中國科學院物理研究所 汪力 編譯自 Gerald Holton. Physics，January 17，2025

本文選自《物理》2025年第4期

該實驗進一步證明了光子的存在，但密立根直到職業(yè)生涯后期才接受這一事實。

羅伯特·密立根1916年關于普朗克常數(shù)測量的論文在當時是極不尋常的。今天，這篇論文所承載的歷史仍然值得玩味：對于這個事實上驗證了量子理論并在7年后獲得諾貝爾獎的工作，密立根本人的解讀和認知卻有一個糾結的過程。

雖然人們早就知道光照射在金屬表面可能會射出電子(光電效應)，但密立根首次以極高精度確定射出電子的最大動能符合愛因斯坦1905年提出的方程：即，其中h是普朗克常數(shù)，ν 是入射光的頻率，用密立根的話來說P是“將電子從金屬中取出所需的功”。通過測量阻止光電子發(fā)射所需電場的勢能，即可確定光電子的動能。應用他在1913年油滴實驗中確立的電子電荷e 的獨特精確值，密立根最終確定h的值為6.57×10-27爾格·秒，“精度約為0.5%”，這一數(shù)值遠優(yōu)于所有先前的結果。密立根的這一實驗在當時具有最高的重要性，并作為他1923年獲得諾貝爾獎工作(電的基本電荷和光電效應)的一部分。

在Phys. Rev. 同一卷的另一篇早期論文(1916年1月，如圖所示)中，密立根在第一句話中寫道：“愛因斯坦的光電方程……在我看來，目前不能被視為建立在任何令人滿意的理論基礎之上”，盡管“它實際上非常準確地描述了”光電效應。事實上，在密立根關于測量普朗克常數(shù)的論文表述中，他始終與愛因斯坦1905年將光效應與某種形式的量子理論聯(lián)系起來的嘗試保持距離。我們現(xiàn)在所稱的光子，當時在密立根看來，是“大膽的，甚至可以說是魯莽的假說”，因為它與光作為波傳播現(xiàn)象的經(jīng)典概念相悖。因此，密立根的論文并不像我們現(xiàn)在所期望的那樣，是對光的量子理論的實驗證明。

1921年，密立根發(fā)表在Phys. Rev. 上的論文第一段

1912年，密立根在美國科學促進會與美國物理學會聯(lián)合舉行的克利夫蘭會議上發(fā)表演講，明確認為自己是普朗克輻射理論的合適介紹者。帶著他一貫的自信，密立根坦承光的微粒理論對他來說“完全不可想象”，在他看來，這與衍射和干涉現(xiàn)象無法調(diào)和。簡而言之，密立根1916年的經(jīng)典論文純粹是為了驗證愛因斯坦的光電效應方程并確定h 的數(shù)值，而不接受任何“激進”的解讀。

當密立根獲得1923年諾貝爾獎時，他的諾貝爾演講中包含的一些段落，再次顯示了他對自己成就進行解讀時的糾結：“這項工作出乎我自己的意料，首次直接實驗證明了……愛因斯坦方程，并首次直接光電測定了普朗克的h。”

然而，很難在密立根當時的實驗論文中找到任何關于這種與自己預期不符的文字表述。他的內(nèi)心沖突是另一種類型，雖然密立根承認愛因斯坦的光電方程是“實驗上確立的……但局域光量子概念(愛因斯坦據(jù)此得出他的方程)仍然必須被視為遠未確立。”有趣的是，正是密立根的實驗說服了傾向于實驗主義的斯德哥爾摩委員會在1922年接納愛因斯坦進入那個精英圈子。

最后的認定：1950年，82歲的密立根出版了他的自傳，第9章直接題為“光子存在的實驗證明——愛因斯坦的光電方程”。至此，密立根已經(jīng)接受了光子的概念，改變了對他1916年左右所做工作的看法，因為他現(xiàn)在寫道，當實驗數(shù)據(jù)逐漸清晰，它們“簡單而無可辯駁地證明，以能量hν逃逸的電子是通過光直接向電子轉移了hν單位的能量，幾乎不允許任何其他解釋，除了愛因斯坦最初提出的半微粒或光子理論。”

最終，密立根重構了他的輝煌實驗的復雜個人歷史，以適應我們許多物理教科書中講述的簡單故事。

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