什么是光子？

什么是光子？这个问题看似简单，却困惑了无数的科学家和哲学家。光子是光的粒子，也是电磁力的载体，也是电磁辐射的最小单位。光子无处不在，当你打开手机屏幕，眼前的世界是如何呈现出来的？当你听到广播里传来的声音，是什么让你能够收听到远方的信息？当你把磁铁贴在冰箱上，是什么让它们能够紧紧地粘在一起？答案是：光子。

光子是一种神奇的存在，它们无处不在，又无形无质，它们既是光的粒子，又是电磁辐射的波动，它们既能携带能量和信息，又能受到时空和重力的影响。光子是我们了解这个世界的重要媒介，也是我们探索宇宙的重要工具。

什么是光子？光子是携带电磁力的基本亚原子粒子，或者用更简单的话说，它们是光的粒子（而且不仅仅是这样）。光子也是电磁辐射的“量子”，或者基本单位。每个人都被光子包围着：你正在看的屏幕发出的光是由光子组成的，医生用来看骨头的 X 射线是由光子组成的，汽车里的收音机接收到的信号是由光子传送的，冰箱上的磁铁用光子来支撑自己。
要了解光子，我们必须先了解光。光是一种电磁波，它是由交变的电场和磁场组成的。光的波长和频率决定了它的颜色和能量。不同波长的光构成了电磁谱，从无线电波到伽玛射线，覆盖了一个极广的范围。我们的眼睛只能看到其中一小部分，即可见光。光的波动性可以解释很多光学现象，如反射、折射、干涉、衍射、偏振等。这些现象都遵循麦克斯韦的电磁理论，它是经典物理学的一个重要成果。

然而，光的波动性并不能解释所有的现象。在 19 世纪末，物理学家发现了一些与经典理论不符的实验结果，如黑体辐射和光电效应。

黑体辐射是指一个理想的吸收和发射所有光的物体，在不同温度下发出的光的光谱。根据经典理论，黑体辐射的能量应该随着频率的增加而无限增加，这就是著名的紫外灾难。但是实验表明，黑体辐射的能量在一定的频率后会下降，与理论不一致。为了解决这个问题，德国物理学家普朗克提出了一个大胆的假设：光的能量不是连续的，而是以一定的最小单位，即量子，来发射和吸收的。这个量子的大小与光的频率成正比，比例系数就是普朗克常数。这个假设成功地解释了黑体辐射的实验数据，也开创了量子物理学的先河。

光电效应是指当光照射在金属表面时，会使金属释放出电子的现象。根据经典理论，光的能量与其强度成正比，与其频率无关。因此，只要光的强度足够大，任何频率的光都可以使金属释放出电子。但是实验表明，只有当光的频率高于一个临界值时，才能使金属释放出电子，而且释放出的电子的能量与光的频率成正比，与光的强度无关。这些结果与经典理论完全相反。为了解释这个现象，爱因斯坦借用了普朗克的量子假设，提出了光子的概念。他认为，光不仅是一种波，也是一种粒子，每个光子的能量与其频率成正比。当光子撞击金属表面时，它会把自己的能量全部转移给一个电子，如果这个能量大于电子的束缚能，电子就会逃离金属。这样就可以解释光电效应的实验结果，也为光的粒子性提供了有力的证据。爱因斯坦因为这个理论而获得了 1921 年的诺贝尔物理学奖。

和所有其他的亚原子粒子一样，光子表现出波粒二象性，意味着它们有时候表现得像微小的粒子，有时候又表现得像波。光子没有质量，所以它们可以在真空中以光速（每秒 299,792,458 米）移动，并且可以移动无限的距离。虽然物理学家对光的本质研究了几个世纪，但是关于光是由微小的粒子组成还是具有波动性的争论一直没有停止。

普朗克、爱因斯坦和其他人对光的本质的研究促进了量子力学的发展。严格地说，光子既不是粒子也不是波；它们是两者的结合。在某些情况下，它们的粒子性更明显，而在另一些情况下，它们的波动性更显著。

例如，一个探测器可以注册到一个单个光子的到达，它表现得像一个点状的粒子。一种叫做康普顿散射的过程涉及到一个光子撞击一个电子，在那种情况下，光子表现得像一个粒子。

普朗克和爱因斯坦的理论引发了一场物理学的革命，也引起了一场关于光的本质的争论。光到底是波还是粒子？或者说，光是一种怎样的东西，既能表现出波的特征，又能表现出粒子的特征？这个问题困扰了物理学家几十年，直到 1924 年，法国物理学家德布罗意提出了一个惊人的假设：不仅光，所有的物质都具有波粒二象性。他认为，每个物质粒子，如电子，都可以用一个波来描述，这个波的波长与粒子的动量成反比。

这个假设得到了后来的实验验证，也为量子力学的建立奠定了基础。量子力学是一种描述微观世界的物理理论，它认为，光子既不是纯粹的波，也不是纯粹的粒子，而是一种既有波性又有粒子性的量子对象。在不同的情况下，光子会表现出不同的性质，这取决于我们用什么样的实验方法来观察它。

在量子力学中，我们不能同时确定光子的位置和动量，也不能同时确定光子的能量和时间，这就是著名的海森堡不确定性原理 。我们也不能用确定的数值来描述光子的状态，而只能用概率来描述光子出现在某个状态的可能性，这就是薛定谔方程的含义。