|
1905年那是热热闹闹的一年，在东方这是大清光绪31年，这一年在东北的土地上发生了日俄战争，俄国人打输了。全世界都为之侧目，欧洲大鼻子怎么就输给了亚洲小鼻子呢？俄国国内也炸锅了一片混乱，到处罢工暴动，史称1905年革命。这一年同盟会在日本成立，国内也在建修自主的第一条铁路叫京张铁路，工程师就是詹天佑喽。而在欧洲那边就不同了，这一年在后来的物理学史上被称为奇迹年，因为一个在伯尔尼专利局工作的年轻人接连发表了5篇论文，在后世的人看来每一篇都精彩绝伦，特别其中有一篇那是划时代的文章，叫《论运动物体的电动力学》。那是直接开创了一门前所未有的运动学，也就是我们通常所说的狭义相对论。而另外一篇论文就是《光的产生和转化的一个试探性观点》，你看他说的这话都不是很有底气，因为他还没有实验去验证。这篇论文是量子力学的重要里程碑之一，但这篇文章在当年没引起物理学界太大关注。因为相对论太耀眼了，都被相对论抢了风头。还有一点就是这篇论文讲的很有道理，一切都解释的通，但是没有实验做支撑，大家脑子一时半会还想不开，不太敢接受，那姑且一听就扔一边去了。还有一个原因使得大家对爱因斯坦这个论文不太感冒，因为大家认为光电效应已经被成功解释了，不需要爱因斯坦多此一举。仔细研究光电效应并且解释了光电效应的那个科学家1905年这年刚好拿了诺贝尔物理学奖，那是出了名的实验物理学家，如日中天啊。相比之下这个爱因斯坦虽然最后是巨星但当时什么都不是啊，所以1905年物理学奇迹年是因为爱因斯坦后来名气大了大家才追封这一年是奇迹年，在当时并没有那么轰动。 光的产生和转化的一个试探性观点 1905年拿了诺贝尔物理学奖的这个科学家叫勒纳德，勒纳德一直在研究阴极射线，他对阴极射线非常感兴趣。汤姆逊发现阴极射线是电子流，勒纳德知道了这个消息他也开始研究，他把目光盯上了光电效应。要说光电效应说起来就话长了，往前追溯的话要追溯到亚历山大·贝克勒尔。这个亚历山大·贝克勒尔是谁呢，就是前面讲过发现放射性那个安东尼·亨利·贝克勒尔的爹，我们就叫老贝克勒尔吧，老贝克勒尔的爹也是科学家，他研究用电解方法提取金属。那一年老贝克勒尔才19岁，他就发现在电解液里放上两根相同材料做成的电极，按理来说不该有电流，而不同材料做成的就发电了。结果同材料做成的电极一个有光照一个没光照居然有电流，这个现象就被成为贝克勒尔效应，这是1839年的事了，那时候小贝克勒尔还没出生，他1852年才出生。这就预示着一个现象就是光与电那是分不开的，这是第一次出现光与电是有关系的。 勒纳德 再到后来就是著名的赫兹实验，赫兹是基尔霍夫的学生，他对电学特别感兴趣，尤其是对麦克斯韦的电磁学理论特别熟悉，赫兹就想验证一下麦克斯韦预言的电磁波是否正确，因为德国物理学界都信奉当时一个科学家韦伯的理论，韦伯认为电磁传送是瞬间抵达，不需要时间。麦克斯韦就不这么认为，他认为电磁作用的传递是需要时间的，可以在空间形成电磁波。赫兹就要做个实验来验证这个理论，他就用了一个火花装置用来产生电磁波。拿个电容器放电，有发射就有接收，接收他就采用一个金属圆环，环有个缺口，稍微离开了一段距离，这边打火花，那边的缺口圆环的缺口应该有火花冒出来。他怕看不清楚，特地造了一个暗室，暗室里面黑灯瞎火就是为了观察小火花不被干扰，他果然看到有火花冒出来了，就说明电磁作用是可以传播一段距离的，金属环离发生器有10米远呢，他就在暗室的墙上铺了一大片金属板，他觉得电磁波应该被金属反射。反射波回来就与入射波叠加，两个波一叠加就会形成驻波效应，就是有的地方强一点有的地方弱一点。赫兹就前后移动圆环测哪强哪弱，他靠这个办法得出了一堆数据。用驻波强弱就可以知道波长，就可以反推电磁波的速度。结果他反推了一下发现电磁波的速度居然跟光是一样的，这是1888年的事了。 赫兹实验 到了1889年他就宣称电磁波跟光是一回事，光是一种电磁现象。此时距离麦克斯韦大师去世刚好10年，爱因斯坦小朋友刚好10岁了。赫兹对电磁波着迷了，这东西太有意思了，他就一次一次做电磁波实验，结果他就发现一个很奇怪的现象，他开始做实验的时候在实验室里也能看见火花，能看清楚火花就不用往暗室里跑了，他就露天做吧。偶然有一天他心血来潮，他拿黑布把接收端的圆环给挡上，哪知道这次火花没了，不挡着它就有。赫兹就纳闷了难道黑布能挡住电磁波？后来他发现这个缺口大了，缺口改小一点就又能看到火花了。赫兹想这说明照了光以后比不照光火花大，火花大缺口大一点也没事也能过得去，不照光缺口就要缩小，否则火花过不去。他仔细研究了一下发现也不是啥光都行，火花冒的越亮越好使。后来赫兹就觉得那试试看中间放快玻璃，结果接收端立刻就不行了，赫兹心想这东西透不过玻璃啊，那好吧，是不是透光率不行啊，那换个透光率高的试试。结果他就换了个水晶玻璃，一换水晶玻璃这火花就好使了，赫兹一不做二不休跟他老师学来的本事，干脆换三棱镜吧。他用三棱镜分解光谱，结果他发现不是什么光照到这圆环都行，最好是紫外光，效果特别好，而红光就不行。于是赫兹就写了一篇论文，叫《紫外线对放电的影响》。 论文一发表反响就很强烈，大家都开始关注这个现象，这个现象就被称为光电效应。后来大家就设计了很特别的实验了，别老看什么火花大小了这不是个事啊。后来就换成了金属板，前面放上个金属网，金属网接金属正极，金属板接金属负极，这电路不通嘛，没电，这时候拿弧光一照这时候就有电流通过了，这就奇怪了。注意啊这里是弧光，什么是弧光，就是电火花发出的那光，就路边电焊发出来的光就是弧光，弧光含有大量紫外线。后来汤姆逊就做了著名的实验来验证光电效应也就是发出的光电子就是金属板上的电子跑出来的。过去认为冒出来什么东西但不知道怎么冒出来的后来汤姆逊做实验证明了它是电子。勒纳德就开始有了新发现，光照金属板不是有电子跑出来嘛，那光量子动能有多少呢？勒纳德就得想个好办法来测动能有多大，那好办啊，加反向电压，只要电压足够电子不就跑不出来了吗？那就测测要多大的反向电压电子才跑不出来，就可以估算出电子的动能。他一测量不要紧，又出奇怪的事了，他就发现这个电压跟光强度没关系，按照经典电磁理论光就是电磁波啊，是能量嘛，那光越强能量越多啊，那电子能获得的能量也就越多了，电子的速度就应该更快啊。勒纳德发现根本不是这样，电子的动能恰恰与光照强度一点关系都没有，而是跟光的频率有关系，低于某个频率随便多强的光电子就是不出来。勒纳德发现这事用过去经典的电磁学解释不了，按理说电子跟光的频率没半毛钱关系，光是电磁波，电子带电就被电磁波给激荡起来了，荡的幅度大了就给荡出去了。可是这跟观察到的实验现象是有矛盾的，首先经典理论没有频率门槛，这东西跟频率没关系，其次按照经典理论电磁波晃荡的电子共振，那也得先晃荡一阵子，把能量攒足了才能荡出去，但光电效应几乎是瞬间就发生的，只要有光效果立刻就来，这俩问题用经典电磁学没法解释。 勒纳德没法解释，最后憋了半天想起来一个解释，不违反经典电磁学。他是这么解释的：电子能量不是来自于光，光只是起到一个扳机作用，电子本来就要跑，可惜因为某种原因被憋住了跑不出去。电磁波恰好跟电子共振，频率一匹配然后就像扳机一样开闸门就把电子放跑了。既然光起到一个扳机的作用，那么电子的动能也就跟光的强度没啥关系。这么一解释不都圆满了嘛，大家一看，哟解释的真好啊。他想的倒挺好，他还说电子为什么想跑出来呢，这个要解释一下原子内部结构才能知道是怎么回事了，不妨通过光电效应来研究原子内部结构嘛。原子结构那年头还没个大的定论，因为这个时候好几个科学家正在研究还没摸索出来。 听他这么一说大家觉得都挺有道理的，理解起来不困难，就听他的吧。于是1905年为了奖励他在阴极射线方面的研究就给了他诺贝尔物理学奖。说是阴极射线，其实就是对电子的研究。可是那个专利局的小职员爱因斯坦可不这么看，在他认识里，光这个东西必有蹊跷。要知道相对论和量子力学要解决的一个很大的问题是光的性质问题，光到底是什么东西，自古以来（从牛顿那会），光是波还是粒子两个学说吵的不可开交。一个叫托马斯·杨的眼科大夫做了双缝干涉实验证明了光是一种波，于是就再也没人说光是粒子了。后来光的波动学说就占了上风，大家觉得光既然是波那就应该有传播介质啊，大家一想对啊，光应该有传播介质，那应该在在啥里面传播呢？于是大家就翻书本翻了半天翻出个东西叫以太，说光是在以太里传播的，电磁波就是以太的震动。可是要知道这是1905年了，爱因斯坦已经要放弃以太概念了，相对论首先就放弃了以太，他认为不需要以太光也能传播。可是我们知道机械波都需要传播介质的，不可能脱离介质的存在，爱因斯坦要想抛弃这个介质那他就必须解决这个问题就是光到底是怎么传播的。所以当他看到普朗克的文章茅塞顿开，原来光这东西是不连续的，是一份一份的，原来有个东西叫光量子，如果光是粒子的话它要什么传播介质啊，什么都不需要它就能跑，所以爱因斯坦很容易就接受了这种离经叛道的不连续概念。他在发表《光的产生和转化的一个试探性观点》的文章里他讲了他所有的想法，他一开篇就总结过去，先回顾的光的量子假说和波动假说如何打了很多年的架，然后自然就要揪出来一堆经典理论的BUG，说白了就是找麦克斯韦的BUG，然后就说假如把光看成一份份不连续的那就好办了，啥黑体辐射啊，啥荧光啊，啥紫外线产生阴极射线啊都好解释了。这里紫外线产生阴极射线就是前面提到的光电效应。爱因斯坦就指出，只要想到光是有个最小能量单位的就一切就好办，最小单位叫能量子，爱因斯坦管这个能量子叫光量子，后来简称就叫光子了，不过那是1926年以后的事了。爱因斯坦说你看一个光子钻进金属表面，把自己的全部能量给了电子，当然了电子要想跑出来也是要付出点代价的，但是假如光子能量够大呢那就足够让电子跑出来。光子的能量那是跟频率成正比的，能量就是频率乘以普朗克常数。 托马斯·杨的双缝干涉实验 爱因斯坦用了普朗克的常数但没得到普朗克的承认，于是他那个公式也没得到多少人的关注，就连普朗克也不承认。普朗克不算是个狭隘思想的人，起码爱因斯坦的狭义相对论那不是一般的深奥，但普朗克接受了。普朗克一直很推崇爱因斯坦，而且非常提携这个年轻后辈，但这个光电效应的解释人家普朗克从来不认账。一直到1913年他推荐爱因斯坦进普鲁士科学院的时候他得说这个爱因斯坦有多么多么好，为什么要介绍他过来之类的，普朗克把爱因斯坦夸上天了，但是最后还来了一句他说有时候爱因斯坦可能在思索中失去了目标，比如他的光量子假设。显然普朗克还是对爱因斯坦的公式不以为然。 那么为啥普朗克就不接受光量子呢？请看下回分解。 |
|
|
