我們孤獨地來到這人世間，第一眼看到不是光嗎？反射定律是誰發現的

反射定律是誰發現的

這話聽起來有點滑稽，是嗎？光不是最尋常的東西嗎，還用得著麻煩愛因斯坦去發現嗎？我們孤獨地來到這人世間，第一眼看到不是光嗎？敢情愛因斯坦出世之前，大家都在黑暗中摸索呀，這不是胡扯嗎？

彆著急，您先坐下，消消氣，我給您倒杯茶，您是喝普洱還是鐵觀音？我給你解釋一下，咱現在說的不是微觀粒子發現史嗎，之前咱們是能看到光，別說第一眼看到的是光，沒有人類之前，不，沒有生命之前，不，沒有地球之前都有光了，別說沒有宇宙之前，沒有宇宙之前沒有光，不過那只是看到光，並不代表我們知道光是微觀粒子呀，就好像我們上一章說的電子一樣，發現電子之前我們也知道電啊，什麼頭髮隨著梳子飄動絲綢摩擦過的玻璃棒可以吸引碎小紙屑什麼歐姆定律焦耳定律我們都知道啊，法拉第連發電機電動機都造出來了，可是我們也不知道電子是什麼呀，所以呢，我沒有說錯，要是說光是一種微觀粒子這還真得麻煩愛因斯坦出來說一下。

既然你都生這麼大的氣了，我還是說一下光學的歷史吧，算是給您賠不是了。

人們對光的認識很早，什麼折射定律反射定律了，都早早就知道了，當然了還有墨子的小孔成像，這其實就是光的直線傳播，不過這些還都是光學現象的應用，並沒有說光到底是什麼。

早期對光的本質的認識有兩種，一種認為光是一種波，這以惠更斯和胡克為代表，還有一種就是認為光是一種微粒，代表人物就是威名赫赫的牛頓，而光的所有現象折射反射直線傳播了，用這兩種說法還都能解釋，微粒說自然能解釋很好理解，其實波動說也可以解釋反射折射，想一想回音壁吧，那就是聲波的反射，因此波也是可以折射反射的。

其實牛頓當時已經發現了光是波的證據，那就是牛頓環現象，這就是光的干涉現象，這明顯說明了光是一種波，可是牛頓卻有意無意地忽略了，應該是有意忽略的可能性更大，因為牛頓對牛頓環的應用非常嫻熟，還用來精確磨製鏡片，這要是說無意有點說不過去。

可為什麼牛頓爵爺會有意忽視這個現象呢？因為他討厭胡克，在牛頓還不是爵爺的時候，胡克作為前輩對少年牛頓百般刁難，後來牛頓崛起，對胡克也是睚眥必報，不但在自己著作中刪除了胡克的一切痕跡，連胡克的畫像都銷燬了，這樣小器的爵爺自然不會支援對手胡克的任何理論，不過爵爺著實讓人佩服，拿自己也說不準的理論楞是忽悠了世界二百多年。

爵爺就這麼忽悠世界，一直到托馬斯楊出世。托馬斯楊比爵爺還要傳奇，這麼說吧，爵爺在江湖上就相當於達摩祖師一般的存在，絕對是武林的泰山北斗，而托馬斯楊呢，人家基本上就是《天龍八部》中無崖子一般的人物。

逍遙子是琴棋書畫無所不通，這可比黃老邪高明多了，而且武功也極高，托馬斯楊也是這麼傳奇，從小就是別人家的孩子。

托馬斯楊兩歲識字，四歲通詩書，六歲看聖經，九歲學會微積分，十四歲掌握了十幾種外語，這還沒什麼呢，無崖子不是琴棋書畫都懂嘛，托馬斯則是精通所有樂器，是所有啊，貴公子普朗克也只是鋼琴高手，愛因斯坦的小提琴就別提了，那就是業餘水平，這還沒完呢，人家還會畫畫，有點無崖子內味兒了吧。

人家還擅長騎馬，這對於無塵子來說倒是沒什麼，武林高手還不會這個呀，不過對於科學家們來說，就有點難得了，他還有一項絕技，就是走鋼絲，這有點過分了啊，就是巨俠郭靖對這個也不在行，無崖子會不會就不好說了。

無崖子表示不服，我還會醫術呢，一個不成器的徒孫都江湖號稱“閻王敵”，對，沒錯，你那叫醫術，人家托馬斯楊那可是醫學，醫學和醫術肯定要高明點，醫術那都是熟練操作工，醫學可是前人未有的，我們近視眼遠視眼的原理就是托馬斯楊發現的。

這些東西都沒用，都是江湖人士嘛，當然要比武功，只是對於托馬斯楊來說，武功就是物理學。

於是托馬斯·楊就把目光盯上了光學，要想證明光是微粒還是波說起來很簡單，只要看看光是不是具有波獨有的特徵就行了，波獨有的特徵是什麼？就是干涉和衍射，要是證明了光具有干涉或者衍射，就證明了光是一種波，要是證明不了呢，也沒有關係呀，那就說明光是一種微粒，這說起來簡單，做起來很難，不過難不倒托馬斯楊。

托馬斯楊設計了著名的雙縫干涉實驗。這個實驗現在已經進入了中學課本，實驗設計之精巧堪稱物理學上的經典。

在一個點燃的蠟燭前面放一張紙，紙上面有一個針孔，這樣就得到了一個點光源A，在點光源前面，在放一張紙，這張紙上面有兩道細縫，分別是B和C。依據惠更斯的波動理論，波前的每一點都可以看做是產生球面次波的點波源，如果光是一種波的話，那麼在點光源A點發出的波到達B、C兩點時，B、C兩點就會成為新的點光源，如果紙上面的縫隙足夠小的話，就會過濾掉一些長波長的光，只剩下波長相等的光，那麼從點光源B和C發出的光就是波長相等的光，那麼在這張紙後面的顯示屏上就會看到明暗相間的條紋，兩個波峰相遇的時候就產生了明亮條紋，波峰和波谷相遇則產生暗條紋，調節紙和顯示屏以及雙縫之間的距離，還可以改變干涉條紋的疏密。

當然這是建立在光的波動說的基礎之上的，如果光不是一種波，而是一種微粒，則顯示屏上不會出現明暗相間的條紋。

經過精心的實驗，托馬斯楊在顯示屏上出現了明暗相間的條紋。

楊氏雙縫干涉實驗

這個實驗當年很難，放到現在在家裡也可以做。

首先我們需要一個點光源，時代進步了，我們不必用蠟燭了，可以用一支鐳射筆來代替，不過一定要注意，千萬不要把鐳射筆對準眼睛，那會對眼睛造成嚴重傷害，接下來再找一張硬紙片，名片或者廢棄的火車票都行，在硬紙片上用刀片劃出兩道縫隙，兩道縫隙大約間隔1毫米，然後用鐳射筆照射硬紙片，在紙片後面大約兩米的牆上就會出現明暗相間的條紋。

按理說，做出了這麼巨大的貢獻，托馬斯楊應該獲得掌聲吧，然後出任CEO，迎娶白富美，走上人生巔峰，可是沒有，不是說沒有出任CEO迎娶白富美走上人生巔峰，人家托馬斯楊本來就是土豪，早就財務自由了，根本就不稀罕這些，我說的是根本就沒有掌聲。

想想也是，要是無崖子站在少林寺門前說達摩老祖的武功練錯了，七十二絕技有1/3都是逗你玩的，人家少林寺玄慈玄悲玄痛玄苦一群玄字輩高僧也不幹啊，說不定大小和尚都得跟無崖子拼老命，站人家門口說人家祖宗不行，這不是找死呀。

托馬斯楊確實遇到了這種情況，他的論文根本就沒有人看，托馬斯楊一怒之下，棄武從文，研究古埃及羅塞塔碑文去了，順便說一句，羅塞塔碑文還真被他破譯了，這就好比是搶了個五絕稱號，轉身又去考了個狀元，這就是小李飛刀李探花呀。

看來要想證明光是一種波還得另想辦法，比如從少林寺裡找一個老和尚最好是方丈級別的來做個實驗。

這個和尚還真找著了，這就是泊松，泊松是著名數學家，是牛頓爵爺的絕對粉絲，基本上也算得上少林方丈級別了。

1818年，又一屆武林大會，不對，是法國科學院徵文大賽召開了，這一屆的題目就是光的衍射，看來微粒說和波動說爭來爭去這麼多年大家都煩死了，乾脆來個痛快的吧，到底光是微粒還是波來個痛快的吧。

少年菲涅爾認為光是一種波，早早就提交了論文，可是卻遭到了大會評委泊松的反對，能做到武林大會主席臺上當裁判的怎麼也得是少林方丈級別了，泊松指出要是菲涅爾說的對的話，那麼要是把一束光照在一個直徑合適的小圓板上，那麼在小圓板的後面就可能出現一個亮斑，這聽起來有點不可思議，好像是光繞過了小圓板一樣，別說當時，就是現在這聽起來也是不可能的。

這就好比是少林方丈站出來說，你一陽指要是牛，那就凌空在鋼板上戳出一個洞來，反正我拈花指金剛指多羅葉指做不到，你要是不挨著鋼板還能戳出洞來我就服了，這不是欺負人嘛，可沒想到的是人家真有六脈神劍。

對於科學家來說，能動手就少說話，既然泊松提出了質疑，那最好的辦法就是做實驗。經過精心的實驗，在小圓板背後真的出現了一個亮斑，由於這個亮斑是泊松提出來的，因此就叫做“泊松亮斑”，本來泊松是支援微粒說，現在卻是他的計算結果證實了波動說，這讓微粒說的支持者還無話可說了，所以說泊松就是微粒說的“豬隊友”，而且是在爭論之後做的，科學家們想忽視都做不到。

泊松亮斑

現在光是一種波已經確定了，但是光是一種什麼波呢，還得請外援來，該輪著赫茲出場了。

在上一章發現電子的時候赫茲就已經出場了，這裡就不再詳說了，總結一下赫茲的一生就是娶了一個老婆生了兩個女兒做了三個實驗。

他的第一個實驗就是湯姆孫發現電子的實驗，結果他沒有做成功，湯姆孫成功了發現了電子，不過赫茲不在乎，對於他來說那只是一個小實驗，他要做的是發現電磁波的實驗。

1888年，赫茲發現了電磁波，這是震驚世界的一件大事，從這一天起，我們跨入了電信時代，現在的電視廣播手機衛星都是靠的電磁波。

赫茲順便研究了一下電磁波的特徵，一個是電磁波可以不依靠介質傳播，這是一個神奇之處，對於波來說，一般都要靠介質傳播，水波靠水傳播，聲波靠空氣傳播，可是電磁波可以電生磁磁生電自己就能傳播，還有誰可以不靠介質傳播呢？那就是光。

陽光星光跨過茫茫太空來到我們身邊，那太空中可是空無一物的，別說什麼以太呀，誰稀罕那個呀，這是不是說光可能就是一種電磁波呢？

確實有可能，不過證據還不足，那就再看看速度吧，光速早就測出來了，基本就是每秒三十萬公里，赫茲測量了一下電磁波的速度，發現也是每秒三十萬公里。

答案已經呼之欲出了，光就是一種電磁波。

看起來爭了這麼多年的光的微粒說波動說之爭終於在赫茲手裡畫上了一個句號，可是赫茲在做電磁波實驗的時候發現了一個奇怪的現象，事情又變得撲朔迷離起來。

這個現象就是後來的光電效應，當時叫做光電現象。由於光電現象是在電磁波實驗中發現的，為了說清楚光電現象，還是來先看一下電磁波實驗吧。

電磁波實驗說白了就是觀測小火花。

赫茲根據電容器經由電火花隙會產生振盪原理，設計了一套電磁波發生器。將一感應線圈的兩端接於產生器的兩個銅棒上，當感應線圈的電流突然中斷時，其感應高電壓使產生器隙之間產生火花。

根據麥克斯韋理論，這個火花應該產生電磁波，赫茲又設計了一個檢波器來探測產生的電磁波。他將一小段導線彎成圓形，線的兩端點間留有間隙。如果有電磁波傳過來，那麼應在此小線圈上產生感應電壓，從而使檢波器的間隙產生火花。

赫茲發現了電磁波

為了更清楚地觀察電火花，赫茲把檢波器裝進了一個不透明的盒子裡，可奇怪的現象發生了，電火花的長度居然減小了。電火花長度減小了，說明檢波器接收的電磁波減弱了。

赫茲以為是盒子阻擋了電磁波，他換掉了盒子的每一部分，最後發現是位於檢波器和發射器之間的不透明板影響了實驗效果，那就把不透明板換成透明的玻璃吧，結果呢，電火花的長度還會減小。赫茲就繼續換，直到換成石英板才消除了這種影響，這到底是為什麼呢？

赫茲分析了電磁波的波長，最後發現是紫外線影響了實驗，就是說石英板會放過紫外線，而其它遮擋物會吸收紫外線，從而影響實驗效果。這有點令人費解了，赫茲釋出了實驗結果，卻沒有做出解釋。

物理學家們對這個現象激發了濃厚的興趣，又做了一系列的實驗，更神奇的結果出現了。

只要紫外線照射金屬表面，金屬表面就會帶正電，好像負電飛走了一樣，當時還沒有發現電子，只能說是負電失去了。

而且金屬不同，失去負電的能力也不一樣，對於活潑金屬，象鉀鈉鎂鋁更容易失去負電，而不活潑金屬象銅汞則幾乎不發生這種現象，這是不是和元素週期表有點相似呀，但是還不能這麼叫，因為當時門捷列夫還沒有提出元素週期表。

光電效應示意圖

1897年，湯姆孫發現了電子，人們瞭解了電的本質，所謂物體帶電就是物質失去或者得到了電子，、失去電子就會帶正電荷，得到電子就帶負電荷。

湯姆孫發現電子的實驗基本上就是重複了赫茲的實驗，可以說赫茲“行百里者半九十”，也可以算是湯姆孫百尺竿頭更進一步，現在赫茲發現了光電現象沒做出解釋，這又是一個“行百里者半九十”，湯姆孫一時心癢難耐，打算再來一次“百尺竿頭更進一步”。

湯姆孫用紫外線照射金屬鋅，他測量了金屬鋅發射出來的粒子的荷質比，結果發現和他不久前發現的電子荷質比幾乎完全相同，這意味著光線照射金屬後金屬發射出來的就是電子，光電效應的本質被揭開了。

光電效應的本質就是光線照射使得金屬發射出了電子，這是因為光線本身具有能量，光本來就是電磁波嘛，光線把能量傳遞給了電子，電子就逃脫了物質的束縛，這樣物質就帶上了正電荷，他們把這種電子叫做光電子。

1902年，赫茲的助手倫納德總結了光電效應實驗，順便說一句，光電效應這個名字就是勒納德取的，看起來會取名字很重要的，勒納德提出了三條總結。第一：光電子數量每單位時間與入射的輻照度成正比；第二，每一種物質所發射出的光電子都有其特定的最大動能（最大速度），換句話說，光電子的最大動能與光波的光譜組成有關。第三：光電子的最大動能與截止電壓成正比，與輻照度無關。

注意第二條光電子的動能和光譜組成有關，這就是說光電子的能量和光波的頻率有關。這無論如何不能用光的波動說解釋了，依照波動說，波的能量只和照度有關，只要照射的時間足夠長，光電子就會吸收足夠的能量光電子的發射應該和照度相關，只要照射時間足夠長，光電子就會吸收足夠的動能，而不是和光波的頻率有關。

照這樣看來，光可能就不是一種波了，莫非還是微粒嗎？敢情轉了一圈又轉回來了，這樣轉來轉去有意思嗎？愛因斯坦說有意思，我覺得光就是一種粒子。

沒想到吧，愛因斯坦也曾經是個帥鍋

雖然愛因斯坦現在被稱為僅次於牛頓的偉大科學家，但是他的履歷比起這些人來就有點黯然失色了。

愛因斯坦既沒有少年早慧（比不上托馬斯楊），也沒有十四歲上大學（湯姆孫表示這沒有什麼大不了的），更沒有畢業就到大學任教（赫茲覺得這不是很難吧），愛因斯坦唯一超越他們的就是生孩子早，在大學期間他就有了一個私生女，先不要噴呀，這是和他老婆生的，只是兩個人當時還沒有領證，算是先上車再補票。

其實愛因斯坦年輕時候根本就沒有後來那麼渣，不結婚是因為沒工作，大學畢業之後他並沒有如願找到教職，託朋友幫忙，才在瑞士伯爾尼專利局當了一個小書記員。

雖然生活不如意，但這並不能阻擋愛神追求真理的心，在1905年，愛因斯坦爆發了，他一連發表了五篇論文，每一篇都足以獲得諾貝爾獎，愛因斯坦一戰成名，這一年被稱為愛因斯坦“奇蹟年”，愛因斯坦也被江湖尊稱為愛神。

這五篇論文中有狹義相對論、有質能方程、有布朗運動還有光電效應。

愛因斯坦認為光是一群離散的量子，他稱之為光量子，這已經不是什麼新鮮概念了，普朗克在解釋黑體輻射的時候就提出了量子的概念，認為能量是不連續的，而是離散的一份一份的，最小的能量就是普朗克常量，愛因斯坦認為不但能量是這樣的，光也是這樣的，而且光的能量和頻率有關，就是E=hμ。其中E代表的是光的能量，h就是普朗克常數，μ就是光的頻率。

你沒有看錯，這都是普朗克，這就是“為伊消得人憔悴”

說了光，再說電子，電子被束縛在物質內部，當有能量輸入時，電子就會跑出來，這個很常見了，毛皮摩擦過的玻璃棒梳頭髮的梳子都是因為有能量輸入帶電了，摩擦就是做功，做功當然會產生能量轉移，還有陰極射線，那是輸入了電能電子就飛出來了，但是要想電子飛出，輸入的能量必須要大於物質束縛電子的能量也就是電子的逸出功。

對於光量子來說也是這樣，必須要光量子的能量大於電子的逸出功才有可能出現光電效應，光量子的能量我們已經知道了，就是E=hμ，只要E＞W就能有電子飛出，從而產生光電效應。

愛因斯坦對廣電效應的解釋

用公式表示就是：E=hμ＞W。其中h是普朗克常數，μ是光的頻率，W是電子的逸出功，現在把電子的逸出功也用普朗克常數表示一下，就是W=hμ0，，μ0就是電子逃脫物質束縛的極限頻率，只要光的頻率大於這個極限頻率，就能產生光電效應。

再重新寫一下吧。

E=hμ＞W=hμ0。

這就是愛因斯坦的光量子假說，假說就是假說，就算是愛因斯坦說的也是假說，要想讓假說成為科學理論，必須要看看是不是能解釋實驗。

那就看看吧。首先是紫外線照射金屬表面會產生光電效應，這個用光量子假說很容易解釋，因為紫外線的頻率高啊，自然能量就大，當然就容易產生光電效應。

要不再看一下勒納德的三條總結吧。

第一條說光電子數量每單位時間與入射的輻照度成正比，這一條沒有多大意思，有一個前提是已經發射出光電子了，當然照度越強光電子數量越多。

還是看第二條吧。每一種物質所發射出的光電子都有其特定的最大動能（最大速度），換句話說，光電子的最大動能與光波的光譜組成有關。這一條有一個光電子的最大動能，用上面說過的愛因斯坦光電方程來看一下吧。

光電方程說E=hμ＞W時就會發射光電子，E是光的能量，W是電子的逸出功，根據能量守恆定律，那麼電子的最大動能Kmax=E-W=hμ-W=h（μ-μ0），h是普朗克常數，μ是光的頻率，W是電子的逸出功，不同的物質逸出功也不同，這三項中前兩項是定值，第三項電子的逸出功和物質本身有關，那麼不同物質發射的電子的最大動能當然是特定的了。

再看一下第三條。光電子的最大動能與截止電壓成正比，與輻照度無關。

先說一下截止電壓這個概念。截止電壓這個詞是勒納德創造的，為了計算光電子的最大動能，勒納德想了一個辦法，就是在金屬板上加一個反向電壓，當反向電壓恰好能阻止電子飛出的時候，這個電壓就是截止電壓。

截止電壓示意圖

可以很輕易地得到公式Kmax=eU，Kmax就是電子的最大總能，e就是一個電子的電量，U就是截止電壓，再把剛才愛因斯坦光電方程帶進來，就成了Kmax=E-W=hμ-W=h（μ-μ0）=eU，這可不截止電壓和照度沒關係，人家只和光的頻率有關係。

勒納德的三條總結都滿足了，是不是就可以說愛因斯坦對光電效應的解釋正確了呀，當然可以了，可憑什麼呀，因為勒納德獲了諾貝爾獎，雖然諾貝爾獎烏龍不少，但當年還是比較嚴謹的。

說到諾貝爾獎了，再多說兩句，愛因斯坦一生中可以獲得多次諾貝爾獎，至少五次吧，可是就獲過一次，為什麼呢？就因為這個倫納德。

勒納德非常討厭愛因斯坦，就因為愛因斯坦是猶太人，勒納德後來當過希特勒的科學顧問，元首反猶，勒納德自然跟在元首屁股後面搖旗吶喊，所以他就反對愛因斯坦獲得諾貝爾獎，聲稱要是愛因斯坦獲得了諾貝爾獎，他就把自己的諾貝爾獎退回去不要了。

諾貝爾獎委員會也很為難，誰也惹不起，最後決定頒發給愛因斯坦諾貝爾物理獎，不過獲獎理由是對光電效應的解釋，這讓勒納德無話可說，他獲獎的理由也是光電效應，總不能瘋起來連自己也咬吧。

還有一個人也不認同愛因斯坦的解釋，這就是密立根，就是測量電子電量那個美國科學家，不過人家比勒納德有風度，密立根覺得愛因斯坦說的不對，沒有四處亂咬，而是打算做實驗來否定愛因斯坦。

這實驗一做就做了十幾年，結果證明愛因斯坦對了，這讓密立根哭笑不得，不過密立根也不算虛度光陰，由於他證明了愛因斯坦的正確性，他也獲得了諾貝爾獎，算是因禍得福吧。

現在愛因斯坦的光量子假說已經不是假說了，是實實在在的理論了，在愛因斯坦看來，光就是一種粒子——光子。

雖然光對我們大家來說已經司空見慣，但第一個指出光子是基本粒子的還是愛因斯坦，因此愛因斯坦是第一個發現光子的人，光子也就成了人類發現的第二個基本粒子。

還是要多說一句，赫茲說光是電磁波，愛因斯坦說光是光子，那麼到底光是什麼呀，要注意啊，愛因斯坦雖然說光是粒子，但是描述光子能量的頻率卻是波的特徵，這就是說光既是波又是粒子，這就是光的波粒二象性，不過這是另一個話題了。