1905 年是物理學(xué)史上非常重要的一年，這一年誕生的理論，奠定了整個(gè) 20 世紀(jì)物理學(xué)的基礎(chǔ)，而這些所有的理論竟然都是由同一個(gè)人提出來的，他就是阿爾伯特?愛因斯坦（1879 — 1955）。
1905 年，愛因斯坦連續(xù)發(fā)表了 4 篇論文。這 4 篇論文每一篇都具有劃時(shí)代的意義 —— 第一篇解釋了光電效應(yīng)，提出光子的概念，是量子理論的重大發(fā)展；第二篇解釋了布朗運(yùn)動(dòng)，提供了原子存在的重要證明；第三篇提出了狹義相對(duì)論，相對(duì)論正式誕生；第四篇揭示了質(zhì)能關(guān)系的深層本質(zhì)，質(zhì)能方程以其簡(jiǎn)潔優(yōu)美的形式風(fēng)靡全世界，成為相對(duì)論的代名詞。后來，1905 年被稱為“愛因斯坦奇跡年”。
這一年，愛因斯坦剛剛 26 歲。這一年，距離普朗克提出能量量子化的觀點(diǎn)已經(jīng)過去了 5 年，但是在這 5 年中，量子理論沒有任何發(fā)展，歐洲各所大學(xué)的知名教授們，都還在忙忙碌碌地修補(bǔ)著經(jīng)典物理學(xué)的大廈，沒有人能意識(shí)到能量量子化到底意味著什么，普朗克的工作幾乎無人問津。連普朗克自己都陷入了深深的自我懷疑當(dāng)中，他對(duì)黑體輻射公式的推導(dǎo)存在嚴(yán)重的內(nèi)在矛盾，這讓他覺得能量量子化也許只是權(quán)宜之計(jì)，難登大雅之堂，所以他一直在嘗試如何才能重新回到經(jīng)典物理學(xué)的框架中去推導(dǎo)黑體輻射公式。
在這一年之前，誰也不會(huì)想到，全歐洲最有才華的物理天才竟然是瑞士專利局的一個(gè)小職員。此時(shí)的愛因斯坦，沒有加入任何學(xué)術(shù)組織，只與幾位熱愛科學(xué)與哲學(xué)的好友組織了一個(gè)叫做“奧林匹亞科學(xué)院”的讀書俱樂部。
幾個(gè)年輕人都不是學(xué)術(shù)圈的人，他們有日常養(yǎng)家糊口的工作要做，但從“奧林匹亞科學(xué)院”這個(gè)頗有氣魄的名字就能看出，這是一群志向遠(yuǎn)大的年輕人。他們擠出周末或者下班時(shí)間聚在一起，就他們感興趣的話題 —— 哲學(xué)、物理、數(shù)學(xué)和文學(xué) —— 一邊讀書一邊討論。
愛因斯坦的學(xué)術(shù)之路之所以從專利局起家，并不是他不愿意步入學(xué)術(shù)殿堂，而是沒有一所大學(xué)能接納他。愛因斯坦上大學(xué)的時(shí)候經(jīng)常逃課，給老師留下了很差的印象。
他不是不愛學(xué)習(xí)，而是認(rèn)為老師講的東西都過時(shí)了，無法滿足自己的需求，于是就逃課躲到外面去自學(xué)。他通讀了基爾霍夫、赫茲、玻爾茲曼、洛倫茲、麥克斯韋等物理大師的著作，了解了物理學(xué)最前沿的內(nèi)容，但是這對(duì)他的畢業(yè)考試并沒有太大的幫助，畢竟老師考的重點(diǎn)不在他的閱讀范圍之內(nèi)，這導(dǎo)致他的畢業(yè)成績(jī)不佳。
1900 年，也就是普朗克提出能量量子化的那一年，愛因斯坦大學(xué)畢業(yè)，當(dāng)時(shí)他一心想留校做助教，但是他的老師理所當(dāng)然地拒絕了一個(gè)總是逃課的學(xué)生。然后他又給歐洲各所大學(xué)乃至中學(xué)發(fā)出了求職信，但都沒有回應(yīng)。蹉跎兩年之后，他才在大學(xué)好友的幫助下找到了專利局技術(shù)員這樣一份工作，總算沒有淪落為一個(gè)無業(yè)青年。
工作和生活穩(wěn)定下來以后，愛因斯坦終于不用再為養(yǎng)家糊口發(fā)愁了，他可以靜下心來，研究他心愛的物理學(xué)了，縱使只能在業(yè)余時(shí)間做研究，但對(duì)他來說也已經(jīng)是很難得了。他始終保持著敏銳的目光，追蹤著物理學(xué)的前沿進(jìn)展，對(duì)物理學(xué)的各個(gè)方向都有所研究。
“光”是愛因斯坦始終關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)，無論是光的速度還是光的本性，都是他思考的問題。這期間，他既了解到普朗克對(duì)于黑體輻射問題的解決，也在思考著另一個(gè)奇怪的與光有關(guān)的難題 —— 光電效應(yīng)。愛因斯坦也因?yàn)楣怆娦?yīng)獲得 1921 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
1887 年，德國(guó)物理學(xué)家赫茲通過實(shí)驗(yàn)首次證實(shí)了電磁波的存在，隨后，他又證明了光波就是電磁波，全面驗(yàn)證了麥克斯韋的電磁理論。但是，赫茲在驗(yàn)證經(jīng)典電磁理論的同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)異常的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 —— 光電效應(yīng)。
光電效應(yīng)，顧名思義，就是由光產(chǎn)生電的效應(yīng)。金屬是由原子構(gòu)成的，原子又是由原子核和電子組成的。
赫茲發(fā)現(xiàn)，用紫外線照射某些金屬板，可以將金屬中的電子打出來，在兩個(gè)相對(duì)的金屬板上施加電壓，被打出來的電子就會(huì)形成電流。這一現(xiàn)象引起眾多研究者的興趣，很快就得到了大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可是電磁波理論在解釋這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)卻遇到了嚴(yán)重的困難。
人們發(fā)現(xiàn)，決定能否打出電子的關(guān)鍵，不在于光的強(qiáng)度，而在于光的頻率。紫外線可以輕易從金屬中打出電子，而可見光卻不行。當(dāng)時(shí)人們對(duì)此百思不得其解，因?yàn)榘凑战?jīng)典的波動(dòng)理論，波的強(qiáng)度便代表了它的能量，只要光強(qiáng)足夠，就能使電子獲得足夠的能量脫離金屬表面的束縛，所以應(yīng)該任何頻率的光都能打出電子，可實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻是再?gòu)?qiáng)的可見光也打不出電子，與理論預(yù)測(cè)完全相反。
自光電效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)過去了將近 20 年，但是這一難題仍然無人能解。正所謂初生牛犢不怕虎，面對(duì)這樣公認(rèn)的科學(xué)難題，年輕的愛因斯坦并沒有畏縮，他敏銳的直覺告訴他，經(jīng)典的電磁理論主要描述宏觀上光的整體性質(zhì)，而黑體輻射和光電效應(yīng)本質(zhì)上都涉及微觀上光的產(chǎn)生過程，既然普朗克通過能量量子化解決了黑體輻射問題，那么光電效應(yīng)問題應(yīng)該也可以從中獲得啟發(fā)。
為什么光電效應(yīng)中光的頻率這么重要呢？愛因斯坦緊緊盯著普朗克的能量量子公式：
E=hυ
從這個(gè)公式來看，能量量子攜帶的能量只與光的頻率 υ 有關(guān)，當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，其實(shí)就是能量量子在不斷地沖擊金屬表面，那么能量量子到底表示什么呢？是一小段波？是最微小的振動(dòng)？還是別的什么？從普朗克的論文來看，普朗克并沒有給出能量量子的明確圖像，而這幅圖像，應(yīng)該是至關(guān)重要的。
陷入沉思的愛因斯坦，仿佛老僧入定了一般，一動(dòng)不動(dòng)，沒有人能看得出來，他那天才的大腦正在高速運(yùn)轉(zhuǎn)。漸漸地，他的眼前仿佛出現(xiàn)了一幅畫面：光的能量量子就像一顆顆子彈射向金屬內(nèi)部，被子彈擊中的電子獲得了子彈的能量，便從金屬內(nèi)部的束縛中掙脫出來。
有了！愛因斯坦一拍桌子，猛地站起身來，電子能不能被打出來，就完全取決于子彈到底能給電子提供多少能量！他激動(dòng)地在屋子里轉(zhuǎn)了幾圈，然后坐在桌子前拿起草稿紙，趕緊推演起來，很快，一個(gè)公式就躍然紙上：
電子動(dòng)能 = hυ- 電子逸出功
這個(gè)公式的意思是：能量量子給電子提供了大小為 hυ 的能量，這些能量除了要幫助電子掙脫金屬表面的束縛外（電子逸出功），剩下的就變成了電子的動(dòng)能。
至此，能量量子的圖像在愛因斯坦的頭腦中已經(jīng)完全明確了，這一小份一小份的電磁輻射能量并不是一小段一小段的波，而是一個(gè)個(gè)粒子，這些粒子是不可分割的，只能被整個(gè)的吸收或者發(fā)射。愛因斯坦給這些能量點(diǎn)粒子起名為光量子，后來人們改稱為光子。
愛因斯坦的光子理論很好地解釋了光電效應(yīng)。因?yàn)槊恳粋€(gè)光子的能量都是固定的 hυ，那么光照射到金屬表面，電子所吸收的能量主要取決于單個(gè)光子的能量而不是光的強(qiáng)度，光的強(qiáng)度只是光子流的密度而已。
因?yàn)榭梢姽忸l率低，其光子的能量不夠大，不足以克服電子逸出功，所以沒法打出電子。而紫外線頻率高，光子能量大，所以很容易打出電子。
愛因斯坦提出光子假設(shè)是很大膽的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)還沒有足夠的實(shí)驗(yàn)事實(shí)來支持他的理論。
直到 1916 年，才有美國(guó)物理學(xué)家密立根對(duì)他的理論作出了全面的驗(yàn)證。有趣的是，密立根在做光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，本來是想推翻愛因斯坦的光子理論，所以他一直做了 10 年的實(shí)驗(yàn)，10 年間，他不斷地提高實(shí)驗(yàn)的精度，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)精度越高，越能證明愛因斯坦的正確性，最后沒辦法，他只好承認(rèn)了愛因斯坦的理論，而且還順便比較精確地測(cè)定出了普朗克常數(shù)的值。
愛因斯坦在明確了光具有粒子性以后，隨后又進(jìn)一步根據(jù)相對(duì)論提出了光子的動(dòng)量公式：
p=h/λ
式中，p 為光子的動(dòng)量；λ 為光的波長(zhǎng)；h 為普朗克常數(shù)。
1923 年，美國(guó)物理學(xué)家康普頓和他的學(xué)生吳有訓(xùn)通過康普頓效應(yīng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了光子的確具有動(dòng)量，為光具有粒子性提供了無可辯駁的證據(jù)。
關(guān)于光的本性，在歷史上曾經(jīng)有過長(zhǎng)期的爭(zhēng)論。在 17 世紀(jì)末，以牛頓為代表的粒子派和以惠更斯為代表的波動(dòng)派進(jìn)行過長(zhǎng)期論戰(zhàn)。
18 世紀(jì)，人們發(fā)現(xiàn)了光的干涉、衍射等現(xiàn)象，波動(dòng)說全面占了上風(fēng)。19 世紀(jì)后期，隨著電磁理論的問世，人們明確了光就是電磁波，粒子論被徹底拋棄。結(jié)果沒過多少年，愛因斯坦又重新提出光子學(xué)說，明確了光的粒子性，那么這一次，光的波動(dòng)性又該如何看待？事實(shí)上，愛因斯坦在光子理論的兩個(gè)公式中已經(jīng)給出了答案。我們?cè)賮砜匆幌逻@兩個(gè)公式：
E=hυ（光子能量 = 普朗克常數(shù) × 光的頻率）
p=h/λ（光子動(dòng)量 = 普朗克常數(shù) / 光的波長(zhǎng)）
這兩個(gè)公式看起來簡(jiǎn)單，實(shí)際很不簡(jiǎn)單。因?yàn)閻垡蛩固雇ㄟ^這兩個(gè)公式把粒子和波聯(lián)系起來了：粒子的能量和動(dòng)量是通過波的頻率和波長(zhǎng)來計(jì)算的。也就是說，愛因斯坦把光同時(shí)賦予了粒子和波的屬性，光具有波粒二象性！
波粒二象性的發(fā)現(xiàn)，是人類對(duì)光的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)的重大突破，由此帶來的“蝴蝶效應(yīng)”，將使人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)發(fā)生重大飛躍，這一飛躍，將在 18 年后由法國(guó)科學(xué)家德布羅意做出。而此時(shí)，德布羅意還只是一個(gè) 13 歲的小男孩，他正沉浸在歷史和文學(xué)的海洋中，立志將來要做一名歷史學(xué)家。
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