2.爱因斯坦的光量子

1905年爱因斯坦建立了狭义相对论，抛弃了性质怪异的“以太”，完全赋予电磁场自身以物质性。但爱因斯坦主张光的粒子说，在普朗克能量子假说基础上，提出了电磁场光量子学说：光不仅象普朗克已指出过的，在发射和吸收时能量是量子化的，而且光在空间传播时，也是一粒一粒以光速 运动的粒子流。这些光粒子称为光量子，也称光子。光子是独立的、永久的物质粒子，是电磁能的承载者。电磁场的基本本体再次发生了变更。

爱因斯坦假定，每个光子的能量同普朗克能量子的能量相等，也是ε＝hν，ν既是普朗克振子的频率，也是光子和电磁波的频率，但不同频率的光子具有不同的能量。光子的静止质量为零，运动质量m = hν/c²，光子的动量P = hν/c，光子对应的光波波长λ＝h/p 。

光在空间传播，单位时间内通过单位面积的能流密度S，决定于单位面积的光子数N。频率为ν的单色光波的能流密度为：S＝Nhν。利用光量子学说，爱因斯坦成功地解释了光电效应实验，并因此获得了诺尔奖。

古典的光粒子说虽然在爱因斯坦光量子中得到了进一步巩固，但爱因斯坦的光粒子并不同于古典的光粒子，它与波相伴。如何利用爱因斯坦光量子学说解释光的波动性？光的波动性，也是光的基本特性！

利用爱因斯坦的光量子学说，光的波动性，应该可以从下述两个方面进行理解。一方面，无论连续的场还是离散的粒子，光在物理时空中的能流密度分布可看作是光的波动性表现，电磁学中的麦克斯韦方程组，经典场论中的矢量方程和张量方程，即为这种波动性的描述方程^[7]；另一方面，光量子数的空间分布也可以看作是光的波动性表现。爱因斯坦认为电磁波是多光子离散粒子统计散布的数学表述^[8]；电磁场由光量子构成，基本本体由连续场演变为离散粒子，粒子是实体的，波是虚的，波场本身并没有能量和动量。所以，爱因斯坦称电磁波是“鬼场”^[9]。基本本体的变更，又使科学前进了一步，光电效应实验得到了解释。

爱因斯坦承认单光子的概率属性，但那是多光子离散粒子场内单个光子的统计属性，就象热力学中的单个分子。电磁波是离散粒子场的，或者说是粒子“系综”（“系综”被简单理解为多粒子流）的。这或许是后来爱因斯坦一直反对波函数单粒子概率解释，不赞成上帝掷骰子，而支持波函数的多粒子统计系综解释（量子力学的系综并非爱因斯坦原意）的根本原因。也正是在这种解释的意义上，爱因斯坦的光波与德布罗意─薛定谔波的统计系综解释才有可能架起沟通的桥梁。

然而，实验表明单光子有自相干现象，单光子也有波性。单光子的波动本质是什么？它显然不是概率波，数学的概率波不能产生自干涉。它必须是物质实在的！爱因斯坦的离散粒子场或者统计“系综”不能包含单光子波的实在性。

必须强调，对电磁场的描述，无论是经典“场论”描述方式（场本体），还是多光子统计描述方式（粒子本体），所采用的模型均是“点”模型。因此，无论是连续的物质场（场本体），还是离散的粒子场（粒子本体），在处理相互作用时，均被认为是连续的。在相互作用层面上，连续的物质场与离散的粒子场并无本质区别。也正是在这种意义上，连续物质场的能量子与离散粒子场的光量子之间，经典区分模糊不清，光量子与能量子可视为等同^［10］。这就难怪爱因斯坦以热力学分子运动的波动性，去理解光量子的波动运动了。爱因斯坦似乎把热力学分子运动与光量子运动等同^［11］。

为了深入认识光的波粒二象性，强调光的波动性出现的条件是必要的。在单缝、双缝实验中，波长与缝宽差不多是波动性出现的先决条件。在光波的透射与反射实验中，半透镜的晶格结构与光波波长的关系，也是检验透镜工作效率的关键。一切光学实验表明，光的波动性出现，一定有其外界环境条件。而当今，在讨论光的波粒子二象性疑难时，对这个必要环境条件的分析，却被不恰当地忽视了。我认为，按传统观点认识，这刚好可能涉及更深层次基本本体的变更及物质存在形态的新认识。

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