奇迹年的第一声号角 | 科学史小画

编者按：每周中科院之声会手绘一张“科学史小画”，再由中国科学院自然科学史研究所给大家介绍小画背后的故事。

科学史上被公认的“奇迹年”只有两个：第一个对应1666-1667年那段时间，牛顿因躲避瘟疫回到故园，他在二项式定理、流数法（微积分）、光的颜色理论以及万有引力理论方面均有斩获；第二个是1905年，爱因斯坦在光电效应、布朗运动、相对论三个方面攻坚克难、风头无两！今天我们单说其中的光电效应。

19-20世纪之交，许多人已经发现并研究了光电效应，包括电磁波的发现者、大名鼎鼎的赫兹及其助手勒纳德。光电效应是怎么回事呢？当时发现一种现象：金属在某些光的照射下会发射出电子，但只有当光的频率高于一定值时才能从金属表面打出电子；被光打出电子的速度只与光的频率有关，而与光的强度无关。赫兹、勒纳德等人对此百思不得其解，因为按照经典的光学理论认为，只要光强度足够大，一定会把电子从金属中打出来。令人悲催的事实是，电子是否被打出与照射光的强度没什么关系。这一时难住了科学界的众多“金刚罗汉”。

1905年3月，一位26岁的德国小伙子就要在这个问题上一显身手了。5年前大学毕业后，他有点时运不济，一直找不到一份稳定的工作，1902年才在同学的帮助下谋得了瑞士专利局（伯尔尼）三级审查员的差事。1905年春天，儿子还不满1岁，博士论文正准备杀青，生活处在“水深火热”之中。即便如此，他还在生日后的第三天——3月17日完成了论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》。这位小伙子便是爱因斯坦，由此吹响了奇迹年的第一声号角，清澈而嘹亮。

在这篇论文中，爱因斯坦发展了1900年由普朗克提出的量子论，提出了光量子（光子）假说，得出了光电效应方程，一举解决了前述难题：原来金属中的自由电子只能一份一份地从光量子接受能量，而光量子的能量与频率成正比。不但如此，光量子理论还首次揭示了光的波粒二象性。

当年5月，爱因斯坦在给朋友哈比希特的信中提到了这篇论文，自信满满地称它是一篇“非常革命性”的杰作。历史印证了他的自信：爱因斯坦凭借该论文获得了1921年的诺贝尔物理学奖。