光究竟是粒子還是波？這個問題自古即爭論不休，沒有定論。直到 1704 年牛頓出版《光學》一書，微粒說才因牛頓的崇高地位而壓過波動說，成為主流。不過，百年以後楊氏（Thomas Young）以雙狹縫實驗證實光具備波才有的干涉現象，後來法國物理學家菲涅耳（Augustin Fresnel）又提出更明確的實驗與理論，波動說自 1820 年代起又取代了微粒說。
沒想到 1900 年，普朗克提出量子的概念作為光的能量單位後，愛因斯坦竟又在 1905 年的論文中直接把光當成粒子，成功解釋了光電效應。然而已經普遍接受波動說的科學界大多無法認同，例如密立根就企圖以實驗駁斥光子說，只是沒想到他 1916 年得出的實驗數據反而吻合愛因斯坦的理論。即使如此，許多人仍對光子說持保留態度，最終能一錘定音，讓大家接受光也是粒子的，正是美國的物理學家康普頓（Arthur H. Compton, 1892－1962）。
康普頓於 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，跟 G. P. 湯姆森一起研究 γ 射線的散射。他對於散射後的 γ 射線變得比較容易被晶體吸收感到奇怪，因此 1920 年返國後，即開始用 X 光作散射實驗。
透過光譜儀，康普頓發現部分散射後的 X 光波長變長了，但正常而言，波反彈後不應該改變波長啊？另一方面，波長變長意味著能量變小，那麼短少的能量顯然是被晶體的電子吸收了。康普頓再從各種不同角度測量散射後的 X 光，發現損失的能量與散射的角度有絕對的關係。
1923 年，康普頓發表論文提出解釋：如果將 X 光散射視為光子與晶體中的電子像撞球那樣彼此相撞，那麼根據動量守恆所計算出來的結果，完全符合各種散射角度所測得的實驗數據；他並給出了「康普頓頻移公式」描述波長變化與散射角度的關係。也就是說在 X 光散射中，X 光表現得就像是粒子。
康普頓的實驗數據極為精確，難以挑剔，這多少歸功於他之前當研發工程師時的經驗，而能將測量儀器改造得更為靈敏。此一「康普頓效應」終於說服了原來存疑的物理學家接受愛因斯坦的光子說，光的波粒二象性從此成為共識，量子力學也因此有了牢固的基石。1927 年的諾貝爾物理獎因此頒獎給康普頓，以表揚他的重要發現。
本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。
View Comments