沈志勋：爱因斯坦之光电效应
一个世纪的认知与创新
沈志勋
知识分子
2016-01-19
沈志勋于未来论坛现场演讲
演讲 | 沈志勋（斯坦福大学物理科学讲席教授，美国国家科学院院士）
整理 | 张林峰
谢谢大家给我这样一个机会跟大家交流。我们今天在这里是回顾爱因斯坦1905年和1915年的狭义相对论和广义相对论。几乎同时在这两个时段，即1905年和1917年，爱因斯坦又发表了两篇也是非常重要的工作，使得人类对光的认识提高到了一个新的高度。我想今天给大家介绍一下这件事情。
物理学有几个大的极限。物理学的一个极限是非常大尺度的，像宇宙这样的东西。物理学的另外一个极限是宇宙当中最基本的粒子这样小的东西。物理学还有一个极限就是把很多东西放在一起所展现出来特殊的效果，这就是集体的效应，超导就是这么一个现象。物理学的几大极限物理学还有一个极限是光。大家知道光的速度非常快，光速是速度的上限。人类对光的认知有非常久远的历史，光是人类认识世界的最重要的手段之一。
从远古至今，几乎在所有的文明中大家都在猜测光。古希腊对于光的本质有过很多很多的猜想。但是光作为一门科学，对光的本质的认识，是大概四五百年以前牛顿在Gassendi（伽桑狄，法国数学家，1592~1655）的基础上发展的。他认为光是一种粒子，有折射，有反射，这就是我们大家在中学或者是大学物理里面能够学到的所谓牛顿光学或者是几何光学。
对经典光粒子论作出重要贡献的两位科学家 Pierre Gassendi（左）及 Isaac Newton（右）但是过了一个世纪以后，Thomas Young做了一个非常重要的实验，颠覆了牛顿的光粒子论。这个实验是怎样做的呢？Thomas Young先让一束光通过一个缝，然后在缝隙的板后面再加了一个双缝。如果说光是一个粒子的话，直接打过去就不一定能够通过双缝。
但是如果光是光波的话就可以绕过去，而且通过两个缝绕过去以后，会形成一个干涉条纹。下图是Thomas和他做的实验的示意图及结果，可以看到一条一条的条纹。这个实验毫无疑问地建立了光是波的这么一个实验结果。
对光波论作出重要贡献的Thomas Young，其实验示意图及结果图
又过了五十年，电磁学建立。在Faraday实验的基础上Maxwell建立了麦氏方程。我们知道，在麦氏方程建立以后，从最基本的电磁学的数据当中，我们可以得到电磁波的速度，结果发现和测算出来的光速是一样的。由此人们第一次感觉到了光是电磁波的一种。
写出麦氏方程的James Clerk Maxwell以及其方程的部分解，其中真空光速由两个已知参数真空磁导率与真空电容率确定
今天大家知道电磁波有非常广的应用。从广播，从我们微信的微波，一直到X光都是电磁波的不同波段。可见光是其中非常少的一段。由于这几个实验和麦氏理论的建立，基本上大家就认为光作为电磁波是毫无异议的。但是到了1902年，Phillip Lenard在赫兹实验基础上做了这么一个非常重要的实验。他在真空管里面打入光以后，这光就会在材料表面再打出电子，即所谓的光电子，然后用一个非常简单的电路来测出光电子的能量。
他惊奇地发现光电子的能量和光的强度是毫无关系的，而且跟它的频率有关。这个实验结果是没有办法用光的光波性质来解释的，但那个时候我们不知道物质有波粒二相性，所以这是物理学里面一个非常大的问题！这就是光电效应。
做光电效应实验的Phillip Lenard，以及其实验的示意图
1905年，也就是同一年，爱因斯坦还在瑞士专利局做小职员的时候，他除了写了一篇著名的狭义相对论以外还写了一篇光电效应的文章，其中他第一次提出来光是一种粒子，也就是光是量子这样一个概念。爱因斯坦的这个工作可能是他所有工作中最有争议的一个，他自己在晚年当中回忆。因为大家对光作为一个光波的概念已经接受得这么深入，以至于重新提出来光是一种粒子实际上对爱因斯坦在当时的声誉产生影响。
所以在八年以后，也就是1913年，普朗克担心爱因斯坦由于光电效应这篇文章而影响他的声誉，选不上布鲁士科学院的院士——今天我们回过头来看爱因斯坦选不上院士是非常可笑的一件事——所以普朗克写信说爱因斯坦对近代物理所有的问题都做出了杰出的贡献，在思考上的偶然失误，比如说光的量子论是可以原谅的，因为即使在最严谨的科学中提出崭新的概念也是要带来风险的。
在科学史上这封信为什么这么重要有两点原因。第一，大家都知道普朗克是量子力学之父，他第一个提出了量子的概念；第二，他也是爱因斯坦的伯乐，他第一次发现了年轻的爱因斯坦，并且提携了他。可以想象一下这封信从普朗克那里出来的，连普朗克这位量子力学之父都不相信爱因斯坦的光的量子论，可以想象这个争议有多么大。最后事实证明爱因斯坦是正确的。
爱因斯坦及其光电效应方程
1921年瑞典皇家科学院授予爱因斯坦诺贝尔奖金的时候，并不是因他更著名的相对论给他颁奖的。而是说，他因对理论物理的贡献，尤其是对光电效应原理的解释获得了诺贝尔奖。
他将人类对光的认知提高到了一个更高的高度。当然到了1921年我们对光的波粒二相性已经是完全接受了。这并不是一个像早期的时候人们认为的，觉得只是在牛顿的基础上回到牛顿，而是在更高的层次上被接受。
给爱因斯坦的诺贝尔颁奖词
1917年爱因斯坦又写了一篇著名的文章，就是所谓的受激辐射。他说一个光子打到一个材料里面可以引诱出很多光子的发射，而且所有的其他光子发射的工作是完全一致的，有一个协同的效应。这就是今天所谓的激光。激光之所以跟一般的光不一样，是因为激光当中的每一个光子都是互相协作的，这就是物理上所说的相干性。这为后来的激光的发明奠定了理论基础。
1917年的爱因斯坦和他提出的受激辐射示意图
所以，人类对光电的量子认知改变了我们的生活，我们今天讲到很多的互联网，世界连在一起，如果没有光纤通讯，我想是很难做到的。今天我们会看到很多的科研是以光为手段的量子信息，和量子计算，将来有一天也许光会给我们带来了下一步的突破。
光通讯与量子通讯和量子计算
今天我们可以享受由太阳能，即光的量子带给我们的清洁能源。走向未来是不是哪一天可以用激光作为研究核聚变的最重要手段之一，是不是真正地能够在地球上找出可控的人造太阳？大家都知道我们人类的能量都是从太阳来的，太阳上发生的就是核聚变的过程。激光制造也用到光电量子的概念。下图激光制造部分左边是半导体的一些测试，右边是激光切割。我想激光在制造业中会变得越来越重要。
光伏太阳能、激光聚变与激光制造
还有就是激光医疗，激光在医疗上用得越来越多。一些常见的手术，例如近视眼的修正这些都是用激光做的。激光还在照明和娱乐，你看我们今天这样一个光场，如果没有现代光学，也是不可能的。这就涉及到了LED照明。
激光医疗、照明与娱乐
我想我们也许并不一定知道是具体到哪一天，但是很多人相信在不远的将来，我们会体验光所产生的虚拟世界，这种事情会越来越多。我们可以得到一种超越时空的人生经历，我们讲今后的一百年非常有可能我们人类是要登上火星的。也许当人类登上火星的那天，我们大家有可能通过一个虚拟的过程同步体验我们人类走向宇宙跨出的历史性的一步。
虚拟现实和超越时空的人生经历
不仅仅是在应用当中，人类对光的量子认知也提供了非常重要的科学研究手段。由光电效应所衍生的光电能谱，对物理学，尤其是凝聚态物理学、化学和材料科学都有着深刻的影响。拿我们凝聚态物理学做一个例子，你看，在几乎所有的量子材料研究中，光都起了非常重要的作用。
比如说高温超导和界面超导，比如说半导体，比如说拓扑材料，比如说奇异的碳材料，碳60啊，石墨烯啊，钻石啊等等，比如说二维的氧化物，比如说电荷密度波，極子材料，还有稀土重费米子，这包括了凝聚态物理量子材料的几乎所有的题目。
光电能谱在量子材料研究中的广泛应用
光电效应所衍生的光电能谱对量子材料的电子结构了解提供了最核心的信息。拿我们自己的研究做一个例子，光电能谱对高温超导的对称性产生了很大的影响。我们在二十几年前就是用光电能谱看出来高温超导的对称性和普通超导不一样，是一个D波配对的对称性的原理。过去十年，我们又可以用光电效应对高温超导的电子相图做研究，这样一个相图是用其他手段非常难做的。有了这样一个电子能谱以后，你可以对这个材料有一个非常深刻的了解。
D波配对及其对称性示意图
这个手段一来可以做很多很多的事情，二来由于光电能谱同时对理论和实验都有非常高的要求，所以它也是一个培养人才和训练人的一个非常好的手段，从我自己的体会来看我自己过去这二十年带的学生的话，回过头来看，虽然受的训练是在光电效应，但是他们去的领域，后来做的工作，都是非常非常广阔的。所以说这也是一个非常好的训练方法。我最后再回顾一下我们刚刚讲的。
爱因斯坦是做了非常多的、非常重要的工作。我们知道狭义相对论、广义相对论，而几乎是同时，他对人类对光的认知有着深刻的贡献，而且真正影响了人类文明的进程。光电效应所衍生的对光的量子认知将人类对光的认识提高到了一个崭新的高度，为量子论的建立提供了一个重要的基石。光电效应、黑体辐射、氢的光谱是量子力学建立的三个最早期的实验基石。爱因斯坦对光的量子认知为现代激光的发明奠定了理论的基础。
量子力学和激光催生了现代电子学和光学通讯，促成了信息革命，在一定意义上来说从根本上改变了人类的生活。今天，光的量子认知依然是现代发现和创新的源泉，从基础科学到新材料，新能源，从照明到娱乐，从光的通讯到量子计算，从激光制造到光医学，从全息成像到虚拟世界，这依然是一个非常令人期待的领域，我想我们看到的是冰山一角。
谢谢大家。
本文经演讲者本人审定，图片选自演讲PPT。
致歉
昨天因编辑部工作疏漏，致使本文配图欠妥，现重发此文并向沈志勋老师和读者致歉。
知识分子编辑部