狭义与广义相对论浅说-第21部分
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谠缧┦焙蛟吹溃傲孔永砺劭梢宰匪莸�1900）年，那一年，普朗克宣布了他的能量子或量子这一革命性概念”（196，l）。他宣称，这件大事“对科学的发展是决定性的”，因此，“它通常被视为经典物理学和现代或量子物理学的分水岭”。但玻恩（1948，169；171）提醒我们说，不要轻率地接受所谓“普遍承认”的观点，即“普朗克做出伟大发现的1900年，标志着物理学新纪元的真正到来”，因为“在新世纪的最初几年，几乎什么事情也没有发生过”。玻恩又说，“当时正是我作学生的时候，我记得在课堂上很少提及普朗克的观点。即使偶尔提到了，也是作为一个理所当然应当被抛弃的‘昙花一现的假说’。”玻恩特别强调爱因斯坦的两篇论文（分别写于1905和1907）的重要性。可是，尽管玻恩宣称1900年后“普朗克已转入别的研究领域”，但他“绝没有忘掉他的量子”。1906年普朗克所写的一篇关于热辐射的论文表现了这一点，这篇论文“巧妙地展示了导致量子假说的一个步骤，给人以极深刻的印象”（玻恩1948，171）。
爱因斯坦在开创相对论革命的年代里，还对量子论做出了根本性的贡献，这充分说明了爱因斯坦的伟大之处。在1904年一篇关于统计物理学的论文中，爱因斯坦首次提到量子论。1906年，他再次以统计力学为主题进行了研究，建立了今天所谓的“固态量子论”。更为重要的是，正是他在1905年3月撰写的论文标志从普朗克潜在的革命思想到真正的科学革命的转变，尽管还只是处在理论革命阶段。1905年论文包含两个根本性的假设：一个是，当光或“纯”辐射在空间传播过程中，它被构想成由分立的和单个的粒子或小球（量子）组成；另一个是，物质在辐射或吸收光（或任何形式的电磁辐射）的过程中，也是以同样的量子形式进行的。这些假说不仅同普朗克1900年的假说相去甚远，构成一场彻底的转变，而且也与当时普遍接受的物理学理论有着根本性的冲突。佩斯（同上）认为，这项工作已成为“爱因斯坦对物理学最具革命性的贡献”；它“推翻了关于光和物质相互作用的全部现存观念”。我们已经看到，爱因斯坦本人特别把他的这项发现描述成“革命的”。
爱因斯坦1905年3月的论文题为“关于光的产生和转化的一个启发性观点”。“heuristic”一词在物理学中很少使用，它主要是在哲学和教育学中使用，意思是某种假定（或说法）对发现和解释有一定的帮助，但不必把它当真。按理说，爱因斯坦应该在1907年那篇相对论的论文和《狭义和广义相对论浅说》（1917，英译本1920）中再次使用这个词汇，但他没有这样做。他之所以在论述光学的论文中引进这个词，原因是他提出了一个可能并不存在的粒子性概念解释光的大部分已知现象。光的波动学说是19世纪物理学取得的最伟大的成就之一，并且被光的干涉实验所证实。克莱因援引别人的话说，爱因斯坦（克莱因1975，118）显然是在提议“物理学家们放弃光的电磁波理论”，而这是“麦克斯韦的电磁场理论和全部19世纪物理学取得的最伟大的胜利”，除此之外，爱因斯坦的假说没有任何实际意义。因此，爱因斯坦提出的只是临时性的假说。
描述一种波动所用的基本参量是速度、波长和频率。在爱因斯坦粒子假说的能量子hv概念中，频率v 常常通过波动方程导出，而其中波长参数则运用“干涉”技术测定。但在光量子概念中，对于波动理论极其重要的参量波长对于粒子或光量子却没有明显的物理意义。连续的或波动的特性与分立的或粒子的特性之间的对立是如此明显，以至于爱因斯坦不得不在他的论文中写上这样的话：“假设我们的见解是符合实际的”。普朗克始终认为，光和其它形式电磁辐射是由波动构成的；因而是无限可分的：分立的能量元或量子只是连续波与物质化互作用产生的一种效应，例如在光的吸收扣辐射过程中所表现出的，但却不是光波的基本特征。其他物理学家也长期持这种看法。按照爱因斯坦1905年的假设，光本身正是由分立元或量子构成的，也就是说，光（和任何形式的电磁辐射）必定具有一种“细胞”状的结构。在爱因斯坦的概念中，量子是光本身的基个特征，而不是以在光和物质相互作用过程中才表现出来。尽管科学家和科学史家今大一般都称“爱因斯坦的光量子理论”。但光子的概念是很晚才建立的，而且它另外还有动量的性质。而且，爱因斯坦直到临终以前（如在去世前一周的一次采访中）仍然坚持说，它“不是一个理论”，因为它不能为光学现象提供个圆满的解释。
尽管爱因斯坦的论文是假说性的，启发性的，不完整的和理论上的，但其中确实有一节是极为重要的、确定的，可以通过直接实验加以验证。这部分是爱因斯坦对光电效应的讨论光电效应现象是赫兹于1887年发现的．它的许多特性是P．勒纳德于1902年观察到的。在光电效应现象中，入射光照在金属表面上会引发电子辐射。实验表明、入射光必须超过某个频率以后，才能打出电子；实验还表明，不同金属的“临界”频率是不同的。爱因斯坦指出，假设光是由分立的量子构成，那么“最简单的设想是”，一个“光量子把它的全部能量给予了单个电子”。如果光（或辐射〕是单色的，频多为v ，则每个光量子的能量为hv。这个能量要做两件事：克服金属对电子的束缚力而作“功”（P）；给辐射电子一定的功能（E）；电子离开金属表面时拥有的能量用公式表示就是：
E＋P＝hv
或
E＝hv－P．
爱因斯坦公式解释了光电效应的一些规律。一个规律是，辐射电子的动能E与光的亮度或强度无关，而只取决于它的频率。（爱因斯坦的解释是，光强是光子数目的量度，表明辐射电子的数目，而非能量）。公式还揭示了辐射电子的能量E与入射光频率v 之间的定量关系。另一个规律是，每一种金属在光电辐射过程中，都有一个确定的最小频率。爱因斯坦公式对此的解释是：光电效应只有当频率足够大，使得hv 大于P时才会发生。
爱因斯坦的公式还预言：E直接根据v 的变化而变化；如果根据实验给出动能与频率的关系图，那么直线的斜率就是普朗克常数h。不久后，J、J．汤姆森的学生A．L．休斯以及其他一些人各自进行了验证性实验，结果证明了爱因斯坦公式的正确性。但真正的判决性的实验是R。A．密立根做出的；这些实验不仅确证了爱因斯坦公式，而且得到了一个新的，很精确的普朗克常数h（见惠顿1983）。
密立根关于这些实验的论文（1916）是相当奇特的。尽管他承认“在每一个场合”，爱因斯坦的“光电效应公式”均能够“精确地预言实验的观测结果”，但他又称，爱因斯坦赖以推导出这个公式的“半微粒理论，目前似乎完全站不住脚”。他在当年又一次重复了他的立场，指出爱因斯坦的“电磁光细胞假说”是“大胆的”，实际上“也是粗糙的”。在《论电子》（1917）一书中，密立根写道，爱因斯坦公式是“一个和支持他的假说一样大胆的预言”，但爱因斯坦这个激进的预言完全没有“逻辑基础”。密立根说，结果发现“爱因斯坦的这个公式”竟然能够‘精确地预言”密立根和其他人“通过实验获得的事实”，这是多么令人惊奇！在他的书里，严然是一个革命的敌人的密立根，并没有实事求是地告诉他的读者，他本人进行这些实验的目的是推翻爱因斯坦公式，也包括公式赖以建立的光量子假说。1949年，密立根承认在他的一生中曾花了十年时间“检验爱因斯坦1905年的公式”。他写道，“结果和我所有的预期相反，在1915年我不得不宣布它无异议地被实验证实，尽管它似乎不合常理。”
密立根（1948，344）清楚地表达了他反对爱因斯坦光量子概念的理由：它们“似乎完全违背了我们关于光的干涉现象的全部知识”，以及波动理论的实验基础。1911年；爱因斯坦本人感到，他必须公开“声明光量子概念的权宜性特征”，因为它“似乎无法与已经得到完全证实的波动理论协调一致”。佩斯发现，爱因斯坦的谨慎“几乎被误解为他的犹豫不决”，这一事实可以解释许多令人不解的现象。例如，爱因斯坦的拥护者冯·劳厄1907年在写给爱因斯坦的信中说，他听说爱因斯坦“放弃了他的光量子假说”后很高兴。冯·劳厄并非唯一产生误解的人。1912年索末菲说，爱因斯坦不再坚持“他（1905）提出的大胆的观点了”。而密立根在1913年宣称，“我相信”爱因斯坦“大约在两年前，…已放弃了”他的光量子概念。1916年，密立根又一次宣称，尽管实验证实了爱因斯坦公式，但它所依据的“物理学理论”被证明是“完全站不住脚的，因此我相信，爱因斯坦本人也不再坚持它了”。但深入研究过爱因斯坦论文和信件的佩斯指出，“没有任何证据表明他在某个时候放弃过他的1905年所做的任何宣言”。R．斯图威尔（1975，75－77）于1975年以令人信服的证据宣布，爱因斯坦从未对他的光量子假说有过任何动摇，事实上，他本人对此“越来越深信不疑”。
直至1918年，卢瑟福（见佩斯1982，386）还说，“能量与频率之间的这种明显联系，物理学至今还不能做出解释。”佩斯在研究这段插曲时指出，“甚至在光电效应预言被证实和接受之后，除了爱因斯坦本人外，几乎没有任何人在光量子方面做过任何工作”。作为证据，佩斯引证了1922年爱因斯坦获诺贝尔奖金时的贺词。爱因斯坦不是因为他的相对论，也不是他的光量子理论，而是“因对理论物理学所做的贡献，特别是因发现了光电效应定律而获奖。”因此，我们只能得出这样的结论，爱因斯坦的革命性贡献当时只是停留在理论革命阶段，并未得到实际上的支持。
密立根企图否定爱因斯坦新观念这件事，不能简单地以此认为当时的物理学界普遍存在着反对爱因斯坦开创性观点的潮流。对爱因斯坦理论观点的一般态度是不予理睬，而不是积极论战。作为一个真正伟大的科学家，密立根确实是一个例外。1913年，一份推荐爱因斯坦当选普鲁士科学院院土的正式文件，反映了当时物理学界的一般态度。在这份文件上签名的是四位伟大的科学家和爱因斯坦的支持者，他们是M．普朗克，W．能斯特，H．鲁本斯，和E．华伯。这份发表于1962年文件（见佩斯1982，382）高度评价了爱因斯坦的杰出贡献，它甚至宣称：“在大大丰富现代物理学的每一个重大研究领域中，爱因斯坦几乎对每一个重大问题都做出了杰出贡献。”然后，他们感到应该原谅爱因斯坦“有时……也会在他的思索中失去目标”，例如“他的光量子假说”，在谈到原谅这一过失时，他们补充说：“即使在最精密的科学中，没有一点冒险精神，也是不可能引进全新的思想的。”即使荷马也有弄错的时候。
量子论和光谱：玻尔原子模型
前面谈到的并非量子论发展的唯一线索
