三级技术专家

爱因斯坦年幼时很晚才开始学说话，为此他的父母担心他智力发育迟缓。后来，在学生时代，他变得对所感兴趣的东西非常热衷和独立，但他对（中学）体育课上的死记硬背感到厌烦，这导致他的体育成绩平平。父母曾向校长征询阿尔伯特学什么为好，这位校长自信地预言道：“不要紧，反正他做什么都不会很出色。”

家里从事的电化学生意失败后，爱因斯坦的父母举家离开德国前往意大利。在意大利，新的营生稍显起色。年轻的爱因斯坦很快独立自主起来。他参加了苏黎世联邦工学院的入学考试，但没有通过。第二年再次应试，终于被录取了。但到毕业时，他想寻求一个做助教的职位，却一再不成功。不得已他只好申请了一份在体育馆代课的教学工作。有段时间，爱因斯坦还干过为中学学习有困难的学生做家教来维持生活。最后，经朋友帮忙，他在瑞士专利局得到了一份工作。

作为三级技术专家，他的职责是为专利申请写一份摘要，以供他的上司决定该项申请是否值得授予专利。爱因斯坦很喜欢这份工作，因为它不占用他的全部时间。他时不时地瞄一眼门口，看看管事的会不会过来，抽空他就忙着自己的事情。

起初，爱因斯坦忙于他的博士论文——液体中原子弹跳的统计分析。这项工作很快就成了物质的原子性质的最佳证据，当时有些东西仍在争论中。爱因斯坦对原子的运动方程与普朗克辐射定律之间的数学相似性感到震惊。他思忖着：会不会光不仅在数学上与原子类似，而且在物理上也像个原子？

如果真是这样，那么光会不会像物质一样可以浓缩的形式存在？也许作为普朗克量子跃迁所发出的光能量脉冲并不是像普朗克假设的那样是向各个方向扩展的。或者说，能量可以定域于一个小区域吗？有没有可能存在如同物质原子那样的光原子？

爱因斯坦推测，光是一系列浓缩的波包——“光子”（后来起的术语名）——的流。每个光子的能量等于普朗克的量子hf（普朗克常数h乘以光的频率f）。当电子发光时，即产生光子。当光被吸收时，光子即消失。

为了证明他的猜测可能是正确的，爱因斯坦开始寻找那些有可能显示光的粒子性的证据。这并不难找到。那时“光电效应”已为人所知近20年 。所谓光电效应是指光照射在金属表面会引起电子的发射。

这种效应较为复杂，与热辐射不同。在热辐射里，普适法则对所有材料都成立，而光电效应则对每一种不同的物质有不同的电子发射强度。此外，光电效应的实验数据不够精确，特别是无法重现。

爱因斯坦从来就不在意坏数据。弥散的光波根本无法将电子踢出金属。电子被束缚得过于紧密了。虽然电子可以在金属内自由移动，但它们不能轻易逃逸出金属。我们可以从金属中“蒸发”出电子，但这需要非常高的温度。我们也可以从金属中拉出电子，但这需要非常强的电场。然而，微弱的光，相当于极其微弱的电场，仍能够弹出电子。光越微弱，弹出的电子就越少。但无论光是多么微弱，总有些电子被弹出。

爱因斯坦甚至能够从坏的数据中提取出更多的信息。如果照射用的是紫外线或蓝色光，那么电子将带着高能量射出。如果采用较低频率的黄色光，则出射电子的能量就较低。红光通常打不出电子。光的频率越高，出射电子的能量就越大。

光电效应正是爱因斯坦所需要的。普朗克的辐射定律暗示，光是以脉冲，即量子的形式发出的。光的频率越高，其携带的能量就越大。如果这个量子就是实际的浓缩波包，那么每个光子的所有能量就可能会集中于单个电子上。单个电子吸收光子就获得了整个光量子的全部能量hf。

因此光，尤其是由高能光子构成的高频光，可以给电子以足够的能量使之跳出金属。光子的能量越高，弹出电子的能量就越高。低于某一特定频率的光，其光子的能量就不足以使电子从金属中脱出，因此就不会有电子被弹出。

1905年，爱因斯坦明确地说道：

根据目前提出的假设，从点光源发出的光束的能量在越来越大的空间体积中并不是呈连续分布的，而是由有限数量的能量量子组成，定域于空间各点，它们移动时不再被细分，并只能以一个单位的形式被吸收和排放。

假设光以光子流的形式存在，单个电子吸收光子的全部能量，于是爱因斯坦用能量守恒推导出一个简单的、将光的频率与弹出电子的能量联系在一起的公式（图5.6）。如果光子能量小于材料的电子逸出能量，那么光就不能使电子逸出。

爱因斯坦的光子假说有一个显著特点，就是图5.6中直线的斜率恰是普朗克常数h。在此之前，普朗克常数只是一个用普朗克公式来拟合观测到的热辐射特性所需的数。在物理学其他地方似乎还无用处。在爱因斯坦提出光子假说以前，没有理由认为光引起的电子出射与热体的辐射有任何关联。这个斜率首次表明，量子是普遍的。

在爱因斯坦的光电效应工作的十年后，美国物理学家罗伯特·密立根发现，在任何情况下，爱因斯坦公式所预言的结果都与“观察结果完全一致”。不过，密立根认为爱因斯坦的光子假设导致该公式“完全站不住脚”，并称爱因斯坦的光是一种浓缩粒子的建议“甚为鲁莽”。

并不是只有密立根这样认为。当时物理学界是带着一种“不信任和近乎嘲笑地疑虑”态度来接受光子假设的。然而，光子假设提出八年后，爱因斯坦因许多其他成就获得了作为一个理论物理学家崇高的声誉，并被提名为普鲁士科学院院士。尽管如此，普朗克在他写的支持这一提名的信还是认为，他必须为爱因斯坦说句公道话：“他有时可能错过了他的猜想中的目标。例如，在他的光量子假说中，真是有太多的机会他没抓住……”

甚至当爱因斯坦于1922年因光电效应而被授予诺贝尔物理学奖时，诺贝尔颁奖委员会在颁奖词中仍避免明确提及已经年届十七但仍不被接受的光子。爱因斯坦的传记作者曾写道：“从1905年到1923年，（爱因斯坦）是唯一一位，或者说几乎是唯一的一位，认真对待光量子的人。”（在本章的后面我们再来谈发生于1923年以后的事。）

虽然物理学界对爱因斯坦的光子的反应就一个字——拒绝，但他们毕竟不是猪脑壳。光已被证明是一种扩展的波，光显示出干涉性质，而离散的粒子流做不到这一点。

回想一下我们在第4章中对干涉现象的讨论：通过单窄缝的光大致均匀地照亮屏幕。打开第二个狭缝，屏上出现明暗相间的条纹，条纹的宽窄取决于两个狭缝之间的距离。在那些暗条纹处，从一个狭缝出射的波的波峰正好与另一个狭缝出射的波的波谷相遇，从而来自一个狭缝的波与来自另一个狭缝的波抵消。干涉现象表明，光是一种分布于两狭缝的波。

在第4章中我们提到，有关微粒不会引起干涉的论证并不是无懈可击的。它们是不是就不能以某种方式彼此偏转从而形成明暗条纹呢？论证中的漏洞现已被补牢。既然我们知道了每个光子携带多少能量，我们就可以知道在给定强度的光束中有多少个光子。当光线极度微弱，光强是如此之低，以至于仪器上一次只有一个光子通过时，我们依然看得见干涉。

如果选择的是演示干涉现象，这属于只能根据波的性质来解释的范畴，你可以证明光是一种向四周扩散的波。但通过选择光电实验，你能证明相反的性质：光不是一种扩散开去的波，而是一个微小的粒子流。这里似乎显得不一致。（回想一下我们在纳根帕克遇到的类似事情：访问者可以选择证明这对夫妻住的是两间小屋，一个人一间；他也可以选择证明这对夫妻是紧凑住在一个单间小屋里。）

虽然光的矛盾性质困扰着爱因斯坦，但他坚持他的光子假说。他宣称自然中存在着神秘的东西，我们必须面对它。他没有假装要解决这个问题。在本书中我们也不假装要解决它。这个奥秘仍将伴随我们走过一百年。后面的章节重点放在说明我们能够通过选择来确立两个相互矛盾的东西中的一个。这一奥秘延伸到物理学之外的观察性质。这就是量子之谜。对此当今量子物理学领域的杰出专家们提出了各种意义深远的猜想。

在1905年这一年里，爱因斯坦不但发现了光的量子性质，牢固确立了物质的原子属性，并且创立了相对论。第二年，瑞士专利局为爱因斯坦提了一级：二级技术专家。