量子史话︱爱因斯坦获诺奖，为什么是光电效应，而不是相对论？

在上一期视频中，我们谈到了爱因斯坦不同寻常的求学之路。1900年7月毕业后，1902年6月到伯尔尼专利局工作，这两年可能是爱因斯坦一生中最迷茫的时期。时期。

爱因斯坦没能走上正常的学术道路，但他可能更适合在专利局工作，而不是给别人当助教，或者在实验室当助理，因为爱因斯坦的性格他不是那种可以轻易接受约束和管教的人。在专利局完成工作后，他可以有闲暇时间不受约束地思考心中的物理学。

1905年，爱因斯坦在专利局干了三年。今年，爱因斯坦仿佛受到了上帝的启发。3月18日至6月30日，他在德国的《物理学年鉴》上连续发表了四篇文章。论文，并于9月重新发布了一篇较短的论文，作为其中一篇论文的补充。

除了这5篇论文，爱因斯坦这一年还写了21篇书评。在科学史上，这一年只有牛顿的成就可以与爱因斯坦相提并论。

现在看来，爱因斯坦的5篇论文，每一篇都足以让他名垂青史，3月18日的论文题目是《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，这篇论文的题目挺有意思的，也是我们今天的主题：光子。

4月30日的论文提出了一种测量分子大小的新方法，这是他的博士论文；5月11日的论文是关于布朗运动的解释，它成为原子存在的最好证据。

6月30日的论文题目是《论动体的电动力学》。这篇论文解决了经典电磁学和经典力学之间的矛盾，也就是我们后面所说的狭义相对论。

9月发表的论文是对狭义相对论的补充，提出了我们最熟悉的质能方程。顺便解决了超光速的问题，即有质量的物体不可能通过有限的能量达到光速。

这五篇论文中，爱因斯坦曾对朋友哈比希特说，第一篇论文完全是他自己的原创思想，极具开创性和颠覆性，堪称异端。

至于相对论，爱因斯坦淡化了，认为只是对之前思想的总结和修正。

在这里我要再次强调，普朗克只是将能量吸收和释放的过程量子化，而爱因斯坦在他的论文中采用了不同的方法，也得出了一个公式，与普朗克公式E=hv相同数学形式不同，但完全等价。

爱因斯坦公式和普朗克公式的物理含义也不同，即能量本身是量子化的，最小的量是hv，称为光量子。

所以，光量子是爱因斯坦最初的想法，因为爱因斯坦独立推导出了E=hv，赋予了它新的物理意义，所以这个公式也被称为普朗克-爱因斯坦公式。

爱因斯坦对他的光子量子论文的选题非常谨慎，知道他的论文发表后肯定会受到批评。

于是爱因斯坦含蓄地在论文题目上加了三个字：启蒙！也就是说，我只是提出了一个解决问题的方案。你可以尝试一下。我没有光子真实存在的实验证据。我无法理解。你可以帮助我掌握它。请不要批评我。

爱因斯坦的担心不是多余的。光量子假说提出后的20年里，基本上没有人相信。普朗克坚决反对。玻尔也不相信光量子理论。

在论文中，为了让光量子更有说服力，爱因斯坦还解释了一个19世纪遗留下来的物理问题，也是我们之前视频中提到的一个小乌云：麦克斯韦电磁理论在光电对问题的影响。

光电效应最早是赫兹在1887年偶然发现的。1902年，赫兹的前助手菲利普伦纳德对这个问题进行了系统的重新研究，发现了与现有物理学的矛盾。

根据麦克斯韦的电磁理论，光是一种波，可以不断地吸收和释放能量，而在经典物理学中，波的能量与频率无关，频率只代表波通过的波峰一定时间内通过一个点或波谷的个数，真正与能量有关的是振幅，而能量的大小与振幅的平方成正比。

比如湖面的水波，起伏越大，你的船就会越摇晃，也就是说波幅决定了波浪传递的能量大小。在波幅很小的情况下，即使经过你的水波频率很高，你的船仍然可以保持不动。

对于电磁波，我们理所当然地认为光强，即光的亮度，代表光的能量。光线越亮，能量越大。

那么这就是说，如果我们用紫外线照射金属板，由于可以不断吸收和积累能量，所以可以将所有电子射出。现在我们增加光强度。出来的电子数量不会改变，但每个电子的能量应该增加。

实验证明，被打穿的电子能量没有改变，只是数量增加了。爱因斯坦的光量子很容易解释这个问题。光强不代表光的能量，只代表光量子的多少。当光强度增加时，光量子的数量也增加，更多的电子被射出。

实验还发现，无论光线有多强，当红光照射在金属板上时，都不会射出电子。但是，当照射紫外光时，亮度很小时，电子就可以被射出。

也就是说，电子能否被射出与光强无关，只与频率有关。只要频率足够，再弱的光，哪怕弱到每次只发射一个光子，也能射出一个电子。如果频率不够，即使一次发射数亿个光子，也不会产生单个电子。

这种情况在生活中是很奇怪的。比如10个10岁的孩子加起来的力量应该大于一个20岁的大人的力量，但是一个20岁的大人可以举起一张桌子，但是10个10岁的孩子一起掀不起这张桌子，就算再有10亿这样的孩子，也掀不起这张桌子。

爱因斯坦的光量子也可以解释这个奇怪的现象。不同颜色光的能量与频率有关。每种金属材料表面的电子都有一个最小功函数。如果光子的能量大于电子功函数的能量，则电子可以被射出。

如果光子的能量小于这个功函数，无论光子有多少，都无法射出一个电子。

爱因斯坦还给出了一个光电效应方程，溢出电子的动能等于光子的能量减去电子的功函数。

即使爱因斯坦在理论上完美解决了光电效应，但当时所有的科学家都对光子持怀疑和嘲笑的态度。

美国实验物理学家米利根表示，爱因斯坦的光量子与干涉、衍射等所有已知的光知识相悖。

为了找出爱因斯坦的错误，他对光电效应方程进行了10年的实验，最终发现方程是正确的，并因此获得了1923年的诺贝尔奖。

普朗克说，为了解释光电效应，完全没有必要对光进行量化，能量只有在接收和释放时才被量化。

尽管普朗克坚决反对光量子，但还是被爱因斯坦关于相对论和布朗运动的论文所吸引，给予了极高的评价。鉴于此，普朗克也同意在德国发表光量子《物理学年鉴》论文。

光是这一点，我们还是要给普朗克点个赞，因为当时说光是由量子构成的，就跟老明克现在说相对论错了一样。

科学界很难接受这样的想法。从两件事可以看出。1913年，普朗克提名爱因斯坦成为普鲁士科学院院士时，他在推荐信中写道：

当前的科学充满了很多问题。爱因斯坦这个年轻人，在每一个问题上都做出了不可忽视的贡献。虽然他有时也会犯错误，比如光量子假说，但科学就是这样。如果不大胆猜测，就解决不了。靠冒险很难实现创新，我们不能对他太苛刻。

看，台词里写满了对爱因斯坦的爱，却只是他的光子，台面上不能提。

关于诺贝尔奖还有一件事。爱因斯坦于1921年获得诺贝尔物理学奖。该奖于1922年与玻尔一起获得诺贝尔奖。

到1921年，爱因斯坦凭借广义相对论成为与哥白尼、牛顿齐名的世界物理学家。诺奖委员会看到，不给爱因斯坦颁奖有点不公平。我无法证明这一点。

不过，让诺贝尔奖委员会头疼的是，究竟应该以什么名义授予爱因斯坦？狭义相对论当时无法验证，广义相对论太超前了。虽然1919年就证实了星光的弯曲，但是这个理论还有很多问题没有得到验证。送去广义相对论有点不安全。

怎么办？当时有人提出将其发送到光电效应。这个问题已经被Milligan验证了10年。绝对没有问题。诺奖委员会审议后认为可行。对解释光电效应问题的突出贡献。

现在是1922年，距离爱因斯坦发表论文已经过去了17年，所以大家为什么坚持光量子不存在纯属爱因斯坦的臆测。

终于发生了，人们改变了光是连续波的固有观点，接受了光量子。

下期视频，我们将额外播放一集量子理论：第一次波粒大战。