1887年的一天，德國卡爾斯魯厄大學(xué)的一間實(shí)驗(yàn)室里，擺弄著實(shí)驗(yàn)裝置的青年教師赫茲，終于發(fā)現(xiàn)了接收器兩端隙之間的微弱“電火花”，這個(gè)期待已久的“電火花”成為了麥克斯韋理論的完美注腳，從此，電磁理論這個(gè)由法拉第奠基、麥克斯韋構(gòu)造、赫茲封頂?shù)拇髲B終于得以屹立在物理世界版圖之上，成為與牛頓力學(xué)相媲美的經(jīng)典理論之一。

赫茲在檢驗(yàn)電磁波實(shí)驗(yàn)中，還進(jìn)行了有關(guān)電磁波的波速、波長(zhǎng)、反射等一系列研究，最后得出光就是電磁波的結(jié)論，光的波動(dòng)說頓時(shí)農(nóng)奴翻身把歌唱，而往日被簇?fù)淼奈⒘Ｕf只能獨(dú)處角落空寂寥。

科學(xué)探究這部戲永遠(yuǎn)沒有劇終，只要愿意等總會(huì)有意料之外的精彩，科學(xué)思維編劇于幕后，科學(xué)觀點(diǎn)顯隱于臺(tái)前，你放唱罷我登場(chǎng)新舊交織，當(dāng)劇情需要時(shí)，還會(huì)來個(gè)必要的返場(chǎng)。就像這位給微粒說致命一擊的赫茲，同時(shí)也帶來了微粒說絕處逢生的機(jī)會(huì)。

一切緣起于赫茲在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)令人困惑的現(xiàn)象，也正是這個(gè)現(xiàn)象揭開了后來有關(guān)光粒子本質(zhì)的另一段波瀾曲折的科學(xué)探究史。

光電現(xiàn)象的端倪——赫茲實(shí)驗(yàn)的新發(fā)現(xiàn)

赫茲在檢驗(yàn)電磁波的實(shí)驗(yàn)中，用紫外光照射接收器，發(fā)現(xiàn)接收器端隙的電火花變得更亮了。1887年5月低，赫茲寫成研究論文《論紫外線對(duì)放電的影響》為了弄清光是如何使電火花增強(qiáng)，他分別用銅、黃銅、鋁、鐵、錫等不同金屬材料作為電極片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，又使用不同光源如火光、陽光、電弧光等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，他還在光源和火花間隙之間放置各種氣體、液體和固體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，他推斷使火花明顯增強(qiáng)的有效輻射有一個(gè)接近可見光譜的極限。為此他又用石英棱鏡色散不同光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使火花增強(qiáng)的輻射的確都是紫外光?！墩撟贤饩€對(duì)放電的影響》成為科學(xué)史上第一篇研究光電效應(yīng)的文章。

赫茲的結(jié)論：高頻率的紫外光可以使電火花增強(qiáng)。

霍爾瓦克斯的光電效應(yīng)研究

1888年，赫茲年輕的助手威廉·霍爾瓦克斯（Wilhelm Hallwachs）在赫茲的研究基礎(chǔ)上證實(shí)，電火花增強(qiáng)的原因是由于放電間隙內(nèi)出現(xiàn)了電荷體，進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，若用紫外線照射金屬板時(shí)，從金屬板向外產(chǎn)生帶負(fù)電的粒子流?；魻柾呖怂沟墓ぷ魇谷藗儚摹半娀鸹ā边@個(gè)表象轉(zhuǎn)移到了光使金屬電性發(fā)生變化的過程探究，提出的電荷轉(zhuǎn)移理論給后面的研究者開啟了新的思路，最初的光電效應(yīng)因此也稱為“霍爾瓦克斯效應(yīng)”。

此時(shí)光電現(xiàn)象的研究只能定性于此，更深層次的研究還得有賴于人們對(duì)電的微觀本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)。

陰極射線解密“電究竟是什么”

當(dāng)裝有2個(gè)電極的玻璃管被抽成真空，這時(shí)在兩電極間加上幾千伏的高壓，在陰極對(duì)面的玻璃壁上閃爍著綠色的輝光，似乎從陰極發(fā)射出一種看不見的射線，這個(gè)射線是粒子流還是電磁波？這引起了科學(xué)家們的關(guān)注。其中也包含赫茲。1892年赫茲和他的另一個(gè)助手勒納德開展了陰極射線的研究，但是由于真空度不夠，像很多同行一樣并未能檢測(cè)到陰極射線的電磁偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。于是赫茲就簡(jiǎn)單的認(rèn)為陰極射線是一種特殊的電磁波。然而種種跡象表面，真相并沒有赫茲想象的這么簡(jiǎn)單，兩年后，赫茲英年早逝，勒納德繼續(xù)進(jìn)行陰極射線的研究，提出了陰極射線是帶負(fù)電的粒子流的結(jié)論，最終1897年J.J.湯姆孫測(cè)量出負(fù)電粒子的荷質(zhì)比，成為發(fā)現(xiàn)電子第一人。從此人類的科學(xué)視野深入到了原子這個(gè)微觀領(lǐng)域。

電子的發(fā)現(xiàn)成為開啟近代原子物理研究的標(biāo)志，同時(shí)也為光電效應(yīng)研究掃清了障礙。

埃爾斯特和蓋特爾的光電效應(yīng)研究

埃爾斯特和蓋特爾最早發(fā)現(xiàn)不同金屬發(fā)生光電效應(yīng)所需的光波長(zhǎng)不同，對(duì)于堿金屬鈉、鉀、銣等用可見光就會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)，當(dāng)電子被J.J.湯姆孫發(fā)現(xiàn)之后，埃爾斯特還發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)中產(chǎn)生的帶負(fù)電的質(zhì)點(diǎn)的荷質(zhì)比與電子的荷質(zhì)比相同，從而證實(shí)光電效應(yīng)中產(chǎn)生的帶負(fù)電的質(zhì)點(diǎn)就是電子，稱為光電子。

勒納德的光電效應(yīng)研究

勒納德在陰極射線的謎題解開之后，又回到了光電效應(yīng)的問題上來，為了加速電子的速度和測(cè)量他們的能量，勒納德的發(fā)明了一種光電管，從而進(jìn)行定量研究。1902年他發(fā)表論文介紹了他的研究成果，勒納德得出，發(fā)射的電子數(shù)正比于入射光所帶能量。電子的速度和動(dòng)能與發(fā)射的電子數(shù)目完全無關(guān)，而只與光波長(zhǎng)有關(guān)，波長(zhǎng)減少動(dòng)能增加。每一種金屬對(duì)應(yīng)一特定頻率，當(dāng)入射光小于這一頻率時(shí)，不發(fā)生光電效應(yīng)。

勒納德對(duì)光電效應(yīng)的規(guī)律認(rèn)識(shí)得很清楚，在解釋上卻犯了難，因?yàn)楦鶕?jù)經(jīng)典電磁理論，光波也就是電磁波的能量是由振幅（電磁場(chǎng)強(qiáng)度）決定和頻率無關(guān)，在光電效應(yīng)里怎么就光頻率成為光電子能否產(chǎn)生的決定條件了？另外隨著時(shí)間的積累金屬板應(yīng)該接收到更多的輻射能，而光電效應(yīng)怎么就和光照時(shí)間無關(guān)，極短時(shí)間內(nèi)就發(fā)出光電子？

為了解釋這些現(xiàn)象，勒納德說到：“逸出的能量并不完全來自紫外線，而是來自特定原子的內(nèi)部，紫外線只起激發(fā)作用，很象引信點(diǎn)燃裝了子彈的槍一樣。我發(fā)現(xiàn)這個(gè)結(jié)論很重要，因?yàn)橛纱宋覀兛梢远?，不僅鐳原子包含有儲(chǔ)存的能量，其他元素的原子也儲(chǔ)存著能量，他們也能發(fā)出輻射，而且當(dāng)發(fā)出輻射時(shí)原子可能完全碎裂?！保ㄔ铀榱?--勒納德先生你確定這不是碰瓷嗎?）

勒納德的觀點(diǎn)被稱為“觸發(fā)說”，頻率決定光電子能否出射，被他解釋為光波與電子的共振導(dǎo)致；電磁波的能量是可以累加的，勒納德另辟蹊徑：其實(shí)光電子能量來源于原子內(nèi)部，電磁波只是起到激發(fā)作用。

觸發(fā)說成為經(jīng)典理論下光電效應(yīng)的一種解釋，在當(dāng)時(shí)科學(xué)界影響很大，直到1905年勒納德獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，風(fēng)光無二，然而也就在這一年，一位名不見經(jīng)傳的專利局年輕職員，開啟他夢(mèng)幻般的科學(xué)之旅。

愛因斯坦的光電效應(yīng)解釋

1905年成為愛因斯坦的物理奇跡年，愛因斯坦在這一年分別在熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)，量子論和相對(duì)論三個(gè)領(lǐng)域連發(fā)表六篇論文，每一篇都可謂重量級(jí)，這也讓后來的諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審會(huì)傷透腦筋，當(dāng)時(shí)量子論似乎還有爭(zhēng)議，相對(duì)論看不大懂，而熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)似乎沒前面兩個(gè)有名，本該1921年授予的諾獎(jiǎng)，糾結(jié)到1922年才補(bǔ)發(fā)給愛因斯坦，理由是對(duì)光電效應(yīng)定律的闡明。

我們還是回到1905年，在《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》中，愛因斯坦寫道“確實(shí)，在我看來，關(guān)于黑體輻射、光致發(fā)光、紫外線產(chǎn)生陰極射線，以及其它一些有關(guān)光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象的觀察，如果用光的能量在空間中不是連續(xù)分布的這種假設(shè)來解釋，似乎就更容易理解。按照這里所設(shè)想的假設(shè)，從點(diǎn)光源發(fā)射出來的光線的能量在傳播中不是連續(xù)分布在越來越大的空間體積中的，而是由個(gè)數(shù)有限的，集中在空間某些點(diǎn)的能量子所組成，這些能量子能夠運(yùn)動(dòng)，但不能分割，而只能整個(gè)地被吸收或產(chǎn)生出來?！痹谡撐闹袗垡蛩固箘?chuàng)造性地提出“光量子”概念，并借此來解釋光致發(fā)光（熒光）、光電效應(yīng)等現(xiàn)象。對(duì)于光電效應(yīng)他指出“關(guān)于光的能量連續(xù)地分布在它經(jīng)過的空間之中這種通常的見解，當(dāng)試圖解釋光電現(xiàn)象時(shí)，遇到了特別大的困難?！睈垡蛩固惯M(jìn)一步指出，當(dāng)把光電子初動(dòng)能作為入射光的頻率的函數(shù)而在笛卡爾坐標(biāo)系中畫出時(shí)，就必然得到一條直線，并且其斜率不依賴于所研究的物質(zhì)的種類。顯然，斜率就是普朗克常量h。

光量子的質(zhì)疑

愛因斯坦的光量子學(xué)說是建立在普朗克的量子的觀點(diǎn)之上，1900年普朗克在解決黑體輻射問題時(shí)，就提出了電磁輻射的量子觀點(diǎn)。普朗克本人也差點(diǎn)被自己的理論嚇著，他謹(jǐn)慎保守的認(rèn)為能量子只存在于電磁波的吸收和反射中，并不影響電磁波的連續(xù)性，畢竟此時(shí)麥克斯韋電磁理論方興未艾，幫助著一大幫研究者在科學(xué)領(lǐng)域開疆拓土，若是誰敢挖電磁理論的墻角，哼哼！

把光看成光量子，似乎又回到了牛頓時(shí)期的微粒說，因此光量子的提出，迎來的更多是質(zhì)疑和沉默，甚至在提出光量子假說的八年之后，當(dāng)普朗克、能斯特、魯斯本、瓦爾堡提名愛因斯坦為普魯士科學(xué)院院士時(shí)，他們對(duì)愛因斯坦光量子說均持否定態(tài)度。在提名推薦書中有這樣一段話：

“總之，我們可以說幾乎沒有一個(gè)現(xiàn)代物理學(xué)的重要問題是愛因斯坦沒有做過巨大貢獻(xiàn)的，當(dāng)然，他有時(shí)在創(chuàng)新思維中會(huì)錯(cuò)過目標(biāo)。例如，他對(duì)光量子的假說，可是我們不應(yīng)該過分批評(píng)他。因?yàn)椋词乖谧顪?zhǔn)確的科學(xué)里，要提出真正新的觀點(diǎn)而不冒任何風(fēng)險(xiǎn)是不可能的?！?/span>

持相同觀點(diǎn)的還有英國物理學(xué)家盧瑟福：“能量和頻率之間的這種明顯聯(lián)系，現(xiàn)在沒有可能的物理解釋?！?/span>

愛因斯坦本人也是有所保留的，在一封信中寫道：“至于這些量子是否確實(shí)存在，我不再過問了，我也不再去設(shè)法解釋他們，因?yàn)?，我已?jīng)明白，我的腦子是無法徹底理解他們的。”

一個(gè)理論正確與否最終還是需要通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。

密立根測(cè)量普朗克常量實(shí)驗(yàn)

美國實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家密立根在1916年設(shè)計(jì)出了精確的實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)愛因斯坦的光電效應(yīng)理論，密立根的最初設(shè)想是想通過實(shí)驗(yàn)否定愛因斯坦的光量子理論，結(jié)果出現(xiàn)了戲劇性的反轉(zhuǎn)，光電子初動(dòng)能和光頻率的函數(shù)曲線的斜率正好等于普朗克解釋黑體輻射時(shí)的常量h，此時(shí)密立根仍“嚴(yán)謹(jǐn)”的認(rèn)為，“對(duì)愛因斯坦方程的全面而嚴(yán)格的正確性做出絕對(duì)有把握的判斷還為時(shí)過早”但他還是承認(rèn)，“現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)比過去的所有實(shí)驗(yàn)都更有說服力地證明了它，如果這個(gè)方程在所有的情況下都是正確的，那就應(yīng)該把它看作是最基本的和最有希望的物理方程之一，因?yàn)樗强梢源_定所有的短波電磁輻射轉(zhuǎn)換為熱能的方程?！?/span>

康普頓散射實(shí)驗(yàn)

1919～1920年間，康普頓去英國在湯姆遜和盧瑟福的指導(dǎo)下以訪問學(xué)者的身份在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室工作，他進(jìn)行了γ射線的散射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)用經(jīng)典理論無法解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果．回國后他用單色x射線和布喇格晶體光譜儀作實(shí)驗(yàn)，通過從不同角度在靶周圍測(cè)量散射互射線波長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)散射波中含有波長(zhǎng)增大的波，該現(xiàn)象就是著名的康普頓效應(yīng)．康普頓指出：散射應(yīng)遵從能量守恒和動(dòng)量守恒定律，出射X射線波長(zhǎng)變長(zhǎng)證明了X射線光子帶有量子化動(dòng)量．1922年，他采用單個(gè)光子和自由電子的簡(jiǎn)單碰撞理論，對(duì)這個(gè)效應(yīng)做出了滿意的理論解釋．在康普頓散射實(shí)驗(yàn)中不僅證明了微觀領(lǐng)域守恒的成立，光量子的概念也再一次經(jīng)受住了考驗(yàn)。

這樣，愛因斯坦的光量子假說成功地解釋了光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)，人們逐漸接收光量子學(xué)說，由于動(dòng)量屬性的確認(rèn)，在1926年，美國物理學(xué)家劉易斯提出了光子概念，以取代光量子。

然而光的本性依然讓人迷惑，愛因斯坦直至晚年依然耿耿于懷，“整整五十年有意識(shí)的思考還沒有使我更接近'光量子是什么？’的答案，當(dāng)然今天每一個(gè)不老實(shí)的人都認(rèn)為知道答案了，但他是在欺騙他自己?！闭嬲倪M(jìn)行科學(xué)探究的人，都是默默前行的孤獨(dú)者，他們也有迷惑但從未畏懼，支持他們前行的力量我想無礙乎——事實(shí)和邏輯。真相或許離我們很遠(yuǎn)，在事實(shí)發(fā)現(xiàn)和邏輯推演的道路上從來不缺這些前行者們，或許他們才是人類真正的靈魂。

附：光電效應(yīng)探究與實(shí)證脈絡(luò)圖