天天遇见爱因斯坦

爱因斯坦的理论其实就在我们日常生活中！
撰文╱任文驹（Philip Yam）
翻译／张明哲

爱因斯坦大特卖：这位物理学家的影响力普及于太阳能装置、GPS装置、数位相机，以及DVD播放机、平准仪与逗猫咪的雷射。

对纽约客而言﹐皇后郡只不过是纽约市的机场以及大都会队打棒球的地方。某个周六下午，没有要赶飞机，大都会队也不在城内，我跑到皇后区的东北边探险；更准确地说，是到学院角（College Point）附近。沿着拥挤的第20街而建的带状购物中心里，我寻觅着爱因斯坦。

爱因斯坦的想法在许多科学研究里都很关键，这不令人意外，这些想法让物理学家得以加速粒子到接近光速，也让天文学家得以测量星空中的现象并给出模型。不过，爱因斯坦一生的贡献也涵盖并深入日常科技中。他对光为何像粒子、原子如何放出辐射，以及速度与重力如何影响时钟的解释，对于现今常见装置的运作都很重要。

在学院角的购物中心里，我第一次接触爱因斯坦，是在进入大型折扣商店「标靶」（Target）时。一颗光电池（「电子」眼）侦测到我的靠近后敞开大门。这个侦测器长得很像三明治，是在两片电极间夹着半导体，可以用来感应光线。光线强度的变化（例如光束被遮断或是一般照明的降低），会造成侦测器里产生的电流随着改变。搭配适当的电路后，就可以启动开门。

应用于侦测器、光电池以及其他光电侦测器里的光电效应，指的是光可以从金属表面打出电子的能力。它的一个特性是，射出电子的速度与光的颜色（而非强度）相关。

这种侦测器是光电效应的一种应用，照在金属上的光线造成电子飞离金属。这个现象并不是爱因斯坦发现的，它最初是1839年时在法国发现的。不过，他在思索德国物理学家普朗克（Max Planck）的计算时，为其找出正确的解释。1900年，普朗克根据实验的观察推论出，一个受热的物体在放出某种频率（或颜色）的光时，是以称为量子的不连续量放射。普朗克推算出现在很有名的常数h，以写下可用以描述这种称为黑体辐射现象的方程式。

不过爱因斯坦推测，h不仅是数学上的一种修正。他假设，光不是以连续的能量波，而是以波包的方式移动。在他1905年的分析及随后的论文里，爱因斯坦说明了光可以像是一束粒子流；如果这样，它会像撞球时母球撞开排好的球一样，将电子打离金属。

爱因斯坦也解释了光电效应里一个令人困扰的现象。虽然较强的光能从金属里打出较多的电子，但是不管光多亮或多暗，这些电子的速度始终一样。要改变电子速度的唯一方法，是用不同颜色的光。为了解释这个现象，爱因斯坦推算出，每个光粒子（或光子）的能量取决于其频率乘以h。随后的实验证实了爱因斯坦的预测，由于他对光电效应的解释，爱因斯坦得到1921年的诺贝尔物理奖。

现在光电效应是许多仪器的基础：在薄暮时打开街灯、调节影印机碳粉的浓度、控制相机的曝光时间等。事实上，几乎在任何控制或感应光线的电子装置里都会用到。连在呼气酒测器里都有光电装置，里面的光电池可以侦测试验气体与酒精反应后颜色的变化。这个效应也导致光电倍增管的发明，它由内含一连串金属台阶的玻璃真空管组成。当光子撞及起始的金属靶之后，这些台阶会依序喷出越来越多的电子。以这种方式可以将微弱的光讯号放大。光电倍增管在天文侦测器及电视摄影机里都会用到。

来自 http://www.sciam.com.tw/read/re...ocNo=559&CL=4