历史编译稿：本文保留原稿的科学人物叙事。英文资料来源为Famous Scientists；具名作者及译者未能从导出稿中核实，原发表日期待核实。
光究竟是粒子还是波？这是一个物理学界延续了数百年的争论。
艾萨克·牛顿（Isaac Newton）认为光是粒子。但是同时期的英国物理学家罗伯特·胡克（Robert Hooke）却提出了截然不同的观点。胡克认为光是一种四面发射的波，在胡克当时的描述中，这种波不受重力的影响，在进入高密度介质的时候，光会出现减速的现象。这与牛顿的研究结论产生了分歧。
1905年，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）提出了“光电效应”理论：他将光束描述为一群离散的量子（现称为光子），而不是连续性波动。爱因斯坦的论述极具想像力与说服力，却遭遇到了物理学界强烈的抗拒与抵制。
直至1923年，美国物理学家阿瑟·康普顿（Arthur Compton）通过X射线散射实验发现了一个新的现象—康普顿效应，“光的波粒二象性”才迅速获得了广泛地承认。
1927年，阿瑟·康普顿因发现展示电磁辐射粒子性的康普顿效应而被授予该年度的诺贝尔物理学奖。
天纵奇才的科学萌芽
阿瑟·康普顿于1892年9月10日出生在美国俄亥俄州的伍斯特市。
他的父亲Elias Compton是一位哲学讲师和长老会牧师，后来成为了伍斯特大学的院长。他的母亲Otelia Augspurger曾是一名学校教师，并在儿童之家的管理委员会任职。
阿瑟是他们的第四个孩子。他的姐姐玛丽的学习成绩是兄弟姐妹中最优异的，她成为了印度的一名传教士。他的两个哥哥卡尔和威尔逊同样拥有杰出的职业生涯：卡尔是物理学家和麻省理工学院院长，威尔逊是商人和华盛顿州立大学校长。
阿瑟在14岁前往伍斯特预备学校上学。他受过良好教育的父母在一个充满书籍的房子里把他养大，因此他很快对科学产生了浓厚的兴趣—特别是天文学和动力飞行。
12岁时，阿瑟阅读了一本天文学的书籍，就此沉迷。1910年，17岁的阿瑟用他自制的相机对准哈雷彗星，拍摄了一张照片。他一生都珍藏着这张照片。
1907年，15岁的阿瑟对莱特兄弟在1903-1905年进行的动力飞行产生了兴趣。他变得如此着迷，以至于开始尝试用覆盖着纸的木质框架设计和建造一架与自己一样大的飞机模型。
他用到的材料是松木、布和钢琴线。总成本不到35美元，资金来自于为邻居做家务得到的报酬。1909年春天，16岁的他成功驾驶着自制的滑翔机，学到了大量的航空知识。
此后，阿瑟·康普顿选择进入伍斯特大学（当时称为伍斯特学院）攻读学士学位，主修物理学。他发现相比于理论研究自己对实验工作更感兴趣。
1913年，康普顿离家前往新泽西州的普林斯顿大学，攻读工程学专业的研究生课程。但是他用了一年时间就获得了物理学硕士学位，并决定成为一名物理学家。
1914年，康普顿开始在普林斯顿大学攻读物理学博士学位。他于1916年顺利毕业，博士论文题目是：X射线的反射强度和原子中的电子分布。毕业后，康普顿先在明尼苏达大学短暂执教一年，后在西屋电气公司做了两年的工程师。在西屋电气公司的工作经历，让康普顿意识到自己应当专注于科学研究而不是商业工作。
关于光的世纪争论
1919年，康普顿获得了一项颇为丰厚的奖学金，使他能够前往海外，在著名的剑桥大学卡文迪许实验室攻读博士后。在那里他研究了伽马射线的散射和吸收，并与电子的发现者J.J.汤姆逊（J. J. Thomson）以及质子和原子核的发现者欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）成为了朋友，他们都是他非常钦佩的人。
1920年，28岁的康普顿回到美国，在密苏里州的圣路易斯华盛顿大学担任物理系主任。康普顿的任务是帮助该校的物理系跻身世界一流行列。
事实上，康普顿所做的远不止于此。他在回答一个关键问题上发挥了重要作用，这个问题的不一致答案困扰了物理学家们几个世纪：光究竟是一种粒子还是一种波？17世纪两位杰出的科学家提出了截然不同的观点：艾萨克·牛顿，他认为光的行为像粒子；而克里斯蒂安·惠更斯（Christian Huygens），他认为光的行为像波。
在19世纪，这个问题似乎已经得到了解决。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）提出的著名方程组确定了光是一种波，此外，还表明了可见光是电磁波谱的一小部分。
麦克斯韦的工作代表了经典物理学的巅峰。然而，到了19世纪末，经典物理学陷入困境。例如，它无法预测热金属所发出的光的颜色。
热金属会发光，发出电磁辐射，其颜色取决于温度。
为了解决热金属发光的颜色问题，马克斯·普朗克提出了能量量子的概念：对给定频率f，能量以hf为单位交换，其中h是普朗克常数。h本身的量纲是作用量，并不是能量。
普朗克的思想永远改变了物理学。对一个给定频率f的辐射模，光子能量为hf，能量交换按相应量子计数；这并不意味着所有频率的光只能取同一组能量值。这是20世纪量子革命的开始，它极大地、永久性地改变了物理学。
1905年，阿尔伯特·爱因斯坦提出了“光电效应”理论：被紫外线照射的金属会释放电子。
爱因斯坦认为：如果光的行为像一个粒子，而光粒子所携带的能量是由光的频率乘以普朗克常数得到的，那么“光电效应”就可以得到解释。
但是仔细想一想，这种论述似乎很奇怪。爱因斯坦提到光有一个频率，这意味着光是一种波，但他同时也提到光的行为像一个粒子。现在，我们称这种光粒子为光子—“photon”一词由Gilbert N. Lewis在1926年提出，后来被康普顿等物理学家采用。
最终，关于“光究竟是波还是粒子？”的争论构成了量子理论的内在组成部分。事实上，光可以是任何一种：它在不同情境下表现不同。有时，光的波状特征占据中心舞台，粒子状特征则退居二线，而在其他时候，它们扮演的角色则恰好相反。
然而，爱因斯坦在1905年提出的“光电效应”理论受到了大多数科学家的反对。直至1923年，阿瑟·康普顿的实验结果表明：爱因斯坦一直都是正确的。
康普顿效应的诞生
康普顿选择以X射线的形式研究非常高能量的光，以观察X射线如何与电子相互作用。他的研究目的并不是为了证明爱因斯坦是正确的，而是为了研究电子在原子中的分布情况，原理类似于劳伦斯·布拉格（Lawrence Bragg）如何利用X射线推断出固体中原子的位置。
1922年，康普顿观察到：X射线因为与电子的相互作用而被改变。在相互作用之后，X射线的频率更低，波长更长，这意味着它们失去了能量。
当他检查与电子相互作用的X射线的路径和能量时，唯一有可能的解释是：X射线和电子的行为就像两个碰撞的粒子，近似于两个小球的碰撞。康普顿确定，一个X射线不会同时与几个电子相互作用。单个X射线只能与单个电子相互作用。
“因此，我被引向这个最有可能的假设：X射线粒子与电子相撞，并从它身上反弹，能量减少，损失的能量作为电子的反冲能量出现。”— 阿瑟·康普顿
康普顿把这些光粒子称为光子。
康普顿的实验提供了决定性的证据，证明爱因斯坦对“光电效应”的解释是正确的：光的行为可以像粒子一样。
康普顿在1923年4月向美国物理学会提交了他的实验结果，引发了一场充满怀疑与争议的学术风暴。
许多物理学家拒绝相信：光的频率和波长以及因此而产生的能量是通过与电子的相互作用而改变的。康普顿向提出反对意见的物理学家作出了解释：“当你在实验中发现光的波长确实可以被改变时，你就会明白波浪理论一定存在问题。可以说，这是让美国物理学家确信量子理论的基本有效性的第一个实验。”
康普顿于1923年5月在《物理评论》上发表了他的实验结果。通过实验结果，他确定X射线可以表现为粒子，其动量由爱因斯坦首次提出的方程式给出：
在上述方程式中：p是动量，h是普朗克常数，ν是光的频率，c是光的速度。
1924年，路易斯·德·布罗格利（Louis de Broglie）提出：所有物质都具有类似波的特性。
1927年，克林顿·戴维森（Clinton Davisson）和J.J.汤姆逊的儿子乔治·佩吉特·汤姆逊（George Paget Thomson）证明了电子的行为可以像波一样。
于是，光的波粒二象性诞生了。
1927年，阿瑟·康普顿因发现康普顿效应而被授予诺贝尔物理学奖。德·布罗格利于1929年获奖，克林顿·戴维森和乔治·佩吉特·汤姆逊于1937年获奖。
现在我们已经知道：在光子和电子的量子世界中，某物表现为波还是粒子，取决于它的环境。
心怀信念，功勋卓著
1912年，维克托·赫斯（Victor Hess）进行了一系列实验，以调查西奥多·伍尔夫（Theodor Wulf）和多米尼奥·帕尼（Domenicio Panini）等人探测到的神秘辐射的来源。实验结果使赫斯得出了这样的结论：“有一种穿透力非常强的辐射正在进入我们的大气层。”
在20世纪30年代，科学家们仍然在争论宇宙射线到底是什么。当时有两个对立的思想流派：
·宇宙射线是带电的粒子。
·宇宙射线是不带电的电磁辐射，像X射线一样，但能量比它高得多。
1923年，康普顿被任命为芝加哥大学教授，他组织小组成员对地球上各个地点进行考察，他们一起探查了4万英里，远至加拿大北部和澳大利亚，并访问了欧洲、印度和新西兰。
考察结果发现：远离地球磁赤道的地方接受到的宇宙射线数量最高。这证明了宇宙射线主要是由带电粒子组成的。
1932年，康普顿带领的研究生路易斯·阿尔瓦雷斯（Luis Alvarez）发明了一个盖革计数器阵列来研究宇宙射线。
1933年，阿尔瓦雷斯和康普顿在《物理评论》上发表了一篇论文，认为宇宙射线是带正电的粒子。这种不加限定的结论过于简单：宇宙射线主要含带正电粒子，但并非全部如此。
1939年，纳粹德国对波兰的入侵使许多欧洲国家陷入了战争状态。1940年，美国还没有加入这场战争，但到处都笼罩着战争的气氛。
康普顿在第一批核武器的开发中发挥了关键作用。
有英国科学家告诉他们的美国同事，他们相信原子弹可以在大约三年内制造出来。1941年初，康普顿被任命为美国科学家小组组长，调查这是否现实。康普顿听从建议，并与以下人士合作：欧内斯特·劳伦斯（Ernest Lawrence），哈罗德·乌瑞（Harold Urey）和恩里科·费米（Enrico Fermi）。1941年10月，由康普顿召集的科学家们在纽约斯克内克塔迪举行了一次会议，得出的结论是：在三年半时间内制造原子弹是可行的。
1941年12月，康普顿成为钚项目的负责人，研究目的是在化学元素钚的基础上制造核武器。这意味着康普顿被赋予了建造世界上第一个核反应堆（这是生产钚所需要的）的重任。
1942年12月2日，在恩里科·费米（Enrico Fermi）的指导下，他们在芝加哥大学足球场看台下，制造出了世界上第一个受控自持链式核反应。
康普顿因其战时工作而被授予功绩勋章。
宗教在人与人之间划出了鲜明的界线，在科学中却没有这样的划分：所有人都在真理的圣殿前顶礼膜拜。科学精神不分民族与宗教界限，因此它是促进世界和平的强大力量。— 阿瑟·康普顿
在那个百花齐放的物理时代，由阿瑟·康普顿通过实验论证发现的“康普顿效应”，使“光的波粒二象性”得到科学界的广泛承认，这场跨越百年的“世纪斗争”就此终结。
这位出身学术世家的天纵奇才，不负家族传承，不负盛世孕育，他是专注严谨的学者，也是桃李天下的名师，他用自己的天赋与努力，在那个传奇的时代，留下了浓墨重彩的印记！
原文链接：
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资料来源：《Famous Scientists》
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编辑说明
编辑说明：原稿把光的能量直接写成普朗克常数h的倍数，量纲不成立；这里改为给定频率f的量子hf。“photon”一词按Lewis 1926年原文更正命名归属。宇宙射线主要由带正电粒子构成，但不能概括为全部带正电；原英文对此有“结论有误”的限定，原中文未保留，本次补回并明确范围。早期波与粒子争论及科学家引语保留历史语境。
补充参考资料
Lewis 1926：The Conservation of Photons
来源与编辑记录
根据博士科普公众号完整历史文章导出恢复。
校订说明：编辑说明：原稿把光的能量直接写成普朗克常数h的倍数，量纲不成立；这里改为给定频率f的量子hf。“photon”一词按Lewis 1926年原文更正命名归属。宇宙射线主要由带正电粒子构成，但不能概括为全部带正电；原英文对此有“结论有误”的限定，原中文未保留，本次补回并明确范围。早期波与粒子争论及科学家引语保留历史语境。
