光子

传递电磁相互作用的基本粒子

光束是由一粒一粒运动着的粒子流组成，这种粒子被称为光子（Photon），也叫光量子。它是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子，在1905年由爱因斯坦提出，并在其光量子理论中成功解释了光电效应。

概念

光子（Photon），别名光量子，是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。它是电中性的，静止时无质量，在真空中的以光速传播，具有能量、动量和自旋等特性。

光子的概念最初由爱因斯坦在1905年提出，用于解释光电效应现象。后由物理化学家吉尔伯特·路易士在他的一个假设性理论中命名为光子，英文名称photon，在路易士的理论中，photon指的是辐射能量的最小单位，其“不能被创造也不能被毁灭”。尽管由于这一理论与大多数实验结果相违背而从未得到公认，photon这一名称却很快被很多物理学家所采用。

光子的发展

1900年，普朗克提出能量子假说，认为能量不是连续变化的，而是由一个个离散的能量子组成，每个能量子的大小与频率成正比。普朗克从理论上推导出了一个与实验符合得非常好的公式，即普朗克公式，用于描述黑体辐射的频率分布。这个公式的前提是假设黑体是由带电谐振子组成，这些谐振子的能量只能取某些基本能量单位的整数倍，这一假设成功解释了黑体辐射现象，标志着量子论的诞生。

1905年，爱因斯坦发展了普朗克的量子说。他认为，电磁辐射在本质上就是一份一份不连续的，无论是在原子发射和吸收它们的时候，还是在传播过程中都是这样。爱因斯坦提出了光子的概念并利用普朗克能量子假说成功解释了光电效应，证明了光的粒子性，这成为爱因斯坦获得1921年诺贝尔物理学奖的主要理由。

1923年，康普顿通过X射线散射实验进一步证实了光的粒子性。实验发现，X射线经物质散射后，波长发生变化，这与经典电磁理论不符，但可以用光量子假说解释。康普顿效应的成功验证，使光量子假说得到了广泛认可。

早期光量子理论是20世纪物理学的重要里程碑，通过一系列实验和理论探索，揭示了光的波粒二象性，为物理学的发展奠定了坚实基础。

光子的性质

静止态

理论上光子静止时的质量为零，这意味着它们不能像其他有质量的物体那样静止不动。光子的运动是恒定的，不受外力影响而改变速度或方向，除非它们被吸收或散射。

尽管科学家通过精密实验设备尝试测量光子的静止质量，但迄今为止的实验结果都表明光子的静止质量极其微小，不会超过10的负54次方千克，这一结果是之前已知的光子质量上限的1/20。

运动态

光子的能量和动量仅与光子的频率有关（或说与波长有关，波长越短,能量和动量越高）。光子的能量E=hv，其中h为普朗克常数，v为光子的频率。光子的动量p=hv/c，其中c为光速。

波动性

光子表现出经典波的折射、干涉、衍射等性质。当两束或多束相干光波相遇时，它们会相互叠加并产生干涉图样，这是波动性的典型表现。在双缝干涉实验中，光通过两个狭缝后在屏幕上形成明暗相间的干涉条纹。当光遇到障碍物时，如小孔、狭缝或棱边，它会发生弯曲和扩散，这种现象称为衍射。衍射是波动性的另一个重要特征，它表明光可以绕过障碍物的边缘继续传播。

粒子性

当光线照射到金属表面时，金属会发射出电子，这种现象称为光电效应。X射线被物质中的电子散射后，频率发生改变，这种现象称为康普顿散射。它进一步证实了光子具有动量，从而支持了光的粒子性观点。照射到金属表面的光能使金属中的电子从表面逸出，这一现象不仅体现了光的粒子性，还表明光子像其他粒子一样具有能量和动量。实际上，光对物体表面施加的压力可以在宇宙尺度上产生显著效应，如太阳光对彗星尾巴的排斥作用。

偏振态

光子具有两种可能的偏振态，分别是线偏振态和圆偏振态，这决定了它的某些物理性质，如在与物质相互作用时的行为。在光的传播过程中，如果光矢量的方向保持不变，这种光称为线偏振光。其特点是偏振面为一固定平面，即光波中电场E分量始终在一个固定的平面内振动。当光矢量端点的轨迹为圆形时，这种光称为圆偏振光。圆偏振光分为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，这取决于光矢量旋转的方向。

不可见性

大部分光其实都对人眼不可见，“颜色”只是我们大脑对光线波长的一种“翻译”。我们能看到的有色光，仅仅是完整的电磁波谱中的一小部分。红光是波长最长的可见光，如果把它的光波继续拉长，就会得到红外线、微波（包括做饭用的微波哦）和无线电波。而比紫光更短的波，则包括紫外线、X射线和伽马射线。

量子纠缠

当两个或多个光子以某种方式相互作用后，它们的状态就会紧密关联起来，即使它们被分隔到宇宙的两端，只要测量其中一个光子的状态，另一个光子的状态也会立即确定，仿佛它们之间存在某种“超距作用”。这种现象就是量子纠缠，它可是量子力学的核心特性之一。

光子的产生

光子能够在很多自然过程中产生，例如在分子、原子或原子核从高能级向低能级跃迁时，电荷被加速的过程中会辐射光子，粒子和反粒子湮灭时也会产生光子。

热辐射

原理：物体因自身温度而向外辐射电磁波，温度升高时，辐射能量增加，其中包含光子。如太阳表面温度约 5500℃，其内部核聚变产生的能量使太阳表面物质受热激发，从而以热辐射形式产生光子，向四周传播。

特点：所产生光子的能量分布连续，不同温度的物体辐射光子的波长和强度不同，温度越高，短波长光子的比例越大。

通电

原理：通过电流通过半导体材料等，使电子与空穴复合，多余能量以光子形式释放。像发光二极管（LED），在正向电压作用下，P 区和 N 区的多数载流子扩散复合，产生特定波长的光子。

特点：可通过选择不同材料和控制电流等，产生不同颜色和强度的光子，具有高效、节能、寿命长等优点。

吸光

原理：物质吸收光子能量后，电子跃迁到高能级，处于激发态的电子不稳定，会跃迁回低能级并发射出光子。如荧光物质在吸收紫外线后，电子跃迁，随后在较短时间内发射出波长较长的可见光光子。

特点：所产生光子的波长与激发光波长不同，具有荧光寿命等特性，可用于荧光标记、显示等领域。

放射性衰变

原理：某些放射性核素在衰变过程中，会发射出γ射线，γ射线是一种高能电磁波，由高能量的光子组成。如钴-60 发生β衰变后，处于激发态的镍-60 核会通过发射γ射线的光子回到基态。

特点：所产生的光子能量高、穿透性强，在医学成像、工业探伤等领域有重要应用。

光子的主要应用

量子计算领域

光子计算机研发：如玻色量子的相干光子计算机，其求解速度比经典优化算法平均加速超过100倍，可用于车辆出行路线规划、人工智能大模型训练等。还有Quix Quantum基于氮化硅波导技术开发的量子光子处理器，成为欧洲光子量子计算的标准配置之一，未来有望应用于个性化医疗、自动驾驶汽车和能源储存等领域。

分布式量子计算探索：中国科学技术大学郭光灿院士团队实现了跨越7公里的分布式光子计算，通过量子纠缠实现节点间信息传输和计算结果同步，为大规模量子计算网络的构建提供了可能，未来在通信、金融、科学研究等领域有广阔应用前景。

量子通信领域

量子密钥分发应用：利用单光子的量子态进行信息编码和传输，基于量子态的不可克隆原理和测量坍缩特性，确保通信的无条件安全性，已在金融、政务等对信息安全要求极高的领域得到应用，保障信息传输的保密性和完整性。

量子安全通信网络建设：Kets量子公司的集成光子学芯片，可在多种具挑战性的环境中部署量子安全通信系统，并与空客等合作展示了无人驾驶飞行器和地面站之间的量子安全通信，推动了卫星量子密钥分发的发展。此外，“建立一个标准化的量子安全网络架构”项目致力于开发跨大西洋的QKD通信网络。

量子模拟领域

通过操控光子的状态来模拟复杂的物理系统和量子现象，如中国在光子行走领域取得重要进展，实现了开放光子行走的高效机器学习，为研究量子多体问题、拓扑物态等前沿物理问题提供了新方法，有助于材料科学、凝聚态物理等领域的研究。

量子传感领域

利用光子的相干性和纠缠特性，可实现高精度测量和传感。如量子雷达利用子纠缠特性提高探测精度和分辨率，更准确地探测和识别目标；量子重力仪通过光子干涉等原理实现对微小重力变化的高精度测量。

材料科学领域

光子计算可模拟材料的电子结构和动力学性质，帮助科学家理解材料性能和行为，从而指导材料的优化和设计。还可用于材料的虚拟筛选，筛选出具有特定性能的材料候选者，加速材料发现和设计，推动材料科学的创新和发展。

医疗健康领域

光子血液疗法：即紫外线照射并同步充氧血液回输疗法（简称UBI），光子血液疗法,即紫外线照射并同步充氧血液回输疗法(简称UBI)。此法是指抽取病人少量静脉血或同型库存血,在体外经专门波段的紫外线照射及充氧后，再输回病人体内以达到治病的一种治疗方法。因其对多种疑难疾病有效,而且操作简便、安全、无副作用。是当前国内外普遇应用的新技术，国外临床应用已久，主要用于治疗感染性疾病、缺血缺氧性疾病、中毒性休克等。

我国开展UBI始于1986年,自1988年粟秀初教授首次报道UBI治疗4例脑病(中毒性脑病、散发性脑炎、出血性脑病、脱鞘性脑病)获得成功之后,引起了国内医学界的广泛重视。随着 UBI的不断推广应用,我国在临床应用和实验研究等方面均取得了显著进展，UBI对心脑血管疾病、代谢疾病、血管免疫疾病等有一定疗效，还可应用于恶性肿瘤的防复发及防转移治疗。

医疗美容领域

光子嫩肤：通过强脉冲光技术，刺激皮肤胶原蛋白增生，改善皮肤质地，减少皱纹和细纹，使皮肤更加紧致有弹性，还能促进新陈代谢，收缩毛孔，让皮肤更光滑细腻，对于色素斑、红血丝等问题也有一定的改善作用。

光子祛斑：利用特定波长的激光或强脉冲光，将能量传递到皮肤深层，破坏色斑中的黑色素细胞，使黑色素分解成小颗粒后被身体代谢掉，可有效去除雀斑、晒斑、黄褐斑等各种色斑，改善皮肤色泽。

光子脱毛：毛囊中的黑色素会选择性地吸收特定波长的光子能量，产生热效应使毛囊凝固坏死，从而达到永久性去除毛发的效果，且不损伤皮肤及汗腺，常见的如利用810纳米光进行脱毛。

光子治疗痤疮：其产生的光热效应可高效杀灭痤疮丙酸杆菌，减少痤疮的炎症反应，同时促进皮肤修复，使表皮恢复平整光滑，对改善痤疮问题有较好的效果。

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