光子与经典电磁理论

光子与经典电磁理论

何谓光子

光子是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。

光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。与大多数基本粒子（如电子和夸克）相比，光子的静止质量为零，这意味着其在真空中的传播速度是光速。与其他量子一样，光子具有波粒二象性：光子能够表现出经典波的折射、干涉、衍射等性质（关于光子的波动性是经典电磁理论描述的电磁波的波动还是量子力学描述的几率波的波动这一问题请参考下文波粒二象性和不确定性原理）；而光子的粒子性则表现为和物质相互作用时不像经典的波那样可以传递任意值的能量，光子只能传递量子化的能量，即：这里是普朗克常数，是光波的频率。对可见光而言，单个光子携带的能量约为4×10-19焦耳，这样大小的能量足以激发起眼睛上感光细胞的一个分子，从而引起视觉。除能量以外，光子还具有动量和偏振态，不过由于有量子力学定律的制约，单个光子没有确定的动量或偏振态，而只存在测量其位置、动量或偏振时得到对应本征值的几率。

光子的概念是爱因斯坦在1905年至1917年间提出的[，当时被普遍接受的关于光是电磁波的经典电磁理论无法解释光电效应等实验现象。相对于当时的其他半经典理论在麦克斯韦方程的框架下将物质吸收和发射光的能量量子化，爱因斯坦首先提出光本身就是量子化的，这种光量子（英文light quantum，德文das Lichtquant）被称作光子。这一概念的形成带动了实验和理论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。根据粒子物理的标准模型，光子是所有电场和磁场的产生原因，而它们本身的存在，则是满足物理定律在时空内每一点具有特定对称性要求的结果。光子的内秉属性，例如质量、电荷、自旋等，则是由规范对称性所决定的。

光子的概念也应用到物理学外的其他领域当中，如光化学、双光子激发显微技术，以及分子间距的测量等。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。

光子从激光的相干光束中射出

光子与经典电磁理论

命名

光子起初被爱因斯坦命名为光量子。光子的现代英文名称 photon 源于希腊文 φῶς（在罗马字下写为 phôs），是由物理化学家吉尔伯特·路易士在他的一个假设性理论中创建的[11]。在路易士的理论中，photon 指的是辐射能量的最小单位，其“不能被创造也不能被毁灭”。尽管由于这一理论与大多数实验结果相违背而从未得到公认，photon 这一名称却很快被很多物理学家所采用。根据科幻小说作家、科普作家艾萨克·阿西莫夫的记载，阿瑟·康普顿于1927年首先用 photon 来称呼光量子。

在物理学领域，光子通常用希腊字母 γ（音：Gamma）表示，这一符号有可能来自由法国物理学家维拉德（Paul Ulrich Villard）于1900年发现的伽玛射线，伽玛射线由卢瑟福和英国物理学家安德雷德（Edward Andrade）于1914年证实是电磁辐射的一种形式在化学和光学工程领域，光子经常被写为 hν，即用它的能量来表示；有时也用 f 来表示其频率，即写为 hf。

物理性质

从波的角度看，光子具有两种可能的偏振态和三个正交的波矢分量，决定了它的波长和传播方向；从粒子的角度看，光子静止质量为零，电荷为零，半衰期无限长。光子是自旋为1的规范玻色子，因而轻子数、重子数和奇异数都为零。

光子的静止质量严格为零，本质上和库仑定律严格的距离平方反比关系等价，如果光子静质量不为零，那么库仑定律也不是严格的平方反比定律。所有有关的经典理论，如麦克斯韦方程组和电磁场的拉格朗日量都依赖于光子静质量严格为零的假设。从爱因斯坦的质能关系和光量子能量公式可粗略得到光子质量的上限：

这里即是光子质量的上限，ν 是任意电磁波的频率，位于超低频段的舒曼共振已知最低频率约为7.8赫兹。

这个值仅比现在得到的广为接受的上限值高出两个数量级。参见光子：规范玻色子一节中对光子质量的讨论。

光子能够在很多自然过程中产生，例如：在分子、原子或原子核从高能级向低能级跃迁时电荷被加速的过程中会辐射光子，粒子和反粒子湮灭时也会产生光子；在上述的时间反演过程中光子能够被吸收，即分子、原子或原子核从低能级向高能级跃迁，粒子和反粒子对的产生。在真空中光子的速度为光速，能量 E 和动量 p 之间关系为 E=pc；相对论力学中一般质量为的粒子的能量动量关系为。

光子的能量和动量仅与光子的频率 ν 有关；或者说仅与波长 λ 有关

从而得到光子的动量大小为

其中也叫做狄拉克常数或约化普朗克常数，k是波矢，其大小叫做波数，方向指向光子的传播方向；是角频率。光子本身还携带有与其频率无关的内秉角动量：自旋角动量，其大小为，并且自旋角动量在其运动方向上的分量(这一分量在量子场论中被称作helicity)一定为，两种可能的值分别对应着光子的两种圆偏振态（右旋和左旋）。

从光子的能量、动量公式可导出一个推论：粒子和其反粒子的湮灭过程一定产生至少两个光子。原因是在质心系下粒子和其反粒子组成的系统总动量为零，由于动量守恒定律，产生的光子的总动量也必须为零；由于单个光子总具有不为零的大小为的动量，系统只能产生两个或两个以上的光子来满足总动量为零。产生光子的频率，即它们的能量，则由能量-动量守恒定律（四维动量守恒）决定。而从能量-动量守恒可知，粒子和反粒子湮灭的逆过程，即双光子生成电子-反电子对的过程不可能在真空中自发产生。