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1887 年,德国物理学家赫兹做了一个实验,发现了大名鼎鼎的光电效应。
赫兹在研究电磁波的实验中发现,假如用一束光照射在相隔得非常近的两个铜球上,铜球之间会产生电火花。他当时并不了解,这就是日后大名鼎鼎的“光电效应”。当金属被光照射到的时候,就会有电子跑出来。但,并非什么光都行,譬如紫色光能打出电子,但黄色光就不可以。原来,光的颜色是由光波的频率决定的,振动得越快,表示频率越高。对于某种特定的金属来讲,只有当频率超越了某个数值,才能打出电子来,不然,就算照射的时间再长,也不可以打出电子来。
这个现象立即就让波动派的物理学家们感到震撼,他们感到波动学说的理论根基被动摇了,为何呢?由于波的能量传递是连续的,假如光是一种波,也就意味着光的能量是连续不断地被金属所吸收的,那样电子在吸够了能量后,就应该跑出来了嘛。
这个实验成了不少物理学家们的梦魇,直到 1905 年,一位大神的出现,才解决了这个难点,他就是爱因斯坦。
而爱因斯坦是遭到了另外一位著名物理学家——普朗克的启发。在19 世纪中后期,西方每个主要工业国家都在大炼钢铁。当时的人如何测量钢水温度呢?答案是:用双眼看。钢铁在被加热的过程中,先是微微发红,然后变得通红通红,再变成黄色。倘若温度再高,就会变成青白色。有经验的炼钢工人通过察看钢水的颜色,就能估算出温度,但精准度很难得到保证。
于是,当时的科学家们想搞了解温度与发光颜色的精准数学关系,也就是温度与光频率之间的数学关系式。但之前找到的公式不可以非常不错解决这个问题,要么在高温发散,要么在低温发散。直到普朗克第一个找到了不发散的公式,就是普朗克“黑体辐射公式”。
普朗克公式中有个假设非常奇怪,就是:能量有一个最小单位,高温的物体发射出的某种频率的光是一份一份发射出来的,而不是连续发射出来的。
普朗克陷入了深深的忧虑之中。由于以伽利略、牛顿为首的经典物理学家们都有一个最最基本的信念,那就是所有都是连续的,所有都是可以被不断细分的。米可以拆分成厘米,厘米可以拆分成毫米,还可以继续拆分成微米、纳米。但,普朗克为了计算出黑体辐射公式,不能不推翻了这个观念,他只能假定能量是不可以被无限细分的,而是有一个最小颗粒的。这对观念的冲击实在是太大了。
假如一个物理量是一份一份,是不连续的,就被叫做“量子化”,但普朗克自己都很难同意如此的假定。而爱因斯坦却将光电效应与普朗克的理论联系在了一块。
爱因斯坦想,原子对光的吸收也是一份一份的,每一份叫做一个“光量子”,也就是后来讲的光子。每一个光子的能量和频率成正比,就是说频率越高,能量越大。只有能量足够大的一个光子,才能把一个电子从原子里边砸出来。倘若频率不够高,那样任凭你如何砸,都是没用的。
这就是爱因斯坦对于光电效应的讲解。美国的密立根做了 10 年的实验,历程了千辛万苦,终于证明了爱因斯坦是对的。光电效应明确地表明,光具备粒子的特质,一颗颗光子就像一颗颗炮弹。牛顿的微粒说来了一次逆袭。科学家们终于认识到,光既是一种波也是一颗一颗的粒子,是波还是粒子,重点看你怎么样测量,这就是光的波粒二象性。
波粒二象性开启了量子力学的大门,而量子力学将为人类打开一片神奇无比的新国内。
本文为科普中国·创作培育计划扶持作品作者:科学声音
出品:中国科协科普部
监制:中国科技出版社公司、北京中科星河文化传媒公司
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