图1-17 光电效应
首先光电效应产生的原理是，光把原子中的电子敲出了原子空间，在电子脱离了原子核的束缚跑到空间中后，就裸露出了一个正电场，因此就产生出了电磁场的移动——电流。
按照当时观点，是把光当成波来处理的。例如，你可以把波对电子的冲击想象成海浪对沙滩上石子的冲击。这样光的强度（如同海浪的强度）越大，被撞出的电子也就越多，因此产生出的电流也就越大。
然而人们通过实际检测到的情况却不是这样的，人们观察到的情况是：让金属产生电流的光的频率存在一个阈值，凡是在这个阈值下，无论你施加多大强度的辐射量，都不会产生电流。在阈值之上，只要很少量的电磁辐射，就会产生电流。例如：红色光的频率较低，如果你把一块金属放在火热的炉子旁边烤，即红光的辐射量很大，金属中也未出现任何电流。如果只是用少量的紫光去照射金属，那么瞬间就会出现电流。就是说，当把光认定为波时，无法解释光电效应中为什么会存在这么一个阈值。
在1905年，爱因斯坦借鉴了普朗克关于电磁波是以一份一份发出的见解，提出如果把光想象成是一个一个的粒子，那么光电效应的反常现象就获得了合理的解释。解释如下：你可以想象沙滩上存在的是一个一个的如铅球一样的电子，把低频率的红色光子想象成一个一个的乒乓球，那么无论多少乒乓球撞向铅球，因为其单个的能量很小，因此即便再多的乒乓球也无法将一个铅球敲出沙滩坑外。但如果是一个带有高能量的高频率光子，例如紫色光，那么每一个紫色光子都如同是一个铅球，因此只是一个铅球就可以将沙滩上的另一个铅球敲出坑外。
因此，火炉即便很热，它所辐射出的都是低频率（低能量）的光子，是无法产生电流的。同时，即便是你用很少量的紫光去照射金属，也会产生电流效应。例如，就算是在阴天情况下，阳光中辐射过来的一部分高频率的光子，也会发生光电效应。
虽然爱因斯坦在1921年因光电效应论文获得了诺贝尔奖，但是直到1926年，当大量的实验证据支持爱因斯坦之后，科学家才正式将“光”取名为“光子”。
最近几年，哈佛大学的莉娜·豪博士通过将激光聚焦到两个微小的钠气体云的方式，首次让我们看到光子的模样（见图1-18）。
图1-18 钠气体云中的光子
实际上，我们的眼睛就是最好的、最精确的光子探测器，即光电效应发生器。例如：无论何时，当你看到一个物体时，都会发生如下过程：一个光子撞击到了在你眼中的视紫红质中的11-顺视黄醛分子，引发它的构型发生改变。这个过程就像是在光电效应中，一个光子撞出了原子中的一个电子，电子逃离质子后，质子就裸露出了一个正电场，当类似的电场经过累积达到一个阈值时，就会引发神经细胞爆发一次动作电位。由此，这个动作电位像骨牌效应的波一样（注意：神经细胞以及其中的电子、质子并没有移动，移动的是电场，而电场不是一个东西，只是一段信息），通过神经细胞间一系列的传导——传递，继而激发了你后脑脑皮层视觉细胞时，突然你就看到了这段文字。当其进一步激发大脑皮层其他部分时，就会让你思考这段文字所表达的深意。
因此，爱因斯坦对光电效应的解释无可辩驳地证明，在光从光源发出时，是以一个一个的粒子形式发出的。例如一只100瓦的白炽灯，在一秒钟内就会发射出2500亿亿个光子（见图1-19）。
图1-19 一只100瓦的白炽灯，在一秒钟内就会发射出2500亿亿个光子
六、哥本哈根诠释
自从普朗克提出辐射是以一个一个的量子方式发射以来，对于“光到底是什么”或者说“光到底有什么特性”，科学界经过将近30年的争论——主要是爱因斯坦与尼尔斯·玻尔之间的争论和新的理论提出——在1927年，由丹麦科学家尼尔斯·玻尔在丹麦首都哥本哈根提出了对光、或者说对量子世界的全新解释。这被称为哥本哈根诠释，具体解释有以下四点。为了便于理解，下面用电子和光子作为表述实验对象，其原理是等同的。
（一）波粒二相性
量子力学极为深奥，但是其本质却全部源自对一个实验的不断发挥。这个实验就是波粒二相性实验。
1. 光是波
在一长方形水池中竖立起一块带有一条缝隙的挡板，再把第二块带有双缝的挡板放在它的后面。最后把第三块挡板放在最后面（见图1-20）。这时在第一块挡板前面用另一挡板制造出一道水波。这时就会看到，这道水波在穿过一条狭缝后会发生衍射现象，进而再次形成一道水波向第二块双缝挡板移动过去。然后，当这道水波穿过双缝挡板后由于衍射现象，会继续出现两道水波。两道子水波继续前进，就会发生相互交叠在一起的干涉现象——在波峰交叠处，水波的振幅会变得更高，在波谷的交叠处，波谷的幅度将变得更深，在波峰与波谷的交叠处，水是平的。最后当两道波运行到第三块挡板上时，就会在挡板上显示出由于两道波相互干涉后出现的波峰与波谷交替出现的条纹。如果把波峰用白色表示，把波谷用黑色表示，这个条纹就是黑白相间的干涉条纹。
图1-20 一道水波在穿过双缝后会相互干涉形成干涉条纹
图1-21 如果你用一手电筒照射双缝，你会看到与一道波穿过双缝同样的干涉条纹。
图1-22 白光的干涉条纹
如图1-21，如果你用手电筒照射带有一条狭缝的挡板，然后在光所通过的路径上放上第二块带有双缝的挡板，最后放上第三块挡板到双缝挡板的后面，这时你就会在第三块挡板上看到（如同水波穿过双缝挡板后形成的干涉条纹一样）光所形成的干涉条纹（见图1-22）。光所出现的干涉条纹无可辩驳地证明，光是以波的运动形态通过双缝的。
因为只有波才具有衍射和干涉的特性，所以在第三块挡板上出现的光的干涉条纹证明光一定是波（见图1-22）。就是说，光是像水波一样穿过双缝的。
2. 光是粒子
如图1-23所示，用一挺机关枪随机摆动着向带有两条缝隙的墙壁发射子弹，这时你就会看到，凡是随机穿过双缝的子弹会在墙壁后面第二面墙壁上形成两道弹痕（如同两道条纹）。
图1-23 当机枪子弹穿过缝隙后，会在对面的墙壁上留下两道弹痕
为了表示方便，下面用电子代替光做表述（光子与电子的特性一样）。为了观察电子是如何穿过双缝的，在双缝挡板后面照射上一束强光。这时，当你再用电子枪发射电子时，奇怪的现象出现了，你会看到电子是以一个一个的颗粒状穿过双缝的，然后在第二块挡板上你不再会看到干涉条纹，而是会看到如随机发射的子弹一样，形成了两道电子条纹。这两道条纹的出现，无可辩驳地证明，电子是像子弹一样，是以一个单一的粒子方式穿过狭缝的。因此，在照上强光后，电子在挡板上出现的两道条纹的现象无可辩驳地证明了电子是一个单一的粒子。
3. 光既是波，也是粒子
现在让人纠结的问题出现了：当你撤除强光，电子的干涉条纹又出现了。这又让你必须相信电子是以波的方式穿过双缝的（见图1-24）。当你照射上强光，这时因为是你去看了它，结果电子就以一个一个的粒子形式出现了，而且每一个电子粒子只穿过其中的一条缝，在第二块挡板上突然又呈现出了两道条纹（见图1-25）。
图1-24 当你撤除强光，电子的干涉条纹又出现了。这又让你必须相信电子是以波的方式穿过双缝的
图1-25 当你照射上强光，这时因为是你去看了它，结果电子就以一个一个的粒子形式出现了，而且每一个电子粒子只穿过其中的一条缝，在第二块挡板上突然又呈现出了两道条纹。
当你撤除强光，电子的干涉条纹又出现了……（具体关于波粒二相性的具体实验细节，请参看《科学禅定》一书，有较为详细的图文论述。）
那么，如果我们把强光变弱，而对电子造成最小的扰动，这时情况又是怎么样的呢？
变弱光照的强度不是变弱每一个光子的能量，只是减少了照射出的光子数目。例如，当你变弱光照强度后，假设每秒钟探测器发射出来的光子数是100个，而每秒钟穿过双缝的电子是200个，因此你只能看到有100个电子随机穿过其中一条缝。另外100个电子因为没有光子撞击到它们，所以你将看不到这些电子。如果你去做这样的实验，那么你将在实际检测中看到：被你看到的100个电子会以粒子的形式出现，而且在挡板上显示出两道条纹。那些没有被你看到的100个电子会显示出干涉条纹。就是说，你没有看到的那100个电子仍然会以波的形态同时穿过两条缝。
以上实验带给我们的结果是，你去看它，一个电子（光子）就是一个粒子。你不去看它，一个电子就是一道波（图1-26）。波代表无处不在，粒子是一个有确定空间位置的东西。是波还是粒子，不是它本来如此，而是你的看（意识）决定了它的属性。
图1-26 电子既是波也是粒子示意图
4. 一个电子也是波
现在出现了一个问题：如同水是由水分子组成的，水波的干涉条纹是由水分子堆积出来的。因此，如同不能说一个水分子也是一道波一样，电子的干涉条纹是否也是由一群电子以波的形态穿过双缝，然后在挡板上堆积出来的干涉条纹呢？或者说，你可以说一群电子是一道波，但是你不能说一个电子也是一道波。为了证明一个电子是否也是一道波，科学家做了如下实验：
这次对实验所用的器具作了修改，即，用一台一次只发射一个电子的电子枪向带有两条狭缝的挡板发射电子。并将第二块挡板换成让电子必须现身为粒子的电子检测屏（如同电视机的荧光屏）。
现在实验开始：发射一个电子，你会在检测屏上看到一个针尖般的亮点。这个亮点的出现证明电子是以一个粒子的形式出现的。一秒钟后，发射第二个电子，这时检测屏上就会显示出第二个光点。下一秒钟，发射第三个电子，检测屏上出现第三个亮点，然后是第四个、第五个……一开始，电子只是以随机方式在检测屏上出现的。当随着一个一个电子的到达，在你发射了一万个电子后，最终在电子检测屏上竟然又出现了“干涉条纹”。这就让人感到不可思议了，因为电子是以一个一个粒子的形式到达的，所以它在穿过双缝时，也必须是以一个粒子的形式穿过其中的一条缝。如果一个电子不是以一道波的形态穿过双缝的，那么在相同间隔时间陆续发射出的电子就不会形成干涉条纹。但是实验结果却不是这样，即便你一个一个地发射电子，电子最终还是会形成干涉条纹。因此，根据这一实验结果让你必须作出如下想象：“发射出的一个电子一定是以一道波的方式同时穿过两条缝的，然后在穿过双缝形成两道波后，自己又干涉了自己，最后出现在检测屏的某一个点上。”因此，一群电子是一道波，一个电子也是一道波。
以上就是经典的波粒二相性实验，它所带给我们的结果是：电子、光子，既是粒子也是波。当你去看它的时候，它是一个粒子，当你不去看它的时候，它以波的形态在空间中扩散着。就是说，一个光子像一个粒子那样出发和到达，但在空间中却以球状波的形态运动着。最终科学实验证明：光是虚无的波动。
（二）不确定性原理
不确定性原理的意思是你无法同时准确测得一个粒子的位置和动量。这是什么意思呢？
动量=质量×速度。速度是在单位时间内，粒子从初始位置到末位置行走过的距离。对于电子来说，它从电子枪出发时的初始位置是给定的，但是末始位置就需要你去测量了。测量的方法是将一束光照上去，这样就会有光子被电子散射开来，由此确定电子准确的“末位置”。而不确定性的原因出在用来测量电子的“光子”身上。因为光子不是一个粒子，而是一道波。而“波”不是一个东西，只是一种物质的运动态势。例如，水波是水分子上下振动的态势，声波是空气分子被前后挤压的态势。
波的态势有两个特性：波长和振幅。波长是空间内波在一个长度方向的区间跨度。因此，假设你用一道光“波”去测量电子位置的话，因为光波具有在空间中波的长度的区间跨度，这样电子的准确位置就有一个基于光波的波长空间跨度所带来位置的“不确定性”。
图1-27 米尺的刻度是毫米，而光波也有基于其波长而存在的刻度值
图1-28 光波具有的区间跨度
图1-29 光波具有的区间跨度
如图1-27所示，米尺的最小刻度是1毫米，如果你用这个尺子去测量书桌，你对书桌长度精确度的测定只能限于1毫米以上。对于用来测量电子位置的光波也是同样情况，因为光是波，因此对电子位置测量的精准度就只能被限制在光波波长的区间以内（图1-28、1-29）。
下面，描述一下不确定性原理产生的具体原因。为了便于理解，其中的数据为方便说明的放大数据。
假设电子的速度是100米／秒，而你在100米外测量由一台电子枪发射过来的一个电子。这时，因为你用来测量电子的光波波长是1米，因此，你测得的电子的真实位置就被限制在99~100米之间。从而就产生了一个基于对电子真实位置“99~100米”而带来的电子速度的“99~100／秒”的不确定性。因为动量=质量×速度，所以这就带来了一个基于速度不确定性所带来的电子动量“（99~100）×质量”的不确定性。这时，电子位置的不确定性就限制在1米区间跨度内，即这时动量的不确定性比较小。
那么，如同我们可以用0.01毫米刻度的游标卡尺去测量桌子一样，我们是否可以用更短波长的光波去测量电子，让电子的位置变得更准确，进而使其动量变得更准确呢？例如，我们用波长为1毫米的光波去测量电子，这样电子的位置就被确定在99.99~100.00米之间了？
图1-30 更短波长的光子
答案是可以。但是会带来另外一个问题。就是说，对光波来说，波长越短，它所携带的能量就越大（见图1-30）。因此，假设你用一个波长为1毫米（波长为放大说明）的高能量的光子去测量电子的位置，你是可以将电子的位置精确到1毫米空间的区域之内的，但是由于电子被高能量的光波撞击了一下，这就让电子的真实位置变得“不确定”了。
