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。

    *********

    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?杨的时代又已经过去了一百年，

    冥冥中天道循环，当年被打倒在地的霸主以反叛的姿态再次登上舞台，向已经占据了王位

    的波动说展开挑战。

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