“你们是不是恨不得在所有东西前面都加上量子两个字？
瑞士专利局工作的爱因斯坦发表了一篇关于解释光电效应的论文，使得量子力学在早期的缓慢发展出现了转机。光电效应于1887年由德国物理学家海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）发现，指的是当光线照到某些金属表面时，人们能够探测到金属表面发射出电子（称为光电子）的现象。根据当时流行的光的波动理论，只要光的强度足够大，那么当金属吸收了足够的能量后，就一定会有电子能够挣脱金属原子核的吸引从金属表面发射出来。然而在实验中人们发现，对于每种特定的金属而言，只有当入射光的频率大于某个阈值时，才能检测到光电子的发射。而对于频率低于这个阈值的入射光，即使其强度再高，人们也无法探测到光电子的产生。
爱因斯坦在这个问题上参考了普朗克的假设，并且做出了更进一步的光量子假说。他假设光的能量并非连续，而是由一个个最小单位组成的（称为光量子），且每个单位的能量与光的频率成正比。他还猜想，这个比例系数就是普朗克在解决黑体辐射问题时用到的普朗克常数。正由于光束是由一个个的光量子（如今称为光子）组成，假如一束光的频率高于金属的阈值，那么单个光子也具有足够高的能量，使得吸收了这个光子的电子得以脱离原子核的束缚。反之，如果频率低于阈值，那么即使光的强度很高，也并不存在能量足够高的光子使得电子逸出。
作为一个领先于时代的理论，光量子假说毫不意外地遭到了当时主流物理学界的怀疑和反对。反对的理由也非常充分：在当时，人们已经知道光会产生衍射、干涉等现象，而这些现象有力地证明了光的波动性。麦克斯韦（James Maxwell）优美的电磁理论更是通过将光划入电磁波的范畴而精确地预测了光的各种现象（当然，光电效应除外）。在大多数人看来，爱因斯坦的理论只不过是在重提当年牛顿所支持，但在当时已被认为过时的光的微粒假说。然而，人们渐渐发现，爱因斯坦的理论可以很好地解释包括光电效应在内的一系列实验现象。爱因斯坦也因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖3。至于要理解为何光同样会展现出波动性质，则要等到1924年，由路易·德布罗意（Louis de Broglie）提出微观粒子的波粒二象性理论，解释了光为何会展现出波动性和粒子性这两种看似矛盾的性质的问题。
行文至此，想必大家已经对量子这个词有了更深入的认识：量子意味着能量存在不可再分的最小单位。回顾量子化假设诞生初期的故事，不禁让人感慨：伟大的、超越时代的理论，大多伴随着来自方方面面的打击与非议。同时，人类对这类理论的理解也会经历由简单到深入的波折，甚至理论的创造者本人也不能幸免。很多在今天早已成为常识、被写进教科书的知识，往往在诞生初期让顶尖学者们也困惑不已。而正是由于一代代学者的严谨治学，人类的知识体系才能不断朝着更揭示自然本质的方向前进。这生动而精准地体现了什么是科学精神：验证一个理论精确与否的唯一标准，只在于它是否能很好地符合实验数据，而不在于它是否由名人提出、是否符合“常理”、是否能很快被大多数人所接受。这对于今天站在巨人肩膀上的我们，更具有重要的参考意义。
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文|林俊安
