光子

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photon源於希臘文 φῶς（在羅馬字下寫為 phôs），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創建的。在路易斯的理論中，photon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年的論文裏特別提到，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，photon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 γ（音：Gamma）表示。這一符號表示有可能來源於法國物理學家保羅·維拉德於1900年發現的伽瑪射線。伽瑪射線由歐內斯特·盧瑟福和英國物理學家愛德華·安德雷德於1914年證實是電磁輻射的一種形式。在化學和光學工程領域，光子經常被寫為 hν，即用它的能量來表示；有時也用 f 來表示其頻率，即寫為 hf。

其他性質

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，並且自旋角動量在其運動方向上的分量，即螺旋性，一定為，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。
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。
光子的電荷為零，半衰期無限長。光子是玻色子，因此輕子數、重子數和味量子數都為0，而且不遵守包立不相容原理。
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。
從光子的能量、動量公式可導出一個推論：粒子和其反粒子的湮滅過程必會產生至少兩個光子。原因是在動量中心系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的動量，因此系統只能產生兩個或兩個以上的光子來滿足總動量為零。產生光子的頻率，即它們的能量，則由能量-動量守恆定律（四維動量守恆）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系觀察，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。

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。勒內·笛卡爾（1637年）、羅伯特·胡克（1665年）和克里斯蒂安·惠更斯（1678年）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。當時由於艾薩克·牛頓的權威影響力，光微粒說仍然占有主導地位。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。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里希·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（輻照度）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。
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（1860-1900）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的電磁波的能量總是的整數倍。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。

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導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（coarse-grained counting）的修正。愛因斯坦證明了這種修正等價於認為光子是嚴格的全同粒子，並暗示了一種「神秘的非定域的相互作用」，這種相互作用在今天被理解為量子力學對稱態的要求。此項工作引出了相干態的概念，並導致了雷射的發展。愛因斯坦將玻色的結構體系推廣至物質粒子（玻色子），並預言它們在足夠低的溫度下會凝聚到能量最低的量子態上；1995年，人們在實驗中成功實現了玻色-愛因斯坦凝聚態。
如果電磁場的線性疊加原理成立，光子必須服從玻色-愛因斯坦統計。（整數自旋的粒子是玻色子，而1/2奇數倍自旋的粒子是費米子；自旋統計定理的結論是所有玻色子服從玻色-愛因斯坦分布，而所有費米子服從費米-狄拉克分布，或是說它們受到泡利不相容原理的制約，每一個量子態上最多只能有一個費米子。）簡單說來，假使光子是費米子，則雷射不可能在任意輻照度下同時輻射出大量處在同一狀態的具有相同運動方向的相干光子，因此光子只能是玻色子。

光子：規範玻色子

電磁場可用規範場論來理解為要求時空中每一個位置都滿足對稱性要求的結果。對於電磁場，這種規範對稱性是複數的局域阿貝爾U(1)對稱性，複數代表著可以自由改變其相位，而不改變其實數部分，例如能量或拉格朗日量是複數的實部。
在對稱不破缺的前提下，阿貝爾規範場的量子必須是無質量的、不帶電荷的玻色子，因此理論預言光子為無質量無電荷並帶有整數自旋的粒子。電磁相互作用的形式決定了光子的自旋一定為±1，即螺旋性一定為，對應著光子經典概念中的左旋和右旋；而虛光子也可能會具有無物理意義的其他自旋態。物理學家一直在致力於檢查實驗結果和標準模型的預言相矛盾之處，特別是從實驗中計算光子所帶電荷和內秉質量的上限，任何一個值非零都是對標準模型致命的破壞。然而，目前為止所有實驗都證明光子具有的電荷和內秉質量為零，現今最為廣泛接受的上限值分別為5×10⁻⁵²庫侖（3×10⁻³³倍基本電荷）和1.1×10⁻⁵²千克（6×10⁻¹⁷ 電子伏特）。
在流行的標準模型中，光子是弱電相互作用的四個規範玻色子之一，其他三個是參與弱相互作用的W⁺, W⁻和Z⁰，它們都具有內秉質量，因此需要一種SU(2)規範對稱破缺的機制來解釋。光子和W、Z玻色子的電弱理論是由格拉肖、薩拉姆和溫伯格完成的，三人因此項工作獲得1979年的諾貝爾物理學獎。而大統一理論的創立，是物理學家試圖將這四種規範玻色子和傳遞強相互作用的八種膠子規範玻色子聯繫起來的嘗試；然而大統一理論的一些關鍵性預言，例如質子的衰減，還沒有在實驗中得到證實。

光子的結構

所謂光子結構的測量，在量子色動力學中是指觀測光子場的量子漲落，這種能量漲落用一個光子的結構方程來描述。目前對光子結構的測量一般都依賴於對光子與電子，以及正負電子的對撞時的深度非線性散射的觀測。

對系統質量的貢獻

當一個系統輻射出一個光子，從相對系統靜止的參考系來看，能量相應地降低了一個光子對應的能量，這造成系統質量降低了；同樣地，系統吸收光子時質量也會增加相應的值。
這一概念被應用於狄拉克發起的理論——量子電動力學的關鍵性預言中。在這理論裏，電子（或更普遍性的，輕子）的質量被修正，將虛光子的質量貢獻納入計算，應用到重整化技術。這種「輻射修正」在量子電動力學裏給出一些預言，例如，輕子的磁偶極矩、蘭姆位移、束縛輕子對的超精細結構（例如μ介子素或電子偶素）。
既然光子對能量-動量張量有貢獻，根據廣義相對論它們也會產生引力場。反過來，光子本身也會受到引力場的作用，在彎曲的時空中它們的路徑也會發生彎曲，在天體物理學中這被應用為引力透鏡。在強引力場中運動時光子的頻率會發生引力紅移，這一點已經在龐德-雷布卡實驗中得到證實。當然，這些效應並不僅限於光子，而對經典的電磁波同樣成立。

技術應用

這裡討論的是光子在當今技術中的應用，而不是泛指可在傳統光學下應用的光學儀器（如透鏡）。雷射的原理是上文討論的受激輻射。
對單個光子的探測可用多種方法，傳統的光電倍增管利用光電效應：當有光子到達金屬板激發出電子時，所形成的光電流將被放大引起雪崩放電。電荷耦合元件（CCD）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。
普朗克的能量公式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，在螢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，可以得到想要的螢光。
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。這是螢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.。

近期研究

量子光學是物理光學中相對于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對象是量子纏結態。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、自相位調變、光學參數振盪器等。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。光子是光通信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布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。