參考消息網10月15日報道 據西班牙《趣味》月刊9月23日報道，1922年，美國物理學家阿瑟·霍利·康普頓（1892年至1962年）發現了一個驚人現象：X射線同時具有波粒二象性。這一發現證實了量子力學的波粒二象性，並永遠改變了我們對宇宙的認知。

  科學史上存在三類重要發現：理論貢獻有限但實用價值高的發現，實踐影響有限但有助於理論理解或發展的發現，以及不僅實用且能闡明宇宙運行規律的發現。康普頓效應的發現正是最後一類具有深遠意義的典範。

  該效應也得名於康普頓，他是二十世紀上半葉科學革命的領軍人物之一。在僅21歲時，他求學期間便已研製出康普頓發生器：這&裝置成功證明了地球自轉的存在。獲得博士學位並工作數年後，他於第一次世界大戰期間投身於飛機儀器的研發。1919年，他獲得英國劍橋大學獎學金，在那裏結識了同時代的諸多學術巨擘。

  他癡迷於高能電磁輻射，尤其着迷於X射線。這種由威廉·倫琴於1895年發現的幽靈般射線能夠穿透不透明物體並在照相底片上顯影。1922年，康普頓在實驗中發現，X射線散射角度與波長之間存在特定關係：散射角度越大，波長越長。

  事實上，這一驚人的理論解釋了無數現象，但其依據卻是一系列反直覺的基礎原理，其中某些原理與人們認為的常識截然相反。該理論最令人震驚的奇特之處在於：光子有時表現為波，有時又表現為粒子。在經典力學中，這種現象無法解釋。根據日常經驗，周圍世界中的事物也是界限分明：物體就是物體，而粒子原則上也是物體，而擾動波則是截然不同的存在。這兩類實體的特性毫無關聯。

  起初，科學界對普朗克的理論相當懷疑，但情況在1905年發生了轉變。愛因斯坦通過將光視為量子（他本人將其命名為“光子”）並將其視為粒子來闡明光電效應。事實上，要解釋光電效應，除了假設光子是與物質碰撞並傳遞動能直至將電子擊離原位的外來粒子外，別無他法。那麼，光子為何時而表現為粒子，時而又表現為波？

  這個令人困擾的悖論使許多物理學家懷疑，能量的量子化或許並非真實現象，而只是數學技巧。連對量子理論發展貢獻卓著的愛因斯坦本人也常流露出疑慮。一眾物理學家爭論不休，甚至形成兩派：一派堅稱量子化真實存在，另一派則認為這只是計算的便捷方式。

  正是康普頓效應最終為新理論贏得了決定性的支持。事實上，在實驗中，當X射線（其本質是頻率遠高於可見光的電磁輻射）在碳塊上反射後，其出射角增大導致波長延長，這一現象可解釋為光子與石墨中碳原子電子碰撞時能量損失的結果，而這與光電效應的原理完全一致。觀測到的能量損失與普朗克方程完美吻合。數月後，康普頓在權威期刊《物理評論》上發表了實驗結果及結論，假設每個散射光子僅與單個電子發生相互作用。

  康普頓最終證實了量子化現象的真實性，但他的實驗還揭示了另一項重大發現。所觀測到的散射類型只能用粒子與電子碰撞來解釋，無法用波動現象來解釋。他的結果引起了轟動。自此，這種令人驚嘆的波粒二象性便確立為量子現實的基本特徵之一。事實上，由大量粒子構成的物體（如人類）同樣具有波的屬性，只是其波的幅度相對於物體體積微乎其微，因此宏觀物體表現得如同普通物體。

  康普頓的研究成果理所當然地於1927年榮獲諾貝爾物理學獎。成為芝加哥大學物理學教授後，康普頓在曼哈頓計劃（原子彈的研究項目）中表現突出，他不僅領導芝加哥大學冶金實驗室，還監督建造了著名的芝加哥一號反應堆，該核反應堆實現了人類歷史上首次持續鏈式反應。

  實際上，康普頓效應在改善人類健康和探索宇宙方面所帶來的應用，都無法與它對科學史的影響相提並論，尤其是在我們理解原子和亞原子層面的現實本質方面。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這兩大現象，而這兩者正是人類歷史上最奇特、最迷人且最成功的量子力學理論的兩大支柱。（編譯/劉麗菲）