光是粒子还是波
1704年，艾萨克·牛顿在《光学》中把光看作微小粒子流，克里斯蒂安·惠更斯则主张光是波。1801年托马斯·杨的双缝实验显示出干涉条纹，19世纪60年代詹姆斯·克拉克·麦克斯韦把光解释为电磁波，波动说似乎大获全胜。然而1900年，马克斯·普朗克为解释热物体辐射的光谱，假设能量只能以hν的整数倍交换。1905年，爱因斯坦更进一步，提出光本身由能量颗粒（光量子）组成，解释了光电效应，并因此获得1921年诺贝尔奖。罗伯特·密立根本想推翻这一观点，结果他1916年的精确测量反而证实了爱因斯坦的方程。
“光子”的命名与二象性
1923年，阿瑟·康普顿发现X射线与电子碰撞时像台球一样交换动量、波长变长，证明光量子是带有动量的真正粒子。中国物理学家吴有训以精确的系统实验进一步验证了康普顿效应。“光子”（photon）一词由化学家吉尔伯特·路易斯于1926年提出。1927年，保罗·狄拉克用量子化的场处理光的发射与吸收，奠定了量子电动力学的基础。即使一个一个地发射，光子穿过双缝后也会逐渐累积出干涉条纹。依观测方式不同时而表现为粒子、时而表现为波，这就是量子力学核心的“波粒二象性”。光子没有质量，在真空中始终以约每秒30万公里运动，这一速度是相对论的基准。
基于光子的技术
原子中的电子在能级间跃迁时会发射特定颜色的光子，把这些光子同步放大便得到激光。1956年汉伯里·布朗和特威斯的光子关联实验，以及1963年罗伊·格劳伯的量子光学理论（2005年诺贝尔奖），开启了以光子为单位研究光的道路。1982年，阿兰·阿斯佩用纠缠光子对证明贝尔不等式被违反，2022年与约翰·克劳泽、安东·蔡林格共获诺贝尔奖。2016年，中国发射的“墨子号”量子科学实验卫星利用纠缠光子实现了千公里级的量子纠缠分发。如今光子还用于量子保密通信、数码相机图像传感器、太阳能电池和宇宙微波背景观测。人眼的视杆细胞对极少量的光子也能产生反应。
常见问题
- 光子没有质量，为什么还有能量和动量？
- 在相对论中，能量和动量可以不依赖质量而存在。光子能量与频率成正比（E=hν），动量等于能量除以光速。
- 光子会衰老或消失吗？
- 光子在真空中不会衰变。它被物质吸收时消失，宇宙膨胀也会拉长其波长、降低其能量。
来源核查日期：2026-10-26
参考文献
- Newton, I. (1704). Opticks. London: Sam. Smith & Benj. Walford.
- Planck, M. (1901). Über das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum. Annalen der Physik, 4(3), 553–563.
- Einstein, A. (1905). Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. Annalen der Physik, 17, 132–148.
- Millikan, R. A. (1916). A direct photoelectric determination of Planck's "h". Physical Review, 7(3), 355–388.
- Compton, A. H. (1923). A quantum theory of the scattering of X-rays by light elements. Physical Review, 21(5), 483–502.
- Lewis, G. N. (1926). The conservation of photons. Nature, 118(2981), 874–875.
- Dirac, P. A. M. (1927). The quantum theory of the emission and absorption of radiation. Proceedings of the Royal Society A, 114(767), 243–265.
- Hanbury Brown, R., & Twiss, R. Q. (1956). Correlation between photons in two coherent beams of light. Nature, 177(4497), 27–29.
- Glauber, R. J. (1963). Coherent and incoherent states of the radiation field. Physical Review, 131(6), 2766–2788.
- Aspect, A., Grangier, P., & Roger, G. (1982). Experimental realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Gedankenexperiment: A new violation of Bell's inequalities. Physical Review Letters, 49(2), 91–94.