光子 （传递电磁相互作用的基本粒子）

简介

1905年，由爱因斯坦（Albert Einstein）提出了现代光子的概念，当时爱因斯坦称之为“光量子”（英语：light quantum）。为了解释光电效应，爱因斯坦引入了光本身是由离散的能量单位组成的想法。1926年，美国物理化学家吉尔伯特·路易斯（Gilbert N. Lewis）正式提出“光子（photon）”的命名。他将爱因斯坦的光子理论应用到化学中，提出了光子的化学意义，并将其与原子的电子结合起来，从而奠定了光子在化学反应中的重要地位。随后，许多其他实验验证了爱因斯坦的方法。

在粒子物理学的标准模型中，光子与其他基本粒子被认为是在时空各点具有特定对称性的必然结果。这些粒子的固有属性，例如电荷、质量和自旋，都是由规范对称性决定的。光子不遵守泡利不相容原理。光子的概念为实验物理学和理论物理学带来了重大突破，同时也在诸如激光技术、量子光学和量子计算、光化学等非物理学领域取得了显著进展。

历史发展

在17世纪和18世纪期间，学术界存在两种主要的关于光的理论：光微粒说和光波动说。光微粒说认为光是由无数微小粒子组成的物质。虽然这可以解释光的直线传播和反射，但无法正确解释折射、衍射等现象。勒内·笛卡尔（Rene Descartes）、罗伯特·胡克（Robert Hooke）和克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）等学者支持光波动说，认为光是由弥漫在宇宙中的以太所传播的扰动。光波动说能够解释光为何能够直线传播和球面传播，也能够解释反射和折射的机制，但无法解释衍射的机制。

在19世纪初，托马斯·杨（Thomas Young）和奥古斯丁·菲涅耳（Augustin Fresnel）的实验证实了光的干涉和衍射特性，并合理地用光波动说解释了这些特性。到1830年左右，光波动说已经完全被学界所接受。1865年，詹姆斯·麦克斯韦的理论预言光是一种电磁波，证实电磁波存在的实验由海因里希·赫兹在1888年完成，这被认为标志着光微粒说的彻底终结。

然而，麦克斯韦理论下的光的电磁说并不能完全解释光的所有性质。1900年，马克斯·普朗克（Max Plank）提出任何系统发射或吸收频率为

原理与模型

量子场论

当量子力学与电动力学的结合成为量子电动力学（Quantum Electrodynamics, QED）时，物理学家们面临了将光子与电磁场相互作用的问题。在1928年，保罗·狄拉克（Paul Dirac）发表了一篇重要的论文，介绍了狄拉克方程，该方程描述了自旋为

在现代物理符号体系中，电磁场的量子态用福克态来表示，它是每个电磁场模式对应的量子态的张量积：

爱因斯坦假设一个系统从低能级

尽管单个光子的量子态很容易被调控，但有效控制光子之间的相互作用却是量子光学研究的关键和最大的挑战之一。为此，研究人员开发了新型的纳米超材料，引入了一个新的自由度来实现对光子之间的量子相互作用的任意操控。研究者提出了核心器件属性和光子的量子本性在某些情况下是不可区分的，因此可以等效地相互转化。这意味着通过人工设计量子器件的属性，可以等效地改变光子的量子本性。研究人员将纳米超材料的空间旋转自由度设计为光子量子相互作用的新自由度，并通过旋转纳米超材料或改变单个光子的偏振，首次在实验上实现了连续且动态地控制双光子的量子干涉。这样可以等效地实现对光子量子本性和光子之间量子相互作用的任意操控。这使得光子能够表现出时而像玻色子，时而像费米子，或者处于两者之间的任意状态，超越了光子固有的玻色子本性。

量子计算与光通信

在光纤链路或卫星与地面之间的自由空间链路中，已成功实现了量子纠缠分发。其中，光纤链路可以利用现有的光纤网络进行传输，但长距离传输受到光纤固有传输损耗的限制。以无人机为代表的移动信息平台，通过发挥其机动灵活、组网迅速、成本低廉等优势，研究人员以光学超晶格作为核心元件进行了高效集成的偏振纠缠源的研发。同时配置了轻量化高精度跟踪瞄准系统，并成功将其搭载于自主开发的小型多旋翼实验用无人机上。这一系统实现了在飞行中无人机与地面之间的单光子链路连接和光量子纠缠分发。

生物光子学

通过将光子学技术引入传统的纳米生物医疗领域，可以利用生物组织的光学成像、荧光增强和探测、生物光谱和诊断、以及激光医学中的诊断和光动力诊疗等方法，从而提高现有技术的稳定性。共焦激光扫描显微镜能够展现出详细的生物结构的三维图像，在亚细胞层次上监测化学组成、蛋白质相互作用的空间和时间特征。非线性成像方法，如以双光子激发荧光技术为代表，不仅可以改善荧光成像方法的探测深度、降低对生物体的损伤，还可以开辟在细胞内进行高度定位的光化学疗法。近场技术将分辨率提高到衍射极限以上，可以探测细胞膜上生物分子的相互作用、离子通道等。激光器已成为确定DNA化学结构排列的关键组成部分。光学在生物技术方面的其他应用还包括采用"DNA芯片"的高级复杂系统以及采用传输探针的简单系统。激光钳提供了一种新奇且前所未有的操作方法，可以在显微镜下可见，实现对生物环境中的细胞或微观粒子的操纵与控制，或者在

2005年，华中科技大学的教授们通过对光子的研究，重新确定了光子的静止质量上限。2012年，英国布里斯托大学、赫瑞瓦特大学和荷兰卡弗里纳米科学研究所的科学家们在最新一期的《物理评论学快报》上发表了他们的研究成果，他们成功实现了快速控制单光子的路径和偏振。2019年7月31日，大型强子对撞机的超环面仪器实验团队宣布找到光子与光子散射的确切证据，超过背景期望值8.2 个标准差。2021年5月，中国的高海拔宇宙线观测站取得了重大突破，记录到了1.4拍的伽马光子，并更加明确了其来源。

2023年，欧洲核子研究中心（CERN）的超环面仪器实验（ATLAS）和紧凑缪子线圈实验（CMS）实验团队携手发布报告，他们找到了希格斯玻色子衰变为Z玻色子和光子的首个证据。这种衰变有望提供间接证据，证明存在超出粒子物理学标准模型预测的新粒子。这些研究进展为理解光的行为和性质，以及探索超出标准模型的新物理提供了重要的线索。