這50年的沉思，并沒(méi)有使我更接近“什么是光量子”這個(gè)問(wèn)題的解答。今天，每個(gè)鄉(xiāng)巴佬都自以為知道它的答案，但是他錯(cuò)了。

——愛(ài)因斯坦，在生命的暮年

1905年，為了解釋光電效應(yīng)的疑難，愛(ài)因斯坦(Albert Einstein，1879?1955)對(duì)普朗克的量子化概念做了深入的分析。根據(jù)普朗克的量子化假說(shuō)，粒子為了發(fā)射頻率為v的電磁波而釋放的能量必須是hv的整數(shù)倍，這就意味著粒子自身的能量必定是量子化的，能量的改變是不連續(xù)的。由于能量守恒的原因，粒子釋放出來(lái)的能量必須在瞬間轉(zhuǎn)變成光的能量。于是，粒子發(fā)射的電磁波必定是一股一股的，也就是說(shuō)，電磁波以一個(gè)一個(gè)能量包的形式出現(xiàn)，每一個(gè)能量包就是一個(gè)光子。對(duì)應(yīng)于頻率為v的電磁波，每個(gè)光子的能量等于hv。

愛(ài)因斯坦的光量子假說(shuō)完美地解釋了光電效應(yīng)的基本特性。在金屬表面附近，電子受正電荷的約束，需要獲得一定的能量才能跳出金屬表面，這個(gè)能量被稱(chēng)為電子的逸出功，用W 標(biāo)記。對(duì)于不同的金屬，W的數(shù)值不一樣。當(dāng)電磁波照射到金屬的表面上時(shí)，一個(gè)光子與一個(gè)電子碰撞，會(huì)嘗試把自己的能量交給電子。為了使電子能夠跳出金屬的表面，入射光的頻率至少必須滿(mǎn)足hv? =W ，這個(gè)v? 就是臨界頻率。如果入射光的頻率低于臨界頻率，一個(gè)光子的能量比電子的逸出功?。?em>hv <W，不足以讓一個(gè)電子跳出金屬的表面，電子就不會(huì)接收這份能量，在這種情況下，光子只是簡(jiǎn)單地被反彈回去，或者將自己的能量轉(zhuǎn)變成金屬內(nèi)部的熱能并釋放出來(lái)；如果入射光的頻率剛好等于臨界頻率，一個(gè)光子的能量剛好夠一個(gè)電子跳出金屬的表面，一個(gè)電子就會(huì)吸收一個(gè)光子跳出來(lái)；如果入射光的頻率高于臨界頻率，電子接收光子的能量跳出金屬的表面后還有多余的能量，這多余的能量就會(huì)以動(dòng)能的形式讓電子遠(yuǎn)離金屬的表面。這個(gè)過(guò)程的數(shù)學(xué)關(guān)系可以通過(guò)光子與電子碰撞時(shí)總能量守恒得到。碰撞之前，電子受正電荷束縛，具有—W的能量，光子——電子系統(tǒng)的總能量為hv—W ，碰撞之后，電子吸收了光子的能量跳出金屬的表面后具有動(dòng)能E?k，能量守恒定律將碰撞前后的總能量聯(lián)系起來(lái)：

在1905年前后，物理學(xué)家并不接受量子化的觀(guān)念。愛(ài)因斯坦在成功地解決了光電效應(yīng)的疑難之后，馬上把量子化的概念用到極低溫度下固體的比熱容的疑難問(wèn)題上。所謂的比熱容指的是，每單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度每升高一度需要吸收的熱能。根據(jù)經(jīng)典熱物理學(xué)理論，固體的比熱容是一個(gè)常數(shù)，與溫度無(wú)關(guān)。但是，19世紀(jì)末，隨著低溫技術(shù)的進(jìn)展，越來(lái)越低的溫度得以實(shí)現(xiàn)。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在極低溫度下，固體的比熱容偏離熱物理學(xué)理論的預(yù)言，隨著溫度趨向絕對(duì)零度，比熱容的數(shù)值趨于零。理論預(yù)言與實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次出現(xiàn)嚴(yán)重的沖突。光電效應(yīng)疑難的成功解決令?lèi)?ài)因斯坦意識(shí)到，可以用量子化的概念來(lái)解決物體的比熱容疑難。在固體的內(nèi)部，每一個(gè)原子都定域在某個(gè)平衡位置附近形成點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。根據(jù)愛(ài)因斯坦的想法，每一個(gè)原子都在它的平衡位置附近做某種頻率的振動(dòng)，振動(dòng)的能量與環(huán)境溫度有明確的關(guān)系。這樣一個(gè)振動(dòng)的原子，在吸收熱能的時(shí)候，也要按照普朗克的量子化關(guān)系一份一份地吸收。根據(jù)這個(gè)想法所做的細(xì)致的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致。

愛(ài)因斯坦對(duì)量子化概念的成功應(yīng)用使物理學(xué)家們意識(shí)到，可以利用量子化這個(gè)概念來(lái)解決經(jīng)典物理學(xué)中的其他疑難問(wèn)題，人們開(kāi)始接納量子化的觀(guān)念。由于對(duì)理論物理的貢獻(xiàn)，特別是闡明了光電效應(yīng)的基本特性，愛(ài)因斯坦被授予1921年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。