能量子是什麼

1905 年，阿爾伯特· 愛因斯坦只是位於伯爾尼的瑞士聯邦專利局的一名小職員。他還沒有當上大學教授，除了有幾個經常聚在一起談論科學和吃烤腸的好友，他在學術界也並不出名。

然而，

1905 年

註定將成為愛因斯坦和整個物理學歷史上的“

奇蹟之年

”：

這一年，他發表了 4 篇具有劃時代意義的論文，每一篇都足以獲得一次諾貝爾獎，這些成就深遠地影響了整個世界

，愛因斯坦也由此變得舉世聞名。

第一篇論文《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》

在第一篇論文《

關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點

》裡，愛因斯坦透過量子理論解釋了光電效應，並最終證明了能量子以及光子（即光的粒子）的存在。

愛因斯坦的理論很大程度上基於普朗克在 1900 年提出的假設，他認為，光只能夠接收或發射一份份不可分割的能量塊，也即量子，量子以光速移動；他還指出，對於光電效應來說，如果入射光低於給定的頻率，即使強度很大，也無法產生任何電流，而強度很小的光線，只要頻率足夠高就可激發電流，也就是說光電效應存在閾值。

按照愛因斯坦的理解，這個閾值的產生源於光子與電子之間的碰撞，光子透過撞擊電子來使之具備脫離原子束縛的能量，從而激發電流，但有時光的強度再大（即增加光子數目）也無法激發光電效應，因為並沒有一個滿足撞擊條件的高能量光子。

愛因斯坦的理論雖然在很大程度上合理地解釋了當時物理實驗中觀察到的光電效應，但仍存在一個較大的問題：它徹底質疑了麥克斯韋的經典電磁學理論基礎，即所有的電磁輻射（也就是光）都是連續的，並可進行能量的無限分割。

所以當時整個科學界都很難理解和接受他的這個觀點，而量子理論的創始人普朗克自己對愛因斯坦的光量子理論也持不同意見，這一點表現在他推薦愛因斯坦為普魯士皇家科學院院士的聯名信中：

“總而言之，我們可以說，在使近代物理學結出碩果的那些重大問題中，很難找到一個問題是愛因斯坦沒有做過重要貢獻的，在他的各種推測中，他有時可能並沒有透過理性分析射中標的，例如，他的光量子假設就是如此，但是這並不能成為過分責怪他的理由，因為即使在最精確的科學中，也不可能不偶爾冒點風險去引進一個全新的基本概念。”

這些情況並未影響愛因斯坦以他的第一篇論文獲得

1921年的諾貝爾獎

，而直到 1923 年，康普頓的散射實驗證實了光量子假設可圓滿解釋光電效應之後，科學界才停止對愛因斯坦本人及他的理論的嘲笑。

也就是從那之後，光更多地被認為是一種粒子，也就是光子，而非一種波。可是，電磁學理論所認為的光為波動的本質在很多情況下仍然解釋得通，甚至比用粒子性理論解釋更加合適。

事實上，根據所研究現象的不同，波動論和粒子論各有千秋。這個矛盾也將開闢物理學的一個全新領域——量子物理學。

第二篇論文

在第一篇論文寄出幾周後，也還是在 5 月，他給《物理學年鑑》（ Annalen der Physik）寄出了

以布朗運動為主題

的第二篇論文，並在 7 月發表。布朗運動又是什麼呢？在一個裝滿熱水的杯子裡倒一些花粉，你將看到花粉在水中不規則運動、突然改變方向、明顯停止運動、重新開始運動等。這種不規則的運動被稱為布朗運動。

愛因斯坦深信

原子真實存在

，直到那時，原子對科學界來說還更多的是一個對方程有用的數學工具，而不是物理實體。假設熱水是由很多不穩定的水分子組成的，水是熱的，這些分子不穩定，到處移動，無規則地撞擊花粉；愛因斯坦推論花粉的運動是碰撞的結果。愛因斯坦遇到的最大問題是需要結合熱力學和經典力學來闡述他的觀點，後者描述物體的運動，前者卻研究大系統。

他開始效仿玻爾茲曼關於熱力學理論的工作，也用數學方法證明他的直覺的正確性，而這些成果在當時還沒被人們接受。他意外地得出一個“幾乎的證據”——原子的真實性需要讓· 皮蘭透過無可辯駁的方式證明。另外，愛因斯坦透過這篇論文，

證明了玻爾茲曼的理論成果與實驗觀察的完美一致性

。

愛因斯坦僅在幾周內就第二次掀起了自然科學的革命

。在和光打交道後以及幾乎證明了原子的存在後，他只剩下透過時間和空間來完全引爆物理學基礎的工作。

第三篇論文：《論動體的電動力學》

在文中他

首次提出狹義相對論

。

6月，就在他發表了他的前一篇關於布朗運動的論文幾個星期之後，這篇論文——其出版當然是經由傑出的科學家小組稽核透過的，這些科學家中包括了馬克斯· 普朗克——還是比較容易讀懂的，除了數學那部分。

我們需要理解的是，愛因斯坦所要表達的主旨就是，他仍然堅信，適用於宇宙的定律必須是優美的，宇宙的普遍規律也必須是優美的，一切都是和諧相通的。愛因斯坦是個

唯美主義者

，他並不認可以太，因為以太強調的是不對稱；在力學中，所有的參照系都是一樣的，任何東西都不是絕對的。

在電磁學中，應該也會有這種絕對靜止的以太，但它不應與力學有所衝突。愛因斯坦不認可這些。而且他注意到，在傳播光波這件事上，以太只會讓事情變得更復雜，尤其讓他生氣的是，他曾在他的第一篇論文中成功證實光是由一種叫作光子的粒子構成的。他並沒有責備他的那些所謂的同行——愛因斯坦原本是位於伯爾尼的瑞士聯邦專利局的一名普通職工——想象出了以太這樣一種物質的存在，他覺得並不需要這種物質，甚至覺得這是一個不好的思路，是時候忘記這種假設物質的存在了。就當如此。

於是，他所做的事就是證明了

電磁波不需要媒介就能傳播

，

也正是這個理論奠定了電場理論的基礎

；之後，他也回答了

所有洛倫茲和龐加萊用以太來回答的關於光波長度收縮和運動中的靜電場的問題

。他提出的是一個全新的關於時間和空間的理論，這正是我們所說的

狹義相對論