我認(rèn)真思考了五十年，光量子是什么？但是并沒有找到答案。我知道今天的阿貓阿狗們都以為自己知道了，但他們只是在自己騙自己。 ——愛因斯坦，1951年
All the fifty years of conscious brooding have brought me no closer to answer the question, “What are light quanta?” Of course today every rascal thinks he knows the answer, but he is deluding himself. — Albert Einstein，(1951). Raymond W. Lam, Seasonal Affective Disorder and Beyond (1998), 1.
愛因斯坦晚年的時(shí)候，仍對(duì)光子的概念困惑不已，所以才有上面的名言?？上?，知道這句名言的人并不多。可以說是世界上最權(quán)威的光學(xué)教科書，Eugene Hecht所著《光學(xué)》中，討論光子的定義時(shí)，直接引用了上面這句話。
在很多實(shí)驗(yàn)的解讀中，比如延遲選擇實(shí)驗(yàn)，光子糾纏實(shí)驗(yàn)，等，研究者們經(jīng)常把光子理解成某種點(diǎn)粒子。這也是我與一些研究者的主要分歧之一。
光子是什么，是一個(gè)還沒有回答的，非常困難的問題。
光子，可以說是最基本的量子，或者最基本的粒子之一。在一般的基本粒子定義中，它的定義是自旋為1，沒有靜質(zhì)量，能量為普朗克常數(shù)h乘以其頻率的基本粒子，然后再?zèng)]有其它信息。但是，實(shí)際上我們碰到光子卻要復(fù)雜得多。
光子的性質(zhì)在我們理解一些量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候非常重要。我們需要一個(gè)光子的正確圖像，而不是像在計(jì)算機(jī)語言中定義一個(gè)虛擬物體一樣，只有一兩個(gè)屬性。光子的物理圖像，是理解一切量子特征的關(guān)鍵。
我們先列出一些光子的特征和問題：
注意，以上關(guān)于自旋的疑難在經(jīng)典電磁輻射圖像下并不存在。經(jīng)典電磁輻射中，并沒有要求沿電磁波傳播方向，不同分量的電磁矢量（波前螺旋）的旋轉(zhuǎn)速度為某些分立數(shù)值，也就是，并沒有要求軌道角動(dòng)量（或自旋）為正負(fù)1或者其它整數(shù)。
關(guān)于能級(jí)壽命，或者躍遷的半衰期，可以有兩種理解，一種是概率壽命，比如原子核的γ衰變，對(duì)每一衰變的原子核，衰變出一個(gè)γ光子是在一定時(shí)間范圍內(nèi)瞬時(shí)發(fā)生的，半衰期只是體現(xiàn)了衰變發(fā)生的強(qiáng)度。每次衰變幾乎是瞬時(shí)的。我們可以追蹤每一個(gè)衰變出來的光子；另一種是能級(jí)躍遷需要的時(shí)間，即每一次躍遷延續(xù)的時(shí)間。對(duì)于原子能級(jí)躍遷，不能忽視同種原子之間的共振，因?yàn)樗鼈儽厝换ハ嘤绊?，我們觀察到的結(jié)果是互相影響后的結(jié)果，所以原子存在受激輻射，而一般原子核衰變沒有。
全局詮釋從更基本的標(biāo)準(zhǔn)模型建議的物理世界圖像出發(fā)，在明確薛定諤方程的理想波動(dòng)近似屬性的基礎(chǔ)上，理解全部量子現(xiàn)象和理論。
在前面的“物理世界的基本圖像”一節(jié)中，我們說了，不存在單獨(dú)的基本粒子，所有基本粒子都不可剝離它對(duì)周圍時(shí)空的影響。所有的粒子，所有的作用都是復(fù)雜的。光子也一樣，它是無窮多時(shí)空點(diǎn)以標(biāo)準(zhǔn)模型指定的各種基本相互作用影響的結(jié)果。
而對(duì)于光子，由于它沒有靜質(zhì)量，所以它是純的輻射能量。但是我們知道，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，能標(biāo)，或者說能量密度，決定了各種物理相互作用的重要性。對(duì)于高能光子（γ射線），由于很小的時(shí)空范圍內(nèi)集中了很高的能量，標(biāo)準(zhǔn)模型中其它的，更局域的自由度，如正負(fù)電子對(duì)，其它高階相互作用等，貢獻(xiàn)很大，以致于高能光子更像一個(gè)局域的粒子，不擴(kuò)散，或者只通過與其它基本粒子相互作用失去能量。而低能光子（能量遠(yuǎn)低于電子靜質(zhì)量，511 keV，一般光學(xué)現(xiàn)象中的光子都是低能光子），考慮到它的空間分布比較廣，在任何局部的能量密度都非常低，除電磁場(chǎng)以外，其它的自由度都處于凍結(jié)狀態(tài)，無法激發(fā)，因此，低能光子表現(xiàn)為單純的電磁輻射，可以用經(jīng)典電磁輻射理論描述。實(shí)際上，麥克斯韋方程是標(biāo)準(zhǔn)模型的電磁作用簡(jiǎn)化，每個(gè)時(shí)空點(diǎn)的其它相互作用和自由度依然存在，但是貢獻(xiàn)太小，可以忽略。因此，低能光子就是可以用麥克斯韋方程描述的經(jīng)典電磁波。
那么如何理解光子的量子性呢？即光子的能量與普朗克常數(shù)和頻率的關(guān)系，或者說，為什么原子能級(jí)躍遷時(shí)，總是放出一個(gè)光子？而不是數(shù)量更多的更低能量光子？這與我們解釋薛定諤方程的物理意義，及其解的本征態(tài)性質(zhì)有關(guān)。本征態(tài)是優(yōu)勢(shì)態(tài)，或者說優(yōu)勢(shì)震蕩。我們上面說了，一個(gè)光子的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一個(gè)原子，是原子半徑的幾億倍以上。對(duì)于原子來說，該本征震蕩頻率顯然是優(yōu)選頻率。我們還要注意到，在各種光學(xué)實(shí)驗(yàn)，如譜線測(cè)量中，總是有很多同樣的原子參與測(cè)量，不同原子之間還有共振，共振總是在各種本征頻率之間發(fā)生。也就是，如果原子中的電子躍遷到某一條軌道，一次放出或者吸收全部能量是優(yōu)勢(shì)模式，也可以說，電子的軌道是優(yōu)選共振軌道，因?yàn)樗茄Χㄖ@方程的本征解。優(yōu)勢(shì)的輻射或者吸收譜線是大量同種原子與背景輻射場(chǎng)綜合作用的表象。
如果客觀描述光譜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們只是看到了輻射能量頻率相對(duì)集中的一些共振峰。我們并沒有看到原子如何放出或吸收光子。
在全局近似詮釋中，所有的光子都是復(fù)雜的，原則上是非線性的，但是低能光子是線性的經(jīng)典電磁波，滿足經(jīng)典電磁波的各種特征，如疊加性，波動(dòng)性，可以線性分解。波前電磁分量的螺旋性質(zhì)，即自旋，由輻射源決定。
隨著能量的增高，光子的物理圖像是在不停變化的。高能γ光子的產(chǎn)生，或者主導(dǎo)相互作用，是能標(biāo)更高的弱力與強(qiáng)相互作用力參與的結(jié)果，這兩種相互作用有效范圍很短，由于以光速運(yùn)動(dòng)，所以不存在衰變，只能通過與別的粒子相互作用失去能量，或者發(fā)生別的變化。
原子電子能級(jí)躍遷發(fā)出的光子只有電磁相互作用參與，而原子核衰變產(chǎn)生光子有更多高能標(biāo)相互作用的參與。
不考慮引力，電磁相互作用是標(biāo)準(zhǔn)模型中僅有的長(zhǎng)程低能相互作用。因此我們的日常世界由電磁過程主導(dǎo)是自然的。如果一定要把原子的一次能量變化過程叫做產(chǎn)生或者吸收一個(gè)光子，當(dāng)然可以那么定義，只是這樣的光子會(huì)有太多種，一個(gè)干凈的數(shù)學(xué)定義恐怕不夠。
光子的波動(dòng)性與粒子性之爭(zhēng)持續(xù)了幾個(gè)世紀(jì)，后來人們認(rèn)為量子力學(xué)引進(jìn)的波粒二象性解釋終結(jié)了光子概念之爭(zhēng)。然而，愛因斯坦的疑惑讓我們覺得問題不是那么簡(jiǎn)單。首先，波粒二象性中描述的“有時(shí)候像波，有時(shí)候像粒子”定義不明確。其次，證明光子粒子性的實(shí)驗(yàn)并不能讓人信服，與其說是光子的粒子性，還不如說檢測(cè)方式的粒子性，或者說，低能光子的粒子性是觀察效應(yīng)。一列頻率合適的波仍然可以讓某一個(gè)局域的原子激發(fā)。
全局詮釋對(duì)光子的理解提供了另一種波粒二象性，即隨著能量的增高，或者能量密度的增高，電磁波主導(dǎo)的光慢慢變成更強(qiáng)相互作用主導(dǎo)的，更具有粒子屬性的γ光子。
標(biāo)準(zhǔn)模型揭示的，時(shí)空點(diǎn)的相互作用性質(zhì)，取決于能量密度，波動(dòng)性是自然的，但在高能量密度的情況下會(huì)表現(xiàn)出粒子性。我們可以拿一盆平靜的水做例子。如果我們規(guī)則地緩慢地驅(qū)動(dòng)水面，可以得到一列平滑的水波。如果在不同方向驅(qū)動(dòng)不同的水波，這些水波會(huì)疊加，在某些特殊的地方，如果波動(dòng)疊加引起的震蕩達(dá)到一定頻率或幅度，會(huì)拋出一些水產(chǎn)生水滴，水滴表現(xiàn)出粒子性，而不是水體整體的波動(dòng)性。往水里扔一塊石頭，也就是能量比較集中，在落水點(diǎn)除了產(chǎn)生擴(kuò)散的水波紋之外，還會(huì)出現(xiàn)一些水滴。大尺度看水面，我們可以寫出理想連續(xù)的波動(dòng)或者流體方程，但是即使是水，決定其微觀性質(zhì)的相互作用仍然極端復(fù)雜，在不同的尺度，有表面張力，范德瓦爾斯力，氫鍵，共價(jià)鍵，震蕩，旋轉(zhuǎn)，集體運(yùn)動(dòng)，集體模式，氣液平衡影響，渦旋，等等。但是這些相互作用在大尺度波動(dòng)研究中可以忽略。當(dāng)水滴出現(xiàn)的時(shí)候，其它效應(yīng)，比如表面張力就會(huì)更重要。
光子在不同能量段的不同物理表現(xiàn)，是時(shí)空與能量的本性決定的。光子在低能實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出來的大范圍相干性，全局性，就是波動(dòng)在一定邊界條件下的表現(xiàn)，它們此時(shí)僅僅是波。所有的相干實(shí)驗(yàn)都可以用波動(dòng)性簡(jiǎn)單描述。量子糾纏只是一種特殊的相干。
光在不同能量密度下的不同表現(xiàn)，還可以從能量與質(zhì)量的等效性來理解。由于能量和質(zhì)量是等效的，能量密度越低，一定空間范圍內(nèi)越不可能出現(xiàn)正負(fù)電子對(duì)及其它高能基本粒子等分解方式，也就是能標(biāo)高的自由度不會(huì)出現(xiàn)，或者貢獻(xiàn)太小，但能量更集中之后，情況就不一樣了。靜質(zhì)量，就是時(shí)空某種比較穩(wěn)定的擾動(dòng)模式中包含的能量。
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