光子

光子是一種基本粒子，是電磁輻射的量子。在量子場論裡是負責傳遞電磁力的:17-18。這種作用力的效應在微觀層次或宏觀層次都可以很容易地觀察到，因為光子的靜止質量為零，它可以移動至很遠距離，這也意味著它在真空中的傳播速度是光速。如同其它微觀粒子，光子具有波粒二象性，能夠展現出波動性與粒子性。例如，它能在雙縫實驗裡展示出波動性，也能在光電效應實驗裡展示出粒子性:1060-1068。阿爾伯特·愛因斯坦在1905年至1917年間發展出光子的現代概念，這是為瞭解釋一些與光的古典波動模型不相符合的實驗結果。當時被普遍接受的經典電磁理論，儘管能夠論述關於光是電磁波的概念，但是無法正確解釋黑體輻射與光電效應等實驗現象。半古典理論在麥克斯韋方程組的框架下將物質吸收光和發射光所涉及的能量量子化，而行進的光波仍採古典方法處理；如此可對黑體輻射的實驗結果做出合理解釋。愛因斯坦的主張與普朗克的半古典理論明顯不同，他提出光本身就是量子化的概念，當時愛因斯坦稱之為「光量子」”的命名。 雖然半古典理論對於量子力學的初始發展做出重大貢獻，從於1923年觀測到的電子對於單獨光子的康普頓散射開始，更多的實驗證據使愛因斯坦光量子假說得到充分證實:1063-1065。由於這關鍵發現，愛因斯坦於1921年獲頒諾貝爾物理學獎。光子的概念帶動了實驗和理論物理學在多個領域的巨大進展，例如鐳射、玻色-愛因斯坦凝聚、量子場論、量子力學的統計詮釋、量子光學和量子計算等。在物理學外的其他領域裡，這概念也找到很多重要應用，如光化學、，以及分子間距測量等。在當代相關研究中，光子是研究量子計算機的基本元素，也在複雜的光通訊技術，例如量子密碼學等領域有重要的研究價值。根據粒子物理的標準模型，光子的存在可以滿足物理定律在時空內每一點具有特定對稱性的理論要求。這種對稱性稱為規範對稱性，它可以決定光子的內稟屬性，例如質量、電荷、自旋等:358ff。光子的自旋為1，因此是玻色子，不遵守泡利不-{相}-容原理:1221。命名.光子起初被愛因斯坦命名為「光量子」。光子的現代英文名稱--源於希臘文 --，即光的意思。這名稱是由物理化學家吉爾伯特·路易斯於1926年在他的一個假設性理論中建立的。在路易斯的理論中，--指的是一種新種類原子，是光的載子，像原子一般，不能被創造也不能被毀滅。阿瑟·康普頓在一篇發表於1928年的論文裡特別提到，路易斯曾經建議使用這術語。在這之前，這術語曾經在不同地方至少有四次被用到過。儘管由於路易斯的理論與大多數實驗結果相違背而從未得到公認，--這術語很快被很多物理學家所採用。在物理學領域，光子通常用希臘字母 hf。物理性質.量子關係式.光子遵守基本量子關係式：formula_1，formula_2，其中光子的靜質量.光子的靜止質量嚴格為0。根據規範場論，如果光子靜質量不為0，那麼庫侖定律也不是嚴格的平方反比定律。使用上述量子關係式以及愛因斯坦質能等價關係可約略得到光子質量的上限：formula_5此處formula_6即是光子質量的上限，formula_7是任意電磁波的頻率，位於超低頻段的舒曼共振已知最低頻率約為7.8赫茲。formula_8這個值僅比現在得到的廣為接受的上限值高出一個數量級:5-9。更多細節，請子：規範玻色子一節中對於光子質量的討論。根據狹義相對論，質量為formula_9的粒子，其能量formula_10和動量formula_11的關係為formula_12。下方內容及本句參考自:1046。由於光子的質量為0，光子的能量與動量的關係變為formula_13。因此前述的量子關係式中，光子的能量與其頻率formula_7或波長formula_15有關：formula_16，這裡用到光速與頻率、波長的關係式：formula_17。同理，光子的動量向量與動量大小的關係式為formula_18，formula_19；其中，formula_20是波向量，其大小formula_21即為波數，方向為光子的傳播方向。其他性質.光子的自旋和宇稱："J""PC" = "1""--""。光子本身還攜帶有與其頻率無關的內秉角動量：自旋角動量，其大小為formula_22:171-172，並且自旋角動量在其運動方向上的分量，即螺旋性，一定為formula_23，兩種可能的螺旋性分別對應著光子的兩種圓偏振態，右旋偏振態和左旋偏振態:27-29:137-138, 234。光子的波向量決定了它的波長和傳播方向。光子的自旋為1，質量為0，因此自旋只能有兩種相互垂直的方向，而且都垂直於波向量。由於自旋決定了偏振，光子具有兩種可能的偏振態，例如，這兩種偏振態可以是垂直偏振態、水平偏振態，也可以是右旋偏振態、左旋偏振態:242-243。光子的電荷為零，半衰期無限長。光子是玻色子:29-30，因此輕子數、重子數和味量子數都為0:31:80-82，而且不遵守泡利不相容原理:1221。光子能夠在很多自然過程中產生，例如：在分子、原子或原子核從高能級向低能級躍遷時會輻射光子，粒子和反粒子湮滅時也會產生光子；在對應於上述過程的時間反演過程中，光子能夠被吸收，即分子、原子或原子核從低能級向高能級躍遷，粒子和反粒子對的產生:572, 1114, 1172。從光子的能量、動量公式可匯出一個推論：粒子和其反粒子的湮滅過程必會產生至少兩個光子。原因是在動量中心繫下粒子和其反粒子組成的系統總動量為零，由於動量守恆定律，產生的光子的總動量也必須為零，而單個光子總具有不為零的大小為formula_24的動量，因此係統只能產生兩個或兩個以上的光子來滿足總動量為零:64-65。產生光子的頻率，即它們的能量，則由能量-動量守恆定律決定。單光子生成電子-反電子對的過程不可能在真空中自發產生，這是因為這過程無法遵守動量守恆，從電子與反電子對的動量中心繫觀察，它們的總動量為零，但是光子的動量無法被抵銷，因此，須要有額外一個帶質量粒子參與，例如一個原子核，這過程才能發生:996:189-191。歷史發展.在17世紀與18世紀時期，在學術界主要有兩種論述光的學說：光微粒說與光波動說。根據光微粒說，光是由無數微小粒子組成的物質。雖然這可以解釋光的直線移動與反射，但並不能正確地解釋折射、衍射等現象:17-19。勒內·笛卡爾等人主張光波動說，認為光是瀰漫在宇宙中的以太所傳播的擾動。雖然光波動說可以解釋光為什麼能夠進行直線傳播與球面傳播，並且解釋反射與折射機制，但是無法解衍射機制:2-3, 104-105。當時由於艾薩克·牛頓的權威影響力，光微粒說仍然佔有主導地位:4。十九世紀初，托馬斯·楊和奧古斯丁·菲涅耳的實驗清晰地證實了光的干涉和衍射特性，並且用光波動說合理解釋這些特性。到1830年左右，光波動說已經完全被學界接受:xiii-xiv。1865年，詹姆斯·麥克斯韋的理論預言光是一種電磁波，證實電磁波存在的實驗由海因裡希·赫茲在1888年完成，這被認為標誌著光微粒說的徹底終結。然而，麥克斯韋理論下的光的電磁說並不能解釋光的所有性質。例如在經典電磁理論中，光波的能量只與波場的能量密度有關，與光波的頻率無關；但很多相關實驗，例如在光化學的某些反應中，只有當光照頻率超過某一閾值時反應才會發生，而在閾值以下無論如何提高輻照度，反應都不會發生。類似的例子還有光電效應實驗，只有當照射足夠高頻率的光束於金屬版時，光電子才會被發射出來；光電子的能量只與頻率有關，而與輻照度無關:1060-1063。與此同時，由眾多物理學家進行的對於黑體輻射長達四十多年的研究因普朗克建立的假說而得到終結，普朗克提出任何系統發射或吸收頻率為formula_25的電磁波的能量總是formula_26的整數倍。愛因斯坦由此提出的光量子假說則能夠成功對光電效應作出解釋，愛因斯坦因此獲得1921年的諾貝爾物理學獎。愛因斯坦的理論先進性在於，在麥克斯韋的經典電磁理論中電磁場的能量是連續的，能夠具有任意大小的值，而由於物質發射或吸收電磁波的能量是量子化的，這使得很多物理學家試圖去尋找是怎樣一種存在於物質中的約束限制了電磁波的能量只能為量子化的值；而愛因斯坦則開創性地提出電磁場的能量本身就是量子化的。愛因斯坦並沒有質疑麥克斯韋理論的正確性，但他也指出如果將麥克斯韋理論中的經典光波場的能量集中到一個個運動互不影響的光量子上，很多類似於光電效應的實驗能夠被很好地解釋。在1909年 和1916年，愛因斯坦指出如果普朗克的黑體輻射定律成立，則電磁波的量子必須具有formula_27的動量，以賦予它們完美的粒子性。光子的動量在1926年由康普頓在實驗中觀測到，康普頓也因此獲得1927年的諾貝爾獎。愛因斯坦等人的工作證明了光子的存在，隨之而來的問題是：如何將麥克斯韋關於光的電磁理論和光量子理論統一起來呢？愛因斯坦始終未能找到統一兩者的理論，但如今這個問題的解答已經被包含在量子電動力學和其其後續的標準模型理論中。早期的反對意見.愛因斯坦在1905年提出的光量子理論在二十世紀的前二十年中多次由不同的實驗方法得到證實，這一點在羅伯特·密立根的諾貝爾演講中有敘述。然而在康普頓實驗證明光子具有和其頻率成正比的動量之前，大多數物理學家都不願意相信電磁輻射也有粒子性的一面。即使是在康普頓實驗之後，玻爾、克萊默和仍然提出了所謂--模型，意圖在於在麥克斯韋理論的框架下為解釋光量子問題做最後的嘗試。這個模型的建立是基於兩個相當偏激的假設：儘管如此，在改進的康普頓散射實驗中人們得知光子的動量和能量守恆即使是在微小的元過程中也符合得極其好；而在康普頓散射過程中，從電子的震動到新光子的產生，觀測到的因果律滿足時間達到了10皮秒。這使得玻爾和他的同行為他們的模型舉行了“儘可能光榮的葬禮”；不過，--模型啟發了海森堡的靈感，幫助發展了他的量子力學。還有少數物理學家曾一直致力於建立電磁場並非量子化的，而物質遵守量子力學的半經典模型。儘管到了二十世紀七十年代支援光子說的物理和化學實驗依據已經相當豐富，證據可能還是不能被認為絕對確鑿；因為這些實驗都依賴於光與物質的相互作用，而一個足夠複雜的關於物質的量子力學理論則仍然有可能去解釋這些實驗現象。無論如何，七八十年代進行的光子相關性實驗已經完美地否定了所有半經典理論的正確性。由此，愛因斯坦關於光量子化的假說已經完全得到證實。與物質的相互作用.光子在透明物質中的傳播速度要小於其在真空中的速度。例如在太陽核心產生的光子在到達太陽表面的路程中要經過無數次碰撞，到達表面所需時間可達一百萬年，而一旦輻射到太空中只需8.3分鐘就可到達地球。基於經典電磁理論的波動光學對此的解釋是光波的電場引起了物質內部電子的極化，極化場和原有的光電場發生干涉造成波的延遲，這種效應在宏觀上表現為幾何光學的折射率；而從光量子的角度來看，這個過程可以被描述為光子與處於激發態的物質粒子混合成為一個偏振子，偏振子具有非零的有效質量，這意味著它的運動速度不能達到光速。對於不同頻率的光，在物質中的運動速度可能是不同的，這種現象叫做色散。偏振子的傳播速度是光波的群速，是真正的光波能量的傳播速度，由能量對動量的導數給出：formula_28公式中變數的意義同前，formula_10和formula_11是偏振子的能量和動量，formula_31和formula_32是其角頻率和波數。光子與其他準粒子的相互作用能夠從拉曼散射和中觀測到。光子也能夠被分子、原子或原子核吸收，引發它們能級的躍遷。一個-{經典}-的例子是視黃醛的分子躍遷，這是由諾貝爾獎得主、生物化學家喬治·沃爾德和他的同事於1958年發現的。光子的吸收甚至能夠打破化學鍵，例如氯的光解過程，這是光化學的研究主題。光子與量子力學.波粒二象性和不確定性原理.光子和其他量子一樣，同時具有波和粒子的雙重性質，這種波粒二象性很難直觀地說明。在其波長的尺度上，光表現出干涉、衍射等波的現象；例如一個單個光子在進行雙縫實驗時打到屏上的機率分佈與很多個光子和同樣無尺寸的電子，整體地吸收或發射。根據我們當前對光子的理解，光子是產生電磁場的原因，而光子本身的存在是局域的規範對稱性和量子場論定律的結果。海森堡的不確定性原理，作為量子力學中的一條重要基本法則，指出一個粒子同方向的位置和動量不可能在同一時刻被確定。值得注意的是，對於帶有電荷的物質粒子，不確定性原理本身即要求將光量子化為光子，這裡需要用到光子的動量和能量與頻率的相關性。關於這一點的解說有一個很漂亮的示例，這是海森堡的一個假想實驗，討論的是用一個理想的伽瑪射線顯微鏡去確定一個電子的位置的情形。假設電子的位置確定在顯微鏡的分辨本領可達的範圍之內，這用經典光學表示為formula_33這裡θ是顯微鏡的孔徑角。由此得到的位置不確定度formula_34可以隨著用來觀測電子的光波長λ 的減小而變得儘可能小；然而此時由於波長λ的減小，用來觀測電子的光子動量增大，這使得光子在電子上發生散射造成電子的動量變得越來越不確定。如果光不是量子化的，則電子的動量不確定度則可以透過減小輻照度來逐漸降低。這種情況是不可能發生的因為同時調節波長和輻照度就相當於能夠同時確定位置和動量，這違反了不確定性原理。與之相反的是，愛因斯坦的光量子理論是符合不確定性原理的：當光子被散射到孔徑角內，傳遞的動量不確定度為formula_35這就得到了海森堡不確定性原理formula_36，這意味著整個世界都是量子化的，包括物質和場都遵循量子定律:10f。對於光子類似的一條不確定性原理是說無法同時測量一束電磁波中光子的數量--和這束電磁波的相位φ，兩者不確定度的關係為formula_37詳細內容可參考相干態和。光子的波動性是指經典的電磁波呢，還是量子力學的機率波呢？光子和像電子那樣的物質粒子都能夠在雙縫實驗中形成類似的干涉條紋。在數學上，干涉條紋分佈的計算既可以用經典波動干涉的方法，也能夠完全從量子力學波函式的方法推匯出。由於單個光子穿過雙縫時也會發生干涉，這種干涉很容易讓人理解為光子的波函式的機率波干涉；因為這種干涉完全無法用經典電磁理論解釋，機率波的概念似乎更接近光子波動性的本質。不過一般教材在討論光子的波動性時只使用經典電磁理論，而物質粒子的波動性只使用波動力學，這涉及到在物理學界光子的波函式本身仍然是一個有爭議的概念。經典波動來自麥克斯韋方程組，而波函式來自薛定諤方程，但大多數物理學家都不認為這意味著對於光子而言麥克斯韋方程是薛定諤方程的簡化形式，原因是通常意義下的薛定諤的機率波函式概念無法應用到光子上，光子的波函式無法擁有非相對論波動力學中薛定諤方程的所有性質。光子沒有質量，無法定域化一個光子，這造成光子沒有一個定義完備的位置本徵態formula_38，不確定性原理的一般形式 formula_39對於光子而言沒有定義。儘管現在有一些建立光子波函式的嘗試，這些都沒有得到廣泛認可和應用。現在被普遍接受的觀點是光子的二次量子化理論，即在量子電動力學中，光子是量子化的電磁場激發模式:126ff。玻色-愛因斯坦光子氣體模型.1924年，薩特延德拉·納特·玻色在沒有藉助電磁理論的情形下推匯出了普朗克的黑體輻射定律，他所用的方法是對相空間內粗粒計數應用半導體中類似的效應，入射的光子在一個微型電容器上激發出電子從而可被探測到。其他探測器，如蓋革計數器利用光子能夠電離氣體分子的性質，從而在導體中形成可檢測的電流:17-31, 37-38, 154。普朗克的能量公式formula_83經常在工程和化學中被用來計算存在光子吸收時的能量變化，以及能級躍遷時發射光的頻率。例如，在熒光燈的發射光譜的設計中，會使用擁有不同電子能階的氣體分子，然後調整電子的能量並且用這些電子去碰撞氣體分子，這樣，可以得到想要的熒光。在某些情形下，單獨一個光子無能力激發一個能級的躍遷，而需要有兩個光子同時激發。這就提供了更高解析度的顯微技術，因為樣品只有在兩束不同顏色的光所照射的高度重疊的部分之內才會吸收能量，而這部分的體積要比單獨一束光照射到並引起激發的部分小很多，這種技術被應用於雙光子激發顯微鏡中。而且，應用弱光照射能夠減小光照對樣品的影響。有時候兩個系統的能級躍遷會發生耦合，即一個系統吸收光子，而另一個系統從中“竊取”了這部分能量並釋放出不同頻率的光子。這是熒光共振能量傳遞的基礎，被應用於分子生物學來研究蛋白質與蛋白質之間的相互作用.:529ff。近期研究.量子光學是物理光學中相對於波動光學的另一個分支。未來超快的量子計算機的基本運算元素可能是光子，而在這方面重點研究的物件是量子纏結態。非線性光學是當前光學另一個活躍的領域，它研究的課題包括光纖中的非線性散射效應、四波混頻、雙光子吸收、、等。不過這些課題中並不都要求假設光子的存在，在建模過程中原子經常被處理為一個非線性振子。非線性效應中的自發參量下轉換經常被用來產生單光子態。光子是光通訊領域某些方面的關鍵因素，特別是在量子密碼學中。2019年7月31日，大型強子對撞機的超環面儀器實驗團隊宣佈找到光子與光子散射的確切證據，超過背景期望值8.2 個標準差。