1905年是物理学史上非常重要的一年这一年诞生的理论奠定了整个20世纪物理学的基础，而所有这些理论都是由同一个人提出的，那就是阿尔伯特·爱因斯坦

阿尔伯特·爱因斯坦

1905年，爱因斯坦连续发表了四篇论文这四篇论文每一篇都具有划时代的意义——第一篇解释了光电效应，提出了光子的概念，是量子理论的重大发展，第二部分解释了布朗运动，并提供了原子存在的重要证明第三章提出狭义相对论，正式诞生，第四章揭示了质能关系的深层本质质能方程以其简洁优美的形式风靡全球，成为相对论的代名词后来，1905年被称为爱因斯坦的奇迹年

这一年，爱因斯坦刚刚26岁今年，距离普朗克提出能量量子化的想法已经过去了五年可是，在这五年里，量子理论没有任何发展欧洲大学的知名教授还在忙着修缮经典物理的大楼没有人能意识到能量量子化到底意味着什么，普朗克的工作几乎被忽略了就连普朗克本人也陷入了深深的自我怀疑，他对黑体辐射公式的推导存在严重的内在矛盾，这让他觉得能量量子化可能只是权宜之计，难以对大众产生吸引力，所以他一直在尝试如何回归经典物理的框架来推导黑体辐射公式

在今年之前，没有人会想到，欧洲最有天赋的物理天才竟然是瑞士专利局的一个小职员此时，爱因斯坦没有加入任何学术组织，只是和几个热爱科学和哲学的朋友组织了一个名为奥林匹亚科学院的读书俱乐部

少数年轻人不是来自学术圈他们有日常的工作来养家糊口，但从奥林匹亚科学院这个雄心勃勃的名字中，我们可以看出他们是一群有着远大抱负的年轻人他们挤出周末或者下班后的时间聚在一起，边读书边讨论自己感兴趣的话题——哲学，物理，数学，文学

爱因斯坦的学术生涯是从专利局开始的，不是因为他不愿意进入学术殿堂，而是因为没有一所大学能接受他爱因斯坦在大学时经常逃课，这给他的老师留下了不好的印象

不是他不喜欢学习，而是老师说的都过时了，满足不了自己的需求，所以他逃课躲在外面自习他通读了基尔霍夫，赫兹，玻尔兹曼，洛伦茨，麦克斯韦等物理学大师的著作，了解了物理学最前沿的内容，但对自己的毕业考试帮助不大毕竟老师考试的重点不在他的阅读范围内，导致他毕业成绩很差

1900年，普朗克提出能量量子化的那一年，爱因斯坦大学毕业当时他想留下来当助教，但是他的老师很自然的拒绝了一个总是逃课的学生然后他给欧洲的大学甚至中学发出了申请信，但是都没有回音两年后，在大学朋友的帮助下，他在专利局找到了一份技术员的工作，终于没有成为待业青年

在他的工作和生活稳定下来后，爱因斯坦终于不再为养家糊口而担忧了他可以静下心来研究他热爱的物理学即使他只能在业余时间做研究，这对他来说已经很难得了他一直保持着敏锐的眼光，跟踪物理学的前沿进展，研究物理学的各个方向

光一直是爱因斯坦关注的一个焦点无论是光速还是光的性质，都是他思考的问题在此期间，他不仅了解了普朗克对黑体辐射问题的解决方法，还思考了另一个与光有关的奇怪问题——光电效应爱因斯坦也因其光电效应获得了1921年的诺贝尔物理学奖

1887年，德国物理学家赫兹通过实验首次证明了电磁波的存在后来他证明了光波是电磁波，充分验证了麦克斯韦的电磁理论可是，赫兹在验证经典电磁理论的同时，也发现了一个反常的实验现象——光电效应

光电效应示意图

光电效应，顾名思义，就是光产生电的效应金属是由原子组成的，原子是由原子核和电子组成的

赫兹发现，用紫外线照射一些金属板，可以把金属中的电子敲出来当电压施加到两个相对的金属板上时，被撞出的电子将形成电流这一现象引起了许多研究者的兴趣，并很快得到了大量的实验结果，但电磁波理论在解释这些实验结果时遇到了严重的困难

人们发现，决定能否产生电子的关键不是光的强度，而是光的频率紫外线可以很容易地将电子从金属中敲出来，但可见光不能当时人们很疑惑，因为根据经典波动理论，波的强度代表了它的能量只要光强足够，电子就能获得足够的能量脱离金属表面的束缚所以，任何频率的光都可以击中电子，但实验结果是，无论可见光多强，都不能击中电子，这与理论预测完全相反

光电效应发现至今已近20年，却无人能解决这个问题所谓初生牛犊不怕虎面对这样一个公认的科学难题，年轻的爱因斯坦没有退缩他敏锐的直觉告诉他，经典的电磁理论主要描述宏观釉的整体性质，而黑体辐射和光电效应本质上都涉及微观釉的产生过程既然普朗克通过能量量子化解决了黑体辐射的问题，那么光电效应的问题也应该受到启发

为什么光的频率在光电效应中如此重要。爱因斯坦紧紧盯着普朗克的能量量子公式:

E=hυ

由这个公式可知，能量量子所携带的能量只与光的频率υ有关当光线照射到金属表面时，实际上是能量量子在不断地冲击金属表面那么能量量子意味着什么呢是短波吗是最小的震动吗还是别的从普朗克的论文来看，普朗克并没有给出清晰的能量量子图像，而这个图像应该是至关重要的

陷入沉思的爱因斯坦仿佛老僧入定，一动不动，谁也看不出那天他的大脑在高速运转渐渐地，他的眼前似乎出现了一幅画面:光的能量量子就像一颗子弹射进了金属，被子弹击中的电子获得了子弹的能量，然后挣脱了金属内部的束缚

明白了！爱因斯坦一拍桌子，突然站了起来电子能不能打出来，完全取决于子弹能给电子提供多少能量！他兴奋地在房间里转了一圈，然后坐在桌前拿起草稿纸，快速地推演起来

电子动能= hυ—电子功函数

这个公式的意义是:能量量子为电子提供了hυ的能量，不仅帮助电子挣脱了金属表面的束缚，还将其余的转化为电子的动能。

至此，能量量子的形象在爱因斯坦的脑海中已经完全清晰这少量的电磁辐射能量不是一个小波，而是粒子，它们是不可分的，只能被整体吸收或发射爱因斯坦把这些能量点粒子命名为光量子，后来人们把它们重新命名为光子

爱因斯坦的光子理论很好地解释了光电效应因为每个光子的能量是固定的hυ，所以电子吸收的能量主要取决于单个光子的能量而不是光的强度，光的强度只是光子流的密度

由于可见光频率低，其光子能量不足以大到克服电子的功函数，所以不可能击中电子紫外线频率高，光子能量大，所以容易产生电子

爱因斯坦的光子假说很大胆，因为没有足够的实验事实来支持他的理论。

直到1916年，美国物理学家密立根才全面验证了他的理论有意思的是，米利根在做光电效应实验的时候是为了推翻爱因斯坦的光子理论，所以他一直做了10年的实验在这10年间，他不断提高实验的准确度，却发现实验的准确度越高，越能证明爱因斯坦的正确性最后他不得不承认爱因斯坦的理论，顺便精确地测到了普朗克常数

在爱因斯坦明确了光具有粒子性质之后，他接着根据相对论进一步提出了光子的动量公式:

p=h/λ

其中p是光子的动量，λ是光的波长，普朗克常数。

1923年，美国物理学家康普顿和他的学生吴通过康普顿效应验证实验证明光子确实具有动量，为光的粒子性提供了无可辩驳的证据。

关于光的本质，历史上有过很长时间的争论17世纪末，以牛顿为代表的粒子学派和以惠更斯为代表的波动学派进行了长期的争论

18世纪，人们发现了光的干涉和衍射现象，波动理论占了上风19世纪后期，伴随着电磁理论的出现，人们明确了光就是电磁波，粒子理论被彻底抛弃由此，爱因斯坦再次提出了光子理论，并明确了光的粒子性那么这个时候，应该如何看待光的波动呢事实上，爱因斯坦已经在光子理论的两个公式中给出了答案

E=hυ

p=h/λ

这两个公式看起来很简单，其实不然因为爱因斯坦通过这两个公式把粒子和波联系起来:粒子的能量和动量是由波的频率和波长计算出来的

粒子二象性的发现是人类对光的本质认识的重大突破由此产生的蝴蝶效应将使人类对物质世界的认识发生巨大飞跃这一飞跃将在18年后由法国科学家德布罗意完成此时的德布罗意还只是一个13岁的少年，沉浸在历史和文学的海洋中，立志将来做一名历史学家

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