Photon

Thuật ngữ

Năm 1900 Max Planck đang nghiên cứu về bức xạ vật đen và đề xuất ra là năng lượng của sóng điện từ có thể được giải phóng ra theo những "gói" năng lượng; mà ông gọi chúng là những lượng tử. Sau đó, năm 1905 Albert Einstein đã tiến xa hơn bằng đề xuất rằng sóng điện từ chỉ có thể tồn tại trong những gói rời rạc này. Ông gọi những gói sóng này là lượng tử ánh sáng (tiếng Đức: das Lichtquant). Tên gọi photon bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp cho ánh sáng, φως (chuyển tự thành phôs), và đã được sử dụng bởi nhà hóa lý Gilbert Lewis năm 1926, người đã đưa ra một lý thuyết suy đoán các photon có đặc điểm "không thể tạo ra hoặc bị phá hủy". Mặc dù lý thuyết của Lewis chưa bao giờ được công nhận do nó mâu thuẫn với nhiều thí nghiệm, thuật ngữ photon do ông đưa ra đã nhanh chóng được các nhà vật lý sử dụng. Isaac Asimov đã công nhận Arthur Compton là người đưa ra định nghĩa lượng tử năng lượng gắn với photon vào năm 1927.
Trong vật lý học, photon thường được ký hiệu bởi chữ γ (chữ cái Hy Lạp gamma). Ký hiệu này có lẽ bắt nguồn từ tia gamma, do tia này được khám phá bởi Paul Villard năm 1900, và được Ernest Rutherford đặt tên là tia gamma vào năm 1903, và sau đó Rutherford và Edward Andrade đã chỉ ra tia này là một dạng của bức xạ điện từ vào năm 1914. Trong hóa học và kĩ thuật quang học, photon thường được ký hiệu là hν, hay đây là năng lượng của một photon, với h là hằng số Planck và chữ cái Hy Lạp ν (nu) là tần số của photon. Ít thông dụng hơn, photon có thể được ký hiệu là hf, trong đó tần số được ký hiệu bằng f.

Thí nghiệm kiểm tra khối lượng của photon

Photon hiện tại được tin là không có khối lượng, nhưng nó vẫn còn là một câu hỏi trong lĩnh vực thực nghiệm. Nếu photon không phải là không có khối lượng, thì nó không thể chuyển động với vận tốc chính xác bằng vận tốc của ánh sáng trong chân không, c. Vận tốc của nó sẽ phải nhỏ hơn và phụ thuộc vào tần số của nó. Thuyết tương đối sẽ không bị ảnh hưởng bởi vấn đề này; vì cái gọi là vận tốc ánh sáng, c, do đó sẽ không phải là vận tốc thực mà ánh sáng di chuyển, mà là một hằng số của tự nhiên giới hạn vận tốc lớn nhất của bất kì một vật thể nào về mặt lý thuyết có thể đạt được trong không thời gian. Và như thế, nó vẫn là vận tốc của những gợn không thời gian (các sóng hấp dẫn và các hạt graviton), nhưng nó không phải là vận tốc của photon.
Nếu hạt photon có khối lượng thì nó cũng sẽ ảnh hưởng đến tính chất khác. Như định luật Coulomb sẽ phải thay đổi và trường điện từ phải có thêm một bậc vật lý tự do. Những hiệu ứng này chi phối độ chính xác của các thí nghiệm nhằm khám phá khối lượng của photon cao hơn so với sự phụ thuộc vào tần số của vận tốc ánh sáng. Nếu định luật Coulomb không đúng hoàn toàn, thì nó sẽ khiến cho xuất hiện một điện trường bên trong một vật dẫn rỗng khi vật này được đặt trong một điện trường ngoài. Từ đây có thể kiểm tra định luật Coulomb với độ chính xác rất cao. Thí nghiệm kiểm tra điều này không phát hiện ra được điện trường bên trong vật dẫn rỗng và đặt giới hạn cho khối lượng trên của photon trong thực nghiệm là m ≲ 10⁻¹⁴ eV/c².
Giới hạn trên cho khối lượng của photon với độ chính xác cao hơn thu được trong thí nghiệm nhằm xác định hiệu ứng gây nên bởi vectơ thế từ trường thiên hà (galactic vector magnetic potential). Mặc dù vectơ thế từ trường thiên hà là rất lớn do từ trường của thiên hà tồn tại trên những khoảng cách lớn, thì từ trường này chỉ có thể quan sát được nếu photon là hạt phi khối lượng. Trong trường hợp photon có khối lượng, số hạng khối lượng  có thể ảnh hưởng đến plasma thiên hà. Trên thực tế không một hiệu ứng nào đã được quan sát và các nhà vật lý rút ra được giới hạn khối lượng trên cho photon là m < 3×10⁻²⁷ eV/c². Vectơ thế thiên hà cũng có thể được khám phá một cách trực tiếp bằng cách đo mômen xoắn tác động lên một vành từ hóa. Những phương pháp này đã thu được giới hạn trên là 10⁻¹⁸eV/c², được cho trong Nhóm Dữ liệu Hạt (Particle Data Group).
Những giới hạn rất nhỏ này được suy ra từ sự không quan sát thấy các hiệu ứng do vectơ thế từ trường thiên hà đã được chỉ ra là những mô hình phụ thuộc. Nếu khối lượng của photon được tạo ra thông qua cơ chế Higgs thì giới hạn trên cho khối lượng của photon là m≲10⁻¹⁴ eV/c² do định luật Coulomb phù hợp với thí nghiệm kiểm tra nó.

Tính chất hadron của photon

Những phép đo về tương tác giữa những photon năng lượng cao với các hadron cho thấy tương tác giữa chúng có cường độ mạnh hơn suy đoán so với tương tác chỉ giữa photon và điện tích của hadron. Hơn nữa tương tác của photon với proton giống như tương tác của photon với neutron mặc dù hai loại hạt này có điện tích khác nhau.
Lý thuyết "Ưu thế meson vectơ" (Vector Meson Dominance-VMD) đã được phát triển nhằm giải thích hiệu ứng này. Theo VMD, photon là trạng thái chồng chập của photon điện từ thuần túy (mà chỉ xuất hiện trong tương tác giữa các hạt điện tích) và meson vectơ.
Tuy nhiên, khi thực hiện thí nghiệm ở tầm tác dụng rất ngắn, cấu trúc nội tại của photon có thể được coi là dòng các thành phần tự do giả quark và gluon theo tính chất tự do tiệm cận trong QCD và được miêu tả bằng "hàm cấu trúc photon. Bảng so sánh dữ liệu thực nghiệm với tiên đoán lý thuyết được trình bày toàn diện trong một bài viết đánh giá gần đây.

Ứng dụng công nghệ

Photon có nhiều ứng dụng trong công nghệ. Những ví dụ dưới đây để minh họa các ứng dụng dựa trên tính chất của photon hơn là đối với thiết bị quang học nói chung như cho thấu kính, v.v mà có thể giải thích theo lý thuyết cổ điển về ánh sáng. Laser là một ứng dụng cực kỳ quan trọng và đã được mô tả ở trên với phát xạ kích thích.
Có một vài phương pháp để xác định được từng photon độc thân. Các ống nhân quang điện hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện: một photon chạm vào bề mặt kim loại và một electron bị bật ra, làm khởi phát một luồng khổng lồ các electron trong ống nhân quang điện. Các chip CCD sử dụng hiệu ứng tương tự trên chất bán dẫn: một photon tới làm sinh ra điện tích trên một tụ điện vi mô và từ đó có thể ghi lại được. Các thiết bị dò khác như máy đếm Geiger sử dụng khả năng photon gây ion hóa các phân tử khí, dẫn đến hình thành dòng điện mà máy đo được.
Các kĩ sư và nhà hóa học thường sử dụng công thức Planck  nhằm tính toán sự thay đổi năng lượng từ sự hấp thụ một photon và tiên đoán tần số ánh sáng phát ra đối với quá trình chuyển dịch năng lượng cụ thể. Ví dụ, phổ phát xạ của đèn huỳnh quang có thể tinh chỉnh bằng sử dụng các phân tử khí có mức năng lượng điện tử khác nhau và điều chỉnh năng lượng điển hình cho electron khiến phân tử khí hấp thụ nó trong bóng đèn.
Dưới một số điều kiện, phải "hai" photon mới làm xảy ra sự chuyển dịch năng lượng hơn là một photon. Đây là nguyên lý cho các kính hiển vi độ phân giải cao, bởi vì các mẫu quan sát chỉ hấp thụ năng lượng trong vùng có hai chùm sáng khác màu chồng lên nhau, đồng thời cho phép thể tích bị kích thích (vùng cần quan sát) nhỏ hơn nếu chỉ dùng một chùm sáng (kính hiển vi kích thích trạng thái bởi hai photon). Quan trọng nữa là, các photon này ít gây phá hủy mẫu vật hơn do chúng mang năng lượng thấp hơn.
Trong vài trường hợp, hai quá trình chuyển dịch năng lượng cũng có thể xảy ra cho hai hệ, khi một hệ hấp thụ một photon, một hệ khác gần nó "cướp" năng lượng kích thích và tái phát ra một photon với tần số khác biệt. Đây chính là cơ chế của hiện tượng truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang, một kĩ thuật sử dụng trong sinh học phân tử nhằm nghiên cứu các protein thích hợp.
Một vài phần cứng phát số ngẫu nhiên đòi hỏi sự xác định được một photon độc thân. Ví dụ, mỗi bit trong dãy ngẫu nhiên được tạo ra bằng cách gửi một photon đến bộ tách chùm. Trong tình huống này, có hai kết quả khả dĩ với xác suất bằng nhau xảy ra. Kết quả thực tế được sử dụng nhằm xác định bit tiếp theo trong dãy là "0" hay "1". Công nghệ này gọi là quang tử học.