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这个结果可太奇怪了!这就像往坑里灌水能不能让皮球浮起来,竟然和水的颜色有关!有的颜色的水就是能让皮球浮起来,灌的水多浮上来的皮球就多,灌的水少浮上来的皮球就少。但无论你灌水有多慢,你都不会看到水慢慢把坑灌满的过程。而有的颜色的水就是不能让皮球浮起来,任凭你大水漫灌,皮球也待在坑底不动一下。
为了解释这一奇怪现象,科学家提出了各种假说。比如,菲利普·莱纳德(Philipp Lenard)提出了“触发假说”。相当于坑底的皮球其实不是由于灌下去的水才浮上来的,而是坑底本来就有一个弹簧可以把皮球弹出来,但是弹簧却被一个装置锁定了。这个装置只要接触到特定颜色的水就能解除锁定,让皮球弹出来。这样可以解释为什么看不到水慢慢把坑灌满的过程,因为有一点儿水就能让皮球弹出来。这个理论也能解释为什么有没有电子跑出来和光的频率相关。但是,更进一步的实验不支持这个理论。如果这个理论为真,我们应该可以通过加热金属的方式使“弹簧”更紧,“皮球”弹得更高(电子的能量更大)。实验里并没有发现这种现象。
时间来到1904年,我们的主角爱因斯坦终于要登场了。他在思考光电效应的同时,也在关心另一件物理学中的大事。普朗克为了解决两朵乌云之一的黑体辐射问题,提出光在传播过程中是由有限个数目的能量包(后来叫“光子”)构成的,并且单个光子的能量大小与光的频率成正比。打个比方,高频率的光就像一捆捆百元大钞,而低频率的光就像一大堆硬币。同样是三百元,用百元大钞只要三张就行,而用一元硬币就要三百个。同样,相同强度的光,高频的紫外线只需要很少的光子,而低频的无线电波需要很多光子。这使得光在传播时能量不是连续变化的,而是有最小单位的。用现金来举例,如果我手里只有百元大钞,我就不能只支付250元,必须找人兑换成更小的面额或者找零。即使我有许多一分的硬币在手,我也没办法支付1.7275元,因为不存在0.75分的硬币。普朗克并不觉得这是光的一种性质,毕竟它和光是连续不断的波动说相冲突。他强调这只是为了计算成立而做的假设。
爱因斯坦敏锐地将这两个问题联系了起来,并且大胆地突破普朗克为其解释所划定的范围。他发觉,如果光的传输真的如普朗克所假定的那样是不连续的,那么光电效应的一切都能解释得通了。
如果光的传输是不连续的,我们就不好用灌水作比喻了。我们可以假设坑底的不是皮球,而是小人,小人想要从坑底爬出去。照射光也像灌水,而相当于把一架架梯子扔到坑里。这些梯子长度固定、不可拼接。小人拿到梯子,可以尝试架起梯子从坑底爬出。假如坑深10米,我们从上面扔下了总长为100米的梯子,小人就一定能爬出来吗?在回答这个问题之前,我们先想一想这个比喻和往坑里灌水到底有什么不同。在灌水的比喻中,如果我们和灌水的人说要在坑里灌105米深的水,这对灌水的人来说并不是一个难题。他只需要慢慢放水,在水深到达10米的时候停下就好。唯一可能的问题是水的总量不够。只要我们能够提供足够多的水,这个问题就会解决。而在梯子的比喻中,如果我们扔了一堆梯子下去,有2米的、4米的、6米的,但是没有5米的。这时候我们要求底下的小人架起5米的梯子,他一定会对我们大喊做不到。小人先拿4米的梯子去试,发现梯子太短,然后又用6米的梯子去试,发现梯子太长。纵使我们给他提供再多的梯子,只要没有正好5米的,对他来说都没有任何帮助。这就是“连续”和“不连续”之间的区别,在连续的情况里只有总量值得关心,而在不连续的情况下不仅总量重要,每个个体都很重要。
好了,我们回到刚刚提出的问题。假如坑深10米,我们从上面扔下了总长为100米的梯子,小人能爬出坑来吗?不知道“连续”与“不连续”区别的人,可能会觉得100米的梯子比10米深的坑长那么多,应该够小人爬上来了。但是刚刚了解了“连续”与“不连续”区别的你,一定会发觉这个问题是一个陷阱!这个问题只告诉了我们梯子的总长度,但是没有告诉我们每架梯子的长度。事实也是如此,小人能不能爬上来重点不在于这些梯子加起来总共有多长,而在于每一架梯子有多长。如果是一架梯子,长100米,那么小人可以爬出来。如果是两架梯子,每架长50米,那么小人也可以爬出来。如果是十架梯子,每架长10米,小人也恰好能爬出来。但是如果单个梯子的长度再短就不行了。假如扔下来二十架梯子,每架长5米,小人只能靠梯子爬上5米的高度。而两架梯子之间又不能接起来,余下来的5米小人无论如何也不能上去。这种情况下,即使扔下梯子的总长再长,有300米、400米,小人也只能把一架架5米的梯子靠墙排成一列,对爬出深坑没有丝毫帮助。但如果能扔下来10米的梯子,只需要一架,小人就能逃出生天。
然后我们再考虑另外一个问题,如果小人能爬上来,他爬上来的时间和梯子的长度有关系吗?小人能爬上来说明小人用的梯子长度一定不小于10米,那么,小人爬出坑之后一定不会继续爬到梯子顶端再跳下来,小人实际过程中爬行长度一定为10米,更长的梯子不会让小人爬得更快或者更慢。只要小人能够爬出来,他爬出来所需要的时间就一定是固定的。
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