一個簡單實驗裡的頑固驚喜
取一塊乾淨的金屬板，用光照它。在合適的條件下，光會把電子乾淨俐落地從金屬表面打出來，而你可以把它們接住並測量它們的速度。這就是光電效應。聽上去平平無奇，物理學家起初也確實以為它會很平淡——一束熟悉的光波落在金屬上，理應像海浪侵蝕峭壁那樣，把電子一點點「搖」鬆。然而當他們仔細測量時，結果卻背道而馳到了根本塞不進「波」這幅圖景的地步。
要看清這些結果為何如此刺眼，先弄明白「波」應當做什麼會很有幫助。一束光波攜帶能量，而更亮的光，無非就是攜帶更多能量的更大的波。所以，假如光純粹是一種波，故事本該很直白：你倒進更多的光（更亮），就倒進了更多能量，那就該打出更快、更有勁的電子。至於光的顏色——也就是它的頻率——本該幾乎無關緊要；要緊的是你灌進去多少能量。請記住這個預言，因為大自然把它的每一條都打破了。
實際發生的事
- 存在一道顏色門檻。在某個頻率以下（比如紅光），無論你把光打得多麼刺眼地亮、等多久，都根本沒有電子出來。
- 一旦越過門檻，電子會瞬間出現——光一打開就有，哪怕光極其昏暗。完全沒有那種「能量慢慢攢夠」的緩慢蓄勢過程。
- 更亮的光打出更多電子，卻不會打出更快的電子。把亮度調大，你會噴出更大一群電子——可每一個電子飛出來時所帶的能量，卻和之前一模一樣。
- 更藍的光打出更快的電子。提高頻率（朝藍色和紫外移動），每個被打出的電子飛出來時就帶著更多能量。決定電子速度的，是顏色，而不是亮度。
這其中的每一條，都和「波」的預言正面相撞。一束昏暗的波，只要給足時間，本該也能交付出足以釋放一個電子的能量——可在門檻顏色以下，再有耐心也無濟於事。一束極亮的波本該打出有勁的電子——可它只是打出更大一群同樣懶洋洋的電子。而顏色，那個「波」的說法認為幾乎無關緊要的東西，竟成了總開關。在這裡，光的波動圖景不只是不夠精確——它指錯了方向。
愛因斯坦大膽的重新構想
1905 年，阿爾伯特·愛因斯坦用一個大膽的想法斬斷了這團亂麻。他說，把普朗克的「包」當真——但要走得更遠。光的能量不只是以包為單位被*交換*；光本身就是以一串分立的小包在*行進*，每一個都是不可再分的光之「顆粒」。今天我們把這樣一個顆粒稱為光子。單個光子攜帶的能量，完全由光的顏色決定：越藍的光，意味著頻率越高、能量越大的光子。這就是光子能量關係——它無非就是把普朗克的規則（能量等於頻率乘上普朗克常數）用到了單獨一顆光的顆粒上。
現在，把金屬想像成一堵由電子砌成的牆，每個電子都被一種不大卻真實的「抓力」按在原處——要扯下一個，得耗費一份最低限度的能量。關鍵在於：一個電子是被單獨一個光子擊中而獲釋的，整個過程是一次「全有或全無」的碰撞，就像一顆台球把另一顆撞下桌一樣。兩個「半份勁」的光子無法聯手湊數；每個電子一次只跟一個光子打交道。這唯一的一條規則，一下子就解開了所有的謎題。
每一個謎題，迎刃而解
拿著光子這幅圖景，把那些驚喜逐一回放一遍。顏色門檻：一個紅光子乾脆就攜帶不了足以克服「抓力」的能量，所以無論你扔多少個，它都釋放不了一個電子。瞬時響應：因為單個光子在一次撞擊中就把全部能量交付出去，所以只要一個足夠強的光子落下，電子就在那一瞬間逃逸——根本不必等能量慢慢堆積。亮度與速度之別：更亮的光束無非就是*更多*的光子，所以它釋放*更多*的電子，但每個電子仍然只遇上一個光子，於是飛出來時帶著相同的能量。而更藍的光打出更快的電子，是因為每個藍光子裝著更多能量，在付清「抓力」這筆帳之後，餘下更多能量化作了速度。
這是一個意義深遠、也令人不安的論斷。光的波動本性，早在一個世紀前就已被一系列漂亮的實驗所證實，被視為板上釘釘的事實。愛因斯坦並不是在否認它——光確實會像波一樣起伏、干涉。他說的是：光*同時也*是顆粒狀的，以一個個可以計數的光子來去。光不知怎麼地同時戴著兩副面孔，這一張力我們以後還會回到。眼下，先記住這份回報：正是這項 1905 年的工作，他在那個奇蹟年對光電效應的解釋，為愛因斯坦贏得了諾貝爾獎——而不是許多人以為的相對論。