《第一次遇见爱因斯坦》
苏无忌 著
上海人民出版社
2025年10月

精彩书摘
光与梯子
  爱因斯坦一生重要的研究几乎都与光相关，他在奇迹年发表的第一篇论文也是如此。要理解这篇文章，还是需要先回顾物理学此前对光的研究。

  光的本性究竟是什么？物理学家一直以来对此都很感兴趣。一种观点认为光是由一群很小的微粒组成的，另一种观点则认为光就和水波一样是一种波动。在现代物理学刚建立的17世纪，两种理论都有科学家支持，因为它们都能解释光为什么会沿直线传播，为什么在光滑的表面会发生反射。英国的牛顿是微粒说的代表性人物，而波动说的主要推动者是荷兰物理学家惠更斯（Christiaan Huygens）。

  而到了19世纪，一些关键的实验使得波动说成为主流。1801年，托马斯·杨（Thomas Young）进行了著名的双缝实验，展示了光的干涉现象。他先让光源发出的光通过一个只有一个狭缝的遮挡板，再在后面放一个有两个平行狭缝的遮挡板。当光穿过两个狭缝并打到后面的屏幕上时，屏幕上出现了明暗相间的条纹。这种现象是波所独有的，如果在水面上同时激起两圈波纹，当波纹交汇后，也会出现类似的现象。

  更具有传奇色彩的是在1818年，奥古斯丁·菲涅耳（Augustin-Jean Fresnel）发明了“半波带”法，用来计算光在碰倒障碍物后会怎样传播。菲涅耳信心满满地向法国科学院提交了一篇关于光衍射的论文来阐述自己的理论。在论文审查时，支持微粒说且极其擅长数学的评审专家泊松（Simeon Poisson）立即发现了一个问题：按照菲涅耳的计算，如果用一个圆盘来遮挡光源，那么在圆盘留下影子的正中心会有一个亮点，这简直太荒谬了！泊松觉得这个问题足以驳倒菲涅耳的整个理论。菲涅耳收到反馈后大吃一惊，很快也发现泊松的计算完全正确。这让他都要对自己的理论失去信心了。另一位评审专家弗朗索瓦·阿拉戈（Fran?ois Arago）则觉得，既然都已经做了计算，为什么不做个实验验证一下？在菲涅耳和阿拉戈精心计算圆盘的尺寸和其与光源的距离之后，果真在实验中发现了这个亮点！最终法国科学院承认了菲涅耳的理论并给他颁了奖。后来，实验中发现的这个亮点被称为“泊松光斑”。泊松为反对波动说提出的实验，反而成了波动说的证据，这也成了因不同观点的科学争鸣而发现真知的一段佳话。基于以上的实验和其他证据，到19世纪末20世纪初，光是一种波动已经成了大部分科学家的共识。

  麦克斯韦（James Maxwell）在构建电磁理论的时候发现，变化的电场和磁场可以互相激发，形成一种波动。并且根据计算，这种波动的传播速度正好等于光速。基于这一点，麦克斯韦大胆宣言：光就是一种电磁波。这一观点后来被赫兹用实验所验证。至此，似乎科学界对于光的本性已经有了完整的认识。

  然而，当我们自以为探索之路达到了终点的时候，就有新的困惑产生。赫兹在实验中发现，如果用紫外光照射金属电极表面，会产生电火花，实际上是金属表面的电子跑了出来，这一被称为“光电效应”的现象用电磁波的理论可以解释。我们知道，物质是由原子构成的，原子分为带正电的原子核和带负电的电子，两者依靠异性相吸的原理束缚在一起。而电磁波带有能量，如果电磁波的能量被电子吸收，电子就能逃离原子核的束缚。我们可以设想，金属表面就像平地上挖了很多小坑，每一个小坑里都有一个皮球。如果我们拿水管往地上灌水，当水流将一个小坑灌满时，皮球就会从坑底浮上来。“照射光会使电子跑出来”的原理就和“灌水会使皮球浮上来”的原理一样。

  那么，在“光电效应”中，跑出来多少电子由什么决定？在灌水的比喻当中，决定浮上来皮球数量的显然是灌水的量。如果水管里流出的水量很大，不一会儿就把小坑都填满了，那么很快就有一大堆皮球浮上来；而如果水管的水流很小，那么皮球浮上来的速度就会很慢；如果水管的水流特别微小，只有涓涓细流，那么刚开闸放水的时候就不会有皮球浮上来，但是我们可以等，只要时间足够长，就能等到水流填满一个个坑，皮球就能浮上来。与之类似，在“光电效应”传统理论的理解中，跑出电子的数量应该和照射光的强度相关。光照强度大跑出来的电子就多，光照强度小跑出来的电子就少。并且，经过多长时间才能有电子跑出来也和光照强度有关：光照强很快就会有电子跑出来，光照弱就要等很久才会有电子出现。

  然而，实验结果却开了个大玩笑。首先，电子开始跑出来的时间和光照强度没有关系。只要电子能跑出来，那么它几乎在瞬间就能跑出来。而电子是否能跑出来，则取决于一个意想不到的因素——频率（声波的频率决定了声音的音调，光的频率决定了光的颜色）。对于每一种金属，都有一个与之对应的频率。如果照射光的频率比这个频率大，那么无论光照强度有多小，都一定有电子跑出来。而如果照射光的频率比这个频率小，则无论光照强度有多大，一定不会有电子跑出来。