爱因斯坦的两个相对论还有很多故事。我们先插一段他对量子革命的贡献。

19世纪末，在物理学上是经典力学和麦克斯韦电磁理论叱咤风云的年代，但与理论不相符合的两个实验：迈克耳孙-莫雷实验和有关黑体辐射的研究，使得晴朗的天空飘起了两片小乌云。之后，第一片乌云动摇了牛顿力学，引发了爱因斯坦建立了狭义相对论；而从第二片乌云中，则诞生了量子理论。

爱因斯坦生逢其时，为清扫两片乌云都立下汗马功劳。并且为了解释光电效应的光量子说为光的量子理论奠定了基础，也使他获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

先解释一下，黑体辐射问题到底给经典物理造成了些什么麻烦。所谓黑体，是指对光不反射、只吸收，但却能辐射的物体，就像是一根黑黝黝的炼铁炉中的拨火棍。拨火棍在一般的室温下，似乎不会辐射，但如果将它插入炼铁炉中，它的颜色便会随着温度的变化而变化：首先，温度逐渐升高后，它会变成暗红色，然后是更明亮的红色；然后，是亮眼的金黄色；再后来，还可能呈现出蓝白色。为什么会出现不同的颜色呢？这说明在不同的温度下，拨火棍辐射出了不同波长的光。当温度固定在某个数值 T 下时，拨火棍的辐射限制在一定的频率范围，有它的频谱，或称“频谱图”。图1-7-1的曲线便是黑体辐射的频谱图，其水平轴表示的是不同的波长 λ ，垂直轴 M ₀ （ λ ， T ）表示的是在温度为 T 时，在波长 λ 附近的辐射强度。辐射强度 M ₀ （ λ ， T ）是温度和波长的函数，当温度 T 固定时，在某一个波长 λ ₀ 附近，辐射强度有最大值，这个最大值与 T 有关，这也就是我们所观察到的拨火棍的颜色随温度而改变的规律。

由经典麦克斯韦方程推导而出的“维恩公式”和“瑞利-金斯公式”，却与黑体辐射的实验结果不相符合。比如，维恩公式在低频时符合得很好，但高频不行，而瑞利-金斯公式则在低频不符合。因此，光的经典电磁波理论无法解释黑体辐射，并且理论结果还导致所谓“紫外发散”的灾难，见图1-7-1中的实验及理论曲线。

普朗克在1900年发表了一篇划时代的论文，使用了一个巧妙而新颖的思想方法来解决这个问题。经典理论认为，辐射出的电磁波是一种能量连续的波动。但普朗克发现，如果假设黑体辐射时，能量不是连续的，而是一份一份地发射出来的话，就可以导出一个新的公式来解释图1-7-1中所示的实验曲线。通常将普朗克的这篇文章作为量子理论的诞生日，尽管当时的普朗克并不明白为什么在黑体辐射时能量要一份一份地发射出来。并且，之后，普朗克本人还极力想放弃这种看起来毫无道理的处理方法。他花了15年的时间研究这个问题，企图仍然用经典理论得出同样的结论，但均以失败而告终。

保守的普朗克在无意中当了一回勉为其难的革命者，让拨火棍上的物理拨出了一场量子革命。并且，潘多拉的盒子一旦打开便难以将妖怪再关起来。不管怎么样，这种做法能解决实际问题，年轻的物理学家们一拥而上地发展这种一份一份的想法，并建立、壮大其理论，这便是现在我们称为“量子力学”的东西。

普朗克没有提出光量子的思想。直到1905年，26岁的爱因斯坦对光电效应的贡献才真正使人们看到了量子概念所闪现的曙光。

当物理学家们认识了“量子”的观念之后才发现，经典物理天空中的“乌云”并不是只有黑体辐射那一小片，其实潜藏的问题还很多，比如光电效应也是其中一个。光电效应最早是被德国物理学家赫兹发现的。赫兹用两个锌质小球做实验，当他用光线照射一个小球时，发现有电火花跳过两个小球之间，如果用蓝光或紫外线照射，电火花最明显。

但使用经典的电磁理论，很难完整地解释光电效应所观察到的实验事实：

1．每一种金属的光电效应有一个截止频率，当入射光频率小于该频率时，无论多强的光也无法打出电子来；

2．光电效应中产生的光电子的速度与光的频率有关，而与光强无关；

3．光照到金属上时几乎立即产生光电流，响应时间非常短。

爱因斯坦在普朗克成功解释黑体辐射的启发下，比普朗克更进了一步。他不仅仅认为电磁场的能量是一份一份辐射出来的，而且光本身就是由不连续的光量子组成，每一个光量子的能量 E = hν ，它只与光的频率 ν 有关，而与强度无关。这里的 h 便是普朗克常数。作了这个假设之后，便轻易地解释了上面3条光电效应的实验结果 。

光是由一个一个的光量子组成的！这符合我们的日常生活经验吗？爱因斯坦的光量子理论之前，人们已经习惯认为光是一种连续不断的波，像自来水不断地从水管里流出来一样，光也是连续不断地从光源发射出来，谁能看出光是一粒一粒的呢！不过，这点倒也不难理解，因为一个光量子的能量实在是太小了，比如说，蓝光的频率 ν =6.2796912×10 ¹⁴ （Hz），普朗克常数 h =6.6×10 ^-34 。一个蓝光子的能量 E = hν =4×10 ^-19 J，是个很小的数值，我们当然感觉不到一份一份光量子的存在。

爱因斯坦提出了光量子的说法，从此以后，牛顿原来信奉的光的“微粒说”似乎又重新打回了物理界。不过此粒子非彼粒子也，别看科学理论经常反反复复地似乎在转圈，但绝对不是简单的重复和循环。量子理论对光的“粒子”解释并不排斥波动说，而是用了一个新名词，称为“波粒二象性”。从量子理论的角度看来，光既是波又是粒子，具备两者的特点。

使用光量子的概念，可以解释刚才所说的光电效应实验的几个特征，为此我们首先看看经典解释碰到的困难。金属表面的电子，需要一定的能量才能克服金属对它的束缚而逃出来。这个能量值叫作电子所需的逸出功。每种金属的逸出功有不同的数值，比如说，金属钾的逸出功是2.22eV。光电效应就是电子吸收了光的能量克服了逸出功而逃出金属的过程。经典理论如何来解释这个逸出过程呢？光的经典波动理论认为，光波的能量是连续被电子吸收的，无论入射光的频率是多少都没有关系，只要光强够大，时间足够长，总是能够不停地积累能量达到“逸出功”的数值而打出一个一个的电子来。这样的话，从波动说出发，不存在什么“截止频率”，这与第一个实验事实相矛盾。由上面的经典理论，光越强，给予电子的能量越多，就将使得逸出电子的动能越大，这不符合上述的第二个实验事实。此外，电子逸出所需要的能量，需要时间来积累，也不符合实验观察到的“瞬时性”。

如果将光看成是一个一个的光子，上述3个实验特点便很容易解释了。从光量子理论出发，每一个光子具有的能量（ hν ）等于光的频率 ν 乘以普朗克常数 h ，这是一个不可分割的量，因为不存在半个光子或1/4个光子之类的东西。所以，以逸出功是2.22eV的金属钾为例（图1-7-3），如果一个光子的能量少于钾中电子的逸出功的话，这种光便不能使“钾”这种材料发生光电效应，从图中可知，波长为700nm的红光光子的能量只有1.77eV，不能在钾中产生光电效应。因此，这种红光的频率必定在钾的截止频率之下。第二个实验事实也可以用同样的道理加以解释：逸出电子的速度由它的动能决定，这个动能等于每个光子的能量减去逸出功，而每个光子的能量又只与频率有关，与光强度无关，所以光电子的速度便只与光频率有关。此外，当一个光量子被一个电子吸收时，能量立即传递给了电子，不需要长时间的积累，由此可以解释光电效应的瞬时性。

爱因斯坦提出光量子说，认识到光以及其他粒子的波粒二象性，为量子力学的发展作出了重要贡献。之后，新理论得以飞速发展，也造就了一批“量子”英雄，那真是一个充满活力、令人神往、英雄辈出的年代。在众多物理学家的共同努力下，量子理论在20世纪的20年代末基本成形。但爱因斯坦一直无法接受以玻尔为代表的哥本哈根学派对量子理论的正统诠释，与玻尔一派展开了长时期的论战，在物理学史上被称为“世纪之争”。尽管爱因斯坦自己也没有什么好的说法来诠释奇妙的量子现象，但他在与玻尔辩论中提出的很多反对意见和思想实验，无疑地对量子力学的发展和完善起到了极大的推动作用。特别是爱因斯坦与其他两位同行在1935年发表的著名的EPR文章（EPR为爱因斯坦、波多尔斯基和罗森的名字首字母缩写，为论证量子力学不完备而提出的悖论），促使人们对量子理论中的定域性进行了认真深入的思考和研究。在EPR文章中，爱因斯坦将经典理论难以理解的量子纠缠现象称为“幽灵”，这个来源于德文的不平常的词汇充分表达了爱因斯坦对量子理论的深深不理解。量子理论为何导致不可预测性？上帝真的丢骰子吗？量子纠缠如何能瞬间发生？怎样改进量子论才能与相对论协调？这些问题令始终坚持经典实在论哲学观点的爱因斯坦纠缠困惑终生。

100多年来，量子理论在微观世界中早已大展宏图，也已经被成功地应用于科学技术领域的许多方面。在物理理论的基础研究以及与量子相关的实验方面也取得了不少新进展。量子理论的成功发展、实验物理学家们对EPR问题的多方面探讨，其结论似乎都没有站在爱因斯坦一边 。然而，爱因斯坦的质疑并非毫无道理，量子理论仍然有待完善，基础物理学仍然面对着种种困难，据说在21世纪有望迎来第二次量子革命，让我们拭目以待。 IRo6v4Wy67VuLrmFGFvKROr/L34ySL7LsDNd0GufQ/H5MXzE8zzUJapWhykLpgTs