主题：《量子》重启贴 -- 奔波儿

第二章·专利的奴仆（4）

1887年，德国物理学家海因里希·赫兹（Heinrich Hertz：1857～1894）为了证明电磁波的存在进行了一系列实验，他的意外收获是发现了光电效应（Photoelectric Effect）。无意中，他注意到一个现象，就是当一束紫外线照射到一对金属球其中一个时，金属球之间出现了电火花。为了弄清楚这个“全新的但非常费解的现象”，赫兹花了好几个月的时间，可惜一无所获。另外，他错误地认为这一现象仅限于紫外线。

“一般说来，如果一个问题不是太令人费解，那将是多好的一件事情；”赫兹承认，“但是，人们总是希望通过解决某个问题能够发现一些新的东西，至于解决这个问题的是难是易并不是那么重要。”他的这番话就像是一个神奇的预言，可惜他没能在有生之年看见这一预言如何得以验证的。1894年，赫兹病逝，年仅36岁。

1902年，曾经为赫兹做过助手的菲利普·莱纳德（Philipp Lenard：1862～1947）对光电效应做了进一步的研究，他发现如果将一个玻璃管内的空气抽空，然后在里面放置两个金属板，一样存在光电效应，也就是说在该效应在真空状态下同样存在。莱纳德将金属板与电池连接，他发现如果用紫外线照射一个板子，就会有电流产生。光电效应被解释为当金属表面受到光的照射时，会释放出电子。当紫外线照到金属板上时，一部分电子获得了足够的能量，从而能够逃离金属板，并通过板子之间的空隙抵达另一块金属板，这样就形成了一个回路，“光电流（Photoelectric Current）”随之产生。然而，莱纳德同时发觉这一现象与已有的物理理论相冲突。现在，该爱因斯坦和他的光量子登场了。

按照莱纳德的估计，如果只是增加光束的强度，也就是让其更亮一些，则从金属板上逃逸出的电子数目是不变的，但同时每个电子所携带的能量将会增加。但是，莱纳德却发现完全相反的现象：大量的电子逃逸出来，但单个电子所携带的能量并没有变化。爱因斯坦用量子理论对其给出了非常简明扼要的解释：如果光是由量子组成的，则增加光的强度也就是说光将由更多的量子组成。当更强的光束照射到金属板上时，光量子数目的增加相应导致有更多的电子发生逃逸。

莱纳德此外还有第二个奇异的发现，即逃逸电子的能量并非由光束的强度决定，而是受其频率控制。爱因斯坦早对此早已有了答案。既然光量子的能量与频率呈正比，那么红光（低频）光量子的能量自然比蓝光（高频）光量子的能量要低。当光的颜色（频率）发生变化时，量子的数目并不会因此而改变。因此，当光的强度为固定值时，无论何种颜色的光照射到金属板上，逃逸的电子数目都是一成不变的，其原因是由于击中金属板的光量子数目是固定的。但同时，因为不同频率的光的光量子所带有的能量是不同的，所以逃逸电子所具有的能量大小将仅仅取决于是什么颜色（频率）的光照射到板子上。例如，紫外线找射到金属板上时，逃逸电子的能量将远远大于用红光照射金属板。

另外，还有一个复杂的现象。无论任何金属，都存在一个最低的或者“临界频率（Threshold Frequency）”，当入射光的频率低于该临界值时，无论照射时间有多长或者强度有多高，都不会产生电子逃逸。然而，一旦入射光的频率突破这一临界值，则无论光束如何昏暗，都会有电子逃逸。爱因斯坦的光量子理论再一次对此给出了答案，不过这一次，他引入了一个新概念——“功函数（Work Function）”。

在爱因斯坦看来，光电效应的产生是因为电子从光量子那儿获得了足够的能量，从而摆脱了将其控制在金属板上的约束力，并最终逃之夭夭。爱因斯坦所说的“功函数”就是电子逃离金属板时所需要的最小能量值，不同金属的功函数是不同的。如果光的频率太低，则光量子的能量不足以驱使电子突破桎梏，而只会停滞在金属板内。

对此，爱因斯坦用一个简单的方程作出了解释：如果一个电子能从金属板上逃逸，则其所具有的最大动能等于光量子的能量减去功函数。利用这一方程，爱因斯坦给出了一张图，横坐标为频率，纵坐标为最大动能，则每一种金属对应的曲线应该为一条直线，且其起始点为该金属的临界频率。而这条直线的梯度值（即斜率）与金属种类无关，而应该正好等于普朗克常数h。

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“尽管在内心深处，我非常抵触，但为了验证爱因斯坦在1905年提出的这个方程，我花了整整十年功夫，”美国实验物理学家罗伯特·密立根（Robert Millikan：1868～1953）说这话的时候，怨气冲天，“这个方程毫无逻辑，因为它违反了我们所了解的一切与光干涉相关的理论。可是呢，我不得不承认这个方程的的确确得到了实验结果的验证。”1923年，密立根获得了诺贝尔物理学奖，很大一部分原因就是由于这件验证工作。尽管是他亲手得到的实验数据，但他依旧拒绝接受观测结果背后的量子解说：“该方程所依据的物理理论是站不住脚的。”其实，从一开始，大部分物理学家都对爱因斯坦的光量子理论持质疑和不屑的态度。还有一部分人怀疑光量子是否真的存在，或者光量子只是为了计算方便而虚构出来的一个东西。而最正面的看法认为光以及所有的电磁辐射并非是由量子组成的，而只是在它们与物质进行能量交换时表现得像是量子化而已。持有这种观点的人中包括普朗克。

1913年，普朗克和其他三人提名爱因斯坦为普鲁士科学院的院士。在做陈述发言的时候，他们是这样品评爱因斯坦的光量子理论的——“总而言之，我们可以说，尽管现代物理学中有着各种各样的重要领域尚待人们去探索，但爱因斯坦并没有真正在这些领域上做出什么惊人的成就。他的某些猜想，比如他的光量子假说，可能离真正的目标差之毫厘谬以千里，但这并不能作为我们反对他的理由。因为，如果我们不去时不时地做点有风险的事情，那么在自然科学领域，我们将永远不会有真正的创新。”

两年之后，耗费密立根大量心血的实验证明了爱因斯坦的光电方程（Photoelectric Equation）是正确的。光电效应定律（Photoelectric Effect Law）的数学公式得到了大家的广泛认同，但其背后的光量子解释却鲜有支持。尽管如此，凭借这一定律的发现，爱因斯坦于1921年终于被授予了姗姗来迟的诺贝尔物理学奖，而在这之前，大家觉得这根本就是痴人说梦。从此以后，爱因斯坦不再是那位寂寂无名的伯尔尼专利局公务员，而将凭借其伟大的相对论名扬世界，并将被大家公认为是自牛顿以后最伟大的科学家。可是，在当时，因为他的光量子理论太过超前，所以物理学界还不能认同这一学说。

爱因斯坦的光量子理论之所以遇到重重阻力，是因为大量的事实都支持光是一种波这种看法。实际上，关于光到底是一种波还是一种粒子，人们已经热烈争论了很长一段时间。在18世纪以及19世纪早期，艾萨克·牛顿提出的粒子说占绝对统治地位。“在这本书中，我的想法并不是要用一种假说来解释光的特征，”牛顿在1704年发表的《光学》（Opticks）一书的开篇中就说，“而是通过逻辑推理和实验结果来验证这些特征。”牛顿在1666年做了很多探索性的光学实验，他曾经利用一个三棱镜将一束白光分解为一道七色彩虹，然后又利用另一个三棱镜把这些彩光合并为一束白光。因此，牛顿认为光线是由粒子，也就是他所命名的“微粒（Corpuscles）”组成的，这种粒子是“从发光体释放出来的微小物体”。根据牛顿的理论，这些光粒子是直线前进的，并可以用来解释很多日常现象，比如人们可以听见几角旮旯处的谈话声音，但是却看不见谈话的人，因为光线是无法弯曲的。

牛顿能够给出一套详尽的数学公式来解释很多光学现象，包括反射和折射（即光从稀疏物质进入致密物质以后，会发生弯曲）。但是，依旧存在一些光学特征，如果用牛顿的理论，就无法得到令人满意的解释。例如，当一束光线照射到玻璃面上时，一部分光线会透过玻璃传播，同时剩余部分会被反射出来。牛顿必须要回答的一个问题就是为什么一部分光粒子能够被反射，而另一部分却不能？为了回答这个问题，牛顿被迫对自己的理论作出修正。他认为光粒子通过以太（Ether）的时候，会引起波状扰动。这些所谓的“简单反射以及简单入射”在其物理机制上与一部分光线会通过玻璃而另一部分光线会被反射的现象是一致的。牛顿把这种扰动现象推而广之，并联系到颜色上面。在他看来，最强的扰动具有最长的波长，与红光的产生相关；而最小的扰动，则具有最短的波长，与紫光有关。

荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens：1629～1695）对此持有异议，他认为根本就不存在牛顿所说的这种光粒子。惠更斯比牛顿年长13岁，早在1678年，他就已经发展出一套光的波动理论，可以用来解释反射和折射现象。但是，他的光学著作《光的特点（Traité de la Lumière）》一直拖到1690年才得以发表。惠更斯认为光就是一种通过以太传播的波。当人们往一口平静的池塘中扔进一颗石子，就能看见波纹一圈圈传播开来，光也是以类似的方法传播的。如果光真的是由粒子组成的，惠更斯提出了一个质疑——那么当两束光线面对面相遇时，有没有迎头相撞的证据？惠更斯认为，没有任何这样的证据存在。声波是不会相撞；同样，光既然不会相撞，那也必然是一种波。

尽管牛顿和惠更斯各自的理论都能够解释光的反射和折射现象，但是如果将他们的理论用来解释其它光学现象会得出不同的结论。当时，由于观测精度的限制，他们的理论多年来都无法得以检验。但是，一种人们所能观测到的光学现象恰巧可以用来检验。如果一束光线是由牛顿所说的粒子组成的，当它在直线传播过程中遇到某个物体阻挡时，应该会投下明暗分明的阴影；但如果这束光线是惠更斯所说的波，当它遇到同样的物体阻挡时，将会像所有的波一样围绕该物体发生弯曲，其投下的阴影会有一个模糊的边界。身兼耶稣会神父的意大利数学家弗朗切斯科·格里马尔迪（Francesco Grimaldi：1618～1663）发现光线在物体的边缘或者是一个非常狭窄的裂缝边缘，会发生弯曲，他将这种现象命名为散射（Diffraction）。格里马尔迪逝世以后又过了两年，即在1665年，他的专著得以面世。在书中，格里马尔迪描述了他所做的一个实验：在一个漆黑的房间，让一束光线通过百叶窗上的一个小孔投射到一个不透明的物体上，则光线会投下阴影，其范围要比假定光线是粒子而只能直线传播时所形成的阴影要大。另外，他还发现在阴影边缘存在着彩光，而且看上去很模糊，而如果是粒子波则只能形成明暗分明的边界。

牛顿也注意到了格里马尔迪的发现，之后，他也亲自做了相关的实验，对散射现象进行研究，因为这一现象至少在表面上佐证了惠更斯的光波理论。但是，牛顿认为散射现象是因为力作用在光粒子身上的结果，而也正好进一步反映了光本身的特性。尽管牛顿的粒子理论在实质上只是将波和粒子混为一体，但由于他本人无与伦比的声望，他的理论被后人一直奉为圭臬。另外呢，惠更斯在1695年就逝世了，而牛顿比他多活了32年，这也在一定程度上帮助牛顿扩大和延续他的胜利。英国诗人亚历山大·蒲柏（Alexander Pope：1688～1744）见证了牛顿在他那个时代无与伦比的影响力，在为牛顿书写的墓志铭中，他写道：“自然以及自然法则处在漫漫长夜之中；上帝说，牛顿出来吧！从此世界一片光明”。牛顿于1727年逝世，在以后的很多年中，他的威名依旧如日中天，很少有人对他的光学理论产生过质疑。当19世纪的曙光到来的时候，一位名叫托马斯·杨（Thomas Young：1773～1829）的博学多才的英国人向牛顿发起了挑战，而他的工作导致了光波理论的东山再起。

第二章·专利的奴仆（6）