1905年3月18日
从光量子假说到光子
1905年3月18日，爱因斯坦完成了一篇题为“关于光的产生和转化的一个启发性观点”的论文（图1），其中提出了光量子假说。这一假设与4年多以前普朗克所提出的能量子假说异曲同工，都具有划时代的意义（参见本书1月14日“1901年量子论的诞生——普朗克”）。
图1
光量子的提出，直接挑战了以连续辐射为基础的经典电磁理论，在缺乏足够事实的情况下，其创新与大胆是惊人的。它不仅把普朗克的量子论大大地向前推进了一步，还以此为基础建立了玻色-爱因斯坦统计，在量子力学形成过程中起到了承前启后的重要作用，光量子说成为物理学通向量子理论的前奏。
在这篇论文的一开始，爱因斯坦就明确提出，尽管麦克斯韦电磁理论在描述光学现象上是非常卓越的，但是，这个理论只是相对光学现象的时间平均值而不是对瞬时效果而言的，它只能解释光的反射、折射、衍射和色散等现象，但对于光的辐射和吸收，这一理论与实验现象将出现矛盾。爱因斯坦认为，事实上，不仅像普朗克所说，光在辐射和吸收上呈现量子化，就是在传播时也是不连续的。他把这种不连续的能量起名为“光量子”。为了论证光量子假说，他摆脱人们常用的“能量守恒”套路，试探着应用光量子观念解释光电效应。
1900年德国实验物理学家菲利普·勒纳德在做电子管实验时把一束光入射到金属板上，发现金属板上有电子发射出来，这就是“光电效应”。当他用能量守恒解释这一效应的规律时，却遭遇了困难。按说，入射光的能量越大，发射电子束的能量应该越强，但实验却发现，发射电子的能量与入射的光强并没有直接的关系。尽管人们后来也提出了一些模型来解释，但总不成功，成为一个谜团遗留了下来。
对光电效应，爱因斯坦给出了一个非常具有关键性的新图像，这就是入射光并不是连续的，光交付给电子能量也不是连续的，而是一次性地，以一个个光子，即光量子独立完成的，在交付过程中，与其他光量子的行为无关。
为了进一步证明这个想法，爱因斯坦提出了一个简单的方程，E=hv–P，其中E是从金属板逸出时电子的能量，hv是入射光量子的能量，P是电子从金属表面逸出时所要消耗的能量。这是一个光量子在一次性能量交付时的能量守恒公式。利用这个方程，可以同时得出新的预言，即光量子的入射能量与频率成线性关系，它们之间的比值就是普适常量h。爱因斯坦这个方程还揭示了光电效应的又一个奇特性质，即如果入射光的频率v不够大，使光量子的能量hv低于P值，即使入射光的强度再大，也不能把电子从金属板上打出来；反之，即使入射光很弱，如果光量子的能量hv足够大，也有光电效应发生，这就是为什么发射的电子能量与光强无关的原因，由此也解释了光电效应所留下未解的疑团。图2是1905年提出光量子假设时的爱因斯坦。
图2
爱因斯坦的这个想法非常奇特，它与人们日常的经验相悖，光传递给物质能量，怎么能像粒子的碰撞那样进行呢？然而爱因斯坦的这个假设非常奏效，它不仅解释了光电效应中逸出的电子能量与光强无关的疑难，居然还不与能量守恒相悖。
爱因斯坦的光量子说一经提出，就遭到了物理界的普遍反对，令人奇怪的是，居然也遭到了另一位量子论的奠基者——普朗克的反对。普朗克认为勒纳德的实验精度不高，尚不足以证实这一假说。爱因斯坦又足足地等待了10年，他对光电效应的预言才得到了验证，尽管如此，光量子也并没有被普遍的接受。直到1916年，密立根以汞的一组谱线为源，以各种碱金属为靶，做了一系列光电效应的实验，非常漂亮地证实了爱因斯坦方程，还首次利用爱因斯坦的光电效应公式精确地测定了普朗克常量。
普朗克的辐射量子论与爱因斯坦的光量子假说都冲破了传统的经典连续观念的枷锁，给物理学带来了革命的契机，是20世纪近现代物理学“黄金时代”到来的曙光，也是量子物理的两块基石。但是为什么爱因斯坦的光量子说却遭到了物理界甚至普朗克的反对呢？仔细加以对比，可以看出两种量子论的区别。首先普朗克是针对发光物质提出的，所提出的量子化过程仅限于发光物质，即构成物质的振子，并没有涉及辐射场的量子化，在解释物质与辐射的相互作用时，也没有量子化的突破；相反，爱因斯坦的光量子假说揭示了隐藏在自然现象下光的本质，还大胆地提出场的量子化，对人们已经很熟知的麦克斯韦电磁场理论进行了量子化的突破。
爱因斯坦的光量子思想是超前的，但他很谨慎。1911年第一届索尔维大会上，爱因斯坦说：“我坚持认为，这个概念（光量子）具有暂时性特征，因为它与实验验证过的波动理论不相协调。”虽然他这样说，并不意味着他在向经典理论妥协，而是因为光的波粒二象性还没有建立一个完整的原理性的理论。大约从1920年开始，他一直在搜寻着这一理论，直到生命结束，这也许是他后来对量子力学总持有怀疑态度的一个潜在因素。
1917年，爱因斯坦再度回到了黑体辐射问题，他一连发了3篇论文，以辐射与物质相互作用的量子假设为基础，讨论了原子的自发与受激辐射几率，并用另一种方式推导出了普朗克辐射定律，从中得出了能级跃迁时光量子的辐射规律，即Em–En=hv。这一结果，不仅在普朗克黑体辐射理论与玻尔能级跃迁理论之间建起了一座桥梁，更重要的是，他从中提出，光量子所携带的动量大小是hv/c。如果说，在1905年的光量子仅仅是一个满足于E=hv的一个能量子，到了1917年，爱因斯坦的光量子概念已经正式发展为一个具有整份能量、整份动量的物质粒子，这一转化具有极为特殊的意义。特别是1923年，康普顿效应证实了光的波粒二象性之后，光子更作为物质的一种粒子得到了实验验证。在1926年“光子”一词首先在伯克利物理化学家刘易斯的一篇论文“光子的守恒”中正式现身。
1923年9月，著名法国物理学家德布罗意（图3）宣布了一个划时代的构想，他认为波粒二象性不仅适用于辐射，也适用于一切物质粒子。德布罗意说：“我独自冥想很久以后，突然产生一个念头，爱因斯坦1905年的发现应该普遍推广到所有物质粒子，特别是E=hv，这不仅应该对光子成立，也应该对电子成立。”德布罗意与爱因斯坦两人所做的假设交相辉映，正如爱因斯坦所说，它们是“投向物理学的一丝曙光”，如今，这丝曙光已如日中天，它们改变了人类对自然界和物质的认识，也成为科学进展中的一个重要的基础性概念。
图3
由于光量子的假说提出，爱因斯坦获得了1921年度的诺贝尔物理学奖。
关键词：艾尔伯特·爱因斯坦，光量子，光子，Albert Einstein，light quanta，photons
图1：http://blog.sina.com.cn/s/blog_606aba7d0100nvit.html
图2：http://whyfiles.org/2011/the-importance-of-being-einstein/