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

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 鄭厚植先生

二、鄭厚植院士講座 1. 開場(chǎng)白

鄭厚植:
  各位同學(xué)、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(guó)科學(xué)院數(shù)理學(xué)部跟中國(guó)物理學(xué)會(huì)給我一個(gè)機(jī)會(huì),來(lái)參加慶祝世界物理年100周年的活動(dòng),并做這個(gè)報(bào)告。

  今天面對(duì)這么多的年輕的學(xué)子,確實(shí)自己感觸也非常多,總是不免想起當(dāng)我們是你們這個(gè)年齡的時(shí)候的那個(gè)時(shí)代。在那個(gè)時(shí)代,知識(shí)的來(lái)源應(yīng)該說是非常匱乏的,不像你們現(xiàn)在有機(jī)會(huì)就能夠參與慶祝世界物理年。我記得我在高中的時(shí)候,只不過是因?yàn)楫?dāng)時(shí)非常感興趣要做一個(gè)無(wú)線電遙控飛機(jī),也僅僅是這個(gè)原因,因此當(dāng)時(shí)我就進(jìn)了清華大學(xué)的無(wú)線電電子學(xué)習(xí)。我相信隨著社會(huì)的發(fā)展,科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,將來(lái)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?qǐng)?bào)告我從來(lái)都非常害怕做,今天也是我第一次做科普?qǐng)?bào)告,主要是我認(rèn)為要做科普?qǐng)?bào)告的話,一定要有非常高的水平,所以我今天很擔(dān)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(bào)題目的時(shí)候,提了一個(gè)從愛因斯坦發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng),當(dāng)時(shí)并不是不知道光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)性項(xiàng)目并不是愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的,但是因?yàn)榭紤]到今年是紀(jì)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(dāng)時(shí)用了“發(fā)現(xiàn)”,現(xiàn)在看來(lái)不太合適。非常感謝我們的同學(xué)跟老師說這個(gè)不大確切,大家還是講得非常對(duì)。

  今年是世界物理年,大家一定知道這是世界物理年的會(huì)標(biāo)。2005年世界物理年的來(lái)源,主要是因?yàn)?905年愛因斯坦先后發(fā)表了五篇具有劃時(shí)代意義的論文。世界物理年的來(lái)歷經(jīng)歷大概是這樣的,大概在2000年的時(shí)候,歐洲的物理學(xué)會(huì)在第三屆世界物理學(xué)大會(huì)提出了一個(gè)倡議,在2002年的時(shí)候,世界純粹與應(yīng)用物理聯(lián)合會(huì)24次全體大會(huì)上通過了這樣一個(gè)倡議,2003年聯(lián)合國(guó)的科教文組織第32次會(huì)議支持了這個(gè)倡議,2004年6月10號(hào)聯(lián)合國(guó)第58次會(huì)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(gè)規(guī)范的說法,首先是要展示物理在經(jīng)濟(jì)、技文化各方面的重要作用。第二個(gè)要在全球范圍內(nèi)爭(zhēng)取公眾對(duì)物理學(xué)的信念,推動(dòng)物理學(xué)教育,培養(yǎng)物理人才,使物理學(xué)在21世紀(jì)得到全新的發(fā)展。不是因?yàn)槲覀冞@些人是搞物理的,好像有一點(diǎn)王婆賣瓜。經(jīng)過了一個(gè)嚴(yán)格的物理培訓(xùn)的人,將來(lái)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(duì)強(qiáng)得多。在全球性的紀(jì)念活動(dòng)大概是有這樣的,一個(gè)是物理照耀世界的光術(shù)的傳遞活動(dòng),尋找物理天才的活動(dòng),物理史圖片的巡回展。

  我們?cè)僬f一下2005年世界物理年跟愛因斯坦的關(guān)系。100多年以來(lái),凡是學(xué)物理的學(xué)生都會(huì)爭(zhēng)論這樣一個(gè)問題,就是誰(shuí)是當(dāng)代最偉大的科學(xué)天才?可能是伽利略、牛頓等等。后來(lái)學(xué)生們爭(zhēng)論半天以后,大家就聚焦在兩個(gè)人身上,第一個(gè)是牛頓,因?yàn)樗前l(fā)現(xiàn)宇宙的第一人。他是第一次用數(shù)學(xué)的運(yùn)動(dòng)定理描述了宇宙運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。第二就是愛因斯坦,愛因斯坦后來(lái)發(fā)現(xiàn)牛頓定理描述的宇宙并不是真實(shí)的,他當(dāng)時(shí)提出了一個(gè)最為震驚的理論語(yǔ)言,這個(gè)語(yǔ)言也就是相對(duì)論的基本概念,就是當(dāng)一個(gè)物體相對(duì)另外一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)候,對(duì)時(shí)間和距離的度量均會(huì)發(fā)生變化,也就是說空間和時(shí)間不是絕對(duì)的。愛因斯坦曾經(jīng)對(duì)牛頓一段話,也算他們之間的對(duì)話,愛因斯坦講“牛頓先生,請(qǐng)?jiān)徫,你?shí)際上是發(fā)現(xiàn)了在你那個(gè)時(shí)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(lái)認(rèn)識(shí)宇宙”。所以這個(gè)話可能就回答了我們這個(gè)爭(zhēng)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(dāng)時(shí)只是專利局的審查員。他是當(dāng)時(shí)獨(dú)自一個(gè)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(shí)候,愛因斯坦在解釋用紫外線照到鉛的金屬板,這時(shí)候就發(fā)現(xiàn)有電子從鉛的金屬板發(fā)射出來(lái),被稱為光電效應(yīng)的時(shí)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(dāng)光子的能量超過每一種材料特有的能量閾值,這個(gè)物資叫做功函數(shù)的時(shí)候,這時(shí)候你才有可能把鉛當(dāng)中的電子打出來(lái),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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng),分子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)就使得花粉做布朗運(yùn)動(dòng)。在6月份的時(shí)候愛因斯坦提出光的波粒雙重性,就是光既是一個(gè)帶有波動(dòng)性,同時(shí)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(gè)事情延伸到量子通信。后來(lái),愛因斯坦又提出了E=MC2,這個(gè)公式很簡(jiǎn)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(lái)。