一波三折：爱因斯坦和他的诺奖

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一波三折：爱因斯坦和他的诺奖


1921 年，爱因斯坦（1879 年 3 月 14 日 — 1955 年 4 月 18 日）获得诺贝尔物理学奖，获奖理由为”发现了光电效应定律”。图源：维基百科

导读：

在其著名的相对论之外，爱因斯坦获得诺贝尔奖的工作“光电效应定律”也值得介绍。在这篇文章中，2022 年诺贝尔物理学奖得主、量子物理学家安东·蔡林格回顾了爱因斯坦如何在 1905 年提出“光是由粒子构成的”的这一“革命性的”想法的。同时，他也认为爱因斯坦没有因相对论获得诺奖“令人不解”。

作者：安东·蔡林格 | 撰文

1905 年，来自瑞士伯尔尼专利局的一位名不见经传的职员发表了颠覆物理学本质的一系列论文。在其中的第一篇论文中，爱因斯坦提出，光是由粒子构成的，这一发现令人猝不及防。

1926 年，美国化学家吉尔伯特·牛顿·路易斯将这些光粒子（亦称光量子）命名为光子。在爱因斯坦时代，光的波动性理论已经有了大量依据，双缝干涉实验只是其中之一。而当时仅作为瑞士伯尔尼专利局一名年轻职员的爱因斯坦，是如何胆敢提出相反的观点，提出“光是由粒子构成的”想法的呢？

1905 年，年轻的阿尔伯特·爱因斯坦有了一项重大发现。他研究了一定体积气体的熵，并将其与相同体积光的熵进行了对比。爱因斯坦的发现来自巧合，他阅读了当时已问世五年以上的科学论文并对它们进行了对比。因此，实际上其他人本也可能有同样的发现。爱因斯坦发现，总体来讲，一定体积的辐射熵——熵是对无序程度的度量——确切地说是光的熵，与相同体积气体的熵的情况极为相似。爱因斯坦发现，德国物理学家威廉·维恩推导出的一定体积辐射熵的数学表达式与较早前奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼推导出的容器内气体熵的数学表达式相同。更为准确地说，如果可利用体积改变，这两个关于熵的数学表达式会以相同的方式发生变化。

通过这一对比，爱因斯坦做出了大胆的猜想。他发现，通过了解单个分子如何运动，以及所有单个分子只占据可利用空间一角是多么不可能，就可以很容易地理解一定量气体熵的数学表达式。在对光和气体的这两个数学表达式进行对比之后，爱因斯坦认为，光同样是由粒子构成的，它们像分子一样四处运动，在可利用空间足够大时，它们也不喜欢聚集在一处。

爱因斯坦非常谨慎。他在其一篇题为《关于光的产生和转化的一个启发性观点》的论文中说，他认为他的想法只是探索式的。其中的“启发性”一词，通常用于表达能够帮我们发现、猜测和感受某一问题的情形。这并不意味着我们一定能够证明自己的观点。也许爱因斯坦并不想过度冒犯波动说的拥趸。但是，爱因斯坦在其论文中的观点却简洁明了。在其 1905 年的论文中，他直截了当地把光粒子看作空间中运动的定域点，就像原子一样。

爱因斯坦并不满足于这一大胆的设想。他开始思索光的粒子说还可以推导出哪些有意义的结论。他认为，如果他的观点正确，那么当时物理学家们所不能理解的一种现象便可以得到解释。这一现象便是“光电效应”。

1888 年，德国物理学家威廉·霍尔瓦克斯发现了光电效应。他发现，当用光照射金属板时会发生有趣的现象。此时，光会使金属中的电子逸出，并且这些电子可以很容易地被作为电流检测出来。人们试图运用当时广为接受的光的波动性理论来解释这一现象，然而在解释实验者发现的事实时，这一理论遭遇了严重的问题。

其中一个难以解释的现象是，在光开始照射金属板的瞬间，电子便逃逸出来了。

为什么这一现象对于波动说来讲是一个问题呢？原因是：波以一种往复振荡的形式存在。对光来讲，波是一种电磁场振荡。当光撞击到金属板，它会迫使金属板内的电子开始振荡。一开始，这些电子会轻微振荡。随着吸收入更多的光，它们会加大振荡幅度，直到最后从金属表面脱离，成为自由电子。设想一下，一个人脚穿轮滑鞋在半圆形截面洞道里做来回振荡运动。通过双脚的助力，轮滑者为自身振荡运动注入越来越多的能量，直到他最终能够腾空至洞道之上。显然，积累足够的能量来实现这一点需要一定的时间。因此，在光电效应中，如果我们用强光束照射金属板，电子立刻开始逸出，这并不令人惊讶，因为在这种情况下，电子能够在极短时间内开始大幅振荡。但是，人们用极弱的光进行实验时，却发现电子也能立刻脱离金属板。按照波动说的理论，电子需要聚集足够的能量才能逸出。这仅是波动说遭遇的其中一个问题。

然而，如果光是由粒子构成的，这一问题便会迎刃而解。爱因斯坦说，光电效应简单来讲，就是单个光粒子（光子）恰好将某一电子撞击了出来。这便解释了为什么我们一用光束照射，电子便瞬间逃逸出来；它同时还解释了为什么观测到的电子的数量与照射到金属表面的光量严格成正比。将光强加倍便意味着撞击到金属表面的光子数量加倍，同时还表明逃逸电子的数量也加倍。

基于此，爱因斯坦做出了另外一个大胆预测，体现出了物理学家一贯的价值之所在。对一个理论的最终检验，并不只在于其能够解释在实验室或自然界早已被观察到的现象。对于新理论，最令人信服的论据，在于其能够预判此前无人能算得出或观测到的东西。对于光电效应，爱因斯坦对照射到金属板的光的频率与电子逃逸能量之间的关系做出了预测。

假设带有能量的光子撞击到金属板，它可能激发出电子，也可能没有激发出电子。如果光子激发出了电子，那么电子离开金属板之后的运动速度是多大呢？它的能量又是多大呢？这当中有多种情况。光子撞击电子之后，其能量可能未完全传递给电子，正如一颗台球撞击另一颗之后仍处于运动状态的情形。但是，光子撞击电子时将全部能量传递给电子是可能发生的。此时，电子的运动速度便会很快，但在离开金属表面之前，电子可能会在金属内部损失掉部分能量。然而，同样可能发生的是，当电子恰好在金属表面被光子撞击，那么在离开金属表面之前，电子便不会损失任何能量。即便如此，电子最终也不一定会脱离金属表面而飞入空中。所有物体的表面对电子都有吸引力，吸引力的大小取决于物体表面的材质，而电子总需要耗费一定的能量以克服这一吸引力。

综上，我们可以总结如下：如果足够巧合，光子撞击到电子，且更加巧合的是，电子在金属内部没有耗尽全部能量，那么电子逃逸出金属板之后的能量为光子的原始能量减去电子脱离金属板所需的能量。那么，问题便转化为，光子的原始能量是多大呢？对此，爱因斯坦采纳了马克斯·普朗克于 1900 年提出的能量量子化思想，即能量以量子的倍数成块出现，光子的能量 E 为其频率 v 与普朗克常量 h 的乘积，即 E=hv 。最关键的是，如果爱因斯坦是正确的，那么电子逃逸出金属表面所需的最大能量一定与照射到金属表面光的频率成正比。

1916 年，美国物理学家罗伯特·安德鲁·密立根通过一个美妙绝伦的实验验证了爱因斯坦的这一设想。爱因斯坦对光电效应的贡献，使他获得了 1921 年诺贝尔物理学奖。

说起来，爱因斯坦获得诺贝尔奖是一个一波三折的故事。一般情况下，一个人要获得诺贝尔奖，他必须首先获得提名。诺贝尔奖获得者每年由设有评审委员会的瑞典皇家科学院等机构选出。诺贝尔物理学奖也是如此，许多来自世界各地的物理学家受邀获得提名，然后由瑞典皇家科学院从他们当中遴选出一名获奖者，或不多于三名的联合获奖者。对于最终的决定，瑞典皇家科学院会邀请各个领域的知名专家，请他们针对被提名者提出自己的意见。在爱因斯坦时代，这个专业性的工作通常是由诺贝尔奖评审委员会的内部成员来完成的。

爱因斯坦在获奖前已被数次提名，首次获得提名是在爱因斯坦奇迹年（1905 年）五年之后的 1910 年。在备受世人瞩目的 1905 年，爱因斯坦发表了五篇科学论文，其中一篇提出了相对论。在另一篇论文中，物理学中最著名的方程之一 E=mc^2 横空出世。第三篇论文是关于原子物理学的，在其中爱因斯坦精确预计了原子的大小。在那一年的第一篇论文中，爱因斯坦便提出了光量子的概念。

爱因斯坦收到的几乎所有诺奖提名都归因于他的相对论。问题在于，诺奖评审委员会中有两名成员不喜欢相对论，甚至认为相对论是错误的。爱因斯坦未能获奖，成为当时科学界的一桩怪事。

后来，理论物理学家卡尔·威廉·奥森成为瑞典皇家科学院评审委员会成员。他弄清了爱因斯坦未能获奖的原因之后，情况便发生了变化。奥森建议为爱因斯坦颁奖，“因为他发现了光电效应定律”，亦即他提出了光量子说。最终，奥森说服了评审委员会，后者决定在 1922 年向爱因斯坦颁发未能如期颁发的 1921 年诺贝尔奖，理由是“他对理论物理学做出的贡献，特别是提出了光电效应定律”。

耐人寻味的是，瑞典皇家科学院还颁布了一份言辞谨慎的声明。从这份声明中看得出，时至 1922 年仍有几名瑞典皇家科学院成员认为，相对论有被证伪的风险。

至今仍令世人不解的是，此后爱因斯坦为何一直没有因相对论而再获诺贝尔奖（爱因斯坦活到了 1955 年）。到目前为止，有些人两获诺贝尔奖，甚至有人两获诺贝尔物理学奖。不过，虽然爱因斯坦没有再获诺奖提名，但这也许是一件好事。今天，相对论获得了广泛的技术应用。如果没有爱因斯坦的相对论，人们便不会知道，卫星上用的精密原子钟所走的时间与把它放在地面上时所走的时间存在差异，人们也便无法使全球定位系统准确运行。

本文摘自《光子之舞》，作者[奥]安东·蔡林格，刘宁 译，中信出版集团 2023 年12月出版，《赛先生》获出版社授权发布，发布时有删减。



《光子之舞》

[奥] 安东·蔡林格 著

刘宁 译

潘建伟 袁岚峰 导读

吴从军 王勣 审校

中信出版集团

2023 年 12 月出版

赛先生 2024-02-19 18:31 广东