光子
传递电磁相互作用的基本粒子 / 维基百科,自由的 encyclopedia
光子(英语:Photon)是一种基本粒子,是电磁辐射的量子。在量子场论里是负责传递电磁力的力载子(英语:force carrier)[4]:17-18。这种作用力的效应在微观层次或宏观层次都可以很容易地观察到,因为光子的静止质量为零[注 1],它可以移动至很远距离,这也意味着它在真空中的传播速度是光速。如同其它微观粒子,光子具有波粒二象性,能够展现出波动性与粒子性。例如,它能在双缝实验里展示出波动性,也能在光电效应实验里展示出粒子性[5]:1060-1068。
光子从镭射的相干光束中射出 | |
组成 | 基本粒子 |
---|---|
系 | 玻色子 |
基本相互作用 | 电磁力 |
符号 | |
理论 | 阿尔伯特·爱因斯坦 (1905年) 吉尔伯特·路易斯(1926年):命名“光子(photon)” |
质量 | 0[1] <6982100000000000000♠1×10−18 [[eV/c2]] [2] |
平均寿命 | 稳定[3] |
电荷 | 0 <6946160217648700000♠1×10−35 e[2] |
色荷 | 0 |
自旋 | 1[1] |
自旋态 | +1 ℏ, −1 ℏ |
宇称 | -1 |
阿尔伯特·爱因斯坦在1905年至1917年间发展出光子的现代概念,这是为了解释一些与光的经典波动模型不相符合的实验结果。当时被普遍接受的经典电磁理论,尽管能够论述关于光是电磁波的概念,但是无法正确解释黑体辐射与光电效应等实验现象。半经典理论在麦克斯韦方程组的框架下将物质吸收光和发射光所涉及的能量量子化,而行进的光波仍采经典方法处理;如此可对黑体辐射的实验结果做出合理解释。爱因斯坦的主张与普朗克的半经典理论明显不同,他提出光本身就是量子化的概念,当时爱因斯坦称之为“光量子”(英语:light quantum)[6]。1926年,美国物理化学家吉尔伯特·路易斯正式提出“光子(photon)”的命名。[7][8] 虽然半经典理论对于量子力学的初始发展做出重大贡献,从于1923年观测到的电子对于单独光子的康普顿散射开始,更多的实验证据使爱因斯坦光量子假说得到充分证实[5]:1063-1065[9][10]。由于这关键发现,爱因斯坦于1921年获颁诺贝尔物理学奖[11]。
光子的概念带动了实验和理论物理学在多个领域的巨大进展,例如镭射、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。在物理学外的其他领域里,这概念也找到很多重要应用,如光化学、高分辨显微术(英语:two-photon excitation microscopy),以及分子间距测量等。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。
根据粒子物理的标准模型,光子的存在可以满足物理定律在时空内每一点具有特定对称性的理论要求。这种对称性称为规范对称性,它可以决定光子的内禀属性,例如质量、电荷、自旋等[4]:358ff。光子的自旋为1,因此是玻色子,不遵守泡利不相容原理[5]:1221。