光電效應的歷史：愛(ài)因斯坦與萊納德之間的爭斗

??愛(ài)因斯坦因光電效應獲得 1921 年諾貝爾物理學(xué)獎。但是為什么無(wú)論是當時(shí)還是現在，愛(ài)因斯坦都是以他在相對論方面的工作而聞名。好吧，這一切都與一個(gè)名叫菲利普·萊納德 (Philipp Lenard) 的人有關(guān)，他在光電效應方面的實(shí)驗啟發(fā)了愛(ài)因斯坦的理論。

??萊納德是一個(gè)很令人追崇的人。他的工作在開(kāi)始的時(shí)候啟發(fā)了愛(ài)因斯坦，并兩人成為了朋友。然而由于各種陰差陽(yáng)錯的組合，包括對物理學(xué)的熱愛(ài)、科學(xué)方面的失望、民族主義和精神上的弱點(diǎn)，他最終成為愛(ài)因斯坦最大的克星之一。這是一個(gè)物理學(xué)方面的故事，也是關(guān)于一個(gè)人墮入瘋狂和法西斯主義的故事。這方面往事讓我們聽(tīng) Kathy 老師娓娓道來(lái)吧。

??一位名叫海因里?！ず掌澋哪贻p德國科學(xué)家于 1887 年 5 月發(fā)現了光電效應。赫茲利用在感應線(xiàn)圈上安裝天線(xiàn)發(fā)現了無(wú)線(xiàn)電波，可以通過(guò)在遠處的接收線(xiàn)圈輸出端產(chǎn)生的小火花來(lái)捕獲房間另外一端的大的放電火花。由于接收線(xiàn)圈中的火花非常小，赫茲決定將其放在暗箱中， 如此這般，感應線(xiàn)圈發(fā)出的明亮火花就不會(huì )分散他的注意力。令他驚訝的是，當他這樣做時(shí)，接收器中的火花“明顯變小了”。

??赫茲開(kāi)始在他的****火花和接收火花之間放置各種屏幕，發(fā)現玻璃會(huì )減少火花，而石英則不會(huì )。因為玻璃會(huì )阻擋紫外線(xiàn)，而石英不會(huì )。赫茲決定，來(lái)自紫外線(xiàn)光線(xiàn)的能量一定是放大了電火花。除了那個(gè)觀(guān)察之外，赫茲沒(méi)有嘗試“任何關(guān)于觀(guān)察到的現象背后的理論” 了。這最終被稱(chēng)為光電效應。Photo 為光，Electric 為電。

??盡管赫茲沒(méi)有提出任何理論。許多其他人也嘗試過(guò)，包括一位 27 歲的德國血統匈牙利研究生 Philipp Lenard，他正在努力獲得大學(xué)中的永久職位。當時(shí)在德國，27 歲被認為已經(jīng)很老了，沒(méi)有固定的物理學(xué)職位。

??好吧，我知道 Lenard 觀(guān)察到，當光滑的金屬板被強烈的紫外線(xiàn)照射時(shí)，它們看起來(lái)開(kāi)始變得不那么光滑了。對此，萊納德有一個(gè)有趣的理論，即電只能由灰塵而不是由氣體攜帶，正是因為紫外線(xiàn)使得導體帶電，從而聚集了灰塵，就使得金屬板板材看起來(lái)粗糙?；旧袭敃r(shí)所有人都忽略了這個(gè)理論，之后再沒(méi)有進(jìn)一步發(fā)展。

??然而三年后，萊納德的運氣發(fā)生了變化，他設法找到了一份工作，擔任他心目中的英雄海因里?！ず掌?(Heinrich Hertz) 的助手。

??當時(shí)赫茲正在研究真空管中產(chǎn)生的陰極射線(xiàn)，或者不可見(jiàn)射線(xiàn)，它可以使磷粉發(fā)光。赫茲發(fā)現陰極射線(xiàn)可以穿過(guò)薄金屬片。他告訴萊納德制作一個(gè)帶有鋁制屏障的真空管。你可能會(huì )問(wèn)赫茲為什么不親自做這個(gè)實(shí)驗。這可能是因為赫茲開(kāi)始頭痛得厲害，并且一直感到惡心。

??獨自留在實(shí)驗室里，萊納德不僅研究了在不同真空之間用鋁屏障的陰極射線(xiàn)，他還更進(jìn)一步，在真空管和空氣之間制作了一個(gè)鋁窗。令他驚訝的是，陰極射線(xiàn)可以在空氣中傳播幾英寸。

??萊納德確信他的 Lenard 真空管最終會(huì )使他在科學(xué)界名聲大噪。他于 1893 年 12 月發(fā)表了他的結果。不幸的是，幾周后赫茲就去世了，萊納德抽出時(shí)間來(lái)編輯赫茲作品和傳記的德文和英文紀念冊。這段時(shí)間的分心對萊納德來(lái)說(shuō)非常走運了，因為就在第二年，另一位名叫威廉·倫琴的德國科學(xué)家用很厚磷光屏對 Lenard 管進(jìn)行實(shí)驗，并發(fā)現了一種新的射線(xiàn)，倫琴稱(chēng)之為 X 射線(xiàn)。突然間，整個(gè)世界都陷入了 X 射線(xiàn)的狂熱之中。

??起初萊納德對這一發(fā)現感到興奮，并給倫琴寫(xiě)了一封善意的感謝信：“因為你非凡的發(fā)現在廣泛的圈子里引起了如此顯著(zhù)的關(guān)注，我的微薄工作也受到了關(guān)注?！? 起初萊納德是正確的，因為他們都開(kāi)始獲得無(wú)數獎牌，包括英格蘭的拉姆福德獎牌和意大利的馬托奇梅德?tīng)柂勁啤?/p>

??萊納德終于獲得了副教授的職位，并在建立了他的實(shí)驗室后決定結婚。正如他所說(shuō)，“有很多教授的女兒正在等待結婚?！?/p>

??很快他就被任命為正教授，他的事業(yè)和家庭生活似乎都安穩了。然而在 1897 年，一位名叫 J.J.Thompson 的英國人證明了陰極射線(xiàn)根本不是一種光， 而是一束帶電的粒子，我們現在稱(chēng)為電子的粒子。

??隨著(zhù)電子的發(fā)現，萊納德發(fā)現他在陰極射線(xiàn)方面的所有工作都變得毫無(wú)意義。更糟糕的是，如果陰極射線(xiàn)是一個(gè)粒子，而 X 射線(xiàn)，也就是我們現在認為的超紫外光與陰極射線(xiàn)之間就沒(méi)有任何關(guān)系了， 雖然萊納德發(fā)現陰極射線(xiàn)可以在空氣中傳播。也就是說(shuō)，萊納德以為倫琴只是在空氣中發(fā)現了一種新型的陰極射線(xiàn)，但實(shí)際上倫琴有新發(fā)現，而萊納德沒(méi)有。

??這是一場(chǎng)慘敗。萊納德重復了 JJ 湯普森的實(shí)驗，發(fā)現射線(xiàn)在各個(gè)方面都表現得像帶負電荷的移動(dòng)粒子。然后萊納德有了一個(gè)巧妙的想法，如果他的舊理論，即電荷只由塵埃攜帶是正確的， 那么所謂的塵埃實(shí)際上就是陰極射線(xiàn)電子。1899 年 10 月，萊納德發(fā)表了用紫外光產(chǎn)生陰極射線(xiàn)論文。他通過(guò)石英屏將紫外光照射到真空管中并研究管內的光電射線(xiàn)，從而演示了紫外光產(chǎn)生電子現象。

??對萊納德來(lái)說(shuō)不幸的是，英國人 J.J.Thompson 幾乎在同一時(shí)間發(fā)表了類(lèi)似的結果。所以他覺(jué)得他沒(méi)有因那個(gè)發(fā)現獲得相應的認可。然后，人們對理解光電效應的突破發(fā)生在 1900 年 12 月。當時(shí)一位名叫馬克斯·普朗克的德國科學(xué)家發(fā)表了他的黑體輻射方程。他假設光子的能量等于常數乘以光頻率。這可以解釋為什么紫外線(xiàn)可以具有產(chǎn)生光電效應，而可見(jiàn)光卻不能。由于紫外線(xiàn)具有較高的頻率，因此對應的光子能量高。

??然而，萊納德沒(méi)有普朗克研究結果與光電效應之間的聯(lián)系，坦率地說(shuō)，普朗克也沒(méi)有看到。與此同時(shí)，在 1901 年，諾貝爾獎決定將諾貝爾物理學(xué)授予倫琴，以表彰他發(fā)現了 X 射線(xiàn)，但根本沒(méi)有提及萊納德。萊納德非常沮喪，到處宣講他受到了不公平的對待， 決心以其他方式獲得別人對他的認可。

??Lenard 繼續研究紫外線(xiàn)在真空管中產(chǎn)生的粒子。萊納德發(fā)現，如果他在真空管電極之間反方向施加電壓，可以將電子驅回被照射的板?！熬拖褚粔K石頭被扔上去會(huì )落回地面一樣?！?/p>▲ 圖1.3.9 光電子被反向電壓驅動(dòng)返回

??現在他可以通過(guò)實(shí)驗施加足夠電壓來(lái)驅回電子，從而測量電子的最大初始動(dòng)能，這顯然與電子的速度有關(guān)。令他驚訝的是，初始速度與光的強度無(wú)關(guān)。換句話(huà)說(shuō)，更強的光會(huì )產(chǎn)生更多的電子，但并沒(méi)有給單個(gè)電子更多的能量。這是怎么一回事呢？

??對此，萊納德有一個(gè)有趣但結果是錯誤的結論。萊納德認為，由于電子的速度與光的強度無(wú)關(guān)，所以能量根本不是來(lái)自光。相反，他認為光會(huì )釋放分子中固有的能量，就像“引信觸發(fā)上膛的子彈一樣?！?這個(gè)觸發(fā)理論被普遍認為是正確的，甚至直到 1909 年還被寫(xiě)成普遍接受的物理定律之一。

??然后在 1905 年，三件事徹底改變了萊納德的生活。首先是萊納德因其在陰極射線(xiàn)方面的工作而獲得諾貝爾物理學(xué)獎。盡管有 14 位頂尖科學(xué)家提名 JJ Thomson 發(fā)現電子，但只有兩位科學(xué)家提名 萊納德。不過(guò)別擔心，JJ Thomson 第二年就獲得了諾貝爾獎。

??在他的獲獎感言中，萊納德坦率地承認了包括許多猶太科學(xué)家在內的其他人的工作，并坦誠的說(shuō)他并不總能促使想法開(kāi)花結果。他說(shuō)：“我從來(lái)都不是采摘果實(shí)的人， 但我只是種植或照料樹(shù)木的人之一?！?/p>

??第二個(gè)事件是 1905 年 6 月，一位專(zhuān)利職員發(fā)表了論文，他在論文中提出要研究包括光電效應在內的許多現象。如果光以小能量包的形式出現，這種光的觀(guān)點(diǎn)導致光電效應方程與萊納德的結果相符，但并沒(méi)有理論上得以證明。

??第三件事發(fā)生在愛(ài)因斯坦創(chuàng )造奇跡的同一年，他發(fā)表了一篇關(guān)于狹義相對論的論文。起初，愛(ài)因斯坦和他的想法并沒(méi)有冒犯萊納德。事實(shí)上，萊納德或可能是他的助手看到愛(ài)因斯坦經(jīng)常提到萊納德的工作，并給他寄了一份他最新的論文。愛(ài)因斯坦回信熱情洋溢。四年之后萊納德才回復愛(ài)因斯坦。但當他這樣做時(shí)，他對愛(ài)因斯坦的贊美溢于言表。

??特別是考慮到萊納德是獲得諾貝爾獎的物理學(xué)家，而愛(ài)因斯坦當時(shí)幾乎不為人知。萊納德滔滔不絕地說(shuō)：“當像你這樣深刻而全面的思想家對我工作的某些觀(guān)點(diǎn)表示贊賞時(shí)，對我來(lái)說(shuō)沒(méi)有什么比這更令人興奮的了?！?/p>愛(ài)因斯坦交惡萊納德

??大約在 1909 年這個(gè)時(shí)候，愛(ài)因斯坦得知他的一位朋友雅各布·勞德得到了萊納德的助手職位。愛(ài)因斯坦寫(xiě)道：“我認為與萊納德共事的機會(huì )遠非金錢(qián)能夠衡量。萊納德是一位大師和富有創(chuàng )造力的偉大思想家?！? 然而，勞德與萊納德的關(guān)系很快惡化，愛(ài)因斯坦與萊納德的關(guān)系也同樣隨之惡化。

??萊納德堅信一種叫做以太的東西，一種看不見(jiàn)的沒(méi)有質(zhì)量的物質(zhì)，即使在真空中也能充滿(mǎn)整個(gè)宇宙。這樣光就是以太的震動(dòng)形式。畢竟當時(shí)的人們認為，如果有震動(dòng)，就需要在某些物質(zhì)中產(chǎn)生震動(dòng)。事實(shí)上，萊納德堅持認為電子實(shí)際上只是以太的碎片。然而到了 1910 年，由于愛(ài)因斯坦和相對論，這種神奇的以太失去了人們的支持。之所以之前人們想到以太，還是因為光速是一個(gè)有限數值的原因。

??勞布向愛(ài)因斯坦抱怨萊納德在無(wú)用的實(shí)驗上浪費時(shí)間。愛(ài)因斯坦回信說(shuō)：“萊納德最近關(guān)于這些奇異的以太演講在我看來(lái)幾乎是幼稚的。他讓你對以太進(jìn)一步研究的理論基礎非?；闹?。我很抱歉你必須把時(shí)間花在這樣的愚蠢上?！?/p>

??愛(ài)因斯坦試圖讓勞德?lián)涡侣毼?，這引起了萊納德對兩人的憤怒。萊納德對待勞德開(kāi)始惡劣起來(lái)。當愛(ài)因斯坦聽(tīng)說(shuō)這件事時(shí)，他寫(xiě)信給勞德：“萊納德真是一個(gè)心態(tài)扭曲的家伙，心里充滿(mǎn)著(zhù)陰謀詭計。我認為你最好遠離他?！? 雖然愛(ài)因斯坦這么建議，但勞德還必須與萊納德共事， 也許只能等待萊納德老去。

??然后在 1914 年，一位名叫羅伯特·密立根 (Robert Millikan) 的美國人發(fā)表了他關(guān)于光電效應的文章。實(shí)際上一開(kāi)始他是想證明愛(ài)因斯坦的理論是錯誤的，但卻震驚地證實(shí)了愛(ài)因斯坦光電方程的每一個(gè)細節。這樣萊納德關(guān)于光電子的觸發(fā)理論被徹底推翻了。

??此外，同年是第一次世界大戰的開(kāi)始，萊納德是德國的堅定支持者。事實(shí)上，萊納德簽署了致“文明世界的宣言*，其中包括 “沒(méi)有德國軍國主義，德國文明將從地球表面消失**” 這樣的言論。愛(ài)因斯坦不僅拒絕簽署宣言，還與人合寫(xiě)了一份反駁信。在德國戰敗后，萊納德悲痛欲絕。

??更糟糕的是，就在同一年，一位英國天文學(xué)家利用太陽(yáng)日食證明了引力可以使光線(xiàn)彎曲。換句話(huà)說(shuō)，他通過(guò)實(shí)驗證明了相對論。愛(ài)因斯坦成為世界上最著(zhù)名的物理學(xué)家，大多數科學(xué)家都相信相對論。

??萊納德對此不僅嫉妒而且傷心，認定這一切都是因為愛(ài)因斯坦是猶太人，是猶太人的大陰謀，目的是擺脫以太，推動(dòng)相對論以及量子化光電效應，摧毀德國，抹黑自己。

??萊納德畢生致力于從德國移除猶太科學(xué)。他試圖為純德國人保留所有研究職位。而且他還利用自己作為前任獲獎?wù)咴谥Z貝爾委員會(huì )的影響力，試圖阻止愛(ài)因斯坦加入他們的行列。

??1919 年，萊納德設法讓他的朋友兼反猶同僚約翰內斯·斯塔克獲得諾貝爾獎，盡管萊納德是他當年唯一的提名人。到 1920 年，萊納德領(lǐng)導著(zhù)反愛(ài)因斯坦和反相對論團體，不斷發(fā)表演講、辯論和發(fā)表反猶太主義的出版物。

??1921 年的諾貝爾委員會(huì )被支持相對論和反對相對論的派別搞糊涂了，以至于那一年沒(méi)有給任何人頒發(fā)諾貝爾獎。第二年，一位名叫卡爾·奧森 (Carl Oseen) 的年輕瑞典科學(xué)家找到了解決這個(gè)問(wèn)題的方法，并建議愛(ài)因斯坦獲得前一年的諾貝爾獎?！疤貏e獎勵他發(fā)現了光電效應定律?！? 至此萊納德就完全出局了。

??到 1924 年，萊納德已成為一名忠實(shí)的法西斯分子。他和斯塔克在報紙上發(fā)表了一篇文章，稱(chēng)“希特勒和他的同志們在我們看來(lái)是上帝從種族純潔的古代時(shí)代賜予的禮物”。到 1930 年代，萊納德開(kāi)始出版按種族劃分的科學(xué)書(shū)籍，這些書(shū)籍成為納粹科學(xué)的支柱。

??1933年，愛(ài)因斯坦逃離德國，再也沒(méi)有回來(lái)。萊納德以他如何將愛(ài)因斯坦和其他猶太科學(xué)家趕出德國而自豪， 并燒毀了所有猶太人的作品，更希望猶太人去死。他寫(xiě)信給斯塔克說(shuō)：“比以往任何時(shí)候都更為重要的是，這些猶太人惡魔必須墜入地獄?！?/p>

??具有諷刺意味的是，沒(méi)有被他們趕跑的“惡魔們”的幫助，萊納德和斯塔克斯開(kāi)始失去對納粹精英的吸引力。他們無(wú)法幫助戰爭，他們無(wú)法推動(dòng)原子核裂變研究。

??此外，此時(shí)萊納德已經(jīng)老了，與英俊年輕的海森堡等其他科學(xué)家相比，納粹根本不尊年老且沒(méi)有吸引力的萊納德。萊納德在戰爭中幸存下來(lái)，并于 1947 年去世。哇，終于擺脫了。

??讓我們稍微回顧一下愛(ài)因斯坦和他 1905 年的論文以及光電效應。其實(shí)不光是光電效應。愛(ài)因斯坦 1905 年的論文是關(guān)于光的產(chǎn)生與轉換的啟發(fā)式觀(guān)點(diǎn)，其中光電效應只是這種新觀(guān)點(diǎn)來(lái)解釋實(shí)驗的一個(gè)例子。愛(ài)因斯坦的關(guān)于光的新觀(guān)點(diǎn)是什么？為什么它如此具有變革性和激進(jìn)性？ 下一回我們接著(zhù)說(shuō)。