这话听起来有点滑稽，是吗？光不是最寻常的东西吗，还用得着麻烦爱因斯坦去发现吗？我们孤独地来到这人世间，第一眼看到不是光吗？敢情爱因斯坦出世之前，大家都黑暗中摸索呀，这不是胡扯吗？

别着急，您先坐下，消消气，我给您倒杯茶，您是喝普洱还是铁观音？我给你解释一下，咱现在说的不是微观粒子发现史吗，之前咱们是能看到光，别说第一眼看到的是光，没有人类之前，不，没有生命之前，不，没有地球之前都有光了，别说没有宇宙之前，没有宇宙之前没有光，不过那只是看到光，并不代表我们知道光是微观粒子呀，就好像我们上一章说的电子一样，发现电子之前我们也知道电啊，什么头发随着梳子飘动丝绸摩擦过的玻璃棒可以吸引碎小纸屑什么欧姆定律焦耳定律我们都知道啊，法拉第连发电机电动机都造出来了，可是我们也不知道电子是什么呀，所以呢，我没有说错，要是说光是一种微观粒子这还真得麻烦爱因斯坦出来说一下。

既然你都生这么大的气了，我还是说一下光学的历史吧，算是给您赔不是了。

人们对光的认识很早，什么折射定律反射定律了，都早早就知道了，当然了还有墨子的小孔成像，这其实就是光的直线传播，不过这些还都是光学现象的应用，并没有说光到底是什么。

早期对光的本质的认识有两种，一种认为光是一种波，这以惠更斯和胡克为代表，还有一种就是认为光是一种微粒，代表人物就是威名赫赫的牛顿，而光的所有现象折射反射直线传播了，用这两种说法还都能解释，微粒说自然能解释很好理解，其实波动说也可以解释反射折射，想一想回音壁吧，那就是声波的反射，因此波也是可以折射反射的。

其实牛顿当时已经发现了光是波的证据，那就是牛顿环现象，这就是光的干涉现象，这明显说明了光是一种波，可是牛顿却有意无意地忽略了，应该是有意忽略的可能性更大，因为牛顿对牛顿环的应用非常娴熟，还用来精确磨制镜片，这要是说无意有点说不过去。

可为什么牛顿爵爷会有意忽视这个现象呢？因为他讨厌胡克，在牛顿还不是爵爷的时候，胡克作为前辈对少年牛顿百般刁难，后来牛顿崛起，对胡克也是睚眦必报，不但在自己著作中删除了胡克的一切痕迹，连胡克的画像都销毁了，这样的爵爷自然不会支持对手胡克的任何理论，不过爵爷着实让人佩服，拿自己也说不准的理论楞是忽悠了世界二百多年。

爵爷就这么忽悠世界，一直到托马斯杨出世。托马斯杨比爵爷还要传奇，这么说吧，爵爷在江湖上就相当于达摩祖师一般的存在，绝对是武林的泰山北斗，而托马斯杨呢，人家基本上就是《天龙八部》中无崖子一般的人物。

逍遥子是琴棋书画无所不通，这可比黄老邪高明多了，而且武功也极高，托马斯杨也是这么传奇，从小就是别人家的孩子。

托马斯杨两岁识字，四岁通诗书，六岁看圣经，九岁学会微积分，十四岁掌握了十几种外语，这还没什么呢，无崖子不是琴棋书画都懂嘛，托马斯则是精通所有乐器，是所有啊，贵公子普朗克也只是钢琴高手，爱因斯坦的小提琴就别提了，那就是业余水平，这还没完呢，人家还会画画，有点无崖子内味儿了吧。

人家还擅长骑马，这对于无尘子来说倒是没什么，武林高手还不会这个呀，不过对于科学家们来说，就有点难得了，他还有一项绝技，就是走钢丝，这有点过分了啊，就是巨侠郭靖对这个也不在行，无崖子会不会就不好说了。

无崖子表示不服，我还会医术呢，一个不成器的徒孙都江湖号称阎王敌，对，没错，你那叫医术，人家托马斯杨那可是医学，医学和医术肯定要高明点，医术那都是熟练操作工，医学可是未有的，我们近视眼远视眼的原理就是托马斯杨发现的。

这些东西都没用，都是江湖人士嘛，当然要比武功，只是对于托马斯杨来说，武功就是物理学。

于是托马斯·杨就把目光盯上了光学，要想证明光是微粒还是波说起来很简单，只要看看光是不是具有波独有的特征就行了，波独有的特征是什么？就是干涉和衍射，要是证明了光具有干涉或者衍射，就证明了光是一种波，要是证明不了呢，也没有关系呀，那就说明光是一种微粒，这说起来简单，做起来很难，不过难不倒托马斯杨。

托马斯杨设计了著名的双缝干涉实验。这个实验现在已经进入了中学课本，实验设计之精巧堪称物理学上的经典。

在一个点燃的蜡烛前面放一张纸，纸上面有一个针孔，这样就得到了一个点光源A，在点光源前面，在放一张纸，这张纸上面有两道细缝，分别是B和C。依据惠更斯的波动理论，波前的每一点都可以看做是产生球面次波的点波源，如果光是一种波的话，那么在点光源A点发出的波到达B、C两点时，B、C两点就会成为新的点光源，如果纸上面的缝隙足够小的话，就会过滤掉一些长波长的光，只剩下波长相等的光，那么从点光源B和C发出的光就是波长相等的光，那么在这张纸后面的显示屏上就会看到明暗相间的条纹，两个波峰相遇的时候就产生了明亮条纹，波峰和波谷相遇则产生暗条纹，调节纸和显示屏以及双缝之间的距离，还可以改变干涉条纹的疏密。

当然这是建立在光的波动说的基础之上的，如果光不是一种波，而是一种微粒，则显示屏上不会出现明暗相间的条纹。

经过精心的实验，托马斯杨在显示屏上出现了明暗相间的条纹。

杨氏双缝干涉实验

这个实验当年很难，放到现在在家里也可以做。

首先我们需要一个点光源，时代进步了，我们不必用蜡烛了，可以用一支激光笔来代替，不过一定要注意，千万不要把激光笔对准眼睛，那会对眼睛造成严重伤害，接下来再找一张硬纸片，名片或者废弃的火车票都行，在硬纸片上用刀片划出两道缝隙，两道缝隙大约间隔1毫米，然后用激光笔照射硬纸片，在纸片后面大约两米的墙上就会出现明暗相间的条纹。

按理说，做出了这么巨大的贡献，托马斯杨应该获得掌声吧，然后出任CEO，迎娶白富美，走上人生巅峰，可是没有，不是说没有出任CEO迎娶白富美走上人生巅峰，人家托马斯杨本来就是土豪，早就财务自由了，根本就不稀罕这些，我说的是根本就没有掌声。

想想也是，要是无崖子站在少林寺门前说达摩老祖的武功练错了，七十二绝技有1/3都是逗你玩的，人家少林寺玄慈玄悲玄痛玄苦一群玄字辈高僧也不干啊，说不定大小和尚都得跟无崖子拼老命，站人家门口说人家祖宗不行，这不是找死呀。

托马斯杨确实遇到了这种情况，他的论文根本就没有人看，托马斯杨一怒之下，弃武从文，研究古埃及罗塞塔碑文去了，顺便说一句，罗塞塔碑文还真被他破译了，这就好比是抢了个五绝称号，转身又去考了个状元，这就是小李飞刀李探花呀。

看来要想证明光是一种波还得另想办法，比如从少林寺里找一个老和尚最好是方丈级别的来做个实验。

这个和尚还真找着了，这就是泊松，泊松是著名数学家，是牛顿爵爷的绝对粉丝，基本上也算得上少林方丈级别了。

年，又一届武林大会，不对，是法国科学院征文大赛召开了，这一届的题目就是光的衍射，看来微粒说和波动说争来争去这么多年大家都烦死了，干脆来个痛快的吧，到底光是微粒还是波来个痛快的吧。

少年菲涅尔认为光是一种波，早早就提交了论文，可是却遭到了大会评委泊松的反对，能做到武林大会主席台上当裁判的怎么也得是少林方丈级别了，泊松指出要是菲涅尔说的对的话，那么要是把一束光照在一个直径合适的小圆板上，那么在小圆板的后面就可能出现一个亮斑，这听起来有点不可思议，好像是光绕过了小圆板一样，别说当时，就是现在这听起来也是不可能的。

这就好比是少林方丈站出来说，你一阳指要是牛，那就凌空在钢板上戳出一个洞来，反正我拈花指金刚指多罗叶指做不到，你要是不挨着钢板还能戳出洞来我就服了，这不是欺负人嘛，可没想到的是人家真有六脉神剑。

对于科学家来说，能动手就少说话，既然泊松提出了质疑，那最好的办法就是做实验。经过精心的实验，在小圆板背后真的出现了一个亮斑，由于这个亮斑是泊松提出来的，因此就叫做泊松亮斑，本来泊松是支持微粒说，现在却是他的计算结果证实了波动说，这让微粒说的支持者还无话可说了，所以说泊松就是微粒说的猪队友，而且是在争论之后做的，科学家们想忽视都做不到。

泊松亮斑

现在光是一种波已经确定了，但是光是一种什么波呢，还得请外援来，该轮着赫兹出场了。

在上一章发现电子的时候赫兹就已经出场了，这里就不再详说了，总结一下赫兹的一生就是娶了一个老婆生了两个女儿做了三个实验。

他的第一个实验就是汤姆孙发现电子的实验，结果他没有做成功，汤姆孙成功了发现了电子，不过赫兹不在乎，对于他来说那只是一个小实验，他要做的是发现电磁波的实验。

年，赫兹发现了电磁波，这是震惊世界的一件大事，从这一天起，我们跨入了电信时代，现在的电视广播手机卫星都是靠的电磁波。

赫兹顺便研究了一下电磁波的特征，一个是电磁波可以不依靠介质传播，这是一个神奇之处，对于波来说，一般都要靠介质传播，水波靠水传播，声波靠空气传播，可是电磁波可以电生磁磁生电自己就能传播，还有谁可以不靠介质传播呢？那就是光。

阳光星光跨过茫茫太空来到我们身边，那太空中可是空无一物的，别说什么以太呀，谁稀罕那个呀，这是不是说光可能就是一种电磁波呢？

确实有可能，不过证据还不足，那就再看看速度吧，光速早就测出来了，基本就是每秒三十万公里，赫兹测量了一下电磁波的速度，发现也是每秒三十万公里。

答案已经呼之欲出了，光就是一种电磁波。

看起来争了这么多年的光的微粒说波动说之争终于在赫兹手里画上了一个句号，可是赫兹在做电磁波实验的时候发现了一个奇怪的现象，事情又变得扑朔迷离起来。

这个现象就是后来的光电效应，当时叫做光电现象。由于光电现象是在电磁波实验中发现的，为了说清楚光电现象，还是来先看一下电磁波实验吧。

电磁波实验说白了就是观测小火花。

赫兹根据电容器经由电火花隙会产生振荡原理，设计了一套电磁波发生器。将一感应线圈的两端接于产生器的两个铜棒上，当感应线圈的电流突然中断时，其感应高电压使产生器隙之间产生火花。

根据麦克斯韦理论，这个火花应该产生电磁波，赫兹又设计了一个检波器来探测产生的电磁波。他将一小段导线弯成圆形，线的两端点间留有间隙。如果有电磁波传过来，那么应在此小线圈上产生感应电压，从而使检波器的间隙产生火花。

赫兹发现了电磁波

为了更清楚地观察电火花，赫兹把检波器装进了一个不透明的盒子里，可奇怪的现象发生了，电火花的长度居然减小了。电火花长度减小了，说明检波器接收的电磁波减弱了。

赫兹以为是盒子阻挡了电磁波，他换掉了盒子的每一部分，最后发现是位于检波器和发射器之间的不透明板影响了实验效果，那就把不透明板换成透明的玻璃吧，结果呢，电火花的长度还会减小。赫兹就继续换，直到换成石英板才消除了这种影响，这到底是为什么呢？

赫兹分析了电磁波的波长，最后发现是紫外线影响了实验，就是说石英板会放过紫外线，而其它遮挡物会吸收紫外线，从而影响实验效果。这有点令人费解了，赫兹发布了实验结果，却没有做出解释。

物理学家们对这个现象激发了浓厚的兴趣，又做了一系列的实验，更神奇的结果出现了。

只要紫外线照射金属表面，金属表面就会带正电，好像负电飞走了一样，当时还没有发现电子，只能说是负电失去了。

而且金属不同，失去负电的能力也不一样，对于活泼金属，象钾钠镁铝更容易失去负电，而不活泼金属象铜汞则几乎不发生这种现象，这是不是和元素周期表有点相似呀，但是还不能这么叫，因为当时门捷列夫还没有提出元素周期表。

光电效应示意图

年，汤姆孙发现了电子，人们了解了电的本质，所谓物体带电就是物质失去或者得到了电子，失去电子就会带正电荷，得到电子就带负电荷。

汤姆孙发现电子的实验基本上就是重复了赫兹的实验，可以说赫兹行百里者半九十，也可以算是汤姆孙百尺竿头更进一步，现在赫兹发现了光电现象没做出解释，这又是一个行百里者半九十，汤姆孙一时心痒难耐，打算再来一次百尺竿头更进一步。

汤姆孙用紫外线照射金属锌，他测量了金属锌发射出来的粒子的荷质比，结果发现和他不久前发现的电子荷质比几乎完全相同，这意味着光线照射金属后金属发射出来的就是电子，光电效应的本质被揭开了。

光电效应的本质就是光线照射使得金属发射出了电子，这是因为光线本身具有能量，光本来就是电磁波嘛，光线把能量传递给了电子，电子就逃脱了物质的束缚，这样物质就带上了正电荷，他们把这种电子叫做光电子。

年，赫兹的助手伦纳德总结了光电效应实验，顺便说一句，光电效应这个名字就是勒纳德取的，看起来会取名字很重要的，勒纳德提出了三条总结。第一：光电子数量每单位时间与入射的辐照度成正比；第二，每一种物质所发射出的光电子都有其特定的最大动能（最大速度），换句话说，光电子的最大动能与光波的光谱组成有关。第三：光电子的最大动能与截止电压成正比，与辐照度无关。

注意第二条光电子的动能和光谱组成有关，这就是说光电子的能量和光波的频率有关。这无论如何不能用光的波动说解释了，依照波动说，波的能量只和照度有关，只要照射的时间足够长，光电子就会吸收足够的能量光电子的发射应该和照度相关，只要照射时间足够长，光电子就会吸收足够的动能，而不是和光波的频率有关。

照这样看来，光可能就不是一种波了，莫非还是微粒吗？转了一圈又转回来了，这样转来转去有意思吗？爱因斯坦说有意思，我觉得光就是一种粒子。

没想到吧，爱因斯坦也曾经是个帅锅

虽然爱因斯坦现在被称为仅次于牛顿的伟大科学家，但是他的履历比起这些人来就有点黯然失色了。

爱因斯坦既没有少年早慧（比不上托马斯杨），也没有十四岁上大学（汤姆孙表示这没有什么大不了的），更没有毕业就到大学任教（赫兹觉得这不是很难吧），爱因斯坦唯一超越他们的就是生孩子早，在大学期间他就有了一个私生女，先不要喷呀，这是和他老婆生的，只是两个人当时还没有领证，算是先上车再补票。

其实爱因斯坦年轻时候根本就没有后来那么渣，不结婚是因为没工作，大学毕业之后他并没有如愿找到教职，托朋友帮忙，才在瑞士伯尔尼专利局当了一个小书记员。

虽然生活不如意，但这并不能阻挡爱神追求真理的心，在年，爱因斯坦爆发了，他一连发表了五篇论文，每一篇都足以获得诺贝尔奖，爱因斯坦一战成名，这一年被称为爱因斯坦奇迹年，爱因斯坦也被江湖尊称为爱神。

这五篇论文中有狭义相对论、有质能方程、有布朗运动还有光电效应。

爱因斯坦认为光是一群离散的量子，他称之为光量子，这已经不是什么新鲜概念了，普朗克在解释黑体辐射的时候就提出了量子的概念，认为能量是不连续的，而是离散的一份一份的，最小的能量就是普朗克常量，爱因斯坦认为不但能量是这样的，光也是这样的，而且光的能量和频率有关，就是E=hμ。其中E代表的是光的能量，h就是普朗克常数，μ就是光的频率。

你没有看错，这都是普朗克，这就是“为伊消得人憔悴”

说了光，再说电子，电子被束缚在物质内部，当有能量输入时，电子就会跑出来，这个很常见了，毛皮摩擦过的玻璃棒梳头发的梳子都是因为有能量输入带电了，摩擦就是做功，做功当然会产生能量转移，还有阴极射线，那是输入了电能电子就飞出来了，但是要想电子飞出，输入的能量必须要大于物质束缚电子的能量也就是电子的逸出功。

对于光量子来说也是这样，必须要光量子的能量大于电子的逸出功才有可能出现光电效应，光量子的能量我们已经知道了，就是E=hμ，只要E＞W就能有电子飞出，从而产生光电效应。

爱因斯坦对广电效应的解释

用公式表示就是：E=hμ＞W。其中h是普朗克常数，μ是光的频率，W是电子的逸出功，现在把电子的逸出功也用普朗克常数表示一下，就是W=hμ0,，μ0就是电子逃脱物质束缚的极限频率，只要光的频率大于这个极限频率，就能产生光电效应。

再重新写一下吧。

E=hμ＞W=hμ0。

这就是爱因斯坦的光量子假说，假说就是假说，就算是爱因斯坦说的也是假说，要想让假说成为科学理论，必须要看看是不是能解释实验。

那就看看吧。首先是紫外线照射金属表面会产生光电效应，这个用光量子假说很容易解释，因为紫外线的频率高啊，自然能量就大，当然就容易产生光电效应。

要不再看一下勒纳德的三条总结吧。

第一条说光电子数量每单位时间与入射的辐照度成正比，这一条没有多大意思，有一个前提是已经发射出光电子了，当然照度越强光电子数量越多。

还是看第二条吧。每一种物质所发射出的光电子都有其特定的最大动能（最大速度），换句话说，光电子的最大动能与光波的光谱组成有关。这一条有一个光电子的最大动能，用上面说过的爱因斯坦光电方程来看一下吧。

光电方程说E=hμ＞W时就会发射光电子，E是光的能量，W是电子的功，根据能量守恒定律，那么电子的最大动能Kmax=E-W=hμ-W=h（μ-μ0），h是普朗克常数，μ是光的频率，W是电子的逸出功，不同的物质逸出功也不同，这三项中前两项是定值，第三项电子的逸出功和物质本身有关，那么不同物质发射的电子的最大动能当然是特定的了。

再看一下第三条。光电子的最大动能与截止电压成正比，与辐照度无关。

先说一下截止电压这个概念。截止电压这个词是勒纳德创造的，为了计算光电子的最大动能，勒纳德想了一个办法，就是在金属板上加一个反向电压，当反向电压恰好能阻止电子飞出的时候，这个电压就是截止电压。

截止电压示意图

可以很轻易地得到公式Kmax=eU，Kmax就是电子的最大总能，e就是一个电子的电量，U就是截止电压，再把刚才爱因斯坦光电方程带进来，就成了Kmax=E-W=hμ-W=h（μ-μ0）=eU，这可不截止电压和照度没关系，人家只和光的频率有关系。

勒纳德的三条总结都满足了，是不是就可以说爱因斯坦对光电效应的解释正确了呀，当然可以了，可凭什么呀，因为勒纳德诺贝尔奖，虽然诺贝尔奖乌龙不少，但当年还是比较严谨的。

说到诺贝尔奖了，再多说两句，爱因斯坦一生中可以获得多次诺贝尔奖，至少五次吧，可是就获过一次，为什么呢？就因为这个伦纳德。

勒纳德非常讨厌爱因斯坦，就因为爱因斯坦是犹太人，勒纳德后来当过希特勒的科学顾问，元首反犹，勒纳德自然跟在元首屁股后面摇旗呐喊，所以他就反对爱因斯坦获得诺贝尔奖，声称要是爱因斯坦获得了诺贝尔奖，他就把自己的诺贝尔奖退回去不要了。

诺贝尔奖委员会也很为难，谁也惹不起，最后决定颁发给爱因斯坦诺贝尔物理奖，不过获奖理由是对光电效应的解释，这让勒纳德无话可说，他获奖的理由也是光电效应，总不能疯起来连自己也咬吧。

还有一个人也不认同爱因斯坦的解释，这就是密立根，就是测量电子电量那个美国科学家，不过人家比勒纳德有风度，密立根觉得爱因斯坦说的不对，没有四处乱咬，而是打算做实验来否定爱因斯坦。

这实验一做就做了十几年，结果证明爱因斯坦对了，这让密立根哭笑不得，不过密立根也不算虚度光阴，由于他证明了爱因斯坦的正确性，他也获得了诺贝尔奖，算是因祸得福吧。

现在爱因斯坦的光量子假说已经不是假说了，是实实在在的理论了，在爱因斯坦看来，光就是一种粒子——光子。

虽然光对我们大家来说已经司空见惯，但第一个指出光子是基本粒子的还是爱因斯坦，因此爱因斯坦是第一个发现光子的人，光子也就成了人类发现的第二个基本粒子。

还是要多说一句，赫兹说光是电磁波，爱因斯坦说光是光子，那么到底光是什么呀，要注意啊，爱因斯坦虽然说光是粒子，但是描述光子能量的频率却是波的特征，这就是说光既是波又是粒子，这就是光的波粒二象性，不过这是另一个话题了。

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