光子

命名

光子起初被爱因斯坦命名为“光量子”。光子的现代英文名称photon源于希腊文 φῶς（在罗马字下写为 phôs），即光的意思。这名称是由物理化学家吉尔伯特·路易斯于1926年在他的一个假设性理论中创建的。在路易斯的理论中，photon指的是一种新种类原子，是光的载子，像原子一般，不能被创造也不能被毁灭。阿瑟·康普顿在一篇发表于1928年的论文里特别提到，路易斯曾经建议使用这术语。在这之前，这术语曾经在不同地方至少有四次被用到过。尽管由于路易斯的理论与大多数实验结果相违背而从未得到公认，photon这术语很快被很多物理学家所采用。
在物理学领域，光子通常用希腊字母 γ（音：Gamma）表示。这一符号表示有可能来源于法国物理学家保罗·维拉德于1900年发现的伽玛射线。伽玛射线由欧内斯特·卢瑟福和英国物理学家爱德华·安德雷德于1914年证实是电磁辐射的一种形式。在化学和光学工程领域，光子经常被写为 hν，即用它的能量来表示；有时也用 f 来表示其频率，即写为 hf。

其他性质

光子本身还携带有与其频率无关的内秉角动量：自旋角动量，其大小为，并且自旋角动量在其运动方向上的分量，即螺旋性，一定为，两种可能的螺旋性分别对应着光子的两种圆偏振态，右旋偏振态和左旋偏振态。
光子的波向量决定了它的波长和传播方向。光子的自旋为1，质量为0，因此自旋只能有两种相互垂直的方向，而且都垂直于波向量。由于自旋决定了偏振，光子具有两种可能的偏振态，例如，这两种偏振态可以是垂直偏振态、水平偏振态，也可以是右旋偏振态、左旋偏振态。
光子的电荷为零，半衰期无限长。光子是玻色子，因此轻子数、重子数和味量子数都为0，而且不遵守包立不相容原理。
光子能够在很多自然过程中产生，例如：在分子、原子或原子核从高能级向低能级跃迁时会辐射光子，粒子和反粒子湮灭时也会产生光子；在对应于上述过程的时间反演过程中，光子能够被吸收，即分子、原子或原子核从低能级向高能级跃迁，粒子和反粒子对的产生。
从光子的能量、动量公式可导出一个推论：粒子和其反粒子的湮灭过程必会产生至少两个光子。原因是在动量中心系下粒子和其反粒子组成的系统总动量为零，由于动量守恒定律，产生的光子的总动量也必须为零，而单个光子总具有不为零的大小为的动量，因此系统只能产生两个或两个以上的光子来满足总动量为零。产生光子的频率，即它们的能量，则由能量-动量守恒定律（四维动量守恒）决定。单光子生成电子-反电子对的过程不可能在真空中自发产生，这是因为这过程无法遵守动量守恒，从电子与反电子对的动量中心系观察，它们的总动量为零，但是光子的动量无法被抵销，因此，须要有额外一个带质量粒子参与，例如一个原子核，这过程才能发生。

历史发展

在17世纪与18世纪时期，在学术界主要有两种论述光的学说：光微粒说与光波动说。根据光微粒说，光是由无数微小粒子组成的物质。虽然这可以解释光的直线移动与反射，但并不能正确地解释折射、衍射等现象。勒内·笛卡尔（1637年）、罗伯特·胡克（1665年）和克里斯蒂安·惠更斯（1678年）等人主张光波动说，认为光是弥漫在宇宙中的以太所传播的扰动。虽然光波动说可以解释光为什么能够进行直线传播与球面传播，并且解释反射与折射机制，但是无法解衍射机制。当时由于艾萨克·牛顿的权威影响力，光微粒说仍然占有主导地位。十九世纪初，托马斯·杨和奥古斯丁·菲涅耳的实验清晰地证实了光的干涉和衍射特性，并且用光波动说合理解释这些特性。到1830年左右，光波动说已经完全被学界接受。1865年，詹姆斯·麦克斯韦的理论预言光是一种电磁波，证实电磁波存在的实验由海因里希·赫兹在1888年完成，这被认为标志着光微粒说的彻底终结。
然而，麦克斯韦理论下的光的电磁说并不能解释光的所有性质。例如在经典电磁理论中，光波的能量只与波场的能量密度（辐照度）有关，与光波的频率无关；但很多相关实验，例如在光化学的某些反应中，只有当光照频率超过某一阈值时反应才会发生，而在阈值以下无论如何提高辐照度，反应都不会发生。类似的例子还有光电效应实验，只有当照射足够高频率的光束于金属版时，光电子才会被发射出来；光电子的能量只与频率有关，而与辐照度无关。
与此同时，由众多物理学家进行的对于黑体辐射长达四十多年（1860-1900）的研究因普朗克建立的假说而得到终结，普朗克提出任何系统发射或吸收频率为的电磁波的能量总是的整数倍。爱因斯坦由此提出的光量子假说则能够成功对光电效应作出解释，爱因斯坦因此获得1921年的诺贝尔物理学奖。爱因斯坦的理论先进性在于，在麦克斯韦的经典电磁理论中电磁场的能量是连续的，能够具有任意大小的值，而由于物质发射或吸收电磁波的能量是量子化的，这使得很多物理学家试图去寻找是怎样一种存在于物质中的约束限制了电磁波的能量只能为量子化的值；而爱因斯坦则开创性地提出电磁场的能量本身就是量子化的。爱因斯坦并没有质疑麦克斯韦理论的正确性，但他也指出如果将麦克斯韦理论中的经典光波场的能量集中到一个个运动互不影响的光量子上，很多类似于光电效应的实验能够被很好地解释。在1909年 和1916年，爱因斯坦指出如果普朗克的黑体辐射定律成立，则电磁波的量子必须具有的动量，以赋予它们完美的粒子性。光子的动量在1926年由康普顿在实验中观测到，康普顿也因此获得1927年的诺贝尔奖。
爱因斯坦等人的工作证明了光子的存在，随之而来的问题是：如何将麦克斯韦关于光的电磁理论和光量子理论统一起来呢？爱因斯坦始终未能找到统一两者的理论，但如今这个问题的解答已经被包含在量子电动力学和其其后续的标准模型理论中。

玻色-爱因斯坦光子气体模型

1924年，萨特延德拉·纳特·玻色在没有借助电磁理论的情形下推导出了普朗克的黑体辐射定律，他所用的方法是对相空间内粗粒计数（coarse-grained counting）的修正。爱因斯坦证明了这种修正等价于认为光子是严格的全同粒子，并暗示了一种“神秘的非定域的相互作用”，这种相互作用在今天被理解为量子力学对称态的要求。此项工作引出了相干态的概念，并导致了激光的发展。爱因斯坦将玻色的结构体系推广至物质粒子（玻色子），并预言它们在足够低的温度下会凝聚到能量最低的量子态上；1995年，人们在实验中成功实现了玻色-爱因斯坦凝聚态。
如果电磁场的线性叠加原理成立，光子必须服从玻色-爱因斯坦统计。（整数自旋的粒子是玻色子，而1/2奇数倍自旋的粒子是费米子；自旋统计定理的结论是所有玻色子服从玻色-爱因斯坦分布，而所有费米子服从费米-狄拉克分布，或是说它们受到泡利不相容原理的制约，每一个量子态上最多只能有一个费米子。）简单说来，假使光子是费米子，则激光不可能在任意辐照度下同时辐射出大量处在同一状态的具有相同运动方向的相干光子，因此光子只能是玻色子。

光子：规范玻色子

电磁场可用规范场论来理解为要求时空中每一个位置都满足对称性要求的结果。对于电磁场，这种规范对称性是复数的局域阿贝尔U(1)对称性，复数代表着可以自由改变其相位，而不改变其实数部分，例如能量或拉格朗日量是复数的实部。
在对称不破缺的前提下，阿贝尔规范场的量子必须是无质量的、不带电荷的玻色子，因此理论预言光子为无质量无电荷并带有整数自旋的粒子。电磁相互作用的形式决定了光子的自旋一定为±1，即螺旋性一定为，对应着光子经典概念中的左旋和右旋；而虚光子也可能会具有无物理意义的其他自旋态。物理学家一直在致力于检查实验结果和标准模型的预言相矛盾之处，特别是从实验中计算光子所带电荷和内秉质量的上限，任何一个值非零都是对标准模型致命的破坏。然而，目前为止所有实验都证明光子具有的电荷和内秉质量为零，现今最为广泛接受的上限值分别为5×10⁻⁵²库仑（3×10⁻³³倍基本电荷）和1.1×10⁻⁵²千克（6×10⁻¹⁷ 电子伏特）。
在流行的标准模型中，光子是弱电相互作用的四个规范玻色子之一，其他三个是参与弱相互作用的W⁺, W⁻和Z⁰，它们都具有内秉质量，因此需要一种SU(2)规范对称破缺的机制来解释。光子和W、Z玻色子的电弱理论是由格拉肖、萨拉姆和温伯格完成的，三人因此项工作获得1979年的诺贝尔物理学奖。而大统一理论的创立，是物理学家试图将这四种规范玻色子和传递强相互作用的八种胶子规范玻色子联系起来的尝试；然而大统一理论的一些关键性预言，例如质子的衰减，还没有在实验中得到证实。

光子的结构

所谓光子结构的测量，在量子色动力学中是指观测光子场的量子涨落，这种能量涨落用一个光子的结构方程来描述。目前对光子结构的测量一般都依赖于对光子与电子，以及正负电子的对撞时的深度非线性散射的观测。

对系统质量的贡献

当一个系统辐射出一个光子，从相对系统静止的参考系来看，能量相应地降低了一个光子对应的能量，这造成系统质量降低了；同样地，系统吸收光子时质量也会增加相应的值。
这一概念被应用于狄拉克发起的理论——量子电动力学的关键性预言中。在这理论里，电子（或更普遍性的，轻子）的质量被修正，将虚光子的质量贡献纳入计算，应用到重整化技术。这种“辐射修正”在量子电动力学里给出一些预言，例如，轻子的磁偶极矩、兰姆位移、束缚轻子对的超精细结构（例如μ介子素或电子偶素）。
既然光子对能量-动量张量有贡献，根据广义相对论它们也会产生引力场。反过来，光子本身也会受到引力场的作用，在弯曲的时空中它们的路径也会发生弯曲，在天体物理学中这被应用为引力透镜。在强引力场中运动时光子的频率会发生引力红移，这一点已经在庞德-雷布卡实验中得到证实。当然，这些效应并不仅限于光子，而对经典的电磁波同样成立。

技术应用

这里讨论的是光子在当今技术中的应用，而不是泛指可在传统光学下应用的光学仪器（如透镜）。激光的原理是上文讨论的受激辐射。
对单个光子的探测可用多种方法，传统的光电倍增管利用光电效应：当有光子到达金属板激发出电子时，所形成的光电流将被放大引起雪崩放电。电荷耦合元件（CCD）应用半导体中类似的效应，入射的光子在一个微型电容器上激发出电子从而可被探测到。其他探测器，如盖革计数器利用光子能够电离气体分子的性质，从而在导体中形成可检测的电流。
普朗克的能量公式经常在工程和化学中被用来计算存在光子吸收时的能量变化，以及能级跃迁时发射光的频率。例如，在荧光灯的发射光谱的设计中，会使用拥有不同电子能阶的气体分子，然后调整电子的能量并且用这些电子去碰撞气体分子，这样，可以得到想要的荧光。
在某些情形下，单独一个光子无能力激发一个能级的跃迁，而需要有两个光子同时激发。这就提供了更高分辨率的显微技术，因为样品只有在两束不同颜色的光所照射的高度重叠的部分之内才会吸收能量，而这部分的体积要比单独一束光照射到并引起激发的部分小很多，这种技术被应用于双光子激发显微镜中。而且，应用弱光照射能够减小光照对样品的影响。
有时候两个系统的能级跃迁会发生耦合，即一个系统吸收光子，而另一个系统从中“窃取”了这部分能量并释放出不同频率的光子。这是荧光共振能量传递的基础，被应用于分子生物学来研究蛋白质与蛋白质之间的相互作用.。

近期研究

量子光学是物理光学中相对于波动光学的另一个分支。未来超快的量子计算机的基本运算元素可能是光子，而在这方面重点研究的对象是量子缠结态。非线性光学是当前光学另一个活跃的领域，它研究的课题包括光纤中的非线性散射效应、四波混频、双光子吸收、自相位调变、光学参数振荡器等。不过这些课题中并不都要求假设光子的存在，在建模过程中原子经常被处理为一个非线性振子。非线性效应中的自发参量下转换经常被用来产生单光子态。光子是光通信领域某些方面的关键因素，特别是在量子密码学中。
2019年7月31日，大型强子对撞机的超环面仪器实验团队宣布找到光子与光子散射的确切证据，超过背景期望值8.2 个标准差。