增加。一切都很完美而且合理。

注11太赫相當于1012赫茲。

但是，我們現在開始調試我們激光的頻率。我們降低它，使激光先變成綠色，然后是紅色。對于這個特定的探測器來說，隨著頻率降低至紅光，電流突然消失，然后我們再也不能檢測到光線了。

隨著我們降低頻率，我們也在降低激光的功率。如果我們現在還在對付著海灣里的波浪，我們將會使海鷗浮動的頻率降低。所以我們得到更少的電流并不值得驚訝，但電流突然消失就有點令人奇怪了。

沒事，我們還可以通過增加光束的強度來彌補，就像我們可以使海鷗浮動的高度更高，而使它的浮動頻率降低一樣。

我們將要看到的情況十分令人失望。事實上我們什么也看不見。

一旦光的頻率降低到一定值（這個取決于我們所持有的探測器以及事實上它是由什么東西組成的）以下之后，我們將不會有任何電流，無論我們將光的強度調得多高。這個現象是不可能由連續的光波做出解釋的。能量就在那里——為什么它無法剝離出任何自由電子呢？

造成這種現象的原因只能是光的能量不是以一道連續的波的形式傳播，而是以小塊包裹，即量子的形式傳播的，因而它就更像是船員們寄回家的信，而不是我們在緊急情況下使用的無線電波。對于光來說，這些小包裹被稱作光子。一個光子就是一量子的光。這就是愛因斯坦在1905年的突破性論文中所寫下的結論。一個單獨光子的能量取決于它自身相關的頻率——藍色光子比紅色光子有更多能量。一道激光束所蘊含的總能量是光子的數量乘以每個光子的能量。當我們提高紅色激光的功率時，我們提高了發射出光子的頻率，但是每個光子所含的能量保持不變，因為光的頻率沒有改變。

相反地，隨著我們調低藍色激光的功率，我們降低了光子的數量，但是沒有降低每個光子的能量。所以，就像愛因斯坦在他的論文中所說的：“對于能夠激起光電效應的光來說，讓它能充當‘刺激物’的光強度的下限是不存在的。”在我們這里能夠充當“刺激物”，便意味著能夠釋放電子，且能夠顯示在探測器上。這句話或許在原有的德語中聽起來更加優雅，但它所蘊含的結論和實驗吻合，并且肯定是非常令人興奮的。也就是說，即使一束激光被調低強度，直到一年只發射一個光子的程度，它最終仍然能夠形成明暗交錯的干涉圖案——一次一個點。光以不連續的小包裹形式前進，就像它是由粒子組成的那樣，但是又展現出干涉現象，就像它是一道波一樣。

把兩方面合在一起，一方面光表現出類似干涉的波狀特性，另一方面光行進時能量是以含有由其頻率決定的能量的不連續的小包裹形式傳遞的。這個事實告訴我們，光既不是我們在經典物理中理解的波，也不是經典的粒子，它完全是另一種東西——在低光強度和高頻率的情況下，意味著我們進入了一個新的物理世界，我們需要一套新的概念去描述它。光子是“量子場”里的激發產物。而量子場就是我們正在航行的大海。

向導在現在這個階段看上去十分得意揚揚，且已經完全吸引住了圍觀船員的注意力。他的演示抓住了我們的注意力，也使我們離真正理解量子場是什么以及如何運作更近了一步。但是我們需要知道更多，他也非常樂意告訴我們。