康普頓實驗：科學是否為自身而存在？

康普頓散射。圖源：wikipedia

編譯者按：

科學有什么用？

人們關心人工智能能夠創造多少財富，關心量子計算何時走出實驗室，關心基礎研究能否轉化為現實生產力。大學、科研機構乃至整個社會，也越來越習慣于用效率、產出和回報來衡量科學的價值。這種追問當然有其合理性。科學需要資源，而資源總是有限的。

但如果我們進一步追問：科學之所以值得一個社會投入資源，僅僅因為它能夠帶來技術和財富嗎？

1924年，愛因斯坦在《柏林日報》上發表了一篇題為《康普頓實驗：科學是否為自身而存在？》的短文。讀來令人意外的是，他對這個問題既回答“是”，也回答“不是”。

在他看來，科學家必須為了科學本身而從事研究，而不能總是把目光停留在實際成果上。因為一旦科學只剩下功利目的，它便會逐漸失去對于那些“重大聯系”的把握，失去對于世界整體圖景的關心。許多改變人類歷史的發現，最初都并非出于明確的實用目標，而是源于人類對于世界的好奇與驚異。

當19世紀的物理學家試圖理解電與磁之間隱藏的聯系時，他們并不知道這些探索將怎樣改變未來；當普朗克研究黑體輻射時，也不會想到自己正在開啟一個新的時代。科學史最耐人尋味之處正在于此：那些后來深刻改變文明進程的發現，在誕生之初往往并不知道自己將通向何方。

然而，愛因斯坦并沒有因此把科學看成一種脫離社會的純粹事業。恰恰相反。在這篇文章中，他提出了一個今天讀來依然發人深省的觀點：科學固然必須為了真理而存在，但它又不能僅僅為了自身而存在。

為什么？因為科學承擔著一種重要的社會職責。愛因斯坦認為，科學最重要的貢獻之一，并不在于不斷生產新的知識，而在于在整個社會中喚起并保持一種對于因果性認識的追求。科學教導人們相信世界是可以理解的；它鼓勵人們在現象背后尋找原因，在紛繁復雜的事實中建立聯系，并用證據而非偏見來判斷事物。在愛因斯坦看來，這種精神甚至比具體知識更重要。

正因如此，他特別強調：每一個有思想的人，都應當有機會理解并見證自己時代那些重大的科學問題。這里所謂的理解，并不是要求每個人都成為科學家，也不是要求公眾代替科學家作出學術判斷，而是讓人們知道：這個時代最重要的科學探索是什么，人類正在試圖回答哪些根本問題，以及為什么這些問題值得被追問。

從這個意義上說，科學不僅生產知識，也塑造能夠理解知識的人。

一個社會的科學水平，不僅體現在實驗室和論文中，也體現在公眾是否愿意按照證據思考問題，是否愿意尊重事實，是否愿意通過理性的方式理解世界。

正是在這樣的背景下，愛因斯坦向普通讀者介紹了一項剛剛完成的重要實驗——康普頓實驗。

今天，每個學習現代物理學的人都知道它的重要意義。它為光量子理論提供了關鍵證據，成為現代量子物理學的重要基石。但愛因斯坦之所以專門撰文介紹它，并不僅僅因為這項實驗本身。更重要的是，他希望公眾能夠親眼見證科學知識是如何形成的。

從牛頓的微粒說，到惠更斯的波動理論；從麥克斯韋的電磁理論，到普朗克的量子假說；再到康普頓實驗對于光量子理論的支持——科學的發展從來不是一條筆直的道路。它充滿懷疑、爭論、修正與自我超越。

一個世紀后的今天，我們已經知道康普頓實驗后來被寫入教科書。但在1924年，這一切仍然懸而未決。正因為如此，它才成為公眾理解科學最好的機會：科學并不是一套現成的答案，而是一場持續不斷的探索。

因此，愛因斯坦真正關心的，并不僅僅是某個實驗是否成功。他關心的是，一個社會是否愿意為這種探索保留空間；是否愿意讓公眾接觸那些尚無定論的問題；是否愿意把對于真理的追求，看作文明生活不可缺少的一部分。

今天，當“科學有什么用”成為一個越來越普遍的問題時，愛因斯坦實際上提醒我們思考另一個更根本的問題：

如果科學的價值只剩下應用，那么誰來守護人類對于真理的好奇？如果一個社會只相信有用的東西，它又如何理解那些暫時無用卻能夠拓展人類精神邊界的探索？

一百年過去了，這個問題不僅沒有過時。或許，它比以往任何時候都更加迫切。

原載于1924年4月20日《柏林日報》（Berliner Tageblatt）增刊，收錄于《愛因斯坦全集》第14卷文件236。

愛因斯坦｜撰文

方在慶｜翻譯

科學是否為自身而存在？對這個問題，必須同樣堅決地給予肯定和否定的回答，這取決于人們賦予它什么含義。研究者必須為了科學本身而服務于科學，而不去顧及實際成果。否則，科學便會萎縮，因為它將失去對那些重大聯系的把握。它也將無法勝任自己偉大的教育職責——即在整個社會中喚起并保持對于因果性認識的追求。然而，正是這種崇高職責——作為人類最珍貴理想之一的守護者——同時也表明了，科學在何種意義上不能僅僅為了自身而存在。

科學家共同體可以比作人類機體中的一個器官，它由人類共同體的血液滋養，并分泌一種維系生命所必需的“分泌物”，這種分泌物必須輸送到機體的各個部分，否則整個機體就會萎縮。這并不是說，應當把每個人都塞滿學問和各種細節知識——遺憾的是，學校往往把這種事情做得令人厭煩。也絕不是說，應當由廣大公眾來對科學問題作出裁決。但是，每一個有思想的人，都應當有機會親眼見證自己時代那些重大的科學問題，即使他的社會處境并不允許他把大量時間和精力用于思考理論問題。只有當科學也履行了這一重要職責時，從社會的角度來看，它才獲得了自身存在的權利。

從這一觀點出發，我愿在下文介紹一項關于光（即電磁輻射）的重要實驗。這項實驗是美國物理學家康普頓大約一年前完成的。為了認識這一實驗的深遠意義，我們必須先回顧一下輻射理論目前所處的那種極為特殊的境地。

直到19世紀上半葉，光學主要致力于研究光的反射與折射（凹面鏡、透鏡系統）。在那之前，人們基本仍堅持牛頓關于光之本性的微粒說。按照這一假設，光應由微粒構成，這些微粒做勻速直線運動，但在遇到表面時通常會突然改變方向。基于這一基本設想，人們建構了一套針對當時幾乎所有已知光學現象——尤其是借助望遠鏡與顯微鏡來研究的那些現象——的相當完備的理論。

然而，大約100年前，人們對干涉與衍射現象（以及光的偏振）有了更精細的了解后，便不得不放棄牛頓關于光之本性的根本設想，而以完全相反的波動理論取而代之——這一理論早在一個半世紀前就由惠更斯提出。依照波動理論，光應由彈性波構成，它們通過空間（或“以太”）向各個方向傳播，其方式類似于水面因某一點被激發而產生的二維表面波向四周擴展。只有借助這一理論，人們才能理解為什么一束光在通過極狹窄的孔隙之后會向各個方向擴散。也只有它才能解釋：為何在被光充滿的空間區域中，干涉與衍射現象之中會出現暗區，又為何數個光束在局部能互相抵消其作用。波動理論能夠以近乎天文學般的精確度描述干涉與衍射這些復雜現象，因此，人們對其正確性的確信也變得異常強烈。

波動理論在法拉第與麥克斯韋的研究中既得到了修正，也獲得了更為堅實的基礎。在他們的理論中，波動場被剝除了機械性質。麥克斯韋的電磁理論包容了光的波動理論，而并未在形式上對后者做任何更改。同時，該理論建立了真空和物質的光學行為與電學行為之間的定量關系，并減少了波動光學賴以成立的獨立假設的數目。因此，在世紀之交，物理學似乎已經擁有了一個看上去足以永久作為其基礎的理論體系，人們希望能夠以此統一包括力學在內的全部物理學。

但事情的發展卻并非如此。普朗克關于熱體所發射輻射定律的研究顯示，現有理論既無法對該定律做出解釋，也難以解釋這一現象：輻射效應在性質上似乎并不取決于輻射的強度，而僅取決于它的顏色（即頻率）。這是極具悖論性的，似乎與波動理論的基本思想不相容。想象一下，一片開闊海面上某處激起巨大的海浪，向四面八方傳播，顯然波峰越往遠處傳播，其高度就越低。設想若在這片海面上分布著若干同類船只，當這些海浪傳到時，會發生什么？靠近激發點的船只會被掀翻或被撞得變形，但離得足夠遠的船只不會遭遇事故，只會發生持續的輕搖。依此類比，人們自然會以為，被輻射擊中的分子，其命運應如遭遇海浪之船：分子是否發生化學變化，應不僅取決于輻射的波長，也應取決于輻射的強度。然而，經驗并不支持這點。

面對一般理論在此處的失效，人們借助了光量子的假說。在不否定波動理論成功部分的前提下，一種工作性假設逐漸獲得支持：輻射在能量方面的行為猶如由能量“彈丸”組成，其能量大小只取決于輻射的頻率，并與之成正比。

于是，光的微粒理論便再次復活了——盡管它在解釋光的那些純粹呈現波動式幾何特點的性質時已完全失敗。

于是，我們如今面對兩種光理論，二者皆不可或缺，然而——正如必須承認的那樣，盡管理論物理學家在20年間做出了巨大的努力——它們之間卻毫無邏輯關聯。量子論使玻爾的原子理論成為可能，并解釋了如此多的事實，以至于它必定蘊含著大量真實內容。在這種情勢下，一個至關重要的問題便是：光微粒（或光量子）究竟在多大程度上具有射彈那樣的性質？

一個射彈撞擊障礙物時，不僅傳遞能量，同時也會沿其運動方向傳遞動量。光量子是否同樣如此？從理論上說，這個問題早已得到了肯定的回答，而康普頓的實驗則證實了這一預言的正確性。要理解這一實驗的原理，就必須更精確地思考一種被稱為“散射”的現象的機制，例如天空的藍色便由此而來。

當一束電磁波射到一個自由電子，或一個束縛于原子中的電子上時，該粒子便會在波的交變電場作用下被迫做振蕩運動。由此，它又會反過來向四面八方輻射出與原波頻率相同的波（如同無線電報中的天線），其能量取自原來的波。這使得光在包含此類粒子的透明介質中會向各個方向部分地被散射，而且入射光的波長越短，散射便越強。這就是波動理論對散射的解釋。

在量子論之下，這一過程獲得了不同的解釋。根據量子論，一個光量子與電子發生碰撞，其方向因之改變，并同時賦予電子一定速度。這樣一來，在此碰撞中傳遞給電子的動能必須來自該飛行的光量子。因此，被散射的光量子應當具有較小的能量——換以波動語言來說，其頻率應低于入射輻射的頻率。更精確的分析表明，這種散射輻射的頻率降低是可以精確計算出來的。對于可見光，頻率的百分比變化很小，但對于硬X射線——其本質不過是極短波長的光——頻率改變卻十分可觀。

康普頓遂發現，被輕元素散射的X射線，確實顯示出量子論所要求（而波動理論所不能要求）的頻率改變。其原因如下：根據盧瑟福-玻爾原子理論，每個原子擁有若干電子，它們與原子的結合極為松散，因此在X射線的量子沖擊下，其行為大體如同自由粒子。對于這種碰撞所產生的散射光，上述推理便完全適用。康普頓實驗的陽性結果表明：輻射不僅在能量傳遞方面，而且在沖量傳遞方面，表現得仿佛是由離散能量射彈組成的一般。

本文摘自《我的人生觀》，愛因斯坦著，方在慶編譯，中信出版社2026年5月出版，《賽先生》獲授權發布。

BOOK TIME

《我的人生觀》

[美] 阿爾伯特·愛因斯坦 著

方在慶 編譯

中信出版社

2026年5月出版