光量子备受嘲讽而声量子受到欢迎
爱因斯坦在1905年大胆提出,光一定是由粒子组成的。在今天,这一观点已经没有任何争议,但在当时却遭到了同行严厉而一致的拒绝。在晚年,他宣称,这个建立在根基最不稳定的类比之上的假设,是他整个职业生涯中最勇敢的思想。他的勇敢招致了同行一系列的嘲讽和敌视,其范围之广、时间之长和力度之强都是他没有预料到的。
在关于光量子的文章的结尾部分,这位年轻的“三级技术专家”(瑞士专利局的最低级别)提出了三种可能的实验方法来证明或否定他的理论,表现了他的聪明和勇气。爱因斯坦这样做是要冒一定风险的,因为他是在把武器交到自己的敌人手里,给了他们消灭自己的潜力。其中特别是第二种,牵涉到观察光电效应。光电效应是指当电磁辐射(例如,光)照射到金属表面的时候,一些电子从金属中飞出的现象。这是一个奇怪的小效应,从没有被当作一个物理学的伟大发现。1887年,德国物理学家海因里希·赫兹(Heinrich Hertz)首次非常粗糙地观测到这一现象。他的一系列实验结论性地表明了电磁波的存在,因而高明地证实了麦克斯韦方程。
爱因斯坦认识到,他的光量子理论将能够准确预测光电效应。特别是,它可以用一个非常简单的方程预测电子的逸出率是入射光波长的函数。这一预测与建立在麦克斯韦广为接受的方程上所作出的预测完全相反。爱因斯坦不可能知道,当时也没有任何其他物理学家能够知道,光电效应的准确测量结果会揭示什么。但是他非常清楚这个实验将是决定性的,而且可能导致一场大辩论,因为如果他的预测被证明是正确的,物理学家将被迫抛弃作为电磁学基础的麦克斯韦方程。在物理学的整个历史进程中,这是最矛盾的时刻,因为赫兹的实验,一方面成功地证实了麦克斯韦方程,另一方面又是微小的异常现象的源泉,而这一异常现在正要摧毁麦克斯韦方程。但是,爱因斯坦在文章结尾部分提出的实验非常难做,要等很多年之后才有了明确的结果。
然而,在1905年,没有人对光量子假说有过丝毫关注,因为除了爱因斯坦,他们都对麦克斯韦方程的正确性深信不疑。光是波组成的,就是这样。对此有任何怀疑都是愚蠢。甚至马克斯·普朗克本人,虽然振动原子的能量子是他提出的,但是他却宣称光量子的新假说没有道理。(值得一提的是,普朗克在多年前也曾宣布原子假说是没有道理的。但是到了1905年,他非常后悔他当时的观点。)面对同行的集体嘲讽,年轻的爱因斯坦对自己想法的信念没有丝毫动摇,也从未气馁。其实,称这些人为“他的同行”有些牵强,因为在1908年之前,爱因斯坦只不过是一个业余物理学家,他的正式职业是专利局技术专家。
1907年,爱因斯坦将他的量子思想又往前推进了一步。他提出了一个新类比。这个类比建立在马克斯·普朗克振动原子的能量子和他本人的光量子的基础之上,与固体内部的声波有关。从本质上看,爱因斯坦创建了声量子的思想,虽然他从未用过这个术语。(今天,组成声波的量子被称为“声子”,与“光子”相对应。声子在凝聚态物理学中起关键作用。)爱因斯坦用新方法描述固体的内部振荡,解决了困扰着固体热容的主要难题。这一次,令人奇怪的是,物理学界虽然还是不接受他的光量子思想,但是却一致接受了爱因斯坦建立在声量子基础之上的固体热容的解释的正确性。1909年,荷兰物理学家彼得·德拜(Peter Debye)深化了爱因斯坦的理论,并建立了强大的热容理论。这个理论被物理学家迅速而热情地接受了,尽管他们仍对爱因斯坦的光量子假说持冷淡态度。
后来,爱因斯坦和普朗克建立起了深厚的友谊和相互的尊重。1913年,普朗克推荐爱因斯坦为普鲁士科学院院士。普鲁士科学院是世界上最有声望的科学组织之一。在他的推荐信中,普朗克对爱因斯坦大加赞扬,但涉及爱因斯坦一直维护的光量子的题目时,普朗克评论说:“他的推测有时会偏离靶子,例如,他的光量子学说。对此我们不要过于苛责,因为在最严格的科学中,要想真正创新,有时不冒险是不可能的。”5
从1906年到1915年的10年间,美国知名物理学家罗伯特·密立根(Robert Millikan)对光电效应进行了一系列长期且精心设计的实验。从一开始,他就抱着一个信念,认为在这个问题上爱因斯坦的观点毫无价值,因为它与100年来的发现背道而驰。英国的托马斯·杨、法国的奥古斯丁·菲涅耳的实验,特别是1887年德国赫兹的实验都证明光是由波组成的,这一事实排除了光是粒子的可能性。对于他来说,也是对于几乎所有人来说,光同时是粒子和波的观点是无法想象的。尽管如此,密立根的实验竟然完全证明了爱因斯坦的预测。这使密立根深深陷入了内心矛盾。在发表于1917年的著作中,密立根承认他的实验结果完全支持爱因斯坦的革命性预测,但是他坚称“我们必须当心爱因斯坦关于光的‘轻率’的想法,因为这些想法没有理论根基”。换句话说,虽然爱因斯坦关于光电效应的推测性解释提供了无懈可击的预测,我们也不应该信任它,因为它不是根据已知的物理学定律严格推导出来的。密立根竟然还在文章中轻率地宣布爱因斯坦本人已经不再相信他自己的关于光的“错误理论”(这纯属密立根没有任何事实根据的凭空捏造)。
更糟糕的是,1921年的诺贝尔物理学奖虽然授予了爱因斯坦,但却不是因为他的光量子理论,而是因为“他发现了光电效应的规律”。奇怪的是,颁奖辞只字不提该规律背后的思想,因为诺贝尔奖委员会成员,甚至整个物理学界都没有人相信这些思想!光量子被物理学界的全体成员,甚至包括其中最有冒险精神的成员,一致否认。例如,在次年,伟大的丹麦物理学家、爱因斯坦的崇拜者,尼尔斯·玻尔因他对量子理论的贡献而获得了诺贝尔奖。在他的获奖演说中,尼尔斯·玻尔不屑地把爱因斯坦关于光的粒子特性的构想一笔勾销,称之“对认识辐射的本质无用”。
就这样,爱因斯坦不是因为他关于全部自然现象中最基本、最普及的光的本质的革命思想,而是因为他的一个意义远逊的关于光电效应的小方程式,而获得了他一生中唯一一次诺贝尔奖。这就好像非常挑剔的《米其林指南》在授予阿尔伯特餐厅最高的三星级荣誉时,故意不提大厨一贯上乘的五道菜主食,却只列出餐后咖啡味道很好。