波粒二象概念创新 爱因斯坦破解光电效应 | 量子群英传-深度-知识分子

波粒二象概念创新 爱因斯坦破解光电效应 | 量子群英传

2019/11/22
导读
“六分努力,三分天赋,一分还靠贵人来相助”

前情提要:1900年12月4日,普朗克在柏林科学院报告了他的黑体辐射研究成果,这个日子后来被定为量子力学之诞辰。从此之后,魔盒被打开,标志着量子力学范畴的这个小精灵(h)就此诞生了。

就当普朗克在柏林科学院作他的黑体辐射报告时,刚大学毕业的爱因斯坦正为了找工作而四处奔忙。这位后来鼎鼎有名的科学巨匠,并不是一个早熟的天才,甚至一度被老师认定“没出息”…… 


(图源:youtube)


撰文 | 张天蓉


尽管普朗克的物理内功高强,名震学界,但他当年解决黑体辐射问题上笼罩的这片“小乌云”时,毕竟是已经四十二岁的中年人。后来,又不明不白地自我怀疑斗争了好几年,企图将释放出来的量子小妖精用传统功夫压回到经典物理的潘多拉盒子中去!这前后一折腾,普朗克就差不多快到“知天命”的年龄了。随着年岁增加,普朗克的创新精神逐渐减少,但眼光仍然不凡,特别是一眼看中了后来鼎鼎有名的科学巨匠爱因斯坦。


大巧若拙、大智若愚

话说那年头,也有少数几个年轻人,被普朗克放出的量子妖精引诱迷惑,不声不响地暗暗修炼“量子化”功夫,其中就包括在瑞士伯尔尼专利局做三级小职员的爱因斯坦。


爱因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)比普朗克小21岁,是德国出生的犹太人。这孩子不像是一个早熟的天才,而是一个3岁才开始说话、令父母担心、大器晚成的“奇葩”儿童。他磕巴磕巴地读到了中学,爱因斯坦从事电机工程的商人父亲曾经显得有点忧郁地咨询儿子的中学老师:“这个孩子将来从事什么职业好啊?”得到的回答是,什么职业都可以,反正他不会有大出息!


普朗克在柏林科学院作他的黑体辐射报告时,刚大学毕业的爱因斯坦正为了找工作而四处奔忙。爱因斯坦虽然从小被老师认定“没出息”,但他并不自暴自弃,还深爱物理,立志从事科研工作!

1900年,爱因斯坦大学毕业时,已经在德国的权威杂志《物理年鉴》上发表了研究毛细现象的学术论文,并且决定继续攻读物理博士学位,但因为他想申请当老师的助手而未被接受,所以为了生存糊口不得不首先找个工作。


最后,在他的数学家朋友、大学同学马塞尔·格罗斯曼的父亲的帮助下,爱因斯坦成为了瑞士专利局的一名小职员。


小职员的工作较轻松,使爱因斯坦有时间研究他喜爱的物理,并业余攻读完成了博士学位。


晚熟孩子的优点就是因为有自知之明而勤奋刻苦持之以恒,不偷懒耍滑不靠小聪明。就像学习武功一样,有些所谓的“聪明人”,喜欢练习简单招式并号称几遍就学会;而迟缓一点的,则能靠时间和刻苦来积累起深厚的内力,此乃真功夫也!


解光电效应,一鸣便惊人

厚积多发,一鸣惊人!爱因斯坦在他的奇迹年,1905年,终于突然萠发出天才伟人的耀眼光辉。那一年,他发表了4篇论文,篇篇逆天,篇篇惊人,篇篇伟大,篇篇都是里程碑。


一解光电之效应,开继量子天地;
二算布朗的运动,发展随机统计;
三建狭义相对论,时空合为一体;
四立质能间关系,揭示深层原理。


说说与量子论有关的光电效应。1887年,德国物理学家海因里希·赫茲发现,紫外线照到金属电极上,会产生电火花,后人称此为光电效应。


根据当时被学界接受的“光的电磁波理论”,光电效应中产生的电流大小,应该与光波的强度有关。但是,在1902年,菲利普·莱纳德做了一个非常重要的实验。他首先利用真空管里的光,在某种材料表面打出光电子,然后用一个非常简单的电路来测量光电子的能量。从实验结果,他惊奇地发现光电子的能量和光的强度毫无关系,只与频率有关。


也就是说,与普朗克当初研究的黑体辐射问题有些类似,光电效应的实验结果令物理学家们困惑。


爱因斯坦及其光电效应方程


不过,很快地,1905年6月,爱因斯坦发表了他的重磅论文《关于光的产生和转化的一个启示性的观点》,成功地解释了光电效应。


爱因斯坦在这篇论文中假定,电磁场能量本身就是量子化的,频率为v的电磁场的能量的最小单位是hv。这儿的h,就是普朗克解决黑体辐射问题时使用的普朗克常数,爱因斯坦将这种一份一份的电磁能量称为“光量子”,也就是后来被人们称作的“光子”。


利用爱因斯坦的光量子能量关系式,就很容易正确地解释莱纳德发现的光电效应规律了。在同一年,爱因斯坦又接连发表了他的另外3篇论文,包括一篇狭义相对论的。


同为德国人的普朗克,当然注意到了这位物理界的年轻明星。不过,当时的普朗克,仍然为自己释放的量子妖怪而耿耿于怀,他还在努力,企图把量子化假设回归于经典物理的框架中。所以,他最为推崇的是爱氏的狭义相对论,而不是光电效应解释。


并且,普朗克自己也对狭义相对论的完成做出了重要的贡献。由于普朗克当时在物理界的影响力,相对论很快在德国得到认可。同时,普朗克也积极热心地向各个大学和研究所推荐爱因斯坦,以帮助他得到一份教职。他将爱因斯坦称为是20世纪的哥白尼。


对爱因斯坦的光量子假说,普朗克则持反对态度,因为他并不准备放弃麦克斯韦的电动力学,他顽固地坚信光是连续的波动,不是一颗一颗的粒子。普朗克如此驳斥爱因斯坦:


“君之光量子一说,使物理学理论倒退了非数十年,而是数百年矣!惠更斯早已提出光为连续波动而非牛顿所言之微粒也!”


爱因斯坦的经历,也许能给我们一点启迪:何谓天赋?需要谨慎定义之。表面看起来不言不语、发育迟缓的“笨”孩子,没准儿是个隐藏的天才哦!可谓“大音稀声,大象无形”也。况且,人生一世成功与否,在于“六分努力,三分天赋,一分还靠贵人来相助。”


机遇加天赋,贵人来相助

帮助爱因斯坦的贵人中,除了他的那位帮他找工作的数学家朋友格罗斯曼外,普朗克也算一个。格罗斯曼后来将黎曼几何介绍给爱因斯坦,为他建立广义相对论起了关键的作用;普朗克则是少数首先发现狭义相对论重要性的人之一。


有一个叫欧内斯特·索尔维的比利时企业家,欲在布鲁塞尔创办一个学会。1911年秋天,普朗克和能斯特等鼓动他通过邀请举办了第一届国际物理学会议,即第一次索尔维会议。主席为德高望重的荷兰物理学家洛伦兹。主题则定为“辐射与量子”,专论刚刚登台的量子力学之方法与理论。


坐者(从左至右):沃尔特·能斯特、马塞尔·布里渊、欧内斯特·索尔维、亨德里克·洛伦兹、埃米尔·沃伯格、让·佩兰、威廉·维恩、玛丽·居里、亨利·庞加莱。

站者(从左至右):罗伯特·古德施密特、马克斯·普朗克、海因里希·鲁本斯、阿诺·索末菲、弗雷德里克·林德曼、莫里斯·德布罗意、马丁·努森、弗里德里希·哈泽内尔、豪斯特莱、爱德华·赫尔岑、詹姆斯·金斯、欧内斯特·卢瑟福、海克·卡末林·昂內斯、阿尔伯特·爱因斯坦、保罗·朗之万。


这也算是量子物理之第一次武林大会,虽不似后来16年后(1927年)的第五次索尔维会议的阵容那么壮观强大,却也有经典物理派的众多高手云集,且是讨论量子问题的开天辟地第一回,其意义不可小觑。


两位量子创建者:偏保守的普朗克和当时代表革命派的爱因斯坦,分别站立于后排左右两边上第二的位置,普朗克深邃的目光沉稳而固执,爱因斯坦的身子则随意地微微前倾,好像是正在注意着坐在前排中间的居里夫人和庞加莱:他们在讨论什么呢?不应该是量子吧,是相对论?还是质能关系?


会议中与普朗克的讨论,使爱因斯坦十分满意。在光量子等问题上,爱因斯坦终于基本上说服了普朗克。爱因斯坦也指出低温下比热的不正常表现,是又一个无法用经典理论解释的现象。经典理论的确需要新的、革命的观念!也可能是因为,保守的普朗克有了这位年轻人的支持,对自己开创的理论有了更多的信心,加之普朗克多年反对“量子化”却又失败了的努力,使他在潜意识中不得不承认:他发现的这个常数h,其值虽小,内力却深厚无比。这个小怪物在微观世界中是真实存在的,不可能将它设成0而得到与实验事实符合的结果!


因此,两位量子先驱从此相谈甚欢,结下了深厚的友谊。两人对音乐的共同爱好也加深他们之间的友情。此后,他们便经常召集其他几位科学、物理、及音乐之同好,一起聚聚在普朗克家里。在思考物理理论问题之余,一个弹钢琴,一个拉小提琴,也有人哼歌,来场欢乐的音乐会,岂非学术界人士生活中的一大美事也?


后来,普朗克成为柏林大学的校长,1913年,爱因斯坦应普朗克教授之邀,赴德国柏林担任新成立的威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学教授,同年当选为普鲁士科学院院士。从此,爱因斯坦有了一个稳定的发挥才能的平台。


预言激光,贡献不凡

如今人们提到爱因斯坦对量子理论的正面工作,大多只记得他解释了光电效应。然而实际上,爱因斯坦当年对量子力学所作的贡献,远不止光电效应一项!他比普朗克更为深刻、更为早得多地认识到量子化的重要性!


  • 1906年,用光量子假说解决了固体比热理论,指出普朗克量子假说的真实物理含义;

  • 1906年,指出普朗克黑体计算中的逻辑矛盾:既用能量量子化,又使用连续经典电磁场方程;

  • 1909年,提出光的波粒二象性思想;

  • 1916年,将普朗克辐射公式重新进行纯量子推导,只利用光量子假设和玻尔的定态跃迁假设;

  • 1916年,提出受激辐射理论,预言激光;

  • 1924年,玻色-爱因斯坦统计;

  • 1925年,支持德布罗意物质波思想,促使薛定谔建立波动力学方程

  • ......


1917年的爱因斯坦和他提出的受激辐射示意图


然后就是后来站在量子论的对立面与玻尔辩论,提出EPR佯谬等等。从反面及统一场论的角度推动量子理论的发展和完善。
 
我们回望量子论的历史,就像远航的水手回望当年给他(或他的祖先)指点航道的一座座灯塔。大多数灯塔上只有一盏灯,灯光忽明忽暗,有明有暗,我们看见:普朗克是第一盏,爱因斯坦第二盏……唯有玻尔为主灯的那个灯塔上,聚集了好多盏灯!
下周,我们将推出“量子群英传”第三回:互补性原理玻尔模型 年轻人齐聚哥本哈根 ,敬请关注!


往期回顾

· 黑体辐射叛逆经典 普朗克释放量子妖精 | 量子群英传

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