天天遇見愛因斯坦

愛因斯坦的理論其實就在我們日常生活中！
撰文╱任文駒（Philip Yam）
翻譯／張明哲

愛因斯坦大特賣：這位物理學家的影響力普及於太陽能裝置、GPS裝置、數位相機，以及DVD播放機、平準儀與逗貓咪的雷射。

對紐約客而言﹐皇后郡只不過是紐約市的機場以及大都會隊打棒球的地方。某個週六下午，沒有要趕飛機，大都會隊也不在城內，我跑到皇后區的東北邊探險；更準確地說，是到學院角（College Point）附近。沿著擁擠的第20街而建的帶狀購物中心裡，我尋覓著愛因斯坦。

愛因斯坦的想法在許多科學研究裡都很關鍵，這不令人意外，這些想法讓物理學家得以加速粒子到接近光速，也讓天文學家得以測量星空中的現象並給出模型。不過，愛因斯坦一生的貢獻也涵蓋並深入日常科技中。他對光為何像粒子、原子如何放出輻射，以及速度與重力如何影響時鐘的解釋，對於現今常見裝置的運作都很重要。

在學院角的購物中心裡，我第一次接觸愛因斯坦，是在進入大型折扣商店「標靶」（Target）時。一顆光電池（「電子」眼）偵測到我的靠近後敞開大門。這個偵測器長得很像三明治，是在兩片電極間夾著半導體，可以用來感應光線。光線強度的變化（例如光束被遮斷或是一般照明的降低），會造成偵測器裡產生的電流隨著改變。搭配適當的電路後，就可以啟動開門。

應用於偵測器、光電池以及其他光電偵測器裡的光電效應，指的是光可以從金屬表面打出電子的能力。它的一個特性是，射出電子的速度與光的顏色（而非強度）相關。

這種偵測器是光電效應的一種應用，照在金屬上的光線造成電子飛離金屬。這個現象並不是愛因斯坦發現的，它最初是1839年時在法國發現的。不過，他在思索德國物理學家普朗克（Max Planck）的計算時，為其找出正確的解釋。1900年，普朗克根據實驗的觀察推論出，一個受熱的物體在放出某種頻率（或顏色）的光時，是以稱為量子的不連續量放射。普朗克推算出現在很有名的常數h，以寫下可用以描述這種稱為黑體輻射現象的方程式。

不過愛因斯坦推測，h不僅是數學上的一種修正。他假設，光不是以連續的能量波，而是以波包的方式移動。在他1905年的分析及隨後的論文裡，愛因斯坦說明了光可以像是一束粒子流；如果這樣，它會像撞球時母球撞開排好的球一樣，將電子打離金屬。

愛因斯坦也解釋了光電效應裡一個令人困擾的現象。雖然較強的光能從金屬裡打出較多的電子，但是不管光多亮或多暗，這些電子的速度始終一樣。要改變電子速度的唯一方法，是用不同顏色的光。為了解釋這個現象，愛因斯坦推算出，每個光粒子（或光子）的能量取決於其頻率乘以h。隨後的實驗證實了愛因斯坦的預測，由於他對光電效應的解釋，愛因斯坦得到1921年的諾貝爾物理獎。

現在光電效應是許多儀器的基礎：在薄暮時打開街燈、調節影印機碳粉的濃度、控制相機的曝光時間等。事實上，幾乎在任何控制或感應光線的電子裝置裡都會用到。連在呼氣酒測器裡都有光電裝置，裡面的光電池可以偵測試驗氣體與酒精反應後顏色的變化。這個效應也導致光電倍增管的發明，它由內含一連串金屬台階的玻璃真空管組成。當光子撞及起始的金屬靶之後，這些台階會依序噴出越來越多的電子。以這種方式可以將微弱的光訊號放大。光電倍增管在天文偵測器及電視攝影機裡都會用到。

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