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来源:中科院半导体所发布时间:2023-01-171506浏览
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本文授权转载自原点阅读（ID：tupydread）
原文作者：高鹏
阿尔伯特·爱因斯坦1905年，爱因斯坦连续发表了4篇论文。这4篇论文每一篇都具有划时代的意义 —— 第一篇解释了光电效应，提出光子的概念，是量子理论的重大发展；第二篇解释了布朗运动，提供了原子存在的重要证明；第三篇提出了狭义相对论，相对论正式诞生；第四篇揭示了质能关系的深层本质，质能方程以其简洁优美的形式风靡全世界，成为相对论的代名词。后来，1905年被称为“爱因斯坦奇迹年”。这一年，爱因斯坦刚刚26岁。这一年，距离普朗克提出能量量子化的观点已经过去了5年，但是在这5年中，量子理论没有任何发展，欧洲各所大学的知名教授们，都还在忙忙碌碌地修补着经典物理学的大厦，没有人能意识到能量量子化到底意味着什么，普朗克的工作几乎无人问津。连普朗克自己都陷入了深深的自我怀疑当中，他对黑体辐射公式的推导存在严重的内在矛盾，这让他觉得能量量子化也许只是权宜之计，难登大雅之堂，所以他一直在尝试如何才能重新回到经典物理学的框架中去推导黑体辐射公式。
阿尔伯特·爱因斯坦在这一年之前，谁也不会想到，全欧洲最有才华的物理天才竟然是瑞士专利局的一个小职员。此时的爱因斯坦，没有加入任何学术组织，只与几位热爱科学与哲学的好友组织了一个叫做“奥林匹亚科学院”的读书俱乐部。几个年轻人都不是学术圈的人，他们有日常养家糊口的工作要做，但从“奥林匹亚科学院”这个颇有气魄的名字就能看出，这是一群志向远大的年轻人。他们挤出周末或者下班时间聚在一起，就他们感兴趣的话题 —— 哲学、物理、数学和文学 —— 一边读书一边讨论。爱因斯坦的学术之路之所以从专利局起家，并不是他不愿意步入学术殿堂，而是没有一所大学能接纳他。爱因斯坦上大学的时候经常逃课，给老师留下了很差的印象。他不是不爱学习，而是认为老师讲的东西都过时了，无法满足自己的需求，于是就逃课躲到外面去自学。他通读了基尔霍夫、赫兹、玻尔兹曼、洛伦兹、麦克斯韦等物理大师的著作，了解了物理学最前沿的内容，但是这对他的毕业考试并没有太大的帮助，毕竟老师考的重点不在他的阅读范围之内，这导致他的毕业成绩不佳。1900年，也就是普朗克提出能量量子化的那一年，爱因斯坦大学毕业，当时他一心想留校做助教，但是他的老师理所当然地拒绝了一个总是逃课的学生。然后他又给欧洲各所大学乃至中学发出了求职信，但都没有回应。蹉跎两年之后，他才在大学好友的帮助下找到了专利局技术员这样一份工作，总算没有沦落为一个无业青年。工作和生活稳定下来以后，爱因斯坦终于不用再为养家糊口发愁了，他可以静下心来，研究他心爱的物理学了，纵使只能在业余时间做研究，但对他来说也已经是很难得了。他始终保持着敏锐的目光，追踪着物理学的前沿进展，对物理学的各个方向都有所研究。“光”是爱因斯坦始终关注的一个焦点，无论是光的速度还是光的本性，都是他思考的问题。这期间，他既了解到普朗克对于黑体辐射问题的解决，也在思考着另一个奇怪的与光有关的难题 —— 光电效应。爱因斯坦也因为光电效应获得1921年的诺贝尔物理学奖。1887年，德国物理学家赫兹通过实验首次证实了电磁波的存在，随后，他又证明了光波就是电磁波，全面验证了麦克斯韦的电磁理论。但是，赫兹在验证经典电磁理论的同时，还发现了一个异常的实验现象 —— 光电效应。
光电效应示意图光电效应，顾名思义，就是由光产生电的效应。金属是由原子构成的，原子又是由原子核和电子组成的。赫兹发现，用紫外线照射某些金属板，可以将金属中的电子打出来，在两个相对的金属板上施加电压，被打出来的电子就会形成电流。这一现象引起众多研究者的兴趣，很快就得到了大量的实验结果，可是电磁波理论在解释这些实验结果时却遇到了严重的困难。人们发现，决定能否打出电子的关键，不在于光的强度，而在于光的频率。紫外线可以轻易从金属中打出电子，而可见光却不行。当时人们对此百思不得其解，因为按照经典的波动理论，波的强度便代表了它的能量，只要光强足够，就能使电子获得足够的能量脱离金属表面的束缚，所以应该任何频率的光都能打出电子，可实验结果却是再强的可见光也打不出电子，与理论预测完全相反。
光电效应 示意图 图源：百度百科自光电效应被发现以来，已经过去了将近20年，但是这一难题仍然无人能解。正所谓初生牛犊不怕虎，面对这样公认的科学难题，年轻的爱因斯坦并没有畏缩，他敏锐的直觉告诉他，经典的电磁理论主要描述宏观上光的整体性质，而黑体辐射和光电效应本质上都涉及微观上光的产生过程，既然普朗克通过能量量子化解决了黑体辐射问题，那么光电效应问题应该也可以从中获得启发。为什么光电效应中光的频率这么重要呢？爱因斯坦紧紧盯着普朗克的能量量子公式：E=hυ从这个公式来看，能量量子携带的能量只与光的频率υ有关，当光照射到金属表面时，其实就是能量量子在不断地冲击金属表面，那么能量量子到底表示什么呢？是一小段波？是最微小的振动？还是别的什么？从普朗克的论文来看，普朗克并没有给出能量量子的明确图像，而这幅图像，应该是至关重要的。陷入沉思的爱因斯坦，仿佛老僧入定了一般，一动不动，没有人能看得出来，他那天才的大脑正在高速运转。渐渐地，他的眼前仿佛出现了一幅画面：光的能量量子就像一颗颗子弹射向金属内部，被子弹击中的电子获得了子弹的能量，便从金属内部的束缚中挣脱出来。有了！爱因斯坦一拍桌子，猛地站起身来，电子能不能被打出来，就完全取决于子弹到底能给电子提供多少能量！他激动地在屋子里转了几圈，然后坐在桌子前拿起草稿纸，赶紧推演起来，很快，一个公式就跃然纸上：电子动能 = hυ- 电子逸出功这个公式的意思是：能量量子给电子提供了大小为hυ的能量，这些能量除了要帮助电子挣脱金属表面的束缚外（电子逸出功），剩下的就变成了电子的动能。至此，能量量子的图像在爱因斯坦的头脑中已经完全明确了，这一小份一小份的电磁辐射能量并不是一小段一小段的波，而是一个个粒子，这些粒子是不可分割的，只能被整个的吸收或者发射。爱因斯坦给这些能量点粒子起名为光量子，后来人们改称为光子。爱因斯坦的光子理论很好地解释了光电效应。因为每一个光子的能量都是固定的hυ，那么光照射到金属表面，电子所吸收的能量主要取决于单个光子的能量而不是光的强度，光的强度只是光子流的密度而已。因为可见光频率低，其光子的能量不够大，不足以克服电子逸出功，所以没法打出电子。而紫外线频率高，光子能量大，所以很容易打出电子。爱因斯坦提出光子假设是很大胆的，因为当时还没有足够的实验事实来支持他的理论。直到1916年，才有美国物理学家密立根对他的理论作出了全面的验证。有趣的是，密里根在做光电效应实验时，本来是想推翻爱因斯坦的光子理论，所以他一直做了10年的实验，10年间，他不断地提高实验的精度，结果却发现实验精度越高，越能证明爱因斯坦的正确性，最后没办法，他只好承认了爱因斯坦的理论，而且还顺便比较精确地测定出了普朗克常数的值。爱因斯坦在明确了光具有粒子性以后，随后又进一步根据相对论提出了光子的动量公式：p=h/λ式中，p为光子的动量；λ为光的波长；h为普朗克常数。1923年，美国物理学家康普顿和他的学生吴有训通过康普顿效应的验证实验，证实了光子的确具有动量，为光具有粒子性提供了无可辩驳的证据。关于光的本性，在历史上曾经有过长期的争论。在17世纪末，以牛顿为代表的粒子派和以惠更斯为代表的波动派进行过长期论战。18世纪，人们发现了光的干涉、衍射等现象，波动说全面占了上风。19世纪后期，随着电磁理论的问世，人们明确了光就是电磁波，粒子论被彻底抛弃。结果没过多少年，爱因斯坦又重新提出光子学说，明确了光的粒子性，那么这一次，光的波动性又该如何看待？事实上，爱因斯坦在光子理论的两个公式中已经给出了答案。我们再来看一下这两个公式：E=hυ（光子能量 = 普朗克常数 × 光的频率）p=h/λ（光子动量 = 普朗克常数 / 光的波长）这两个公式看起来简单，实际很不简单。因为爱因斯坦通过这两个公式把粒子和波联系起来了：粒子的能量和动量是通过波的频率和波长来计算的。也就是说，爱因斯坦把光同时赋予了粒子和波的属性，光具有波粒二象性！波粒二象性的发现，是人类对光的本质的认识的重大突破，由此带来的“蝴蝶效应”，将使人类对物质世界的认识发生重大飞跃，这一飞跃，将在18年后由法国科学家德布罗意做出。而此时，德布罗意还只是一个13岁的小男孩，他正沉浸在历史和文学的海洋中，立志将来要做一名历史学家。
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