Le photon est le quantum d'énergie associé aux ondes électromagnétiques (allant des ondes radio aux rayons gamma en passant par la lumière visible), qui présente certaines caractéristiques de particule élémentaire. En théorie quantique des champs, le photon est la particule médiatrice de l’interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d’un point de vue quantique comme un échange de photons.

L'idée d'une quantification de l'énergie transportée par la lumière a été développée par Albert Einstein en 1905, à partir de l'étude du rayonnement du corps noir par Max Planck, pour expliquer l'effet photo-électrique qui ne pouvait pas être compris dans le cadre d’un modèle ondulatoire classique de la lumière, mais aussi par souci de cohérence théorique entre la physique statistique et la physique ondulatoire. La découverte de l'effet Compton en 1923, donnant également des propriétés corpusculaires à la lumière, et l’avènement de la mécanique quantique et de la dualité onde-corpuscule, amène à considérer ce quantum comme une particule, nommée photon en 1926.

Les photons sont des « paquets » d’énergie élémentaires, ou quanta de rayonnement électromagnétique, qui sont échangés lors de l’absorption ou de l’émission de lumière par la matière. De plus, l’énergie et la quantité de mouvement (pression de radiation) d’une onde électromagnétique monochromatique sont égales à un nombre entier de fois celles d’un photon.

Le concept de photon a donné lieu à des avancées importantes en physique expérimentale et théorique, telles que les lasers, les condensats de Bose-Einstein, l’optique quantique, la théorie quantique des champs et l’interprétation probabiliste de la mécanique quantique. Le photon est une particule de spin égal à 1, c’est donc un boson, et sa masse est nulle.

L’énergie d’un photon de lumière visible est de l’ordre de 2 eV, ce qui est extrêmement faible : un photon seul est invisible pour l’œil d'un animal et les sources de rayonnement habituelles (antennes, lampes, laser, etc.) produisent de très grandes quantités de photons, ce qui explique que la nature « granulaire » de l’énergie lumineuse soit négligeable dans de nombreuses situations étudiées par la physique. Il est cependant possible de produire des photons un par un grâce aux processus suivants :

transition électronique ; transition nucléaire ; annihilation de paires particule-antiparticule.

Historique

Origine du terme « photon »

Les photons ont originellement été appelés « quanta lumineux » (das Lichtquant) par Albert Einstein. Le nom moderne « photon » est dérivé du mot grec qui signifie « lumière », φῶς, φωτός (translittéré phos, photos). Ce nom a été proposé par Frithiof Wolfers dans une note présentée à l'Académie des sciences par Aimé Cotton le 26 juillet 1926 , à propos d'une répulsion que les photons étaient censés subir de la part de la matière. Il a également été mis en avant par le chimiste Gilbert N. Lewis, dans une lettre à Nature datée du 29 octobre et publiée le 18 décembre 1926 , à propos d’une théorie spéculative dans laquelle les photons étaient « incréables et indestructibles ». Bien que ni la théorie de Wolfers ni celle de Lewis ne méritassent beaucoup d'attention, le nouveau nom, photon, fut adopté par la communauté scientifique. Il se répandit d'autant plus rapidement qu'il avait déjà commencé à être utilisé dès 1924, comme en témoignent les publications du bio-chimiste René Wurmser. John Joly avait même déjà proposé le nom de photon en 1921, mais c'était pour désigner l'énergie correspondant à un stimulus élémentaire allant de la rétine au cerveau.

En physique, un photon est représenté par le symbole γ {\displaystyle \gamma \!} , la lettre grecque gamma. L’utilisation de ce symbole pour le photon provient probablement des rayons gamma, qui furent découverts en 1900 par Paul Villard. En 1914, Rutherford et Edward Andrade démontraient que ces rayons gamma étaient une forme de lumière. En chimie et en optique, les photons sont habituellement symbolisés par h ν {\displaystyle h\nu \!} , l’énergie du photon, où h {\displaystyle h\!} est la constante de Planck et la lettre grecque ν {\displaystyle \nu \!} (nu), sa fréquence. À l’occasion, le photon peut être symbolisé par hf, où sa fréquence est identifiée par f.

Développement de la notion de « quanta de lumière »

La description de la lumière a suivi au cours de l’histoire un curieux mouvement de balancier entre une vision corpusculaire et une vision ondulatoire. Dans la plupart des théories jusqu’au XVIII siècle, on considère que la lumière est constituée de particules. Bien que des modèles ondulatoires soient proposés par René Descartes (1637), Robert Hooke (1665) et Christian Huygens (1678), les modèles particulaires restent dominants, en partie en raison de l’influence d’Isaac Newton. Un changement de paradigme a lieu à partir de la mise en évidence des phénomènes d’interférences et de diffraction de la lumière par Thomas Young et Augustin Fresnel au début du XIX siècle, et en 1850 les modèles ondulatoires deviennent la règle à la suite de l'expérience menée par Léon Foucault sur la vitesse de propagation de la lumière. La prédiction par Maxwell en 1865 du fait que la lumière soit une onde électromagnétique, suivie de la confirmation expérimentale de Hertz en 1888, semble porter un coup de grâce aux théories corpusculaires de la lumière.

La théorie ondulatoire de Maxwell ne rend cependant pas compte de toutes les propriétés de la lumière. Cette théorie prédit que l’énergie d’une onde lumineuse dépend seulement de l’amplitude de l’onde, mais pas de sa fréquence ; or de nombreuses expériences indiquent que l’énergie transférée de la lumière aux atomes dépend seulement de la fréquence et non de l’amplitude. Par exemple, certaines réactions chimiques ne sont possibles qu’en présence d’une onde lumineuse de fréquence suffisante : en dessous d’une fréquence seuil, quelle que soit l’intensité incidente, la lumière ne peut amorcer la réaction. De manière similaire, dans l’effet photoélectrique, les électrons ne sont éjectés d’une plaque de métal qu’au-dessus d’une certaine fréquence, et l’énergie des électrons émis dépend de la fréquence de l’onde, et non de son amplitude. Dans le même ordre d’idée, les résultats obtenus à la fin du XIX et au début du XX siècle sur le rayonnement du corps noir sont reproduits théoriquement par Max Planck en 1900 en supposant que la matière interagissant avec une onde électromagnétique de fréquence ν {\displaystyle \nu } ne peut recevoir ou émettre de l’énergie électromagnétique que par paquets de valeur bien déterminée égale à h ν {\displaystyle h\nu } – ces paquets étant appelés des quanta.

Puisque les équations de Maxwell autorisent n’importe quelle valeur de l’énergie électromagnétique, la plupart des physiciens pensaient initialement que cette quantification de l’énergie échangée était due à des contraintes encore inconnues sur la matière qui absorbe ou émet la lumière. En 1905, Einstein fut le premier à proposer que la quantification de l’énergie soit une propriété de la lumière elle-même. Bien qu’il ne remette pas en cause la validité de la théorie de Maxwell, Einstein montre que la loi de Planck et l’effet photoélectrique pourraient être expliqués si l’énergie de l’onde électromagnétique était localisée dans des quanta ponctuels qui se déplaçaient indépendamment les uns des autres, même si l’onde elle-même était étendue continuement dans l’espace. Dans son article, Einstein prédit que l’énergie des électrons émis lors de l’effet photoélectrique dépend linéairement de la fréquence de l’onde. Cette prédiction forte sera confirmée expérimentalement par Robert Millikan en 1916, ce qui lui vaudra – parallèlement à ses expériences sur les gouttes chargées – le prix Nobel de 1923. En 1909 et en 1916, Einstein montre que, si la loi de Planck du rayonnement du corps noir est exacte, les quanta d’énergie doivent également transporter une impulsion p = h / λ {\displaystyle p=h/\lambda } , ce qui en fait des particules à part entière. L’impulsion du photon a été mise en évidence expérimentalement par Arthur Compton, ce qui lui valut le prix Nobel de 1927.

Objections à l’hypothèse des quanta de lumière

Pendant tout le début du XX siècle cependant, la notion de photon reste discutée, principalement en raison de l’absence d’un formalisme permettant de combiner les phénomènes ondulatoires avec les phénomènes corpusculaires nouvellement découverts. Ainsi en 1913, dans une lettre de recommandation en faveur de l’admission d’Einstein à l’académie des sciences de Prusse, Planck écrit :

« Il ne faut pas trop lui tenir rigueur de ce que, dans ses spéculations, il ait occasionnellement pu dépasser sa cible, comme par exemple avec son hypothèse des quanta de lumière. »

De nombreux effets mettant en évidence la nature quantifiée de la lumière peuvent en fait être également expliqués par une théorie semiclassique, dans laquelle la matière est quantifiée mais la lumière est considérée comme un champ électromagnétique classique. Parmi les phénomènes ainsi explicables, on peut par exemple citer l’existence d’un seuil dans l’effet photoélectrique, la relation entre l’énergie de l’électron émis et la fréquence de l’onde, le regroupement des photoélectrons dans un interféromètre Hanbury Brown et Twiss, ainsi que la statistique poissonienne des comptes. Contrairement à une idée répandue, l’effet photoélectrique n’est donc pas la preuve absolue de l’existence du photon (bien que certaines expériences sur l’effet photoélectrique ne puissent cependant pas être expliquées par une théorie semiclassique).

L’expérience de Compton donne une existence plus tangible au photon, puisque ce dernier montre que la diffusion des électrons par les rayons X s’explique bien en attribuant au photon le moment cinétique prédit par Einstein. Cette expérience marque une étape décisive, après laquelle l’hypothèse des quanta de lumière emporte l’adhésion de la majorité des physiciens. Dans une dernière tentative de sauver la variation continue de l’énergie électromagnétique et de la rendre compatible avec les expériences, Bohr, Kramers et Slater développent un modèle basé sur deux hypothèses drastiques :

L’énergie et l’impulsion ne sont conservées qu’en moyenne, mais pas lors des processus élémentaires tels que l’absorption et l’émission de lumière. Cela permet de réconcilier le changement discontinu de l’énergie de l’atome avec les variations continues de l’énergie de la lumière ;

La causalité est abandonnée. Par exemple, l’émission spontanée est simplement une émission induite par un champ électromagnétique « virtuel ».

Cependant, des expériences de diffusion Compton plus précises montrent que l’énergie et l’impulsion sont conservées extraordinairement bien lors des processus élémentaires, et également que le recul de l’électron et la génération d’un nouveau photon lors de la diffusion Compton obéissent à la causalité à moins de 10ps près. En conséquence, Bohr et ses collaborateurs donnent à leur modèle « des funérailles aussi honorables que possible ». Sur le front théorique, l’électrodynamique quantique inventée par P.A.M. Dirac parvient à donner une théorie complète du rayonnement – et des électrons – expliquant la dualité onde-corpuscule. Depuis cette époque, et notamment grâce à l’invention du laser, les expériences confirment de manière de plus en plus directe l’existence du photon et l’échec des théories semi classiques. Il est notamment devenu possible de mesurer la présence d’un photon sans l’absorber, démontrant ainsi de manière directe la quantification du champ électromagnétique, de sorte que la prédiction d’Einstein est considérée comme prouvée.

Prix Nobel en lien avec la notion de photon

Prix Nobel attribués en lien avec la notion de photon :

1918 : Max Planck « in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta »

1921 : Albert Einstein « for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect »

1923 : Robert A. Millikan « for his work on the elementary charge of electricity and on the photoelectric effect »

1927 : Arthur H. Compton « for his discovery of the effect named after him » (partagé avec Charles Thomson Rees Wilson)

1965 : Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger et Richard P. Feynman « for their fundamental work in quantum electrodynamics, with deep-ploughing consequences for the physics of elementary particles »

2005 : Roy J. Glauber « for his contribution to the quantum theory of optical coherence » (partagé avec John L. Hall et Theodor W. Hänsch)

Propriétés physiques

Un diagramme de Feynman de l’échange d’un photon virtuel (symbolisé par la ligne ondulée et le gamma, γ {\displaystyle \gamma \,} ) entre un positron et un électron.

Charge

Le photon n’a pas de charge électrique, les expériences étant compatibles avec une charge électrique inférieure à 1×10 e (anciennes estimations maximales : 5×10 e). Un photon a deux états de polarisation possibles et est décrit par trois paramètres continus : les composantes de son vecteur d’onde, qui déterminent sa longueur d’onde λ et sa direction de propagation. Les photons sont émis à partir de plusieurs processus, par exemple lorsqu’une charge est accélérée, quand un atome ou un noyau saute d’un niveau d’énergie élevé à un niveau plus faible, ou quand une particule et son antiparticule s’annihilent. Des photons sont absorbés par le processus inverse, par exemple dans la production d’une particule et de son antiparticule ou dans les transitions atomiques et nucléaires vers des niveaux d’énergie élevés.

Masse et quantité de mouvement

Le photon est également sans masse, mais possède une quantité de mouvement. Les expériences sont compatibles avec une masse inférieure à 10 kg, soit 5×10 eV/c (des estimations antérieures plaçaient la limite supérieure à 6×10 eV/c et 1×10 eV/c) ; on admet généralement que le photon a une masse nulle.

Pourtant, il semble exister un paradoxe concernant cette notion à l'égard du photon. Ainsi, selon l'équation E = h ν {\displaystyle E=h\nu \!} (où h {\displaystyle h\ \!} est la constante de Planck et ν {\displaystyle \nu \!} la fréquence du rayon électromagnétique) qui permet de calculer l'énergie de toute particule élémentaire, et selon l'équivalence entre l'énergie et la masse donnée par l'équation E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}\!} , on pourrait conclure a priori que le photon présente bien une masse non nulle. Selon cette idée, le photon ultraviolet étant plus énergétique que celui de la lumière visible il aurait ainsi une masse plus grande. Mais l'équation E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}\!} ne s'applique que dans un référentiel où la particule est au repos. Comme le photon a la vitesse c {\displaystyle c} (la vitesse de la lumière dans le vide) dans tous les référentiels, il faut utiliser la forme plus générale de cette équation : E 2 = c 2 p 2 + m 2 c 4 {\displaystyle E^{2}=c^{2}p^{2}+m^{2}c^{4}\!} , qui prend en compte la quantité de mouvement p. Cette équation admet une masse invariable nulle m = 0 {\displaystyle m=0} à condition que E et p soient reliées par E = c•p, ce qui est bien le cas du photon ou de toute particule sans masse.

Spin

Le photon possède également un spin qui est indépendant de sa fréquence, et qui est égal à 1, ce qui autorise a priori trois valeurs pour sa projection : -1, 0 et 1. La valeur 0 est cependant interdite par la théorie quantique des champs, du fait de la masse nulle du photon. L’amplitude du spin est 2 ℏ {\displaystyle {\sqrt {2}}\hbar } et la composante mesurée dans la direction de propagation, appelée hélicité, doit être ± ℏ {\displaystyle \pm \hbar } . Les deux hélicités possibles correspondent aux deux états possibles de polarisation circulaire du photon (horaire et anti-horaire). Comme en électromagnétisme classique, une polarisation linéaire correspond à une superposition de deux états d’hélicité opposée.

Autres propriétés

Le photon est théoriquement stable, avec une limite inférieure de sa durée de vie, déterminée à partir de la limite supérieure de sa masse, de 10 ans.

La lumière monochromatique de fréquence ν {\displaystyle \nu \!} est constituée de photons d’énergie E dépendant uniquement de ν {\displaystyle \nu \!} :

${\displaystyle E=\hbar \omega =h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}}$,

et de quantité de mouvement (ou impulsion) p :

${\displaystyle \mathbf {p} =\hbar \mathbf {k} }$,

où ℏ = h / 2 π {\displaystyle \hbar =h/2\pi \!} (constante de Dirac ou constante de Planck réduite), k {\displaystyle \mathbf {k} } est le vecteur d’onde du photon, d’amplitude k = 2 π / λ {\displaystyle k=2\pi /\lambda \!} et dirigé selon la direction de propagation du photon, et ω = 2 π ν {\displaystyle \omega =2\pi \nu \!} est sa fréquence angulaire. Comme pour les autres particules, un photon peut se trouver dans un état dont l’énergie n’est pas bien définie, comme dans le cas d’un paquet d’onde. Dans ce cas, l’état du photon est décomposable en une superposition d’ondes monochromatiques de longueurs d’onde voisines (via une transformée de Fourier).

Les formules classiques de l’énergie et de la quantité de mouvement des radiations électromagnétiques peuvent être ré-exprimées en termes d’événements reliés aux photons. Par exemple, la pression des radiations électromagnétiques sur un objet provient du transfert de quantité de mouvement des photons par unité de temps et de surface de cet objet.

Lorsqu’ils se déplacent dans la matière, les photons interagissent avec les charges électriques présentes dans le milieu pour donner lieu à de nouvelles quasiparticules ; ainsi, dans un diélectrique, une onde de polarisation coexiste avec l'onde électromagnétique pour donner une onde couplée dont la relation de dispersion est différente ; lorsque cette onde est quantifiée, on obtient des particules qui ne sont pas des photons, mais des polaritons, issus du couplage entre les photons et le champ de polarisation quantifié de la matière. Les polaritons se déplacent moins vite que les photons dans le vide ; schématiquement, on peut dire que le photon se déplace toujours à la même vitesse mais qu'il est absorbé et réémis, un peu plus tard, par les atomes de la matière, ce qui donne l’impression – macroscopiquement – que la lumière ralentit.

Modèles

Bille de lumière

La première image que l’on a du photon est la « bille de lumière », la lumière serait composée de grains qui voyageraient à 299 792 458 m/s (Vitesse de la lumière).

Dans ce modèle, un flux d’énergie lumineuse donné est décomposé en billes dont l’énergie dépend de la longueur d’onde λ et vaut h.c/λ. Ainsi, pour une lumière monochromatique (c’est-à-dire dont le spectre se résume à une seule longueur d’onde), le flux d’énergie est composé en beaucoup de billes « molles » si la longueur d’onde est grande (du côté du rouge), ou de peu de billes « dures » si la longueur d’onde est petite (du côté du bleu) — les qualificatifs « molles » et « dures » sont relatifs à la quantité d’énergie qu’elles comportent.

Si la lumière est composée de plusieurs longueurs d’onde, alors le flux d’énergie se compose de billes de « duretés » diverses.

Cette vision, simpliste selon les normes actuelles, ne permet pas d’expliquer correctement toutes les propriétés de la lumière.

Paquet d’onde

le paquet d’onde, un modèle du photon : on a une onde monochromatique de longueur d’onde λ inscrite dans une enveloppe de largeur finie.

On peut représenter au premier abord les photons par des paquets d’onde : l’onde électromagnétique n’est pas une sinusoïde d’extension infinie, il y a une enveloppe d’amplitude importante encadrée par d’autres enveloppes nettement moins significatives.

Dualité onde-corpuscule

Onde électromagnétique : oscillation couplée du champ électrique et du champ magnétique, modèle du dipôle vibrant. Le vecteur ${\displaystyle {\vec {v}}}$ indique la direction de propagation de l'onde.

Le photon est un concept pour expliquer les interactions entre les rayonnements électromagnétiques et la matière. Comme pour les autres particules élémentaires, il a une dualité onde-particule. On ne peut parler de photon en tant que particule qu’au moment de l’interaction. En dehors de toute interaction, on ne sait pas — et on ne peut pas savoir — quelle « forme » a ce rayonnement. On peut se représenter intuitivement le photon dans le cadre de cette dualité comme une concentration qui ne se formerait qu’au moment de l’interaction, puis s’étalerait, et se reformerait au moment d’une autre interaction. On ne peut donc pas parler de « localisation » ni de « trajectoire » du photon.

On ne peut en fait voir le photon que comme une particule quantique, c’est-à-dire un objet mathématique défini par sa fonction d’onde qui donne la probabilité de présence. Attention à ne pas confondre cette fonction et l’onde électromagnétique classique.

Ainsi, l’onde électromagnétique, c’est-à-dire la valeur du champ électrique et du champ magnétique en fonction de l’endroit et du moment ( E → ( x → , t ) {\displaystyle {\vec {E}}({\vec {x}},t)} et B → ( x → , t ) {\displaystyle {\vec {B}}({\vec {x}},t)} ), a donc deux significations :

macroscopique : lorsque le flux d’énergie est suffisamment important, ce sont les champs électrique et magnétique mesurés par un appareil macroscopique (par exemple antenne réceptrice, un électroscope ou une sonde de Hall) ;

microscopique : elle représente la probabilité de présence des photons, c’est-à-dire la probabilité qu’en un endroit donné il y ait une interaction quantifiée (c’est-à-dire d’une énergie hν déterminée).

光子（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。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，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。

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古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。半古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，而行进的光波仍采古典方法处理；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古典理论明显不同，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）。虽然半古典理论对于量子力学的初始发展做出重大贡献，从于1923年观测到的电子对於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。由于这关键发现，爱因斯坦于1921年获颁诺贝尔物理学奖。

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，例如激光、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，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秉属性，例如质量、电荷、自旋等。光子的自旋为1，因此是玻色子，不遵守包立不兼容原理。

命名

光子起初被爱因斯坦命名为「光量子」。光子的现代英文名称photon源于希腊文 φῶς（在罗马字下写为 phôs），即光的意思。这名称是由物理化学家吉尔伯特·路易斯于1926年在他的一个假设性理论中创建的。在路易斯的理论中，photon指的是一种新种类原子，是光的载子，像原子一般，不能被创造也不能被毁灭。阿瑟·康普顿在一篇发表于1928年的论文里特别提到，路易斯曾经建议使用这术语。在这之前，这术语曾经在不同地方至少有四次被用到过。尽管由于路易斯的理论与大多数实验结果相违背而从未得到公认，photon这术语很快被很多物理学家所采用。 在物理学领域，光子通常用希腊字母 γ（音：Gamma）表示，这一符号有可能来自由法国物理学家保罗·维拉德于1900年发现的伽玛射线，伽玛射线由欧内斯特·卢瑟福和英国物理学家爱德华·安德雷德于1914年证实是电磁辐射的一种形式。在化学和光学工程领域，光子经常被写为 hν，即用它的能量来表示；有时也用 f 来表示其频率，即写为 hf。

物理性质

E为能量；

h为普朗克常数

为约化普朗克常数或称狄拉克常数，；

ν为频率；

ω为角频率，ω = 2πν；

P为动量的大小；

λ为波长；

k为波数。

历史发展

托马斯·杨于1801年进行的双缝干涉实验证实光波动说，同时否定了光微粒说的有力证据。 在17世纪与18世纪时期，在学术界主要有两种论述光的学说：光微粒说与光波动说。根据光微粒说，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移动与反射，但并不能正确地解释折射、衍射等现象。勒内·笛卡尔（1637年）、罗伯特·胡克（1665年）和克里斯蒂安·惠更斯（1678年）等人主张光波动说，认为光是弥漫在宇宙中的乙太所传播的扰动。虽然光波动说可以解释光为什么能够进行直线传播与球面传播，并且解释反射与折射机制，但是无法解衍射机制。当时由于艾萨克·牛顿的权威影响力，光微粒说仍然占有主导地位。十九世纪初，托马斯·杨和奥古斯丁·菲涅耳的实验清晰地证实了光的干涉和衍射特性，并且用光波动说合理解释这些特性。到1830年左右，光波动说已经完全被学界接受。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，这似乎标志着光微粒说的彻底终结。 詹姆斯·麦克斯韦的光的电磁理论将光描述为振动的正交电场和磁场，这一理论在1900年左右似乎已经相当完备，然而电磁理论不能解释所有的实验现象，这导致普朗克、爱因斯坦提出的用E=hν来描述能量最小单位的光量子假说产生。其后的实验表明这种光量子还具有动量，是一种基本粒子：光子概念的诞生，开创了人类对于电磁场量子化的更深入的研究。 然而，麦克斯韦理论下的光的电磁说并不能解释光的所有性质。例如在经典电磁理论中，光波的能量只与波场的能量密度（辐照度）有关，与光波的频率无关；但很多相关实验，例如在光化学的某些反应中，只有当光照频率超过某一阈值时反应才会发生，而在阈值以下无论如何提高辐照度，反应都不会发生。类似的例子还有光电效应实验，只有当照射足够高频率的光束于金属版时，光电子才会被发射出来；光电子的能量只与频率有关，而与辐照度无关。 与此同时，由众多物理学家进行的对于黑体辐射长达四十多年（1860-1900）的研究因普朗克创建的假说而得到终结，普朗克提出任何系统发射或吸收频率为的电磁波的能量总是的整数倍。爱因斯坦由此提出的光量子假说则能够成功对光电效应作出解释，爱因斯坦因此获得1921年的诺贝尔物理学奖。爱因斯坦的理论先进性在于，在麦克斯韦的经典电磁理论中电磁场的能量是连续的，能够具有任意大小的值，而由于物质发射或吸收电磁波的能量是量子化的，这使得很多物理学家试图去寻找是怎样一种存在于物质中的约束限制了电磁波的能量只能为量子化的值；而爱因斯坦则开创性地提出电磁场的能量本身就是量子化的。爱因斯坦并没有质疑麦克斯韦理论的正确性，但他也指出如果将麦克斯韦理论中的经典光波场的能量集中到一个个运动互不影响的光量子上，很多类似于光电效应的实验能够被很好地解释。在1909年 和1916年，爱因斯坦指出如果普朗克的黑体辐射定律成立，则电磁波的量子必须具有的动量，以赋予它们完美的粒子性。光子的动量在1926年由康普顿在实验中观测到，康普顿也因此获得1927年的诺贝尔奖。 爱因斯坦等人的工作证明了光子的存在，随之而来的问题是：如何将麦克斯韦关于光的电磁理论和光量子理论统一起来呢？爱因斯坦始终未能找到统一两者的理论，但如今这个问题的解答已经被包含在量子电动力学和其其后续的标准模型理论中。

早期的反对意见

物质与电磁辐射的相互作用中，动量和能量的守恒定律只有在取平均时才成立，而在吸收或发射的微小元过程中守恒律不成立；这个假设避免了讨论能级跃迁时出现的能量不连续性，而将其理解为连续释放能量的渐变行为。

因果律被抛弃，例如自发辐射的过程只是一种“虚拟的”电磁场导致的辐射。

与物质的相互作用

光子在透明物质中的传播速度要小于其在真空中的速度。例如在太阳内核产生的光子在到达太阳表面的路程中要经过无数次碰撞，到达表面所需时间可达一百万年，而一旦辐射到太空中只需8.3分钟就可到达地球。基于经典电磁理论的波动光学对此的解释是光波的电场引起了物质内部电子的极化，极化场和原有的光电场发生干涉造成波的延迟，这种效应在宏观上表现为几何光学的折射率；而从光量子的角度来看，这个过程可以被描述为光子与处于激发态的物质粒子（准粒子，如声子或激发子）混合成为一个偏振子，偏振子具有非零的有效质量，这意味着它的运动速度不能达到光速。对于不同频率的光，在物质中的运动速度可能是不同的，这种现象叫做色散。偏振子的传播速度是光波的群速，是真正的光波能量的传播速度，由能量对动量的导数给出： 视黄醛在经过恰当波长的光子照射后分子结构会被拉直 公式中变量的意义同前，和是偏振子的能量和动量，和是其角频率和波数。光子与其他准粒子的相互作用能够从拉曼散射和布里渊散射中观测到。 光子也能够被分子、原子或原子核吸收，引发它们能级的跃迁。一个经典的例子是视黄醛（C20H28O，见右图）的分子跃迁，这是由诺贝尔奖得主、生物化学家乔治·沃尔德和他的同事于1958年发现的。光子的吸收甚至能够打破化学键，例如氯的光解过程，这是光化学的研究主题。

光子与量子力学

波粒二象性和不确定性原理 光子和其他量子一样，同时具有波和粒子的双重性质，这种波粒二象性很难直观地说明。在其波长的尺度上，光表现出干涉、衍射等波的现象；例如一个单个光子在进行双缝实验时打到屏上的概率分布与很多个光子（即通常状态下的电磁辐射）集体通过双缝时形成的干涉条纹相同，这种干涉条纹的分布可由麦克斯韦方程组决定。然而，实验证实单个光子并不等同于一个短暂的电磁脉冲，在传播过程中光子不会扩散，穿过光学分束器时也不会分成两个；光子也不是一种传统的粒子，单个光子在双缝实验中的概率分布似乎说明当它穿过双缝之一时“知道”另一条的存在。光子看上去像是一种无尺寸的粒子，原因是它能够被那些尺寸远小于其波长的粒子，例如原子核（10米）和同样无尺寸的电子，整体地吸收或发射。根据我们当前对光子的理解，光子是产生电磁场的原因，而光子本身的存在是局域的规范对称性和量子场论定律的结果。 海森堡的假想实验：通过一个高分辨率的伽玛射线显微镜来确定一个电子位置（用蓝色表示）。入射的伽玛射线（用绿色表示） 被电子散射到显微镜的孔径角θ内，被散射的伽玛射线用红色表示。经典光学告诉我们电子的位置不确定度不可能小于由孔径角和光波波长确定的一个值。 海森堡的不确定性原理，作为量子力学中的一条重要基本法则，指出一个粒子同方向的位置和动量不可能在同一时刻被确定。值得注意的是，对于带有电荷的物质粒子，不确定性原理本身即要求将光量子化为光子，这里需要用到光子的动量和能量与频率的相关性。关于这一点的解说有一个很漂亮的示例，这是海森堡的一个假想实验，讨论的是用一个理想的伽玛射线显微镜去确定一个电子的位置的情形。假设电子的位置确定在显微镜的分辨本领可达的范围之内，这用经典光学表示为 这里θ是显微镜的孔径角。由此得到的位置不确定度可以随着用来观测电子的光波长λ 的减小而变得尽可能小；然而此时由于波长λ的减小，用来观测电子的光子动量增大，这使得光子在电子上发生散射造成电子的动量变得越来越不确定。如果光不是量子化的，则电子的动量不确定度则可以通过减小辐照度来逐渐降低。这种情况是不可能发生的因为同时调节波长和辐照度就相当于能够同时确定位置和动量，这违反了不确定性原理。与之相反的是，爱因斯坦的光量子理论是符合不确定性原理的：当光子被散射到孔径角内，传递的动量不确定度为 这就得到了海森堡不确定性原理，这意味着整个世界都是量子化的，包括物质和场都遵循量子定律。 对于光子类似的一条不确定性原理是说无法同时测量一束电磁波中光子的数量n（参见福克态与下文的二次量子化）和这束电磁波的相位φ，两者不确定度的关系为 详细内容可参考相干态和压缩相干态。 光子的波动性是指经典的电磁波呢，还是量子力学的几率波呢？ 光子和像电子那样的物质粒子都能够在双缝实验中形成类似的干涉条纹。在数学上，干涉条纹分布的计算既可以用经典波动干涉的方法，也能够完全从量子力学波函数的方法推导出。由于单个光子穿过双缝时也会发生干涉，这种干涉很容易让人理解为光子的波函数的几率波干涉；因为这种干涉完全无法用经典电磁理论解释，几率波的概念似乎更接近光子波动性的本质。不过一般教材在讨论光子的波动性时只使用经典电磁理论，而物质粒子的波动性只使用波动力学，这涉及到在物理学界光子的波函数本身仍然是一个有争议的概念。经典波动来自麦克斯韦方程组，而波函数来自薛定谔方程，但大多数物理学家都不认为这意味着对于光子而言麦克斯韦方程是薛定谔方程的简化形式，原因是通常意义下的薛定谔的几率波函数概念无法应用到光子上，光子的波函数无法拥有非相对论波动力学中薛定谔方程的所有性质。光子没有质量，无法定域化一个光子，这造成光子没有一个定义完备的位置本征态，不确定性原理的一般形式 对于光子而言没有定义。尽管现在有一些创建光子波函数的尝试，这些都没有得到广泛认可和应用。现在被普遍接受的观点是光子的二次量子化理论，即在量子电动力学中，光子是量子化的电磁场激发模式。 玻色-爱因斯坦光子气体模型 1924年，萨特延德拉·纳特·玻色在没有借助电磁理论的情形下推导出了普朗克的黑体辐射定律，他所用的方法是对相空间内粗粒计数（coarse-grained counting）的修正。爱因斯坦证明了这种修正等价于认为光子是严格的全同粒子，并暗示了一种“神秘的非定域的相互作用”，这种相互作用在今天被理解为量子力学对称态的要求。此项工作引出了相干态的概念，并导致了激光的发展。爱因斯坦将玻色的结构体系推广至物质粒子（玻色子），并预言它们在足够低的温度下会凝聚到能量最低的量子态上；1995年，人们在实验中成功实现了玻色-爱因斯坦凝聚态。 如果电磁场的线性叠加原理成立，光子必须服从玻色-爱因斯坦统计。（整数自旋的粒子是玻色子，而1/2奇数倍自旋的粒子是费米子；自旋统计定理的结论是所有玻色子服从玻色-爱因斯坦分布，而所有费米子服从费米-狄拉克分布，或是说它们受到泡利不兼容原理的制约，每一个量子态上最多只能有一个费米子。）简单说来，假使光子是费米子，则激光不可能在任意辐照度下同时辐射出大量处在同一状态的具有相同运动方向的相干光子，因此光子只能是玻色子。 受激辐射和自发辐射 受激辐射（是一个光子“克隆”其自身的过程）是由爱因斯坦在用速率方程的方法推导 E=hν时预言的，这一工作引领了激光的发展，也驱动了研究光的本性的一系列量子方法的产生，如半经典理论和量子电动力学 1916年，爱因斯坦发现普朗克的量子假说能够从一个速率方程中导出。假设有一个处于热平衡状态的空腔，内部充满了能够被系统吸收或发射的电磁辐射。热平衡状态要求系统中具有频率的光子的数密度为不随时间变化的常数，这样系统发射光子的速率一定等于吸收光子的速率。 爱因斯坦假设一个系统从低能级向高能级跃迁时吸收频率为的光子的速率与处于低能级的分子数，以及周围具有此种频率的光子数密度成正比： 其中是系统的吸收系数。 爱因斯坦还进一步假设从高能级向低能级跃迁时发射频率为的光子的反向速率由两项组成： 其中是与系统自发辐射的系数，而是受激辐射的系数。爱因斯坦证明在系统处于热平衡时，普朗克的量子假说是这些假设成立的必然结果，并且这与系统的材料组成无关。 这一运动学模型相当简单而颇含物理意义。爱因斯坦还证明了系统的吸收系数等于受激辐射的系数；以及可能更值得注意的一个关系： 爱因斯坦没有尝试给出系数的形式从而进一步完善这个理论的速率方程，但他指出和的形式应该能够从“经修正能够适用于量子假说的力学和电动力学”中推导出，这一预言已经分别在量子力学和量子电动力学中得到证实，计算这些系数的确需要借助这两者包含的第一性原理。保罗·狄拉克在1926年用半经典近似的方法得到了的形式，其后在1927年通过第一性原理推导出了所有系数的形式。狄拉克的工作是量子电动力学的基石，这种电磁场的量子化又叫做二次量子化或量子场论，这是相对于早期的量子力学所研究的在势阱中运动的物质粒子的量子化（代表着“一次量子化”）而言的。 爱因斯坦曾为他这一理论的不完整性所困扰，因为方程并没有给出自发辐射光子确定的运动方向，而今天我们知道自发辐射的光子不存在确定的运动方向，只存在某些特定的几率，这是量子力学的统计诠释的结果。最早去思考光微粒运动的概率本性的人是牛顿，他在处理双折射问题，以及光在界面上部分反射部分折射的问题时做出假设：在光微粒中有某些未知的变量决定了光微粒将走哪条路径。类似地，爱因斯坦也寄希望于能找到一个更完备的理论，从而能够完全消除这种不确定性，他和量子力学由此开始分道扬镳。具有讽刺意味的是，马克斯·玻恩却受到爱因斯坦试图完善这一理论的启发，创建了波函数的统计诠释。由全同玻色子组成的孤立系统，处于热平衡时，分布在能级εi的粒子数为，Ni＝gi/（e^(α+βεi）-1）。α为拉格朗日乘子、β＝1/（kT），由体系温度，粒子密度和粒子质量决定。εi为能级i的能量，gi为能级的简并度。

光子与量子场论

二次量子化 不同的“电磁波模式” 可以被认为是彼此独立的谐振子，一个光子对应着该种模式的对应能量的最小单位 1910年，彼得·德拜从一个相对简单的假设推导出了普朗克的黑体辐射定律。他成功地将一个谐振腔内的电磁场分解成其傅立叶模式，并假设了每一种模式的能量都是的整数倍，将这些模式求和就得到了黑体辐射定律。不过，德拜的方法没有能够给出爱因斯坦于1909年得到的黑体辐射能量涨落公式的正确形式。 1925年，马克斯·玻恩、海森堡和帕斯库尔·约当对德拜的概念做了关键性的重新阐述。在经典理论中就可以证明，电磁场的傅立叶模式，这个由其波矢k和偏振态标记的平面电磁波的一组完备集合，和无耦合的谐振子的一组集合等价。在量子力学中，这组谐振子的能级可用表示，是谐振子的频率。而下一个关键步骤就是证明电磁场的每一种傅立叶模式的能级都对应可用表示的具有n个光子的一个态，每一个光子的能量是。这种方法给出了正确的能量涨落公式。 在量子场论中，一个可观测事件的概率来源于对所有可能过程的概率振幅（一个复数）求和。在这里的费曼图中，概率等于振幅之和的模的平方 狄拉克在此基础上做了进一步推导，他将一个电荷和电磁场的相互作用处理为引起光子能级跃迁的微扰，能级跃迁造成了光子数量的变化，但总体上系统满足能量和动量守恒。狄拉克成功地从第一性原理导出了爱因斯坦系数和的形式，并证明了光子的玻色-爱因斯坦统计是电磁场量子化的自然结果（玻色的推导过程正好相反，他在假设玻色-爱因斯坦统计成立的条件下导出了普朗克公式）。在狄拉克的时代，人们还不知道包括光子之内的所有玻色子都服从玻色-爱因斯坦统计。 狄拉克的二阶微扰理论会涉及到虚光子，虚光子可以认为是极短暂的电磁场的中间态，如静电场或静磁场中的相互作用就是由虚光子来传递。在量子场论中，可观测事件的概率振幅是由对所有可能的中间态求和得到的，包括那些没有物理意义的态。这样虚光子并没有如这样公式的约束，而且可能会存在两个以外的偏振态，在某些规范条件下光子可能会有三个甚至四个偏振态。尽管虚光子不能被观测到，它们对可观测事件的概率的贡献是可以测量到的。当然，二阶微扰以及更高阶的微扰在数学上会使求和的结果无限大，对于这种不存在物理意义的结果解决的技巧是重整化。其他种类的虚粒子也能够对求和产生贡献，例如在两个光子的相互作用中的虚电子-正电子对。 在现代物理的符号系统中，电磁场的量子态是用一个福克态来表示，这是每一种电磁场模式对应的量子态的张量积： 这里表示的量子态意为有个光子处于模式下。在这种符号系统中，模式下产生一个新光子的过程被记做。这只是波恩、海森堡和约当的概念的一种数学表述，并没有更多的物理内容。 光子：规范玻色子 电磁场可用规范场论来理解为要求时空中每一个位置都满足对称性要求的结果。对于电磁场，这种规范对称性是复数的局域阿贝尔U(1)对称性，复数代表着可以自由改变其相位，而不改变其实数部分，例如能量或拉格朗日量是复数的实部。 在对称不破缺的前提下，阿贝尔规范场的量子必须是无质量的、不带电荷的玻色子，因此理论预言光子为无质量无电荷并带有整数自旋的粒子。电磁相互作用的形式决定了光子的自旋一定为±1，即Helicity一定为，对应着光子经典概念中的左旋和右旋；而虚光子也可能会具有无物理意义的其他自旋态。物理学家一直在致力于检查实验结果和标准模型的预言相矛盾之处，特别是从实验中计算光子所带电荷和内秉质量的上限，任何一个值非零都是对标准模型致命的破坏。然而，目前为止所有实验都证明光子具有的电荷和内秉质量为零，现今最为广泛接受的上限值分别为5×10库仑（3×10倍基本电荷）和1.1×10千克（6×10 电子伏特）。 在流行的标准模型中，光子是弱电相互作用的四个规范玻色子之一，其他三个是参与弱相互作用的W, W和Z，它们都具有内秉质量，因此需要一种SU(2)规范对称破缺的机制来解释。光子和W、Z玻色子的电弱理论是由格拉肖、萨拉姆和温伯格完成的，三人因此项工作获得1979年的诺贝尔物理学奖。而大统一理论的创立，是物理学家试图将这四种规范玻色子和传递强相互作用的八种胶子规范玻色子联系起来的尝试；然而大统一理论的一些关键性预言，例如质子的衰减，还没有在实验中得到证实。 光子的结构 所谓光子结构的测量，在量子色动力学中是指观测光子场的量子涨落，这种能量涨落用一个光子的结构方程来描述。目前对光子结构的测量一般都依赖于对光子与电子，以及正负电子的对撞时的深度非线性散射的观测。 对系统质量的贡献 当一个系统辐射出一个光子，从相对系统静止的参考系来看，能量相应地降低了一个光子对应的能量，这造成系统质量降低了；同样地，系统吸收光子时质量也会增加相应的值。 这一概念被应用于狄拉克发起的理论——量子电动力学的关键性预言中。在这理论里，电子（或更普遍性的，轻子）的质量被修正，将虚光子的质量贡献纳入计算，应用到重整化技术。这种「辐射修正」在量子电动力学里给出一些预言，例如，轻子的磁偶极矩、兰姆位移、束缚轻子对的超精细结构（例如μ介子素或电子偶素）。 既然光子对能量-动量张量有贡献，根据广义相对论它们也会产生引力场。反过来，光子本身也会受到引力场的作用，在弯曲的时空中它们的路径也会发生弯曲，在**中这被应用为引力透镜。在强引力场中运动时光子的频率会发生引力红移，这一点已经在庞德-雷布卡实验中得到证实。当然，这些效应并不仅限于光子，而对经典的电磁波同样成立。

技术应用

这里讨论的是光子在当今技术中的应用，而不是泛指可在传统光学下应用的光学仪器（如透镜）。激光是二十世纪光学最重要的技术之一，其原理是上文讨论的受激辐射。 对单个光子的探测可用多种方法，传统的光电倍增管利用光电效应：当有光子到达金属板激发出电子时，所形成的光电流将被放大引起雪崩放电。电荷耦合组件（CCD）应用半导体中类似的效应，入射的光子在一个微型电容器上激发出电子从而可被探测到。其他探测器，如盖革计数器利用光子能够电离气体分子的性质，从而在导体中形成可检测的电流。 普朗克的能量公式经常在工程和化学中被用来计算存在光子吸收时的能量变化，以及能级跃迁时发射光的频率。例如，在荧光灯的发射光谱的设计中，会使用拥有不同电子能阶的气体分子，然后调整电子的能量并且用这些电子去碰撞气体分子，这样，可以得到想要的荧光。 在某些情形下，单独一个光子无能力激发一个能级的跃迁，而需要有两个光子同时激发。这就提供了更高分辨率的显微技术，因为样品只有在两束不同颜色的光所照射的高度重叠的部分之内才会吸收能量，而这部分的体积要比单独一束光照射到并引起激发的部分小很多，这种技术被应用于双光子激发显微镜中。而且，应用弱光照射能够减小光照对样品的影响。 有时候两个系统的能级跃迁会发生耦合，即一个系统吸收光子，而另一个系统从中“窃取”了这部分能量并释放出不同频率的光子。这是荧光共振能量传递的基础，被应用于分子生物学来研究蛋白质与蛋白质之间的相互作用.。

近期研究

量子光学是物理光学中相对于波动光学的另一个分支。未来超快的量子计算机的基本运算元素可能是光子，而在这方面重点研究的对象是量子缠结态。非线性光学是当前光学另一个活跃的领域，它研究的课题包括光纤中的非线性散射效应、四波混频、双光子吸收、自相位调制、光学参数振荡器等。不过这些课题中并不都要求假设光子的存在，在建模过程中原子经常被处理为一个非线性振子。非线性效应中的自发参量下转换经常被用来产生单光子态。光子是光通信领域某些方面的关键因素，特别是在量子密码学中。