光子，電子，量子和翹課的大學生

Albert Einstein 愛因斯坦 (1927 Solvay Committee)


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『 ob der liebe Gott würfelt ? 』


『 上帝玩骰子嗎? 』


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上個世紀的第一年，1900年 一個成天翹課，成績中下，被教授唾棄的學生，免免強強的從蘇黎世聯邦工業大學畢業了。這位所有翹課學生的偶像，在未來的五年內仍將沒沒無聞的，躲在老爸介紹的瑞士柏恩專利局一角，作著一舉成名的美夢。





或許是上帝聽到了他的請求，這位將會叱吒世界半世紀的青年，在仍是一位小小的三級技術師的時候，卻一舉提出並解釋了三個當時，令所有物理學家困擾的問題─分子運動理論，相對論，和我們專題的主角，量子理論。也許因為這樣，愛因斯坦在他的餘生，都親密的稱呼這改變他命運的上帝為─老頭子。





無可否認的，前兩個重要的近代理論，尤其是相對論，幾乎完全由這位好運兼智慧超群的年輕人獨自完成，也在接下來的一個世紀中，獨領風騷。但是在量子理論中，愛因斯坦這位開路先鋒，卻常常站在這他發揚光大的理論的反面，最有名的反駁，就是我們文章開頭的這句，上帝是不玩骰子的這句名言。但無論如何，愛因斯坦接手普郎克的量子觀念後，首先開始，將時空從連續的平滑表面，拆散成零散破碎的量子世界。從此絕對概念消失了，相對才有物理意義的時空觀念，快速的在物理學界建立起來。不過，一個連愛因斯坦都沒想像到的理論，將迅速的把連觀測者和所謂的客觀宇宙，都溶化在量子的方程式背後。





在1905年 愛因斯坦飛黃騰達的這一年，他所發表的六篇論文中，跟量子理論最有關係的，是一篇叫做 heuristic interpretation of the radiation and transformation of light 的物理雜誌論文。





這篇有名的論文，將解決一個困擾1900年代物理學家的問題─光電效應。這個近代半導體的基礎，在二十世紀初，作為一個實驗室中的觀察到的效應，是令當代所有人都困惑的。實驗的結果是如下 :





當光線照射在金屬表面時，金屬表面的電子，會因此而脫離金屬原子，產生電荷和電流。說明為何會產生此現象，仍需要原子模型建立後，才能說明，但最令人困惑的疑問並非在此，令人困惑的是，當一定頻率以下的光線，就無法"打"出任何電子來。無論這光線的強度有多高。但高過門檻的高頻率光線(偏紫外線)照射下，並不會打出更多的電子，只會打出能量比較高的電子，就算再弱的紫外線仍然可以產生光電效應，打出能量低的電子。就單從能量觀點來看的話，低強度的紫外線所擁有的能量，遠比高強度的紅外線能量小的多了。





這個頻率的關鍵，一直困擾著物理學家。但愛因斯坦在了解了普郎克的量子觀點後，馬上就想到，既然輻射能量作為電磁波，可以用一種量子狀態來表示，那當然光作為一種電磁波，也可以作為一種量子，光的量子，也就是我們現在常在科幻電影中聽到的photon─光子。那光電效應的問題就迎刃而解了。





高頻率的光線，就是代表每個組成光線的單一光子，都擁有高的能量，那對應到一定的電子能量，才能"轉換"成一個活蹦亂跳的電子。如果達不到這個門檻要求的光量子，就沒辦法帶走任和一個電子。至於光的強度，則是量子的數目來定義。因此總能量很大的高強度紅外線，就相當於很多的低能光量子，只要沒有任一個光量子到達門檻，那無論如何都不會產生光電效應。反過來說總能量低的低強度紫外線，就是數量不多的高能光量子，只要過了門檻，光電效應就一定會產生。





這個天才的概念跳耀，並沒有馬上的在物理學界掀起風潮，但僅是這量子的概念，就已經讓那個時代的物理學家十分感冒。當時主流的電磁波理論，本質上就是用"波"作為理論基礎，這光量子要如何能擺進電磁波理論中呢?





另一個巨大的問題就是，光到底是如何的從金屬表面"打"出電子來? 在原子理論尚未建立的年代，所有的物理學家都相信，物質是均勻的連續物體，由各種物質所融合而成，電子只是一種極微小的附著在物體中的小雜質。在光電效應的量子勝利後，另一個更巨大的物理學革命又要開始了。為了解釋物體的本質，新的實驗將要開始，這次大家將要把頭，從看的見的花花草草中，埋入那不可見的超微觀世界中。