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量子史话︱爱因斯坦获诺奖,为什么是光电效应,而不是相对论?

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李论科学 2021-05-17 11:49

上个视频我们说了,爱因斯坦不同寻常的求学之路,在1900年7月毕业以后,到1902年6月去伯尔尼专利局上班,这两年间可能是爱因斯坦人生中最迷茫的时期。

爱因斯坦没能走上一条正常的学术道路,不过去专利局上班可能更适合他,而不是给别人当助教、或者是去实验室当个助手之类的,

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因为爱因斯坦的性格就不是那种能轻易接受约束和管教的人,在专利局完成工作以后,可以有闲暇的时间,不受约束的去思考自己心中的物理学。

1905年,爱因斯坦已经在专利局待了三年的时间,这一年爱因斯坦像是得到了上帝的启示,3月18号到6月30号,在德国《物理学年鉴》上连发了四篇论文,之后的9月又补发了一篇比较简短的论文,作为其中一篇论文的补充。

除了这5篇论文以外,爱因斯坦还在这一年写了21篇书评,在科学史上只有牛顿的成就才能与这一年的爱因斯坦相媲美。

现在看来爱因斯坦的5篇论文,每一篇都足以让他名垂青史,3月18号的论文题目是《关于光的产生和转化的一个启发性观点》,这个论文的题目比较有趣,也是我们今天的主题:光量子。

4月30号的论文提出了测量分子大小的新方法,这是他的博士论文;5月11号的论文是关于对布朗运动的解释,这篇论文成为了原子存在的最好证据。

6月30号的论文题目是《论动体的电动力学》,这篇论文解决了经典电磁学和经典力学之间的矛盾,就是后来我们所说的狭义相对论。

9月发表的论文是对狭义相对论的补充,里面提出了我们最熟悉的质能方程。顺便解决了超光速的问题,就是有质量的物体不可能通过有限的能量达到光速。

在这5篇论文中,爱因斯坦曾给自己的朋友哈比希特说,第一篇论文完全属于自己的原创思想,极具开创性和颠覆性,完全够得上是异端邪说。

而关于相对论,爱因斯坦则轻描淡写,认为这只是对前人思想的总结和修正而已。

这里再强调一下,普朗克只是把能量吸收和释放的过程量子化了,而爱因斯坦在论文中采取了不同的方法,也得出了一个公式,和普朗克公式E=hv数学形式不同,但完全等价。

爱因斯坦公式与普朗克公式的物理意义也不同,即,能量本身就是量子化的,最小的一个量份为hv,称为光量子。

所以说,光量子是爱因斯坦的原创思想,由于爱因斯坦独立推导出了E=hv,赋予了它新的物理学意义,因此这个公式也被称为普朗克-爱因斯坦公式。

爱因斯坦在光量子论文的题目上表现得非常谨慎,他知道自己的论文发出以后肯定会挨喷。

因此爱因斯坦含蓄地给论文的题目加了三个字:启发性!意思就是说,我只是提出了一个解决问题的办法,大家可以尝试一下,关于光量子是不是真实存在,我没有实验证据,把握不住,大家可以帮忙把握一下,请不要喷我。

爱因斯坦的担心并不是多余的,从光量子假设提出以后的20年间,基本上没有人相信,普朗克坚决反对,波尔也一样,不相信光量子理论。

在论文中,爱因斯坦为了使得光量子更具有说服性,他还解释了19世纪遗留下来的一个物理学难题,也是我们前面的视频中提到的一朵小乌云:麦克斯韦电磁理论在光电效应上的难题。

光电效应最早在1887年被赫兹无意中发现,1902年赫兹的前助理菲利普·莱纳德重新就这个问题做了系统性的研究,并发现了与现有物理学相矛盾的地方。

根据麦克斯韦电磁理论光是一种波,能量可以连续地被吸收和释放,而且在经典物理学里面波的能量跟频率没有关系,频率只代表了在一定时间内,通过一个点的波峰或者波谷的数量,真正和能量相关的是波幅,能量的大小和波幅的平方成正比。

比如湖面上的水波,上下起伏得越大,你的船就摇晃得越厉害,这就说明波幅决定了波传递的能量大小。而在波幅很小的情况下,即使通过你的水波,频率非常高,但是你的船依然可以纹丝不动。

对于电磁波来说,我们理所当然地认为光强,也就是光的亮度代表了光的能量,光越亮,能量越大。

那么这意味着,假如我们用紫外线照射金属板,由于能量可以被连续地吸收并累积,因此可以打出全部的电子,现在我们提高光强,按理来说,光的能量增加了,打出来的电子数量不会变化,但每个电子的能量应该增大。

可实验显示,打出来的电子能量没有变化,数量却增加了。爱因斯坦的光量子可以轻而易举地解释这个问题,光强不代表光的能量,光强只代表了光量子的数量,光强增加了,光量子的数量也就增加了,打出来的电子就变多了。

实验还发现,红光照射金属板,不管光强多大,都不会打出电子,而用紫外线照射,在亮度很小的情况下,就可以打出电子。

也就是说,能不能打出电子跟光强没有关系,只跟频率有关系,只要频率够,再怎么弱的光,哪怕弱到每次只发射一个光量子,都可以打出一个电子。如果频率不够,哪怕一次发射几亿个光子,都打不出来一个电子。

这种情况在生活中非常奇怪,比如说,10个10岁的小孩力量加起来,应该比一个20岁的成年人的力量大,但是一个20岁的成年人可以抬起一个桌子,可10个10岁的小孩合力也抬不起这个桌子,哪怕再来10亿个这样的小孩也抬不起来这个桌子。

爱因斯坦的光量子也可以解释这个诡异的现象,不同颜色的光,它的能量跟频率有关,每种金属材料表面的电子都有一个最小的逸出功,如果一个光子的能量大于电子的逸出功,那么就可以打出电子。

如果光子的能量小于这个逸出功,那么再多的光子都打不出一个电子。

爱因斯坦还给出了一个光电效应方程,溢出电子的动能等于光子的能量减去电子的逸出功。

就算爱因斯坦在理论上完美地解决了光电效应,但当时所有的科学家都以一种怀疑和嘲讽的态度看待光量子。

美国实验物理学家密里根就说,爱因斯坦的光量子跟已知的所有关于光的知识,比如干涉、衍射这些现象都相违背。

他为了找出爱因斯坦的错误,就光电效应方程做了10年的实验,最后发现这个方程准确无误,他也因此在1923年获得了诺贝尔奖。

普朗克则说,为了解释光电效应,将光量化完全没有必要,能量只有在接受和释放的时候才是量化的。

虽然普朗克坚决反对光量子,但他还是被爱因斯坦关于相对论和布朗运动的论文所吸引,并给出非常高的评价,鉴于此,普朗克也同意了在德国《物理学年鉴》上发表光量子论文。

就单单这一点,我们还是要为普朗克点个赞,因为在当时说光是量子构成的,就跟现在的老民科说相对论是错误的一样。

科学界很难接受这样的想法,从两件事就可以看出来,1913年普朗克在提名爱因斯坦成为普鲁士科学院成员的时候,在推荐书中,这样写道:

现在的科学充斥着很多问题,爱因斯坦这个年轻人在每个问题上都做出了不可忽视的贡献,虽然他有时候也会犯错误,比方说光量子这个假设,但是科学就是这样,不大胆的猜测,不冒风险,很难实现创新,我们不应该对他苛责过甚。

你看看,字里行间都充满了对爱因斯坦的爱护,不过就是他的光量子,提不到桌面上。

还有一件事,是关于诺贝尔奖的,爱因斯坦获得了1921年的物理学诺奖,这个奖是在1922年同玻尔的诺奖一块颁发的。

到1921年的时候,爱因斯坦已经成为了名誉全球的物理学家,与哥白尼和牛顿齐名,这得益于他的广义相对论,诺奖委员会一看,再不给爱因斯坦发奖就有点说不过去了。

不过令诺奖委员会头疼的是,以什么名义发给爱因斯坦?狭义相对论当时无法验证,广义相对论太过超前了,虽然1919年证实了星光弯曲,但是这个理论还有很多问题没有验证,发给广义相对论觉得有点不保险。

怎么办?当时就有人提议发给光电效应,这个问题密里根验证了10年绝对没有问题,诺奖委员会经过商议,觉得可行,但是为了保险起见,获奖的理由只字不提光量子,只说了奖给爱因斯坦在解释光电效应问题上做出的突出贡献。

这可是1922年啊,已经距离爱因斯坦发表论文过去了17年的时间,那为什么所有的人都固执地认为光量子不存在,纯粹是爱因斯坦的假设。

最后又是发生啥事,让人们改变的光是连续波的固有看法,接受了光量子。

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