康普顿实验：科学是否为自身而存在？

科学有什么用？

人们关心人工智能能够创造多少财富，关心量子计算何时走出实验室，关心基础研究能否转化为现实生产力。大学、科研机构乃至整个社会，也越来越习惯于用效率、产出和回报来衡量科学的价值。这种追问当然有其合理性。科学需要资源，而资源总是有限的。

康普顿散射。图源：wikipedia

但如果我们进一步追问：科学之所以值得一个社会投入资源，仅仅因为它能够带来技术和财富吗？

1924年，爱因斯坦在《柏林日报》上发表了一篇题为《康普顿实验：科学是否为自身而存在？》的短文。读来令人意外的是，他对这个问题既回答“是”，也回答“不是”。

在他看来，科学家必须为了科学本身而从事研究，而不能总是把目光停留在实际成果上。因为一旦科学只剩下功利目的，它便会逐渐失去对于那些“重大联系”的把握，失去对于世界整体图景的关心。许多改变人类历史的发现，最初都并非出于明确的实用目标，而是源于人类对于世界的好奇与惊异。

当19世纪的物理学家试图理解电与磁之间隐藏的联系时，他们并不知道这些探索将怎样改变未来；当普朗克研究黑体辐射时，也不会想到自己正在开启一个新的时代。科学史最耐人寻味之处正在于此：那些后来深刻改变文明进程的发现，在诞生之初往往并不知道自己将通向何方。

然而，爱因斯坦并没有因此把科学看成一种脱离社会的纯粹事业。恰恰相反。在这篇文章中，他提出了一个今天读来依然发人深省的观点：科学固然必须为了真理而存在，但它又不能仅仅为了自身而存在。

为什么？因为科学承担着一种重要的社会职责。爱因斯坦认为，科学最重要的贡献之一，并不在于不断生产新的知识，而在于在整个社会中唤起并保持一种对于因果性认识的追求。科学教导人们相信世界是可以理解的；它鼓励人们在现象背后寻找原因，在纷繁复杂的事实中建立联系，并用证据而非偏见来判断事物。在爱因斯坦看来，这种精神甚至比具体知识更重要。

正因如此，他特别强调：每一个有思想的人，都应当有机会理解并见证自己时代那些重大的科学问题。这里所谓的理解，并不是要求每个人都成为科学家，也不是要求公众代替科学家作出学术判断，而是让人们知道：这个时代最重要的科学探索是什么，人类正在试图回答哪些根本问题，以及为什么这些问题值得被追问。

从这个意义上说，科学不仅生产知识，也塑造能够理解知识的人。

一个社会的科学水平，不仅体现在实验室和论文中，也体现在公众是否愿意按照证据思考问题，是否愿意尊重事实，是否愿意通过理性的方式理解世界。

正是在这样的背景下，爱因斯坦向普通读者介绍了一项刚刚完成的重要实验——康普顿实验。

今天，每个学习现代物理学的人都知道它的重要意义。它为光量子理论提供了关键证据，成为现代量子物理学的重要基石。但爱因斯坦之所以专门撰文介绍它，并不仅仅因为这项实验本身。更重要的是，他希望公众能够亲眼见证科学知识是如何形成的。

从牛顿的微粒说，到惠更斯的波动理论；从麦克斯韦的电磁理论，到普朗克的量子假说；再到康普顿实验对于光量子理论的支持——科学的发展从来不是一条笔直的道路。它充满怀疑、争论、修正与自我超越。

一个世纪后的今天，我们已经知道康普顿实验后来被写入教科书。但在1924年，这一切仍然悬而未决。正因为如此，它才成为公众理解科学最好的机会：科学并不是一套现成的答案，而是一场持续不断的探索。

因此，爱因斯坦真正关心的，并不仅仅是某个实验是否成功。他关心的是，一个社会是否愿意为这种探索保留空间；是否愿意让公众接触那些尚无定论的问题；是否愿意把对于真理的追求，看作文明生活不可缺少的一部分。

今天，当“科学有什么用”成为一个越来越普遍的问题时，爱因斯坦实际上提醒我们思考另一个更根本的问题：

如果科学的价值只剩下应用，那么谁来守护人类对于真理的好奇？如果一个社会只相信有用的东西，它又如何理解那些暂时无用却能够拓展人类精神边界的探索？

一百年过去了，这个问题不仅没有过时。或许，它比以往任何时候都更加迫切。

科学是否为自身而存在？对这个问题，必须同样坚决地给予肯定和否定的回答，这取决于人们赋予它什么含义。研究者必须为了科学本身而服务于科学，而不去顾及实际成果。否则，科学便会萎缩，因为它将失去对那些重大联系的把握。它也将无法胜任自己伟大的教育职责——即在整个社会中唤起并保持对于因果性认识的追求。然而，正是这种崇高职责——作为人类最珍贵理想之一的守护者——同时也表明了，科学在何种意义上不能仅仅为了自身而存在。

科学家共同体可以比作人类机体中的一个器官，它由人类共同体的血液滋养，并分泌一种维系生命所必需的“分泌物”，这种分泌物必须输送到机体的各个部分，否则整个机体就会萎缩。这并不是说，应当把每个人都塞满学问和各种细节知识——遗憾的是，学校往往把这种事情做得令人厌烦。也绝不是说，应当由广大公众来对科学问题作出裁决。但是，每一个有思想的人，都应当有机会亲眼见证自己时代那些重大的科学问题，即使他的社会处境并不允许他把大量时间和精力用于思考理论问题。只有当科学也履行了这一重要职责时，从社会的角度来看，它才获得了自身存在的权利。

从这一观点出发，我愿在下文介绍一项关于光（即电磁辐射）的重要实验。这项实验是美国物理学家康普顿大约一年前完成的。为了认识这一实验的深远意义，我们必须先回顾一下辐射理论目前所处的那种极为特殊的境地。

直到19世纪上半叶，光学主要致力于研究光的反射与折射（凹面镜、透镜系统）。在那之前，人们基本仍坚持牛顿关于光之本性的微粒说。按照这一假设，光应由微粒构成，这些微粒做匀速直线运动，但在遇到表面时通常会突然改变方向。基于这一基本设想，人们建构了一套针对当时几乎所有已知光学现象——尤其是借助望远镜与显微镜来研究的那些现象——的相当完备的理论。

然而，大约100年前，人们对干涉与衍射现象（以及光的偏振）有了更精细的了解后，便不得不放弃牛顿关于光之本性的根本设想，而以完全相反的波动理论取而代之——这一理论早在一个半世纪前就由惠更斯提出。依照波动理论，光应由弹性波构成，它们通过空间（或“以太”）向各个方向传播，其方式类似于水面因某一点被激发而产生的二维表面波向四周扩展。只有借助这一理论，人们才能理解为什么一束光在通过极狭窄的孔隙之后会向各个方向扩散。也只有它才能解释：为何在被光充满的空间区域中，干涉与衍射现象之中会出现暗区，又为何数个光束在局部能互相抵消其作用。波动理论能够以近乎天文学般的精确度描述干涉与衍射这些复杂现象，因此，人们对其正确性的确信也变得异常强烈。

波动理论在法拉第与麦克斯韦的研究中既得到了修正，也获得了更为坚实的基础。在他们的理论中，波动场被剥除了机械性质。麦克斯韦的电磁理论包容了光的波动理论，而并未在形式上对后者做任何更改。同时，该理论建立了真空和物质的光学行为与电学行为之间的定量关系，并减少了波动光学赖以成立的独立假设的数目。因此，在世纪之交，物理学似乎已经拥有了一个看上去足以永久作为其基础的理论体系，人们希望能够以此统一包括力学在内的全部物理学。

但事情的发展却并非如此。普朗克关于热体所发射辐射定律的研究显示，现有理论既无法对该定律做出解释，也难以解释这一现象：辐射效应在性质上似乎并不取决于辐射的强度，而仅取决于它的颜色（即频率）。这是极具悖论性的，似乎与波动理论的基本思想不相容。想象一下，一片开阔海面上某处激起巨大的海浪，向四面八方传播，显然波峰越往远处传播，其高度就越低。设想若在这片海面上分布着若干同类船只，当这些海浪传到时，会发生什么？靠近激发点的船只会被掀翻或被撞得变形，但离得足够远的船只不会遭遇事故，只会发生持续的轻摇。依此类比，人们自然会以为，被辐射击中的分子，其命运应如遭遇海浪之船：分子是否发生化学变化，应不仅取决于辐射的波长，也应取决于辐射的强度。然而，经验并不支持这点。

面对一般理论在此处的失效，人们借助了光量子的假说。在不否定波动理论成功部分的前提下，一种工作性假设逐渐获得支持：辐射在能量方面的行为犹如由能量“弹丸”组成，其能量大小只取决于辐射的频率，并与之成正比。

于是，光的微粒理论便再次复活了——尽管它在解释光的那些纯粹呈现波动式几何特点的性质时已完全失败。

于是，我们如今面对两种光理论，二者皆不可或缺，然而——正如必须承认的那样，尽管理论物理学家在20年间做出了巨大的努力——它们之间却毫无逻辑关联。量子论使玻尔的原子理论成为可能，并解释了如此多的事实，以至于它必定蕴含着大量真实内容。在这种情势下，一个至关重要的问题便是：光微粒（或光量子）究竟在多大程度上具有射弹那样的性质？

一个射弹撞击障碍物时，不仅传递能量，同时也会沿其运动方向传递动量。光量子是否同样如此？从理论上说，这个问题早已得到了肯定的回答，而康普顿的实验则证实了这一预言的正确性。要理解这一实验的原理，就必须更精确地思考一种被称为“散射”的现象的机制，例如天空的蓝色便由此而来。

当一束电磁波射到一个自由电子，或一个束缚于原子中的电子上时，该粒子便会在波的交变电场作用下被迫做振荡运动。由此，它又会反过来向四面八方辐射出与原波频率相同的波（如同无线电报中的天线），其能量取自原来的波。这使得光在包含此类粒子的透明介质中会向各个方向部分地被散射，而且入射光的波长越短，散射便越强。这就是波动理论对散射的解释。

在量子论之下，这一过程获得了不同的解释。根据量子论，一个光量子与电子发生碰撞，其方向因之改变，并同时赋予电子一定速度。这样一来，在此碰撞中传递给电子的动能必须来自该飞行的光量子。因此，被散射的光量子应当具有较小的能量——换以波动语言来说，其频率应低于入射辐射的频率。更精确的分析表明，这种散射辐射的频率降低是可以精确计算出来的。对于可见光，频率的百分比变化很小，但对于硬X射线——其本质不过是极短波长的光——频率改变却十分可观。

康普顿遂发现，被轻元素散射的X射线，确实显示出量子论所要求（而波动理论所不能要求）的频率改变。其原因如下：根据卢瑟福-玻尔原子理论，每个原子拥有若干电子，它们与原子的结合极为松散，因此在X射线的量子冲击下，其行为大体如同自由粒子。对于这种碰撞所产生的散射光，上述推理便完全适用。康普顿实验的阳性结果表明：辐射不仅在能量传递方面，而且在冲量传递方面，表现得仿佛是由离散能量射弹组成的一般。