斯坦演讲的时代,光的电磁波动论是占据主流的观点,为了说明光的理论需要更新,他接着列举了光的波动论面临的困难:
“有人指出,如果不更深入地进行理论上的考虑,我们的光学理论还不能解释光学现象的某些基本特性。
为什么一个特定的光化学反应的发生与否,只取决于光的颜色,而不取决于光的强度?
为什么短波射线在促进化学反应方面一般比长波射线更为有效?
为什么光电效应所产生的阴极射线的速度同光的强度无关?
为什么为了使物体发射的辐射中包含有短波的部分,就要求有较高的温度,也就是要有较高的分子能量呢?
对于所有这些问题,现代形式的光的波动论都不能作出回答。特别是它怎么也不能解释,为什么光电效应或伦琴射线产生的阴极射线具有那么明显地同射线强度无关的速度。”
爱因斯坦认为光的波动论面临的这些困难的基本特征可归结为波动论的不可逆性:
“在我看来,带来这些困难的光的波动论的那些基本特性可以归结如下。在分子运动论中,对于每一个只有少数基元粒子参加的过程,比如对于每一次分子碰撞,总存在逆过程,而按照波动论,在基元辐射过程中情况就不是这样。
按照我们熟悉的理论,一个振动着的离子发出一个向外传播的球面波,不存在作为基元过程的逆过程。向内传播的球面波,虽然在数学上确实是可能的,可是为了近似地实现这一点,就要有很大数量的基元发射结构。因此,像这样的光发射的基元过程本身具有不可逆的特征。正是在这里,我相信,我们的波动论是不正确的。
看来,在这一点上,牛顿的光的发射论比波动论包含有更多的真实的东西,因为按照光的发射论,在发射过程中给予一个光粒子的能量,不是扩散到无限的空间之中,而是一直保留下来为一个吸收的基元过程所用。”
五、量子论
列举了光的波动论面临的困难后,爱因斯坦又拿x射线产生次级阴极射线为例,将电子的作用极限为一个来考虑而引出了辐射组成的量子论话题,即初级电子的能量不是以向所有方向传播的球面波来分布和扩散的,而至少电子能量的较大部分似乎是在这一点或那一点上提供使用,辐射发射的基元过程看来是有方向性的。
接着,爱因斯坦简介了普朗克辐射能量密度公式:
p=8πhv3/c3·[1/(ehv/kt-1)]
并对这个公式与现有辐射电磁理论的矛盾做了阐述,其阐述思路是1906年3月13日的光量子第二论文《关于光产生和光吸收的理论》第一部分《普朗克辐射理论和光量子》最后的阐述,根据普朗克辐射公式可知维恩公式有效的范围内大多数振子能量为0,其得出的振子平均能量值`ev小于能量量子e,在演讲中爱因斯坦拿具体数据给出了能量量子e和振子平均能量值`ev的比值为6.5x107,进而对其结果进行了解说:
“在计算配容数时,就应当这祥进行:假定振子的能量要么取零值,要么取它的平均能量的6.5x107倍,或者取后者的更高的倍数。显然,按照这种程序,在计算熵时,只能用到按这个理论的基础我们必须看做是可能的那些能量分布中非常小的一部分。因此,这种配容数按照这理论的基础绝不是在玻尔兹曼意义上的状态几率的表示。我以为,普朗克理论所采纳的,正好是拒斥我们的辐射理论基础。”
当然,出现这个问题的根源是传统辐射理论依据的振子平均能量值公式e=rt/n有问题,其隐含的是能量的连续性。
因此,爱因斯坦认为必须根据普朗克的辐射理论隐含的量子论更改目前的辐射理论基础:
“如果辐射振子的能量确实只能为hv的整数倍,那么自然会得出这样的假设:在辐射的发射和吸收(过程)中只有这样大小的能量子才会出现。根据这个假说——光量子假说,可以回答上面提出的关于辐射的吸收和发射的问题。在我们知识所及的范围内,都证实了光量子假说推导出来的定量的结果。”
六、否认量子论只针对辐射的发射和吸收,而是涉及辐射更本质的组成方面
这一部分的论述本质上重述了1909年1月23日论文《论辐射问题的现状》的第七部分,以研究布朗运动的方法(镜子在平衡位置的涨落运动)计算了辐射压的涨落。演讲中将镜子改为了固体板,最终给出的辐射压无规涨落在时间t内传递给板的动量Δ计算公