26歲，一個專利局小職員，改寫了物理學

1905年，一個26歲的年輕人，在瑞士專利局當小職員。

他叫愛因斯坦。四年前，他從蘇黎世聯(lián)邦理工學院畢業(yè)。

但畢業(yè)后，他找不到教職。只能去專利局打工。

那一年，他一邊審查專利，一邊寫博士論文，一邊搞出了四篇震驚世界的論文。

其中一篇，提出了一個瘋狂的想法：光，不是連續(xù)的波，而是一顆一顆的“粒子”。

這個想法太離譜了。離譜到連量子論的開創(chuàng)者普朗克都搖頭：“愛因斯坦，你走得太遠了。”

離譜到實驗物理學家密立根花了十年時間想證偽它，最后卻不得不承認：“好吧，它是對的。”

這個想法，叫光量子假說。

它給愛因斯坦帶來了諾貝爾獎，也把量子革命推向了新的高度。

26歲的愛因斯坦

01 專利局里的“局外人”

教科書通常這樣寫：愛因斯坦為了解釋光電效應，提出了“光量子”概念。

但真相是：他根本沒沖著光電效應去。

1905年，愛因斯坦在專利局當小職員，不算體制內(nèi)的物理學家。他看了普朗克1900年的工作，覺得不對勁。

普朗克說：黑體腔壁的原子吸收和發(fā)射能量是一份一份的。但能量在傳播過程中，還是連續(xù)的波。

愛因斯坦覺得這“半吊子”量子化不徹底。他憑直覺認為：如果能量在交換時是一份一份的，那它在傳播時也應該是一顆一顆的。

這個想法極其大膽。因為它直接挑戰(zhàn)了麥克斯韋的電磁波動理論——那是19世紀末物理學的最高成就之一。

一個專利局小職員，要挑戰(zhàn)麥克斯韋——瘋了。

02 這個瘋狂的想法從哪來的？

愛因斯坦沒有從光電效應實驗出發(fā)。他的出發(fā)點是熱力學和統(tǒng)計物理。

他發(fā)現(xiàn)經(jīng)典理論有根本缺陷。把經(jīng)典的能量均分定理用到電磁波上，會推出“紫外災難”——總能量無窮大。這說不通。

但他沒有停在這里。

他轉(zhuǎn)而研究高頻區(qū)域，發(fā)現(xiàn)了一個秘密。他計算了黑體輻射的熵——一個衡量混亂程度的物理量。

結(jié)果他愣住了。

這個熵的表達式，跟一群獨立運動的粒子的熵，一模一樣。

換句話說：在高頻區(qū)，光表現(xiàn)得不像波，而像一群獨立的粒子。

愛因斯坦由此推斷：光本身，就是由一顆一顆獨立的能量子組成的。每個能量子的能量是 hν。

這就是“光量子”假說的真正出生地。不是來自光電效應實驗，而是來自熱力學的深刻類比。

03 一句話解釋所有疑難

有了光量子假說，愛因斯坦才轉(zhuǎn)過頭來看光電效應。

當時，光電效應有幾個讓物理學家頭疼的現(xiàn)象：

• 頻率太低時，無論光多強都打不出電子
• 打出電子的動能跟頻率成正比，跟光強無關(guān)
• 光一照，電子馬上就出來，沒有延遲

用波動理論解釋不了。

但用光量子假說，一切都通了。

愛因斯坦這樣描述：光量子鉆進金屬表面，把全部能量一次性交給一個電子。電子要么吸收一個完整的光量子，要么完全不吸收。沒有“吸一半”這回事。

能量守恒給出一個簡單方程：

hν = 電子動能 + 逸出功

這個方程一句話解釋了所有疑難：

• 頻率太低，能量不夠，電子出不來
• 頻率越高，能量越大，電子動能越大
• 光強只代表光子數(shù)量，不影響單個電子的動能
• 電子一次性吸收能量，所以瞬間打出

一個公式，解決所有問題。這就是理論的力量。

04 權(quán)威們不買賬

大家都知道愛因斯坦因為光電效應拿了諾貝爾獎。

但很少有人知道：光量子假說提出后的十幾年里，幾乎沒人信。

連普朗克都反對。1913年，普朗克推薦愛因斯坦當普魯士科學院院士，在推薦信里寫道：“愛因斯坦有時可能射偏了靶子，比如他的光量子假說就是如此。”

普朗克始終認為：量子化只發(fā)生在物質(zhì)吸收和發(fā)射能量的瞬間，光本身還是波。

實驗物理學家密立根更絕。他花了十年時間做實驗，目的是想證偽愛因斯坦的光量子假說。

結(jié)果呢？他的實驗數(shù)據(jù)完美驗證了光量子說，還精確測出了普朗克常數(shù)h。

密立根后來回憶：“我花了十年時間測試愛因斯坦的光量子說……盡管它沒有道理可講，但它是正確的。”

但他仍然堅持：“這個假說所依賴的物理理論基礎，是完全站不住腳的。”

你看，實驗數(shù)據(jù)都認了，理論還是不認。

愛因斯坦自己很清楚這個想法有多瘋狂。1905年，他給朋友寫信，評價自己當年四篇論文。說到相對論那篇，他沒說什么。說到光量子這篇，他認為這才是真正革命性的。

05 十年后，實驗認輸了

光量子假說最終被普遍接受，靠的是兩個關(guān)鍵證據(jù)。

第一個是密立根的實驗——盡管他不情愿，但數(shù)據(jù)不會說謊。

第二個是1923年的康普頓散射。康普頓發(fā)現(xiàn)，X射線被電子散射后波長變長了。這個現(xiàn)象只能用“光量子和電子碰撞”來解釋——就像兩個臺球撞在一起。

康普頓還證明了光量子不僅有能量，還有動量。至此，光的粒子性再無懷疑余地。

“光子”這個名字，直到1926年才由美國化學家劉易斯正式提出，沿用至今。

06 一個26歲小職員留下的矛盾

愛因斯坦1905年的工作，有三層意義。

第一，徹底性。他把量子性從“物質(zhì)吸收發(fā)射能量”推廣到了“光本身”。普朗克埋下的量子火種，被愛因斯坦變成了革命之火。

第二，預言性。他不僅解釋了光電效應，還預言了光有動量——二十年后被康普頓證實。

第三，哲學性。他的工作讓物理學家不得不面對一個矛盾：光在傳播時是波，在和物質(zhì)作用時又是粒子。

這個矛盾，后來被稱為“波粒二象性”。它為德布羅意提出“物質(zhì)波”，乃至整個量子力學，埋下了最關(guān)鍵的伏筆。

從普朗克的“半吊子”量子化，到愛因斯坦的“非常革命”，量子論終于從一粒火種，變成了燎原之火。

而這一切的起點，是那個26歲的專利局小職員。