如果說普朗克第一次引入了量子這個概念，那么，愛因斯坦將普朗克的發(fā)現(xiàn)做了具體的呈現(xiàn)。

愛因斯坦做了什么呢？我們先回顧一下普朗克做了什么。普朗克為了使光在給定溫度下的能量不至于變成無限大，假設(shè)了光的最小能量單元，即量子，光的最小能量與其頻率成正比，系數(shù)叫作普朗克常數(shù)。

但是，普朗克并不知道量子是不是一個物理單元，也就是說，他不知道是否存在一個實(shí)體，其攜帶的能量就是這個最小單元。實(shí)現(xiàn)這個跨越的是愛因斯坦，這個發(fā)現(xiàn)比普朗克引入量子這個概念晚了5年。

愛因斯坦說，其實(shí)，量子不是別的，就是光子，光子是一個實(shí)體，就像原子、電子一樣?？梢哉f，光子就是光的原子，一束光，如果是單色的，其頻率是固定的，那么這束光就是由同樣的光子組成的，它們攜帶的能量一樣大。如果光束由不同頻率的光組成，那么這束光里就有不同的光子。

愛因斯坦還更進(jìn)了一步，認(rèn)為每一個光子不僅有固定的能量，還有固定的動量，這樣光子與粒子就更像了。

1905年，原本默默無聞地做著物理學(xué)研究的愛因斯坦，一年之內(nèi)就提出了3個震驚世界的重大發(fā)現(xiàn)，分別是狹義相對論、布朗運(yùn)動和光電效應(yīng)。由于愛因斯坦的驚人表現(xiàn)，后世的人們把1905年稱為“物理學(xué)奇跡年”。其中，光電效應(yīng)就與光子有關(guān)。

在愛因斯坦的三大發(fā)現(xiàn)中，光子概念的提出，是人類在理解量子世界的道路上邁出的第二步。愛因斯坦也因此獲得了1921年的諾貝爾物理學(xué)獎。

你也許會說，牛頓不是早在幾百年前就提出了光的微粒說了嗎？愛因斯坦提出的光子的概念和牛頓的理論有什么區(qū)別呢？

其中有一個最重要的區(qū)別在于，在牛頓的概念里面還沒有基本粒子。牛頓只是說，在光里面有單個的粒子，光是由單個粒子組成的，這樣就能解釋為什么光在空氣里面走的是直線。但是牛頓沒有把光的粒子和能量結(jié)合起來。把光的粒子和能量結(jié)合在一起的第一個人，是愛因斯坦。

在普朗克提出量子概念5年之后，愛因斯坦在1905年3月發(fā)表的一篇論文里指出：這些量子其實(shí)是真實(shí)存在的，而不是假想中的一份一份的能量。這些量子有實(shí)體的能量，它們就是我們今天十分熟悉的光子。組成光的這些光子，從根本上來講非常類似于物質(zhì)里面的分子和原子。這就是愛因斯坦的概念與普朗克的概念之間的區(qū)別，以及愛因斯坦的概念和牛頓的“光的微粒說”之間的區(qū)別。

為什么愛因斯坦提出的狹義相對論和廣義相對論都沒有獲得諾貝爾獎，卻因?yàn)檫@樣一個理論獲獎了呢？因?yàn)閻垡蛩固购推绽士说膮^(qū)別在于他解釋了另外一個實(shí)驗(yàn)。普朗克的理論能夠做到的是，給定范圍的光里面有多少能量，太陽每秒鐘輻射多少能量，這些都可以用普朗克公式計算出來。但是普朗克沒有涉及另外一個實(shí)驗(yàn)，就是我們所說的光電效應(yīng)。

那么，什么是光電效應(yīng)？

物理學(xué)家在做實(shí)驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)象：用光照射金屬就可以從其內(nèi)部打出電子。這并不奇怪。光可以把自身的能量傳遞給電子，使它獲得足夠的能量從而逃脫金屬原子對它的束縛。但奇怪的是，這種現(xiàn)象依賴于光的頻率。在一定頻率之上的光，只要一照就可以從金屬中打出電子；而在此頻率之下的光，無論照多長時間也無法把電子打出來。這就很難理解了。因?yàn)樵诮?jīng)典力學(xué)中，能量是連續(xù)的。打個比方，要把一個大水缸里裝滿水，按理說，你用大臉盆一盆一盆地往里倒水，可以把水缸裝滿；你用小水杯一杯一杯地往里倒水，也可以把水缸裝滿。但現(xiàn)在，光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)告訴我們，用大臉盆可以把水缸裝滿，用小水杯就不能把水缸裝滿了。

這是怎么回事？

愛因斯坦說，這是由于光本身并不連續(xù)，它是由一個個叫光子的微粒組成的。光子的能量取決于光的頻率，頻率越高，光子的能量就越大。

為什么用光子能解釋光電效應(yīng)？

很簡單。如果一個光子的能量比較大，它傳遞給電子的能量也比較大，只要這個能量大到讓電子足以掙脫金屬原子的束縛，電子就會立刻從金屬里跑出來。但如果光子的能量比較小，它傳遞給電子的能量也比較小，要是這個能量一直小于電子逃出去所需要的最低能量，電子就會一直被束縛在金屬內(nèi)部。

光電效應(yīng)

愛因斯坦提出的這個概念很好地解釋了光電效應(yīng)，而且不僅解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，還可以用來計算。比如，我們現(xiàn)在就可以計算出要打出一束光所使用的電流大小。

在大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里就可以做這個實(shí)驗(yàn)：用一束電筒光照射到金屬板上，金屬板上不會發(fā)射出電子。原因很簡單，因?yàn)殡娡舶l(fā)出來的主要是可見光，而可見光的頻率不夠高。如果我們用一束紫外光來照射金屬板，就可以把電子打出來。因此，愛因斯坦在光量子理論中最大的成功之處就在于，他提出了光電效應(yīng)。光電效應(yīng)在日常生活中的很多地方都可以用到，例如光鼠標(biāo)、光敏電阻、光電二極管、光電三極管。

光子概念的提出，讓量子論有了堅實(shí)的理論基礎(chǔ)。

愛因斯坦在1905年5月發(fā)表的另一篇重要論文與狹義相對論有關(guān)，發(fā)表的時間要比有關(guān)光量子的論文晚兩個月。

關(guān)于愛因斯坦其人，我們聽說過很多關(guān)于他的故事。比如，他在16歲的時候就開始想象，如果跟著光跑會看到什么現(xiàn)象。正是這個想象，促使他提出了狹義相對論。但是他提出光量子的概念確實(shí)沒有任何故事。畢竟在1895年，普朗克還沒有提出量子的概念，這時在愛因斯坦的頭腦中也沒有產(chǎn)生光子的概念。

我前面說過，愛因斯坦的光子概念的想法很“革命”。為什么說愛因斯坦的想法很“革命”呢？因?yàn)檫@個概念連普朗克本人都不能接受。比如，在推薦愛因斯坦擔(dān)任普魯士科學(xué)院會員的時候，普朗克在推薦信中寫道：“即使像愛因斯坦這樣的人，也會犯錯，例如，他提出了光子的概念?！?/p>

我曾經(jīng)說過，人類歷史上有兩個最著名的物理學(xué)家，一個是牛頓，另一個就是愛因斯坦。類似于牛頓的人生經(jīng)歷，愛因斯坦的早年生活也是挺不順的。他出生在德國的一個猶太家庭，為了避免在德國軍隊里服役，愛因斯坦跑到瑞士去考大學(xué)。結(jié)果第一年高考時他落榜了，到第二年才考上蘇黎世理工學(xué)院。愛因斯坦是一個恃才傲物的人，他在大學(xué)期間經(jīng)常不去聽課。更糟糕的是，他那時的大學(xué)課堂不像現(xiàn)在的大學(xué)里講大課那樣，一個教室里能有幾十甚至上百個學(xué)生，一個人不來上課，老師可能還發(fā)現(xiàn)不了。但在愛因斯坦上大學(xué)的時候，一個教室里只有10個學(xué)生，一個人不去上課，老師一抓一個準(zhǔn)。由于愛因斯坦經(jīng)常不去上課，他的老師們對他都很不滿。當(dāng)時，他們物理系的系主任韋伯，就曾批評愛因斯坦不喜歡聽從他人的意見。這就導(dǎo)致了一個很嚴(yán)重的后果，就是當(dāng)愛因斯坦畢業(yè)的時候，他沒能在大學(xué)里找到工作。

在大學(xué)畢業(yè)后的兩年時間里，愛因斯坦過得相當(dāng)艱難，他曾經(jīng)在中學(xué)教過課，給小孩子做過家教，甚至還當(dāng)過一段時間的無業(yè)游民。后來靠著一個大學(xué)好友的父親幫忙，才在一個專利局里找到了一份穩(wěn)定的工作。這份工作薪水不高，但是比較有空閑，也正因?yàn)檫@樣，愛因斯坦才有時間從事他心愛的物理學(xué)研究。

幸好有這份清閑的工作，讓愛因斯坦在做普通職員期間，有了幾個偉大的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)，其中任何一個擱在今天，都可以讓一個物理學(xué)家不朽。