爱因斯坦的创举光电效应

　　如果说普朗克第一次引入了量子这个概念，那么，爱因斯坦将普朗克的发现做了具体的呈现。
　　爱因斯坦做了什么呢？我们先回顾一下普朗克做了什么。普朗克为了使光在给定温度下的能量不至于变成无限大，假设了光的最小能量单元，即量子，光的最小能量与其频率成正比，系数叫作普朗克常数。
　　但是，普朗克并不知道量子是不是一个物理单元，也就是说，他不知道是否存在一个实体，其携带的能量就是这个最小单元。实现这个跨越的是爱因斯坦，这个发现比普朗克引入量子这个概念晚了5年。
　　爱因斯坦说，其实，量子不是别的，就是光子，光子是一个实体，就像原子、电子一样。可以说，光子就是光的原子，一束光，如果是单色的，其频率是固定的，那么这束光就是由同样的光子组成的，它们携带的能量一样大。如果光束由不同频率的光组成，那么这束光里就有不同的光子。
　　爱因斯坦还更进了一步，认为每一个光子不仅有固定的能量，还有固定的动量，这样光子与粒子就更像了。
　　1905年，原本默默无闻地做着物理学研究的爱因斯坦，一年之内就提出了3个震惊世界的重大发现，分别是狭义相对论、布朗运动和光电效应。由于爱因斯坦的惊人表现，后世的人们把1905年称为物理学奇迹年。其中，光电效应就与光子有关。
　　在爱因斯坦的三大发现中，光子概念的提出，是人类在理解量子世界的道路上迈出的第二步。爱因斯坦也因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。
　　你也许会说，牛顿不是早在几百年前就提出了光的微粒说了吗？爱因斯坦提出的光子的概念和牛顿的理论有什么区别呢？
　　其中有一个最重要的区别在于，在牛顿的概念里面还没有基本粒子。牛顿只是说，在光里面有单个的粒子，光是由单个粒子组成的，这样就能解释为什么光在空气里面走的是直线。但是牛顿没有把光的粒子和能量结合起来。把光的粒子和能量结合在一起的第一个人，是爱因斯坦。
　　在普朗克提出量子概念5年之后，爱因斯坦在1905年3月发表的一篇论文里指出：这些量子其实是真实存在的，而不是假想中的一份一份的能量。这些量子有实体的能量，它们就是我们今天十分熟悉的光子。组成光的这些光子，从根本上来讲非常类似于物质里面的分子和原子。这就是爱因斯坦的概念与普朗克的概念之间的区别，以及爱因斯坦的概念和牛顿的光的微粒说之间的区别。
　　为什么爱因斯坦提出的狭义相对论和广义相对论都没有获得诺贝尔奖，却因为这样一个理论获奖了呢？因为爱因斯坦和普朗克的区别在于他解释了另外一个实验。普朗克的理论能够做到的是，给定范围的光里面有多少能量，太阳每秒钟辐射多少能量，这些都可以用普朗克公式计算出来。但是普朗克没有涉及另外一个实验，就是我们所说的光电效应。
　　那么，什么是光电效应？
　　物理学家在做实验时发现了一个现象：用光照射金属就可以从其内部打出电子。这并不奇怪。光可以把自身的能量传递给电子，使它获得足够的能量从而逃脱金属原子对它的束缚。但奇怪的是，这种现象依赖于光的频率。在一定频率之上的光，只要一照就可以从金属中打出电子；而在此频率之下的光，无论照多长时间也无法把电子打出来。这就很难理解了。因为在经典力学中，能量是连续的。打个比方，要把一个大水缸里装满水，按理说，你用大脸盆一盆一盆地往里倒水，可以把水缸装满；你用小水杯一杯一杯地往里倒水，也可以把水缸装满。但现在，光电效应实验告诉我们，用大脸盆可以把水缸装满，用小水杯就不能把水缸装满了。
　　这是怎么回事？
　　爱因斯坦说，这是由于光本身并不连续，它是由一个个叫光子的微粒组成的。光子的能量取决于光的频率，频率越高，光子的能量就越大。
　　为什么用光子能解释光电效应？
　　很简单。如果一个光子的能量比较大，它传递给电子的能量也比较大，只要这个能量大到让电子足以挣脱金属原子的束缚，电子就会立刻从金属里跑出来。但如果光子的能量比较小，它传递给电子的能量也比较小，要是这个能量一直小于电子逃出去所需要的最低能量，电子就会一直被束缚在金属内部。
　　光电效应
　　爱因斯坦提出的这个概念很好地解释了光电效应，而且不仅解释了实验现象，还可以用来计算。比如，我们现在就可以计算出要打出一束光所使用的电流大小。
　　在大学的实验室里就可以做这个实验：用一束电筒光照射到金属板上，金属板上不会发射出电子。原因很简单，因为电筒发出来的主要是可见光，而可见光的频率不够高。如果我们用一束紫外光来照射金属板，就可以把电子打出来。因此，爱因斯坦在光量子理论中最大的成功之处就在于，他提出了光电效应。光电效应在日常生活中的很多地方都可以用到，例如光鼠标、光敏电阻、光电二极管、光电三极管。
　　光子概念的提出，让量子论有了坚实的理论基础。
　　爱因斯坦在1905年5月发表的另一篇重要论文与狭义相对论有关，发表的时间要比有关光量子的论文晚两个月。
　　关于爱因斯坦其人，我们听说过很多关于他的故事。比如，他在16岁的时候就开始想象，如果跟着光跑会看到什么现象。正是这个想象，促使他提出了狭义相对论。但是他提出光量子的概念确实没有任何故事。毕竟在1895年，普朗克还没有提出量子的概念，这时在爱因斯坦的头脑中也没有产生光子的概念。
　　我前面说过，爱因斯坦的光子概念的想法很革命。为什么说爱因斯坦的想法很革命呢？因为这个概念连普朗克本人都不能接受。比如，在推荐爱因斯坦担任普鲁士科学院会员的时候，普朗克在推荐信中写道：即使像爱因斯坦这样的人，也会犯错，例如，他提出了光子的概念。
　　我曾经说过，人类历史上有两个最著名的物理学家，一个是牛顿，另一个就是爱因斯坦。类似于牛顿的人生经历，爱因斯坦的早年生活也是挺不顺的。他出生在德国的一个犹太家庭，为了避免在德国军队里服役，爱因斯坦跑到瑞士去考大学。结果第一年高考时他落榜了，到第二年才考上苏黎世理工学院。爱因斯坦是一个恃才傲物的人，他在大学期间经常不去听课。更糟糕的是，他那时的大学课堂不像现在的大学里讲大课那样，一个教室里能有几十甚至上百个学生，一个人不来上课，老师可能还发现不了。但在爱因斯坦上大学的时候，一个教室里只有10个学生，一个人不去上课，老师一抓一个准。由于爱因斯坦经常不去上课，他的老师们对他都很不满。当时，他们物理系的系主任韦伯，就曾批评爱因斯坦不喜欢听从他人的意见。这就导致了一个很严重的后果，就是当爱因斯坦毕业的时候，他没能在大学里找到工作。
　　在大学毕业后的两年时间里，爱因斯坦过得相当艰难，他曾经在中学教过课，给小孩子做过家教，甚至还当过一段时间的无业游民。后来靠着一个大学好友的父亲帮忙，才在一个专利局里找到了一份稳定的工作。这份工作薪水不高，但是比较有空闲，也正因为这样，爱因斯坦才有时间从事他心爱的物理学研究。
　　幸好有这份清闲的工作，让爱因斯坦在做普通职员期间，有了几个伟大的物理学发现，其中任何一个搁在今天，都可以让一个物理学家不朽。