光電效應的歷史：愛因斯坦與萊納德之間的爭斗

??愛因斯坦因光電效應獲得 1921 年諾貝爾物理學獎。但是為什么無論是當時還是現(xiàn)在，愛因斯坦都是以他在相對論方面的工作而聞名。好吧，這一切都與一個名叫菲利普·萊納德 (Philipp Lenard) 的人有關，他在光電效應方面的實驗啟發(fā)了愛因斯坦的理論。

??萊納德是一個很令人追崇的人。他的工作在開始的時候啟發(fā)了愛因斯坦，并兩人成為了朋友。然而由于各種陰差陽錯的組合，包括對物理學的熱愛、科學方面的失望、民族主義和精神上的弱點，他最終成為愛因斯坦最大的克星之一。這是一個物理學方面的故事，也是關于一個人墮入瘋狂和法西斯主義的故事。這方面往事讓我們聽 Kathy 老師娓娓道來吧。

??一位名叫海因里?！ず掌澋哪贻p德國科學家于 1887 年 5 月發(fā)現(xiàn)了光電效應。赫茲利用在感應線圈上安裝天線發(fā)現(xiàn)了無線電波，可以通過在遠處的接收線圈輸出端產(chǎn)生的小火花來捕獲房間另外一端的大的放電火花。由于接收線圈中的火花非常小，赫茲決定將其放在暗箱中， 如此這般，感應線圈發(fā)出的明亮火花就不會分散他的注意力。令他驚訝的是，當他這樣做時，接收器中的火花“明顯變小了”。

??赫茲開始在他的****火花和接收火花之間放置各種屏幕，發(fā)現(xiàn)玻璃會減少火花，而石英則不會。因為玻璃會阻擋紫外線，而石英不會。赫茲決定，來自紫外線光線的能量一定是放大了電火花。除了那個觀察之外，赫茲沒有嘗試“任何關于觀察到的現(xiàn)象背后的理論” 了。這最終被稱為光電效應。Photo 為光，Electric 為電。

??盡管赫茲沒有提出任何理論。許多其他人也嘗試過，包括一位 27 歲的德國血統(tǒng)匈牙利研究生 Philipp Lenard，他正在努力獲得大學中的永久職位。當時在德國，27 歲被認為已經(jīng)很老了，沒有固定的物理學職位。

??好吧，我知道 Lenard 觀察到，當光滑的金屬板被強烈的紫外線照射時，它們看起來開始變得不那么光滑了。對此，萊納德有一個有趣的理論，即電只能由灰塵而不是由氣體攜帶，正是因為紫外線使得導體帶電，從而聚集了灰塵，就使得金屬板板材看起來粗糙?；旧袭敃r所有人都忽略了這個理論，之后再沒有進一步發(fā)展。

??然而三年后，萊納德的運氣發(fā)生了變化，他設法找到了一份工作，擔任他心目中的英雄海因里?！ず掌?(Heinrich Hertz) 的助手。

??當時赫茲正在研究真空管中產(chǎn)生的陰極射線，或者不可見射線，它可以使磷粉發(fā)光。赫茲發(fā)現(xiàn)陰極射線可以穿過薄金屬片。他告訴萊納德制作一個帶有鋁制屏障的真空管。你可能會問赫茲為什么不親自做這個實驗。這可能是因為赫茲開始頭痛得厲害，并且一直感到惡心。

??獨自留在實驗室里，萊納德不僅研究了在不同真空之間用鋁屏障的陰極射線，他還更進一步，在真空管和空氣之間制作了一個鋁窗。令他驚訝的是，陰極射線可以在空氣中傳播幾英寸。

??萊納德確信他的 Lenard 真空管最終會使他在科學界名聲大噪。他于 1893 年 12 月發(fā)表了他的結(jié)果。不幸的是，幾周后赫茲就去世了，萊納德抽出時間來編輯赫茲作品和傳記的德文和英文紀念冊。這段時間的分心對萊納德來說非常走運了，因為就在第二年，另一位名叫威廉·倫琴的德國科學家用很厚磷光屏對 Lenard 管進行實驗，并發(fā)現(xiàn)了一種新的射線，倫琴稱之為 X 射線。突然間，整個世界都陷入了 X 射線的狂熱之中。

??起初萊納德對這一發(fā)現(xiàn)感到興奮，并給倫琴寫了一封善意的感謝信：“因為你非凡的發(fā)現(xiàn)在廣泛的圈子里引起了如此顯著的關注，我的微薄工作也受到了關注?！? 起初萊納德是正確的，因為他們都開始獲得無數(shù)獎牌，包括英格蘭的拉姆福德獎牌和意大利的馬托奇梅德爾獎牌。

??萊納德終于獲得了副教授的職位，并在建立了他的實驗室后決定結(jié)婚。正如他所說，“有很多教授的女兒正在等待結(jié)婚。”

??很快他就被任命為正教授，他的事業(yè)和家庭生活似乎都安穩(wěn)了。然而在 1897 年，一位名叫 J.J.Thompson 的英國人證明了陰極射線根本不是一種光， 而是一束帶電的粒子，我們現(xiàn)在稱為電子的粒子。

??隨著電子的發(fā)現(xiàn)，萊納德發(fā)現(xiàn)他在陰極射線方面的所有工作都變得毫無意義。更糟糕的是，如果陰極射線是一個粒子，而 X 射線，也就是我們現(xiàn)在認為的超紫外光與陰極射線之間就沒有任何關系了， 雖然萊納德發(fā)現(xiàn)陰極射線可以在空氣中傳播。也就是說，萊納德以為倫琴只是在空氣中發(fā)現(xiàn)了一種新型的陰極射線，但實際上倫琴有新發(fā)現(xiàn)，而萊納德沒有。

??這是一場慘敗。萊納德重復了 JJ 湯普森的實驗，發(fā)現(xiàn)射線在各個方面都表現(xiàn)得像帶負電荷的移動粒子。然后萊納德有了一個巧妙的想法，如果他的舊理論，即電荷只由塵埃攜帶是正確的， 那么所謂的塵埃實際上就是陰極射線電子。1899 年 10 月，萊納德發(fā)表了用紫外光產(chǎn)生陰極射線論文。他通過石英屏將紫外光照射到真空管中并研究管內(nèi)的光電射線，從而演示了紫外光產(chǎn)生電子現(xiàn)象。

??對萊納德來說不幸的是，英國人 J.J.Thompson 幾乎在同一時間發(fā)表了類似的結(jié)果。所以他覺得他沒有因那個發(fā)現(xiàn)獲得相應的認可。然后，人們對理解光電效應的突破發(fā)生在 1900 年 12 月。當時一位名叫馬克斯·普朗克的德國科學家發(fā)表了他的黑體輻射方程。他假設光子的能量等于常數(shù)乘以光頻率。這可以解釋為什么紫外線可以具有產(chǎn)生光電效應，而可見光卻不能。由于紫外線具有較高的頻率，因此對應的光子能量高。

??然而，萊納德沒有普朗克研究結(jié)果與光電效應之間的聯(lián)系，坦率地說，普朗克也沒有看到。與此同時，在 1901 年，諾貝爾獎決定將諾貝爾物理學授予倫琴，以表彰他發(fā)現(xiàn)了 X 射線，但根本沒有提及萊納德。萊納德非常沮喪，到處宣講他受到了不公平的對待， 決心以其他方式獲得別人對他的認可。

??Lenard 繼續(xù)研究紫外線在真空管中產(chǎn)生的粒子。萊納德發(fā)現(xiàn)，如果他在真空管電極之間反方向施加電壓，可以將電子驅(qū)回被照射的板?！熬拖褚粔K石頭被扔上去會落回地面一樣?！?/p>▲ 圖1.3.9 光電子被反向電壓驅(qū)動返回

??現(xiàn)在他可以通過實驗施加足夠電壓來驅(qū)回電子，從而測量電子的最大初始動能，這顯然與電子的速度有關。令他驚訝的是，初始速度與光的強度無關。換句話說，更強的光會產(chǎn)生更多的電子，但并沒有給單個電子更多的能量。這是怎么一回事呢？

??對此，萊納德有一個有趣但結(jié)果是錯誤的結(jié)論。萊納德認為，由于電子的速度與光的強度無關，所以能量根本不是來自光。相反，他認為光會釋放分子中固有的能量，就像“引信觸發(fā)上膛的子彈一樣?！?這個觸發(fā)理論被普遍認為是正確的，甚至直到 1909 年還被寫成普遍接受的物理定律之一。

??然后在 1905 年，三件事徹底改變了萊納德的生活。首先是萊納德因其在陰極射線方面的工作而獲得諾貝爾物理學獎。盡管有 14 位頂尖科學家提名 JJ Thomson 發(fā)現(xiàn)電子，但只有兩位科學家提名 萊納德。不過別擔心，JJ Thomson 第二年就獲得了諾貝爾獎。

??在他的獲獎感言中，萊納德坦率地承認了包括許多猶太科學家在內(nèi)的其他人的工作，并坦誠的說他并不總能促使想法開花結(jié)果。他說：“我從來都不是采摘果實的人， 但我只是種植或照料樹木的人之一。”

??第二個事件是 1905 年 6 月，一位專利職員發(fā)表了論文，他在論文中提出要研究包括光電效應在內(nèi)的許多現(xiàn)象。如果光以小能量包的形式出現(xiàn)，這種光的觀點導致光電效應方程與萊納德的結(jié)果相符，但并沒有理論上得以證明。

??第三件事發(fā)生在愛因斯坦創(chuàng)造奇跡的同一年，他發(fā)表了一篇關于狹義相對論的論文。起初，愛因斯坦和他的想法并沒有冒犯萊納德。事實上，萊納德或可能是他的助手看到愛因斯坦經(jīng)常提到萊納德的工作，并給他寄了一份他最新的論文。愛因斯坦回信熱情洋溢。四年之后萊納德才回復愛因斯坦。但當他這樣做時，他對愛因斯坦的贊美溢于言表。

??特別是考慮到萊納德是獲得諾貝爾獎的物理學家，而愛因斯坦當時幾乎不為人知。萊納德滔滔不絕地說：“當像你這樣深刻而全面的思想家對我工作的某些觀點表示贊賞時，對我來說沒有什么比這更令人興奮的了?！?/p>愛因斯坦交惡萊納德

??大約在 1909 年這個時候，愛因斯坦得知他的一位朋友雅各布·勞德得到了萊納德的助手職位。愛因斯坦寫道：“我認為與萊納德共事的機會遠非金錢能夠衡量。萊納德是一位大師和富有創(chuàng)造力的偉大思想家?！? 然而，勞德與萊納德的關系很快惡化，愛因斯坦與萊納德的關系也同樣隨之惡化。

??萊納德堅信一種叫做以太的東西，一種看不見的沒有質(zhì)量的物質(zhì)，即使在真空中也能充滿整個宇宙。這樣光就是以太的震動形式。畢竟當時的人們認為，如果有震動，就需要在某些物質(zhì)中產(chǎn)生震動。事實上，萊納德堅持認為電子實際上只是以太的碎片。然而到了 1910 年，由于愛因斯坦和相對論，這種神奇的以太失去了人們的支持。之所以之前人們想到以太，還是因為光速是一個有限數(shù)值的原因。

??勞布向愛因斯坦抱怨萊納德在無用的實驗上浪費時間。愛因斯坦回信說：“萊納德最近關于這些奇異的以太演講在我看來幾乎是幼稚的。他讓你對以太進一步研究的理論基礎非常荒謬。我很抱歉你必須把時間花在這樣的愚蠢上。”

??愛因斯坦試圖讓勞德?lián)涡侣毼?，這引起了萊納德對兩人的憤怒。萊納德對待勞德開始惡劣起來。當愛因斯坦聽說這件事時，他寫信給勞德：“萊納德真是一個心態(tài)扭曲的家伙，心里充滿著陰謀詭計。我認為你最好遠離他。”  雖然愛因斯坦這么建議，但勞德還必須與萊納德共事， 也許只能等待萊納德老去。

??然后在 1914 年，一位名叫羅伯特·密立根 (Robert Millikan) 的美國人發(fā)表了他關于光電效應的文章。實際上一開始他是想證明愛因斯坦的理論是錯誤的，但卻震驚地證實了愛因斯坦光電方程的每一個細節(jié)。這樣萊納德關于光電子的觸發(fā)理論被徹底推翻了。

??此外，同年是第一次世界大戰(zhàn)的開始，萊納德是德國的堅定支持者。事實上，萊納德簽署了致“文明世界的宣言*，其中包括 “沒有德國軍國主義，德國文明將從地球表面消失**” 這樣的言論。愛因斯坦不僅拒絕簽署宣言，還與人合寫了一份反駁信。在德國戰(zhàn)敗后，萊納德悲痛欲絕。

??更糟糕的是，就在同一年，一位英國天文學家利用太陽日食證明了引力可以使光線彎曲。換句話說，他通過實驗證明了相對論。愛因斯坦成為世界上最著名的物理學家，大多數(shù)科學家都相信相對論。

??萊納德對此不僅嫉妒而且傷心，認定這一切都是因為愛因斯坦是猶太人，是猶太人的大陰謀，目的是擺脫以太，推動相對論以及量子化光電效應，摧毀德國，抹黑自己。

??萊納德畢生致力于從德國移除猶太科學。他試圖為純德國人保留所有研究職位。而且他還利用自己作為前任獲獎者在諾貝爾委員會的影響力，試圖阻止愛因斯坦加入他們的行列。

??1919 年，萊納德設法讓他的朋友兼反猶同僚約翰內(nèi)斯·斯塔克獲得諾貝爾獎，盡管萊納德是他當年唯一的提名人。到 1920 年，萊納德領導著反愛因斯坦和反相對論團體，不斷發(fā)表演講、辯論和發(fā)表反猶太主義的出版物。

??1921 年的諾貝爾委員會被支持相對論和反對相對論的派別搞糊涂了，以至于那一年沒有給任何人頒發(fā)諾貝爾獎。第二年，一位名叫卡爾·奧森 (Carl Oseen) 的年輕瑞典科學家找到了解決這個問題的方法，并建議愛因斯坦獲得前一年的諾貝爾獎?！疤貏e獎勵他發(fā)現(xiàn)了光電效應定律?！? 至此萊納德就完全出局了。

??到 1924 年，萊納德已成為一名忠實的法西斯分子。他和斯塔克在報紙上發(fā)表了一篇文章，稱“希特勒和他的同志們在我們看來是上帝從種族純潔的古代時代賜予的禮物”。到 1930 年代，萊納德開始出版按種族劃分的科學書籍，這些書籍成為納粹科學的支柱。

??1933年，愛因斯坦逃離德國，再也沒有回來。萊納德以他如何將愛因斯坦和其他猶太科學家趕出德國而自豪， 并燒毀了所有猶太人的作品，更希望猶太人去死。他寫信給斯塔克說：“比以往任何時候都更為重要的是，這些猶太人惡魔必須墜入地獄?！?/p>

??具有諷刺意味的是，沒有被他們趕跑的“惡魔們”的幫助，萊納德和斯塔克斯開始失去對納粹精英的吸引力。他們無法幫助戰(zhàn)爭，他們無法推動原子核裂變研究。

??此外，此時萊納德已經(jīng)老了，與英俊年輕的海森堡等其他科學家相比，納粹根本不尊年老且沒有吸引力的萊納德。萊納德在戰(zhàn)爭中幸存下來，并于 1947 年去世。哇，終于擺脫了。

??讓我們稍微回顧一下愛因斯坦和他 1905 年的論文以及光電效應。其實不光是光電效應。愛因斯坦 1905 年的論文是關于光的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換的啟發(fā)式觀點，其中光電效應只是這種新觀點來解釋實驗的一個例子。愛因斯坦的關于光的新觀點是什么？為什么它如此具有變革性和激進性？ 下一回我們接著說。