光由數(shù)十億微小的光束組成
想象一下，一縷金黃色的陽光透過窗戶照進(jìn)來。量子物理學(xué)認(rèn)為，光由數(shù)十億微小的光束組成，稱為光子，在空氣中流動(dòng)。但究竟什么是光子呢？
光子的定義
光子是電磁輻射的最小離散量。它是所有光的基本單位。
光子始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并且在真空中，光子以恒定速度向所有觀察者行進(jìn)，每秒299792458 m / s。這通常被稱為光速，由字母c表示 。
根據(jù)愛因斯坦的光量子理論，光子的能量等于其振蕩頻率乘以普朗克常數(shù)。愛因斯坦證明光是光子流，這些光子的能量是它們振蕩頻率的高度，光的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于光子的數(shù)量?；旧希忉屃斯庾恿骷瓤梢宰鳛椴ㄒ部梢宰鳛榱Ｗ哟嬖?，這就是“波粒二象性”。
光子的屬性
光子的基本屬性是：
人類對(duì)光的認(rèn)知?dú)v史
光的本質(zhì)，無論你把它看作是粒子還是波，都是最大的科學(xué)爭(zhēng)論之一。幾個(gè)世紀(jì)以來，哲學(xué)家和科學(xué)家一直在爭(zhēng)論，幾乎沒有形成最終定論。
公元前六世紀(jì)的印度教一支叫做勝論派的哲學(xué)分支對(duì)光有著驚人的物理直覺。像古希臘人一樣，他們過去認(rèn)為世界是基于土，空氣，火和水的“原子”。光本身被認(rèn)為是由非常快速移動(dòng)的原子tejas構(gòu)成的。 這與我們現(xiàn)代的光學(xué)理論及其組成光子非常相似。
公元前300年左右，古希臘物理學(xué)家歐幾里德在他假定光線直線行進(jìn)時(shí)取得了巨大的突破。歐幾里德也描述了折射的規(guī)律。
文藝復(fù)興迎來一個(gè)對(duì)光的本質(zhì)進(jìn)行科學(xué)探究的新時(shí)代。值得注意的是勒內(nèi)·笛卡爾在一篇名為1637年文章中認(rèn)為光是由脈沖組成的，當(dāng)在媒介中接觸“球”時(shí)瞬間傳播?？死锼沟侔病せ莞菇沂玖巳绾沃谱鞣瓷洌凵浜推帘蔚墓獠?，并解釋了雙折射。
到這時(shí)，科學(xué)家已經(jīng)分成了兩個(gè)根深蒂固的陣營(yíng)。一方認(rèn)為光是波，而另一方認(rèn)為光是粒子或小的物體。被廣泛認(rèn)為是有史以來最偉大科學(xué)家的艾薩克·牛頓并不喜歡所有的波浪理論，因?yàn)檫@意味著光能夠偏離陰影太遠(yuǎn)。
在18世紀(jì)的大部分時(shí)間里，微粒理論主導(dǎo)了圍繞光的本質(zhì)的爭(zhēng)論。但是，1801年5月，托馬斯·揚(yáng)開啟了著名的雙縫實(shí)驗(yàn)，在那里他證明了光波的干擾。
雙縫實(shí)驗(yàn)
在實(shí)驗(yàn)的第一個(gè)版本中，揚(yáng)實(shí)際上沒有使用兩個(gè)狹縫，而是使用一張紙蓋住一扇窗戶，里面有一個(gè)小洞，用來漏出一道薄薄的光線。 隨著紙張?jiān)谒种幸苿?dòng)，楊目睹了光束如何分裂成兩半。 從紙張的一側(cè)穿過的光干擾來自另一側(cè)的光以產(chǎn)生條紋，這可以在相對(duì)的墻壁上觀察到。 后來，揚(yáng)利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算出各種顏色光的波長(zhǎng)，并且非常接近現(xiàn)代值。
該演示提供了有力的證據(jù)，證明光是波，而不是粒子。
與此同時(shí)，法國(guó)物理學(xué)家奧古斯丁·菲涅耳在1821年表明，如果光是沒有縱向振動(dòng)的橫波，就可以解釋極化。 此前，菲涅耳還提出了精確的衍射波理論。
當(dāng)時(shí)，牛頓的追隨者幾乎沒有有力的證據(jù)來繼續(xù)辯論。似乎光是一種波。 問題在于傳說中的“以太”（這是支持電磁場(chǎng)并產(chǎn)生菲涅耳傳播規(guī)律所需的神秘媒介），盡管每個(gè)人都盡力在尋找它，但卻失敗了。
1861年，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在20個(gè)方程中濃縮了關(guān)于電和磁的實(shí)驗(yàn)和理論知識(shí)，取得了巨大的突破。麥克斯韋預(yù)測(cè)了一種“電磁波”，即使在真空中，也可以在沒有傳統(tǒng)電流的情況下自我維持。 這意味著光傳播不需要以太！
麥克斯韋在1865年寫道：“結(jié)果的一致性似乎表明光和磁是相同物質(zhì)的影響，光是根據(jù)電磁定律在場(chǎng)內(nèi)傳播的電磁干擾?！?/p>
從那天起，光的概念首次與電和磁的概念聯(lián)合起來。
1900年12月14日，馬克斯·普朗克證明了熱輻射是在離散的能量包中發(fā)射和吸收的量子。 后來，阿爾伯特·愛因斯坦在1905年表明，這也適用于光。 愛因斯坦使用了光量子（Lichtquant）這個(gè)術(shù)語。
20世紀(jì)初，物理學(xué)的新革命將再次依賴于光的本質(zhì)。 這一次，它不是關(guān)于光線是粒子還是波浪，是否是兩者兼而有之。
現(xiàn)代光與光子理論
愛因斯坦認(rèn)為光是粒子（光子），光子流是波。 這位德國(guó)物理學(xué)家確信，在發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)之后，光具有粒子性質(zhì)，其中電子從暴露在光線下的金屬表面飛出。 如果光是波，那就不可能發(fā)生。 另一個(gè)令人費(fèi)解的問題是當(dāng)施加強(qiáng)光時(shí)光電子如何繁殖。 愛因斯坦通過說“光本身就是一個(gè)粒子”解釋了光電效應(yīng)，他后來獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
愛因斯坦光量子理論的要點(diǎn)是光的能量與其振蕩頻率有關(guān)。 他認(rèn)為光子的能量等于“普朗克常數(shù)振蕩頻率”，這個(gè)光子能量是振蕩頻率的高度，而光強(qiáng)度對(duì)應(yīng)于光子數(shù)量。 光的各種特性是一種電磁波，是由于肉眼看不到的稱為光子的極小粒子的行為。
愛因斯坦推測(cè)，當(dāng)物質(zhì)內(nèi)的電子與光子發(fā)生碰撞時(shí)，前者會(huì)吸收后者的能量并飛出，并且發(fā)射的光子的振蕩頻率越高，飛出的電子能量就越大。太陽能電池板就是這樣。簡(jiǎn)而言之，他說光是光子流，這些光子的能量是它們振蕩頻率的高度，光的強(qiáng)度與光子的數(shù)量有關(guān)。
愛因斯坦能夠通過他對(duì)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)得出普朗克常數(shù)來證明他的理論。 他的計(jì)算結(jié)果顯示普朗克的常數(shù)值為h=6.62607015×10^（-34） J·s，這正是馬克斯普朗克通過他對(duì)電磁波的研究在1900年得出的數(shù)值。 毫無疑問，這指出了作為波的光的性質(zhì)和振蕩頻率之間的密切關(guān)系以及作為粒子的光的性質(zhì)和動(dòng)量。 后來，在20世紀(jì)20年代，奧地利物理學(xué)家歐文·薛定諤用他的量子波函數(shù)方程詳細(xì)闡述了這些觀點(diǎn)，以描述波的樣子。
首張光是粒子又是波的照片
自愛因斯坦展示光的雙重性質(zhì)以來已有一百多年的歷史，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的物理學(xué)家捕捉到了這種雙重行為的首張快照。 由Fabrizio Carbone領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在2015年進(jìn)行了一項(xiàng)巧妙的實(shí)驗(yàn)，其中使用激光射擊納米線，導(dǎo)致電子振動(dòng)。 光在這兩條可能的方向上沿著這條細(xì)線傳播，就像高速公路上的汽車一樣。當(dāng)沿相反方向行進(jìn)的波浪彼此相遇時(shí)，它們會(huì)形成一個(gè)看起來像是站在原位的新波浪。 在這里，該駐波成為實(shí)驗(yàn)的光源，在納米線周圍輻射。 發(fā)射了一束新的電子來對(duì)駐波光進(jìn)行成像，它可以作為光波特性的指紋。 結(jié)果如上圖所示。
光子看起來像什么
你有沒有想過光子是什么形狀？ 幾十年來，科學(xué)家們一直在思考這個(gè)問題。
第一張單一光粒子的全息圖
2016年，波蘭物理學(xué)家創(chuàng)造了第一張單一光粒子的全息圖。 華沙大學(xué)的團(tuán)隊(duì)通過在由方解石晶體制成的分束器同時(shí)發(fā)射兩束光束來制作全息圖。 分束器類似于交通燈交叉點(diǎn)，因此每個(gè)光子可以直接通過或轉(zhuǎn)彎。 當(dāng)光子本身時(shí)，每條路徑都是同樣可能的，但當(dāng)涉及更多光子時(shí)，它們會(huì)相互作用并且?guī)茁蕰?huì)發(fā)生變化。 如果你知道其中一個(gè)光子的波函數(shù)，就可以從探測(cè)器上出現(xiàn)的閃光位置中找出第二個(gè)光子的形狀。 得到的圖像看起來有點(diǎn)像馬耳他十字架，就像從薛定諤方程預(yù)測(cè)的波函數(shù)一樣。
關(guān)于光子的5個(gè)事實(shí)
光子概念的價(jià)值
光子的概念帶動(dòng)了理論和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)在多個(gè)領(lǐng)域的巨大進(jìn)展，例如激光、玻色-愛因斯坦凝聚、量子場(chǎng)論、量子力學(xué)的統(tǒng)計(jì)詮釋、量子光學(xué)和量子計(jì)算等等。
在物理學(xué)外的其他領(lǐng)域里，光子概念也具有很多重要應(yīng)用，比如光化學(xué)、高分辨顯微術(shù)，以及分子間距測(cè)量等。
在當(dāng)代相關(guān)研究中，光子是研究量子計(jì)算機(jī)的基本元素，也在復(fù)雜的光通信技術(shù)，例如量子密碼學(xué)等領(lǐng)域有重要的研究?jī)r(jià)值。
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