[物理史] 路易斯在給《自然》的信中造了「光子」一詞

路易斯在給《自然》的信中造了「光子」一詞
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
（譯自APS News，2012年12月）

路易斯（Gilbert Lewis）

在 20 世紀初，普朗克（Max Planck）和愛因斯坦（Albert Einstein）提出了量子的概念，為物理界投下了震撼彈。愛因斯坦 1905 年的論文討論光的粒子本質，但他並沒稱這些粒子為光子，光子一詞是由美國的物理化學家路易斯（Gilbert Lewis）所創造出來的。

路易斯是美國麻塞諸塞州維貿斯（Weymouth, MA）人，他主要都是由家教到家教導，只短暫地於 9-14 歲間到公立學校就讀，那時他到內布拉斯加大學（University of Nebraska）註冊。3 年後，他 17 歲，轉到哈佛學院就讀，1899 年，他年僅 24 歲就完成了博士學位。路易斯在德國當了 1 年的訪問學者，追隨有名的科學家如奧士華（Wilhelm Ostwald）和能斯特（Walther Nernst）做研究，之後回到哈佛教書。

1904 年，路易斯到菲律賓當科學度量衡局局長，但他只當了 1 年，就又回到波士頓，在麻省理工學院任教職。1912 年，他接受了柏克萊加州大學的聘任，在那裏度過大半的科學生涯。

早期路易斯對於熱力學深感興趣，尤其是和化學平衡有關的部分，他寫了一些論文討論那時才剛起步的相對論，提出一個替代愛因斯坦質能等效性的推導。1913 年，他被選為美國國家科學院院士。

路易斯最為人稱道的是化學鍵的研究，尤其在他 1916 年的經典論文〈原子和分子〉中，概述共價鍵的觀念，以及 1923 年論文，提出了酸鹼反應的電子對理論。早在 1902 年，他即一直在他的演講筆記中使用簡略的草圖，描述方塊狀的原子，其中的角落代表電子可能在的位置。最後他了解，原子中的電子會成對地圍繞在原子核四周，最常形成一個四面體，而兩個鍵在一起的原子在其中間會共享成對的電子。這些想法後來影響了包括鮑林（Linus Pauling）在內科學家的研究。

他也是最先於 1926 年 12 月 18 日在給《自然》期刊的信中，造了「photon」（光子）這個字，來說明光的單位。嚴格來說，他對這個字的了解是，它說明了「輻射能」的一個載體，而不是光粒子本身；「我冒昧地提議給這個假設性的新原子一個名字『photon』，它並非是光，但在每一個輻射的過程中都扮演著重要的角色。」那樣說來，他的概念和愛因斯坦 1905 年光的量子理論不同，然而「photon」也就被用來說明愛因斯坦原先的用詞「light quantum」（光量子）了。

路易斯在他的家鄉維貿斯有一條街，以及當地中學圖書館的一個側廳，以他的名字命名；加州柏克萊大學有路易斯廳，來紀念他，他還獲得了許多專業上的榮譽，以肯定他的研究，唯獨少了諾貝爾化學獎。有人臆測那有一部分要歸咎於他和能斯特（Nernst）間激烈的競爭，導致能斯特利用他在提名委員會的位置封殺了路易斯的提名。

尤其令路易斯失望的是，他的一個學生尤瑞（Harold Urey）因發現重氫而獲得了 1934 年諾貝爾化學獎，此研究使用柏克萊的迴旋加速器來淨化重水，說明它的特質，其中有不少應歸功於路易斯的貢獻。路易斯在同一年辭職離開美國國家科學院，也許是因在職場上不受尊敬而生氣，也可能是因他所提名的人沒被選入那受人尊敬的團體，而一直感到挫折所致。還有一位路易斯所指導的年輕物理學家西博格（Glenn T. Seaborg）也在 1951 年接著獲得了諾貝爾獎。（路易斯的確喜歡和特優的學生一起做研究，而這些學生們後來的成功證明他不凡的判斷力。）

路易斯雖有著科學上的各種成就，但他的人生卻以悲劇收場。1946 年，他的一個研究生去柏克萊實驗室時，在工作檯下面發現了路易斯的屍體，很明顯地他是液體氰化氫毒氣的犧牲者。他當時的實驗一直在使用此物質，但是有一破了的管線致使氰化物滲漏進他實驗室的工作區。他官方的死因是冠狀動脈疾病，然而多年來一直謠傳說，路易斯是自殺身亡。

這位化學家一直和憂鬱奮戰，可能源自於諾貝爾獎委員會對他的冷漠，僅管他這一生被提名了 35 次，是記錄的保持者。在路易斯死亡那天，他和朗謬（Irving Langmuir）共進午餐，朗謬因研究介面化學，獲得了 1923 年的諾貝爾化學獎，那天他去柏克萊接受榮譽學位。同事們回想說，路易斯從那午餐回來後，明顯地鬱鬱寡歡，幾個小時後，他即亡故。

我們也許決無法確切知道路易斯是否自殺，不過他的事蹟卻一直流傳下來，不僅他的科學論文，以及他兩個兒子的成就（兩個兒子都是化學教授），還有他創造出來的名詞。我們每次使用「photon」這個字，都在向路易斯表示些微的敬意。

原文刊載於物理雙月刊2013年12月號35卷第6期，感謝楊信男教授同意授權刊載。

系列文章100篇已集結成冊，由五南出版，書名為《物理奇才奇事》。