解釋光電效應(yīng)

愛因斯坦說：“提出問題比解決問題更重要。”

在科學(xué)領(lǐng)域，一個(gè)好的問題甚至能夠推動(dòng)整個(gè)學(xué)科的發(fā)展！

說到這，就不得不提及這樣一個(gè)神奇的問題：

光到底是什么？

這一問題可以說貫穿了整個(gè)現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展，甚至還引發(fā)了一輪又一輪頂級(jí)科學(xué)家之間的集體撕逼大戰(zhàn)！

光的微粒說和波動(dòng)說

既然是大戰(zhàn)，首先得有兩個(gè)陣營(yíng)！

早期，很多人認(rèn)為，光是一種非常細(xì)小的粒子流，這就是光的“微粒說”。

后來，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，聲音是一種波。于是，漸漸有一部分人認(rèn)為，光也有可能是一種類似聲波的東西，這就是光的“波動(dòng)說”。

不過，在科學(xué)尚處于萌芽的年代，無論是“微粒說”還是“波動(dòng)說”，都有著很大的局限性，雙方的武裝都是十分薄弱的。

第一次波粒大戰(zhàn)

直到十七世紀(jì)中期的到來！

首先登場(chǎng)的是波動(dòng)說大將胡克！

沒錯(cuò)，就是胡克定律（F=-k△x）的那個(gè)胡克。

他于1665年出版的《顯微術(shù)》一書中明確支持波動(dòng)說，該書影響巨大，波動(dòng)說一時(shí)占據(jù)了上風(fēng)。

25年后，另一位波動(dòng)說巨頭惠更斯在其著作《光論》中，提出了著名的惠更斯原理，更是將波動(dòng)說上升到了科學(xué)理論的高度。

惠更斯原理

球形波面上的每一點(diǎn)（面源）都是一個(gè)次級(jí)球面波的子波源，子波的波速與頻率等于初級(jí)波的波速和頻率，此后每一時(shí)刻的子波波面的包絡(luò)就是該時(shí)刻總的波動(dòng)的波面。

惠更斯原理在光學(xué)領(lǐng)域一路攻城略地，很好地解釋了光的直線傳播、反射、折射以及晶體的雙折射等現(xiàn)象，將波動(dòng)說的興盛推向了頂點(diǎn)。

可惜，這一切注定只能是曇花一現(xiàn)。

因?yàn)橛腥讼虿▌?dòng)說出招了。

這個(gè)人就是歷史上的科學(xué)巨人牛頓。

牛頓是微粒說的堅(jiān)定擁護(hù)者。

1704年，牛頓出版了自己的巨著《光學(xué)》，利用自己的天才數(shù)學(xué)能力，他以微粒說為基礎(chǔ)，時(shí)不時(shí)還從波動(dòng)說那里吸取功力作為己用，解釋了光的很多現(xiàn)象。

相反，波動(dòng)說領(lǐng)袖胡克與惠更斯已經(jīng)離世，波動(dòng)說群龍無首。再加上此時(shí)的牛頓，已經(jīng)是出版了《數(shù)學(xué)原理》的牛頓，所有人都在他的力學(xué)體系下頂禮膜拜，無人敢質(zhì)疑牛頓的才華與權(quán)威。

終于，波動(dòng)說被打得節(jié)節(jié)敗退。

在牛頓光環(huán)的籠罩下，微粒說一時(shí)風(fēng)頭無倆，足足統(tǒng)治了人類100年。

第一次波粒大戰(zhàn)，以波動(dòng)說的失敗而告終！

第二次波粒大戰(zhàn)

科學(xué)界最不缺的，就是一些反叛的人。

這種人最讓人討厭的地方，就是總喜歡拿那些最深入人心的理論開刀，還義正言辭地告訴全世界

托馬斯·楊無疑就是這種人。

時(shí)間轉(zhuǎn)眼來到了19世紀(jì)初。

天才牛頓早已去世幾十年，于是，一些波動(dòng)說的不安定分子開始了自己的反攻。

托馬斯?楊設(shè)計(jì)出了既精妙又簡(jiǎn)單的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了光在通過雙縫后出現(xiàn)了明暗相間的條紋，這是典型的波的性質(zhì)。

雙縫干涉實(shí)驗(yàn)—歷史上十大經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)之一

他還在自己的論文中大言道：“盡管我仰慕牛頓的大名，但是我并不因此而認(rèn)為他是萬無一失的。我遺憾地看到，他也會(huì)弄錯(cuò)，而他的權(quán)威有時(shí)甚至可能阻礙科學(xué)的進(jìn)步。”

然而，他的論文無處發(fā)表，只好印成小冊(cè)子，據(jù)說發(fā)行后只賣出了一本。

盡管如此，雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的明暗條紋最終還是驚動(dòng)了整個(gè)微粒說軍團(tuán)。微粒說大軍還發(fā)現(xiàn)，雙縫干涉實(shí)驗(yàn)證據(jù)確鑿，用自己的微粒說實(shí)在難以反駁。

反之，波的疊加理論卻能夠輕易預(yù)言明暗條紋出現(xiàn)的原因及其位置！

微粒大軍坐不住了。

他們決定背水一戰(zhàn)，發(fā)動(dòng)全社會(huì)的力量來挽救自己的權(quán)威。1819年，法國(guó)科學(xué)院組織了一個(gè)懸賞征文大賽，題目就是利用精密的實(shí)驗(yàn)確定光的衍射效應(yīng)以及推導(dǎo)光線通過物體附近時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。

其實(shí)，這一題目的真正目的，是微粒說大軍希望借助社會(huì)力量，利用微粒說來解釋光的干涉與衍射現(xiàn)象，打擊波動(dòng)說理論。

誰知道，正是這一次競(jìng)賽，徹底宣告了微粒說的失??！

因?yàn)槌霈F(xiàn)了一個(gè)人。

這個(gè)人叫菲涅爾。

此前的菲涅爾，只不過是一個(gè)默默無聞的工程師，趁著這次競(jìng)賽，他向競(jìng)賽組委會(huì)提交了一篇論文，名字叫做《關(guān)于偏振光線的相互作用》。

在這一論文里，菲涅耳革命性地認(rèn)為光是一種橫波，而非之前認(rèn)為的光是一種縱波。以此為出發(fā)點(diǎn)，菲涅爾嚴(yán)格證明了光的衍射問題，還解決了長(zhǎng)期困擾波動(dòng)說的一些其他問題。

不過，組委會(huì)評(píng)委泊松不相信這一點(diǎn)。

他對(duì)菲涅爾說：“我看了你的理論，并做了一下計(jì)算，我發(fā)現(xiàn)你的理論會(huì)得出這樣一個(gè)荒謬的結(jié)論，就是你的理論被應(yīng)用于圓盤衍射的時(shí)候，在陰影中間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)亮斑，這怎么可能呢？”

菲涅爾退縮了。

但是同樣身為評(píng)委之一的阿拉果卻堅(jiān)持道：“這還不簡(jiǎn)單嗎，我們做個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一下不就行了?！?/p>

結(jié)果，實(shí)驗(yàn)表明，還真的有一個(gè)亮點(diǎn)奇跡般出現(xiàn)在了圓盤陰影正中心，完全符合泊松的預(yù)言。

身為微粒說擁護(hù)者的泊松，反而幫了波動(dòng)說的一個(gè)大忙。

為了紀(jì)念這一戲劇性的事件，后人便將這一亮斑稱為泊松亮斑。

泊松亮斑

以光的干涉和衍射作為武器，波動(dòng)說終于迎來了自己的春天，第二次波粒大戰(zhàn)，以微粒說的失敗而告終！

后來，可以比肩牛頓的天才物理學(xué)家麥克斯韋橫空出世，統(tǒng)一了整個(gè)電磁學(xué)王國(guó)，提出了令所有科學(xué)家心醉的麥克斯韋方程組，并指出光只是電磁波的一種。

1887年，赫茲更是用實(shí)驗(yàn)證明了“電磁波”的存在，并精確計(jì)算出電磁波的速度等于30萬公里/秒，與麥克斯韋的理論完全符合。

背靠電磁學(xué)理論這棵參天巨樹，波動(dòng)說的地位似乎已經(jīng)無人能夠撼動(dòng)！

誰曾想，正所謂成也蕭何，敗也蕭何！

第三次波粒大戰(zhàn)

赫茲在證明麥克斯韋電磁學(xué)理論的實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，光照射到金屬上，能夠打出金屬表面的電子，這就是光電效應(yīng)。

光電效應(yīng)

意外的是，高貴典雅的電磁學(xué)理論，竟會(huì)在解釋光電效應(yīng)的問題上碰壁。

這時(shí)候，愛因斯坦登上了歷史舞臺(tái)。

他認(rèn)為，要解釋光電效應(yīng)，必須認(rèn)為光是由數(shù)目有限的“光子”組成，它們不可分割，只能整份地被吸收或發(fā)射。

什么？這不就是翻版后的微粒說嗎！只不過是把牛頓的小球換成了光子而已。

沉寂了將近100年的微粒說，如幽靈一般，竟又以此種方式回歸了！

1923年，康普頓又發(fā)現(xiàn)，用X射線照射物體時(shí)，一部分散射出來的X射線的波長(zhǎng)會(huì)變長(zhǎng)，這一現(xiàn)象被稱為“康普頓效應(yīng)”。

同光電效應(yīng)一樣，康普頓效應(yīng)也無法用經(jīng)典電磁學(xué)理論來解釋，只有借助于愛因斯坦的光子理論，從光子與電子碰撞的角度才能夠圓滿解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

這時(shí)候，波動(dòng)說大軍發(fā)現(xiàn)，與他們對(duì)峙的微粒說大軍，在武器裝備方面竟已經(jīng)與自己平分秋色。

第三次波粒大戰(zhàn)全面爆發(fā)。

本來，微粒說的戰(zhàn)地主要是光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)，而波動(dòng)說的戰(zhàn)地則在光的干涉與衍射，一旦跨入對(duì)方的領(lǐng)域，只會(huì)讓自己碰得灰頭土臉，雙方都無法越過對(duì)方的防線一步。

可是后來，德布羅意提出了著名的“物質(zhì)波”概念，認(rèn)為一切物質(zhì)都具有波動(dòng)性，而且G.P.湯姆遜還真在實(shí)驗(yàn)中得到了電子的衍射圖案，驗(yàn)證了德布羅意的觀點(diǎn)。

電子居然也是個(gè)波！一切物質(zhì)都是個(gè)波！

終于，第三次波粒大戰(zhàn)全面升級(jí)，成為了一場(chǎng)關(guān)系整個(gè)物理學(xué)領(lǐng)域的世界大戰(zhàn)！直到1927年，海森堡提出了震驚世界的“不確定性原理”，即你不可能同時(shí)知道一個(gè)粒子的位置和速度。

看到不確定性原理的那一刻，玻爾終于明白，原來無論是光子還是電子，甚至是其他的一切，它們既是粒子，同時(shí)也是個(gè)波！我們對(duì)一個(gè)粒子的屬性了解越多，對(duì)波的屬性了解就越少，反之亦然，這就是不確定性原理背后的思想。

持續(xù)數(shù)百年的爭(zhēng)論，終于塵埃落定！

原來，無論是微粒說還是波動(dòng)說，都只是光本質(zhì)的一部分，只有二者的有機(jī)融合，才能組成有血有肉的光。

光具有波粒二象性，一切物質(zhì)都具有波粒二象性！

這就是三輪波粒大戰(zhàn)的最終結(jié)局！

總結(jié)

三次波粒大戰(zhàn)，持續(xù)時(shí)間之長(zhǎng)，波及范圍之廣，影響程度之深，在整個(gè)物理史上是十分罕見的！

下面的表格整理了三次波粒大戰(zhàn)的內(nèi)容與結(jié)局（其中的紅色文字表明該觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的）。

審核編輯：劉清