宇宙的精灵 #2.2

二

倒数第一名的米列娃没有拿到毕业证书，1901年夏季又回到苏工大补考。这时她已发现自己怀了孕，爱因斯坦却没来陪考而是跟家人到阿尔卑斯山脉度假。诸事烦心，连考两次都通不过，就断了走科学道路的念想，回塞尔维亚老家养胎去了。其实爱因斯坦也很难，父母坚决不同意他俩的婚事，他也得安抚家人。俩人只得鸿雁传情。在爱因斯坦的情书中，不仅有疯狂的爱情，还有念念不忘的物理学。米列娃发现，爱因斯坦表现出了对德国物理学家勒纳德（Philipp Lenard）的“光电效应”实验的极大兴趣。

勒纳德曾是伟大的德国实验物理学家海德利希·赫兹(Heinrich Hertz )的助手，而赫兹最伟大的一个实验，就是1887年证实麦克斯韦电磁理论的实验。在这个实验中，赫兹发现电磁波的接收器在紫外光的照射下会变得更容易产生火花。当然，相对于证实麦克斯韦关于电磁波的伟大预言，这只是实验的一个小小的弦外音，大家都没太在意。赫兹只比普朗克大一岁（1857年生），却于1894年37岁的时候就过早地去世了。赫兹去世的时候，勒纳德还是赫兹的助手。乘赫兹之威，加上自己的聪明和努力，勒纳德在阴极射线研究领域一路猛进，1905年因此获得了诺贝尔物理学奖。关于赫兹发现的那种现象，勒纳德进行了最系统的实验研究，证明了是一种金属表面的电子因光照而逃逸的现象，并将此命名为“光电效应”。（图2.1）

图2.1  光电效应

这么说吧。我们知道，原子是由一个带正电的原子核和一个或多个带负电的核外电子组成的，电子之所以不会飞离原子核，是因为二者电性相反，异性相吸。电子像风筝一样在核外飞舞，风筝线却攥在原子核手里。当然风筝也有断线的时候，那就是风太大，拉力超出了线的承受力。在光电效应中，光线就是那吹断风筝线的风——电子从光线（一种电磁波）那获得了额外的能量，当大到超出了原子核的牵引力时，电子就会脱离原子，逃逸到空中。


大而化之地说说还可以，再精细一点的分析就出问题了。光电效应里有两个情况很费解：


第一个，光电效应似乎与光强无关，只跟频率有关。风筝断不断线，自然跟风力有关，风大会断，风小却不会断。“电子风筝”却完全不是那么回事，有时微风吹拂它就断了线逃逸出来，有时候狂风劲吹它却纹丝不动。吹动电子风筝的“风”是光，从视觉上说，光强就是光的亮度，500瓦的灯泡就比50瓦的亮10倍。光是一种电磁波，光强用振幅来表征，也是是波峰的高度（h），强光波峰就高，弱光波峰就矮。（图2.2）

图2.2  振幅

可是光电效应似乎只跟光的频率有关。比如用频率很低的红光照射金属表面，任多强的光都打不出电子，而很微弱的高频紫外光却能轻而易举地打出电子。勒纳德的实验发现，当照射光的频率提高时，逸出电子就产生了。

另外打出的单个电子的能量大小也只跟频率有关，高频光打出的电子能量就大，反之就小，增加光强只能增加打出电子的数量，却不会增加单个电子的能量。勒纳德在实验中把光强提高了1000倍，发现单个电子的能量比原先并没有增加一分一毫。

第二个费解之处在于，按说电子从光线中吸收能量到足以摆脱原子的束缚，应该有一个能量积累的时间，就像人造卫星加速到逃逸速度需要有一个时间一样；可是光电效应却很奇怪，要么打不出电子，一百年也不行，要么瞬间反应，反应速度大约是10－9秒（一百万分之一秒！），电子呯地就迸出来了。

在经典物理学家的心目中，光强就代表着光的能量，频率则跟能量没有一毛钱的关系。既然光电效应只跟光线的频率有关，那电子的逃逸只能凭借自己的能量，跟照射光线的能量就没有关系。勒纳德和其他科学家按照这个思路提出了不少的解释。比如说，光线只是光电效应的一个诱因，它引起了电子的共振。就好比一支军队的重量根本就不足以压垮一座桥，但这支军队整齐的步伐引起了桥梁结构的共振，以至于达到了振垮桥梁的能量。可是各种解释要么不能逻辑自洽，要么被实验所否定。

谁说频率跟能量无关？不是E＝hv吗？这个E就是能量，v不幸正是频率呐！此刻爱因斯坦坐在伯尔尼专利局的办公室里，眼前摊开着一张大大的送审的专利图，抽着一支劣质雪茄，思绪已经飞到了九天云外。

我们在以后将见识到，爱因斯坦是科学史上首屈一指的思想实验大师。现在就让我们随他做第一个思想实验吧——

让我们想像，照射向金属表面的那束光线是由千千万万个微小的粒子组成的光粒子流，正如高压水龙喷出的水柱是水分子流一样。每一个光粒子都满足普朗克的量子公式：E＝hv，即能量是普朗克常数与频率的乘积。因此我们可以把光粒子称为“光量子”。由量子公式规定，单个光量子的能量是由频率v决定的，因为h是一个常量，频率高的光量子能量就高，频率低的光量子能量就低。这么一想，光电效应实验的一切诡异就都烟消云散了。


为什么光电效应只跟光线的频率有关呢？金属电子有一个自能，这个自能只能保证电子不会坠落到原子核，而不能使它飞离原子。要逃出原子，还必须有一个增加的最低极限能量W，光量子的能量hv必须大于W，换言之，频率v必须要大于某个极限值。紫外光的频率很高，就决定了紫光的光量子能量可以大到足以超过电子自由化所需的增加能量，于是光电效应产生了；而红光呢，因为频率很低，红光的光量子的能量就很小，远达不到极限能量W，当然就不会有光电效应的产生。

至于说电子为什么不吸收不达标的光量子，慢慢积累够逃逸能而逃逸？这个我们到后面才能明白，这里我只告诉你，不会的，电子要么吸收一个能量大于W的光量子而瞬间逃逸，要么老老实实原地待着。所以不够力的光再强也没有用。就像原始人跟现代人作战，用砍刀砍坦克多少下都没有用，而换现代人用反坦克导弹，一枚足矣。

而逃逸出来的电子的能量，则要看达标的光量子的能量超出W的大小，超出得多，自由电子的能量就大，反之就小，因为一个电子只跟一个光量子发生作用。光强大，只能说明光速的光量子密度大，跟电子碰撞的概率就大，能打出的自由电子的数目多。

瞧瞧，把光电效应实验的一切结果都解释得清清楚楚，逻辑严密而自洽，无懈可击！而解释者正是这个正抽着劣质烟的小公务员。1905年3月14日，爱因斯坦在德国的《物理学纪事》杂志上发表了题为《关于光的产生和转变的一个启发性观点》，公布了他的“光量子假说”。


“启发性的观点”？好谦虚哟！这好像不是爱因斯坦的性格呀？