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光的简史25: 电磁理论在光电效应上的困境 成为波粒三战导火索
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上回说到,波粒三战有两条战线,第一条战线是由爱因斯坦推动的光本性之争,第二条战线是由玻尔推动的离散世界与连续世界之争。现在我们先谈第一条战线的情况。 前文说到,赫兹发现了光电效应。 很快,关于光电效应的一系列实验就在各个实验室被作出。虽然在当时来说,这些实验都还非常粗糙和原始,但人们已经了解到光和电之间这种现象的一些基本性质。 人们不久便知道了两个基本的事实:首先,对于某种特定的金属来说,光是否能够从它的表面打击出电子来,只和光的频率有关。频率高的光线,比如紫外线,能够打出能量较高的电子;而频率低的光,比如红光,则一个电子也打不出来。其次,能否打击出电子,与光的强度无关。再弱的紫外线也能够打击出金属表面的电子来,而再强的红光也无法做到这一点。增加光线的强度,能够做到的只是增加打击出电子的数量。比如,强烈的紫光相对微弱的紫光来说,可以从金属表面打击出更多的电子来。 总而言之,对于特定的金属,能不能打出电子,由光的频率说了算。而打出多少电子,则由光的强度说了算。 但科学家们很快就发现,他们陷入了一个巨大的困惑中。因为……这个现象没有道理,它似乎不应该是这样的啊。 我们都已经知道,光是一种波动。对于波动来说,波的强度便代表了它的能量。我们都很容易理解,电子是被某种能量束缚在金属内部的,如果外部给予的能量不够,便不足以将电子打击出来。但是,照理说,如果我们增加光波的强度,那便是增加它的能量啊,为什么对于红光来说,再强烈的光线都无法打击出哪怕是一个电子来呢? 而频率,频率是什么东西呢?无非是波振动的频繁程度而已。如果频率高的话,便是说 波振动得频繁一点,那么照理说频繁振动的光波,应该打击出更多数量的电子才对啊。然而所有的实验都指向相反的方向:光的强度决定电子数目,光的频率决定能否打出电子。这不是开玩笑吗? 科学家们发现,在光电效应问题上,他们面临着尴尬处境。麦克斯韦的电磁理论在光电效应上显得一头雾水,不知怎么办才好。实验揭露出来的事实简单而明了,多次的重复只有更加证实了这个基本事实而已,但这个事实却和理论恰好相反。那么,问题出在哪里了呢?是理论错了,还是我们的眼睛在跟我们开玩笑? 问题还不仅仅是这些。种种迹象都表明,光的频率和打出电子的能量之间有着密切的关系。每一种特定频率的光线,它打出的电子的能量有一个对应的上限。打个比方说,如果紫外光可以激发出能量达到20电子伏的电子来,换了紫光可能就最多只有10电子伏。这在波动看来,是非常不可思议的。 而且,根据麦克斯韦理论,一个电子的被击出,如果是建立在能量吸收上的话,它应该是一个连续的过程,这能量可以累积。也就是说,如果用很弱的光线照射金属的话,电子必须花一定的时间来吸收,才能达到足够的能量从而跳出表面。这样的话,在光照和电子飞出这两者之间就应该存在着一个时间差。但是,实验表明,电子的跃出是瞬时的,光一照到金属上,立即就会有电子飞出,哪怕再暗弱的光线,也是一样,区别只是在于飞出电子的数量多少而已。 咄咄怪事。 对于可怜的物理学家们来说,万事总是不遂他们的心愿。好不容易有了一个基本上完美的理论,实验总是要搞出一些怪事来搅乱人们的好梦。这个该死的光电效应,正是一个令人丧气和扫兴的东西。高雅而尊贵的麦克斯韦理论,在这个小泥塘前面大大地犯难了,如何跨越过去而不弄脏自己那华丽的衣裳,着实是一桩伤脑筋的事情。 然而,更加不幸的是,人们总是小看眼前的困难。有着洁癖的物理学家们还在苦思冥想着,怎样可以把光电现象融入麦克斯韦理论之中去,而不损害它的完美。他们却不知道,这件事情比他们想象的要严重得多。很快人们就会发现,这根本不是袍子干不干净的问题,这是一个牵涉到整个物理体系基础的根本性困难。 当初,人们把量子视为一种为了方便而引入的假设,而让高傲的麦克斯韦理论躲过了一劫。现在面对光电效应的实验事实,波动理论已经无法再躲避了,这成为光本性之争再生战端的导火索。
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