1921年12月10日，科学巨匠爱因斯坦获得诺贝尔物理学奖，但是令其获奖的并非著名的相对论，而是他在1905年提出的光电效应理论，这推动了量子力学的发展。值此爱因斯坦获得诺贝尔奖100周年之际，谨以此文纪念光量子理论的提出。1905年被物理学家称为“奇迹之年”。那一年，阿尔伯特·爱因斯坦发表了四篇论文，奠定了现代物理学的基础。1905年的重大突破之一是爱因斯坦提出的光量子理论，它假定光是由称为光子的微小粒子组成的，这些量子粒子会表现出像波一样的性质。从激光技术到电视屏幕，如果没有爱因斯坦的理论，许多发明是不可能实现的。它不仅改变了量子力学领域，而且也影响了其他科学分支。早在17世纪，科学家就开始探索光的各种性质以了解光的行为、运动和起源，并发展了利用这些知识的方法。艾萨克·牛顿提出了微粒理论，它反对克里斯蒂安·惠更斯的认为光是由波组成的理论，理由是只有当光是由粒子组成时，才能解释光的反射和折射的几何性质。他把这些组成光的粒子称为微粒。牛顿提出每次光线照射到一个表面，微粒就会被反射回来，此外介质的密度会影响光的速度。与牛顿相反，荷兰数学家克里斯蒂安·惠更斯认为，光是由垂直于光传播方向的波组成的，即光的波动理论。他进一步解释说，光扰动所遇到的每一点都会被变成光的波源。然后，由扰动产生的次级波之和确定新波。惠更斯原理于1678年提出，用来解释光线引起的反射和折射。许多年后，1801年，英国科学家托马斯·杨(ThomasYoung)进行了著名的“双缝实验”，验证了惠更斯关于光的波动行为的理论。在杨的实验中，来自单一光源的一束光被分成两束，然后，将这两束光重新组合并叠加到屏幕上，在屏幕上形成亮条纹和暗条纹的图案。杨得出结论，条纹是由于光束重新组合时，它们的波峰和波谷不同步造成的。当两个波峰重合时，它们相互加强，一条亮条纹产生；当波峰和波谷重合时，它们相互抵消，一条暗条纹产生。由两个波叠加而形成的合成波或干涉图案被称为干涉。双缝干涉实验产生了与牛顿微粒理论相反的证据，这是光的波动理论的第一个实际证明。托马斯·杨提到了他的著作《自然哲学和机械艺术讲座教程》第39讲中提到了这个实验。在随后的几年里，法国工程师August Fresnel关于衍射(光通过小孔时传播的现象)的发现也证实了双缝实验。之后詹姆斯·麦克斯韦提出了电场和磁场随光速传播的理论，并得出了光是电磁波的结论。他还预测了形成电磁波谱的大量电磁波的存在。根据麦克斯韦的光波动理论：v=c/λ，其中v是频率，C是光速，λ是波长。后来，1886年，海因里希·赫兹建造了一个由感应线圈和莱顿罐(电容器)组成火花气体发射器，以产生电磁波，并在两个黄铜球体之间形成火花间隙来探测电磁波。利用这个仪器，他探测到了无线电波(无线电波也以光速传播)。赫兹实验证明了麦克斯韦提出的电磁波的存在。1900年，马克斯·普朗克假设光的能量以名叫“量子”的小能量单位的形式发射；并且每个量子的能量与其频率成正比。普朗克因这项研究获得了1918年的诺贝尔奖，这也为量子力学的发展奠定了基础。20世纪，爱因斯坦和路易斯·德布罗意进一步解释了光与物质一样，也以粒子和波的形式共同存在的概念。当光照射金属时，光电子从金属表面发射出来，这种现象被称为“光电效应”。在这个过程中释放的电子被称为光电子，它们的发射受到入射光束频率的影响。光电效应是由海因里希·赫兹于1887年首次提出的，当时赫兹观察到当紫外线照射阴极时，阴极射线管中会出现电荷。1897年，物理学家J.J.汤姆逊进行了阴极射线管实验，从而发现了电子。汤姆逊还提出了原子的葡萄干布丁模型，其中带负电荷的电子像葡萄干一样嵌入在带正电荷的“葡萄干布丁”中。爱因斯坦在1905年详细解释了光电效应。他提出，光是由称为光子(以前称为quanta)的微小粒子构成的，光子的能量是：
h = 普朗克常数(6.626 × 10－34 J·s)电子离开金属表面所需的最小能量称为阈值能量，足以引起电子发射的光的频率的最小值称为阈值频率。光电效应遵循能量守恒定律，即能量既不能创造也不能消灭。光子的能量等于电子发射所需的能量与发射出的电子的动能之和。W = 功函数（从物质中释放电子所需的最小光子能量）E = 喷射出的电子的最大动能 (1/2 mv2)。光电效应不仅验证了光的粒子性质，还加强了光子作为波的可能性(因为爱因斯坦方程涉及频率和波长)。1921年，阿尔伯特·爱因斯坦因其在光电效应和光的量子理论方面的杰出工作而获得诺贝尔物理学奖。几年后，意大利青年物理学家德布罗意在他的博士论文中提出，光具有频率、波长等波粒二像性不是特例，而是光的基本性质。1924年，他将爱因斯坦的狭义相对论和普朗克能量方程结合起来，揭示了光的波动性。在德布罗意的理论解释中，λ=h/mv证明了粒子的波动性。他得出结论，如果波可以显示出粒子性，那么粒子(光子)也能够表现出波动性。自从光量子理论被我们了解以来，已经过去了100多年，但是即使在今天，这个理论也仍然有重大价值，以至于许多现代的发现和发明都是基于它的基础知识。波动光学是光量子理论的一个分支，研究光的衍射、干涉和偏振。显微技术是波动光学的一种应用，使我们能够看到肉眼无法看到的物体。没有波动光学理论，许多重要的发现(与微生物、人体细胞、蛋白质结构有关)是不可能的。用于电视、计算器、数字时钟和液晶显示器的LCD屏幕，将电场和光能结合在一起产生图像。以及光盘，如CD和DVD使用激光束技术以存储数据。这两项创新都是以干涉为基础的。来源：Science In HD/Unsplash
全息技术目前还在开发中，它有可能将虚拟世界变成现实。这一令人振奋的下一代数字技术是基于衍射和应用光的波动性。衍射也是光谱学背后的核心原理，光谱学是一种用于探测各种天体中元素的技术。光量子理论也被用来解释光解作用、X射线衍射、生物发光等各种现象的发生。最近研究表明，更好地理解光的量子特性将推动能量收集、量子信息和密码等领域的进一步发展。https://interestingengineering.com/can-quantum-theory-of-light-carry-humanity-further光子盒将为中国境内的研究机构和企业提供一个免费的垂直招聘信息发布渠道，欢迎有需求的机构或企业直接联系光子盒。（微信：Hordcore）