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第15部分

了導致量子假說的一個步驟,給人以極深刻的印象”(玻恩1948,171)。

愛因斯坦在開創相對論革命的年代裡,還對量子論做出了根本性的貢獻,這充分說明了愛因斯坦的偉大之處。在1904年一篇關於統計物理學的論文中,愛因斯坦首次提到量子論。1906年,他再次以統計力學為主題進行了研究,建立了今天所謂的“固態量子論”。更為重要的是,正是他在1905年3月撰寫的論文標誌從普朗克潛在的革命思想到真正的科學革命的轉變,儘管還只是處在理論革命階段。1905年論文包含兩個根本性的假設:一個是,當光或“純”輻射在空間傳播過程中,它被構想成由分立的和單個的粒子或小球(量子)組成;另一個是,物質在輻射或吸收光(或任何形式的電磁輻射)的過程中,也是以同樣的量子形式進行的。這些假說不僅同普朗克1900年的假說相去甚遠,構成一場徹底的轉變,而且也與當時普遍接受的物理學理論有著根本性的衝突。佩斯(同上)認為,這項工作已成為“愛因斯坦對物理學最具革命性的貢獻”;它“推翻了關於光和物質相互作用的全部現存觀念”。我們已經看到,愛因斯坦本人特別把他的這項發現描述成“革命的”。

愛因斯坦1905年3月的論文題為“關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點”。“heuristic”一詞在物理學中很少使用,它主要是在哲學和教育學中使用,意思是某種假定(或說法)對發現和解釋有一定的幫助,但不必把它當真。按理說,愛因斯坦應該在1907年那篇相對論的論文和《狹義和廣義相對論淺說》(1917,英譯本1920)中再次使用這個詞彙,但他沒有這樣做。他之所以在論述光學的論文中引進這個詞,原因是他提出了一個可能並不存在的粒子性概念解釋光的大部分已知現象。光的波動學說是19世紀物理學取得的最偉大的成就之一,並且被光的干涉實驗所證實。克萊因援引別人的話說,愛因斯坦(克萊因1975,118)顯然是在提議“物理學家們放棄光的電磁波理論”,而這是“麥克斯韋的電磁場理論和全部19世紀物理學取得的最偉大的勝利”,除此之外,愛因斯坦的假說沒有任何實際意義。因此,愛因斯坦提出的只是臨時性的假說。

描述一種波動所用的基本參量是速度、波長和頻率。在愛因斯坦粒子假說的能量子hv概念中,頻率v 常常透過波動方程匯出,而其中波長引數則運用“干涉”技術測定。但在光量子概念中,對於波動理論極其重要的參量波長對於粒子或光量子卻沒有明顯的物理意義。連續的或波動的特性與分立的或粒子的特性之間的對立是如此明顯,以至於愛因斯坦不得不在他的論文中寫上這樣的話:“假設我們的見解是符合實際的”。普朗克始終認為,光和其它形式電磁輻射是由波動構成的;因而是無限可分的:分立的能量元或量子只是連續波與物質化互作用產生的一種效應,例如在光的吸收扣輻射過程中所表現出的,但卻不是光波的基本特徵。其他物理學家也長期持這種看法。按照愛因斯坦1905年的假設,光本身正是由分立元或量子構成的,也就是說,光(和任何形式的電磁輻射)必定具有一種“細胞”狀的結構。在愛因斯坦的概念中,量子是光本身的基個特徵,而不是以在光和物質相互作用過程中才表現出來。儘管科學家和科學史家今大一般都稱“愛因斯坦的光量子理論”。但光子的概念是很晚才建立的,而且它另外還有動量的性質。而且,愛因斯坦直到臨終以前(如在去世前一週的一次採訪中)仍然堅持說,它“不是一個理論”,因為它不能為光學現象提供個圓滿的解釋。

儘管愛因斯坦的論文是假說性的,啟發性的,不完整的和理論上的,但其中確實有一節是極為重要的、確定的,可以透過直接實驗加以驗證。這部分是愛因斯坦對光電效應的討論光電效應現象是赫茲於1887年發現的.它的許多特性是P.勒納德於1902年觀察到的。在光電效應現象中,入射光照在金屬表面上會引發電子輻射。實驗表明、入射光必須超過某個頻率以後,才能打出電子;實驗還表明,不同金屬的“臨界”頻率是不同的。愛因斯坦指出,假設光是由分立的量子構成,那麼“最簡單的設想是”,一個“光量子把它的全部能量給予了單個電子”。如果光(或輻射〕是單色的,頻多為v ,則每個光量子的能量為hv。這個能量要做兩件事:克服金屬對電子的束縛力而作“功”(P);給輻射電子一定的功能(E);電子離開金屬表面時擁有的能量用公式表示就是:

E+P=hv