深度长文：光无处不在，但光到底是什么？

光由数十亿微小的光束组成

想象一下，一缕金黄色的阳光透过窗户照进来。量子物理学认为，光由数十亿微小的光束组成，称为光子，在空气中流动。但究竟什么是光子呢？

光子的定义

光子是电磁辐射的最小离散量。它是所有光的基本单位。

光子始终处于运动状态，并且在真空中，光子以恒定速度向所有观察者行进，每秒299792458 m / s。这通常被称为光速，由字母c表示。

根据爱因斯坦的光量子理论，光子的能量等于其振荡频率乘以普朗克常数。爱因斯坦证明光是光子流，这些光子的能量是它们振荡频率的高度，光的强度对应于光子的数量。基本上，他解释了光子流既可以作为波也可以作为粒子存在，这就是“波粒二象性”。

光子的属性

光子的基本属性是：

• 它们具有零质量和静止能量。它们仅作为移动粒子存在。
• 尽管缺乏静止质量，它们仍然是基本粒子。
• 它们没有耗费电能。
• 它们很稳定。
• 它们是旋转粒子，光子的自旋为1,使它们成为玻色子。
• 它们带有能量和动量，这取决于频率。
• 它们可以与其它粒子（如电子）相互作用，例如康普顿效应。
• 它们可以被许多自然过程破坏或产生，例如当辐射被吸收或发射时。
• 在空旷的地方，它们以光速行进。

人类对光的认知历史

光的本质，无论你把它看作是粒子还是波，都是最大的科学争论之一。几个世纪以来，哲学家和科学家一直在争论，几乎没有形成最终定论。

公元前六世纪的印度教一支叫做胜论派的哲学分支对光有着惊人的物理直觉。像古希腊人一样，他们过去认为世界是基于土，空气，火和水的“原子”。光本身被认为是由非常快速移动的原子tejas构成的。这与我们现代的光学理论及其组成光子非常相似。

公元前300年左右，古希腊物理学家欧几里德在他假定光线直线行进时取得了巨大的突破。欧几里德也描述了折射的规律。

文艺复兴迎来一个对光的本质进行科学探究的新时代。值得注意的是勒内·笛卡尔在一篇名为1637年文章中认为光是由脉冲组成的，当在媒介中接触“球”时瞬间传播。克里斯蒂安·惠更斯揭示了如何制作反射，折射和屏蔽的光波，并解释了双折射。

到这时，科学家已经分成了两个根深蒂固的阵营。一方认为光是波，而另一方认为光是粒子或小的物体。被广泛认为是有史以来最伟大科学家的艾萨克·牛顿并不喜欢所有的波浪理论，因为这意味着光能够偏离阴影太远。

在18世纪的大部分时间里，微粒理论主导了围绕光的本质的争论。但是，1801年5月，托马斯·扬开启了著名的双缝实验，在那里他证明了光波的干扰。

双缝实验

在实验的第一个版本中，扬实际上没有使用两个狭缝，而是使用一张纸盖住一扇窗户，里面有一个小洞，用来漏出一道薄薄的光线。随着纸张在他手中移动，杨目睹了光束如何分裂成两半。从纸张的一侧穿过的光干扰来自另一侧的光以产生条纹，这可以在相对的墙壁上观察到。后来，扬利用这些数据计算出各种颜色光的波长，并且非常接近现代值。

该演示提供了有力的证据，证明光是波，而不是粒子。

与此同时，法国物理学家奥古斯丁·菲涅耳在1821年表明，如果光是没有纵向振动的横波，就可以解释极化。此前，菲涅耳还提出了精确的衍射波理论。

当时，牛顿的追随者几乎没有有力的证据来继续辩论。似乎光是一种波。问题在于传说中的“以太”（这是支持电磁场并产生菲涅耳传播规律所需的神秘媒介），尽管每个人都尽力在寻找它，但却失败了。

1861年，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在20个方程中浓缩了关于电和磁的实验和理论知识，取得了巨大的突破。麦克斯韦预测了一种“电磁波”，即使在真空中，也可以在没有传统电流的情况下自我维持。这意味着光传播不需要以太！

麦克斯韦在1865年写道：“结果的一致性似乎表明光和磁是相同物质的影响，光是根据电磁定律在场内传播的电磁干扰。”

从那天起，光的概念首次与电和磁的概念联合起来。

1900年12月14日，马克斯·普朗克证明了热辐射是在离散的能量包中发射和吸收的量子。后来，阿尔伯特·爱因斯坦在1905年表明，这也适用于光。爱因斯坦使用了光量子（Lichtquant）这个术语。

20世纪初，物理学的新革命将再次依赖于光的本质。这一次，它不是关于光线是粒子还是波浪，是否是两者兼而有之。

现代光与光子理论

爱因斯坦认为光是粒子（光子），光子流是波。这位德国物理学家确信，在发现光电效应之后，光具有粒子性质，其中电子从暴露在光线下的金属表面飞出。如果光是波，那就不可能发生。另一个令人费解的问题是当施加强光时光电子如何繁殖。爱因斯坦通过说“光本身就是一个粒子”解释了光电效应，他后来获得了诺贝尔物理学奖。

爱因斯坦光量子理论的要点是光的能量与其振荡频率有关。他认为光子的能量等于“普朗克常数振荡频率”，这个光子能量是振荡频率的高度，而光强度对应于光子数量。光的各种特性是一种电磁波，是由于肉眼看不到的称为光子的极小粒子的行为。

爱因斯坦推测，当物质内的电子与光子发生碰撞时，前者会吸收后者的能量并飞出，并且发射的光子的振荡频率越高，飞出的电子能量就越大。太阳能电池板就是这样。简而言之，他说光是光子流，这些光子的能量是它们振荡频率的高度，光的强度与光子的数量有关。

爱因斯坦能够通过他对光电效应的实验得出普朗克常数来证明他的理论。他的计算结果显示普朗克的常数值为h=6.62607015×10^（-34） J·s，这正是马克斯普朗克通过他对电磁波的研究在1900年得出的数值。毫无疑问，这指出了作为波的光的性质和振荡频率之间的密切关系以及作为粒子的光的性质和动量。后来，在20世纪20年代，奥地利物理学家欧文·薛定谔用他的量子波函数方程详细阐述了这些观点，以描述波的样子。

首张光是粒子又是波的照片

自爱因斯坦展示光的双重性质以来已有一百多年的历史，瑞士洛桑联邦理工学院的物理学家捕捉到了这种双重行为的首张快照。由Fabrizio Carbone领导的团队在2015年进行了一项巧妙的实验，其中使用激光射击纳米线，导致电子振动。光在这两条可能的方向上沿着这条细线传播，就像高速公路上的汽车一样。当沿相反方向行进的波浪彼此相遇时，它们会形成一个看起来像是站在原位的新波浪。在这里，该驻波成为实验的光源，在纳米线周围辐射。发射了一束新的电子来对驻波光进行成像，它可以作为光波特性的指纹。结果如上图所示。

光子看起来像什么

你有没有想过光子是什么形状？几十年来，科学家们一直在思考这个问题。

第一张单一光粒子的全息图

2016年，波兰物理学家创造了第一张单一光粒子的全息图。华沙大学的团队通过在由方解石晶体制成的分束器同时发射两束光束来制作全息图。分束器类似于交通灯交叉点，因此每个光子可以直接通过或转弯。当光子本身时，每条路径都是同样可能的，但当涉及更多光子时，它们会相互作用并且几率会发生变化。如果你知道其中一个光子的波函数，就可以从探测器上出现的闪光位置中找出第二个光子的形状。得到的图像看起来有点像马耳他十字架，就像从薛定谔方程预测的波函数一样。

关于光子的5个事实

• 光不仅由光子组成，而且所有电磁能（即微波，无线电波，X射线）都由光子组成。
• 最初的光子概念是由爱因斯坦提出来的。然而，科学家吉尔伯特·牛顿·路易斯首先用“光子”这个词来形容它。
• 声称光表现为波和粒子的理论称为波粒二象性理论。
• 光子始终是电中性的。他们没有耗费电能。
• 光子不会自行衰变。

光子概念的价值

光子的概念带动了理论和实验物理学在多个领域的巨大进展，例如激光、玻色-爱因斯坦凝聚、量子场论、量子力学的统计诠释、量子光学和量子计算等等。

在物理学外的其他领域里，光子概念也具有很多重要应用，比如光化学、高分辨显微术，以及分子间距测量等。

在当代相关研究中，光子是研究量子计算机的基本元素，也在复杂的光通信技术，例如量子密码学等领域有重要的研究价值。