第二十七章 相对论和量子论(2)
学为主题进行了研究,建立了今天所谓的quot;固态量子论quot;。更为重要的是,正是他在1905年3月撰写的论文标志从普朗克潜在的革命思想到真正的科学革命的转变,尽管还只是处在理论革命阶段。1905年论文包含两个根本性的假设:一个是,当光或quot;纯quot;辐射在空间传播过程中,它被构想成由分立的和单个的粒子或小球(量子)组成;另一个是,物质在辐射或吸收光(或任何形式的电磁辐射)的过程中,也是以同样的量子形式进行的。这些假说不仅同普朗克1900年的假说相去甚远,构成一场彻底的转变,而且也与当时普遍接受的物理学理论有着根本性的冲突。佩斯(同上)认为,这项工作已成为quot;爱因斯坦对物理学最具革命性的贡献quot;;它quot;推翻了关于光和物质相互作用的全部现存观念quot;。我们已经看到,爱因斯坦本人特别把他的这项发现描述成quot;革命的quot;。
爱因斯坦1905年3月的论文题为quot;关于光的产生和转化的一个启发性观点quot;。quot;icquot;一词在物理学中很少使用,它主要是在哲学和教育学中使用,意思是某种假定(或说法)对发现和解释有一定的帮助,但不必把它当真。按理说,爱因斯坦应该在1907年那篇相对论的论文和《狭义和广义相对论浅说》(1917,英译本1920)中再次使用这个词汇,但他没有这样做。他之所以在论述光学的论文中引进这个词,原因是他提出了一个可能并不存在的粒子性概念解释光的大部分已知现象。光的波动学说是19世纪物理学取得的最伟大的成就之一,并且被光的干涉实验所证实。克莱因援引别人的话说,爱因斯坦(克莱因1975,118)显然是在提议quot;物理学家们放弃光的电磁波理论quot;,而这是quot;麦克斯韦的电磁场理论和全部19世纪物理学取得的最伟大的胜利quot;,除此之外,爱因斯坦的假说没有任何实际意义。因此,爱因斯坦提出的只是临时性的假说。
描述一种波动所用的基本参量是速度、波长和频率。在爱因斯坦粒子假说的能量子;干涉quot;技术测定。但在光量子概念中,对于波动理论极其重要的参量波长对于粒子或光量子却没有明显的物理意义。连续的或波动的特性与分立的或粒子的特性之间的对立是如此明显,以至于爱因斯坦不得不在他的论文中写上这样的话:quot;假设我们的见解是符合实际的quot;。普朗克始终认为,光和其它形式电磁辐射是由波动构成的,因而是无限可分的:分立的能量元或量子只是连续波与物质化互作用产生的一种效应,例如在光的吸收扣辐射过程中所表现出的,但却不是光波的基本特征。其他物理学家也长期持这种看法。按照爱因斯坦1905年的假设,光本身正是由分立元或量子构成的,也就是说,光(和任何形式的电磁辐射)必定具有一种quot;细胞quot;状的结构。在爱因斯坦的概念中,量子是光本身的基个特征,而不是以在光和物质相互作用过程中才表现出来。尽管科学家和科学史家今大一般都称quot;爱因斯坦的光量子理论quot;。但光子的概念是很晚才建立的,而且它另外还有动量的性质。而且,爱因斯坦直到临终以前(如在去世前一周的一次采访中)仍然坚持说,它quot;不是一个理论quot;,因为它不能为光学现象提供个圆满的解释。
尽管爱因斯坦的论文是假说性的,启发性的,不完整的和理论上的,但其中确实有一节是极为重要的、确定的,可以通过直接实验加以验证。这部分是爱因斯坦对光电效应的讨论光电效应现象是赫兹于1887年发现的.它的许多特性是P.勒纳德于1902年观察到的。在光电效应现象中,入射光照在金属表面上会引发电