现在，来自德国的物理学家站在巨人的肩膀上，进一步发现了光子动量的奥秘。

光电效应是物理学中一个非常重要且神奇的现象。当光照射到某些物质上时，会引起该物质的电性质（即光电）的变化。这种现象统称为光电效应。这种现象最早由德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹于1887年发现，他在证明光是一种电磁波的实验中注意到了这种奇怪的现象。那时，电子还没有被发现。

时任伯尔尼专利局年轻职员的爱因斯坦在1905 年的论文中对光电效应给出了正确的解释。他的理论指出，光是由粒子（光子）组成，这些粒子仅将量子化能量传递给物质原子中的电子。如果光子能量足够，它可以将电子踢出原子，从而改变物质的电特性。然而，由于当时的科学研究条件，爱因斯坦并没有给出关于光子动量在此过程中如何变化的更详细的理论。

本月早些时候，德国法兰克福大学（又称歌德大学）的物理学家表示，他们可以回答这个问题。为了进一步研究光与物质的相互作用，他们开发并建造了一种新的光谱仪，其分辨率远远超出了以前的水平。依靠新设备，他们的实验展示了光子和电子相互作用后动量的分布情况，并通过灵敏的测量证实了预期的动量守恒，证实了相对论。

迄今为止，光电效应的发现、理论解释和当代实验证实均由德国科学家或前德国科学家（爱因斯坦出生于德国）负责。

研究团队的论文发表在最新一期的《自然·物理学》杂志上。该实验可能会解决困扰物理学家30多年的问题。科学界一直有这样一句话：“谁证明了爱因斯坦，甚至证明了他的一部分，谁就能成为当代著名的物理学家”。因此，法兰克福大学研究团队的这一新发现引起了物理学界的广泛关注。作为开创现代科学技术新时代的爱因斯坦，他的“神话”地位或许会随着后人的不断证明而日益增强。

特别的实验设备与方法

该设备目前位于法兰克福大学里德贝格新区物理教学楼实验厅。它被一个不透明的黑色帐篷包围，并包含非常强大的激光。激光发出的光子与设备中的单个氩原子碰撞，从每个原子中除去一个电子。这些电子出现时的动量是在仪器的长管中高精度测量的。

该实验设备是根据法兰克福大学发明的COLTRIMS（碰撞光学激光测试反应相互作用动量系统）原理进一步开发设计的。该系统是根据新发表的研究成果开发的。世界闻名。它包括电离单个原子或破坏分子，然后精确确定粒子的动量。

然而在此之前，通过理论计算预测的光子动量向电子转移的幅度极小，以至于之前的所有测量方法都无法实现。因此，Alexander Hartung在COLTRIMS的基础上打造了“Super COLTRIMS”。使用该设备，哈通和他的同事随后设计了一种使用两个反向传播激光脉冲的实验方法，使研究小组能够对光子动量在高场电离中的作用进行详细研究。

在Hartung研究团队设计的实验方案中，所有面板的横坐标代表光偏振轴z，纵坐标代表光传播轴x。图中a、b、c的设置可以实现三种不同形式的氩的强场电离：a和c可以让激光从一侧进入相互作用空间，而b可以从两侧产生驻波同时。中间的d、e、f代表相应的电子动量分布结果。对于线性光，它们不会表现出任何由光子动量引起的偏移（即，它们不会表现出任何光特征的不对称性）。由于实验沿光偏振轴z 对称，因此数据在该维度上也是对称的。

收集到的计数值通过面板d、e、f 中的颜色变化以线性刻度表示。同时，d~f中的虚线表示光传播方向上的平均动量，图g中进一步解释：通过计算三种电离情况下光传播方向上的平均动量，并将其放大为大约100次，可以清楚地看到非偶极子特征。在驻波电离的情况下，由于实验布置的空间对称性，没有发生显着的动量变化。在两个单脉冲电离的情况下，当激光脉冲的传播方向改变时，抛物线形状会翻转。

随后，研究人员需要利用复杂的公式来计算圆偏振光和线偏振光在光传播方向上的平均电子动量、径向动量以及光偏振轴z方向上的动量之间的关系。

或将终结 30 余年的争议

当强激光脉冲引起原子电离时，动量守恒表明吸收的光子将其动量传递给电子及其母离子。由于该实验方法独特的高精度和固有的零动量，研究人员可以清楚地展示光磁场对处于隧道势垒下的电子的影响。此前，理论上，当束缚电子穿过原子势与电场叠加形成的势垒时，两个粒子之间光子动量的共享及其在强场电离中的势能机制经过多年的理论研究仍然存在争议。

例如，当来自激光脉冲的大量光子轰击氩原子时，它们会电离；原子的分裂消耗了一些光子的能量，剩余的能量转移给释放的电子。但哪个反应部分（电子或原子核）保留了光子的动量，这是一个困扰物理学家30 多年的问题。哈同研究团队的成果以及他们设计建造的实验设备将帮助物理学家解决相应的问题。

“最简单的想法是，只要电子附着在原子核上，动量就会转移到更重的粒子，例如原子。一旦它打破了键，光子的动量就会直接转移到电子。”核物理研究所的莱因哈德·多纳教授解释说，哈同的导师。 “就像风把它的动量传递给帆一样，只要帆紧紧地贴在船上，风的动量就可以推动船前进。但是，一旦拉住帆的绳子断了，风的动量就只剩下一个了。”转移到帆上。”

虽然解释起来相对简单，但哈同通过实验发现的答案是令人惊讶的，并且是量子力学的典型答案。电子不仅获得了预期的动量，而且还获得了实际进入原子核的光子动量的大约三分之一。就好像帆在绳索断裂之前就感觉到了即将发生的事故，从而窃取了船的一些动力。

为了更准确地解释这一结果，哈同使用了光波作为电磁波的概念，他说：“我们知道电子穿过一个小的能垒。在这个过程中，它们被原子核的强电场拉离原子核。”激光，磁场将这种额外的动量传递给电子。”