[科普中國]-光子

光子的發(fā)展

光子的提出和發(fā)展—光的量子理論

1901年，德國物理學家普朗克（Plank）找到了與實驗相符的在熱平衡下的絕對黑體輻射譜的能量分布律。這個規(guī)律是量子理論發(fā)展的出發(fā)點。這規(guī)律的基礎(chǔ)是假定物質(zhì)發(fā)出光和吸收光具有不連續(xù)的特性，并且假定光為一個一個有限部分——光量子——發(fā)出或吸收。

這種光子的能量ε是和光的振動頻率ω成正比的，并且可用下列等式表示

這里 ，是普朗克常數(shù)。

當愛因斯坦（Einstein）指出了除能量ε外還必須要用沖量 (這沖量的方向和光的傳播方向相符合）來描述光子后，光子的表示才的得到完善的形式。

如果引入波矢量**k，**它的分量等于

式中λ是波長，而cosα，cosβ，cosγ是光波法線方向的余弦，于是光量子的沖量公式可以寫為矢量形式

光子作用光子是傳遞電磁相互作用的基本粒子，是一種規(guī)范玻色子。光子是電磁輻射的載體，而在量子場論中光子被認為是電磁相互作用的媒介子。與大多數(shù)基本粒子相比，光子的靜止質(zhì)量為零，這意味著其在真空中的傳播速度是光速。與其他量子一樣，光子具有波粒二象性：光子能夠表現(xiàn)出經(jīng)典波的折射、干涉、衍射等性質(zhì)；而光子的粒子性可由光電效應(yīng)證明。光子只能傳遞量子化的能量，是點陣粒子，是圈量子粒子的質(zhì)能相態(tài)。

光子特性量子電動力學確立后，確認光子是傳遞電磁相互作用的媒介粒子。帶電粒子通過發(fā)射或吸收光子而相互作用，正反帶電粒子對可湮沒轉(zhuǎn)化為光子，它們也可以在電磁場中產(chǎn)生。

光子是光線中攜帶能量的粒子。一個光子能量的多少正比于光波的頻率大小， 頻率越高, 能量越高。當一個光子被原子吸收時，就有一個電子獲得足夠的能量從而從內(nèi)軌道躍遷到外軌道,具有電子躍遷的原子就從基態(tài)變成了激發(fā)態(tài)。

光子具有能量，也具有動量，更具有質(zhì)量，按照質(zhì)能方程，E=mc2=hν，求出m=hν/c2，

光子由于無法靜止，所以它沒有靜止質(zhì)量，這兒的質(zhì)量是光子的相對論質(zhì)量。

根據(jù)量子場論，一對正反粒子可發(fā)生湮滅變成一對高能γ光子，而一對高能γ光子在高溫下亦可發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生一對正反粒子。比如在T=1015K的溫度下可發(fā)生光子向質(zhì)子和中子等重子的轉(zhuǎn)化。

用費曼圖表示的正電子-負電子散射（也叫做Bha-Bha散射），波浪線表示交換虛光子的過程。

參見： 狹義相對論

從波的角度看，光子具有兩種可能的偏振態(tài)和三個正交的波矢分量，決定了它的波長和傳播方向；從粒子的角度看，光子靜止質(zhì)量為零，電荷為零，半衰期無限長。 光子是自旋為1的規(guī)范玻色子，因而輕子數(shù)、重子數(shù)和奇異數(shù)都為零。

光子的靜止質(zhì)量嚴格為零，本質(zhì)上和庫侖定律嚴格的距離平方反比關(guān)系等價，如果光子靜止質(zhì)量不為零，那么庫侖定律也不是嚴格的平方反比定律。 所有有關(guān)的經(jīng)典理論，如麥克斯韋方程組和電磁場的拉格朗日量都依賴于光子靜質(zhì)量嚴格為零的假設(shè)。 從愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系和光量子能量公式可粗略得到光子質(zhì)量的上限：m=hν/c2

這里，m即是光子質(zhì)量的上限，ν是任意電磁波的頻率，位于超低頻段的舒曼共振已知最低頻率約為7.8Hz（赫茲）。

這個值僅比如今得到的廣為接受的上限值高出兩個數(shù)量級。

參見光子：規(guī)范玻色子

光子能夠在很多自然過程中產(chǎn)生，例如：在分子、原子或原子核從高能級向低能級躍遷時電荷被加速的過程中會輻射光子，粒子和反粒子湮滅時也會產(chǎn)生光子；在上述的時間反演過程中光子能夠被吸收，即分子、原子或原子核從低能級向高能級躍遷，粒子和反粒子對的產(chǎn)生。

在真空中光子的速度為光速，能量E和動量p之間關(guān)系為p=E/c； 相對論力學中靜質(zhì)量為 的粒子的能量動量關(guān)系為 。

光子的能量和動量僅與光子的頻率ν有關(guān)；或者說僅與波長λ有關(guān)。從而得到光子的動量大小為p=h/λ=hv/c。

其中h叫普朗克常數(shù)。

從光子的能量、動量公式可導出一個推論

粒子和其反粒子的湮滅過程一定產(chǎn)生至少兩個光子。 原因是在質(zhì)心系下粒子和其反粒子組成的系統(tǒng)總動量為零，由于能量守恒定律，產(chǎn)生的光子的總動量也必須為零；由于單個光子總具有不為零的大小為 的動量，系統(tǒng)只能產(chǎn)生兩個或兩個以上的光子來滿足總動量為零。 產(chǎn)生光子的頻率，即它們的能量，則由能量-動量守恒定律（四維動量守恒）決定。 而從能量-動量守恒可知，粒子和反粒子湮滅的逆過程，即雙光子生成電子-反電子對的過程不可能在真空中自發(fā)產(chǎn)生。

光子具有波粒二象性

即說光子既具有一粒一粒的粒子的特性又有像聲波一樣的波動性。當時間為瞬時值時，光子以粒子的形式傳播；當時間為平均值時，光子以波的形式傳播。光子的波動性由光子的衍射而證明，光子的粒子性是由光電效應(yīng)證明。

上面有人認為光子的動質(zhì)量為零是錯誤的，光子的靜質(zhì)量為零，否則的話其動質(zhì)量將為無窮大。但其動質(zhì)量卻是存在的，計算方法是這樣的：首先，由于頻率為v的光子的能量為E=hv，（其中h為普朗克常數(shù)），故由質(zhì)能公式可得其質(zhì)量為：m=E/c2=hv/c2其中c2表示光速的平方，該方法由愛因斯坦首先提出。

光子理論光子有速度、能量、動量、質(zhì)量，有凝聚。光子不可能靜止。光子可以變成其它物質(zhì)（如一對正負電子），但能量守恒、動量守恒。

實現(xiàn)快速操控美國物理學家組織網(wǎng)，科學家一直希望用光子代替電子實現(xiàn)更快捷安全的光通訊，現(xiàn)在，科學家們成功證明，他們能更快速地（在幾納秒內(nèi)）控制與目前光通訊網(wǎng)絡(luò)中所用光波波長一樣的光子的路徑和偏振，新光子電路可整合進現(xiàn)有的光通訊網(wǎng)絡(luò)中，從而顯著改進網(wǎng)絡(luò)的性能。最新研究朝實現(xiàn)光量子通訊邁進了一步。

英國布里斯托大學、赫瑞瓦特大學、荷蘭卡弗里納米科學研究所的科學家們將這項快速控制單光子的路徑和偏振的研究發(fā)表在最新一期《物理評論學快報》雜志上。

他們在對一個由電路組成的量子光學設(shè)備進行研究時發(fā)現(xiàn)，單個光子會移動穿過這些電路，這些電路也能被重新配置從而改變光子的路徑和偏振方向。然而，這種量子光學電路無法快速操縱單光子和多光子的狀態(tài)。為了解決這一問題，他們使用了已被證明能在現(xiàn)有通訊調(diào)制器中進行快速操縱的鈮酸鋰波導，并證明對電極附近的波導施加電壓能快速操控由波長為1550納米的一個或兩個光子組成的光的量子（包括路徑和偏振）狀態(tài)，該波長正是現(xiàn)有通訊網(wǎng)絡(luò)中采用的波長。

領(lǐng)導該研究的布里斯托大學的達米恩·博諾表示：“在這個實驗中，我們演示了兩種電路配置，每種電路配置都會導致不同的量子狀態(tài)，一次配置僅需幾納秒，而在以前的實驗中，每幾秒才能對電路進行一次重新配置?，F(xiàn)在的通訊網(wǎng)每天都在使用由同樣技術(shù)制成的開關(guān)來傳遞由光脈沖編碼的信息字節(jié)，從原理上來講，這樣的開關(guān)也能用于單光子層面。”

博諾表示：“迄今為止，在芯片上操縱光的量子狀態(tài)一直依靠加熱器，其能作為慢速移相器來使用。最新研究表明，鈮酸鋰波導能采用一種與以前迥然不同的方法來更快速地操控光的量子狀態(tài)。現(xiàn)在，我們不僅能打開和關(guān)閉光包以便按規(guī)定路線發(fā)送傳統(tǒng)信息，也能夠快速處理和操縱光的量子狀態(tài)。”

科學家們指出，能在單個平臺上快速控制單光子的偏振和路徑對基礎(chǔ)量子科學和量子技術(shù)來說都至關(guān)重要。博諾表示，制造這些設(shè)備的鈮酸鋰材料也能隨機產(chǎn)生光子，另外，具有超導性的單光子探測器也能被整合在這樣的芯片上。一個結(jié)合了能隨機產(chǎn)生光子的光源、電路以及探測器的技術(shù)平臺可用于以下幾方面：通過對幾個光子來源進行多路傳輸從而獲得可靠的單光子源、長距離量子通訊需要使用的量子繼電器、量子密碼學中用到的量子密鑰分配等。

以前有些老式收音機使用電子管，每次工作前都要預(yù)熱。隨著半導體管的應(yīng)用，預(yù)熱時間就被節(jié)省下來了。如今，光量子調(diào)制設(shè)備領(lǐng)域也出現(xiàn)了類似的進步——以前用加熱器，幾秒鐘才能重新配置電路，現(xiàn)在幾納秒就可以切換到另一個電路。使用鈮酸鋰材料作波導設(shè)備，在調(diào)制解調(diào)器時代是很平常的技術(shù)手段。但誰能想到，平平無奇的光電轉(zhuǎn)化設(shè)備稍加變化，可以幫助最前沿的光量子通信研究取得突破？現(xiàn)在隨著光源、電路和探測器整合到一起，量子通信研究者的工作量可以減輕不少了。1

相關(guān)事件華中科技大學教授重新確定光子靜止質(zhì)量上限

華中科技大學教授重新確定光子靜止質(zhì)量上限，有業(yè)內(nèi)人士認為：光子靜止質(zhì)量為零是經(jīng)典電磁理論的基本假設(shè)之一。但有些科學家則認為，光子可能有靜止質(zhì)量。如果實驗最終檢測到光子存在靜止質(zhì)量，那么有些經(jīng)典理論將要有所變化。

在出版的美國《物理學評論快報》（Physical Review Letters） 上，有專文介紹說：“一項由中國科學家羅俊等完成的新的實驗表明，在任何情況下，光子的靜止質(zhì)量都不會超過10的負54次方千克，這一結(jié)果是之前已知的光子質(zhì)量上限的1/20?！绷_俊和他的同事通過一種新穎的實驗方法，在一個山洞實驗室里將光子靜止質(zhì)量的上限，進一步提高了至少一個數(shù)量級。

據(jù)悉，如果光子存在靜止質(zhì)量，雖然不會影響到人們的日常生活，但其產(chǎn)生的后果將是根本性的———例如，光速將隨波長的改變而變化，并且光波將像聲波一樣能夠產(chǎn)生縱向振動。2