过去学牛顿第一定律的时候,我就为伽利略感到不值。明明是伽利略做了大部分的工作,牛顿只是根据他和其他人的研究做了总结,并署上了自己的名字,这个发现就归了他,凭什么?后来爱因斯坦也是如此,他将普朗克的方程E=hv用到了电磁辐射上来替代原子中的小振子。牛顿和爱因斯坦这两个伟大的科学家好像都做了一件事情,拿来别人的研究然后整合起来。但是,如果我们知道否认先贤的研究,提出新的定律并对前人的实验加以补充有多难;抛弃固有的经典物理观念认为普朗克方程具有物理意义,而不只是数学技巧有多难。也许我们就能明白为什么他们能够推动物理学发展了。无人跨出的那一步就是最最重要的那一步——超越。
1902年的夏天,爱因斯坦在瑞士专利局中开始了他著名的工作。开始他着力于热力学与统计力学方面的研究。他首次发表的文章也想那些前辈们一样按传统方式处理问题,但不同的是,他在第一篇文章中引用普朗克黑体辐射谱的想法时,就与众不同地发展出了自己解决科学问题的新方式。
在我们讲爱因斯坦的研究之前我们还需要了解一下下菲利浦·雷纳德的研究。这位科学家1862年出生在匈牙利,现在那个地方叫做捷克斯洛伐克,他在1905年因为阴极射线方面的工作获得了诺贝尔奖。他1899年发现在真空管中当光照向金属表面时,能够产生阴极射线。也就是说,光的能量能够让电子从金属中跳跃出来。如果是我有了这个发现,我绝对第一时间先给它发表出来,所以我做不了科学家。我们反观我们的雷纳德同志,他原先使用的是单色光,也就是说所有的光波均具有同样的频率。现在人家想的是找出光强度对初设电子的影响。
这么一找,不得了了,和大家原来设想的完全不一样。
雷纳德同志将光移近金属,即在单位面积金属表面上照射了更多的能量。如果电子能得到更多的能量,那么电子就会被更快地击出金属的表面,随后以更大的速度飞行。但是这些出射的电子好像都有自己的想法,因为只要光的波长不发生改变,那么所有出射的电子的速度都是相同的。将光移近金属的确可以产生更多受激电子,但是这并不意味着电子的速度就相较同样颜色的弱光时更快。但是如果用更高频率的光(比如之前用红光这回用紫光),电子却走得更快了。这个实验的思路其实大家一眼就能看明白,属于那种题干描述很难但是做起来很简单的水题。当然,当时这个发现并不是简简单单的,在这里这样说仅仅是方便大家理解。这个实验通过控制变量的方法,证明了这个出射电子的速度与光强度无关,而与光的频率有关。
有的朋友会问,你讲这个雷纳德的实验关我爱因斯坦什么事?爱因斯坦说啊,这个光不是连续的波,而是以确定形式的波包或者量子存在。具有特定频率v的光存在与具有同样能量E的波包中。光量子每次撞击电子的时候,电子也会得到同样大小的能量,所以说电子的速度在同色光的照射下,无论光强度大小,速度都保持一致。光更强只是有更多同样能量的光量子,但是唯有改变频率(颜色)才能够改变每个光量子携带的能量。补充一句,现在光量子我们往往称之为光子,省了一个字。光子的观点没有立刻得到认可,但是我们可以说,雷纳德的实验和光子理论是一致的。一晃10年,美国实验物理学家罗伯特·密立根证实了这个预言中电子速度与光的波长之间的精确关系,还发展出了一个精确则定普朗克常数的方法,在这里不做赘述。
这里很有一点很有趣,当时爱因斯坦还没有获得博士学位,虽说当年的博士学位还没有那么关键,但是当时的爱因斯坦提出的三篇巨作却只能署名为“Mr.”属实被迫低调。在那之后的时间里,爱因斯坦继续致力于将普朗克的量子论应用到更多的物理领域中去。他发现量子理论可以解决热容理论中长期未能解决的问题。热容是让质量固定的物质温度上升特定的振动方式,而这些振动实际上是量子化的。这个领域并不引人注目,爱因斯坦本人也是爱搭不理,但是物质的量子论,却比爱因斯坦心心念念的辐射的量子论,更快地被人们所接受。这说服了许许多多顽固的老学究,让他们都接受了量子理论。在1902年到1911年这段时间里,爱因斯坦完善了辐射的量子论,并指出了光量子结构就是普朗克方程所隐含的意义。这个从17世纪以来就开始争论的问题看似就要告一段落,爱因斯坦也把精力转向了引力问题。一直到1916年的这五年时间,他创造了他所有工作中最伟大的那颗明珠——广义相对论。可是直到1923年,光的量子本性才被毫无疑义的确立起来。这又引发了一片对于波和粒子争论的声音。也正是这些争论让量子理论向着更现代的方向走去——这是量子力学诞生的前夕。
爱因斯坦的表演结束了,他将量子理论带到了新的舞台,在他身后又有更多的演员渴望上台表演。在物理的各个领域,量子理论都开始被人们所接受,被人们所使用。但是在微观世界,量子理论的价值在卢瑟福之后却没能够得到提升。现在量子理论在微观世界的征途将要开始,但是他还需要一个帮手,这时候一位曾跟随卢瑟福工作的丹麦人走来了,整个微观世界因他而变得更加明了,他叫——尼尔斯·玻尔。
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