上帝掷骰子吗--量子物理史话 作者:castor_v_pollux-第8章

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建立在能量吸收上的话，它应该是一个连续的过程，这能量可以累积。也就是说，如果用

很弱的光线照射金属的话，电子必须花一定的时间来吸收，才能达到足够的能量从而跳出

表面。这样的话，在光照和电子飞出这两者之间就应该存在着一个时间差。但是，实验表

明，电子的跃出是瞬时的，光一照到金属上，立即就会有电子飞出，哪怕再暗弱的光线，

也是一样，区别只是在于飞出电子的数量多少而已。

咄咄怪事。

对于可怜的物理学家们来说，万事总是不遂他们的愿。好不容易有了一个基本上完美的理

论，实验总是要搞出一些怪事来搅乱人们的好梦。这个该死的光电效应正是一个令人丧气

和扫兴的东西。高雅而尊贵的麦克斯韦理论在这个小泥塘前面大大地犯难，如何跨越过去

而不弄脏自己那华丽的衣裳，着实是一桩伤脑筋的事情。

然而，更加不幸的是，人们总是小看眼前的困难。有着洁癖的物理学家们还在苦思冥想着

怎样可以把光电现象融入麦克斯韦理论之中去而不损害它的完美，他们却不知道这件事情

比他们想象得要严重得多。很快人们就会发现，这根本不是袍子干不干净的问题，这是一

个牵涉到整个物理体系基础的根本性困难。不过在当时，对于这一点，没有最天才、最大

胆和最富有锐气的眼光，是无法看出来的。

不过话又说回来，科学上有史以来最天才、最大胆和最富有锐气的人物，恰恰生活在那个

时代。

1905年，在瑞士的伯尔尼专利局，一位26岁的小公务员，三等技师职称，留着一头乱蓬蓬

头发的年轻人把他的眼光在光电效应的这个问题上停留了一下。这个人的名字叫做阿尔伯

特？爱因斯坦。

于是在一瞬间，闪电划破了夜空。

暴风雨终于要到来了。


二

位于伯尔尼的瑞士专利局如今是一个高效和现代化的机构，为人们提供专利、商标的申请

和查询服务。漂亮的建筑和完善的网络体系使得它也和别的一些大公司一样，呈现出一种

典型的现代风格。作为纯粹的科学家来说，一般很少会和专利局打交道，因为科学无国界

，也没有专利可以申请。科学的大门，终究是向全世界开放的。

不过对于科学界来说，伯尔尼的专利局却意味着许多。它在现代科学史上的意义，不啻于

伊斯兰文化中的麦加城，有一种颇为神圣的光辉在里边。这都是因为在100年前，这个专

利局“很有眼光”地雇佣了一位小职员，他的名字就叫做阿尔伯特？爱因斯坦。这个故事

再一次告诉我们，小庙里面有时也会出大和尚。

1905年，对于爱因斯坦来讲，坏日子总算都已经过去得差不多了。那个为了工作和生计到

处奔波彷徨的年代已经结束，不用再为自己的一无所成而自怨自艾不已。专利局提供给了

他一个稳定的职位和收入，虽然只是三等技师——而他申请的是二等——好歹也是个正式

的公务员了。三年前父亲的去世给爱因斯坦不小的打击，但他很快从妻子那里得到了安慰

和补偿。塞尔维亚姑娘米列娃？玛利奇（Mileva　Marec）在第二年（1903）答应嫁给这个

常常显得心不在焉的冒失鬼，两人不久便有了一个儿子，取名叫做汉斯。

现在，爱因斯坦每天在他的办公室里工作8个小时，摆弄那堆形形色色的专利图纸，然后

他赶回家，推着婴儿车到伯尔尼的马路上散步。空下来的时候，他和朋友们聚会，大家兴

致勃勃地讨论休谟，斯宾诺莎和莱辛。心血来潮的时候，爱因斯坦便拿出他的那把小提琴

，给大家表演或是伴奏。当然，更多的时候，他还是钻研最感兴趣的物理问题，陷入沉思

的时候，往往废寝忘食。

1905年是一个相当神秘的年份。在这一年，人类的天才喷薄而出，像江河那般奔涌不息，

卷起最震撼人心的美丽浪花。以致于今天我们回过头去看，都不禁要惊叹激动，为那样的

奇迹咋舌不已。这一年，对于人类的智慧来说，实在要算是一个极致的高峰，在那段日子

里谱写出来的美妙的科学旋律，直到今天都让我们心醉神摇，不知肉味。而这一切大师作

品的创作者，这个攀上天才顶峰的人物，便是我们这位伯尔尼专利局里的小公务员。

还是让我们言归正传，1905年3月18日，爱因斯坦在《物理学纪事》（Annalen　der　

Physik）杂志上发表了一篇论文，题目叫做《关于光的产生和转化的一个启发性观点》（

A　Heuristic　Interpretation　of　the　Radiation　and　Transformation　of　Light），作

为1905年一系列奇迹的一个开始。这篇文章是爱因斯坦有生以来发表的第六篇正式论文（

第一篇是1901年发表的关于毛细现象的东东，用他自己的话来说，“毫无价值”），而这

篇论文将给他带来一个诺贝尔奖，也开创了属于量子论的一个新时代。

爱因斯坦是从普朗克的量子假设那里出发的。大家都还记得，普朗克假设，黑体在吸收和

发射能量的时候，不是连续的，而是要分成“一份一份”，有一个基本的能量单位在那里

。这个单位，他就称作“量子”，其大小则由普朗克常数h来描述。如果我们从普朗克的

方程出发，我们很容易推导一个特定辐射频率的“量子”究竟包含了多少能量，最后的公

式是简单明了的：

E　=　hν

其中E是能量，h是普朗克常数，ν是频率。哪怕小学生也可以利用这个简单的公式来做一

些计算。比如对于频率为10的15次方的辐射，对应的量子能量是多少呢？那么就简单地把

10^15乘以h＝6。6×10^…34，算出结果等于6。6×10^…19焦耳。这个数值很小，所以我们平

时都不会觉察到非连续性的存在。

爱因斯坦阅读了普朗克的那些早已被大部分权威和他本人冷落到角落里去的论文，量子化

的思想深深地打动了他。凭着一种深刻的直觉，他感到，对于光来说，量子化也是一种必

然的选择。虽然有天神一般的麦克斯韦理论高高在上，但爱因斯坦叛逆一切，并没有为之

而止步不前。相反，他倒是认为麦氏的理论只能对于一种平均情况有效，而对于瞬间能量

的发射、吸收等等问题，麦克斯韦是和实验相矛盾的。从光电效应中已经可以看出端倪来

。

让我们再重温一下光电效应和电磁理论的不协调之处：

电磁理论认为，光作为一种波动，它的强度代表了它的能量，增强光的强度应该能够打击

出更高能量的电子。但实验表明，增加光的强度只能打击出更多数量的电子，而不能增加

电子的能量。要打击出更高能量的电子，则必须提高照射光线的频率。

提高频率，提高频率。爱因斯坦突然灵光一闪，E　=　hν，提高频率，不正是提高单个量

子的能量吗？更高能量的量子能够打击出更高能量的电子，而提高光的强度，只是增加量

子的数量罢了，所以相应的结果是打击出更多数量的电子。一切在突然之间，显得顺理成

章起来。

爱因斯坦写道：“……根据这种假设，从一点所发出的光线在不断扩大的空间中的传播时

，它的能量不是连续分布的，而是由一些数目有限的，局限于空间中某个地点的“能量子

”（energy　quanta）所组成的。这些能量子是不可分割的，它们只能整份地被吸收或发

射。”

组成光的能量的这种最小的基本单位，爱因斯坦后来把它们叫做“光量子”（light　

quanta）。一直到了1926年，美国物理学家刘易斯（G。N。Lewis）才把它换成了今天常用

的名词，叫做“光子”（photon）。

从光量子的角度出发，一切变得非常简明易懂了。频率更高的光线，比如紫外光，它的单

个量子要比频率低的光线含有更高的能量（E　=　hν），因此当它的量子作用到金属表面

的时候，就能够激发出拥有更多动能的电子来。而量子的能量和光线的强度没有关系，强

光只不过包含了更多数量的光量子而已，所以能够激发出更多数量的电子来。但是对于低

频光来说，它的每一个量子都不足以激发出电子，那么，含有再多的光量子也无济于事。

我们把光电效应想象成一场有着高昂入场费的拍卖。每个量子是一个顾客，它所携带的能

量相当于一个人拥有的资金。要进入拍卖现场，每个人必须先缴纳一定数量的入场费，而

在会场内，一个人只能买一件物品。

一个光量子打击到金属表面的时候，如果它带的钱足够（能量足够高），它便有资格进入

拍卖现场（能够打击出电子来）。至于它能够买到多好的物品（激发出多高能量的电子）

，那要取决于它付了入场费后还剩下多少钱（剩余多少能量）。频率越高，代表了一个人

的钱越多，像紫外线这样的大款，可以在轻易付清入场费后还买的起非常贵的货物，而频

率低一点的光线就没那么阔绰了。

但是，一个人有多少资金，这和一个“代表团”能够买到多少物品是没有关系的。能够买

到多少数量的东西，这只和“代表团”的人数有关系（光的强度），而和每一个人有多少

钱（光的频率）没关系。如果我有一个500人的代表团，每个人都有足够的钱入场，那么

我就能买到500样货品回来，而你一个人再有钱，你也只能买一样东西（因为一个人只能

买一样物品，规矩就是这样的）。至于买到的东西有多好，那是另一回事情。话又说回来

，假如你一个代表团里每个人的钱太少，以致付不起入场费，那哪怕你人数再多，也是一

样东西都买不到的，因为规矩是你只能以个人的身份入场，没有连续性和积累性，大家的

钱不能凑在一起用。

爱因斯坦推导出的方程和我们的拍卖是一个意思：

1/2　mv^2　=　hν–　P

1/2　mv^2是激发出电子的最大动能，也就是我们说的，能买到“多好”的货物。hν是单

个量子的能量，也就是你总共有多少钱。P是激发出电子所需要的最小能量，也就是“入

场费”。所以这个方程告诉我们的其实很简单：你能买到多好的货物取决于你的总资金减

掉入场费用。

这里面关键的假设就是：光以量子的形式吸收能量，没有连续性，不能累积。一个量子激

发出一个对应的电子。于是实验揭示出来的效应的瞬时性难题也迎刃而解：量子作用本来

就是瞬时作用，没有积累的说法。

但是，大家从这里面嗅到了些什么没有？光量子，光子，光究竟是一种什么东西呢？难道

我们不是已经清楚地下了结论，光是一种波动吗？光量子是一个什么概念呢？

仿佛宿命一般，历史在转了一个大圈之后，又回到起点。关于光的本性问题，干戈再起，

“第三次微波战争”一触即发。而这次，导致的后果是全面的世界大战，天翻地覆，一切

在毁灭后才得到重生。


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饭后闲话：奇迹年

如果站在一个比较高的角度来看历史，一切事物都是遵循特定的轨迹的，没有无缘无故的

事情，也没有不合常理的发展。在时代浪尖里弄潮的英雄人物，其实都只是适合了那个时

代的基本要求，这才得到了属于他们的无上荣耀。

但是，如果站在庐山之中，把我们的目光投射到具体的那个情景中去，我们也能够理解一

个伟大人物为时代所带来的光荣和进步。虽然不能说，失去了这些伟大人物，人类的发展

就会走向歧途，但是也不能否认英雄和天才们为这个世界所作出的巨大贡献。

在科学史上，就更是这样。整个科学史可以说就是以天才的名字来点缀的灿烂银河，而有

几颗特别明亮的星辰，它们所发射出的光芒穿越了整个宇宙，一直到达时空的尽头。他们

的智慧在某一个时期散发出如此绚烂的辉煌，令人叹为观止。一直到今天，我们都无法找

出更加适合的字句来加以形容，而只能冠以“奇迹”的名字。

科学史上有两个年份，便符合“奇迹”的称谓，而它们又是和两个天才的名字紧紧相连的

。这两年分别是1666年和1905年，那两个天才便是牛顿和爱因斯坦。

1666年，23岁的牛顿为了躲避瘟疫，回到乡下的老家度假。在那段日子里，他一个人独立

完成了几项开天辟地的工作，包括发明了微积分（流数），完成了光分解的实验分析，以

及万有引力的开创性工作。在那一年，他为数学、力学和光学三大学科分别打下了基础，

而其中的任何一项工作，都足以让他名列有史以来最伟大的科学家之列。很难想象，一个

人的思维何以能够在如此短的时间内涌动出如此多的灵感，人们只能用一个拉丁文annus　

mirabilis来表示这一年，也就是“奇迹年”（当然，有人会争论说1667年其实也是奇迹

年）。

1905年的爱因斯坦也是这样。在专利局里蜗居的他在这一年发表了6篇论文，3月18日，是

我们上面提到过的关于光电效应的文章，这成为了量子论的奠基石之一。4月30日，发表

了关于测量分子大小的论文，这为他赢得了博士学位。5月11日和后来的12月19日，两篇

关于布朗运动的论文，成了分子论的里程碑。6月30日，发表题为《论运动物体的电动力

学》的论文，这个不起眼的题目后来被加上了一个如雷贯耳的名称，叫做“狭义相对论”

，它的意义就不用我多说了。9月27日，关于物体惯性和能量的关系，这是狭义相对论的

进一步说明，并且在其中提出了著名的质能方程E=mc2。

单单这一年的工作，便至少配得上3个诺贝尔奖。相对论的意义是否是诺贝尔奖所能评价

的，还难说得很。而这一切也不过是在专利局的办公室里，一个人用纸和笔完成的而已。

的确很难想象，这样的奇迹还会不会再次发生，因为实在是太过于不可思议了。在科学高

度细化的今天，已经无法想象，一个人能够在如此短时间内作出如此巨大的贡献。100年

前的庞加莱已经被称为数学界的“最后一位全才”，而爱因斯坦的相对论，也可能是最后

一个富有个人英雄主义传奇色彩的理论了吧？这是我们的幸运，还是不幸呢？


三

上次说到，爱因斯坦提出了光量子的假说，用来解释光电效应中无法用电磁理论说通的现

象。

然而，光量子的概念却让别的科学家们感到非常地不理解。光的问题不是已经被定性了吗

？难道光不是已经被包括在麦克斯韦理论之内，作为电磁波的一种被清楚地描述了吗？这

个光量子又是怎么一回事情呢？

事实上，光量子是一个非常大胆的假设，它是在直接地向经典物理体系挑战。爱因斯坦本

人也意识到这一点，在他看来，这可是他最有叛逆性的一篇论文了。在写给好友哈比希特

（C。Habicht）的信中，爱因斯坦描述了他划时代的四篇论文，只有在光量子上，他才用

了“非常革命”的字眼，而甚至相对论都没有这样的描述。

光量子和传统的电磁波动图象显得格格不入，它其实就是昔日微粒说的一种翻版，假设光

是离散的，由一个个小的基本单位所组成的。自托马斯？杨