版權所有：castor_v_pollux 原作　提交時間：12:27:40 06月14日

第三章 火流星

二

位於伯爾尼的瑞士專利局如今是一個高效和現代化的機構，為人們提供專利、商標的申請和查詢服務。漂亮的建築和完善的網絡體系使得它也和別的一些大公司一樣，呈現出一種典型的現代風格。作為純粹的科學家來說，一般很少會和專利局打交道，因為科學無國界，也沒有專利可以申請。科學的大門，終究是向全世界開放的。

不過對於科學界來說，伯爾尼的專利局卻意味着許多。它在現代科學史上的意義，不啻於伊斯蘭文化中的麥加城，有一種頗為神聖的光輝在裡邊。這都是因為在100年前，這個專利局“很有眼光”地僱傭了一位小職員，他的名字就叫做阿爾伯特•愛因斯坦。這個故事再一次告訴我們，小廟裡面有時也會出大和尚。

1905年，對於愛因斯坦來講，壞日子總算都已經過去得差不多了。那個為了工作和生計到處奔波彷徨的年代已經結束，不用再為自己的一無所成而自怨自艾不已。專利局提供給了他一個穩定的職位和收入，雖然只是三等技師——而他申請的是二等——好歹也是個正式的公務員了。三年前父親的去世給愛因斯坦不小的打擊，但他很快從妻子那裡得到了安慰和補償。塞爾維亞姑娘米列娃•瑪利奇（Mileva Marec）在第二年（1903）答應嫁給這個常常顯得心不在焉的冒失鬼，兩人不久便有了一個兒子，取名叫做漢斯。

現在，愛因斯坦每天在他的辦公室里工作8個小時，擺弄那堆形形色色的專利圖紙，然後他趕回家，推着嬰兒車到伯爾尼的馬路上散步。空下來的時候，他和朋友們聚會，大家興致勃勃地討論休謨，斯賓諾莎和萊辛。心血來潮的時候，愛因斯坦便拿出他的那把小提琴，給大家表演或是伴奏。當然，更多的時候，他還是鑽研最感興趣的物理問題，陷入沉思的時候，往往廢寢忘食。

1905年是一個相當神秘的年份。在這一年，人類的天才噴薄而出，像江河那般奔涌不息，捲起最震撼人心的美麗浪花。以致於今天我們回過頭去看，都不禁要驚嘆激動，為那樣的奇蹟咋舌不已。這一年，對於人類的智慧來說，實在要算是一個極致的高峰，在那段日子裡譜寫出來的美妙的科學旋律，直到今天都讓我們心醉神搖，不知肉味。而這一切大師作品的創作者，這個攀上天才頂峰的人物，便是我們這位伯爾尼專利局裡的小公務員。

還是讓我們言歸正傳，1905年3月18日，愛因斯坦在《物理學紀事》（Annalen der Physik）雜誌上發表了一篇論文，題目叫做《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》（A Heuristic Interpretation of the Radiation and Transformation of Light），作為1905年一系列奇蹟的一個開始。這篇文章是愛因斯坦有生以來發表的第六篇正式論文（第一篇是1901年發表的關於毛細現象的東東，用他自己的話來說，“毫無價值”），而這篇論文將給他帶來一個諾貝爾獎，也開創了屬於量子論的一個新時代。

愛因斯坦是從普朗克的量子假設那裡出發的。大家都還記得，普朗克假設，黑體在吸收和發射能量的時候，不是連續的，而是要分成“一份一份”，有一個基本的能量單位在那裡。這個單位，他就稱作“量子”，其大小則由普朗克常數h來描述。如果我們從普朗克的方程出發，我們很容易推導一個特定輻射頻率的“量子”究竟包含了多少能量，最後的公式是簡單明了的：

E = hν

其中E是能量，h是普朗克常數，ν是頻率。哪怕小學生也可以利用這個簡單的公式來做一些計算。比如對於頻率為10的15次方的輻射，對應的量子能量是多少呢？那麼就簡單地把10^15乘以h＝6.6×10^-34，算出結果等於6.6×10^19焦耳。這個數值很小，所以我們平時都不會覺察到非連續性的存在。

愛因斯坦閱讀了普朗克的那些早已被大部分權威和他本人冷落到角落裡去的論文，量子化的思想深深地打動了他。憑着一種深刻的直覺，他感到，對於光來說，量子化也是一種必然的選擇。雖然有天神一般的麥克斯韋理論高高在上，但愛因斯坦叛逆一切，並沒有為之而止步不前。相反，他倒是認為麥氏的理論只能對於一種平均情況有效，而對於瞬間能量的發射、吸收等等問題，麥克斯韋是和實驗相矛盾的。從光電效應中已經可以看出端倪來。

讓我們再重溫一下光電效應和電磁理論的不協調之處：

電磁理論認為，光作為一種波動，它的強度代表了它的能量，增強光的強度應該能夠打擊出更高能量的電子。但實驗表明，增加光的強度只能打擊出更多數量的電子，而不能增加電子的能量。要打擊出更高能量的電子，則必須提高照射光線的頻率。

提高頻率，提高頻率。愛因斯坦突然靈光一閃，E = hν，提高頻率，不正是提高單個量子的能量嗎？更高能量的量子能夠打擊出更高能量的電子，而提高光的強度，只是增加量子的數量罷了，所以相應的結果是打擊出更多數量的電子。一切在突然之間，顯得順理成章起來。

愛因斯坦寫道：“……根據這種假設，從一點所發出的光線在不斷擴大的空間中的傳播時，它的能量不是連續分布的，而是由一些數目有限的，局限於空間中某個地點的“能量子”（energy quanta）所組成的。這些能量子是不可分割的，它們只能整份地被吸收或發射。”

組成光的能量的這種最小的基本單位，愛因斯坦後來把它們叫做“光量子”（light quanta）。一直到了1926年，美國物理學家劉易斯（G.N.Lewis）才把它換成了今天常用的名詞，叫做“光子”（photon）。

從光量子的角度出發，一切變得非常簡明易懂了。頻率更高的光線，比如紫外光，它的單個量子要比頻率低的光線含有更高的能量（E = hν），因此當它的量子作用到金屬表面的時候，就能夠激發出擁有更多動能的電子來。而量子的能量和光線的強度沒有關係，強光只不過包含了更多數量的光量子而已，所以能夠激發出更多數量的電子來。但是對於低頻光來說，它的每一個量子都不足以激發出電子，那麼，含有再多的光量子也無濟於事。

我們把光電效應想象成一場有着高昂入場費的拍賣。每個量子是一個顧客，它所攜帶的能量相當於一個人擁有的資金。要進入拍賣現場，每個人必須先繳納一定數量的入場費，而在會場內，一個人只能買一件物品。

一個光量子打擊到金屬表面的時候，如果它帶的錢足夠（能量足夠高），它便有資格進入拍賣現場（能夠打擊出電子來）。至於它能夠買到多好的物品（激發出多高能量的電子），那要取決於它付了入場費後還剩下多少錢（剩餘多少能量）。頻率越高，代表了一個人的錢越多，像紫外線這樣的大款，可以在輕易付清入場費後還買的起非常貴的貨物，而頻率低一點的光線就沒那麼闊綽了。

但是，一個人有多少資金，這和一個“代表團”能夠買到多少物品是沒有關係的。能夠買到多少數量的東西，這隻和“代表團”的人數有關係（光的強度），而和每一個人有多少錢（光的頻率）沒關係。如果我有一個500人的代表團，每個人都有足夠的錢入場，那麼我就能買到500樣貨品回來，而你一個人再有錢，你也只能買一樣東西（因為一個人只能買一樣物品，規矩就是這樣的）。至於買到的東西有多好，那是另一回事情。話又說回來，假如你一個代表團里每個人的錢太少，以致付不起入場費，那哪怕你人數再多，也是一樣東西都買不到的，因為規矩是你只能以個人的身份入場，沒有連續性和積累性，大家的錢不能湊在一起用。

愛因斯坦推導出的方程和我們的拍賣是一個意思：

1/2 mv^2 = hν– P

1/2 mv^2是激發出電子的最大動能，也就是我們說的，能買到“多好”的貨物。hν是單個量子的能量，也就是你總共有多少錢。P是激發出電子所需要的最小能量，也就是“入場費”。所以這個方程告訴我們的其實很簡單：你能買到多好的貨物取決於你的總資金減掉入場費用。

這裡面關鍵的假設就是：光以量子的形式吸收能量，沒有連續性，不能累積。一個量子激發出一個對應的電子。於是實驗揭示出來的效應的瞬時性難題也迎刃而解：量子作用本來就是瞬時作用，沒有積累的說法。

但是，大家從這裡面嗅到了些什麼沒有？光量子，光子，光究竟是一種什麼東西呢？難道我們不是已經清楚地下了結論，光是一種波動嗎？光量子是一個什麼概念呢？

仿佛宿命一般，歷史在轉了一個大圈之後，又回到起點。關於光的本性問題，干戈再起，“第三次微波戰爭”一觸即發。而這次，導致的後果是全面的世界大戰，天翻地覆，一切在毀滅後才得到重生。

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飯後閒話：奇蹟年

如果站在一個比較高的角度來看歷史，一切事物都是遵循特定的軌跡的，沒有無緣無故的事情，也沒有不合常理的發展。在時代浪尖里弄潮的英雄人物，其實都只是適合了那個時代的基本要求，這才得到了屬於他們的無上榮耀。

但是，如果站在廬山之中，把我們的目光投射到具體的那個情景中去，我們也能夠理解一個偉大人物為時代所帶來的光榮和進步。雖然不能說，失去了這些偉大人物，人類的發展就會走向歧途，但是也不能否認英雄和天才們為這個世界所作出的巨大貢獻。

在科學史上，就更是這樣。整個科學史可以說就是以天才的名字來點綴的燦爛銀河，而有幾顆特別明亮的星辰，它們所發射出的光芒穿越了整個宇宙，一直到達時空的盡頭。他們的智慧在某一個時期散發出如此絢爛的輝煌，令人嘆為觀止。一直到今天，我們都無法找出更加適合的字句來加以形容，而只能冠以“奇蹟”的名字。

科學史上有兩個年份，便符合“奇蹟”的稱謂，而它們又是和兩個天才的名字緊緊相連的。這兩年分別是1666年和1905年，那兩個天才便是牛頓和愛因斯坦。

1666年，23歲的牛頓為了躲避瘟疫，回到鄉下的老家度假。在那段日子裡，他一個人獨立完成了幾項開天闢地的工作，包括發明了微積分（流數），完成了光分解的實驗分析，以及萬有引力的開創性工作。在那一年，他為數學、力學和光學三大學科分別打下了基礎，而其中的任何一項工作，都足以讓他名列有史以來最偉大的科學家之列。很難想象，一個人的思維何以能夠在如此短的時間內涌動出如此多的靈感，人們只能用一個拉丁文annus mirabilis來表示這一年，也就是“奇蹟年”（當然，有人會爭論說1667年其實也是奇蹟年）。

1905年的愛因斯坦也是這樣。在專利局裡蝸居的他在這一年發表了6篇論文，3月18日，是我們上面提到過的關於光電效應的文章，這成為了量子論的奠基石之一。4月30日，發表了關於測量分子大小的論文，這為他贏得了博士學位。5月11日和後來的12月19日，兩篇關於布朗運動的論文，成了分子論的里程碑。6月30日，發表題為《論運動物體的電動力學》的論文，這個不起眼的題目後來被加上了一個如雷貫耳的名稱，叫做“狹義相對論”，它的意義就不用我多說了。9月27日，關於物體慣性和能量的關係，這是狹義相對論的進一步說明，並且在其中提出了著名的質能方程E=mc2。

單單這一年的工作，便至少配得上3個諾貝爾獎。相對論的意義是否是諾貝爾獎所能評價的，還難說得很。而這一切也不過是在專利局的辦公室里，一個人用紙和筆完成的而已。的確很難想象，這樣的奇蹟還會不會再次發生，因為實在是太過於不可思議了。在科學高度細化的今天，已經無法想象，一個人能夠在如此短時間內作出如此巨大的貢獻。100年前的龐加萊已經被稱為數學界的“最後一位全才”，而愛因斯坦的相對論，也可能是最後一個富有個人英雄主義傳奇色彩的理論了吧？這是我們的幸運，還是不幸呢？