如果說(shuō)普朗克第一次引入了量子這個(gè)概念，那么，愛(ài)因斯坦將普朗克的發(fā)現(xiàn)做了具體的呈現(xiàn)。

愛(ài)因斯坦做了什么呢？我們先回顧一下普朗克做了什么。普朗克為了使光在給定溫度下的能量不至于變成無(wú)限大，假設(shè)了光的最小能量單元，即量子，光的最小能量與其頻率成正比，系數(shù)叫作普朗克常數(shù)。

但是，普朗克并不知道量子是不是一個(gè)物理單元，也就是說(shuō)，他不知道是否存在一個(gè)實(shí)體，其攜帶的能量就是這個(gè)最小單元。實(shí)現(xiàn)這個(gè)跨越的是愛(ài)因斯坦，這個(gè)發(fā)現(xiàn)比普朗克引入量子這個(gè)概念晚了5年。

愛(ài)因斯坦說(shuō)，其實(shí)，量子不是別的，就是光子，光子是一個(gè)實(shí)體，就像原子、電子一樣。可以說(shuō)，光子就是光的原子，一束光，如果是單色的，其頻率是固定的，那么這束光就是由同樣的光子組成的，它們攜帶的能量一樣大。如果光束由不同頻率的光組成，那么這束光里就有不同的光子。

愛(ài)因斯坦還更進(jìn)了一步，認(rèn)為每一個(gè)光子不僅有固定的能量，還有固定的動(dòng)量，這樣光子與粒子就更像了。

1905年，原本默默無(wú)聞地做著物理學(xué)研究的愛(ài)因斯坦，一年之內(nèi)就提出了3個(gè)震驚世界的重大發(fā)現(xiàn)，分別是狹義相對(duì)論、布朗運(yùn)動(dòng)和光電效應(yīng)。由于愛(ài)因斯坦的驚人表現(xiàn)，后世的人們把1905年稱為“物理學(xué)奇跡年”。其中，光電效應(yīng)就與光子有關(guān)。

在愛(ài)因斯坦的三大發(fā)現(xiàn)中，光子概念的提出，是人類在理解量子世界的道路上邁出的第二步。愛(ài)因斯坦也因此獲得了1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

你也許會(huì)說(shuō)，牛頓不是早在幾百年前就提出了光的微粒說(shuō)了嗎？愛(ài)因斯坦提出的光子的概念和牛頓的理論有什么區(qū)別呢？

其中有一個(gè)最重要的區(qū)別在于，在牛頓的概念里面還沒(méi)有基本粒子。牛頓只是說(shuō)，在光里面有單個(gè)的粒子，光是由單個(gè)粒子組成的，這樣就能解釋為什么光在空氣里面走的是直線。但是牛頓沒(méi)有把光的粒子和能量結(jié)合起來(lái)。把光的粒子和能量結(jié)合在一起的第一個(gè)人，是愛(ài)因斯坦。

在普朗克提出量子概念5年之后，愛(ài)因斯坦在1905年3月發(fā)表的一篇論文里指出：這些量子其實(shí)是真實(shí)存在的，而不是假想中的一份一份的能量。這些量子有實(shí)體的能量，它們就是我們今天十分熟悉的光子。組成光的這些光子，從根本上來(lái)講非常類似于物質(zhì)里面的分子和原子。這就是愛(ài)因斯坦的概念與普朗克的概念之間的區(qū)別，以及愛(ài)因斯坦的概念和牛頓的“光的微粒說(shuō)”之間的區(qū)別。

為什么愛(ài)因斯坦提出的狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論都沒(méi)有獲得諾貝爾獎(jiǎng)，卻因?yàn)檫@樣一個(gè)理論獲獎(jiǎng)了呢？因?yàn)閻?ài)因斯坦和普朗克的區(qū)別在于他解釋了另外一個(gè)實(shí)驗(yàn)。普朗克的理論能夠做到的是，給定范圍的光里面有多少能量，太陽(yáng)每秒鐘輻射多少能量，這些都可以用普朗克公式計(jì)算出來(lái)。但是普朗克沒(méi)有涉及另外一個(gè)實(shí)驗(yàn)，就是我們所說(shuō)的光電效應(yīng)。

那么，什么是光電效應(yīng)？

物理學(xué)家在做實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象：用光照射金屬就可以從其內(nèi)部打出電子。這并不奇怪。光可以把自身的能量傳遞給電子，使它獲得足夠的能量從而逃脫金屬原子對(duì)它的束縛。但奇怪的是，這種現(xiàn)象依賴于光的頻率。在一定頻率之上的光，只要一照就可以從金屬中打出電子；而在此頻率之下的光，無(wú)論照多長(zhǎng)時(shí)間也無(wú)法把電子打出來(lái)。這就很難理解了。因?yàn)樵诮?jīng)典力學(xué)中，能量是連續(xù)的。打個(gè)比方，要把一個(gè)大水缸里裝滿水，按理說(shuō)，你用大臉盆一盆一盆地往里倒水，可以把水缸裝滿；你用小水杯一杯一杯地往里倒水，也可以把水缸裝滿。但現(xiàn)在，光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)告訴我們，用大臉盆可以把水缸裝滿，用小水杯就不能把水缸裝滿了。

這是怎么回事？

愛(ài)因斯坦說(shuō)，這是由于光本身并不連續(xù)，它是由一個(gè)個(gè)叫光子的微粒組成的。光子的能量取決于光的頻率，頻率越高，光子的能量就越大。

為什么用光子能解釋光電效應(yīng)？

很簡(jiǎn)單。如果一個(gè)光子的能量比較大，它傳遞給電子的能量也比較大，只要這個(gè)能量大到讓電子足以掙脫金屬原子的束縛，電子就會(huì)立刻從金屬里跑出來(lái)。但如果光子的能量比較小，它傳遞給電子的能量也比較小，要是這個(gè)能量一直小于電子逃出去所需要的最低能量，電子就會(huì)一直被束縛在金屬內(nèi)部。

光電效應(yīng)

愛(ài)因斯坦提出的這個(gè)概念很好地解釋了光電效應(yīng)，而且不僅解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，還可以用來(lái)計(jì)算。比如，我們現(xiàn)在就可以計(jì)算出要打出一束光所使用的電流大小。

在大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里就可以做這個(gè)實(shí)驗(yàn)：用一束電筒光照射到金屬板上，金屬板上不會(huì)發(fā)射出電子。原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)殡娡舶l(fā)出來(lái)的主要是可見(jiàn)光，而可見(jiàn)光的頻率不夠高。如果我們用一束紫外光來(lái)照射金屬板，就可以把電子打出來(lái)。因此，愛(ài)因斯坦在光量子理論中最大的成功之處就在于，他提出了光電效應(yīng)。光電效應(yīng)在日常生活中的很多地方都可以用到，例如光鼠標(biāo)、光敏電阻、光電二極管、光電三極管。

光子概念的提出，讓量子論有了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

愛(ài)因斯坦在1905年5月發(fā)表的另一篇重要論文與狹義相對(duì)論有關(guān)，發(fā)表的時(shí)間要比有關(guān)光量子的論文晚兩個(gè)月。

關(guān)于愛(ài)因斯坦其人，我們聽(tīng)說(shuō)過(guò)很多關(guān)于他的故事。比如，他在16歲的時(shí)候就開(kāi)始想象，如果跟著光跑會(huì)看到什么現(xiàn)象。正是這個(gè)想象，促使他提出了狹義相對(duì)論。但是他提出光量子的概念確實(shí)沒(méi)有任何故事。畢竟在1895年，普朗克還沒(méi)有提出量子的概念，這時(shí)在愛(ài)因斯坦的頭腦中也沒(méi)有產(chǎn)生光子的概念。

我前面說(shuō)過(guò)，愛(ài)因斯坦的光子概念的想法很“革命”。為什么說(shuō)愛(ài)因斯坦的想法很“革命”呢？因?yàn)檫@個(gè)概念連普朗克本人都不能接受。比如，在推薦愛(ài)因斯坦擔(dān)任普魯士科學(xué)院會(huì)員的時(shí)候，普朗克在推薦信中寫(xiě)道：“即使像愛(ài)因斯坦這樣的人，也會(huì)犯錯(cuò)，例如，他提出了光子的概念?！?/p>

我曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，人類歷史上有兩個(gè)最著名的物理學(xué)家，一個(gè)是牛頓，另一個(gè)就是愛(ài)因斯坦。類似于牛頓的人生經(jīng)歷，愛(ài)因斯坦的早年生活也是挺不順的。他出生在德國(guó)的一個(gè)猶太家庭，為了避免在德國(guó)軍隊(duì)里服役，愛(ài)因斯坦跑到瑞士去考大學(xué)。結(jié)果第一年高考時(shí)他落榜了，到第二年才考上蘇黎世理工學(xué)院。愛(ài)因斯坦是一個(gè)恃才傲物的人，他在大學(xué)期間經(jīng)常不去聽(tīng)課。更糟糕的是，他那時(shí)的大學(xué)課堂不像現(xiàn)在的大學(xué)里講大課那樣，一個(gè)教室里能有幾十甚至上百個(gè)學(xué)生，一個(gè)人不來(lái)上課，老師可能還發(fā)現(xiàn)不了。但在愛(ài)因斯坦上大學(xué)的時(shí)候，一個(gè)教室里只有10個(gè)學(xué)生，一個(gè)人不去上課，老師一抓一個(gè)準(zhǔn)。由于愛(ài)因斯坦經(jīng)常不去上課，他的老師們對(duì)他都很不滿。當(dāng)時(shí)，他們物理系的系主任韋伯，就曾批評(píng)愛(ài)因斯坦不喜歡聽(tīng)從他人的意見(jiàn)。這就導(dǎo)致了一個(gè)很嚴(yán)重的后果，就是當(dāng)愛(ài)因斯坦畢業(yè)的時(shí)候，他沒(méi)能在大學(xué)里找到工作。

在大學(xué)畢業(yè)后的兩年時(shí)間里，愛(ài)因斯坦過(guò)得相當(dāng)艱難，他曾經(jīng)在中學(xué)教過(guò)課，給小孩子做過(guò)家教，甚至還當(dāng)過(guò)一段時(shí)間的無(wú)業(yè)游民。后來(lái)靠著一個(gè)大學(xué)好友的父親幫忙，才在一個(gè)專利局里找到了一份穩(wěn)定的工作。這份工作薪水不高，但是比較有空閑，也正因?yàn)檫@樣，愛(ài)因斯坦才有時(shí)間從事他心愛(ài)的物理學(xué)研究。

幸好有這份清閑的工作，讓愛(ài)因斯坦在做普通職員期間，有了幾個(gè)偉大的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)，其中任何一個(gè)擱在今天，都可以讓一個(gè)物理學(xué)家不朽。