愛因斯坦這樣讀才對！

就算已經過了那麼久，還是想要知道愛因斯坦到底是個怎樣的人？想要知道他到底如何偉大？為什麼了不起？有趣在哪裡？有那些創新？這一切的一切。這正是本書的目的。

事實上許多與現代人的日常生活習習相關的技術都應用了愛因斯坦的理論。或許讀者會感到有些意外，不過把愛因斯坦稱呼為「高科技之父」其實一點也不為過。

下面就試著列舉一些與愛因斯坦的理論有關的科技。

這些科技背後的理論將會從第三章起說明，這裡只先跟各位說到底包括了哪些東西，讓大家感受一下愛因斯坦離我們有多近。

雷射（以及用到雷射的各種設備）、條碼、掃描器、太陽能電池、CD、DVD、數位相機、各種感測器、光觸媒──光量子理論
醫藥品製造、分子分選儀、金融市場的預測──布朗運動理論
全球定位系統（GPS）、量子電腦──狹義相對論
原子彈、核能發電、放射線治療法、正子放射斷層造影（PET）──
重力理論、大霹靂與黑洞的發現與以之為基礎的宇宙論──廣義相對論

如何？
從對現代人來說密不可分，甚至可以說是生活必需品的資訊通訊設備，到壯闊的宇宙論。愛因斯坦的理論橫跨了範圍寬廣為數眾多的科技。

這樣一來，有沒有更能感受到愛因斯坦的偉大呢？

愛因斯坦的研究成果，無論是好是壞，的確「革命性地改變了世界」。而愛因斯坦的理論也是支撐著二十世紀與二十一世紀的高科技的基礎。除此之外，現代物理學中許多懸而未決的問題也與愛因斯坦有關。這樣看來，不得不說《時代雜誌》把愛因斯坦選為「世紀風雲人物」的確是有獨到的眼光。

能夠多認識這樣一個代表了二十世紀的人，再怎麼說也不會是什麼損失吧。

第3章 奇蹟之年所發生的奇蹟
五篇論文
愛因斯坦從1905年的三月到九月間，也就是短短的半年內，連續撰寫了五篇論文。半年內完成五篇論文本身就已經十分難得了，更遑論這些論文都是足以得到諾貝爾獎的革命性論文。這些論文自發表後直到今天，仍然對物理學擁有極大的影響力，由此就足以證明其不凡之處。

但寫下這些論文的愛因斯坦，當時不過是個名不見經傳的廿六歲青年而已。

難怪物理學的歷史上會把1905年稱之為「奇蹟之年」。

人類歷史上各種學術領域裡，除了愛因斯坦以外，大概也沒有人曾經歷過這麼豐碩的成果吧。這些成果完全足以凌駕在「驚異之年」的牛頓之上。

這五篇論文的內容與發表順序分別為：
1.光的粒子說（三月）
2.決定分子大小的方法（四月）
3.布朗運動（五月）
4.狹義相對論（六月）
5.質量與能量（九月）

其中的第一、三、四、五篇發表於1905年的《物理學年報（Annalen der Physik）》，第二篇發表於1906年的《物理學年報》。

後面我們將會針對我們特別感興趣的第一、四、五三篇論文的概要與其「革命性」來進行介紹，在這裡則簡單的介紹一下對「一般人」來說或許不怎麼樣，但是對物理學卻極具革命性的第二與第三篇論文。

第二篇論文是愛因斯坦的博士論文，他在1905年的4月完成，7月時向蘇黎士大學提出，8月時受理。最後發表於翌年的《物理學年報》。

從西元前五世紀以來，人們就相信所有的物質都是由原子所構成的，但是實際上「原子論」是到了二十世紀初才成為「科學」。在1905年愛因斯坦出場前，並沒有原子確實存在的證據。

在這樣的狀況下，提供了「原子存在」的有力證據，就是愛因斯坦的第二與第三篇論文。從愛因斯坦在完成博士論文（即第二篇論文）後僅僅十一天就開始針對第三篇論進行最後的修改來看，這兩篇論文其實可以放在一起看。當第三篇即「布朗運動」的論文於1905年5月發表之後，「原子存在」就成了鐵一般的事實。

如果把範圍限制在「對物理學的貢獻」的話，搞不好第二、三篇論文是愛因斯坦一生中最重要的成就也說不定。

解開光的謎團
雖然有點囉唆，不過前面所提到的東西都是為了了解愛因斯坦最初的革命性論文「光的粒子性」所需的前言。

在愛因斯坦那些革命性的論文當中，與我們的日常生活最為密切的就是「光的粒子說」，所以才會在這裡詳細地解釋它的背景。

如果說「光」真的如楊格與馬克思威爾所證明的是種波動的話，那麼無論如何我們都無法解釋本章一開始所提到的「光電效應」那樣的現象。一方面，實驗上明明就已經得到光是一種波動的絕對性證據（干涉條紋）。但另一方面，「光電效應」又是無庸置疑的事實。

金屬中存在著數量龐大而且可自由移動的電子。當某些種類的光照射在金屬的表面時，會讓在金屬內自由移動的電子飛出到金屬外，這就是所謂的「光電效應」。

不管怎麼說，要改變物體的運動狀態都需要能量。而「能量」原本就是指「讓物體產生某些變化的源頭」。

因此讓金屬內的電子這種「物體」飛到金屬外的光，顯然是種「帶有能量的東西」。

前面也提到過，實驗上共觀察到六項與光電效應有關的事實。

再強調一次，這裡的「光電效應」是以往所確信的「光的波動說」無論如何都無法解釋的現象。

而巧妙地以非常簡單的方式解決了這些矛盾的，就是愛因斯坦的「光粒子說」論文（1905年3月）。

愛因斯坦認為「光的粒子在金屬內與電子產生碰撞」。也就是說，他認為如果把光當成波動時無法說明「光電效應」，那麼就不要把光當成是種波動，而把它當時是由許多粒子所形成的粒子流。想像一下撞球的情景就能夠很容易地理解。當靜止不動的球突然被另一顆飛快前進的球撞上時，原本靜止的球就會被彈飛出去。

而光的能量，也就是光的粒子所擁有的能量。

愛因斯坦依據蒲朗克的量子假說構築起「光粒子說」的理論，他認為「光是由微小的粒子所形成，而且這些粒子擁有不連續的能量」。他把這些能量不連續的光粒子，仿照蒲朗克命名的「量子」而稱之為「光量子」。

除此之外，光量子所擁有的能量（E）與「光的顏色」也就是頻率（v）有關，可以表示成 ，也就是說光量子是依照「h的倍數」而呈現不連續的值。這裡的「h」就是剛剛提到的蒲朗克常數。

就如同要把靜止不動的撞球彈飛出去的話，撞擊的那顆球也要帶有一定大小的能量才行一樣，要產生「光電效應」的光量子也必須帶有一定大小的能量。讓我們再回顧一下圖6。以紫光（v大，也就是E大）照射時電子會飛出，但是以紅光（v小，也就是E小）照射時電子不會飛出，就是這個緣故。

這樣一來，只要把光想像成是帶有 這種不連續能量的粒子，也就是光量子的話，就可以完美地解釋前面所提到的實驗結果。

這就是愛因斯坦在奇蹟之年最初的論文（3月）的大概。

這個完美地說明了「光電效應」的「光量子理論」，其劃時代之處在於闡明了光除了擁有波動的性質外，還擁有粒子（量子）的性質。既然把光當成是波動、或是把光當成是粒子都會產生矛盾，那麼把光當成「既是波動也是粒子」不就好了？如何？非常大膽的想法吧。這樣解釋下來，或許有人會覺得這好像是誰都想得出來的解決方法嘛，但愛因斯坦卻是第一個提出這種想法的人。

舉例來說，直覺來看任誰都會猜測蝙蝠是種鳥類。但是我們已經學到蝙蝠不是鳥類而是哺乳類。或許這樣一來會被生物分類學者斥責，不過如果把蝙蝠這種像鳥類的哺乳類生物，當成是「既擁有哺乳類的特徵也擁有鳥類特徵的生物」好像也沒什麼不對吧？當然在生物學上，哺乳類與鳥類之間有著嚴格的區別。但是實際上，蝙蝠確實既擁有哺乳類的特徵，又擁有鳥類的特徵。

在物理上，波動與粒子是截然不同的東西，被嚴格地區分開來。只是剛好發現了光同時擁有「波動的特性」與「粒子的特性」而已。這裡要注意的是，光是「一種波動也是一種粒子」的講法並不正確，正確的描述應該是光「同時擁有波動的特性與粒子的特性」。

事實上，根據後來量子物理學的「物質波」理論，「同時擁有波動的特性與粒子的特性」的並不只限於光，電子也有同樣的性質，甚至我們本身的身體也具有這樣的性質，只是程度不同而已。關於這點這裡我們就不再贅述，有興趣的讀者可以把卷末書目的另一本拙著《量子力學一點也不難》找來看看。

有些記憶力好的讀者或許會說，前面不是提到牛頓早就因為稜鏡的分光實驗而提倡「光的粒子說」了嗎？那牛頓的「光粒子說」和愛因斯坦的有什麼不同？

這是個很好的問題。

這是不是表示「光粒子說」並不是愛因斯坦所原創的呢？

先講結論，牛頓的「光粒子說」與愛因斯坦的「光粒子說（光量子理論）」一點關係也沒有。

牛頓所提出的「光粒子」是像「墨水（物質）的顆粒」之類的東西。這樣的理論早就在1801年被「光的干涉實驗」給完全否定掉了。

另一方面，愛因斯坦的「光粒子」則是微小的能量小塊（量子），也就是「光量子」。

當然，光的波動性並未因為愛因斯坦的「光量子理論」而遭到否定。光兼具「波動性」與「粒子性」，這種「兼具波動性與粒子性」的想法正是量子物理學（量子力學）裡最重要的概念，不過在這裡就不再繼續談下去。

光量子理論（光粒子說）的意義，遠遠地超過了「解釋光電效應」，它是確立了量子物理學的偉大的第一步。接下來會提到，量子物理學是支撐了現代文明的電子學等尖端技術與科學的基礎。

可以這麼說，「解釋了光電效應」只不過是光量子理論的宏大意涵中，一個小小的證據而已。

支撐著高科技的光量子
未來的歷史學家，或許會把二十世紀與「科學與技術驚人發展的時期」劃上等號。事實上，二十世紀真的可以說是「科學與技術文明的盛開期」，結成不知道多少近代與現代技術的果實。

生活在二十世紀的我們，身旁充斥著各式各樣的「文明利器」、「便利的器具」，而其中的代表（甚或說「全部」也不誇張）就是電子產品。電子產品對現代人的生活來說，早已是不可或缺的了。

這些電子產品的源頭就是半導體所製成的電晶體，電晶體再進一步地組成了IC（積體電路）、微晶片以及電腦。近年來，原本的電子產品更整合了「光」而造就了蓬勃的光電產品。

如果把剛剛所說的「二十世紀是科學與技術文明的盛開期」限定在技術與工程領域的話，那麼二十世紀最偉大的發現與發明一定是電晶體與雷射。

雷射是可以發出「特殊光源」的裝置，而「特殊光源」指的就是雷射光。雷射光擁有比陽光或一般電燈所放出的光更優良的性質，可以說是一種夢想中的人工光源。

而我們所談論的現代文明主角「高科技」，全部的全部都與愛因斯坦有著密切的關係。特別是與光有關的現代技術，都與愛因斯坦所提出的光量子有直接的關係。這些技術全都是光以帶有能量的粒子（也就是光量子）作用下的產物。在我們的生活中，光可以說是無所不在，因此愛因斯坦的「光量子」活躍的領域也十分地寬廣。

雷射被用在光通訊、資訊處理、顯示、醫療、分析測量、土木測量、機械加工、武器等極為寬廣的領域。CD、DVD、數位相機、條碼讀取等也都是光量子專精的領域。

此外，太陽能發電與太陽能電池廣義說來也是「光電效應」的應用，而近來被用以分解污染物質的光觸媒，其所依賴的也是光量子。

甚至植物所進行的光合作用，也是由光量子所驅動的自然現象。

在這裡所舉的例子，只是大家比較容易看到的部份。其它還有許多像是光量子理論所催生出的各種感測器等，都是光量子在背後默默推動的技術。

就算已經過了那麼久，還是想要知道愛因斯坦到底是個怎樣的人？想要知道他到底如何偉大？為什麼了不起？有趣在哪裡？有那些創新？這一切的一切。這正是本書的目的。事實上許多與現代人的日常生活習習相關的技術都應用了愛因斯坦的理論。或許讀者會感到有些意外，不過把愛因斯坦稱呼為「高科技之父」其實一點也不為過。下面就試著列舉一些與愛因斯坦的理論有關的科技。這些科技背後的理論將會從第三章起說明，這裡只先跟各位說到底包括了哪些東西，讓大家感受一下愛因斯坦離我們有多近。雷射（以及用到雷射的各種設備）、條碼、掃描器、太陽...