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2005世界物理年科普系列報告會
從愛因斯坦解釋光電效應(yīng)到單光子應(yīng)用
――紀念偉大的物理學家愛因斯坦解釋光電效應(yīng)100周年

中國科學院院士、中國科學院半導體研究所 鄭厚植先生

二、鄭厚植院士講座 1. 開場白

鄭厚植:
  各位同學、各位老師,早上好。首先我非常感謝北京市青少年科技俱樂部、中國科學院數(shù)理學部跟中國物理學會給我一個機會,來參加慶祝世界物理年100周年的活動,并做這個報告。

  今天面對這么多的年輕的學子,確實自己感觸也非常多,總是不免想起當我們是你們這個年齡的時候的那個時代。在那個時代,知識的來源應(yīng)該說是非常匱乏的,不像你們現(xiàn)在有機會就能夠參與慶祝世界物理年。我記得我在高中的時候,只不過是因為當時非常感興趣要做一個無線電遙控飛機,也僅僅是這個原因,因此當時我就進了清華大學的無線電電子學習。我相信隨著社會的發(fā)展,科學技術(shù)的進步,將來你們所可以選擇的人生道路一定是豐富多彩的。第二,我想說明一下,科普報告我從來都非常害怕做,今天也是我第一次做科普報告,主要是我認為要做科普報告的話,一定要有非常高的水平,所以我今天很擔心是不是能夠做好,但我想我是盡力了。

  今天我講的題目是“從愛因斯坦解釋光電效應(yīng)到單光子的應(yīng)用”。說明一下,我剛開始給北京市青少年科技俱樂部報題目的時候,提了一個從愛因斯坦發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng),當時并不是不知道光電效應(yīng)的實驗性項目并不是愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的,但是因為考慮到今年是紀念愛因斯坦一百年,另外他能夠正確地解釋光電效應(yīng),所以當時用了“發(fā)現(xiàn)”,現(xiàn)在看來不太合適。非常感謝我們的同學跟老師說這個不大確切,大家還是講得非常對。

  今年是世界物理年,大家一定知道這是世界物理年的會標。2005年世界物理年的來源,主要是因為1905年愛因斯坦先后發(fā)表了五篇具有劃時代意義的論文。世界物理年的來歷經(jīng)歷大概是這樣的,大概在2000年的時候,歐洲的物理學會在第三屆世界物理學大會提出了一個倡議,在2002年的時候,世界純粹與應(yīng)用物理聯(lián)合會24次全體大會上通過了這樣一個倡議,2003年聯(lián)合國的科教文組織第32次會議支持了這個倡議,2004年6月10號聯(lián)合國第58次會議通過把2005年定為世界物理年的決定。世界物理年的宗旨,我不知道是不是一個規(guī)范的說法,首先是要展示物理在經(jīng)濟、技文化各方面的重要作用。第二個要在全球范圍內(nèi)爭取公眾對物理學的信念,推動物理學教育,培養(yǎng)物理人才,使物理學在21世紀得到全新的發(fā)展。不是因為我們這些人是搞物理的,好像有一點王婆賣瓜。經(jīng)過了一個嚴格的物理培訓的人,將來他不管從事什么樣的工作,他的發(fā)展后勁、潛力都要比其他的人相對強得多。在全球性的紀念活動大概是有這樣的,一個是物理照耀世界的光術(shù)的傳遞活動,尋找物理天才的活動,物理史圖片的巡回展。

  我們再說一下2005年世界物理年跟愛因斯坦的關(guān)系。100多年以來,凡是學物理的學生都會爭論這樣一個問題,就是誰是當代最偉大的科學天才?可能是伽利略、牛頓等等。后來學生們爭論半天以后,大家就聚焦在兩個人身上,第一個是牛頓,因為他是發(fā)現(xiàn)宇宙的第一人。他是第一次用數(shù)學的運動定理描述了宇宙運動的規(guī)律。第二就是愛因斯坦,愛因斯坦后來發(fā)現(xiàn)牛頓定理描述的宇宙并不是真實的,他當時提出了一個最為震驚的理論語言,這個語言也就是相對論的基本概念,就是當一個物體相對另外一個物體運動的時候,對時間和距離的度量均會發(fā)生變化,也就是說空間和時間不是絕對的。愛因斯坦曾經(jīng)對牛頓一段話,也算他們之間的對話,愛因斯坦講“牛頓先生,請原諒我,你實際上是發(fā)現(xiàn)了在你那個時代具有最高思想跟最有創(chuàng)新人的可能找到的一種方式來認識宇宙”。所以這個話可能就回答了我們這個爭論要結(jié)束了,提問方說他到底是不是很聰明,回答說他真是很聰明。

  1905年愛因斯坦只有26歲,他當時只是專利局的審查員。他是當時獨自一個人從事物理研究的,但是1905年也是愛因斯坦做出最有影響成就的一年。1905年3月份的時候,愛因斯坦在解釋用紫外線照到鉛的金屬板,這時候就發(fā)現(xiàn)有電子從鉛的金屬板發(fā)射出來,被稱為光電效應(yīng)的時候他就提出光是具有特定能量的粒子,也就是光子組成。只有當光子的能量超過每一種材料特有的能量閾值,這個物資叫做功函數(shù)的時候,這時候你才有可能把鉛當中的電子打出來,這就是今天我要從這兒開始講的事情。

  同樣是在1905年的4月到5年,愛因斯坦發(fā)表論文解釋布朗運動的起因,如果把花粉放到水里面,我們就發(fā)現(xiàn)它們是在水質(zhì)運動,分子的相對運動就使得花粉做布朗運動。在6月份的時候愛因斯坦提出光的波粒雙重性,就是光既是一個帶有波動性,同時它又是具有最基本的能量單元--光子,所以它具有粒子性。從這個事情延伸到量子通信。后來,愛因斯坦又提出了E=MC2,這個公式很簡單,所以有人說這是愛因斯坦給小孩出的題目,但是這是非常偉大,就是把能量跟質(zhì)量聯(lián)系起來。