原子与经典物理学定律的对抗

嘘，我们正在旋转。

——一个无名电子

我们来看一下氢原子，它是最简单的。它的原子核由一个带正电荷的简单质子构成。在这个最小的原子核周围，有唯一的一个电子围绕着它旋转，电子非常微小，受到电荷吸引力影响而与质子相连，质子与电子所带电荷相反。电子的速度非常惊人：在1秒钟的时间里，电子会围绕原子核旋转1亿亿圈……

1911年，在完成了他的著名实验之后不久，卢瑟福注意到这微小的由两个物体组成的系统让人想起已广为人知的“双物体组合”，即太阳和地球的组合。这位原子核的发现者设想，这种类比是完全准确的，氢原子的确是微观行星系统，需要用显微镜才能看到。在这个系统中，原子核扮演了太阳的角色，而电子则好比是一颗行星。因此我们假设在这两个系统之间只有大小的差异——原子只是双物体组合按比例缩小直至最小体积后得到的。卢瑟福使原子成为了一个我们熟悉的对象，可以用经典物理学来描述。

这样的比喻恰当吗？让我们思考两秒钟。

如果这一模型——卢瑟福原子模型——是正确的，那么电子就应该有一个明确的轨道，与行星因引力而围绕太阳旋转的轨道同样明确：电子被迫不知疲倦地根据某个椭圆形的轨道围绕着原子核旋转。至少经典力学是这样构想的，它只是设想物体在空间中有确切的位置，有固定的轨道，完全服从于它们所受的力。事实上，对电子来说事情并不是这么简单。因为它围绕着原子核旋转，所以它像转弯时的汽车一样，承受了一个径向加速度。在这样的条件下，电磁学方程式意味着，因为电子带有电荷，它以向外发射光的方式来消耗自己的能量（这是它让自己的“轮胎”和地面发生摩擦的方式）。直到这里，还没什么严重问题。只不过稍稍让人困惑：原子不是不能发光吗？卢瑟福模型能够为解释这一现象提供一个起点。

但是，如果仔细看，我们会发现一个问题：因为电子要失去能量，它就应该无可避免地沿着螺旋状的轨道靠近原子核，直到最终撞到原子核之上。这是一个灾难：我们的模型，虽然如此适合太阳和诸行星（后者似乎不会掉到太阳上），但当它应用到氢原子身上却使氢原子成为了一个并不适合长期存在的实体：电子只需要一瞬间就会掉到原子核上。这个模型没有遵守原子最基本的条件：氢原子拥有稳定的结构，如果它真的是如同缩小后的行星系统，那么事情的结果就会截然不同。

从这段虚构的故事中我们可以认识到，经典物理学原理，以及（更广泛地说）这些原理多多少少借鉴的源头，即那些我们熟知的、在日常生活中遇到的概念，只在一定范围内有效。站在无穷小的世界的入口，经典物理学似乎突然失效了。

光子的假设解释了为何在一定频率的光的辐射之下，没有任何电子被发射出去。它构成了量子物理学的出发点之一——量子物理学解释了光的行为，同样还有微观层面物质的行为。

光（正如物质）由一种颗粒组成：光子

爱因斯坦在他的“奇迹年”（1905年）里撰写的第一篇文章题为《关于光的产生和转化的一个启发性观点》（Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de lumière）。在文中他提出，光并不是像人们想象的那样是连续的现象，因为光是由许多“量子”（某种发光的能量颗粒）承载的，在二十年后它们被称为“光子”。量子的概念使得爱因斯坦能够巧妙地解释由海因里希·赫兹于1887年发现的光电效应特征：一个被蓝光照亮的导体会发射出电子束，但如果照亮同样导体的是红光，则不会出现这一现象，即便红光的光强很强。既然蓝光和红光本质相同，即组成它们的电磁波仅仅存在着频率上的差别，那么如何解释这个效应里它们之间如此根本的差别呢？

爱因斯坦重拾了由马克斯·普朗克在1900年展开的某些论证，并理解了两件事。第一是光在某些方面有着粒子的结构而不是波状结构，这是从光是由小的能量块（即“量子”）构成的意义来说的。第二则是由这些量子承载的能量取决于光的颜色，或者更确切地说，取决于光的频率：蓝光中的量子相比于红光中的包含有更多的能量，因为它们的频率更高。

那么我们要怎么理解光电效应呢？当光与金属接触时，光量子将它部分或全部的能量转移给金属中被禁锢的电子，电子于是获得能量后跃迁成为自由电子并开始活动。当然，条件是光量子的能量足够完成这一行为。这是为什么在这种情况下蓝光的光量子可以，而红光的光量子则不行。