波粒二象性可谓是物理学中最为奇特的现象之一。光到底是粒子还是波，牛顿和惠更斯很早就对此提出了各自的理论。然而随着科学的演进，光的双缝干涉实验、光电效应和X射线的康普顿散射等实验一次又一次地轮番质问我们：光到底是粒子还是波？即便诺贝尔物理学奖接连颁发给了证实光的粒子特性的发现，但在很长时间里，诺奖委员会对光的粒子特性始终持迟疑态度。直到量子电动力学的提出，人们才最终摆脱了关于波粒二象性的无休无止的争论。今天的文章就梳理了与波粒二象性有关的诺贝尔奖，而这段诺奖史也折射出科学的前进是怎样艰辛而曲折的历程。
撰文| Gösta Ekspong
翻译| 彬
那些有关光的本质以及光的发射、吸收过程的研究工作一直是至关重要的。从1900年开始研究光的本质到20年代量子物理发展到一个高峰，再到50年代量子电动力学（QED）的成功，探索已基本完成。下面这些被诺奖认可的突出成就非常有趣，甚至激动人心。
波粒二象性经典理论认为粒子是时空中的能量和其他特性的聚集，而波则会在时空中扩展开。光到底是粒子束还是波，这是一个非常古老的问题。这种经典朴素的“此或彼”的描述方式与现在的“二者皆是”甚至“二者皆非”的描述方式是不相符的。19世纪早期的实验结果表明光是一种波。这场论战的一个关键人物就是托马斯·杨（Thomas Young）——有史以来最杰出的科学家之一，1803年他关于光的衍射和干涉的实验结果有力地证明了惠更斯（Christian Huygens）的光波动理论，这与牛顿（Isaac Newton）光的微粒说相悖。随后又有许多的学者为光波动理论做出了贡献，如菲涅尔（Augustin Jean Fresnel）的研究表明光是一种横波。
托马斯·杨的双缝干涉实验，在光源（此处为激光）与探测器（此处为探测屏）之间存在两条相互平行的狭缝。从一个狭缝中产生的光波与另一条狭缝产生的光波叠加，在探测屏上显现出明暗相间的干涉条纹。| 图片来源：Forskning och Framsteg
牛顿的光微粒说可以轻易地解释物体在光束的直线照射下形成清晰投影的现象。但是干涉现象中光在具有一条或多条狭缝的遮光屏后会形成亮暗相间的区域，这里就需要用波动理论来解释。同时光波动说还可以解释物体阴影的边缘其实并不是真的很明晰。
麦克斯韦（James Clerk Maxwell）于1864年建立了电磁学的数学理论，从而引出光具有电磁特性，并以波的形式从光源传播到接收者。19世纪80年代，赫兹（Heinrich Hertz）用实验证实了射频波段的电磁波。麦克斯韦去世于1879年，年仅37岁的赫兹去世于1894年，两年后诺贝尔（Alfred Nobel）离世。
19世纪末诺贝尔奖才开始颁发，在这一时期光的波动说已经站稳脚跟。那些证明光波动特性的关键工作由于完成太早，以至于没有获得诺贝尔奖。然而X射线却例外。
进入20世纪又出现了证实光具有粒子特性的新发现，这些成就都理所应当有望获得诺贝尔奖。事实也正是如此，而下面的内容将由诺贝尔档案揭示出一个更为复杂的发展历程。
关于X射线的诺贝尔奖1901年首届诺贝尔物理学奖授予了伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen），以表彰他在1895年发现X射线。尽管从很多方面而言，X射线表现得像光一样，不过与光相比，他发现X射线能径直穿透物体。伦琴预见这个发现将对医学产生重要影响。
X射线的发现产生了巨大而深远的影响，它完美地诠释了诺贝尔遗愿中所说的“为人类带来最大利益”。1912年之后，当劳厄（Max von Laue）发现了X射线照射晶体的干涉现象，光的波动图像才被广泛接受。劳厄也于1914年获得了诺贝尔物理奖。
伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen）
劳厄（Max von Laue）
晶体中的原子间距正好与X射线的波长具有相同的数量级。劳厄完成了X射线在三维光栅中的衍射理论，并预测衍射图案，随后在实验上被弗里德里希（W. Friedrich）和尼平（P. Knipping）所证实。
当伦琴1901年获得诺贝尔奖时，他1895年发现的这种新型辐射还完全没有研究透彻。起初，它唯一类似于光的地方在于它也沿直线传播。直到1910年巴克拉（Barkla）和布拉格（Bragg）之间产生了激烈的争论，前者认为X射线是一种光波，而后者认为X射线是一种粒子束。
康普顿（Arthur H. Compton）在1927年获得诺贝尔奖的演讲题目就是“作为光学的分支之一的X射线”，它开篇讲到：“最近物理学研究中最吸引人的一项工作就是，将光学中常见的自然法则应用到具有非常高频率的X射线上，直到现在，几乎所有光学现象都能在X射线中重现。反射、折射、漫散射、偏振、衍射、发射和吸收光谱、光电效应，所有这些光的基本特性，X射线也同样具有。同时由于X射线具有超高频率，其中有些现象会发生渐变，这为我们如何理解光的本质提供了更多的信息。”
光的粒子特性的证据在物理教材中，两个证明光的粒子特性的现象经常被提及：光电效应和X射线的康普顿散射。
一些不那么严谨的教材还会错误地把普朗克研究热辐射现象时发现的能量量子化作为第三个说明光的粒子特性的例证。能量量子化这一里程碑式的工作获得了1918年诺贝尔物理奖，不过诺贝尔奖委员会并没有错误地将获奖理由归结为，这一发现证实了光的粒子特性。
普朗克的诺贝尔物理奖普朗克1918年获奖的原因在于他提出了普朗克常数h，这个自然常数（量纲是能量乘以时间）通过公式 E=hν 将能量量子E和时间频率ν联系起来。1918年诺贝尔奖的颁奖典礼介绍是这么说的：“hν其实是热辐射以振动频率ν向外辐射时的最小能量单元。”普朗克自己也坚决反对认为光在真空中以粒子的形式传播，这种粒子后来被称作光子。
1921年爱因斯坦（Albert Einstein）因光电效应的研究获得诺贝尔奖（于1922年颁奖），1927年康普顿（Arthur Holly Compton）因以其名字命名的康普顿效应研究获得诺贝尔奖，他们的获奖理由都说明，诺贝尔物理奖委员会并没有认可光的粒子属性。
爱因斯坦1921年的诺贝尔奖爱因斯坦开创性地利用统计学分析方法研究黑体辐射中能量随波长分布的韦恩（Wien）公式， 1905年，他得出光有时表现出粒子特性的结论。
爱因斯坦认识到他的新想法可以很自然地解释光电效应，即光照在金属表面会激发出电子的现象。光的波动理论完全无法解释光电效应。1922年的诺贝尔奖授予爱因斯坦，正是因为他成功解释了光电效应。
