光电效应的历史：爱因斯坦与莱纳德之间的争斗

背景介绍

爱因斯坦因光电效应获得 1921 年诺贝尔物理学奖。但是为什么无论是当时还是现在，爱因斯坦都是以他在相对论方面的工作而闻名。好吧，这一切都与一个名叫菲利普·莱纳德 (Philipp Lenard) 的人有关，他在光电效应方面的实验启发了爱因斯坦的理论。

▲ 图1.2.1 爱因斯坦的诺贝尔奖

莱纳德是一个很令人追崇的人。他的工作在开始的时候启发了爱因斯坦，并两人成为了朋友。然而由于各种阴差阳错的组合，包括对物理学的热爱、科学方面的失望、民族主义和精神上的弱点，他最终成为爱因斯坦最大的克星之一。这是一个物理学方面的故事，也是关于一个人堕入疯狂和法西斯主义的故事。这方面往事让我们听 Kathy 老师娓娓道来吧。

▲ 图1.2.2 菲利普·莱纳德

无线电波

一位名叫海因里希·赫兹的年轻德国科学家于 1887 年 5 月发现了光电效应。赫兹利用在感应线圈上安装天线发现了无线电波，可以通过在远处的接收线圈输出端产生的小火花来捕获房间另外一端的大的放电火花。由于接收线圈中的火花非常小，赫兹决定将其放在暗箱中， 如此这般，感应线圈发出的明亮火花就不会分散他的注意力。令他惊讶的是，当他这样做时，接收器中的火花“明显变小了”。

▲ 图1.2.3 赫兹的光电现象

赫兹开始在他的发射火花和接收火花之间放置各种屏幕，发现玻璃会减少火花，而石英则不会。因为玻璃会阻挡紫外线，而石英不会。赫兹决定，来自紫外线光线的能量一定是放大了电火花。除了那个观察之外，赫兹没有尝试“任何关于观察到的现象背后的理论” 了。这最终被称为光电效应。Photo 为光，Electric 为电。

▲ 图1.2.4 光电效应

阴极射线

尽管赫兹没有提出任何理论。许多其他人也尝试过，包括一位 27 岁的德国血统匈牙利研究生 Philipp Lenard，他正在努力获得大学中的永久职位。当时在德国，27 岁被认为已经很老了，没有固定的物理学职位。

▲ 图1.3.1 菲利普·莱纳德

好吧，我知道 Lenard 观察到，当光滑的金属板被强烈的紫外线照射时，它们看起来开始变得不那么光滑了。对此，莱纳德有一个有趣的理论，即电只能由灰尘而不是由气体携带，正是因为紫外线使得导体带电，从而聚集了灰尘，就使得金属板板材看起来粗糙。基本上当时所有人都忽略了这个理论，之后再没有进一步发展。

然而三年后，莱纳德的运气发生了变化，他设法找到了一份工作，担任他心目中的英雄海因里希·赫兹 (Heinrich Hertz) 的助手。

▲ 图1.3.2 阴极射线与X射线

当时赫兹正在研究真空管中产生的阴极射线，或者不可见射线，它可以使磷粉发光。赫兹发现阴极射线可以穿过薄金属片。他告诉莱纳德制作一个带有铝制屏障的真空管。你可能会问赫兹为什么不亲自做这个实验。这可能是因为赫兹开始头痛得厉害，并且一直感到恶心。

独自留在实验室里，莱纳德不仅研究了在不同真空之间用铝屏障的阴极射线，他还更进一步，在真空管和空气之间制作了一个铝窗。令他惊讶的是，阴极射线可以在空气中传播几英寸。

▲ 图1.3.3 铝片带有窗口

X射线

莱纳德确信他的 Lenard 真空管最终会使他在科学界名声大噪。他于 1893 年 12 月发表了他的结果。不幸的是，几周后赫兹就去世了，莱纳德抽出时间来编辑赫兹作品和传记的德文和英文纪念册。这段时间的分心对莱纳德来说非常走运了，因为就在第二年，另一位名叫威廉·伦琴的德国科学家用很厚磷光屏对 Lenard 管进行实验，并发现了一种新的射线，伦琴称之为 X 射线。突然间，整个世界都陷入了 X 射线的狂热之中。

▲ 图1.3.4 伦琴的X射线

起初莱纳德对这一发现感到兴奋，并给伦琴写了一封善意的感谢信：“因为你非凡的发现在广泛的圈子里引起了如此显著的关注，我的微薄工作也受到了关注。” 起初莱纳德是正确的，因为他们都开始获得无数奖牌，包括英格兰的拉姆福德奖牌和意大利的马托奇梅德尔奖牌。

莱纳德终于获得了副教授的职位，并在建立了他的实验室后决定结婚。正如他所说，“有很多教授的女儿正在等待结婚。”

▲ 图1.3.5 莱纳德和他的妻子凯迪·莱纳德

光电现象

很快他就被任命为正教授，他的事业和家庭生活似乎都安稳了。然而在 1897 年，一位名叫 J.J.Thompson 的英国人证明了阴极射线根本不是一种光， 而是一束带电的粒子，我们现在称为电子的粒子。

随着电子的发现，莱纳德发现他在阴极射线方面的所有工作都变得毫无意义。更糟糕的是，如果阴极射线是一个粒子，而 X 射线，也就是我们现在认为的超紫外光与阴极射线之间就没有任何关系了， 虽然莱纳德发现阴极射线可以在空气中传播。也就是说，莱纳德以为伦琴只是在空气中发现了一种新型的阴极射线，但实际上伦琴有新发现，而莱纳德没有。

▲ 图1.3.6 莱纳德的阴极射线与伦琴的X射线

这是一场惨败。莱纳德重复了 JJ 汤普森的实验，发现射线在各个方面都表现得像带负电荷的移动粒子。然后莱纳德有了一个巧妙的想法，如果他的旧理论，即电荷只由尘埃携带是正确的， 那么所谓的尘埃实际上就是阴极射线电子。1899 年 10 月，莱纳德发表了用紫外光产生阴极射线论文。他通过石英屏将紫外光照射到真空管中并研究管内的光电射线，从而演示了紫外光产生电子现象。

▲ 图1.3.7 利用紫外线产生电子

对莱纳德来说不幸的是，英国人 J.J.Thompson 几乎在同一时间发表了类似的结果。所以他觉得他没有因那个发现获得相应的认可。然后，人们对理解光电效应的突破发生在 1900 年 12 月。当时一位名叫马克斯·普朗克的德国科学家发表了他的黑体辐射方程。他假设光子的能量等于常数乘以光频率。这可以解释为什么紫外线可以具有产生光电效应，而可见光却不能。由于紫外线具有较高的频率，因此对应的光子能量高。

▲ 图1.3.8 普朗克的黑体辐射方程

然而，莱纳德没有普朗克研究结果与光电效应之间的联系，坦率地说，普朗克也没有看到。与此同时，在 1901 年，诺贝尔奖决定将诺贝尔物理学授予伦琴，以表彰他发现了 X 射线，但根本没有提及莱纳德。莱纳德非常沮丧，到处宣讲他受到了不公平的对待， 决心以其他方式获得别人对他的认可。

Lenard 继续研究紫外线在真空管中产生的粒子。莱纳德发现，如果他在真空管电极之间反方向施加电压，可以将电子驱回被照射的板。“就像一块石头被扔上去会落回地面一样。”

▲ 图1.3.9 光电子被反向电压驱动返回

现在他可以通过实验施加足够电压来驱回电子，从而测量电子的最大初始动能，这显然与电子的速度有关。令他惊讶的是，初始速度与光的强度无关。换句话说，更强的光会产生更多的电子，但并没有给单个电子更多的能量。这是怎么一回事呢？

对此，莱纳德有一个有趣但结果是错误的结论。莱纳德认为，由于电子的速度与光的强度无关，所以能量根本不是来自光。相反，他认为光会释放分子中固有的能量，就像“引信触发上膛的子弹一样。” 这个触发理论被普遍认为是正确的，甚至直到 1909 年还被写成普遍接受的物理定律之一。

▲ 图1.3.10 莱纳德关于光电效应的说明

诺贝尔奖

然后在 1905 年，三件事彻底改变了莱纳德的生活。首先是莱纳德因其在阴极射线方面的工作而获得诺贝尔物理学奖。尽管有 14 位顶尖科学家提名 JJ Thomson 发现电子，但只有两位科学家提名 莱纳德。不过别担心，JJ Thomson 第二年就获得了诺贝尔奖。

▲ 图1.3.11 莱纳德获得诺贝尔奖

在他的获奖感言中，莱纳德坦率地承认了包括许多犹太科学家在内的其他人的工作，并坦诚的说他并不总能促使想法开花结果。他说：“我从来都不是采摘果实的人， 但我只是种植或照料树木的人之一。”

第二个事件是 1905 年 6 月，一位专利职员发表了论文，他在论文中提出要研究包括光电效应在内的许多现象。如果光以小能量包的形式出现，这种光的观点导致光电效应方程与莱纳德的结果相符，但并没有理论上得以证明。

第三件事发生在爱因斯坦创造奇迹的同一年，他发表了一篇关于狭义相对论的论文。起初，爱因斯坦和他的想法并没有冒犯莱纳德。事实上，莱纳德或可能是他的助手看到爱因斯坦经常提到莱纳德的工作，并给他寄了一份他最新的论文。爱因斯坦回信热情洋溢。四年之后莱纳德才回复爱因斯坦。但当他这样做时，他对爱因斯坦的赞美溢于言表。

▲ 图1.3.12 莱纳德与爱因斯坦

特别是考虑到莱纳德是获得诺贝尔奖的物理学家，而爱因斯坦当时几乎不为人知。莱纳德滔滔不绝地说：“当像你这样深刻而全面的思想家对我工作的某些观点表示赞赏时，对我来说没有什么比这更令人兴奋的了。”

爱因斯坦交恶莱纳德

大约在 1909 年这个时候，爱因斯坦得知他的一位朋友雅各布·劳德得到了莱纳德的助手职位。爱因斯坦写道：“我认为与莱纳德共事的机会远非金钱能够衡量。莱纳德是一位大师和富有创造力的伟大思想家。” 然而，劳德与莱纳德的关系很快恶化，爱因斯坦与莱纳德的关系也同样随之恶化。

莱纳德坚信一种叫做以太的东西，一种看不见的没有质量的物质，即使在真空中也能充满整个宇宙。这样光就是以太的震动形式。毕竟当时的人们认为，如果有震动，就需要在某些物质中产生震动。事实上，莱纳德坚持认为电子实际上只是以太的碎片。然而到了 1910 年，由于爱因斯坦和相对论，这种神奇的以太失去了人们的支持。之所以之前人们想到以太，还是因为光速是一个有限数值的原因。

▲ 图1.3.13 光是一种震动的电磁波

劳布向爱因斯坦抱怨莱纳德在无用的实验上浪费时间。爱因斯坦回信说：“莱纳德最近关于这些奇异的以太演讲在我看来几乎是幼稚的。他让你对以太进一步研究的理论基础非常荒谬。我很抱歉你必须把时间花在这样的愚蠢上。”

爱因斯坦试图让劳德担任新职位，这引起了莱纳德对两人的愤怒。莱纳德对待劳德开始恶劣起来。当爱因斯坦听说这件事时，他写信给劳德：“莱纳德真是一个心态扭曲的家伙，心里充满着阴谋诡计。我认为你最好远离他。” 虽然爱因斯坦这么建议，但劳德还必须与莱纳德共事， 也许只能等待莱纳德老去。

▲ 图1.3.14 莱纳德、爱因斯坦、劳德

然后在 1914 年，一位名叫罗伯特·密立根 (Robert Millikan) 的美国人发表了他关于光电效应的文章。实际上一开始他是想证明爱因斯坦的理论是错误的，但却震惊地证实了爱因斯坦光电方程的每一个细节。这样莱纳德关于光电子的触发理论被彻底推翻了。

此外，同年是第一次世界大战的开始，莱纳德是德国的坚定支持者。事实上，莱纳德签署了致“文明世界的宣言*，其中包括 “没有德国军国主义，德国文明将从地球表面消失**” 这样的言论。爱因斯坦不仅拒绝签署宣言，还与人合写了一份反驳信。在德国战败后，莱纳德悲痛欲绝。

▲ 图1.3.15 二战结束的新闻报纸

反对相对论

更糟糕的是，就在同一年，一位英国天文学家利用太阳日食证明了引力可以使光线弯曲。换句话说，他通过实验证明了相对论。爱因斯坦成为世界上最著名的物理学家，大多数科学家都相信相对论。

莱纳德对此不仅嫉妒而且伤心，认定这一切都是因为爱因斯坦是犹太人，是犹太人的大阴谋，目的是摆脱以太，推动相对论以及量子化光电效应，摧毁德国，抹黑自己。

莱纳德毕生致力于从德国移除犹太科学。他试图为纯德国人保留所有研究职位。而且他还利用自己作为前任获奖者在诺贝尔委员会的影响力，试图阻止爱因斯坦加入他们的行列。

1919 年，莱纳德设法让他的朋友兼反犹同僚约翰内斯·斯塔克获得诺贝尔奖，尽管莱纳德是他当年唯一的提名人。到 1920 年，莱纳德领导着反爱因斯坦和反相对论团体，不断发表演讲、辩论和发表反犹太主义的出版物。

▲ 图1.3.16 约翰内斯·斯塔克获得诺贝尔奖

1921 年的诺贝尔委员会被支持相对论和反对相对论的派别搞糊涂了，以至于那一年没有给任何人颁发诺贝尔奖。第二年，一位名叫卡尔·奥森 (Carl Oseen) 的年轻瑞典科学家找到了解决这个问题的方法，并建议爱因斯坦获得前一年的诺贝尔奖。“特别奖励他发现了光电效应定律。” 至此莱纳德就完全出局了。

▲ 图1.3.17 爱因斯坦获得诺贝尔奖

迫害犹太人

到 1924 年，莱纳德已成为一名忠实的法西斯分子。他和斯塔克在报纸上发表了一篇文章，称“希特勒和他的同志们在我们看来是上帝从种族纯洁的古代时代赐予的礼物”。到 1930 年代，莱纳德开始出版按种族划分的科学书籍，这些书籍成为纳粹科学的支柱。

1933年，爱因斯坦逃离德国，再也没有回来。莱纳德以他如何将爱因斯坦和其他犹太科学家赶出德国而自豪， 并烧毁了所有犹太人的作品，更希望犹太人去死。他写信给斯塔克说：“比以往任何时候都更为重要的是，这些犹太人恶魔必须坠入地狱。”

▲ 图1.3.18 纳粹焚烧犹太科学家的著作

具有讽刺意味的是，没有被他们赶跑的“恶魔们”的帮助，莱纳德和斯塔克斯开始失去对纳粹精英的吸引力。他们无法帮助战争，他们无法推动原子核裂变研究。

此外，此时莱纳德已经老了，与英俊年轻的海森堡等其他科学家相比，纳粹根本不尊年老且没有吸引力的莱纳德。莱纳德在战争中幸存下来，并于 1947 年去世。哇，终于摆脱了。

后记

让我们稍微回顾一下爱因斯坦和他 1905 年的论文以及光电效应。其实不光是光电效应。爱因斯坦 1905 年的论文是关于光的产生与转换的启发式观点，其中光电效应只是这种新观点来解释实验的一个例子。爱因斯坦的关于光的新观点是什么？为什么它如此具有变革性和激进性？下一回我们接着说。

▲ 图1.3.19 爱因斯坦关于光的新的观点

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