量子史话︱爱因斯坦获诺奖，为什么是光电效应，而不是相对论？
上个视频我们说了，爱因斯坦不同寻常的求学之路，在1900年7月毕业以后，到1902年6月去伯尔尼专利局上班，这两年间可能是爱因斯坦人生中最迷茫的时期。
爱因斯坦没能走上一条正常的学术道路，不过去专利局上班可能更适合他，而不是给别人当助教、或者是去实验室当个助手之类的，
因为爱因斯坦的性格就不是那种能轻易接受约束和管教的人，在专利局完成工作以后，可以有闲暇的时间，不受约束的去思考自己心中的物理学。
1905年，爱因斯坦已经在专利局待了三年的时间，这一年爱因斯坦像是得到了上帝的启示，3月18号到6月30号，在德国《物理学年鉴》上连发了四篇论文，之后的9月又补发了一篇比较简短的论文，作为其中一篇论文的补充。
除了这5篇论文以外，爱因斯坦还在这一年写了21篇书评，在科学史上只有牛顿的成就才能与这一年的爱因斯坦相媲美。
现在看来爱因斯坦的5篇论文，每一篇都足以让他名垂青史，3月18号的论文题目是《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，这个论文的题目比较有趣，也是我们今天的主题：光量子。
4月30号的论文提出了测量分子大小的新方法，这是他的博士论文；5月11号的论文是关于对布朗运动的解释，这篇论文成为了原子存在的最好证据。
6月30号的论文题目是《论动体的电动力学》，这篇论文解决了经典电磁学和经典力学之间的矛盾，就是后来我们所说的狭义相对论。
9月发表的论文是对狭义相对论的补充，里面提出了我们最熟悉的质能方程。顺便解决了超光速的问题，就是有质量的物体不可能通过有限的能量达到光速。
在这5篇论文中，爱因斯坦曾给自己的朋友哈比希特说，第一篇论文完全属于自己的原创思想，极具开创性和颠覆性，完全够得上是异端邪说。
而关于相对论，爱因斯坦则轻描淡写，认为这只是对前人思想的总结和修正而已。
这里再强调一下，普朗克只是把能量吸收和释放的过程量子化了，而爱因斯坦在论文中采取了不同的方法，也得出了一个公式，和普朗克公式E=hv数学形式不同，但完全等价。
爱因斯坦公式与普朗克公式的物理意义也不同，即，能量本身就是量子化的，最小的一个量份为hv，称为光量子。
所以说，光量子是爱因斯坦的原创思想，由于爱因斯坦独立推导出了E=hv，赋予了它新的物理学意义，因此这个公式也被称为普朗克-爱因斯坦公式。
爱因斯坦在光量子论文的题目上表现得非常谨慎，他知道自己的论文发出以后肯定会挨喷。
因此爱因斯坦含蓄地给论文的题目加了三个字：启发性！意思就是说，我只是提出了一个解决问题的办法，大家可以尝试一下，关于光量子是不是真实存在，我没有实验证据，把握不住，大家可以帮忙把握一下，请不要喷我。
爱因斯坦的担心并不是多余的，从光量子假设提出以后的20年间，基本上没有人相信，普朗克坚决反对，波尔也一样，不相信光量子理论。
在论文中，爱因斯坦为了使得光量子更具有说服性，他还解释了19世纪遗留下来的一个物理学难题，也是我们前面的视频中提到的一朵小乌云：麦克斯韦电磁理论在光电效应上的难题。
光电效应最早在1887年被赫兹无意中发现，1902年赫兹的前助理菲利普·莱纳德重新就这个问题做了系统性的研究，并发现了与现有物理学相矛盾的地方。
根据麦克斯韦电磁理论光是一种波，能量可以连续地被吸收和释放，而且在经典物理学里面波的能量跟频率没有关系，频率只代表了在一定时间内，通过一个点的波峰或者波谷的数量，真正和能量相关的是波幅，能量的大小和波幅的平方成正比。
比如湖面上的水波，上下起伏得越大，你的船就摇晃得越厉害，这就说明波幅决定了波传递的能量大小。而在波幅很小的情况下，即使通过你的水波，频率非常高，但是你的船依然可以纹丝不动。
对于电磁波来说，我们理所当然地认为光强，也就是光的亮度代表了光的能量，光越亮，能量越大。
那么这意味着，假如我们用紫外线照射金属板，由于能量可以被连续地吸收并累积，因此可以打出全部的电子，现在我们提高光强，按理来说，光的能量增加了，打出来的电子数量不会变化，但每个电子的能量应该增大。
可实验显示，打出来的电子能量没有变化，数量却增加了。爱因斯坦的光量子可以轻而易举地解释这个问题，光强不代表光的能量，光强只代表了光量子的数量，光强增加了，光量子的数量也就增加了，打出来的电子就变多了。
实验还发现，红光照射金属板，不管光强多大，都不会打出电子，而用紫外线照射，在亮度很小的情况下，就可以打出电子。
也就是说，能不能打出电子跟光强没有关系，只跟频率有关系，只要频率够，再怎么弱的光，哪怕弱到每次只发射一个光量子，都可以打出一个电子。如果频率不够，哪怕一次发射几亿个光子，都打不出来一个电子。
这种情况在生活中非常奇怪，比如说，10个10岁的小孩力量加起来，应该比一个20岁的成年人的力量大，但是一个20岁的成年人可以抬起一个桌子，可10个10岁的小孩合力也抬不起这个桌子，哪怕再来10亿个这样的小孩也抬不起来这个桌子。
爱因斯坦的光量子也可以解释这个诡异的现象，不同颜色的光，它的能量跟频率有关，每种金属材料表面的电子都有一个最小的逸出功，如果一个光子的能量大于电子的逸出功，那么就可以打出电子。
如果光子的能量小于这个逸出功，那么再多的光子都打不出一个电子。
爱因斯坦还给出了一个光电效应方程，溢出电子的动能等于光子的能量减去电子的逸出功。
就算爱因斯坦在理论上完美地解决了光电效应，但当时所有的科学家都以一种怀疑和嘲讽的态度看待光量子。
美国实验物理学家密里根就说，爱因斯坦的光量子跟已知的所有关于光的知识，比如干涉、衍射这些现象都相违背。
他为了找出爱因斯坦的错误，就光电效应方程做了10年的实验，最后发现这个方程准确无误，他也因此在1923年获得了诺贝尔奖。
普朗克则说，为了解释光电效应，将光量化完全没有必要，能量只有在接受和释放的时候才是量化的。
虽然普朗克坚决反对光量子，但他还是被爱因斯坦关于相对论和布朗运动的论文所吸引，并给出非常高的评价，鉴于此，普朗克也同意了在德国《物理学年鉴》上发表光量子论文。
就单单这一点，我们还是要为普朗克点个赞，因为在当时说光是量子构成的，就跟现在的老民科说相对论是错误的一样。
科学界很难接受这样的想法，从两件事就可以看出来，1913年普朗克在提名爱因斯坦成为普鲁士科学院成员的时候，在推荐书中，这样写道：
现在的科学充斥着很多问题，爱因斯坦这个年轻人在每个问题上都做出了不可忽视的贡献，虽然他有时候也会犯错误，比方说光量子这个假设，但是科学就是这样，不大胆的猜测，不冒风险，很难实现创新，我们不应该对他苛责过甚。
你看看，字里行间都充满了对爱因斯坦的爱护，不过就是他的光量子，提不到桌面上。
还有一件事，是关于诺贝尔奖的，爱因斯坦获得了1921年的物理学诺奖，这个奖是在1922年同玻尔的诺奖一块颁发的。
到1921年的时候，爱因斯坦已经成为了名誉全球的物理学家，与哥白尼和牛顿齐名，这得益于他的广义相对论，诺奖委员会一看，再不给爱因斯坦发奖就有点说不过去了。
不过令诺奖委员会头疼的是，以什么名义发给爱因斯坦？狭义相对论当时无法验证，广义相对论太过超前了，虽然1919年证实了星光弯曲，但是这个理论还有很多问题没有验证，发给广义相对论觉得有点不保险。
怎么办？当时就有人提议发给光电效应，这个问题密里根验证了10年绝对没有问题，诺奖委员会经过商议，觉得可行，但是为了保险起见，获奖的理由只字不提光量子，只说了奖给爱因斯坦在解释光电效应问题上做出的突出贡献。
这可是1922年啊，已经距离爱因斯坦发表论文过去了17年的时间，那为什么所有的人都固执地认为光量子不存在，纯粹是爱因斯坦的假设。
最后又是发生啥事，让人们改变的光是连续波的固有看法，接受了光量子。
股民技术：K线入门图解
上午看了，下午就用着试试