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第164夜 量子理论之天才想象(第2/6页)

    分配的,也就是一小包一小包的能量。他假定每包能量的大小取决于电磁波的频率(也就是颜色),对于频率为ν的波,每个量子或者说每个波包的能量为:

    E=hν这个公式就是量子力学的起点;h是个新的常数,今天我们称之为普朗克常数,它决定了频率为ν的辐射每包有多少能量。常数h决定了一切量子现象的尺度。能量是一包一包的这一观点与当时人们的认知截然不同,人们认为能量会以连续的方式变化,把能量看作一份一份的毫无道理。

    例如,钟摆的能量决定了它摆动的幅度,钟摆只以特定的振幅振动而不以其他振幅振动,这看起来毫无理由。对马克思·普朗克来说,把能量看作有限大小的波包只是个奇怪的技巧,碰巧对计算有用——也就是可以重现实验室的测量结果——至于原因他却完全不明所以。

    五年以后是阿尔伯特·爱因斯坦——又是他——理解了普朗克的能量包实际上真的存在。这是他在1905年寄给《物理学年鉴》的三篇文章中第三篇的主题,这是量子理论真正的诞生之日。在这篇文章中,爱因斯坦论证说光确实是由小的颗粒,即光的粒子组成的。他考察了一个已经被观测过的现象:光电效应。有些物质在被光照射时会产生微弱的电流,也就是说,有光照射时它们会发射出电子。

    例如,如今我们会在门上的光电感应器中用到这些物质,我们靠近时,传感器会检测是否有光。这并不奇怪,因为光具有能量(比如它会让我们感到温暖),它的能量使电子从原子里“跳出去”,是它推了电子一把。但有一点很奇怪:如果光的强度很小,也就是光很微弱,那么现象不会发生;如果光的强度够大,也就是光很亮,那么现象就会出现。这听起来合情合理吧?可事实并非如此。

    观测结果是,只有当光的频率很高时,现象才会出现,如果频率很低就不会。也就是说,现象是否发生取决于光的颜色(频率)而非其强度(能量)。用通常的物理学无法解释这一点。

    爱因斯坦使用了普朗克的能量包的概念,其中能量大小取决于频率,他还意识到如果这些能量包真实存在,就可以对现象做出解释。其中的原因不难理解。想象光以能量微粒的形式出现,如果击中电子的单一微粒具有很大能量,电子就会被推出原子。根据普朗克的假说,如果每个微粒的能量由频率决定,那么只有频率足够高时现象才会出现,也就是说,需要单个微粒的能量足够大,而不是总能量。

    就像下冰雹的时候,你的车是否会被砸出凹痕不取决于冰雹的总量,而是由单个冰雹的大小决定的。也许会有很多冰雹,但如果所有冰雹都很小,也不会对车造成什么损坏。同样,即使光很强——实际上是有很多光包——可是单个光微粒太小,也就是光的频率太低的话,电子也不会从原子中被激发出来。这就解释了为何是颜色而非强度决定了光电效应是否会发生。经过这样的简单推理,爱因斯坦赢得了诺贝尔奖。

    只要有人想通了这点,其他人再理解起来就不难了,难的是第一个想通这点的人。今天我们把这些能量包称为“光子”,得名于光的希腊文φωζ。光子是光的微粒,光的量子。爱因斯坦在文章中写道:在我看来,如果我们假设光的能量在空间中的分布是不连续的
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