光子

定义

光子是电磁辐射的量子,也可以描述为电磁场中一份不可分割的能量单元,习惯上用希腊字母 γ 表示。在量子场论框架下,光子被视为传递电磁相互作用的基本粒子,属于自旋为 1 的规范玻色子,不携带电荷,静止质量为零^[1]。因为这些性质,光子与其他量子一样展现出波粒二象性:折射、干涉和衍射可用波动图像描述,光电效应等现象则需用粒子图像说明^[2]。

和电子、夸克等有静止质量的粒子不同,光子无法静止下来,在真空中恒以光速传播,因此只具有与运动状态相联系的能量、动量和相对论质量,而不存在"静止的光子"这一状态^[2]。量子光学中有时把光子表述为某一电磁场模式的单次激发,实验上则常把光子视为原子、分子或量子点发出的能量包^[3]。

原理

单个光子的能量由其携带的场的频率决定,普朗克关系 E = hν 给出能量与频率的正比关系,其中 h 为普朗克常数,ν 为频率;相应地,光子动量 p = hν/c = h/λ,λ 为波长,c 为光速^[1]。频率越高、波长越短,单个光子携带的能量与动量就越大,这一关系把光的颜色、X 射线的穿透能力等性质统一到了同一个量上^[2]。

在量子电动力学中,带电粒子之间的相互作用通过发射和吸收光子实现,光子是相应 U(1) 规范场的量子;正是这种规范不变性要求光子的静止质量为零、自旋为 1^[4][5]。由于静质量严格为零,光子无法在静止系中被描述,库仑定律的严格平方反比形式也与这一前提等价^[2]。若把过程画成费曼图,光子以波浪线表示,内线对应交换虚光子的中间过程,外线对应初末态中实际存在的粒子^[6]。

光子与物质的相互作用遵循能量守恒与逐份交换的规则。原子吸收一个光子后,其中某个电子可获得足够能量跃迁到较高能级;反过来,电子从高能级回落时也可能放出一个光子,发光现象即由此产生^[2]。在光电效应中,光子把能量交给金属中的电子,电子能否逸出取决于光子能量是否不低于逸出功 W,逸出电子的最大初动能可写成 $E_k = h\nu - W$,所以出射电子的速度只与入射光频率有关,而与光强无关;光强增大只是使参与作用的光子数量增多^[7][8]。

量子电动力学确立后,光子作为电磁相互作用媒介粒子的地位得到普遍接受。一对正反粒子可以湮没并转化为高能 γ 光子,高能光子在适当条件下也能产生正反粒子对,这类过程说明光子数并不守恒,能够被产生和消灭^[2]。

发展历程

1900 年,普朗克为解释黑体辐射提出能量子假说,认为振子能量只能取某个基本单位的整数倍,并由此得到与观测相符的辐射公式,这一步通常被视为量子论的起点^[1]。1901 年,他进一步给出热平衡下黑体辐射谱的能量分布律,其基础是假定发光与吸光过程具有不连续性^[2]。

1905 年,爱因斯坦把不连续性从发射与吸收推广到传播过程,提出光本身由一份份不可分割的能量子组成,即"光量子",并用它解释了光电效应^[7][1]。这一设想与当时占主导地位的光波动说和麦克斯韦电磁理论直接冲突,提出后长时间未获承认;普朗克本人在推荐爱因斯坦进入普鲁士科学院时,仍对光量子假说保留意见^[9]。

1902 年,勒纳德在研究光电效应时发现,只有频率高于某一下限的光才能打出电子,且出射电子的速度仅取决于频率而与光强无关,这一结果用经典电磁理论难以解释,却可由光量子假说直接说明^[7]。此后,密立根用精密实验检验了爱因斯坦给出的光电方程,康普顿则通过 X 射线散射实验证实光子带有动量,1923 年前后光量子假说逐步被广泛接受,密立根与康普顿分别获得 1923 年和 1927 年诺贝尔物理学奖^[7][1]。

photon 这一名称由物理化学家吉尔伯特·路易士提出,他本意是指辐射能量的最小单位,其假设理论与多数实验结果相悖而未被公认,但这个名字很快被物理学界沿用^[1]。1940 年代末至 1950 年代,费曼、施温格和朝永振一郎等人建立起可重正化的量子电动力学,1965 年三人因此获得诺贝尔物理学奖,光子作为电磁场量子的图像由此完备^[10]。

应用

光电效应是光子概念最直接的技术转化。利用光子把电子从材料中打出的效应可以制成光电池与各类光电探测器,早期有声电影、电视的光电转换以及太阳能利用都建立在这一类器件之上^[7]。半导体中的内光电效应则让光子能量转化为电子–空穴对,光伏发电、光电二极管和图像传感器据此工作^[11]。

在探测极微弱光信号时,器件需要对单个光子作出响应。光电倍增管依靠外光电效应和倍增极的逐级二次电子发射把微弱信号放大,增益可达 $10^6$ 量级;单光子雪崩二极管利用盖革模式下的雪崩倍增,使一次光子吸收对应一个可测量的电脉冲;超导纳米线单光子探测器则借光子破坏超导态产生信号,具有低暗计数与皮秒级时间抖动^[12][13]。

单光子探测把这些器件推向量子信息领域。量子密钥分发依靠对单光子偏振态或时间关联的测量来生成密钥,量子计算原型机则用单光子探测器读出光量子比特的状态;这类器件同时用于激光雷达测距、生物荧光成像与深空激光通信^[13]。量子光学把光场按量子化能量态描述,单光子态的叠加可用于构造量子比特,纠缠光子对则成为量子通信与量子计算的重要资源。

局限

光子的概念虽已使用百余年,其精确内涵仍有讨论空间。量子光学中常把光子当作某一场模式的单次激发,这种描述在时间上完全非局域;实验实践却把光子看作在时间和空间上都定域的能量包,两种用法并不完全一致,学界对光子究竟该如何定义尚无统一表述^[3]。

单个光子的能量极小,可见光光子的能量在电子伏特量级,这使得单光子探测在工程上并不轻松。探测器普遍面临探测效率与暗计数、响应速度之间的权衡,还受到后脉冲效应的干扰:雪崩型器件在单次雪崩后可能出现延迟的二次脉冲,超导器件则需要低温制冷,系统的体积与复杂度随之上升^[13]。此外,单光子探测器要获得高探测效率,往往需要在特定波段与工作温度下运行,在长距离、强背景噪声的链路上甄别有效信号仍是技术难点。

参见

• 光电效应 —— 光子把能量交给材料中的电子并使其逸出的现象,是光子概念最有力的实验依据之一。

• 波粒二象性 —— 光子同时表现出波动与粒子性质,是这一观念的典型例证。

• 量子电动力学 —— 把电磁场量子化、以光子为媒介粒子描述电磁相互作用的理论。

• 普朗克常数 —— 联系光子能量与频率的物理常数,出现在 E = hν 之中。

• 单光子探测器 —— 能够对单个光子作出响应并计数的器件,是量子信息技术的核心组件。

• 康普顿散射 —— X 射线被物质散射后波长变长的现象,证实了光子携带动量。