光電效應——無言的宇宙共讀13

如果你在上學的時候

老師告訴了你

數學公式背後

有這麼多有趣的故事，

你會愛上數學嗎？

《無言的宇宙》

出版社：北京聯合出版公司

領讀者：楊羽

時間：2017年12月6日開始

領讀者說

19+20

當時間推進到量子時代，有些公式中的符號都開始變得不友好了，然而質能方程是個例外，E=mc 2，簡單，優美，初中生也能記住，它跟著愛因斯坦的經典爆炸頭形象出現在各種代表「科學」「智商」的大眾作品中。

可當它被寫成等價的其他形式——比如狄拉克公式——後，就沒幾個普通人能認出來了。若有機會遊覽威斯敏斯特大教堂，不妨去拜訪一下這個公式，給巨人獻上我們「不明所以」的敬意。

打卡集錦

番茄牛腩

在讀到麥克斯韋方程組那節，光的衍射和干涉現象發現證明了光的波動性，我就想下一節應該是證明光的粒子性的光電效應了吧，果不其然。

金屬里的電子在射到光照後，會吸收能量然後發生逸出，但是這種能量的吸收有一種非全有即全無的現象，而且光電子的能量域輻照度無關，只與光子的能量，頻率有關。這證明了光本身的能量也不是連續的，光也是一種粒子。

再看一遍光電效應，明天女朋友再用對這電腦被輻射來勸我不要但程序員可以有理有據地反駁她一番了。

愛因斯坦被譽為同牛頓一樣偉大的物理學家顯然不僅僅是因光電效應，雖然這讓他獲得了諾貝爾獎。愛因斯坦的相對論沒有得諾貝爾獎只有一個原因就是它太偉大了而同時代的其他科學家還沒能跟上。前不久引力波的觀測再一次證實了相對論的偉大。

E=mc^2是對物理公式的一次統一，宏觀的牛頓定律和微觀的麥克斯韋方程組的矛盾可以被解釋。而同樣引來了人們無限的遐想，原子彈在廣島和長崎驗證了E=mc^2的威力，人們在相對論中看到了時空旅行的可能。說到這裡我還是想說，相對論我仍然不是很能理解。

shanshan

關於手機輻射。不得不承認，第19節，是繼鯨魚幾何、螞蟻幾何那節以來，我看的最津津有味的一節。不僅僅因為這一節出現了可愛的老頭——愛因斯坦，還因為這節與我們的日常生活聯繫的如此緊密——文中提到了手機輻射到底有多嚴重的問題。

光電現象中，最重要的是輻射的頻率，而非輻射強度，手機輻射是紅外光，頻率很低，所以，大家大可以放心使用手機了。很日常的現象背後，其實隱藏著翻天覆地的變革，這便是愛因斯坦的光量子假說，由此，物理走進了量子物理的新時代。

關於沉默的狄拉克。第20節讓我腦洞大開 ，這世界上有電子、質子、中子、費米子，還有物質與反物質，狄拉克方程解釋了宇宙存在的基礎，解釋了元素周期律。

可以想像，如果沒有狄拉克方程，這世界將是一個只有光而萬物皆不存在的宇宙，延伸到我們日常生活中，我們現在廣為應用的核磁共振等基本影響技術也不會被發明。

狄拉克的貢獻如此之大，而狄拉克方程的發現者保羅-狄拉克，卻保持了相當的低調。據說，在得知諾貝爾獎要授予他本人時，他甚至試圖拒絕，最終被朋友勸阻，朋友給出的理由也相當機智，他們說，如果你拒絕領獎，你將會得到更多的關注——而這正是狄拉克不願看到的。

儘管如此，狄拉克還是受到了大家的欣賞，他承襲了牛頓在劍橋的教職，去世後被安葬在著名的威斯敏斯特大教堂，在牛頓的不遠處。他的墓碑上沒有多餘的文字，只刻下了他的方程。

嘻嘻

「感謝量子力學

讓我在連續的世界裡看到了間斷的美

指引我不斷探尋糾纏神秘的世事」

這是一個物理老師講量子力學時的開場白，給我的印象深刻。因為偉大的愛因斯坦，我們知道了「物質是能量的一種形式」，他用數學公式E=mc2帶我們進入美麗的亞原子世界。

光量子假說打響量子革命的第一槍，解釋了紅光無法導致光電效應的原因，重要的是輻射的頻率而不是強度，讓我們知道我們可以安全的使用手機，我們也可以安全的生活在綠草藍天下。因為手機輻射是紅外光，因為紅光、綠光、藍光是安全的。

愛因斯坦用自己的思想尋找一個現象的邏輯結論，用他那些偉大的思想實驗建立了廣義相對論和狹義相對論，預言了光線在引力場內的彎曲，指導人們有了黑洞的發現和宇宙大爆炸理論。為全球定位系統提供了修正項。由於全球定位系統，我們現在生活在應用相對論的時代。

狄拉克讓我重新認識了漢密爾頓，他用矩陣的形式寫下來，重新發現了四元數，這之間差了80多年。我們現在熟悉的用四個量子數描述原子結構，終於找到了出處。現在對於電子自旋的研究在不斷深入。

狄拉克統一電子的量子力學與俠義相對論，寫出了狄拉克公式，揭示出宇宙中有兩種根本不同的量子粒子，引導量子物理學家更好的認識了真空，「量子場」的概念閃亮登場。

在今天IBM量子計算機商業化了，進入了金融業，進入了汽車業，無人駕駛離我們不遠了。

小貝多芬

#光電效應#

光照金屬板可以產生電子證明了光本身是帶有能量的，在隨後的實驗中發現，光所帶有的能量是一種離散的能量，能量的大小與它的頻率成正比，也就是說對於給定的光而言，增加光量並無法增加光的能量。

E=hv這一公式表現了光的波粒二象性，能量是離散的，是頻率的常數倍的固定值，同時具備頻率這一概念，因此無可避免與波動相關聯。在與愛因斯坦最為出名的能量質量轉換公式進行聯立的時候，發現光是具備質量的，這發現拓展了光子的屬性。

另外，當以v速度垂直於光的方向進行觀察的時候，發現光出現了藍移，也就是能量增大了，但因為光速是一個絕對速度（狹義相對論闡述宇宙中的質量、速度、長度、能量等都是相對的概念，而光速則是一個常量），因此可以變化的只有質量，從而可以得到質量是相對可變的。

在狹義相對論無法解釋非慣性參考系中物理定律的不適用情況，發展了廣義相對論對狹義相對論和萬有引力定律進行推廣，在這一理論里，物質影響時空彎曲，空間彎曲影響運動。

#從劣質雪茄到到威斯敏斯特大教堂#

量子物理中的一個基本概念是，所有粒子都存在最小單元，並非都是可以無限可分的。概率在微粒的世界中失效了，成為了幾種情況之間的離散可能性，對於一個粒子來說，觀察到的狀態只可能是可能性中的確定的某一種。

狄拉克在試圖改寫愛因斯坦帶修正項的質能等價公式時，將能量與質量的關係寫成了一種四元素關係的電子波函數。在解釋額外兩個尚未發現物理意義時，狄拉克根據數學意義解釋成為負能量粒子，而預言正電子的存在，這種粒子的存在被發現，如今PET掃描的核心就是正電子。

反粒子的尋找和應用也是從狄拉克方程所提供的另一種觀察宇宙的角度的應用結果。

編輯：靈厄

新浪微博：http://weibo.com/u/5640000607

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