העובדה שלפוטון יש תנע זכתה למגוון רחב של יישומים. במלקחיים אופטיים ניתן להחזיק כדורי זכוכית קטנים בעזרת קרן לייזר הממוקדת לנקודה במרחב. עקרון הפעולה של מלקחיים אלו מבוסס על כך שהפוטונים הנשברים בכניסה וביציאה מכדור הזכוכית, מעבירים לכדור תנע הדוחף אותו לכיוון המוקד של קרן הלייזר. כמו כן, טכניקות של קירור אטומים על ידי לייזר מבוססות גם הן על כך שאטומים הבולעים פוטונים מקבלים תנע, היכול לשמש לקירורם.
דואליות גל-חלקיק ועקרון אי-הוודאות.
לפוטונים, כמו לכל הגופים המתוארים באמצעות תורת הקוונטים, ישנן הן תכונות של גלים והן תכונות של חלקיקים (דואליות גל-חלקיק). טבע כפול זה של הפוטון קשה לתפיסה אינטואיטיבית. הפוטון מציג תופעות גליות, כגון עקיפה והתאבכות, בקנה המידה של אורך הגל שלו. לדוגמה, פוטון יחיד העובר בניסוי שני הסדקים פוגע במסך בהתפלגות הנקבעת לפי תבנית ההתאבכות המתאימה למשוואות מקסוול. אף על פי כן, ניסויים מאשרים שהפוטון אינו פעימה קצרה של קרינה אלקטרומגנטית; הוא אינו מתפרש בחלל בעת תנועתו, ואינו מתחלק לשניים כאשר הוא נתקל במפצל קרניים. במקום זאת, נראה הפוטון כחלקיק נקודתי, מאחר שהוא נפלט או נבלע בשלמותו על ידי מערכות קטנות באופן שרירותי, קטנות בהרבה מאורך הגל שלו. דוגמאות למערכות כאלה הן גרעין האטום (אשר קוטרו הוא כפמטומטר אחד) או אפילו האלקטרון, שהוא חלקיק נקודתי בעצמו. למרות זאת, הפוטון אינו חלקיק נקודתי שמסלולו נקבע באופן הסתברותי על ידי השדה האלקטרומגנטי, כפי שסברו איינשטיין ואחרים; הנחה זו הופרכה אף היא על ידי הניסויים המתוארים בסוף הפסקה הקודמת. כיום, סבורים הפיזיקאים כי השדה האלקטרומגנטי עצמו מיוצר על ידי פוטונים, וכי הפוטונים עצמם הם תוצאה של סימטריית כיול מקומית וחוקי תורת השדות הקוונטית (ראו בהמשך קוונטיזציה שנייה והפוטון כבוזון כיול).
יסוד עיקרי במכניקת הקוונטים הוא עקרון אי-הוודאות של הייזנברג, אשר לפיו לא ניתן למדוד בו-זמנית את המיקום ואת התנע של חלקיק בכיוון מסוים. למעשה, עקרון אי-הוודאות עבור חלקיקים חומריים טעונים מחייב את הקוונטיזציה של האור לפוטונים, וכן את התלות של האנרגיה והתנע של הפוטון בתדירותו. המחשה לכך ניתן למצוא בניסוי המחשבתי של הייזנברג, בו מוצאים את מיקומו של אלקטרון באמצעות מיקרוסקופ אידיאלי (ראו מסגרת). מיקום האלקטרון יכול להיקבע רק עד לרמת ההפרדה הזוויתית של המיקרוסקופ, אשר ניתנת באמצעות הנוסחה הבאה מתחום האופטיקה הקלאסית:
כאשר formula_17 היא זווית הפתח במיקרוסקופ. מנוסחה זו נובע כי אי-הוודאות במיקום formula_18 יכולה להיות קטנה ככל הנדרש באמצעות הקטנת אורך הגל formula_19. בתנע של האלקטרון איננו יכולים להיות בטוחים, מאחר שהוא קיבל "בעיטה" formula_20 מהאור שפגע בו והתפזר אל תוך המיקרוסקופ. אם האור לא היה בדיד, אי-הוודאות formula_20 הייתה יכולה להיעשות קטנה ככל הנדרש על ידי הקטנת עוצמת האור. במקרה זה, מאחר שניתן לשלוט באורך הגל ובעוצמת האור באופן בלתי-תלוי, ניתן למדוד את המיקום והתנע של האלקטרון במידת דיוק גדולה ככל הנדרש, וזוהי הפרה של עקרון אי הוודאות. לעומת זאת, הנוסחה של איינשטיין לתנע של הפוטון משמרת את עקרון אי הוודאות: מאחר שהפוטון עשוי להתפזר בכל מקום, אי-הוודאות בתנע שהועברה שווה ל-
ומכאן נובע היחס formula_23, הוא עקרון אי-הוודאות של הייזנברג. מכאן, היקום כולו הוא בדיד; הן החומר והן השדות חייבים לציית למערכת עקבית של חוקים קוונטים, ולא ייתכן שרק אחד מהם יהיה בדיד והשני לא.
עקרון אי-ודאות נוסף קובע כי לא ניתן למדוד בו זמנית את המספר formula_24 של פוטונים בגל אלקטרומגנטי ואת המופע formula_25 של אותו גל:
למידע נוסף, ראו מצבים קוהרנטיים.
בניסוי שני הסדקים, נוצרת תבנית התאבכות הן במקרה של פוטונים והן במקרה של חלקיקים חומריים כגון אלקטרונים. כאשר מדובר בפוטונים, זוהי תבנית ההתאבכות הנובעת ממשוואת הגל האלקטרומגנטי של מקסוול, ואילו כאשר מדובר בחלקיקים חומריים, זוהי תבנית ההתאבכות הנובעת ממשוואת שרדינגר. אומנם דמיון זה עשוי לגרום לנו לחשוב כי משוואות מקסוול הן פשוט משוואת שרדינגר במקרה הפרטי של פוטונים, אך רוב הפיזיקאים אינם סבורים כך. ראשית, קיימים הבדלים מתמטיים; ההבדל הברור ביותר הוא כי את המשוואה (היחידה) של שרדינגר פותרים בשדה מרוכב, ואילו את (ארבעת) המשוואות של מקסוול פותרים בשדה ממשי. באופן כללי יותר, המושג של פונקציית גל הסתברותית אינו ישים לגבי פוטונים. מאחר שלפוטונים אין מסה, לא ניתן להגבילם למקום מסוים מבלי להשמיד אותם; בצורה טכנית יותר, לפוטונים לא יכול להיות מצב עצמי formula_27 הקובע את המיקום, ומכאן עקרון אי הוודאות הרגיל של הייזנברג formula_28 אינו תקף לגבי פוטונים. מספר פונקציות גל חלופיות הוצעו בעבר עבור הפוטון, אך אף אחת מהן לא נמצאת בשימוש נפוץ. במקום זאת, הפיזיקאים מקבלים את תאוריית הקוונטיזציה השנייה של הפוטונים המתוארת להלן, אלקטרודינמיקה קוונטית, ובה הפוטונים הם עירורים בדידים של מצבים אלקטרומגנטיים.
מודל בוז-איינשטיין לגז פוטונים.
ב-1924, הוכיח הפיזיקאי סאטינדרה נאת בוז את חוק פלאנק לקרינת גוף שחור ללא כל שימוש באלקטרומגנטיות, אלא באמצעות התאמה של תהליך מסוים במרחב מופע. איינשטיין הראה כי התאמה זו שקולה להנחה כי הפוטונים הם זהים לחלוטין, הנחה שמרמזת על קיומה של "אינטראקציה לא מקומית מסתורית", שכיום מבינים אותה כדרישה למצב קוונטי סימטרי. גילויים אלו הובילו להגדרת המושג מצבים קוהרנטיים, ולפיתוחו של הלייזר. בנוסף, הרחיב איינשטיין את ההוכחה של בוז לחלקיקים חומריים (בוזונים), וניבא כי הם יתעבו למצב הקוונטי הנמוך ביותר שלהם בטמפרטורות נמוכות מספיק. תופעה זו, עיבוי בוז-איינשטיין, נצפתה בניסוי ב-1995. השימוש במילה "עיבוי" בהקשר זה הוא אנלוגיה לתהליך העיבוי, שבו חומר רגיל עובר ממצב צבירה גז לנוזל.
על מנת לאפשר סופרפוזיציה של שדות אלקטרומגנטים, המצב בו משוואות מקסוול הן ליניאריות, על הפוטונים לפעול לפי התפלגות בוז-איינשטיין. כל החלקיקים נחלקים לבוזונים - בעלי ספין שלם, ולפרמיונים, בעלי ספין לא שלם שהוא כפולה של . משפט ספין-סטטיסטיקה מראה כי כל הבוזונים מצייתים להתפלגות בוז-איינשטיין, ואילו כל הפרמיונים מצייתים להתפלגות פרמי-דיראק, או, באופן שקול, לעקרון האיסור של פאולי. עקרון האיסור קובע כי שני פרמיונים זהים אינם יכולים להימצא באותו מצב קוונטי בו-זמנית. מכאן, אם הפוטון היה פרמיון, רק פוטון אחד היה יכול לנוע בכיוון מסוים בזמן נתון, וזאת בסתירה לתצפית הניסויית שלפיה לייזרים מסוגלים לייצר אור קוהרנטי, שבו פוטונים רבים נעים באותו כיוון בדיוק. מכאן, הפוטון חייב להיות בוזון ולציית להתפלגות בוז-איינשטיין. (ראו גם: גז בוז).
אינטראקציה בין פוטונים לחומר.
על פי התמונה הקלאסית, כלומר על פי משוואות מקסוול, האור מורכב משדות חשמליים ומגנטיים המתנדנדים בזמן. משום כך, כאשר אור עובר בקרבת חומר טעון הוא גורם לו להתנדנד. בתהליך זה, עוברת אנרגיה מהאור לחומר ונוצרת בליעה של אור. באותו אופן יכול להתרחש גם התהליך ההפוך: מטענים טעונים המשנים את מהירותם יוצרים שדות חשמליים ומגנטיים משתנים, ולפיכך פולטים אור. תהליכים אלו תוארו לראשונה באופן תאורטי על ידי ג'יימס מקסוול ואוששו באופן ניסיוני לראשונה על ידי היינריך רודולף הרץ.
התמונה הקוונטית של אותם תהליכים היא, שכאשר פוטון עובר בקרבת מערכת קוונטית, כגון אטום, הוא יכול להיבלע, בעוד המערכת עוברת למצב קוונטי גבוה יותר, בהתאם לאנרגיה של הפוטון. התהליך ההפוך הוא שמערכת יורדת ממצב מעורר למצב נמוך יותר, תוך כדי פליטת פוטון. תהליכים אלו הם חד-פוטוניים, והם יוצרים את מגוון התופעות שנחקרות במסגרת האופטיקה הליניארית. בנוסף, ישנו מגוון רחב של תהליכים שבהם מעורב יותר מפוטון אחד (תהליכים רב-פוטוניים), ואלה יוצרים את התופעות של האופטיקה הלא ליניארית.
בליעה ופליטה של פוטון בודד - יצירת הספקטרום האלקטרומגנטי.
כאמור, כאשר פוטון עובר בקרבת מערכת קוונטית הוא יכול להיבלע בה, בתנאי שאנרגיית הפוטון מתאימה לאנרגיה של מעבר רמות בתוך החומר. חלקים שונים של הספקטרום האלקטרומגנטי מתאימים לסוגים שונים של עירורים של החומר. להלן מספר דוגמאות:
האופטיקה הליניארית.
תהליכים אלו של בליעה, פליטה ופליטה של אור אחראים לתופעות השייכות לתחום האופטיקה הליניארית, כגון בליעה של אור (בחומרים שאינם שקופים), פיזור אור והחזרת אור כתוצאה מפליטה, וכן האטה של מהירות האור הנע בתוך חומר היוצרת את אפקט השבירה של האור. בתופעות אלו נעשה שימוש באופטיקה על מנת ליצור מראות ועדשות, המשמשות למגוון רחב של יישומים הכוללים טלסקופים, מיקרוסקופים, משקפיים, וכדומה.
מקורות אור, כמו נורות ועדשות, מבוססים על תופעת הפליטה הספונטנית. בנורות חשמל רגילות, כמו גם בכוכבים, החום הגדול של חוט הלהט גורם לכך שהאטומים בחוט מעוררים, ופולטים את האנרגיה שלהם בצורת פוטונים, הנפלטים בספקטרום הנקרא קרינת גוף שחור. בנורות ניאון, או בנורות שמבוססות על גזים אחרים, נעשה שימוש בהתפרקויות חשמליות על מנת לעורר את האטומים לרמות גבוהות, וכתוצאה מכך נפלט אור בתדרים המאפיינים את האטומים בגז.