参考消息网10月15日报道 据西班牙《趣味》月刊9月23日报道，1922年，美国物理学家阿瑟·霍利·康普顿（1892年至1962年）发现了一个惊人现象：X射线同时具有波粒二象性。这一发现证实了量子力学的波粒二象性，并永远改变了我们对宇宙的认知。

  科学史上存在三类重要发现：理论贡献有限但实用价值高的发现，实践影响有限但有助于理论理解或发展的发现，以及不仅实用且能阐明宇宙运行规律的发现。康普顿效应的发现正是最后一类具有深远意义的典范。

  该效应也得名于康普顿，他是二十世纪上半叶科学革命的领军人物之一。在仅21岁时，他求学期间便已研制出康普顿发生器：这台装置成功证明了地球自转的存在。获得博士学位并工作数年后，他于第一次世界大战期间投身于飞机仪器的研发。1919年，他获得英国剑桥大学奖学金，在那里结识了同时代的诸多学术巨擘。

  他痴迷于高能电磁辐射，尤其着迷于X射线。这种由威廉·伦琴于1895年发现的幽灵般射线能够穿透不透明物体并在照相底片上显影。1922年，康普顿在实验中发现，X射线散射角度与波长之间存在特定关系：散射角度越大，波长越长。

  事实上，这一惊人的理论解释了无数现象，但其依据却是一系列反直觉的基础原理，其中某些原理与人们认为的常识截然相反。该理论最令人震惊的奇特之处在于：光子有时表现为波，有时又表现为粒子。在经典力学中，这种现象无法解释。根据日常经验，周围世界中的事物也是界限分明：物体就是物体，而粒子原则上也是物体，而扰动波则是截然不同的存在。这两类实体的特性毫无关联。

  起初，科学界对普朗克的理论相当怀疑，但情况在1905年发生了转变。爱因斯坦通过将光视为量子（他本人将其命名为“光子”）并将其视为粒子来阐明光电效应。事实上，要解释光电效应，除了假设光子是与物质碰撞并传递动能直至将电子击离原位的外来粒子外，别无他法。那么，光子为何时而表现为粒子，时而又表现为波？

  这个令人困扰的悖论使许多物理学家怀疑，能量的量子化或许并非真实现象，而只是数学技巧。连对量子理论发展贡献卓著的爱因斯坦本人也常流露出疑虑。一众物理学家争论不休，甚至形成两派：一派坚称量子化真实存在，另一派则认为这只是计算的便捷方式。

  正是康普顿效应最终为新理论赢得了决定性的支持。事实上，在实验中，当X射线（其本质是频率远高于可见光的电磁辐射）在碳块上反射后，其出射角增大导致波长延长，这一现象可解释为光子与石墨中碳原子电子碰撞时能量损失的结果，而这与光电效应的原理完全一致。观测到的能量损失与普朗克方程完美吻合。数月后，康普顿在权威期刊《物理评论》上发表了实验结果及结论，假设每个散射光子仅与单个电子发生相互作用。

  康普顿最终证实了量子化现象的真实性，但他的实验还揭示了另一项重大发现。所观测到的散射类型只能用粒子与电子碰撞来解释，无法用波动现象来解释。他的结果引起了轰动。自此，这种令人惊叹的波粒二象性便确立为量子现实的基本特征之一。事实上，由大量粒子构成的物体（如人类）同样具有波的属性，只是其波的幅度相对于物体体积微乎其微，因此宏观物体表现得如同普通物体。

  康普顿的研究成果理所当然地于1927年荣获诺贝尔物理学奖。成为芝加哥大学物理学教授后，康普顿在曼哈顿计划（原子弹的研究项目）中表现突出，他不仅领导芝加哥大学冶金实验室，还监督建造了著名的芝加哥一号反应堆，该核反应堆实现了人类历史上首次持续链式反应。

  实际上，康普顿效应在改善人类健康和探索宇宙方面所带来的应用，都无法与它对科学史的影响相提并论，尤其是在我们理解原子和亚原子层面的现实本质方面。它之所以如此重要，是因其揭示了能量量子化和波粒二象性这两大现象，而这两者正是人类历史上最奇特、最迷人且最成功的量子力学理论的两大支柱。（编译/刘丽菲）