愛因斯坦是迄今為止最偉大的科學家之一。其實,小編覺得完全可以把“之一”去掉。這位科學巨匠所締造的相對論擴展了牛頓的時空觀,將我們的宇宙描述成三維的空間加上一維的時間所構成的四維時空。相對論對時空和物質的詮釋更是堪稱經典——時空告訴物質如何運動,物質告訴時空如何彎曲。
如此出色的理論卻沒有獲得諾貝爾獎。這其中有因為相對論太過超前,當時的技術無法驗證的原因。也有因為諾獎委員會過於保守的原因。還有因為愛因斯坦是猶太人的因素。但是愛因斯坦的聲望與日俱增,若諾獎委員會再不把諾獎頒給愛因斯坦,其權威性將大打折扣。最後,委員會想到一個折中、保險的辦法,就是授予愛因斯坦諾貝爾物理學獎,但隻字不提相對論,而是因為他在1905年提出光量子假説,成功解釋了光電效應。
愛因斯坦僅僅因為光電效應獲得過一次諾獎,這不免讓人為他和他的相對論感到惋惜。
話分兩端,我們看一些荒野求生的影視劇,會有這樣一個現象。主角流落到大洋中的一個荒島上,為了求生,必須先點起一堆篝火。正值晌午,烈日當空。主角找到易燃的柴草,取出放大鏡,讓陽光通過放大鏡(凸透鏡),聚焦成一束擁有高熱的光線,最後照到柴草上,將之引燃。太陽越大,陽光越強,温度提升得就越快。我們就越容易將柴草點燃。
回到我們今天談的光電效應。1887年,赫茲首先發現了光電效應。簡而言之,就是當我們用光去照射金屬板的時候,金屬板上的電子就會被撞飛出去。
這個現象乍一看,和用放大鏡引燃柴草類似,沒什麼怪異之處。可奇就奇在,當實驗人員加強光的強度,按理説撞出來的光電子應該更多。就像我們用放大鏡引燃柴草,陽光越強烈,其熱度越高,柴草就越容易引燃。可光電效應奇了怪了,無論怎樣加強光亮度,從金屬表面飛出的光電子沒有變化。但是當實驗人員換成亮度較弱的紫光燈,撞飛出來的光電子瞬間激增。
許多理論物理學家,提出各種理論來解釋這一奇怪的現象,都沒有成功。其中,普朗克是最為接近真相的。
1900年,普朗克研究黑體輻射發現光的能量並不是連續的,而是一份一份的。他提出量子能量公式E=hv。這個公式十分重要,愛因斯坦根據這一公式邁出了成功解釋光電效應最為關鍵的一步。
E表示光量子具有的能量,h是普朗克常數,v是電磁波(光)的頻率。E=hv,告訴我們,光量子具有的能量大小與光的頻率是密切相關的,而與光的亮度無關。紫外線的頻率高於我們的可見光,所以它攜帶的能量較大,擁有了更大的能量,衝撞力就更猛。當然撞出來的光電子就更多。
在電磁波中,X射線、γ射線的頻率比紫外線還要高。顯而易見,它們的光電效應會更加強烈。而我們前文提到的利用放大鏡引燃柴草是屬於光熱效應。這兩者看似相似,卻有着本質的不同。
1905年,愛因斯坦發表了論文《關於光的產生和轉化的一個試探性觀點》,提出光量子假説,不僅成功解釋了光電效應,還撞開了量子世界的大門。雖然愛因斯坦後來一直質疑量子力學的完備性,但他確實是這一學科的開創者之一。
光電效應在我們現實生活中的應用也非常廣泛,利用光電效應制成的光控制電器,可用於自動計數、自動報警等。電視攝像管、光電管、電光度計乃至農業病蟲害防治都離不開光電效應。
雖然愛因斯坦解釋了光電效應的光量子假説沒有相對論出色,但是也絕對配得上諾貝爾獎的光環,同時也是這位科學巨匠留給人類的寶貴財富。