2　光量子假说

普朗克创立的量子理论表明：一切都是不连续的，连续性的美好蓝图，也许不过是我们的一种想象。但是，如果我们接受量子理论就势必对现有物理学的种种基本观点来一番大的改造。正因为普朗克这个新理论实在是太革命了，虽然德国物理学会请他做了报告，可是没有一个人相信这个新观念。甚至连普朗克本人也觉得最好能把新旧理论统一起来。在后来一段时间，普朗克在寻找更好的办法把新观念纳入旧理论，就像牛顿后来用科学来证明上帝一样，一个新理论在诞生之初经常会表现得惴惴不安，未敢立即脱离它的母体。

正当普朗克孤立无援，而且自己也有4年时间裹足不前的时候，1905年，在瑞士的伯尔尼专利局，有一个留着一头乱蓬蓬头发的、尚未出名的年轻人——阿尔伯特·爱因斯坦，他除了本职工作之外，对物理问题最感兴趣，陷入沉思后，往往废寝忘食。这时，他提出一个光量子的假说，用来解释经典物理无法解释的光电效应。

什么是光电效应呢？

原来是这样的：当光照射到金属上的时候，会从它的表面打出电子来，原来束缚在金属表面原子里的电子，不知什么原因，当暴露在一定光线之下的时候，便如同惊弓之鸟纷纷往外逃窜。对于光与电之间存在的这种饶有趣味的现象，人们给它取了名字，叫作“光电效应”（the Photoelectric Effect）。

很快，关于光电效应的一系列实验就在各个实验室被做出。由此人们得到了两个基本的事实：首先，对于某种特定的金属来说，光是否能够从它的表面打击出来电子，只和光的频率有关。频率高的光线（比如紫外线）能够打出能量较高的电子；而频率低的光线（比如红光、黄光）则一个电子也打不出来。其次，能否打击出电子，这和光的强度无关。再弱的紫外线也能够打击出金属表面的电子；而再强的红光也无法做到这一点。增加光线的强度，能够做到的只是增加打出电子的数量。比如强烈的紫光相对微弱的紫光来说，可以从金属表面打出更多的电子来。

总而言之，对于特定的金属，能不能打出电子，由光的频率说了算。而打出多少电子，则由光的强度说了算。

但是，科学家们很快就发现，他们陷入了一个巨大的困惑中。根据麦克斯韦理论，光是电磁波的一种，其波动性的王位，早已被高雅而尊贵的麦克斯韦钦点了。对于波动来说，波的强度便代表了它的能量。我们很容易理解，电子是被某种能量束缚在金属内部的，如果外部给予的能量不够，便不足以将电子打击出来。但是，照道理说，如果我们增加光波的强度，那便是增加它的能量啊，为什么对于红光来说，再强烈的光线都无法打击出哪怕是一个电子来呢？而频率，它无非是波振动的频繁程度而已。如果频率高的话，便是说波振动得频繁一些，那么照理说频繁振动的光波应该打击出更多数量的电子才对啊。然而所有的实验都指向相反的方向：光的频率，而不是强度，决定能否从金属表面打出电子；光的强度，而不是频率，决定打出的电子的数目。

问题不仅仅如此。种种迹象都表明，光的频率和打出电子的能量之间有着密切的关系。每一种特定频率的光线，它打出来的电子的能量有一个对应的上限。打个比方说，如果紫外线光可激发出能量达到20电子伏的电子来，换了其他光可能就最多只有10电子伏。这在波动看来，是非常不可思议的。而且，根据麦克斯韦理论，一个电子的被击出，如果是建立在能量吸收上的话，它应该是一个连续的过程，能量可以累积。也就是说，如果用很弱的光线照射金属的话，电子必须花一定时间来吸收能量，才能跳出金属表面。这样的话，在光照和电子飞出这两者之间就应该存在一个时间差。但是，实验表明，电子的跃出是瞬间的。光一照到金属上，立即就会有电子飞出。哪怕再弱的光线也一样，区别只是飞出电子数量的多少而已。总之，不管科学家们怎样苦思冥想，也不能把光电效应融入麦克斯韦理论中去。

可是，无巧不成书。科学史上最天才和最大胆的传奇人物，恰恰生活在那个时代。为了解释光电效应，1905年3月17日，爱因斯坦将自己认为正确无误的论文«关于光的产生和转化的一个启发性观点»送到了德国«物理学年报»编辑部。他腼腆地对编辑说：“如果您能在你们的年报中找到篇幅为我刊出这篇论文，我将感到很愉快。”这篇论文把普朗克1900年提出的量子概念推广到光在空间中的传播情况，提出光量子假设。论文认为：对于时间平均值，光表现为波动性；而对于瞬时值，光则表现为粒子性。这是历史上第一次揭示了微观客体的波动性和粒子性的统一，即光的波粒二象性。这个故事告诉我们，小庙里面有时也会出大和尚。

让我们再次重温一下光电效应和电磁理论不协调之处：电磁理论认为，光作为一种波动，它的强度代表了它的能量，增强光的强度应该能够打击出更高能量的电子。但实验表明，增加光的强度只能打击更多数量的电子，而不能增加电子的能量。要打击出更高能量的电子，则必须提高照射光线的频率。

提高频率！爱因斯坦灵光一闪，E＝hν，提高频率，不正是提高单个量子的能量吗？而更高能量的量子，不正好能够打击出更高能量的电子吗？另外，提高光的强度，只是增加量子的数量罢了，所以相应的结果自然是打击出更多数量的电子！

爱因斯坦写道：“……根据这种假设，从一点所发出的光线在不断扩大的空间中传播时，它的能量不是连续分布的，而是由一些数目有限的、局限于空间中某个地点的‘能量子’（energy quanta）所组成的。这些能量子是不可分割的，它们只能整份地被吸收或发射。”

组成光的能量子的这种最小基本单位，爱因斯坦后来把它们叫作“光量子”（light quanta）。一直到1926年，美国物理学家刘易斯才把它换成了今天常用的名词，叫作“光子”（photon）。

从光量子的角度出发，一切变得非常易懂了。频率更高的光线，比如紫外光，它的单个量子要比频率低的光线会有更高的能量（E＝hν）。因此，当它的量子作用到金属表面的时候，就能够激发出拥有更高动能的电子来。而量子的能量和光线的强度没有关系，强光只不过包含了更多数量的光量子而已，所以能够激发出更多数量的电子来，但是对于低频来说，它的每一个量子都不足以激发出电子，那么，含有再多的光量子也无济于事。

总之，爱因斯坦的光量子假说包含一个革命性的论断：光的能量是量子化的，只能是一份一份地发射或吸收。每一份的能量是hν，不能有“半份”或“四分之一份”能量，这一点与麦克斯韦的电磁波理论是相悖的。在电磁波理论里，光波的能量是在空间上或时间上铺展开来的，都是可以无限细分的。

根据爱因斯坦的光量假设，当光子射向金属时，金属中的自由电子吸收了一个光子的能量hν，电子把这部分能量用作两种用途：一部分用来克服金属对它的束缚，即消耗在逸出功A上，另一部分转换为电子离开金属表面的初始动能。根据能量守恒定律，应有

这个方程称为光电效应方程。用这个方程圆满解释了光电效应。然而，对于爱因斯坦的解释，人们当时是表示怀疑的，因为普遍认为电磁辐射的能量是连续的，而爱因斯坦的解释在某种意义上是说，光不是连续的粒子，一束光是一粒一粒以光速运动的粒子流，这些粒子叫作光量子。实验物理学家用了许多时间，详细地检验了爱因斯坦的光电效应理论，到了1916年，它被完全证实了。这个理论的非凡成功，最终迫使科学家们在20世纪初重新考虑光的本质。今天，光的这一独特的存在形式，已经毫不含糊地被人们接受了。光在具有粒子性质的同时，也具有波动的性质。粒子是独立的、位置固定的和在空间与时间上是可测量的；波是连续的，它能传播到所有的空间和时间，其瞬间的影响遍及各处。这是人类第一次遇到的量子世界的新奇特征之一：粒和波的双重性。

1922年，爱因斯坦因发现“光电效应定律”而获得了诺贝尔物理学奖——事实上，他在相对论方面的贡献远大于此，只不过当时的诺贝尔奖评委认为相对论没有得到验证，而且真正懂得的人寥寥无几。

写到这里，顺便告诉读者：1905年是物理学发展史上的奇迹年。在这一年，蜗居在瑞士专利局的爱因斯坦写出了6篇论文。3月17日，是我们前面提到过的关于光电效应的文章，这成了量子论的奠基石之一。4月30日，关于测量分子大小的论文，这为他赢得了博士学位。5月11日和后来的12月19日，两篇关于布朗运动的论文，成了分子论的里程碑。6月30日，题为«论运动物体的电动力学»的论文，这个不起眼的题目后来被加上了一个如雷贯耳的名称，叫作“狭义相对论”。9月27日，关于物体惯性和能量的关系，这是狭义相对论的进一步说明，并且在其中提出了著名的质能方程E＝mc²。爱因斯坦单枪匹马在如此短时间内做出如此巨大贡献，这在今日看来是无法想象的。为了纪念1905年的光辉，人们把一百年后的2005年定为“国际物理年”。

其实，如果站在一个比较高的角度来看历史，一切事物都是遵循特定的轨迹的，没有无缘无故的事情，也没有不合常理的事情。在时代浪尖里弄潮的英雄人物，其实都只是适合了那个时代的基本要求，这才得到了属于他们的无上荣耀。