二 解释光的本质
1.关于光的本质的争论
牛顿以后两百多年来，光的理论没有任何进展，有关光的性质只不过是推测而已，其惯性、重量以及有何性质等问题，一个也没有解释清楚。
1704年，牛顿在《光学》中提出：光是一颗颗微粒组成的粒子流向空间，呈直线发射。这种光的粒子说圆满地解释了光的直进、反射和折射现象，得到人们的承认。可是它在解释某些现象时又遇到了困难，比如为什么几束在空间交叉的光线能互不干扰？为什么有时光线可以绕过障碍物的边缘拐弯传播？这些问题，牛顿的光学理论回答不了。
为了解释这些问题，与牛顿同时代的荷兰物理学家惠更斯提出了波动说，认为光是一种机械波动，因发光物体振动引起，并依靠一种叫“以太”的弹性介质传播。这种光的波动说能够解释光的粒子说不能解释的现象，如光的绕射和衍射等。这两种学说各有物理事实支持，互不相让。然而由于波动说当时还不完善，再加上牛顿在学术界的威望，在19世纪之前光的微粒说一直占着上风。
19世纪初，英国的物理学家托马斯·杨在暗室中做了光的干涉实验，法国物理学家菲涅尔用实验证实了光的衍射现象，这些事实给微粒说以沉重的打击，而最后将微粒说置于死地的是法国物理学家菲索和傅科进行的光在水中的传播速度的精确测定。当时，微粒说认为，光在水中的速度应大于在空气中的速度；波动说则认为，光在水中的速度应小于在空气中的速度。实验的结果是波动说正确，从此波动说获得了重生。
19世纪70年代，英国著名物理学家麦克斯韦建立起电磁场理论，预言了电磁波的存在，认为光也是一种波长较短的电磁波。后来德国的天才物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。光的电磁波说圆满地解释了过去发现的各种光学现象，更加确立了波动说在光学上的统治地位，直到爱因斯坦光量子理论出现为止。爱因斯坦在1905年发表的第一篇论文中提出有关光的新理论不仅解释了光电效应，甚至颠覆了物理学中的一些传统观念，从而解决了长久困扰物理学界的争论难题。
2.光量子理论与光的本质
在爱因斯坦进行科学探索的20世纪初，物理学上光学的波动说是占据统治地位的正统理论，然而这时，一些新的光学实验现象的出现又给波动说制造了障碍。
用振荡模型来解释波动说的电磁现象所面临的主要问题是，它是在什么物质媒介中震荡传播？我们知道，水波的媒介是水，声音的媒介可以是许多物质，如空气、水、铁轨，等等。没有这些媒介物质，水波和声音便不能传播，可是人们一直没有搞清楚电磁振荡靠的是什么媒介。有实验表明，声波在真空中不能传播，但是电磁波在真空中也能传播，这就说明，这种电磁波传播媒介不是我们所能看得见、摸得着的物质。法国哲学家笛卡尔曾经借用古希腊亚里士多德主张的“以太”，提出过一种处处充满以太的宇宙模型（以太问题将在后面的章节中具体阐述）。
根据麦克斯韦理论，振动的电荷产生电磁波，要理解光的产生必须采用这种定性模型。当时认为，加热的物体带有振动的原子才产生光。那么，这种光里含有什么样的颜色呢？
以烧煤为例，观察一下光的颜色情况。烧煤初期煤发射红色光；随着温度的升高，光的颜色逐渐变成橙黄色；温度再升高，发光颜色变成了蓝色。这样，烧煤时发出的光里含有红色、橙黄色以及蓝色等多种色光，所有固体受热发光过程都和烧煤情况相似。
能否用麦克斯韦的振动电荷模型来说明随温度变化的黑体的发光现象呢？利用牛顿力学和统计力学，可以说明振动的大量原子的集合体。为了预测受热物体中电荷的振动，应用牛顿的运动定律，理论上可以得到电荷的振荡频率和振幅。再用麦克斯韦方程组（公式如下），从振动频率和振幅知道光的颜色和强度。可是这样的理论计算结果与黑体辐射实验结果发生了矛盾，这种现象叫“紫外灾变”，即波动说解释不了黑体辐射。
还有，光电效应现象也无法用牛顿与麦克斯韦的理论来解释。19世纪初，俄国化学家斯特列托夫发现当一块金属被光照射时，金属表面会吸收一部分光照的能量并启动金属内部的一些电子，当这些电子吸收的能量超过了一个阈值时，它们甚至脱离原子的束缚从金属表面逃逸，这个过程被称为光电效应。1886年，德国物理学家赫兹首次成功利用一个电子装置产生并探测到了电磁波。在实验中，也意外地发现了光电效应，但他并没有给出合理的解释。
从1902年开始，在赫兹研究的基础上，德国籍匈牙利科学家勒纳德进行了一系列的实验，测量了不同光照强度下逃逸的电子数量。他发现，为了让电子从金属表面逃逸，实验中使用的光源必须具有足够的强度，低于这个强度的光照就无法产生光电效应。然而，当实验中的光照强度增加后，尽管逃逸电子的数量确实增加了，但它们逃逸时所具有的平均初时能量却没有随光照强度而增加，维持不变。他还用不同颜色的光做实验，发现照射光的颜色会影响电子逃逸金属表面时所具有的初始能量。当他用频率更高、波长更短的光照射金属时，逃逸的电子会具有更高的初始能量。
在当时，光的波动说是公认的正统理论。如果光确实是一种波，那么就没有办法解释勒纳德的实验结果。当时科学界认为，波所具有的能量应该与它的振幅或者强度成正比，而与频率或者波长无关。根据光的波动说，不同颜色（频率）的光不可能改变光电效应中逃逸电子的情况，只有不同密度或者亮度的光才能够产生不同的结果。如果用光照强度相同的红色光或紫色光，将会产生相同数量与初始能量的逃逸电子。但勒纳德实验结果恰好同波动说理论相反。这样，波动说在光电效应解释上又遇到了障碍，而且著名的迈克尔逊—莫雷以太实验对太空中以太存在的否定，对波动说更是致命的打击。
当时，年轻的爱因斯坦已经觉察到，用麦克斯韦方程来描述光学现象，其实是非常成功的。然而，当人们将连续空间函数运算理论应用到黑体辐射和光电效应等光的产生与转化的现象上去时，这个理论与实验结果相矛盾。爱因斯坦考虑，如果用光的能量在空间不是连续分布的假设来解释一些有关光的产生和转化的现象，也许更容易理解。这时候，他想到了几年前被提出来的热辐射量子学说。
1900年12月，德国物理学家普朗克发表了划时代的论文《论正常光谱中的能量分布规则》，第一次提出了能量子概念，宣告了量子学说的诞生。他认为，受热烤炉中振动的粒子并非像波一样连续地向外辐射能量，而是离散地向外辐射一份一份的能量。普朗克对黑体辐射现象提出一种创新的解释方法，并把这些一份份的能量称为“量子”。物体对外辐射的每一份能量的大小与电磁波的频率相关，即频率越高（波长越短），每一份所包含的能量也就越大。这每一份能量是一个最小能量单元的整数倍。这个最小的、不可分割的最小作用能量单元称为“能量子”。（有关普朗克的量子论请参看第七章第一节）。
量子论一发表，爱因斯坦就注意到了，他敏锐地觉察到，如果把普朗克的量子学说应用到光辐射上，把光也看成是一种能量子，一定会得出满意的结果。于是爱因斯坦在1905年发表的《关于光的产生与转化的一个启发性观点》一文中，大胆地提出了他的“光量子假设”，也就是被公认的“光量子学说”。
在这篇论文中，爱因斯坦提出“从光源发出来的光束的能量在传播中不是连续分布在越来越大的空间之中，而是由无数有限的、局限在空间各点中的能量子所组成。这些量子能够运动，但不能再分割，而只能是整个地被吸收或释放出来”。爱因斯坦把这些能量子叫光量子，后来简称为光子。光就是由这些光量子组成的以光速运动着的粒子流，同普朗克的能量子一样，每个光量子的能量也是e=hν（式中h为普朗克常数，ν为光的频率）。
从这个假设出发，爱因斯坦成功地解释了包括“光电效应”在内的几个有关光的产生与转化的现象，即解释了光的波动说无法解释的现象，并给出了光电效应的爱因斯坦方程，得到了电子动能与光频率之间的基本关系式，即
式中m为电子质量，v是电子速度，ν为光频率，h为普朗克常数，p为电子的逸出功。
图3 光电效应示意图
光量子学说以最精炼的方式阐明了“光电效应”。这种效应的基础是光与电子之间进行能量交换（图3）。所以，光束打到金属表面之后的功能与光源的强度无关，而完全取决于光的颜色（频率）。例如，在白色光中紫外线照射下，打出的电子的动量最大。
爱因斯坦的这个理论可以解释勒纳德在研究光电效应时遇到的矛盾。勒纳德当时遇到了下面两个问题。
第一个问题是：他发现当光照强度变为原来的两倍时，实验中从金属表面逃逸的电子的数量变成了原来的两倍，但逃逸的电子所具有的初时动能并没有发生改变。如果把光看成是一种波，这种现象就无法解释。然而如果电子吸收的能量是离散的，那么这种现象就不难理解了。
当光照强度增强为原来的两倍，就会有两倍的辐射打到金属表面，换而言之，金属中的电子吸收的辐射能量变为原来的两倍，所以会有两倍数量的电子逃逸。又因为电子所能吸收的能量与照射光的频率成正比，所以即使光照强度升为原来的两倍，也并不能影响逃逸电子所具有的能量。由于每个电子吸收的量子的能量相同，所以当它们从金属表面逃逸时，其具有的平均初时动能也不会发生改变。
第二个问题是：在实验中，勒纳德用不同颜色（频率）的光照射金属表面。随着照射光频率的增加，电子从金属表面逃逸时具有的能量也增大。由于量子包含的能量与电磁波的频率是正比关系，频率越高，量子具有的能量也越大，所以电子可以吸收到更大的能量，它们从金属表面逃逸时具有的初始动能也就会相应增加。由于爱因斯坦的正确解释，勒纳德获得了1905年的诺贝尔物理学奖，当时勒纳德对爱因斯坦佩服得五体投地，可是他后来变成了反犹太和攻击爱因斯坦的急先锋。
光量子学说提出后，几乎遭到了所有老一辈物理学家的反对，一些年轻的物理学家也无法接受，连量子论的创始者普朗克本人也坚决反对，虽然他十分推崇爱因斯坦与光量子论同一年提出的相对论。
当时，美国实验物理学家密立根开始也不相信有什么光量子，他企图用自己的实验来否定它。他花了十年的时间去验证爱因斯坦的光电效应公式，结果却与他的愿望相反，1915年他终于宣告他的实验不但没有否定，反而证实了光量子论的光电效应公式，并且用该公式精确地测定了普朗克常数h的值，与普朗克量子论辐射公式给出的h值完全相等。为此，他获得了1923年的诺贝尔物理学奖。光量子假说终于得到了实验的证实，而对它的另一个更有力的支持来自康普顿效应。1922—1923年，美国科学家康普顿研究了X射线照射金属、石墨等物质散色后的光谱。根据经典电磁理论，入射波长与散色波长应该相等。而康普顿的实验却发现，除有波长不变的散射外，还有大于入射波长的散射存在，这种现象被称为“康普顿效应”。它是光的波动说无法解释的。康普顿本人也原来根本不相信光量子假说，可是经过多次研究后，他终于认识到这种效应只能用光量子论才能解释。因此，康普顿效应被看成是光量子假设的判决性实验，是光量子存在的确凿证据。康普顿也由于用实验证明了爱因斯坦的光量子学说，获得了1927年的诺贝尔物理学奖。从此，光量子假说变成了光量子学说，得到了世界的公认，成为现代物理学的重要组成部分。
光量子论提示了光的两重性。它在某种意义上复活了光的微粒说，但这不是简单地回到牛顿粒子发射论，而是有着更深刻的内在含义。爱因斯坦认为光的粒子性与波动性各自反映了光的本质的不同侧面。1909年，他在德国自然科学家协会年会上所做的《论我们关于辐射的本质和结构的观点的发展》报告中论证说：“未来的光学理论可以认为是光的波动论与发射论的某种综合。”光量子学说把牛顿的微粒说与惠更斯的波动说在一个更高的基础上统一起来。这样，持续了200多年的光的本质问题的争论得到了完美统一。
另外，1906年，爱因斯坦又把量子概念扩展到物体内部粒子的振动上，完成了固体比热的论文，解释了低温时固体的比热同温度变化的关系问题。这是关于固体量子论的第一篇论文，在20世纪量子论的发展上同样具有开创性意义。
1916年爱因斯坦发表的《关于辐射的量子理论》，是他对自己提出的光量子理论和固体量子理论，同时也是对整个世界量子论发展第一阶段的理论总结。它从波尔的原子结构出发，用统计力学的方法导出了普朗克的辐射公式，论文中所提出的受激辐射理论奠定了20世纪60年代蓬勃发展起来的一门崭新的重要技术——激光技术的理论基础。
从爱因斯坦的光量子理论得到启示的法国物理学家德布罗意把它推广到物质波上，1926年奥地利物理学家薛定谔提出物质波所满足的运动方程，建立了量子力学的波动形式。因此人们不仅称爱因斯坦为相对论的创立者，又称他为量子力学的创始人之一。
1905年爱因斯坦光量子理论的提出，是自普朗克1900年发表量子论以后最伟大的贡献，他可以当之无愧地与普朗克（1918年获诺贝尔物理学奖）并列为量子论的创始者与奠基人，他们在量子物理学的建立与发展上树起了一座永不磨灭的丰碑。他因为此项研究成果获得了1921年的诺贝尔物理学奖。