一个启发性观点

1905年3月，在发表狭义相对论论文之前，爱因斯坦在德国《物理学年鉴》第17卷上发表了一篇石破天惊之作《关于光的产生和转化的一个启发性观点》。在这篇论文里，爱因斯坦认为，光不仅仅在发射和吸收时按ε＝h ν不连续地进行，即使在空间传播时，光也像粒子一样是不连续的。他指出：麦克斯韦的波动理论仅仅对时间的平均值有效，而对瞬时的“涨落”（fluctuation）现象，则必须用粒子观点处理。

爱因斯坦特别强调，如果采用了光的粒子观点，那么许多用光的波动说无法解释的实验现象，如光电效应，就可以得到完满的解释。这里我们稍微介绍一下“光电效应”（Photoelectric effect）。

光电效应是德国物理学家赫兹在1887年研究电磁波的性质时首先发现的，但是他对这一偶然的发现没有做出任何解释，只是做了忠实的记录。但这一发现立即引起了许多人的注意，研究者也很多。从实验上研究得最有成果的要算赫兹的助手菲利普·勒纳。

光电效应是当光撞击到金属表面时，金属表面的电子受到光的激发而获得动能，如果这动能足够大，电子就可以“逃离”金属表面，逸入空中，这种电子称为“光电子”（photoelectron）；如果再加一个电场，逃出的电子即可形成“光电（子）流”。勒纳从1899—1902年由精巧实验得出以下规律：

（1）在单位时间内，金属受光照射后释放出的电子数，和入射光的强度成正比：即光越强，金属板释放的电子数越多，但每个光电子的动能与光强无关；

（2）每种金属都有一个最低的频率ν0——这个频率称为“红限频率”（red limit frequency），照射光频率如果小于ν0，那么，不管照射光的强度有多大，都不会出现光电效应；

（3）用光照射阴极金属板时，不论光强度的大小，几乎瞬时就会产生光电流，不存在任何一个可观测的“滞后时间”（delayed time）。

图（2—1）光电效应示意图。入射光（Light）照射到带负电的金属板C上，打出的电子向带正电的金属板A跑去，形成光电子流。

以上三个由实验得出的规律，如果用光的波动说就无法解释。按照光的波动说，光电子的动能应决定于光的强度（即光波的振幅），但实验结果告诉我们，光电子的动能与光强无关，只与入射光频率成正比关系；按波动说，只要光强足够供应电子释放出来时需要的能量，任何频率的光都应该引起光电效应，但实验告诉我们，低于ν0，无论光多么强都不会发生光电效应；最后，按光的波动说，金属中的电子从入射光中吸收能量，必须积累到一定的数值，才能“挣脱”金属表面原子的控制飞出来，而且十分明显的是，光越弱积累能量所需的时间就越长，但实验却显然表明，不论光多么弱，只要大于ν0，光电子几乎是立即就飞出金属板，不需要“滞后时间”。

勒纳是当时研究光电效应的权威，他提出了一种“触发假说”，希望在光的波动理论框架内，解决这一困难，但不成功。爱因斯坦则大大出人们意料，假定光是由不连续的“光量子”（light quanta）组成，光量子的能量E＝nε＝nhν（ n ＝ 1、2、3……），其中 h 为普朗克常数，n 为自然数。波动的振幅（即光强），决定于光量子的数目；不过，这数目只是一种统计上的平均值。爱因斯坦在论文中写道：

在我看来，如果假定光的能量不连续地分布于空间的话，那么，我们就可以更好地理解黑体辐射、光致发光、紫外线产生阴极射线以及其他涉及光的发射与转换时的各种观测结果。根据这种假设，从一点发出的光线在传播时，在不断扩大的空间范围内，能量是不连续分布的，是由一个数目有限的、局限于空间的能量量子所组成的，它们在运动中并不瓦解，并且只能整个地被吸收或发射。

后来，“光量子”在1926年被美国物理学家刘易斯定名为“光子”（photon），这个名称被沿用至今。

在瑞士伯尔尼专利局任技术员的爱因斯坦。

爱因斯坦的“启发性观点”，就是试图通过“光量子假说”断言电磁场具有量子性质，并且把这种性质推广到光和物质之间的相互作用上，即物质和辐射只能通过交换“光量子”而相互作用。这在当时的确是“非常革命性”的一步。对此，《爱因斯坦全集》主编、美国爱因斯坦研究中心的物理学史家斯塔赫尔（John Stachel）说：

他（爱因斯坦）在20世纪头10年的立场的独特之处是，他毫不动摇地坚信经典力学概念和麦克斯韦电动力学的概念——以及两者的任何纯粹的修正和补充——都不足以说明日益增多的一系列新发现的有关物质与辐射的行为和相互作用现象；他不断地提醒自己的同行，必须从根本上引进新概念用以解释物质和辐射两者的结构。他自己引进了某些新概念，特别是光量子假说，虽然他仍不能把它们整合成一个前后一贯的物理理论。

爱因斯坦的光量子理论，极完满地阐明了十几年来人们一直无法用经典电磁理论解释的“光电效应”和其他一些难题。但是尽管如此，爱因斯坦的光量子理论一提出来，立即遭到几乎所有物理学家的反对。连首先提出能量子概念的普朗克，也认为爱因斯坦“在其思辨中有时可能走得太远了”，并一再告诫物理学家们应以“最谨慎的态度”对待爱因斯坦的光量子说。

这儿特别要指出的是，每一个光量子的能量ε＝hν与普朗克的公式是一样的，表示的意思却完全不同。爱因斯坦的公式适用于每一个光量子的能量，物质可以吸收或发射1个、2个……10个或任何其他整数个光量子，但不会是半个、3个半或其他分数个光量子；而普朗克的公式则是一个空腔里的原子和光相互作用时的能量这一特殊情形。我们的视觉之所以感受不到分立的能量，那是因为光量子能量太小，而进入眼睛的能量子数目惊人地大，一根蜡烛每一秒钟大约发出10万亿亿个光量子，所以统计平均值让我们感受不到分立的光量子，就像雨天打伞时感觉不到一粒粒雨滴冲击伞一样。

看起来是同一个公式，却由爱因斯坦第一次给出了正确的解释。

科学界对光量子的态度如何呢？科学界接纳光量子假说比起对相对论的接纳，经历了更艰难的过程和更长的时间。从1909年9月在德国萨尔茨堡召开的每年一度德国自然科学家和医生协会年会上发生的事情，就足以看出两者的反差之大。在萨尔茨堡年会上，爱因斯坦成了最有吸引力的人。这次会议有近1300人参加，许多人，尤其是一群年轻人，如奥托·哈恩、丽丝·迈特纳（Lise Meitner，1878—1968）等，都想亲眼见一见这位传奇式的人物，听一听这位年仅30岁的专利局专家的演讲。

爱因斯坦于9月21日下午在会上做了演讲。这种演讲对爱因斯坦来说，是极高的荣誉，因为只有在各个领域内最具权威的人才能被邀请在会上演讲，对该领域做综合性评价。德国物理学史家赫尔曼（Armin Hermann）说：“对有见地的与会者来说，这个演讲达到了科学的高点。”

使与会者感到惊讶的是，爱因斯坦的演讲内容不是关于相对论的，而是题为《论我们关于辐射的本质和组成的思想》。虽然在开始的时候他谈到了相对论，但却一带而过，重点讲述当时还很少有人接受的量子论。他认为尽管狭义相对论的时空观十分奇特，但已不值得再长篇大论地去讲它，因为大家已经十分熟悉，且大多数人已经接受了它。而量子论则是另外一回事，到他做演讲时为止，只有一位物理学家准备接受，这位物理学家是斯塔克（Johannes Stark，1874—1957，1919年获得诺贝尔物理学奖）。但就是这位斯塔克，也错误地领会了爱因斯坦的本意。

爱因斯坦在演讲中又提出一个思想实验，这是一个十分生动、有趣的思想实验。在一个充满电磁辐射的洞穴里，假定里面有一只在飞行的小碟子。这只小碟子肯定会因为辐射压力的统计值的变化而发生振动，就像空中漂游的灰尘因为空气分子的碰撞而产生急剧的振动一样。如果普朗克定律对辐射真的适用（实际上这已经被实验实证！），那么碟子的振动公式可以用两项之和来表示：第一项来自光的波动理论，第二项则来自光的量子假说。这样一来，一方面光是一种波动，另一方面它又不可避免地是由“光量子”组成。

那么，光究竟是一种波动还是一种粒子呢？爱因斯坦认为两者都是，亦此亦彼。但当时还没有描述“两者都是”的数学方法，因此除了爱因斯坦之外，一般人都认为只能“非此即彼”，不能“亦此亦彼”。除了约翰内斯·斯塔克以外，与会者都认为光只能是波动，但斯塔克却又认为：光只能是粒子。结果正如黑格尔所说：“听众中只有一个人理解我，却又误解了我的意思。”

普朗克和爱因斯坦，后来成为非常亲密的朋友。

爱因斯坦发言结束后，普朗克立即以会议主席身份发言。他表示了对爱因斯坦的尊敬，不过他同时婉转地拒绝光量子假说的大胆思想。普朗克的助手莱契（F. Reiche）后来在回忆中写道：“我必须说，当这个用于描述振动的第二项出现在公式中时，我十分激动。当然，这只是对光子存在的一个十分间接的证据。我记得人们都强烈反对这个观点，并努力去寻找别的依据反对它。”

后来，科学史家海尔布朗（J. L. Heilbron）曾经访问参加过这次会议的美国物理学家爱泼斯坦（P. S. Epstein），谈到爱因斯坦的这次讲话。

海尔布朗：爱因斯坦的那次讲话有没有产生很大的影响？您能回忆得起来吗？

爱泼斯坦：没有很大影响。您知道，那次会议的主席是普朗克，他在爱因斯坦讲完话后马上就说，爱因斯坦的光量子假说非常令人感兴趣，但是他并不完全赞同它。会上唯一表示赞同的是斯塔克。您知道，爱因斯坦的假说走得太远了。

由此可见，在1909年（即离1905年之后的4年）人们接受了狭义相对论，却没有接受同时提出的光量子假说。