第 06 章 · 科学

量子与那场大辩论

这就是爱因斯坦一生中最大的反讽。他是量子理论的奠基人之一——它为他赢得了诺贝尔奖——可他却始终无法接受它所揭示的那个奇异、由概率主宰的世界。三十年里，他一直与它争辩，并且在多数争论中落败。但他的质疑如此深刻，至今仍在塑造物理学。

让光变得「有颗粒」的人

在 1905 年关于光电效应的论文中，爱因斯坦提出：光不是一道平滑的波，而是一串离散的能量包——量子，后来称为光子。每个光子的能量只取决于光的频率（即颜色），而与亮度无关：E = hf。

这解释了任何波动理论都无法解释的谜题：为什么微弱的蓝光能从金属中打出电子，而明亮的红光却不能。用他自己的话说，这「极具革命性」——并为他赢得了1921 年的诺贝尔奖。

来源：
  1. 维基百科：光电效应。
  2. 维基百科：光子。

亲自试试

光电效应

用光照射金属。低于某个频率，什么也不会发生，无论多亮。高于它，电子立刻飞出。把颜色从红色滑向紫外，找到那个阈值。

你的预测

光已经超过阈值，电子正在飞出来。现在你把光调得更蓝，也就是频率更高，但每秒的光量子数不变。电子会有什么变化？

互动 · 量子物理

光 vs. 电子

—
被打出电子的动能： 0 eV

这里的阈值是按一种类似钠的金属设定的（逸出功 ≈ 2.3 eV）。请注意：亮度从未出现在计算中——只有频率决定电子能否逃逸。这就是量子的惊奇之处。

答案

B每个电子飞出时都带着更多能量。

光是一份一份来的，这些份叫光子，一个光子的能量只取决于频率。更蓝的光，光子能量更高；释放电子后剩下的能量，由电子作为动能带走。而飞出多少个电子，取决于每秒到达的光子数（颜色相同时，就是取决于亮度）。低于阈值时，再亮的光也没用。爱因斯坦在 1905 年就是这样解释光电效应的，并主要因此获得 1921 年诺贝尔物理学奖。

给好奇的你：计算过程

动能 E = h · f − W，h ≈ 4.14 × 10⁻¹⁵ eV·s，逸出功 W = 2.3 eV。在 6 × 10¹⁴ Hz 时：2.48 eV − 2.3 eV ≈ 0.18 eV。在 10 × 10¹⁴ Hz 时：4.14 eV − 2.3 eV ≈ 1.84 eV。

来源: Wikipedia: 光电效应

任务已完成 0/2

  • 找到阈值：电子刚好开始出来时的最低频率。
  • 调到一个频率，让电子以至少 2 eV 的能量飞出。
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来源：
  1. 维基百科：光电效应 — 逸出功与阈值频率。

更多量子馈赠

爱因斯坦对量子理论的贡献远不止 1905 年。

激光

1916 年他描述了受激辐射——一个光子触发另一个完全相同的光子。几十年后，这成了每一台激光器背后的原理。

玻色-爱因斯坦凝聚态

他与萨特延德拉·纳特·玻色一起，预言了一种接近绝对零度的奇异新物态。1995 年它终于在实验室中被制造出来，为其创造者赢得了诺贝尔奖。

波粒二象性

他的工作帮助揭示：光——以及物质——既表现为波，也表现为粒子，这是现代物理学的一块基石。

来源：
  1. 受激辐射；玻色-爱因斯坦凝聚态。

「上帝不掷骰子」

尼尔斯·玻尔与阿尔伯特·爱因斯坦深入交谈，约 1925 年由保罗·埃伦费斯特拍摄
爱因斯坦与尼尔斯·玻尔，约 1925 年。他们关于量子理论那些诙谐却深刻的辩论，在物理学界堪称传奇。图片: Paul Ehrenfest. 公有领域, 通过维基共享资源 (来源)

到 1920 年代末，量子力学已变得彻底概率化：它能预言电子在何处出现的几率，却永远给不出一个确定的答案。对爱因斯坦来说，这无法忍受。他相信一个完备的理论必须描述一个确定的实在，而不只是概率。

在著名的索尔维会议上，他与尼尔斯·玻尔唇枪舌剑，设计出一个个巧妙的思想实验，想给量子理论下绊子。玻尔有时在不眠之夜后，为其中每一个找到了答案。「上帝不掷骰子，」爱因斯坦坚持；1926 年他在给玻恩的信中写道（译文）：「无论如何，我确信他不会掷骰子。」据玻尔本人后来的叙述，他曾提醒人们不要用日常语言给「天意」加上种种属性。「爱因斯坦，别再对上帝指手画脚了」这句俏皮话是后人的转述，并非有据可查的原话。

1927 年索尔维会议合影，二十九名与会者中有十七位已是或日后成为诺贝尔奖得主
1927 年布鲁塞尔的索尔维会议——堪称科学史上最不同凡响的一次群英荟萃。爱因斯坦坐在前排正中。图片: Benjamin Couprie, Institut International de Physique Solvay. 公有领域, 通过维基共享资源 (来源)
量子力学确实令人肃然起敬。但我内心有个声音告诉我，它还不是那个真东西。阿尔伯特·爱因斯坦致马克斯·玻恩的信，1926 年 12 月 4 日；据英译本翻译
来源：
  1. 维基百科：玻尔–爱因斯坦之争（英文）。
  2. 尼尔斯·玻尔：Discussion with Einstein（1949，英文）；Wikiquote：Albert Einstein（1926 年 12 月 4 日致玻恩的信）。
  3. 维基百科：EPR 佯谬；量子纠缠。