解读光的本质，无处不在的光到底是什么？

试想，阳光从窗户倾泻而入，金黄璀璨。在量子物理学的诠释里，这些光是由无穷无尽的微小单元——光子——构成，它们在空气中穿行。但究竟何为光子？

光子的定义

光子，是电磁波能量的最小、不可分割的单元。它是所有光线和辐射的基础构建块。

光子永不休止地移动，即使在无边无际的真空，光子亦以恒定速率，即299,792公里/秒，向四周蔓延。这速率被定义为光速，用字母c表示。

依据爱因斯坦的光量子假说，光子所携能量与其频率成正比，与普朗克常数相乘。爱因斯坦指出，光不仅像波一样流动，而且由具有特定振荡频率的光子组成，光子的能量与频率成正比，亮度与光子数量成正比。正是这种特性，使光子展现出波粒二象性，即在某些情况下表现得像波，在另一些情况下表现得像粒子。

光子的特性如下所示：

它们无质量且无静止能量，仅以粒子形式存在。

尽管缺乏静止质量，它们仍是基本粒子。

它们不耗费电能。

它们性质稳定。

它们是自旋为1的粒子，故为玻色子。

它们携能量和动量，取决于频率。

它们可与其他粒子（如电子）发生相互作用，例如在康普顿散射中。

它们可通过自然过程产生或销毁，例如在辐射吸收或发射中。

它们在空旷空间中以光速行进。

对光的理解史

光的本质，无论将其视为波或粒子，一直是科学界激烈辩论的话题。数个世纪以来，哲学家与科学家对光的性质进行了激烈的讨论，但始终未能达成共识。

约公元前六世纪，印度教中的胜论派哲学分支，对光有着非凡的物理洞见。他们和其他古希腊哲学家一样，认为世界由土、气、火、水等“原子”构成，光本身则由快速移动的“火原子”构成。这与现代光学理论及其光子构成极为相似。

约公元前300年，古希腊物理学家欧几里德，在假定光直线传播时取得了重大突破。他还描述了光的折射规律。

文艺复兴时期，科学对光的性质探究进入了新阶段。尤为值得注意的是，勒内·笛卡尔在1637年的一篇文章中，提出了光由脉冲构成的观点，当脉冲在媒介中接触“小球”时，瞬间传播。惠更斯则揭示了光波如何产生反射、折射和遮挡，并解释了双折射现象。

此时，科学家分为两大阵营。一方认为光是波，另一方认为光是粒子或小物体。艾萨克·牛顿，这位被誉为有史以来最伟大的科学家之一，并不赞同所有波理论，因为这意味着光能绕过阴影区域，传播距离过远。

18世纪，微粒理论在光性质的辩论中占据上风。然而，1801年5月，托马斯·扬进行双缝实验，证明了光波的干涉现象。

在实验的早期版本中，扬并未使用两缝，而是以纸盖住窗户，让一道细光束透出。随着纸在手中移动，扬目睹了光束分成两半，并从两侧相互干扰产生条纹，这些条纹能在对面的墙上观察到。后来，扬根据这些数据计算出不同颜色光的波长，这些值与现代数据极为接近。

此实验为光波理论提供了有力证据。

同时，法国物理学家奥古斯丁·菲涅耳在1821年表明，如果光是无纵向振动的横波，便能解释极化现象。他还提出了精确的衍射波理论。

那时，牛顿的追随者们缺乏有力证据继续辩论。光似乎是波。难题在于“以太”，一种支撑电磁场并产生菲涅耳传播规律的神秘媒介。尽管人人都努力寻找，但终归徒劳。

1861年，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦，通过20个方程，将电和磁的实验和理论知识整合，取得重大突破。他预言了一种“电磁波”，即使在真空中也能在没有传统电流的情况下自持。这意味着光传播不需要以太！

麦克斯韦在1865年指出：“结果的一致性表明光与磁是同种物质的影响，光是根据电磁定律在场中传播的电磁干扰。”

自那日起，光的概念首次与电和磁的概念合并。

1900年12月14日，马克斯·普朗克展示了热辐射是以离散的能量包形式发射和吸收的量子。随后，阿尔伯特·爱因斯坦在1905年指出，光也如此。爱因斯坦使用了“光量子”一词。

20世纪初，物理学的新革命再次围绕光的本质展开。这一次，不是讨论光是粒子还是波，而是探讨是否二者兼具。

现代光与光子理论

爱因斯坦认为光是粒子（光子），而光子流是波。这位德国科学家确信，在发现光电效应之后，光具有粒子性质，例如当电子从暴露于光线的金属表面逸出时。如果光是波，则无法解释这一现象。另一个令人费解的问题是，强光如何导致更多光电子产生。爱因斯坦说“光本身就是一个粒子”，以此解释光电效应，并因此获得诺贝尔奖。

爱因斯坦的光量子理论核心在于，光的能量与振荡频率相关。他认为，光子的能量等于普朗克常数与振荡频率的乘积，该能量是振荡频率的函数，光的亮度与光子数量成正比。光的各种特性是一种电磁波，是由肉眼不可见的称为光子的极小粒子造成的。

爱因斯坦认为，当物质内的电子与光子碰撞时，电子会吸收光子的能量并逸出，且光子的振荡频率越高，电子获得的能量就越大。太阳能电池板便是如此工作。简言之，爱因斯坦认为光是光子流，光子的能量取决于其振荡频率，光的强度与光子的数量有关。

爱因斯坦通过实验验证光电效应，得出普朗克常数，证明了其理论。他的计算结果为普朗克常数6.62607015×10的负34次方J·s，与马克斯·普朗克在1900年通过电磁波研究得出的数值相同。显然，这显示了光的波性质与振荡频率，以及光的粒子性质与动量之间的紧密联系。20世纪20年代，奥地利物理学家欧文·薛定谔用量子波函数方程进一步阐述了这些观点，用以描述波的行为。

自爱因斯坦展示光的双重性质以来已有一百多年，2015年，瑞士洛桑联邦理工学院的物理学家首次捕捉到了光的这种双重行为。由Fabrizio Carbone领导的团队巧妙地用激光击打纳米线，导致电子振动。光在这两条可能的方向上沿纳米线传播，如车辆在高速公路上。当两束反向传播的波相遇时，形成驻波。驻波成为实验光源，在纳米线周围发射。然后，发射电子束对驻波光进行成像，其图像显示了光子的特性。

光子长什么样

你有没有想过光子的外形？几十年来，科学家们一直在思考这个问题。

2016年，波兰科学家创造出首个单一光子的全息图。华沙大学的团队，通过在由方解石晶体制成的分束器中同时发射两束光，制作全息图。分束器如同交通信号灯，每个光子都有直接通过或转弯的可能。对于单个光子，两条路径都有可能，但对于更多光子，它们会相互作用，改变概率。如果你知道一个光子的波函数，就可以通过探测器上出现的闪光，确定第二个光子的外形。得到的图像像马耳他十字架，正如薛定谔方程预测的波函数。

关于光子的5个事实

光不仅由光子构成，所有电磁能（如微波、无线电波、X射线）也由光子构成。

最初的光子概念由爱因斯坦提出。然而，科学家吉尔伯特·牛顿·路易斯首先用“光子”描述它。

光表现为波和粒子的理论被称为波粒二象性。

光子始终电中性。它们不消耗电能。

光子不会自发衰变。

光子概念的价值

光子概念促进了理论和实验物理学多个领域的巨大进步，如激光、玻色-爱因斯坦凝聚、量子场论、量子力学的统计解释、量子光学和量子计算等。

超越物理学边界，光子所带来的概念革命正在为其他领域注入活力，例如在光化学过程、高端显微镜技术，乃至精确测量分子间距等领域都发挥着关键作用。

当今科研领域中，光子作为构建量子计算机的“量子比特”，在先进的光通信技术中，如量子信息加密等领域，展现出巨大的研究潜力和重要性。