1887年的一天，德國卡爾斯魯厄大學的一間實驗室里，擺弄著實驗裝置的青年教師赫茲，終于發(fā)現了接收器兩端隙之間的微弱“電火花”，這個期待已久的“電火花”成為了麥克斯韋理論的完美注腳，從此，電磁理論這個由法拉第奠基、麥克斯韋構造、赫茲封頂的大廈終于得以屹立在物理世界版圖之上，成為與牛頓力學相媲美的經典理論之一。

赫茲在檢驗電磁波實驗中，還進行了有關電磁波的波速、波長、反射等一系列研究，最后得出光就是電磁波的結論，光的波動說頓時農奴翻身把歌唱，而往日被簇擁的微粒說只能獨處角落空寂寥。

科學探究這部戲永遠沒有劇終，只要愿意等總會有意料之外的精彩，科學思維編劇于幕后，科學觀點顯隱于臺前，你放唱罷我登場新舊交織，當劇情需要時，還會來個必要的返場。就像這位給微粒說致命一擊的赫茲，同時也帶來了微粒說絕處逢生的機會。

一切緣起于赫茲在實驗過程中發(fā)現的一個令人困惑的現象，也正是這個現象揭開了后來有關光粒子本質的另一段波瀾曲折的科學探究史。

光電現象的端倪——赫茲實驗的新發(fā)現

赫茲在檢驗電磁波的實驗中，用紫外光照射接收器，發(fā)現接收器端隙的電火花變得更亮了。1887年5月低，赫茲寫成研究論文《論紫外線對放電的影響》為了弄清光是如何使電火花增強，他分別用銅、黃銅、鋁、鐵、錫等不同金屬材料作為電極片進行實驗，又使用不同光源如火光、陽光、電弧光等進行實驗，他還在光源和火花間隙之間放置各種氣體、液體和固體進行實驗。根據這些實驗的結果，他推斷使火花明顯增強的有效輻射有一個接近可見光譜的極限。為此他又用石英棱鏡色散不同光源進行實驗，結果發(fā)現使火花增強的輻射的確都是紫外光?！墩撟贤饩€對放電的影響》成為科學史上第一篇研究光電效應的文章。

赫茲的結論：高頻率的紫外光可以使電火花增強。

霍爾瓦克斯的光電效應研究

1888年，赫茲年輕的助手威廉·霍爾瓦克斯（Wilhelm Hallwachs）在赫茲的研究基礎上證實，電火花增強的原因是由于放電間隙內出現了電荷體，進一步實驗發(fā)現，若用紫外線照射金屬板時，從金屬板向外產生帶負電的粒子流。霍爾瓦克斯的工作使人們從“電火花”這個表象轉移到了光使金屬電性發(fā)生變化的過程探究，提出的電荷轉移理論給后面的研究者開啟了新的思路，最初的光電效應因此也稱為“霍爾瓦克斯效應”。

此時光電現象的研究只能定性于此，更深層次的研究還得有賴于人們對電的微觀本質的發(fā)現。

陰極射線解密“電究竟是什么”

當裝有2個電極的玻璃管被抽成真空，這時在兩電極間加上幾千伏的高壓，在陰極對面的玻璃壁上閃爍著綠色的輝光，似乎從陰極發(fā)射出一種看不見的射線，這個射線是粒子流還是電磁波？這引起了科學家們的關注。其中也包含赫茲。1892年赫茲和他的另一個助手勒納德開展了陰極射線的研究，但是由于真空度不夠，像很多同行一樣并未能檢測到陰極射線的電磁偏轉現象。于是赫茲就簡單的認為陰極射線是一種特殊的電磁波。然而種種跡象表面，真相并沒有赫茲想象的這么簡單，兩年后，赫茲英年早逝，勒納德繼續(xù)進行陰極射線的研究，提出了陰極射線是帶負電的粒子流的結論，最終1897年J.J.湯姆孫測量出負電粒子的荷質比，成為發(fā)現電子第一人。從此人類的科學視野深入到了原子這個微觀領域。

電子的發(fā)現成為開啟近代原子物理研究的標志，同時也為光電效應研究掃清了障礙。

埃爾斯特和蓋特爾的光電效應研究

埃爾斯特和蓋特爾最早發(fā)現不同金屬發(fā)生光電效應所需的光波長不同，對于堿金屬鈉、鉀、銣等用可見光就會產生光電效應，當電子被J.J.湯姆孫發(fā)現之后，埃爾斯特還發(fā)現光電效應中產生的帶負電的質點的荷質比與電子的荷質比相同，從而證實光電效應中產生的帶負電的質點就是電子，稱為光電子。

勒納德的光電效應研究

勒納德在陰極射線的謎題解開之后，又回到了光電效應的問題上來，為了加速電子的速度和測量他們的能量，勒納德的發(fā)明了一種光電管，從而進行定量研究。1902年他發(fā)表論文介紹了他的研究成果，勒納德得出，發(fā)射的電子數正比于入射光所帶能量。電子的速度和動能與發(fā)射的電子數目完全無關，而只與光波長有關，波長減少動能增加。每一種金屬對應一特定頻率，當入射光小于這一頻率時，不發(fā)生光電效應。

勒納德對光電效應的規(guī)律認識得很清楚，在解釋上卻犯了難，因為根據經典電磁理論，光波也就是電磁波的能量是由振幅（電磁場強度）決定和頻率無關，在光電效應里怎么就光頻率成為光電子能否產生的決定條件了？另外隨著時間的積累金屬板應該接收到更多的輻射能，而光電效應怎么就和光照時間無關，極短時間內就發(fā)出光電子？

為了解釋這些現象，勒納德說到：“逸出的能量并不完全來自紫外線，而是來自特定原子的內部，紫外線只起激發(fā)作用，很象引信點燃裝了子彈的槍一樣。我發(fā)現這個結論很重要，因為由此我們可以懂得，不僅鐳原子包含有儲存的能量，其他元素的原子也儲存著能量，他們也能發(fā)出輻射，而且當發(fā)出輻射時原子可能完全碎裂?！保ㄔ铀榱?--勒納德先生你確定這不是碰瓷嗎?）

勒納德的觀點被稱為“觸發(fā)說”，頻率決定光電子能否出射，被他解釋為光波與電子的共振導致；電磁波的能量是可以累加的，勒納德另辟蹊徑：其實光電子能量來源于原子內部，電磁波只是起到激發(fā)作用。

觸發(fā)說成為經典理論下光電效應的一種解釋，在當時科學界影響很大，直到1905年勒納德獲得諾貝爾物理學獎，風光無二，然而也就在這一年，一位名不見經傳的專利局年輕職員，開啟他夢幻般的科學之旅。

愛因斯坦的光電效應解釋

1905年成為愛因斯坦的物理奇跡年，愛因斯坦在這一年分別在熱力學統計，量子論和相對論三個領域連發(fā)表六篇論文，每一篇都可謂重量級，這也讓后來的諾貝爾獎評審會傷透腦筋，當時量子論似乎還有爭議，相對論看不大懂，而熱力學統計似乎沒前面兩個有名，本該1921年授予的諾獎，糾結到1922年才補發(fā)給愛因斯坦，理由是對光電效應定律的闡明。

我們還是回到1905年，在《關于光的產生和轉化的一個啟發(fā)性觀點》中，愛因斯坦寫道“確實，在我看來，關于黑體輻射、光致發(fā)光、紫外線產生陰極射線，以及其它一些有關光的產生和轉化的現象的觀察，如果用光的能量在空間中不是連續(xù)分布的這種假設來解釋，似乎就更容易理解。按照這里所設想的假設，從點光源發(fā)射出來的光線的能量在傳播中不是連續(xù)分布在越來越大的空間體積中的，而是由個數有限的，集中在空間某些點的能量子所組成，這些能量子能夠運動，但不能分割，而只能整個地被吸收或產生出來。”在論文中愛因斯坦創(chuàng)造性地提出“光量子”概念，并借此來解釋光致發(fā)光（熒光）、光電效應等現象。對于光電效應他指出“關于光的能量連續(xù)地分布在它經過的空間之中這種通常的見解，當試圖解釋光電現象時，遇到了特別大的困難。”愛因斯坦進一步指出，當把光電子初動能作為入射光的頻率的函數而在笛卡爾坐標系中畫出時，就必然得到一條直線，并且其斜率不依賴于所研究的物質的種類。顯然，斜率就是普朗克常量h。

光量子的質疑

愛因斯坦的光量子學說是建立在普朗克的量子的觀點之上，1900年普朗克在解決黑體輻射問題時，就提出了電磁輻射的量子觀點。普朗克本人也差點被自己的理論嚇著，他謹慎保守的認為能量子只存在于電磁波的吸收和反射中，并不影響電磁波的連續(xù)性，畢竟此時麥克斯韋電磁理論方興未艾，幫助著一大幫研究者在科學領域開疆拓土，若是誰敢挖電磁理論的墻角，哼哼！

把光看成光量子，似乎又回到了牛頓時期的微粒說，因此光量子的提出，迎來的更多是質疑和沉默，甚至在提出光量子假說的八年之后，當普朗克、能斯特、魯斯本、瓦爾堡提名愛因斯坦為普魯士科學院院士時，他們對愛因斯坦光量子說均持否定態(tài)度。在提名推薦書中有這樣一段話：

“總之，我們可以說幾乎沒有一個現代物理學的重要問題是愛因斯坦沒有做過巨大貢獻的，當然，他有時在創(chuàng)新思維中會錯過目標。例如，他對光量子的假說，可是我們不應該過分批評他。因為，即使在最準確的科學里，要提出真正新的觀點而不冒任何風險是不可能的。”

持相同觀點的還有英國物理學家盧瑟福：“能量和頻率之間的這種明顯聯系，現在沒有可能的物理解釋?！?/span>

愛因斯坦本人也是有所保留的，在一封信中寫道：“至于這些量子是否確實存在，我不再過問了，我也不再去設法解釋他們，因為，我已經明白，我的腦子是無法徹底理解他們的。”

一個理論正確與否最終還是需要通過實驗來檢驗。

密立根測量普朗克常量實驗

美國實驗物理學家密立根在1916年設計出了精確的實驗來檢驗愛因斯坦的光電效應理論，密立根的最初設想是想通過實驗否定愛因斯坦的光量子理論，結果出現了戲劇性的反轉，光電子初動能和光頻率的函數曲線的斜率正好等于普朗克解釋黑體輻射時的常量h，此時密立根仍“嚴謹”的認為，“對愛因斯坦方程的全面而嚴格的正確性做出絕對有把握的判斷還為時過早”但他還是承認，“現在的實驗比過去的所有實驗都更有說服力地證明了它，如果這個方程在所有的情況下都是正確的，那就應該把它看作是最基本的和最有希望的物理方程之一，因為它是可以確定所有的短波電磁輻射轉換為熱能的方程?！?/span>

康普頓散射實驗

1919～1920年間，康普頓去英國在湯姆遜和盧瑟福的指導下以訪問學者的身份在卡文迪什實驗室工作，他進行了γ射線的散射實驗，發(fā)現用經典理論無法解釋實驗結果．回國后他用單色x射線和布喇格晶體光譜儀作實驗，通過從不同角度在靶周圍測量散射互射線波長，發(fā)現散射波中含有波長增大的波，該現象就是著名的康普頓效應．康普頓指出：散射應遵從能量守恒和動量守恒定律，出射X射線波長變長證明了X射線光子帶有量子化動量．1922年，他采用單個光子和自由電子的簡單碰撞理論，對這個效應做出了滿意的理論解釋．在康普頓散射實驗中不僅證明了微觀領域守恒的成立，光量子的概念也再一次經受住了考驗。

這樣，愛因斯坦的光量子假說成功地解釋了光電效應和康普頓效應，人們逐漸接收光量子學說，由于動量屬性的確認，在1926年，美國物理學家劉易斯提出了光子概念，以取代光量子。

然而光的本性依然讓人迷惑，愛因斯坦直至晚年依然耿耿于懷，“整整五十年有意識的思考還沒有使我更接近'光量子是什么？’的答案，當然今天每一個不老實的人都認為知道答案了，但他是在欺騙他自己?！闭嬲倪M行科學探究的人，都是默默前行的孤獨者，他們也有迷惑但從未畏懼，支持他們前行的力量我想無礙乎——事實和邏輯。真相或許離我們很遠，在事實發(fā)現和邏輯推演的道路上從來不缺這些前行者們，或許他們才是人類真正的靈魂。

附：光電效應探究與實證脈絡圖