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中图分类号：N031 文献标识码：A 文章编号：1001-022X(2004)01-0129-04
一、问题由来：月亮在没人看它的是否不存在？
“月亮在没人看它时是否不存在”的问题，是物理学大师爱因斯坦提出来的。1950年左右，爱因斯坦在一次散步回家的途中向他的学生派斯教授尖锐地提出这样一个问题：“你是否相信，月亮只有在看着它时才真正存在？”这里，爱因斯坦其实谈的就是量子理论，特别是在物理观察意义上微观粒子的客观实在性问题[1](P1)，为什么爱因斯坦要如此尖锐地提出这样一个问题？爱因斯坦“相信有一个离开知觉主体而独立的外在世界，是一切自然科学的基础”[2]，然而的确有一些哲学家包括某些物理学家则主张：人们如果要认识客观世界，必须通过人的感觉器官去和客观世界打交道，那么世界就只在我的感觉中存在，至于感觉以外是否还存在“客观存在”，那是一个“未知”的命题，最多只能认为是一种“假设”。有些哲学家进一步认为，这是一种“多余”的“假设”，甚至干脆宣称“存在就是被感知”。
列宁曾经针对这种不承认客观实在，只承认感觉经验的主观唯心论提出了两个致命的责难：(1)在人类出现以前自然界是否存在？(2)人是否用头脑思想？[3](P62)主观唯心论哲学是很难回避这些尖锐的事实的。拿人类对光子的认识来说，最初牛顿在经典力学的框架内认为光是类似质点的粒子，即光粒子。与牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯却主张光是一种波动，但由于牛顿的声望大，光的粒子说在18世纪一直居统治地位，到了19世纪初，英国物理学家T.杨又提出光不是微粒而是波动的理论，这一理论由于得到了大量实验的证明最终得到认可。到了1864年，英国物理学家麦克斯韦提出了关于电磁场的完整理论，指出光是电磁波，可见光是电磁波中的一个波段，光是波动这一观点就再没人怀疑了。然而，到了20世纪初，情况发生了变化，实验中发现了黑体辐射现象，这是用经典物理学中电磁波的能量变化是连续的思想，无论如何也解释不了。1900年德国物理学家普朗克提出电磁波的能量变化是一份一份的思想，从而解决了黑体辐射问题，同时开启了量子理论的大门。但是普朗克的黑体辐射理论含有统计热力学的成分，比较复杂，因而理论中反映的光的粒子性，在表面上还看得不十分清楚。1905年，爱因斯坦提出光量子假说，成功地解释了光电效应，并于1916年又赋予光量子以动量的假定，使光量子既具有能量又具有动量，这时光的粒子性就十分清楚了。随后的实验，尤其是1923年康普顿效应，使光的粒子性得到了完全的证实。爱因斯坦的光子自然不同于牛顿的粒子，它是一种能量和动量都与光的频率成比例的粒子，即具有波的性质。光子的波动性有实验所完全确定的衍射、干涉等效应。这样一来，光子的本性就完全清楚了，它既是粒子又是波，是具有波粒二象性的矛盾统一体。
可以说，对于光子的性质的认识，是经历了一个“正、反、合”的过程，这也正是辩证唯物主义的“否定之否定”规律。面对现代物理学如此确凿的历史事实，谁还能说“光子等微观粒子在未被观察时是不存在的”？即“月亮在没人看它时也是不存的呢？”然而，历史上确曾有人无视这些客观事实，硬说“月亮在没人看它时确实不存在”。金观涛教授在1988年出版的《人的哲学》一书中写道：“电子的存在是因为我们观察到它，我们不能离开人的感知来谈事物的性质。那种独立于我们感觉和意识之外的客体或性质只是一个古老的幻梦”，“月亮在无人看它时确实不存在”，“唯物主义今天已经被证伪了”[4](P7-17)。为此，20世纪80年代末90年代初，国内学术界曾经围绕“月亮在没人看它时是否不存在”的命题展开了一场激烈的哲学讨论。由于金观涛教授拿不出任何经得起检验的“科学”证据，所以他的主观唯心论哲学在科学实践面前很快就暴露出彻底的荒谬性[5](P165-206)。然而金观涛教授的“月亮在无人看它时确实不存在”的观点在专门研究量子力学的关洪先生这里复活了。关洪先生在《自然辩证法研究》1991年第3期发表《“月亮在没人看它时是否存在”的问题》（以下简称为《月亮》）一文认为：“月亮在没人看它时仍然存在的客观实在观念，只是从经典物理学的基础上建立起来的，没有理由认为它必定是普遍适用的。对于量子物理学所描写的微观对象，这种旧的观念是根本不适用的”，显然“这里所讲的‘月亮’，只是一种譬喻和夸张的说法。实际上，它指的是量子理论所描写的微观客体的存在形式问题。我们可以把那句话里的‘月亮’换成例如象光子那样的微观粒子”，这样问题就变成了“光子在没人看它时是否存在”的问题。光子在没人看它时是否存在呢？《月亮》一文的回答是；“在一定的条件下，‘光子在没人看它时是不存在的’。这乃是建立在现代物理学理论和实验基础上的科学结论。”但这样的回答，仍然难以回避列宁曾提出的两个责难。
二、爱因斯坦是否做了“缺乏根据的推广”？
根据关洪先生的论述，“光子在没人看它时是不存在的”或说“月亮在没人看它时是不存在的”，一个重要的“科学”依据是，他认为爱因斯坦的光量子假设傲了“缺乏根据的推广”，即把光在“产生和转化”过程中表现出的粒子性“缺乏根据地推广”到了光的“传播或说辐射”过程中，这从一开始就受到了普朗克、洛仑兹等人的激烈批评，后来又受到玻尔的反对。然而，“由于爱因斯坦在光电效应解释上的巨大成功”，“误导”了许多物理学家，“使得大多数物理学家在没有任何根据的情况下，接受了他关于光束是由光子构成的观念”。事实上，光子在传播过程中的存在性“却从来没有得到过任何实验的支持”[6]。为了突显爱因斯坦的“荒谬”以及大多数物理学家的“盲从”，关先生几乎在他发表的所有文章及著作中，屡次不厌其烦地复述着爱因斯坦“缺乏根据的推广”。在《从光子概念看量子实在的新特征》一文中说：“爱因斯坦把‘光的能量在空间中不是连续分布’的性质，缺乏根据地推广为‘从点光源发射出来的光束的能量在传播中……是由个数有限的、局域在空间各点的能量子所组成’。”[7]在《量子力学的基本概念》一书中说：“Einstein从光的产生和转化过程所显示的量子性质，推广到光的传播过程上去，看来确是缺乏根据的。”[8](P94)在《一代神话——哥本哈根学派》一书中又说：“爱因斯坦在1905年发表的那篇提出光电效应理论的文章里，把光同物质相互作用时表现出来的那种量子性质，缺乏根据地推广到光的传播过程上去……这种观点长期以来起着误导物理学家的作用。”[9](115-116)在这里，问题的关键在于：爱因斯坦是否真的做了“缺乏根据的推广”？
光子或说光量子的概念是1905年爱因斯坦在“关于光的产生和转化的一个启发性观点”[10]的论文中，基于空腔中辐射的熵的观点，并与气体统计理论中的概率相比较，提出的一个革命性的观念。在这篇历史性论文中，爱因斯坦提出了两个而不是一个假设：(1)光量子假设：“低密度的单色辐射（即在维恩辐射公式适用的区域内），在热力学方面的性质，就好像它是由相互独立的、大小为αβγ/N的能量量子组成的。”(2)启发性的原理：“如果（充分低密度）单色辐射在它的熵对体积的相关性方面表现得像是由大小为αβγ/N的能量量子组成的分立介质，那么就提出一个问题：是否光的产生和转化规律也构造得好像光是由这类能量量子组成的？”[1](P143-144)可见，爱因斯坦首先提出纯辐射或说自由电磁辐射（不与物质相互作用）的光量子是一份份的能量的假设，从而使得辐射本身兼具连续和离散的性质。然后由此又得出一个启发性原理，即把光的这种辐射量子性质推广到光和物质的相互作用中（亦即在发射和吸收中），使得光的产生和转化也具有量子性，亦即以同样一份份各自分立的能量被产生或湮灭。然而，爱因斯坦这一革命性的贡献，由于修正了当时被认为已很好了解了的麦克斯韦的电磁波的自由场理论，打乱了已有的一切关于光和物质之间的相互作用的观念。这种观念认为：“无论如何，自由辐射场通常的连续描述应该受到保护，最终解决辐射场量子难题应该靠修改辐射和物质之间相互作用的性质。”[1](P511)因而，其时包括普朗克和洛仑兹在内的许多第一流物理学家对这种光量子假设和启发性原理，都抱有一种广泛流传的不信任心理。1909年，爱因斯坦进一步研究了辐射的非经典性质，断定很难用什么方式把光的波动性和粒子性截然分开，光本来就二者兼而有之[11]。1916-1917年爱因斯坦完善了他的光量子理论，给出光子的动量关系p=hν/c=hν，从而对于频率为ν、波长为λ的电磁波来说，光子就具有了由能量E=hν和动量p=h/λ规定的粒子性。这样，作为一份份能量的光量子，就逐渐被推论为具有一份份能量和动量的光子。至此，爱因斯坦已经完全相信了光子的实在性，这与当时物理学界对光子的强烈抗拒形成鲜明的对照，尽管其时已经有了光电效应对于光量子假说和启发性原理的实验证明，而且爱因斯坦也正是因对“光电效应的发现”而荣获1921年诺贝尔物理学奖的。
不过，姗姗来迟的康普顿效应终于强有力地证明爱因斯坦完全正确。1923年，康普顿在测量X射线和某些物质的散射时，发现某些散射后的X射线的波长变长了。康普顿为了解释这一现象，就除了假定光子的能量E=hν以外，还吸收了爱因斯坦对光子还具有动量p=h/λ的假定。这样，光子就被看成为既具有确定能量，又有确定动量的完整的粒子。如果让这一粒子和静止中的电子发生完全的弹性碰撞，就可以发现碰撞后的光子的能量和动量都有了改变，亦即相应的波长有了改变，其数值恰好就是康普顿在实验上测量到的数值[12]。这样一来，康普顿效应就为光的辐射确立了粒子观。过去，至多认为在能量的吸收和发射上，光的能量的改变具有“粒子性”。但是，康普顿散射实验却将光辐射看成是既具有能量、又具有动量的粒子，而且通过牛顿力学中早已研究过的能量守恒定律和动量守恒定律，就能预言出这一弹性碰撞将能导致光量子波长或频率的改变[13](P92)。康普顿因此荣获1927年诺贝尔物理学奖。后来，康普顿在我国著名前辈物理学吴有训的帮助下改进了他的实验，进一步确证了这一实验现象。因而，这一命名为康普顿效应的实验现象又叫康普顿一吴效应。
康普顿效应的发现当时在物理学界引起轰动，大多数物理学家迅速接受了光子的思想。不过，其时玻尔是个例外。可以说，提出新基本粒子遭到的阻力，莫过于这次对光子这么强烈了，而抗拒光子时间最长的当推玻尔。1924年1月，玻尔、克雷默和斯莱特发表了历史上赫赫有名的“玻尔—克雷默—斯莱特建议”，即所谓BKS理论，对辐射中光子的存在性予以否定[14]。他们为了否定光子、坚持光的连续图景，竟然放弃能量—动量守恒定律和因果性，即认为在单个过程中，能量—动量不守恒，因果性也不成立。历史表明，BKS理论是老量子论的最后立场的典型代表[1](P513)！本来，康普顿效应就是建立在能量—动量守恒律之上的，然而BKS理论认为那只是从平均意义上来讲才成立。由于当时确实还不存在单个过程中能量—动量守恒或因果性的任何直接的实验证明，所以最初大多数物理学家对BKS理论持怀疑态度。玻恩、薛定谔这些物理学家，甚至开始相信BKS可能是正确的[1](P514)。然而，1925年博思和盖革的实验检验表明，因果性在单个过程仍然成立[15]。同年，康普顿和西蒙确证，对于康普顿效应，在单个过程中能量—动量守恒律也是成立的[16]。这就彻底揭露了BKS理论的荒谬，完全证明了爱因斯坦的正确。至此，一切抗拒光子存在的阻力宣告结束。玻尔也很高兴地接受了这一结果，并建议给他们的“革命性的努力以尽可能尊敬的葬礼”[1](P516)。然而，时至今日，面对现代物理学史上这段早有定论的公案，关先生却仍然认为玻尔在BKS文章中，“对光子概念运用于光的传播过程的有所保留的态度，其实是有道理的”[6]，并且认为“直接支持光子概念的光电子发射和康普顿散射，都属于光和物质相互作用的过程，亦即光的产生和转化的过程”[7]。光在辐射传播过程中以光子的形式存在，“却从来没有得到过任何实验的支持”[6]，这不符合科学发展的历史事实，在这样的“现代物理学理论和实验基础”之上认为爱因斯坦做了“缺乏根据的推广”并得出所谓的“科学结论”也有失偏颇。
三、现代物理学中光子在介质中传输的应用
现代物理学的发展不仅在实验上证明了光在传播中的粒子性，而且传播中光子的概念已经在专门从事太阳辐射的辐射输运过程的研究中得到了广泛的应用。在现代物理学中，关于辐射输运过程研究的理论性书籍也有很多。这里，我们谨以我国著名理论物理学家、氢弹的主要开拓者之一、中国科学院院士黄祖洽先生晚年所著的《输运理论》一书为例加以说明。该书详细分析了中子、光子、分子等粒子的输运过程，并且给出了中子的输运方程和光子的输运方程[17](P32,35)。如果对照这两个方程，我们不难发现，光子在传播过程中，与中子并无不同，都是在一定时间、空间和方向上的有一定频率的即具有能量和动量的粒子。中子是得到公认的真实的物质粒子，而同样也是时间、空间、能量和角度分布函数的光子，自然也是真实存在着的粒子。黄先生也正是在这个意义上来分析光子的传输过程的，并且也正是根据这一输运理论来进行原子弹和氢弹的研制的，因为在原子弹和氢弹的爆炸过程中，会辐射出大量的中子，光子等微观粒子。如果光在传播过程中不是以光子的形式存在，即这种光子输运过程不是客观的真实存在，原子弹和氢弹的研究成果根本无从谈起！面对真实发生的历史事实，面对一代物理学元勋以亲身经历书写的客观存在着的物理过程，又怎么能认为光子在传播过程中是不存在的，只是在观察后才存在呢？
事实上，光子在介质中的传输运动，不仅在天体物理和核物理学中，而且在其他领域中，都得了实际的研究和应用。最近看到一本《随机介质中光的传播与成像》的书，书中最后一章中就专门讲到光子在生物组织中迁移的规律和国内外在这方面的研究成果[18]。如果光在传播过程中不是以光子的形式存在，即这种光子输运过程不是客观的真实存在，这些研究和成果也根本无从谈起！可见，科学实践是哲学最好的试金石。在科学实践的面前，唯心论永远是禁不起推敲的！
收稿日期：2003-10-14