「讓物理光耀世界」於十八日夜晚展開,由愛因斯坦的故居美國新澤西州普林斯頓開始。第一道雷射光束畫破黑暗的夜空,橫越美國國界及太平洋。十九日晚上七時,光束傳到東亞,再由日本傳遞出來。當光訊號傳到台灣,台北101大樓立即啟動雷射。同時,新竹、台中、彰化、台南、高雄城市光廊、花蓮、玉山、還有鵝鑾鼻燈塔,都將同步點燈。台灣各地愛好科學的朋友,參與這場向愛因斯坦致敬的盛會。
◎德蘭
一百年前,愛因斯坦對光電效應的闡釋及理論,奠定現代量子光學的基礎,帶出二十世紀璀璨的光電科技。
開啟量子光學的紀元
十九日,台灣與全世界共襄盛舉,參加「讓物理光耀世界」(Physics Enlightens the World)的活動,這是為了慶祝愛因斯坦逝世五十周年、由聯合國所規畫的「二○○五世界物理年」系列活動之一,其他還包括「探索物理博覽會」、「亞太國際物理高峰會」、「物理奧林匹亞大賽」及「女性相關物理活動」等。
一九○五年,二十六歲的愛因斯坦在發表的幾篇論文裡,提出了對人類有巨大影響的三個觀念:「狹義相對論」提出對時空及質量關係革命性的新理論。
「布朗運動」則闡述基本熱力學中關於分子動力的定律;「光電效應」不但揭開量子力學的基本奧秘,也開啟現代量子光學的紀元。
愛因斯坦這幾篇論文不僅震驚當時的物理學界,更讓他成為家喻戶曉的天才科學家。但是,愛因斯坦對世界的貢獻不僅是抽象、高深的相對論。
他對光電效應的闡釋及理論,可說是奠訂了現代量子光學的基礎,導引二十世紀中葉雷射的發明,也帶動整個光電科技在二十世紀末期的澎湃發展。
對光子提出革命性觀念
因而衍生出在二十世紀裡,與人類日常生活息息相關的許多光電產業。419「讓物理光耀世界」就是讓全球藉雷射的光芒串連起來,共同紀念愛因斯坦對光電科技不朽貢獻的活動。
愛因斯坦在〈一個關於光的產生與轉換的啟發性看法〉這篇論文裡,解釋了為什麼當光束照射到金屬表面會產生電子,同時說明光電效應中電子飛離金屬表面的速度與光波長的關係。
更重要的是,他對光子提出革命性的基本觀念:光子是帶有能量的粒子,每個光子所帶的能量等於光的頻率乘上一個普朗克常數。
當時,另一位德國物理學家普朗克(Max Planck),剛發表了近代物理上最重要的量子理論。他提出革命性的能階觀念,其中導衍出一個基本且非常微小的常數,也就是愛因斯坦用來解釋光子所帶能量的普朗克常數。
奠定雷射光的基礎理論
愛因斯坦的理論,不僅合理地解釋長久以來物理學界苦於無法說明的光電效應現象,也為當時新出爐的量子理論,提出有力的佐證。幸運的是,這些大膽的假設及預測,在幾年內一一由實驗證明。當愛因斯坦因光電效應的成就得到一九二一年的諾貝爾物理獎,近代物理學也從那時揭開了量子物理的新頁。
日後,愛因斯坦更進一步提出有關量子光學裡的雷射光原理及可能性,奠定雷射光的基礎理論。直到今日,光電效應建立了太陽能電池及光電感測器的產業基礎,雷射光更普遍地應用在通訊、資訊產品及消費性電子產品領域。二十世紀雷射的發明及其廣泛應用,再加上所帶動的龐大光電產業,可以說都是奠定在愛因斯坦的理論基礎上。
在愛因斯坦逝世五十年、論文發表一百年後的現在,光纖讓寬頻傳達每家每戶,讓每個人可隨手、即時、即興地從網路上擷取數據。下世代的儲存技術,可把存在高密度藍光碟片的高畫質影像,呈現在以雷射全彩光掃描的大螢幕上;奈米光子的發展,也可能帶來更多預料不到的突破。這一切,都可歸功於愛因斯坦天才的創見。
深入現實生活
剛動過雷射手術的王小姐,開車到沖印店印出用數相機拍的照片,接著再上車打開CD音響,並用全球衛星定位(GPS)導航系統,和在太陽能公司上班的男朋友約會,王小姐身邊這些大家已習以為常的現代科技,全都和愛因斯坦有關。
相對論修正衛星定位
台大物理系主任張慶瑞表示,愛因斯坦最有名的成就,是一九○五年發表的相對論公式E=mc2,其中E 是能量,M是質量,C是光速(每秒三億公尺),從這公式得出「很少質量可轉換為很大能量」。
相對論所造成的影響,最具代表性的破壞面,是第二次世界大戰投到日本的兩顆原子彈,世界大戰因此提前結束;建設面則是核電廠,因為若沒有核電產生充足電力,全球的工業、科技在近半世紀不會進展如此迅速。
相對論另一重大貢獻是GPS。張慶瑞指出,相對論告訴我們,離地表兩萬公里的全球定位衛星,重力與衛星高速繞地球旋轉。兩者互抵後,每天時間仍快了千分之三十八秒;若不根據相對論來做修正,每天地表定位誤差十一公里,就什麼都不用定位了。
「光電效應」應用廣泛
愛因斯坦在一九○五年發表的另兩篇論文「光電效應」和「布朗運動」也非常有名。現在日常生活所有感應光影造成電流改變的科技,都來自愛因斯坦光電效應理論的應用,例如自動門、各種遙控器、自動對光的傻瓜相機和數位相機、醫療檢測儀器、影印機、太陽能電池等。
張慶瑞表示,最近有人利用光線穿透酒精氣體會折射的特性,發明酒精偵測儀,可讓駕車者若喝酒就發不動汽車,也是應用光電效應。
「布朗運動」是指液體中懸浮粒子不規則運動的情形,從前的人,以為水中的花粉有生命,才會不規則運動,愛因斯坦則是第一個用分子碰撞的概念來解釋這個現象的科學家。
愛因斯坦發表雷射原理四十多年後,才出現相關應用:一九六九年阿姆斯壯登陸月球時,曾在月球表面放置一片很大的鏡子,用來反射從地球發射到月球的雷射,從計算雷射來回一趟所耗費時間,精確測量出地球到月球的距離;到九○年年代,民生層面的CD音響、DVD放映機和雷射治療近視技術快速普及。
關懷人道的和平主義者
愛因斯坦的相對論,以及他對時空的看法,的確激起了大家強烈的興趣,也使他成為大眾所景仰的偶像。然而他不僅只是科學家,更是一個和平主義和人道主義者,他關心社會底層的勞苦大眾;在戰爭頻仍的時代裡,他譴責軍國主義的侵略者。
堅持反戰的一貫立場
一九三三年為了抗議希特勒的法西斯獸行,愛因斯坦毅然決然下了決定:只要納粹政權存在一天,他就永不返回德國。納粹政府也沒收了他在德國境內的所有財產,使他變得一無所有。於是愛因斯坦舉家遷往美國的普林斯頓,應聘為普林斯頓高等研究院教授。
以後的歲月中,他除了埋首於研究的工作外,並以全力協助歐洲難民的移民。在納粹及赤色暴政之下,獲得愛因斯坦營救的著名科學家不知有多少。也正因為這些科學家脫險抵美國,而使得後來美國政府能夠憑藉著他們的智慧和技能,創造出人類史上的第一顆原子彈。
一九一四年的《告歐洲人民書》、一九三○年《全世界裁軍宣言》、一九五五年的《羅素—愛因斯坦宣言》,愛因斯坦簽署的這三個和平宣言,一再闡揚他和平、反戰的一貫立場。在一九五五年的這個最後宣言裡,他更是呼籲:停止軍備競賽、禁止使用核武。