沈志勳:愛因斯坦之光電效應——一個世紀的認知與創新

沈志勳於未來論壇現場演講

演講 | 沈志勳（史丹福大學物理科學講席教授，美國國家科學院院士）

整理 | 張林峰

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謝謝大家給我這樣一個機會跟大家交流。我們今天在這裡是回顧愛因斯坦1905年和1915年的狹義相對論和廣義相對論。幾乎同時在這兩個時段，即1905年和1917年，愛因斯坦又發表了兩篇也是非常重要的工作，使得人類對光的認識提高到了一個新的高度。我想今天給大家介紹一下這件事情。

物理學有幾個大的極限。物理學的一個極限是非常大尺度的，像宇宙這樣的東西。物理學的另外一個極限是宇宙當中最基本的粒子這樣小的東西。物理學還有一個極限就是把很多東西放在一起所展現出來特殊的效果，這就是集體的效應，超導就是這麼一個現象。

物理學的幾大極限

物理學還有一個極限是光。大家知道光的速度非常快，光速是速度的上限。人類對光的認知有非常久遠的歷史，光是人類認識世界的最重要的手段之一。從遠古至今，幾乎在所有的文明中大家都在猜測光。古希臘對於光的本質有過很多很多的猜想。但是光作為一門科學，對光的本質的認識，是大概四五百年以前牛頓在 Gassendi （伽桑狄，法國數學家，1592~1655）的基礎上發展的。他認為光是一種粒子，有折射，有反射，這就是我們大家在中學或者是大學物理裡面能夠學到的所謂牛頓光學或者是幾何光學。

對經典光粒子論作出重要貢獻的兩位科學家 Pierre Gassendi（左）及 Isaac Newton （右）

但是過了一個世紀以後，Thomas Young 做了一個非常重要的實驗，顛覆了牛頓的光粒子論。這個實驗是怎樣做的呢？Thomas Young 先讓一束光通過一個縫，然後在縫隙的板後面再加了一個雙縫。如果說光是一個粒子的話，直接打過去就不一定能夠通過雙縫。但是如果光是光波的話就可以繞過去，而且通過兩個縫繞過去以後，會形成一個幹涉條紋。下圖是 Thomas 和他做的實驗的示意圖及結果，可以看到一條一條的條紋。這個實驗毫無疑問地建立了光是波的這麼一個實驗結果。

對光波論作出重要貢獻的 Thomas Young，其實驗示意圖及結果圖

又過了五十年，電磁學建立。在 Faraday 實驗的基礎上 Maxwell 建立了麥氏方程。我們知道，在麥氏方程建立以後，從最基本的電磁學的數據當中，我們可以得到電磁波的速度，結果發現和測算出來的光速是一樣的。由此人們第一次感覺到了光是電磁波的一種。

寫出麥氏方程的 James Clerk Maxwell 以及其方程的部分解，其中真空光速由兩個已知參數真空磁導率與真空電容率確定

今天大家知道電磁波有非常廣的應用。從廣播，從我們微信的微波，一直到X光都是電磁波的不同波段。可見光是其中非常少的一段。由於這幾個實驗和麥氏理論的建立，基本上大家就認為光作為電磁波是毫無異議的。

但是到了1902年，Phillip Lenard 在赫茲實驗基礎上做了這麼一個非常重要的實驗。他在真空管裡面打入光以後，這光就會在材料表面再打出電子，即所謂的光電子，然後用一個非常簡單的電路來測出光電子的能量。他驚奇地發現光電子的能量和光的強度是毫無關係的，而且跟它的頻率有關。這個實驗結果是沒有辦法用光的光波性質來解釋的，但那個時候我們不知道物質有波粒二相性，所以這是物理學裡面一個非常大的問題！這就是光電效應。

做光電效應實驗的 Phillip Lenard，以及其實驗的示意圖

1905年，也就是同一年，愛因斯坦還在瑞士專利局做小職員的時候，他除了寫了一篇著名的狹義相對論以外還寫了一篇光電效應的文章，其中他第一次提出來光是一種粒子，也就是光是量子這樣一個概念。愛因斯坦的這個工作可能是他所有工作中最有爭議的一個，他自己在晚年當中回憶。因為大家對光作為一個光波的概念已經接受得這麼深入，以至於重新提出來光是一種粒子實際上對愛因斯坦在當時的聲譽產生影響。

所以在八年以後，也就是1913年，普朗克擔心愛因斯坦由於光電效應這篇文章而影響他的聲譽，選不上布魯士科學院的院士——今天我們回過頭來看愛因斯坦選不上院士是非常可笑的一件事——所以普朗克寫信說愛因斯坦對近代物理所有的問題都做出了傑出的貢獻，在思考上的偶然失誤，比如說光的量子論是可以原諒的，因為即使在最嚴謹的科學中提出嶄新的概念也是要帶來風險的。

在科學史上這封信為什麼這麼重要有兩點原因。第一，大家都知道普朗克是量子力學之父，他第一個提出了量子的概念；第二，他也是愛因斯坦的伯樂，他第一次發現了年輕的愛因斯坦，並且提攜了他。可以想像一下這封信從普朗克那裡出來的，連普朗克這位量子力學之父都不相信愛因斯坦的光的量子論，可以想像這個爭議有多麼大。最後事實證明愛因斯坦是正確的。

愛因斯坦及其光電效應方程

1921年瑞典皇家科學院授予愛因斯坦諾貝爾獎金的時候，並不是因他更著名的相對論給他頒獎的。而是說，他因對理論物理的貢獻，尤其是對光電效應原理的解釋獲得了諾貝爾獎。 他將人類對光的認知提高到了一個更高的高度。當然到了1921年我們對光的波粒二相性已經是完全接受了。這並不是一個像早期的時候人們認為的，覺得只是在牛頓的基礎上回到牛頓，而是在更高的層次上被接受。

給愛因斯坦的諾貝爾頒獎詞

1917年愛因斯坦又寫了一篇著名的文章，就是所謂的受激輻射。他說一個光子打到一個材料裡面可以引誘出很多光子的發射，而且所有的其他光子發射的工作是完全一致的，有一個協同的效應。這就是今天所謂的雷射。雷射之所以跟一般的光不一樣，是因為雷射當中的每一個光子都是互相協作的，這就是物理上所說的相干性。這為後來的雷射的發明奠定了理論基礎。

1917年的愛因斯坦和他提出的受激輻射示意圖

所以，人類對光電的量子認知改變了我們的生活，我們今天講到很多的網際網路，世界連在一起，如果沒有光纖通訊，我想是很難做到的。今天我們會看到很多的科研是以光為手段的量子信息，和量子計算，將來有一天也許光會給我們帶來了下一步的突破。

光通訊與量子通訊和量子計算

今天我們可以享受由太陽能，即光的量子帶給我們的清潔能源。走向未來是不是哪一天可以用雷射作為研究核聚變的最重要的手段之一，是不是真正地能夠在地球上找出可控的人造太陽？大家都知道我們人類的能量都是從太陽來的，太陽上發生的就是核聚變的過程。雷射製造也用到光電量子的概念。下圖雷射製造部分左邊是半導體的一些測試，右邊是雷射切割。我想雷射在製造業中會變得越來越重要。

光伏太陽能、雷射聚變與雷射製造

還有就是雷射醫療，雷射在醫療上用得越來越多。一些常見的手術，例如近視眼的修正這些都是用雷射做的。雷射還在照明和娛樂，你看我們今天這樣一個光場，如果沒有現代光學，也是不可能的。這就涉及到了LED照明。

雷射醫療、照明與娛樂

我想我們也許並不一定知道是具體到哪一天，但是很多人相信在不遠的將來，我們會體驗光所產生的虛擬世界，這種事情會越來越多。我們可以得到一種超越時空的人生經歷，我們講今後的一百年非常有可能我們人類是要登上火星的。也許當人類登上火星的那天，我們大家有可能通過一個虛擬的過程同步體驗我們人類走向宇宙跨出的歷史性的一步。

虛擬實境和超越時空的人生經歷

不僅僅是在應用當中，人類對光的量子認知也提供了非常重要的科學研究手段。由光電效應所衍生的光電能譜，對物理學，尤其是凝聚態物理學、化學和材料科學都有著深刻的影響。拿我們凝聚態物理學做一個例子，你看，在幾乎所有的量子材料研究中，光都起了非常重要的作用。比如說高溫超導和界面超導，比如說半導體，比如說拓撲材料，比如說奇異的碳材料，碳60啊，石墨烯啊，鑽石啊等等，比如說二維的氧化物，比如說電荷密度波，極子材料，還有稀土重費米子，這包括了凝聚態物理量子材料的幾乎所有的題目。

光電能譜在量子材料研究中的廣泛應用

光電效應所衍生的光電能譜對量子材料的電子結構了解提供了最核心的信息。拿我們自己的研究做一個例子，光電能譜對高溫超導的對稱性產生了很大的影響。我們在二十幾年前就是用光電能譜看出來高溫超導的對稱性和普通超導不一樣，是一個D波配對的對稱性的原理。過去十年，我們又可以用光電效應對高溫超導的電子相圖做研究，這樣一個相圖是用其他手段非常難做的。有了這樣一個電子能譜以後，你可以對這個材料有一個非常深刻的了解。

D波配對及其對稱性示意圖

這個手段一來可以做很多很多的事情，二來由於光電能譜同時對理論和實驗都有非常高的要求，所以它也是一個培養人才和訓練人的一個非常好的手段，從我自己的體會來看我自己過去這二十年帶的學生的話，回過頭來看，雖然受的訓練是在光電效應，但是他們去的領域，後來做的工作，都是非常非常廣闊的。所以說這也是一個非常好的訓練方法。

我最後再回顧一下我們剛剛講的。愛因斯坦是做了非常多的、非常重要的工作。我們知道狹義相對論、廣義相對論，而幾乎是同時，他對人類對光的認知有著深刻的貢獻，而且真正影響了人類文明的進程。光電效應所衍生的對光的量子認知將人類對光的認識提高到了一個嶄新的高度，為量子論的建立提供了一個重要的基石。光電效應、黑體輻射、氫的光譜是量子力學建立的三個最早期的實驗基石。愛因斯坦對光的量子認知為現代雷射的發明奠定了理論的基礎。

量子力學和雷射催生了現代電子學和光學通訊，促成了信息革命，在一定意義上來說從根本上改變了人類的生活。今天，光的量子認知依然是現代發現和創新的源泉，從基礎科學到新材料，新能源，從照明到娛樂，從光的通訊到量子計算，從雷射製造到光醫學，從全息成像到虛擬世界，這依然是一個非常令人期待的領域，我想我們看到的是冰山一角。

謝謝大家。

本文經演講者本人審定，圖片選自演講PPT。

致  歉　

       昨天因編輯部工作疏漏，致使本文配圖欠妥，現重發此文並向沈志勳老師和讀者致歉。

知識分子編輯部

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