3 传播光的小包裹：光子

在我们继续行进之前，我们需要真正理解我们正在行进中的介质。如果我们做不到这一点，向导向我们保证，对于我们即将看到的东西，我们将领会得非常少。特别是下一个旅程的目标——原子之地的内部，我们将完全无法涉足。虽然我们几乎没有离开过舷舱，但是海岸线看上去已经近了许多。

向导接下来要告诉我们的事情非常奇怪，以至于他知道我们可能不会相信他，所以他敦促船长放下船锚且将船员聚集在甲板下面做一个演示。在一些时间的准备之后，在我们船舱漆黑的封闭空间内，向导向一个有两个很小裂缝的隔板发射了一道激光束；在隔板的另一面是一个探测器，以监视通过裂缝的光。

第一件需要注意的事就是光呈波状。如果裂缝足够细，那么裂缝自身就会开始表现得像波的发射器，就像在海港里的狭窄海峡的水波那样。这个现象指出了光是有波长的，和每个裂缝的宽度差不多的波长，就像衍射最剧烈的水波，有和海港入口宽度差不多大小的波长那样。

而且，我们通过探测器将会看见一个明暗交错的带状图案。在我们探测器的每一点上，都有光从两个源头被接收——两个裂缝，就像在海港附近那两只戏水的海豚。对于恰巧在裂缝中间的点来说，光从每个裂缝所行进的距离是一样的，且来自两个裂缝的光波的波峰将会同时到达，即同相。波峰会互相增强，波谷也会，形成一个很强的波，即一段很亮的光。对任何隔板上其他的点来说，光从一个裂缝行进的距离和从另一个裂缝行进的距离不同，所以这种“加倍效应”并不能保证出现。如果行进距离的差是波长的整数倍，那么一个波源的波峰将会和另一个波源的波峰同时到达，它们仍然能够互相加倍。但是如果行进距离差是波长的整数点5倍，那一方的波峰将会和另一方的波谷同时到达。两道波处于逆相位。（这就是那些暗带，波峰和波谷互相抵消的地方。）探测器将会保持黑暗的状态，就像海鸥在海湾里安稳地休息。

看上去我们已经可以断言光就是波了。衍射和干涉的现象正在发生，且只有波才能产生它们。我们不会在粒子上看到这种现象。我们甚至能算出波的波长，这显然对于经典粒子而言是完全说不通的。光是一种波，仅此而已。

但这并不是故事的结尾，有一个转折，一个重要的转折。

向导敦促我们更仔细一点去观察探测器，它正在测量通过裂缝之后的光造成的明暗交错的干涉光带。我们实验中的探测器依赖着“光电效应”——也就是说，当光线照在探测器上时，会释放出电子，接着电子能携带电流。对这个现象的解释就在原子之地的海岸上，但是现在我们可以看到——通过给探测器加一个电压，我们能让电流流动起来，即能够探测到自由电子。这就是我们为什么知道光线打在探测器上了，且知道亮带在哪里，暗带在哪里。

波传递能量。这就是让海鸥浮动且往我们的探测器中释放电子的能量。而且波的情况是，有两种方法可以使能量增加。你可以增加水波的振幅，能使海鸥弹起得更高。你也可以增加水波的频率，能使海鸥更快地上下浮动。光也是一样的。增加一道激光的能量能够使它更亮、更强烈，或者是增加它的频率也可以达到同样的效果。光的频率对应着颜色，所以可以说增加频率可能意味着将光从红光改为蓝光。

但是在我们的实验中，这两种增加能量的方法在光线探测器上有非常不同的影响。我们通常都会预计，当照在一个光电材料，比如我们的探测器上的光增强的时候，它所产生的电流也会增加。在某些情况下这是真的，但也并非总是这样。

举一个例子，我们正在使用的光是蓝色的，这表示它的波长是475纳米，与650太赫注1的频率相匹配（每秒钟650万亿次振动）。光显示在光线探测器上，制造出我们可爱的明暗光带交替的干涉图案，且明确地表现出光所具有的波的特质。如果我们增强蓝色激光的功率，光线探测器上显现出的光的强度也会增加。一切都很完美而且合理。

注11太赫相当于1012赫兹。

但是，我们现在开始调试我们激光的频率。我们降低它，使激光先变成绿色，然后是红色。对于这个特定的探测器来说，随着频率降低至红光，电流突然消失，然后我们再也不能检测到光线了。

随着我们降低频率，我们也在降低激光的功率。如果我们现在还在对付着海湾里的波浪，我们将会使海鸥浮动的频率降低。所以我们得到更少的电流并不值得惊讶，但电流突然消失就有点令人奇怪了。

没事，我们还可以通过增加光束的强度来弥补，就像我们可以使海鸥浮动的高度更高，而使它的浮动频率降低一样。

我们将要看到的情况十分令人失望。事实上我们什么也看不见。

一旦光的频率降低到一定值（这个取决于我们所持有的探测器以及事实上它是由什么东西组成的）以下之后，我们将不会有任何电流，无论我们将光的强度调得多高。这个现象是不可能由连续的光波做出解释的。能量就在那里——为什么它无法剥离出任何自由电子呢？

造成这种现象的原因只能是光的能量不是以一道连续的波的形式传播，而是以小块包裹，即量子的形式传播的，因而它就更像是船员们寄回家的信，而不是我们在紧急情况下使用的无线电波。对于光来说，这些小包裹被称作光子。一个光子就是一量子的光。这就是爱因斯坦在1905年的突破性论文中所写下的结论。一个单独光子的能量取决于它自身相关的频率——蓝色光子比红色光子有更多能量。一道激光束所蕴含的总能量是光子的数量乘以每个光子的能量。当我们提高红色激光的功率时，我们提高了发射出光子的频率，但是每个光子所含的能量保持不变，因为光的频率没有改变。

相反地，随着我们调低蓝色激光的功率，我们降低了光子的数量，但是没有降低每个光子的能量。所以，就像爱因斯坦在他的论文中所说的：“对于能够激起光电效应的光来说，让它能充当‘刺激物’的光强度的下限是不存在的。”在我们这里能够充当“刺激物”，便意味着能够释放电子，且能够显示在探测器上。这句话或许在原有的德语中听起来更加优雅，但它所蕴含的结论和实验吻合，并且肯定是非常令人兴奋的。也就是说，即使一束激光被调低强度，直到一年只发射一个光子的程度，它最终仍然能够形成明暗交错的干涉图案——一次一个点。光以不连续的小包裹形式前进，就像它是由粒子组成的那样，但是又展现出干涉现象，就像它是一道波一样。

把两方面合在一起，一方面光表现出类似干涉的波状特性，另一方面光行进时能量是以含有由其频率决定的能量的不连续的小包裹形式传递的。这个事实告诉我们，光既不是我们在经典物理中理解的波，也不是经典的粒子，它完全是另一种东西——在低光强度和高频率的情况下，意味着我们进入了一个新的物理世界，我们需要一套新的概念去描述它。光子是“量子场”里的激发产物。而量子场就是我们正在航行的大海。

向导在现在这个阶段看上去十分得意扬扬，且已经完全吸引住了围观船员的注意力。他的演示抓住了我们的注意力，也使我们离真正理解量子场是什么以及如何运作更近了一步。但是我们需要知道更多，他也非常乐意告诉我们。