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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高动能的电子来。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。
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我们把光电效应想象为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。
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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得起非常贵的货物,而频率低一点的光线就没那么阔绰了。
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但是,一个人有多少资金,和一个“代表团”总共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,只和“代表团”的人数(光的强度)有关系,而和每一个人有多少钱(单个光子的频率)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。话又说回来,假如你一个代表团里每个人的钱都太少,以致没人付得起入场费,那么哪怕你人数再多,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使用。
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爱因斯坦推导出的方程和我们的拍卖是一个意思:
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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。
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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。一个光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。
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但是,大家从这里面嗅到些什么没有?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?
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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,“第三次波粒战争”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
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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。在时代浪尖上弄潮的英雄人物,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。
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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。
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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。
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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。
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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,以及对于万有引力定律的开创性思考(6) 。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”(7) 。
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1905年的爱因斯坦也是这样,在专利局里蜗居的他在这一年写了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,成为量子论的奠基石之一。4月30日,关于测量分子大小的论文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,成为分子论的里程碑。6月30日,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,叫作“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 。
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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,还很难说。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,因为实在是太不可思议了。后来的1932年在原子物理领域也可称为“奇迹年”,但荣誉已经不再属于一个人,而是由许多物理学家共同分享。随着科学进一步高度细化,今天已经无法想象,单枪匹马能够在如此短时间内作出如此巨大的贡献。当时的庞加莱(Henri Poincar é)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物理理论了吧?这是我们的幸运,还是不幸呢?
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为了纪念1905年的光辉,人们把100年后的2005年定为“国际物理年”。我们的史话,也算是对它的一个小小致敬。
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Part. 3
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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解释的现象。
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然而,光量子的概念却让其他科学家非常不理解。见鬼了,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呢?
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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,而相对论都没有这样的描述。
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光量子和传统的电磁波动图像显得格格不入。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。这两个命中注定的对手终于要进行一场最后的决战,从而领悟到各自存在的终极意义:如果没有了你,我独自站在这里,又是为了什么?
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