譚天榮 發(fā)表于 - 2011-10-31 3:45:0

光電效應(yīng)與麥克斯韋電磁學(xué)

（二評(píng)量子物理學(xué)）

譚天榮

青島大學(xué) 物理系 青島 266071

ttr359@126.com

內(nèi)容摘要：本文證明：愛(ài)因斯坦的光子論不能說(shuō)明光電效應(yīng)．因?yàn)?span style="mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'">按照光子論，光電效應(yīng)是靜止電子與光子的非彈性碰撞。按照這種機(jī)制，電子在吸收光子的能量的同時(shí)，也會(huì)吸收光子的動(dòng)量，一個(gè)靜止電子在吸收了光子的動(dòng)量以后，應(yīng)該沿光的傳播方向運(yùn)動(dòng)。因此在光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，光電子的運(yùn)動(dòng)方向應(yīng)該與入射光的傳播方向一致，但在光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，光電子的運(yùn)動(dòng)方向與光的傳播方向幾乎是相反的。因此，光子論為光電效應(yīng)所設(shè)想的機(jī)制違背了動(dòng)量守恒定律。

第二，光電效應(yīng)可以通過(guò)麥克斯韋理論說(shuō)明如下：電子有一個(gè)自身的固有電磁場(chǎng)，而光波則是另一個(gè)電磁場(chǎng)。當(dāng)電子進(jìn)入光波中之后，這兩個(gè)電磁場(chǎng)的因相互迭加而場(chǎng)能突變，這個(gè)場(chǎng)能的改變量立刻轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能，就像落體進(jìn)入重力場(chǎng)以后落體的勢(shì)能立刻轉(zhuǎn)化為落體的動(dòng)能一樣。

金屬中的靜止電子進(jìn)入光波以后，將經(jīng)歷一個(gè)吸收一份光波并從靜止轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的過(guò)程，如果該電子立刻作脫出功并離開(kāi)金屬，那就是光電效應(yīng)。如果它接著又離開(kāi)光波則將經(jīng)歷一個(gè)與進(jìn)入光波相反的過(guò)程，從而再次改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并發(fā)射一份光波，這就是康普頓效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：光電效應(yīng)；愛(ài)因斯坦；光子論；光的波動(dòng)說(shuō)；電動(dòng)力學(xué)；落體運(yùn)動(dòng)；勢(shì)能；迭加場(chǎng)能；洛倫茲問(wèn)題；康普頓效應(yīng)

1       引言

最近，讀了曹天元的新作《上帝擲骰子嗎——量子物理史話》，重新點(diǎn)燃了我批判量子物理學(xué)的激情。我把我的批判寫(xiě)成下面的一組論文。我已經(jīng)到了耄耋之年，這是我的最后一搏。

關(guān)于光電效應(yīng)，曹天元寫(xiě)道：

“對(duì)于可憐的物理學(xué)家們來(lái)說(shuō)，萬(wàn)事總是不遂他們的愿。好不容易有了一個(gè)基本上完美的理論，實(shí)驗(yàn)總是要搞出一些怪事來(lái)攪亂人們的好夢(mèng)。這個(gè)該死的光電效應(yīng)正是一個(gè)喪氣和掃興的東西。高雅而尊貴的麥克斯韋理論在這個(gè)小泥塘前面大大地犯難，如何跨越過(guò)去而不弄臟自己那華麗的衣裳，著實(shí)是一樁傷腦筋的事情?！?span lang="EN-US">

那么，該死的光電效應(yīng)是怎么令物理學(xué)家們喪氣和掃興的呢？

2       咄咄怪事

實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)光照射金屬表面時(shí)，會(huì)從它的表面打出電子來(lái)。這就是“光電效應(yīng)”，被光打出的電子稱為“光電子”，光電效應(yīng)具有如下基本性質(zhì)：

第一，對(duì)于某種特定的金屬來(lái)說(shuō)，是否有光電子逸出只與光的頻率有關(guān)。頻率高的光線能打出能量較高的光電子。

第二，照射金屬的光越強(qiáng)，能打出的光電子越多。

第三，光照射金屬表面時(shí)，立刻有光電子逸出，沒(méi)有時(shí)間延遲。

人們認(rèn)為，光的波動(dòng)說(shuō)不能解釋光電效應(yīng)，怎見(jiàn)得呢？大學(xué)物理教程是這樣描寫(xiě)的：按照光的波動(dòng)說(shuō)，光照射金屬表面時(shí)，金屬中的自由電子進(jìn)入光波，于是電子在光波作用下強(qiáng)迫振動(dòng)，當(dāng)電子的振動(dòng)能積累到一定程度時(shí)，就逸出金屬表面成為光電子，這就是光電效應(yīng)。按照這種機(jī)制，光電子的動(dòng)能取決于光的強(qiáng)度，與光的頻率無(wú)關(guān)。而且電子的振動(dòng)能的積累要一定時(shí)間，因此，從光開(kāi)始照射到光電子逸出，應(yīng)有“時(shí)間延遲”。而這些結(jié)論都與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不符。

于是曹天元稱光電效應(yīng)為“咄咄怪事”，并且還說(shuō)：

“然而，更加不幸的是，人們總是小看眼前的困難。有著潔癖的物理學(xué)家們還在苦思冥想著怎樣可以把光電現(xiàn)象融入麥克斯韋理論之中而不去損害它的完美，它們卻不知道這件事情比它們想象的要嚴(yán)重得多。很快人們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這根本不是袍子干凈不干凈的問(wèn)題，這是一個(gè)牽涉到整個(gè)物理體系基礎(chǔ)的根本性困難。對(duì)于這一點(diǎn)，沒(méi)有最天才、最大膽和最富有銳氣的眼光，是無(wú)法看出來(lái)的?！?span lang="EN-US">

誰(shuí)具有最天才、最大膽和最富有銳氣的眼光呢？曹天元說(shuō)的是愛(ài)因斯坦。1905年，這位天才在《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》一文中，大膽地提出了“光量子”假說(shuō)：能量子概念不只是在光波的發(fā)射和吸收時(shí)才有意義，光波本身就是由一個(gè)個(gè)不連續(xù)的、不可分割的“光量子”所組成的，他還利用普朗克的能量量子化公式給出了光量子的能量和動(dòng)量表達(dá)式。愛(ài)因斯坦的光量子現(xiàn)在稱為“光子”，而他的光量子假說(shuō)現(xiàn)在稱為“光子論”。

人們普遍認(rèn)為：愛(ài)因斯坦的光子論是物理學(xué)上的劃時(shí)代的建樹(shù)，它成功地解釋了經(jīng)典電磁場(chǎng)理論無(wú)法解釋的光電效應(yīng)，首先揭示微觀世界的“波粒二象性”，為量子力學(xué)奠定了基礎(chǔ)。愛(ài)因斯坦在1921年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)是因?yàn)樗倪@一光子論而不是因?yàn)樗南鄬?duì)論。到了晚年，愛(ài)因斯坦自己也認(rèn)為光量子概念是他一生中所發(fā)現(xiàn)的最具革命性的思想。

然而，本文卻試圖證明：

第一，愛(ài)因斯坦的光子論不能說(shuō)明光電效應(yīng)。

第二，“光電現(xiàn)象”可以融入麥克斯韋理論之中，但為此而需要的不是“最天才、最大膽和最富有銳氣的眼光”，而是一個(gè)平常人的心態(tài)；不是蓬勃的革命激情，而是細(xì)心的思考與寧?kù)o的探索。

3       光子論——天才的失誤

我絲毫不想貶低愛(ài)因斯坦對(duì)物理學(xué)的貢獻(xiàn)，但我不能不指出：他的光子論有一個(gè)極為初等的錯(cuò)誤。在這里，我將從各種角度指出這一錯(cuò)誤。

按照光子論，光電效應(yīng)是如下過(guò)程：光波同時(shí)又是一束稱為“光子”的粒子，頻率為n的光波，其光子具有能量hn，其中h是普朗克常量。當(dāng)光照射金屬表面時(shí)，如果在金屬中靜止的電子了吸收一個(gè)光子，則將獲得光子的能量，并將這一能量轉(zhuǎn)化為自身的動(dòng)能，從而離開(kāi)金屬。在逸出金屬表面的過(guò)程中經(jīng)過(guò)金屬的表面層時(shí)將作“脫出功”W。于是，只有當(dāng)hn大于W時(shí)，該電子才能離開(kāi)金屬，成為光電子，其動(dòng)能等于hn與W之差。

這里有一個(gè)細(xì)節(jié)要弄清楚：光電子是“先吸收光子再作脫出功”還是“一面吸收光子一面作脫出功”。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于給定的金屬，每個(gè)光電子所作的脫出功是一樣的，從而只有頻率大于某一下限（或“閾值”）的光才能從該金屬擊出電子。光電子只有先吸收光子再作脫出功，才能出現(xiàn)這種情況。因此，光電效應(yīng)可以分解為兩步：

第一步，在金屬中靜止的電子吸收了一個(gè)光子，從而獲得動(dòng)能hn。

第二步，吸收了光子的電子離開(kāi)金屬表面，作脫出功W，從而其動(dòng)能從hn變成hn減去W。

光子論的問(wèn)題出在上面的第一步，我提出了四個(gè)論據(jù)證明這一步是不能實(shí)現(xiàn)的。

論據(jù)1：如果按照光子論把光電效應(yīng)理解為靜止電子與光子的非彈性碰撞，那么，電子在吸收光子的能量的同時(shí)，也會(huì)吸收光子的動(dòng)量，一個(gè)靜止電子在吸收了光子的動(dòng)量以后，應(yīng)該沿光的傳播方向運(yùn)動(dòng)。因此在光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，光電子的運(yùn)動(dòng)方向應(yīng)該與入射光的傳播方向一致，但在光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，光電子的運(yùn)動(dòng)方向與光的傳播方向幾乎是相反的。因此，光子論為光電效應(yīng)所設(shè)想的機(jī)制違背了動(dòng)量守恒定律。

論據(jù)2：按照光子論，對(duì)于地球這一參照系，光電效應(yīng)是如下過(guò)程：電子原來(lái)是靜止的，由于吸收了一個(gè)光子，轉(zhuǎn)入某一等速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這一過(guò)程滿足能量守恒定律。但存在另一參照系，對(duì)于它該過(guò)程卻具有如下效果：電子原來(lái)處于等速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，吸收電子以后，反而轉(zhuǎn)入靜止?fàn)顟B(tài)。這樣，電子吸收了一個(gè)光子，反而失去了動(dòng)能，這就違反了能量守恒定律了。

根據(jù)相對(duì)論，“能量守恒定律”與“動(dòng)量守恒定律”是一個(gè)整體，稱為“能量動(dòng)量守恒定律”。按照光子論，雖然對(duì)于地球這一參照系，光電效應(yīng)過(guò)程滿足能量守恒定律，但對(duì)另一參照系卻不滿足。這樣，對(duì)于地球這一參照系，該過(guò)程肯定不遵守“動(dòng)量守恒定律”。因此，論據(jù)2與論據(jù)1其實(shí)是同一論據(jù)的兩種表現(xiàn)方式。這個(gè)論據(jù)就是：光子論為光電效應(yīng)所設(shè)想的機(jī)制違背了物理學(xué)的一個(gè)最基本的原理——能量動(dòng)量守恒定律。

論據(jù)3：在愛(ài)因斯坦的“相對(duì)論”中，“相對(duì)”與“絕對(duì)”具有如下特殊含義：對(duì)一切參照系都成立的性質(zhì)稱為“絕對(duì)的”，僅對(duì)某一參照系成立而對(duì)其他參照系卻不成立的性質(zhì)稱為“相對(duì)的”。按照這種含義，如果對(duì)于某一參照系，一個(gè)物體經(jīng)歷了一個(gè)吸收（發(fā)射）過(guò)程，則對(duì)于其它參照系，該物體所經(jīng)歷的也是一個(gè)吸收（發(fā)射）過(guò)程，因此，“吸收”與“發(fā)射”的對(duì)立是絕對(duì)的。反之，如果對(duì)于某一參照系，一個(gè)物體經(jīng)歷了一個(gè)加速過(guò)程，則對(duì)于另一參照系，該物體所經(jīng)歷的可能是一個(gè)減速過(guò)程，因此，“加速”與“減速”的對(duì)立是相對(duì)的。由此我們得出結(jié)論：一個(gè)物體不可能僅僅靠吸收來(lái)加速（也不可能以減速為代價(jià)來(lái)輻射）。這個(gè)命題也可以表成：“如果一個(gè)物體在一個(gè)吸收過(guò)程中被加速，則該過(guò)程除了吸收和加速之外，一定還有第三種效果?！?/span>

根據(jù)愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)公式，電子吸收光子的過(guò)程乃是電子經(jīng)歷一個(gè)吸收并且加速卻并不引起第三種效果的過(guò)程，這就與相對(duì)論相矛盾了。

論據(jù)4：根據(jù)相對(duì)論，如果一個(gè)電子吸收了一個(gè)光子，則它的靜止質(zhì)量一定會(huì)增加，從而不再是電子?？墒窃诠怆娦?yīng)中，電子被光波打出金屬表面以后，仍然還是電子?；蛟S有人問(wèn)：按照波爾的原子理論，原子中的電子可以吸收一個(gè)光子，并且從一個(gè)穩(wěn)定軌道躍遷至另一穩(wěn)定軌道。電子的靜止質(zhì)量為什么沒(méi)有因此而改變呢？在原子中，吸收光波只會(huì)改變?cè)拥撵o止質(zhì)量卻不會(huì)改變電子的靜止質(zhì)量。因此，這一過(guò)程吸收光波的是原子而不是電子。

因此，光子論為光電效應(yīng)所設(shè)想的機(jī)制不僅與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不符，而且明顯地違背相對(duì)論，而相對(duì)論正是愛(ài)因斯坦自己建立的。愛(ài)因斯坦確實(shí)是當(dāng)之無(wú)愧的物理學(xué)天才，而光子論，則是這位天才的失誤。這一失誤充分說(shuō)明，愛(ài)因斯坦對(duì)于他創(chuàng)建的相對(duì)論極度缺乏感性認(rèn)識(shí)。盡管相對(duì)論是一個(gè)他自己建立的王國(guó)。但相對(duì)論對(duì)于他來(lái)說(shuō)始終是一個(gè)神秘莫測(cè)的王國(guó)。

4       落體運(yùn)動(dòng)與光電效應(yīng)

為了“把光電現(xiàn)象融入麥克斯韋理論之中”，首先必須否定前人的“光的波動(dòng)說(shuō)不能說(shuō)明光電效應(yīng)”的論斷。這遠(yuǎn)不是一件令人開(kāi)心的差事，因?yàn)榍叭说挠嘘P(guān)論據(jù)實(shí)在錯(cuò)誤百出，慘不忍睹。

就說(shuō)“電子在光波作用下作強(qiáng)迫振動(dòng)”吧，簡(jiǎn)直錯(cuò)得離譜！要一個(gè)電子作強(qiáng)迫振動(dòng)，必須有某種“恢復(fù)力”，這種恢復(fù)力是一種電子之外的力場(chǎng)，而“自由電子”之所以是自由電子，就是因?yàn)樗惶幵谕饬?chǎng)中。再說(shuō)，就算電子在光波作用下會(huì)作強(qiáng)迫振動(dòng)，它的頻率多大，振幅多大呢？按照強(qiáng)迫振動(dòng)的定義，其頻率是光的頻率，從而其振幅小于光的波長(zhǎng)（否則電子的速度將超過(guò)光速），這么急促而微小的振動(dòng)，連儀器都觀測(cè)不到，怎能使電子離開(kāi)金屬表面呢？總之，前人只要稍稍思考一下，就決不會(huì)提出像這樣的令人啼笑皆非的論據(jù)。

不幸的是，諸如此類的錯(cuò)誤命題在物理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域比比皆是。今天，物理學(xué)積累的錯(cuò)誤已經(jīng)成了人類思想領(lǐng)域中的奧吉亞斯牛圈。我遠(yuǎn)沒(méi)有清理這個(gè)牛圈的雄心壯志，只有對(duì)于導(dǎo)致物理學(xué)重大失誤的關(guān)鍵性錯(cuò)誤，例如像愛(ài)因斯坦的光子論那樣的錯(cuò)誤，我才不得已地給以必要的清理打掃。

美國(guó)物理學(xué)家大衛(wèi)·波姆在《量子理論》一書(shū)中對(duì)“光的波動(dòng)說(shuō)不能說(shuō)明光電效應(yīng)”這一論斷提出了另一種論據(jù)。他不是訴諸某種特殊的機(jī)制而是訴諸經(jīng)典物理學(xué)的普遍原理，為此，他著重考察光電效應(yīng)沒(méi)有明顯的時(shí)間延遲這一實(shí)驗(yàn)事實(shí)，在考察了各種可能性之后，玻姆得出結(jié)論：

A.      用能量從輻射場(chǎng)向物質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)移過(guò)程來(lái)解釋光電效應(yīng)的所有努力都失敗了。

我不在這里一一反駁玻姆的各種論據(jù)。只想指出一點(diǎn)：命題A中的“輻射場(chǎng)”是“場(chǎng)”的一種特殊形式，而“物質(zhì)”則是指某種“實(shí)物”。問(wèn)題在于，對(duì)于經(jīng)典物理學(xué)，“場(chǎng)”與“實(shí)物”的相互作用是不是總有時(shí)間延遲。我們不妨考慮一個(gè)最熟悉的例子：“重力場(chǎng)”是“場(chǎng)”的一種特殊形式，而“落體”則是某種“實(shí)物”，對(duì)于落體運(yùn)動(dòng)，自由落體進(jìn)入重力場(chǎng)就立刻下落，并沒(méi)有時(shí)間延遲。借問(wèn)波姆，如果你用能量從“重力場(chǎng)”向“落體”逐漸轉(zhuǎn)移過(guò)程來(lái)解釋落體運(yùn)動(dòng)，你能不失敗嗎？

那么，在落體運(yùn)動(dòng)中，重力場(chǎng)的能量是怎樣轉(zhuǎn)移給落體的呢？

中學(xué)的物理教程對(duì)這一問(wèn)題的回答是：重力場(chǎng)的能量是“勢(shì)能”，落體的能量是動(dòng)能，落體進(jìn)入重力場(chǎng)中以后，立刻開(kāi)始了從勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過(guò)程，這就是重力場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)移給落體的過(guò)程。

可是，什么是“勢(shì)能”？它從何而來(lái)？?jī)?chǔ)存在什么地方？怎樣轉(zhuǎn)移到落體？等等，等等……從中學(xué)到大學(xué)，我一直為這些問(wèn)題而苦惱。學(xué)過(guò)電動(dòng)力學(xué)之后，我總算得到了一個(gè)令自己滿意的回答。

電動(dòng)力學(xué)研究的是電磁場(chǎng)而不是重力場(chǎng)，電磁場(chǎng)的能量是“場(chǎng)能”，但電動(dòng)力學(xué)中的“靜電學(xué)”中也有“勢(shì)能”這一概念，這就為認(rèn)清“勢(shì)能”與“場(chǎng)能”之間的關(guān)系打開(kāi)了一個(gè)小窗戶。

為了闡明我對(duì)“勢(shì)能”這一概念的理解，首先引進(jìn)一個(gè)用語(yǔ)：設(shè)有兩個(gè)場(chǎng)組成一個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)這兩個(gè)場(chǎng)相互分離時(shí)，系統(tǒng)的場(chǎng)能是這兩個(gè)場(chǎng)各自的場(chǎng)能之和；而在兩個(gè)場(chǎng)相遇并相互迭加，形成一個(gè)統(tǒng)一的場(chǎng)之后，系統(tǒng)的場(chǎng)能是這個(gè)統(tǒng)一的場(chǎng)的場(chǎng)能。在這兩個(gè)場(chǎng)從“相互分離”的狀態(tài)過(guò)渡到“相互迭加”的狀態(tài)的過(guò)程中，系統(tǒng)的場(chǎng)能將會(huì)改變，我把這個(gè)“場(chǎng)能的改變量”稱為這兩個(gè)場(chǎng)的“迭加場(chǎng)能”。

按照靜電學(xué)，靜止的電荷將激發(fā)一個(gè)靜電場(chǎng)?？紤]由兩個(gè)靜止的點(diǎn)電荷組成的系統(tǒng)，當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)電荷遠(yuǎn)離時(shí)，它們各自激發(fā)一個(gè)靜電場(chǎng)；當(dāng)它們靠近時(shí)，兩個(gè)靜電場(chǎng)迭加起來(lái)合成為一個(gè)。我作了一個(gè)推導(dǎo)，證明在這一“兩個(gè)點(diǎn)電荷相互靠近”的過(guò)程中這兩個(gè)靜電場(chǎng)的“迭加場(chǎng)能”，就是這兩個(gè)點(diǎn)電荷的“相對(duì)勢(shì)能”。如果兩個(gè)點(diǎn)電荷都是正的或者都是負(fù)的，則過(guò)程中系統(tǒng)的靜電場(chǎng)能會(huì)增加，這時(shí)勢(shì)能是正的；反之，如果兩個(gè)點(diǎn)電荷一正一負(fù)，則過(guò)程中系統(tǒng)的靜電場(chǎng)能會(huì)減少，這時(shí)勢(shì)能是負(fù)的。

我是在大學(xué)三年級(jí)的時(shí)候給出這一推導(dǎo)的，其關(guān)鍵的一步是通過(guò)已知的靜電場(chǎng)的“場(chǎng)強(qiáng)”的表達(dá)式，用積分算出相隔一定距離的兩個(gè)點(diǎn)電荷的靜電場(chǎng)能，這是一道不難不易的計(jì)算題。當(dāng)我算出這一結(jié)果時(shí)，興奮得一夜未眠，我可知道“勢(shì)能”是怎么回事了！然而當(dāng)我試圖與我對(duì)同學(xué)們分享我的快樂(lè)時(shí)，卻完全意外地遭到冷遇，他們異口同聲地說(shuō)：“這有什么意義！”

從那時(shí)起，我隱約感到，我的同學(xué)們對(duì)物理世界的理解和我大不一樣。我理解的物理世界總是帶著感性的微笑每日每時(shí)地向我招手。而他們卻把物理世界看作一個(gè)神秘莫測(cè)的“奇跡王國(guó)”，這個(gè)王國(guó)的狀況越是稀奇古怪、匪夷所思，他們就越是感到親切和欣喜。反之，對(duì)我所理解的感性的物理世界，他們總是懷著莫名其妙的敵意。

回到落體問(wèn)題，有了“迭加場(chǎng)能”的概念，重力場(chǎng)向落體轉(zhuǎn)移能量的機(jī)制可描述如下：

B.      地球有一個(gè)引力場(chǎng)，即重力場(chǎng)，落體也有一個(gè)引力場(chǎng)。在落體進(jìn)入重力場(chǎng)以后，這兩個(gè)引力場(chǎng)相遇，其迭加場(chǎng)能就是“落體的勢(shì)能”。當(dāng)一個(gè)物體成為自由落體時(shí)，這個(gè)勢(shì)能就立刻轉(zhuǎn)化為落體的動(dòng)能。這樣，落體的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過(guò)程，就是“重力場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)移給落體”的過(guò)程。

有了對(duì)“落體運(yùn)動(dòng)”的上述感性認(rèn)識(shí)，當(dāng)我在課堂上聽(tīng)到老師講到“光電效應(yīng)”時(shí)，立刻領(lǐng)悟到它是怎么回事：

C.      電子有一個(gè)“固有電磁場(chǎng)”，而光波則是另一個(gè)電磁場(chǎng)，當(dāng)電子進(jìn)入光波以后，這兩個(gè)電磁場(chǎng)的“迭加場(chǎng)能”立刻轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能，就像落體進(jìn)入重力場(chǎng)以后落體的勢(shì)能立刻轉(zhuǎn)化為落體的動(dòng)能一樣。這就是在光電效應(yīng)中，光波向自由電子轉(zhuǎn)移能量的機(jī)制。

根據(jù)這種機(jī)制，當(dāng)時(shí)（那年我19 歲）我就知道光電效應(yīng)為什么沒(méi)有時(shí)間延遲，至于光電效應(yīng)的其他性質(zhì)，我過(guò)了一段時(shí)間才弄清楚。

在某種意義下，“經(jīng)典物理學(xué)”起始于落體運(yùn)動(dòng)，而終結(jié)于光電效應(yīng)。從命題B和命題C我們看到，“經(jīng)典物理學(xué)”的起點(diǎn)與終點(diǎn)竟然都是關(guān)于“迭加場(chǎng)能”的問(wèn)題，真可謂“成也迭加場(chǎng)能，敗也迭加場(chǎng)能”！

如果說(shuō)“光子論”源于“最天才、最大膽、最富有銳氣的眼光”；那么，“迭加場(chǎng)能”的概念就來(lái)自細(xì)心的思考與寧?kù)o的探索。光子論早已名揚(yáng)天下，而“迭加場(chǎng)能”卻恐怕永遠(yuǎn)也登不了大雅之堂。為什么會(huì)這樣呢？記得一位哲人遇到類似的情況時(shí)，埋怨他所處的那個(gè)“充滿卑鄙的成見(jiàn)與狡猾的妄想的時(shí)代”，而我更愿意把這種現(xiàn)象的根源歸結(jié)為人的天性：至少在物理學(xué)領(lǐng)域里，怪誕的“新穎觀念”總比平淡的邏輯推理更受歡迎！

如果說(shuō)通過(guò)命題B我們對(duì)落體運(yùn)動(dòng)并沒(méi)有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，那么命題C就為說(shuō)明光電效應(yīng)鋪平了錦繡前程。但在此之前我們還得對(duì)電子有某些新的認(rèn)識(shí)。

5       怪異的電子

今天，人們非常熟悉“電子”這一用語(yǔ)：要看時(shí)間，手上帶著電子表，墻上掛著電子鐘；要看書(shū)，電子版各種書(shū)籍應(yīng)有盡有，可以打開(kāi)電子計(jì)算機(jī)在網(wǎng)上在線閱讀，也可以下載下來(lái)慢慢看；要寫(xiě)信，可以寫(xiě)電子郵件，通過(guò)電子信箱投遞，快的幾乎沒(méi)有時(shí)間延遲；要開(kāi)車(chē)，駕駛臺(tái)前電子儀表琳瑯滿目；要給孩子買(mǎi)生日禮物，超市的電子玩具目不暇接……。一言以蔽之，現(xiàn)代生活的任何一個(gè)環(huán)節(jié)似乎都少不了某種以“電子”命名的玩意。

然而，只有少數(shù)人才關(guān)心電子到底是一個(gè)什么東西，也只有少數(shù)人才知道，電子的行為十分出人意料，使人們絞盡腦汁。

早在上世紀(jì)的二十年代，物理學(xué)家們就為了研究電子的行為建立了一個(gè)新的分支——量子力學(xué)，但這個(gè)量子力學(xué)卻極為艱深難懂。對(duì)此，許多物理學(xué)家直言不諱。例如，美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)曼曾說(shuō)：“沒(méi)有人能理解量子力學(xué)。”前蘇聯(lián)物理學(xué)家蘭道也說(shuō)：“量子力學(xué)永遠(yuǎn)不可能被‘理解’，你們只須去習(xí)慣它?！被蛟S，任何一門(mén)新的學(xué)科對(duì)于初學(xué)者都是困難的，但是量子力學(xué)的困難卻不同一般，量子力學(xué)王國(guó)里的國(guó)王波爾曾說(shuō)：“如果一個(gè)人說(shuō)他可以思考量子力學(xué)而不會(huì)感到迷惑，這只不過(guò)說(shuō)明他一點(diǎn)也不懂量子力學(xué)?！?/span>

在量子力學(xué)中，電子是一個(gè)幽靈，美國(guó)物理學(xué)家馬根瑙是這樣說(shuō)的：“一個(gè)電子是一個(gè)抽象的事物，它不能使用日常經(jīng)驗(yàn)所熟悉的樣子去直覺(jué)地理解，而是要運(yùn)用數(shù)學(xué)算符、可觀察量和態(tài)等形式上的步驟去確定的。”

為什么前人把電子說(shuō)得這樣“邪乎”呢？我的回答是，由于一系列大大小小的錯(cuò)誤，其中一小部分是來(lái)自“最天才、最大膽、最富有銳氣的”重大失足，而大部分則是源于多如牛毛、駁不勝駁的小小的疏忽，所有這些錯(cuò)誤歸根結(jié)底是由于一個(gè)原因：物理學(xué)家們忘記了電子有一個(gè)“固有電磁場(chǎng)”。誠(chéng)然，電子不同于我們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)所熟悉的物體，但它決不只是一個(gè)“抽象的事物”，而是一個(gè)活蹦亂跳的、實(shí)實(shí)在在的小家伙。在這里，我們從電子的兩個(gè)顯而易見(jiàn)的性質(zhì)出發(fā)，應(yīng)用麥克斯韋電磁學(xué)的已知規(guī)律，導(dǎo)出的電子的某些雖然新奇但并不古怪的特征。

第一，根據(jù)牛頓力學(xué)，一個(gè)物體（例如，一個(gè)帶電剛球，或更復(fù)雜的帶電系統(tǒng)）可以有固定的質(zhì)量，固定的形狀，甚至可以有固定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（相對(duì)于質(zhì)心的），但不可能有固定的角動(dòng)量。因?yàn)槲矬w的角動(dòng)量在外部作用下是可變的。如果一個(gè)物體在外部作用下獲得了某一角動(dòng)量，則當(dāng)外部作用停止時(shí)，它就隨遇而安地保持這一角動(dòng)量。因此物體可以取任意角動(dòng)量，它對(duì)哪一個(gè)角動(dòng)量也不偏愛(ài)。

然而大家都知道，電子卻有它所偏愛(ài)的自旋角動(dòng)量，在各種外部條件下電子總能保持自己的角動(dòng)量不變。這一事實(shí)表明：電子有一種“內(nèi)在的自我調(diào)節(jié)機(jī)制”，既然是調(diào)節(jié)，當(dāng)然是有彈性的，電子的角動(dòng)量并不是絕對(duì)不變，只不過(guò)當(dāng)它在外部作用下有所改變時(shí)，電子總能自動(dòng)地迅速恢復(fù)到它所偏愛(ài)的角動(dòng)量。

德國(guó)生物學(xué)家恩斯特·?？藸栐缇驼f(shuō)過(guò)，原子是具有“意識(shí)”的，他的意思正是說(shuō)，原子有“內(nèi)在的自我調(diào)節(jié)機(jī)制”。但“意識(shí)”這一用語(yǔ)似乎還是有一點(diǎn)詞不達(dá)意，原子與其說(shuō)是“有意識(shí)的”，倒不如說(shuō)是“自動(dòng)的”。

第二，電子的狀態(tài)是“經(jīng)久不變”的：一個(gè)電子今天是電子，明天它還是電子，不論過(guò)多久它還是電子。從牛頓力學(xué)的角度來(lái)看，這一事實(shí)似乎是不言而喻的，而從電動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，這里面可就大有玄機(jī)了。

“不變”意味著電子內(nèi)部達(dá)到了“平衡”，而“持久不變”則意味著這種平衡是極為“穩(wěn)定的”。問(wèn)題在于：在電子內(nèi)部到底達(dá)到了什么樣的平衡？又怎樣維持穩(wěn)定？

考慮到電子有一個(gè)“固有電磁場(chǎng)”，我們可以把電子看作是一個(gè)帶電粒子與一個(gè)電磁場(chǎng)的復(fù)合體。為了言簡(jiǎn)意賅，我把電子的“帶電粒子”稱為“粒子”，把電子的“固有電磁場(chǎng)”稱為“波包”。根據(jù)電動(dòng)力學(xué)，這兩部分處于經(jīng)常的相互作用之中，而電子內(nèi)部達(dá)到的平衡就是其“粒子”與“波包”之間的平衡。這種平衡是雙重的：一方面，波包以“洛侖茲力”四面八方作用于粒子，但其合力必須為零，從而波包既不會(huì)推動(dòng)也不會(huì)阻滯粒子，這是一種“力學(xué)的平衡”。因?yàn)橛辛W(xué)的平衡，粒子不受外力作用時(shí)，其整體運(yùn)動(dòng)是等速直線運(yùn)動(dòng)；更一般地，在外電磁場(chǎng)中，粒子將像一個(gè)“點(diǎn)電荷”或“帶電剛體”一樣運(yùn)動(dòng)。另一方面，電子有電荷，根據(jù)麥克斯韋方程，“粒子”作為電荷的負(fù)荷者必然不斷激發(fā)電磁場(chǎng)。但這種激發(fā)過(guò)程必須既不會(huì)改變粒子的狀態(tài)，也不會(huì)改變波包的狀態(tài)，這是一種“電學(xué)的平衡”。因?yàn)橛须妼W(xué)的平衡，靜止電子的“波包” 只能是一種“靜止的波”，即只能是一種“駐波”。我把電子內(nèi)部的“力學(xué)的平衡”與“電學(xué)的平衡”兩者之合，總稱為“電動(dòng)平衡”。而電子的“內(nèi)在的自我調(diào)節(jié)機(jī)制”，則負(fù)責(zé)維持這種電動(dòng)平衡的穩(wěn)定性。

如果電子處于永恒的電動(dòng)平衡狀態(tài)，則除了它有固定的角動(dòng)量和固定的磁矩之類的特征以外，與牛頓力學(xué)意義下的“物體”無(wú)異。然而事實(shí)并非如此，在不同的外部條件下電子的電動(dòng)平衡狀態(tài)是不同的，當(dāng)外部條件突然改變時(shí)，電子不得不從一種電動(dòng)平衡狀態(tài)過(guò)渡到另一種電動(dòng)平衡狀態(tài)。這種過(guò)程的前一半是破壞原來(lái)的電動(dòng)平衡，后一半則是建立新的電動(dòng)平衡。這就表明，電子的電動(dòng)平衡雖然由于電子有內(nèi)在的自我調(diào)節(jié)機(jī)制而極為穩(wěn)定，但也不是永恒不變的。

如果在某一過(guò)程中，電子始終保持最初的電動(dòng)平衡狀態(tài)，則從微觀的角度來(lái)看，該過(guò)程是一個(gè)連續(xù)過(guò)程。反之，如果電子經(jīng)歷了一個(gè)從一種電動(dòng)平衡狀態(tài)到另一種電動(dòng)平衡狀態(tài)的過(guò)渡階段，那么該電子就經(jīng)歷了一次所謂“量子躍遷”。只有從比“微觀”更深一層次的角度來(lái)看，“量子躍遷”才是一個(gè)連續(xù)過(guò)程。

由此可見(jiàn)，電動(dòng)力學(xué)意義下的“物體”與牛頓力學(xué)意義下的“物體”有完全不同的含義：牛頓力學(xué)意義下的“物體”是僵死的、被動(dòng)的、只能受外力推動(dòng)的“物體”；而電動(dòng)力學(xué)意義下的“物體”則是有著內(nèi)部的、必然的、自己的運(yùn)動(dòng)的一種新型“物體”。

上面，我們列舉了電子的某些特征。盡管掛一漏萬(wàn)，還是能看出電子的行為極為奇特。但同時(shí)我們也看到，電子的形象依然是直觀的，電子的行為依然是因果的、決定論的?；蛟S，對(duì)于習(xí)慣了牛頓力學(xué)思想方法的初學(xué)者來(lái)說(shuō)，電子的行為有些“高深莫測(cè)”，但決不是“匪夷所思”的！

考慮到電子有一個(gè)固有電磁場(chǎng)，電子在給定的外部條件下將會(huì)怎樣運(yùn)動(dòng)呢？首先考慮這一問(wèn)題的是以洛倫茲為代表的“電子論學(xué)派”，我們稱它為“洛倫茲問(wèn)題”。由于沒(méi)有考慮到電子是一個(gè)有著內(nèi)部的、必然的、自己的運(yùn)動(dòng)的一種新型物體，沒(méi)有考慮到電子有一種內(nèi)部的自我調(diào)節(jié)機(jī)制，電子論解決洛倫茲問(wèn)題的嘗試失敗了。但我們即將陸續(xù)看到：所謂“量子現(xiàn)象”正是大自然對(duì)洛倫茲問(wèn)題的回答，而量子力學(xué)，則是這種回答的數(shù)學(xué)表述。

6       對(duì)光電效應(yīng)的再考察

回到光電效應(yīng)。

曹天元說(shuō)光電效應(yīng)是“無(wú)法用電磁理論說(shuō)通的現(xiàn)象”，是“光子論”的一門(mén)重炮。而我將在這里證明，光電效應(yīng)是一種與電子的固有電磁場(chǎng)相關(guān)的電磁現(xiàn)象，是電子在某種特殊的外部條件下的行為，從而是大自然對(duì)洛侖茲問(wèn)題的回答。

當(dāng)電子從真空進(jìn)入光波時(shí)，由于外部條件突然改變，電子原有的電動(dòng)平衡遭到破壞，這時(shí)電子內(nèi)部的自我調(diào)節(jié)機(jī)制將使自己迅速達(dá)到新的電動(dòng)平衡。于是，電子進(jìn)入光波以后將經(jīng)歷一個(gè)從“真空中的電動(dòng)平衡”過(guò)渡到“光波中的電動(dòng)平衡”的過(guò)程，我稱這一過(guò)程為“入光過(guò)程”。這是一個(gè)怎樣的過(guò)程呢？

根據(jù)力學(xué)原理，進(jìn)入光波的電子將在光波的電力作用下振動(dòng)，雖然由于沒(méi)有平衡位置與恢復(fù)力，這種振動(dòng)的中心位置是移動(dòng)的，其振幅也小得不能為宏觀儀器所察覺(jué)，但仍然還是“振動(dòng)”。此外，電子有磁矩，因此它還會(huì)在光波的磁力作用下以交變的角速度“進(jìn)動(dòng)”。我把這種振動(dòng)和進(jìn)動(dòng)統(tǒng)稱為粒子的“光致運(yùn)動(dòng)”，光致運(yùn)動(dòng)將使粒子激發(fā)一個(gè)附加的電磁場(chǎng)，我稱它“光致波包”。于是，電子在真空中只有兩種運(yùn)動(dòng)：內(nèi)部運(yùn)動(dòng)與整體運(yùn)動(dòng)；而電子在光波中卻有三種運(yùn)動(dòng)：內(nèi)部運(yùn)動(dòng)、光致運(yùn)動(dòng)與整體運(yùn)動(dòng)。

在入光過(guò)程中，電子將產(chǎn)生“光致運(yùn)動(dòng)”，并且激發(fā)“光致波包”，為此，電子將從光波中吸收一份能量，換句話說(shuō)，將吸收一份光波。這份光波是入射光波的一部分，從而是一份有限的單色平面光波，由于有限，單色只是近似的。在某些情況下，這份光波相當(dāng)于一個(gè)愛(ài)因斯坦所說(shuō)的“光子”，但這個(gè)作為單色平面光波的“光子”，已經(jīng)是麥克斯韋電磁學(xué)家族中的一個(gè)成員。

當(dāng)電子進(jìn)入光波以后，將經(jīng)歷電子的固有電磁場(chǎng)與光波相互迭加的過(guò)程，但對(duì)于不同頻率的兩個(gè)交變電磁場(chǎng)，其迭加場(chǎng)能的平均值為零。只有電子的“光致波包”才與光波具有相同頻率，從而會(huì)產(chǎn)生不為零的迭加場(chǎng)能。在入光過(guò)程中，電子與光波的這一“迭加場(chǎng)能”將轉(zhuǎn)化為電子的整體運(yùn)動(dòng)的能量，從而使得電子作為一個(gè)整體，從一種等速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)過(guò)渡到另一種等速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

我曾經(jīng)把歷時(shí)足夠短促的現(xiàn)實(shí)過(guò)程稱為“實(shí)際跳躍”，把完全不經(jīng)歷時(shí)間的抽象過(guò)程稱為“理想跳躍”。“入光過(guò)程”本是一次“實(shí)際跳躍”，但在這里讓我們把它抽象為一次“理想跳躍”，這意味著我們只考慮過(guò)程的最終效果而不考慮過(guò)程的中間階段。如果電子的“初態(tài)”是靜止的，則該過(guò)程有如下三個(gè)效果：

第一，電子作為一個(gè)整體從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)入等速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；

第二，電子從入射光中吸收一份光波，這是一份單色平面波；

第三，電子從真空中的電動(dòng)平衡過(guò)渡到光波中的電動(dòng)平衡。

如果金屬中的靜止電子完成入光過(guò)程就作脫出功并離開(kāi)金屬，那就是光電效應(yīng)。這種機(jī)制可以說(shuō)明光電效應(yīng)的基本性質(zhì)：

首先，入光過(guò)程極為短促，因此光電效應(yīng)沒(méi)有明顯的時(shí)間延遲；

其次，光越強(qiáng)，入光過(guò)程就越短促，從而就有越多的電子在兩次與晶格碰撞的“自由程”內(nèi)完成入光過(guò)程，成為光電子，因此光電子的數(shù)量依賴于入射光的強(qiáng)度。

最后，電子在入光過(guò)程中所獲得的動(dòng)能取決于電子與光波的迭加場(chǎng)能，這個(gè)迭加場(chǎng)能決定于電子進(jìn)入光波以后的光致運(yùn)動(dòng)，這個(gè)光致運(yùn)動(dòng)決定于光的頻率而與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。于是電子在入光過(guò)程中所獲得的動(dòng)能決定于入射光的頻率而與其強(qiáng)度無(wú)關(guān)。

愛(ài)因斯坦的“光子論”乃是用牛頓力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)處理洛侖茲問(wèn)題的典型例子。這位物理學(xué)中的“革命家”忘記了電子自身有一個(gè)“固有電磁場(chǎng)”，更不曾想到這個(gè)電子的固有電磁場(chǎng)與光波相遇會(huì)出現(xiàn)什么事情，卻把電子與光波的相互作用理解為兩個(gè)牛頓力學(xué)的粒子之間的“碰撞”。

如果把光電效應(yīng)分為兩步，第一步是電子與光的相互作用，第二步是作脫出功。則“入光過(guò)程”是其中的第一步，在這一過(guò)程的三個(gè)效果中，“光子論”僅表現(xiàn)了其中的前兩個(gè)，而抹煞了“第三個(gè)效果”，因此違背了能量動(dòng)量守恒定律。

行文至此，說(shuō)幾句題外的話。

在“向科學(xué)進(jìn)軍”的1956年，我曾經(jīng)試圖對(duì)幾位同班同學(xué)介紹我對(duì)光子論的上述看法，但剛一開(kāi)始就被打斷：“人家愛(ài)因斯坦是物理學(xué)的泰斗，你是誰(shuí)，我信他的還是信你的？”在他們看來(lái)這一論據(jù)是不容置疑的，可惜當(dāng)時(shí)未能說(shuō)服我。這種情況使他們極為苦惱：“譚天榮的問(wèn)題不好解決！”

50多年以后，我們又在一次聚會(huì)上重逢，又扯了幾句與光電效應(yīng)有關(guān)的話。他們深感遺憾的是：“譚天榮的問(wèn)題至今沒(méi)有解決！”另一方面，我也覺(jué)得失望：他們已經(jīng)是頗有名氣的光學(xué)專家，但他們竟然忘記了光電效應(yīng)是怎么回事！忘記了愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)公式！總之，忘記了關(guān)于光的“波粒二象性”的一切。誠(chéng)然，對(duì)于“解決譚天榮的問(wèn)題”他們?nèi)匀坏讱馐悖驗(yàn)閻?ài)因斯坦仍然是泰斗，譚天榮仍然是無(wú)名小卒，這就是他們的全部論據(jù)，別的事情他們一概不予理睬。

我想起了一個(gè)故事：一位旅行家漂流到一個(gè)小島上，島上的居民都得了一種怪病：他們看到的景象、聽(tīng)到的聲音與現(xiàn)實(shí)世界的完全不同，但他們彼此之間的感知卻是相通的。這位旅行家到島上以后，島上的居民一致認(rèn)為他們遇到了一位“病人”，正好他們有一套對(duì)癥的“治病”方法，于是他們對(duì)這位“病人”進(jìn)行“治療”。可憐的旅行家險(xiǎn)些兒被他們“治愈”，幸運(yùn)的是他在最后關(guān)頭逃跑了。結(jié)果是島上的居民繼續(xù)在他們的“奇幻的世界”安居樂(lè)業(yè)，這位旅行家也繼續(xù)過(guò)自己的旅行生活，就像不曾到過(guò)這個(gè)小島一樣。我不知道這位“旅行家”是小說(shuō)家的虛構(gòu)還是真有其人，但我總覺(jué)得自己與他同病相憐。

7       康普頓效應(yīng)與“盲人摸象”

按照曹天元的意見(jiàn)，光子論還有另一門(mén)重炮——康普頓效應(yīng)。在這里我將證明：和光電效應(yīng)一樣，康普頓效應(yīng)也是大自然對(duì)洛侖茲問(wèn)題的回答。

麥克斯韋方程在時(shí)間順序上是可逆的：如果一個(gè)過(guò)程滿足麥克斯韋方程，則該過(guò)程的“時(shí)間反衍”（與原過(guò)程的時(shí)間順序相反的過(guò)程）也滿足麥克斯韋方程。由于我們總是把“量子躍遷”簡(jiǎn)化為一種“理想跳躍”，即只考慮初態(tài)與終態(tài)而不考慮其中間階段，只考慮其最終效果而不考慮其“過(guò)程”，對(duì)于這種特殊的過(guò)程，某些新的推理與計(jì)算的方法應(yīng)運(yùn)而生。例如，引進(jìn)這種“時(shí)間反衍”就成了我們常用的從“已知效應(yīng)”導(dǎo)出“未知效應(yīng)”的推理手段。

下面我們把入光過(guò)程記作A，把其“時(shí)間反衍”記作B。對(duì)比過(guò)程A，過(guò)程B具有如下效果：

第一，電子作為一個(gè)整體從等速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)入靜止?fàn)顟B(tài)；

第二，電子發(fā)射一份光波（單色平面波），加入入射光；

第三，電子從光波中的電動(dòng)平衡過(guò)渡到真空中的電動(dòng)平衡。

在該過(guò)程中，電子將離開(kāi)光波進(jìn)入真空，在這種意義下，我稱它為“出光過(guò)程”。

如果一個(gè)電子在經(jīng)歷過(guò)程A以后，緊接著離開(kāi)光波，則它將經(jīng)歷另一個(gè)“出光過(guò)程”C。對(duì)比過(guò)程B，過(guò)程C具有如下效果：

第一，電子作為一個(gè)整體從過(guò)程A的終態(tài)變成另一種等速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；

第二，電子發(fā)射一份光波（單色平面波），但不再加入入射光；

第三，電子從光波中的電動(dòng)平衡過(guò)渡到真空中的電動(dòng)平衡。

如果一個(gè)電子先經(jīng)歷過(guò)程A再經(jīng)歷過(guò)程C，則該電子將經(jīng)歷一個(gè)“入光過(guò)程”與一個(gè)“出光過(guò)程”的合成過(guò)程D，它具有如下效果：

第一，電子作為一個(gè)整體從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)入等速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，接著再轉(zhuǎn)入另一等速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；

第二，電子從入射光吸收一份光波，再沿另一方向發(fā)射一份光波；

第三，電子先從真空進(jìn)入光波，接著又從光波返回真空。

把入光過(guò)程和出光過(guò)程理解為“理想跳躍”，已經(jīng)是對(duì)實(shí)際過(guò)程的簡(jiǎn)化，但對(duì)于合成過(guò)程D，還可以進(jìn)行“第二次簡(jiǎn)化”：把第一個(gè)效果中的兩次變速合成一次，再把第三個(gè)效果中的兩個(gè)相互抵消的“電動(dòng)平衡狀態(tài)的突變”略去，則其的效果可描述如下：

第一，電子作為一個(gè)整體從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)入等速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；

第二，電子從入射光吸收一份光波，再沿另一方向發(fā)射一份光波。

這就相當(dāng)于一個(gè)電子與一個(gè)“光子”的完全彈性碰撞。

如果金屬中的靜止電子完成入光過(guò)程A，接著又離開(kāi)光波返回真空，從而經(jīng)歷過(guò)程D，那就是康普頓效應(yīng)。

康普頓效應(yīng)對(duì)應(yīng)的過(guò)程D有兩個(gè)階段：分別是過(guò)程A與過(guò)程C。這兩個(gè)階段的“第三種效果”相互抵消，從而即使從“光子論”的角度看來(lái)，康普頓效應(yīng)也滿足能量動(dòng)量守恒定律。于是，盡管光子論所理解的康普頓效應(yīng)乃是對(duì)真實(shí)的過(guò)程的“第二次簡(jiǎn)化”，卻似乎成了光子論的鐵證。

關(guān)于康普頓效應(yīng)，曹天元寫(xiě)道：“在粒子的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出波長(zhǎng)變化和散射角的關(guān)系，和實(shí)驗(yàn)符合得一絲不茍。這是一場(chǎng)極為漂亮的殲滅戰(zhàn)，波動(dòng)的力量根本沒(méi)有任何反擊的機(jī)會(huì)便被繳了械。康普頓總結(jié)道：‘現(xiàn)在，幾乎不用再懷疑倫琴射線是一種量子現(xiàn)象了……實(shí)驗(yàn)令人信服地表明，輻射量子不僅具有能量，而且具有一定方向的沖量?！?span lang="EN-US">

然而對(duì)于光子論，康普頓效應(yīng)雖然滿足能量動(dòng)量守恒定律，卻也像光電效應(yīng)一樣不能融入麥克斯韋理論，因此在光電效應(yīng)中已經(jīng)顯示的波動(dòng)與粒子兩種表象的基本矛盾依然故我。曹天元對(duì)這一基本矛盾描述得很確切：

“……光子一陷入干涉的沼澤，便顯得笨拙而無(wú)法自拔；光波一進(jìn)入光電的叢林，也變得迷茫而不知所措。粒子還是波？在人類文明達(dá)到高峰的20 世紀(jì)，卻對(duì)宇宙中最古老的現(xiàn)象束手無(wú)策?！?/span>

這就是人們通常說(shuō)的“波粒佯謬”，這一佯謬令人想起“盲人摸象”的寓言：盲人們?yōu)榇笙蟮降资谴筇}卜還是大蒲扇、是大柱子還是草繩爭(zhēng)論不休。不過(guò)物理學(xué)家們并不像盲人們那樣，只摸到大象的某一部分而沒(méi)有摸到其他部分。不！他們摸到了物理世界這只大象的每一部分，可就是因?yàn)槟X子里有太多的“新穎觀念”，沒(méi)法勾畫(huà)出這只大象的全貌。更糟糕的是，物理學(xué)家們還要荒謬絕倫地?cái)嘌裕捍笙笥袝r(shí)候是大蘿卜有時(shí)候是大蒲扇、有時(shí)候是大柱子有時(shí)候是草繩。或者干脆斷言，大象實(shí)際上什么也不是！我們只能用數(shù)學(xué)公式來(lái)描述它！一言以蔽之，他們自己弄不清大象是怎么回事，就斷言人類永遠(yuǎn)弄不清大象是怎么回事！通過(guò)這種古怪的方式，物理學(xué)家們宣布了自己無(wú)所不知。

這就不難理解，當(dāng)物理學(xué)家們聽(tīng)到我說(shuō)“大象到底是怎么回事”的時(shí)候，他們?yōu)槭裁磿?huì)如此狂怒！

8       預(yù)言

根據(jù)麥克斯韋電磁學(xué)對(duì)光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)的上述說(shuō)明，可以預(yù)言一種新的效應(yīng)。如果一個(gè)電子原來(lái)在光波中靜止，突然將光波截?cái)?，則電子將經(jīng)歷一個(gè)“出光過(guò)程”。其效果是：發(fā)射一份光波，并轉(zhuǎn)入等速直線運(yùn)動(dòng)。我把這種效應(yīng)稱為“反光電效應(yīng)”。這一預(yù)言簡(jiǎn)單明了，可惜不容易實(shí)現(xiàn)。另一預(yù)言說(shuō)起來(lái)復(fù)雜些，但卻比較容易實(shí)現(xiàn)：如果在光波（最好是倫琴射線）中制備一個(gè)單色電子束（動(dòng)量一致的電子束），則該電子束將在光波中保持等速直線運(yùn)動(dòng)，就像在真空中一樣。但如果光波突然被截?cái)?，則電子束將被沖散，同時(shí)還伴以被散射的光波。這一效果從光子論的角度來(lái)看完全無(wú)法理解：一束電子在光子的叢林中穿插卻不發(fā)生碰撞！電子束離開(kāi)光波竟然被“烏有”所沖散！光波離開(kāi)電子束竟然遭到“烏有”的散射！……等等。這些可都是咄咄怪事！我期望這種怪事不會(huì)因?yàn)槠漕A(yù)言者是一個(gè)無(wú)名小卒而被置之不理。

9       結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)并未顯示出光的“粒子性”，相反，它們乃是麥克斯韋電磁學(xué)的必然結(jié)論。迄今為止，得出這一結(jié)論的前提只是電子有一個(gè)固有電磁場(chǎng)，而沒(méi)有涉及電子的結(jié)構(gòu)。至于電子的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，涉及電子論處理洛倫茲問(wèn)題的根本失誤，這是一個(gè)專門(mén)的課題，我們以后再考察。

Photoelectric effect and Maxwell Theory

Abstract: it is proved that Einstein's photon theory cannot explain the photoelectric effect. Because, according to the mechanism on the mechanism of photon, absorbing the photon energy, an electron would also absorb the photon's momentum, a rest electron absorbed the photon momentum should move along the light propagation direction. So, the movement direction of the photoelectron should be consistent with the direction of the incident light. But in the photoelectric effect experiment, the direction of photoelectron and that of light propagation are almost the opposite. Therefore, the mechanism envisaged in violation of the law of conservation of momentum.

It is also proved that the photoelectric effect can be described by Maxwell's theory as follows: an electron has a natural electromagnetic field of its own, while the light is another electromagnetic field. As the electron enters into the light, the two electromagnetic field above due to the superposition with each other, the change of the sum field energy can be immediately converted into kinetic energy of the electron, just like as a falling body enters into the gravity field, the potential energy of the falling body immediately becomes kinetic energy.

After a rest electron in the metal enter into light wave, will go through a process, in which it will absorb a part of light wave, and achieve a constant linear motion from stationary state. If the very electron leaves the metal immediately, then that is the photoelectric effect. If the electron then left again the light, it will go through a reverse process, which is changing the state of motion again and emitting a part of light wave, that is the Compton effect.

Keywords: photoelectric effect; Einstein; photon theory; wave theory of light; electrodynamics; falling bodies; potential energy; superposition field energy; Lorentz problem; Compton effect

譚老師，看了您的博客和前兩年學(xué)生對(duì)你的訪談視頻，其中提到您認(rèn)為學(xué)術(shù)論文不用發(fā)表，在網(wǎng)上的影響更大，但我覺(jué)得可能還是在正規(guī)的學(xué)術(shù)雜志上更容易產(chǎn)生影響力，網(wǎng)上雖然人多，但讀者這個(gè)樣本卻和學(xué)術(shù)期刊不同，而且現(xiàn)在學(xué)術(shù)期刊都進(jìn)入了電子檢索系統(tǒng)，和您有相同觀點(diǎn)的人通過(guò)檢索很容易看到，更容易找到和您有共同看法的人并對(duì)您觀點(diǎn)的發(fā)揚(yáng)有幫助。 我不太懂物理學(xué)，但最近在看您的概率論方面的文章的時(shí)候很受啟發(fā)，感謝譚老師貢獻(xiàn)這么多您的思想。 以下為譚天榮的回復(fù)： 謝謝！ 你知道有合適的學(xué)術(shù)期刊嗎？ 譚天榮

同意《思維金字塔》的意見(jiàn)。至于合適的學(xué)術(shù)期刊，是不是可以問(wèn)問(wèn)董光璧老師？

另一個(gè)是光電效應(yīng)。對(duì)光電效應(yīng)我不想說(shuō)太多，我只指出，你的勢(shì)能的瞬間獲得與光電效應(yīng)的瞬間性是不同的，不錯(cuò)，勢(shì)能的獲得是瞬間的，但勢(shì)能變成動(dòng)能是需要時(shí)間的，光電效應(yīng)的瞬間性要求瞬間獲得動(dòng)能。

對(duì)于暗淡的光線，電子要在光的波場(chǎng)加速獲得能夠逸出的動(dòng)能就需要更長(zhǎng)的時(shí)間，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不支持這個(gè)推理，即便是用很暗淡的光線照射，光電效應(yīng)也是瞬間的。

美國(guó)物理學(xué)家大衛(wèi)·波姆在《量子理論》一書(shū)中對(duì)“光的波動(dòng)說(shuō)不能說(shuō)明光電效應(yīng)”這一論斷提出了另一種論據(jù)。他不是訴諸某種特殊的機(jī)制而是訴諸經(jīng)典物理學(xué)的普遍原理，為此，他著重考察光電效應(yīng)沒(méi)有明顯的時(shí)間延遲這一實(shí)驗(yàn)事實(shí)，在考察了各種可能性之后，玻姆得出結(jié)論： A. 用能量從輻射場(chǎng)向物質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)移過(guò)程來(lái)解釋光電效應(yīng)的所有努力都失敗了。 我不在這里一一反駁玻姆的各種論據(jù)。只想指出一點(diǎn)：命題A中的“輻射場(chǎng)”是“場(chǎng)”的一種特殊形式，而“物質(zhì)”則是指某種“實(shí)物”。問(wèn)題在于，對(duì)于經(jīng)典物理學(xué)，“場(chǎng)”與“實(shí)物”的相互作用是不是總有時(shí)間延遲。我們不妨考慮一個(gè)最熟悉的例子：“重力場(chǎng)”是“場(chǎng)”的一種特殊形式，而“落體”則是某種“實(shí)物”，對(duì)于落體運(yùn)動(dòng)，自由落體進(jìn)入重力場(chǎng)就立刻下落，并沒(méi)有時(shí)間延遲。借問(wèn)波姆，如果你用能量從“重力場(chǎng)”向“落體”逐漸轉(zhuǎn)移過(guò)程來(lái)解釋落體運(yùn)動(dòng)，你能不失敗嗎？

我特意把這段摘出來(lái)，你既然舉出自由落體的例子，那我就用這個(gè)例子點(diǎn)醒你。“對(duì)于落體運(yùn)動(dòng)，自由落體進(jìn)入重力場(chǎng)就立刻下落，并沒(méi)有時(shí)間延遲。”這個(gè)沒(méi)錯(cuò)，但如果你要的是把落體加速到某一速度才符合要求，那就需要時(shí)間，而且重力場(chǎng)越弱（比如在月球），需要的時(shí)間就越長(zhǎng)。 你誤會(huì)了，自由落體進(jìn)入重力場(chǎng)就立刻下落，沒(méi)有時(shí)間延遲，這個(gè)沒(méi)有延遲與達(dá)到某一速度要求的沒(méi)有延遲（輸入輸出瞬間完成）是不同的兩個(gè)概念，這就好比你落實(shí)政策時(shí)調(diào)你去師專教書(shū)，你立刻（沒(méi)有延遲）就能講，但你那些勞改時(shí)不怎么學(xué)習(xí)的同學(xué)就要復(fù)習(xí)一段時(shí)間（有延遲）才能講課，雖然你們接到通知時(shí)立刻就行動(dòng)了。

t=v/g，v是能逸出的速度，如果g很弱（相當(dāng)于暗淡的光線），t會(huì)很長(zhǎng)。 光電效應(yīng)的瞬時(shí)性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即幾乎在照到金屬時(shí)立即產(chǎn)生光電流。響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)十的負(fù)九次方秒（1ns）。 這種瞬時(shí)性使萊納德認(rèn)為，光波并沒(méi)有給予這些電子任何能量，這些電子本來(lái)就已擁有這能量，光波扮演的角色好似觸發(fā)器，一觸即發(fā)地選擇與釋出束縛于原子里的電子，這就是萊納德著名的“觸發(fā)假說(shuō)”（triggeringhypothesis）。 用很弱的光線照射，響應(yīng)時(shí)間也不超過(guò)十的負(fù)九次方秒（1ns）。

勢(shì)能是瞬間獲得的，但瞬間的勢(shì)能（動(dòng)能為零）來(lái)不及實(shí)現(xiàn)瞬間響應(yīng)（輸入-瞬間-輸出）。道理就這么簡(jiǎn)單。 問(wèn)題出在你的邏輯感不強(qiáng)，沒(méi)能察覺(jué)兩個(gè)瞬間的不同。 不通的偏要導(dǎo)通，人家天才創(chuàng)造力（發(fā)明光量子概念）導(dǎo)通的，你又說(shuō)不通。 我判定你的最后一搏失敗，全場(chǎng)時(shí)間到。

我回想起大學(xué)時(shí)代，那時(shí)候同學(xué)們正熱衷于踢足球。我不喜歡踢也不懂踢，我看不出技術(shù)熟練的同學(xué)與我有什么不同，不就是球和一雙腳嘛！有次上體育課，老師組織一場(chǎng)足球比賽，我盯住一個(gè)技術(shù)熟練的同學(xué)（這個(gè)同學(xué)我清晰地記得是黃健泳），想把球搶走，結(jié)果重重地踢到他的腳上，那個(gè)同學(xué)疑惑地、定定地看了我好一會(huì)。 想把高手的球搶走實(shí)在太難了，謹(jǐn)記。 你用中學(xué)生的勢(shì)能概念（你的同學(xué)異口同聲地說(shuō)，這有什么意義！）重重地踢在愛(ài)因斯坦的腳上。但沒(méi)能把愛(ài)因斯坦的球（成功地解釋光電效應(yīng)這一功績(jī)）搶走。

C. 電子有一個(gè)“固有電磁場(chǎng)”，而光波則是另一個(gè)電磁場(chǎng)，當(dāng)電子進(jìn)入光波以后，這兩個(gè)電磁場(chǎng)的“迭加場(chǎng)能”立刻轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能，就像落體進(jìn)入重力場(chǎng)以后落體的勢(shì)能立刻轉(zhuǎn)化為落體的動(dòng)能一樣。這就是在光電效應(yīng)中，光波向自由電子轉(zhuǎn)移能量的機(jī)制。 —————————————— 致命的錯(cuò)誤：“迭加場(chǎng)能”立刻轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能。這句話應(yīng)該這樣說(shuō)，“迭加場(chǎng)能”立刻轉(zhuǎn)化為電子的很小很小的動(dòng)能，在立刻的時(shí)間區(qū)間里，只能轉(zhuǎn)化很小很小的動(dòng)能，這個(gè)很小很小的動(dòng)能還不足以使電子逸出金屬表面，等電子攢夠了動(dòng)能，已經(jīng)過(guò)了很多很多的立刻，蓋因幅射場(chǎng)向物質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)移能量的過(guò)程是連續(xù)變化過(guò)程，得求積分。

我怕你不能領(lǐng)會(huì)我的意思（這個(gè)錯(cuò)誤你畢竟是從大學(xué)時(shí)代一直堅(jiān)持到行將就木，已經(jīng)變成作曲家柏遼茲所說(shuō)的“固定觀念”——一種病態(tài)觀念），再次解釋：比如調(diào)你進(jìn)師專講課，是即調(diào)即用（光電效應(yīng)的瞬間響應(yīng)），而不是調(diào)了讓你從不會(huì)學(xué)到會(huì)再講課，即便你立刻（注意！這個(gè)“立刻”就是你的“迭加場(chǎng)能”立刻轉(zhuǎn)化的“立刻”）投入學(xué)習(xí)也不行，你立刻投入學(xué)習(xí)，等你學(xué)到會(huì)了（攢夠了能逸出的動(dòng)能），豈不延遲了？！ 其實(shí)，當(dāng)年那些致力于用光的波動(dòng)說(shuō)說(shuō)明光電效應(yīng)的物理學(xué)家都知道電子在光的電磁場(chǎng)中是瞬間獲得勢(shì)能，并立刻開(kāi)始轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的（你卻以為人家沒(méi)注意到這一點(diǎn)）。注意“開(kāi)始”一詞，你是說(shuō)“立刻轉(zhuǎn)化”，我是說(shuō)“立刻開(kāi)始轉(zhuǎn)化”，你看，你要是措詞嚴(yán)格一點(diǎn)就不會(huì)鬧笑話了。

以下是說(shuō)給你的青島大學(xué)物理系的教授們聽(tīng)的，因?yàn)槟阋呀?jīng)進(jìn)入醉漢的幻想世界里了：為了湊出與密立根實(shí)驗(yàn)相吻合的結(jié)果，你不得不借助電子給你托夢(mèng)或上帝給你托夢(mèng)的方式把你之前類比自由落體的瞬間勢(shì)能硬是說(shuō)成瞬間動(dòng)能，“光致運(yùn)動(dòng)”、“光致波包”電子的“內(nèi)在的自我調(diào)節(jié)機(jī)制”、“電動(dòng)平衡”、“入光過(guò)程極為短促，因此光電效應(yīng)沒(méi)有明顯的時(shí)間延遲”就是托夢(mèng)的內(nèi)容，仿佛你潛入金屬的內(nèi)部親眼目賭到過(guò)程的細(xì)枝末節(jié)，這是只有形象思維豐富的中國(guó)人才能作出的假設(shè)——假設(shè)一整幅細(xì)節(jié)清晰的自然過(guò)程，這是科學(xué)史上聞所未聞的怪事，是不懂科學(xué)方法為何物的犯規(guī)。

事情還沒(méi)完。你已經(jīng)知道密立根用實(shí)驗(yàn)證明過(guò)的愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程里電子獲得的能量是普朗克常數(shù)乘以光的頻率，為了使你的夢(mèng)囈經(jīng)得起密立根實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，你不得不抄襲了（這是沒(méi)有創(chuàng)造力的人的通?。骸白詈螅娮釉谌牍膺^(guò)程中所獲得的動(dòng)能取決于電子與光波的迭加場(chǎng)能，這個(gè)迭加場(chǎng)能決定于電子進(jìn)入光波以后的光致運(yùn)動(dòng)，這個(gè)光致運(yùn)動(dòng)決定于光的頻率而與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。于是電子在入光過(guò)程中所獲得的動(dòng)能決定于入射光的頻率而與其強(qiáng)度無(wú)關(guān)?！?。這是你的原話，“所獲得的動(dòng)能決定于入射光的頻率”，你的想像僅及于此，從這個(gè)結(jié)論到“普朗克常數(shù)乘以光的頻率”是不是還得抄襲愛(ài)因斯坦的？不然，你就是用三輩子的時(shí)間也證明不了這個(gè)“決定于”是頻率的齊次線性函數(shù)而不是頻率的非線性函數(shù)。

科學(xué)研究允許幾個(gè)理論的競(jìng)爭(zhēng)，優(yōu)勝劣汰。判定一個(gè)好的理論的標(biāo)準(zhǔn)：一是理論與外部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的符合；另一個(gè)是理論的獨(dú)立假設(shè)的個(gè)數(shù)盡可能少。愛(ài)因斯坦的光子論較之前的勒納德的觸發(fā)理論更符合這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，所以愛(ài)因斯坦的光子論淘汰了勒納德的觸發(fā)理論。以這個(gè)判定標(biāo)準(zhǔn)看，譚天榮的理論的獨(dú)立假設(shè)數(shù)目多得驚人：幻想細(xì)節(jié)清晰的過(guò)程，另一個(gè)是理論與外部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的符合不得不抄襲他打算推翻、取代的理論。 不知道自己的創(chuàng)造物的斤兩而想要單挑已經(jīng)驗(yàn)證成功的理論，只能自取其辱。