定义
光能量子。
当微弱的光束击中敏感的光电探测器时，发现能量以小束的形式传递，而不是连续的。 这可以解释为光束由小束能量组成，称为光子或光量子（德语“Lichtquanten”=部分光）。 光子能量为hν=h c/λ，即普朗克常数h与光学频率ν的乘积，也与真空波长λ有关。
光由这种能量束组成的想法已经在20千世纪由马克斯·普朗克在热辐射的背景下，以及阿尔伯特·爱因斯坦在研究光电效应时。 然而，光子一词仅在1926年由物理化学家吉尔伯特·N·刘易斯[1]创造。
尽管将光子作为光粒子的“幼稚”解释为直观理解许多量子现象提供了有用的图景，但在不了解其局限性的情况下应用它可能会产生严重误导。 现代量子光学实现了对光本质的一致且非常强大但肯定不是简单的描述。 在这里，光子被视为电磁量子场的基本激发。 该理论将相当奇怪的性质归因于光子，这些性质既不能与简单的粒子图片或纯波图片调和，但可以准确地匹配广泛的观测结果。
光子的一些关键性质
能量的输送是量化的。
- 当光与原子或其他粒子相互作用时，只有光子能量hν的整数倍的能量才能转移到光场或从光场转移。 这可以很容易地解释为吸收或发射一定数量的光子，因此到目前为止与光子的简单粒子图像兼容。 只有当所涉及的原子、离子或分子能够接受如此多的能量时，即只有当它们具有量子机械能级，其能量差对应于光子能量，或者在某些情况下是光子能量的整数倍（→双光子吸收）时，这种过程才有可能。 纯波图可以解释这些能量约束为共振效应，但不能解释交换能量的量子化。
- 能量量子化在与敏感光电探测器的相互作用中也很明显，这允许光子计数，即记录单光子吸收事件。 这在科学和技术的各个领域都有应用。
特别的破坏性干涉与简单的粒子模型不兼容。
- 光的传播（例如在自由空间或波导中）是波场的传播。 在空间和时间的某个点产生的量子力学场振幅是对应于光的不同可能路径的贡献的叠加。 这些贡献可以相互干扰或破坏性干扰，这是众所周知的光学干涉效应的基础。 在某个位置探测光子的可能性或速率与量子力学场振幅的模平方成正比，因此，如果不同的场贡献相互抵消，导致整体场弱，则可能会受到抑制。 纯粒子图很难与这种现象相协调。 例如，在经典的双缝实验中，普通粒子必须穿过两个狭缝中的一个，而另一个狭缝将无关紧要；无法解释为什么粒子只有在其中一个狭缝被阻挡时才能到达双狭缝后面的某些位置，而当两个狭缝都打开时则不能（相消性干涉）。
- 光子的静止质量为零，因此不能减慢速度或使其静止。 存在“慢光”现象，但这些现象仅发生在介质中的光中，其中电磁场与物质强烈相互作用。
- 光子可以携带两种不同形式的角动量：由它们的自旋（s= 1）产生，也可以作为与相应电场分布相关的轨道角动量。
- 由于其玻色性质，光子服从玻色-爱因斯坦统计（与电子的费米-狄拉克统计相反）。 多个光子“喜欢”填充相同模式的辐射场。 例如，在受激发射过程中可以看到这一点（因此对于激光也非常重要），也可以在热激发辐射（黑体辐射）的能谱中看到。
- 光子可以以纠缠态发生，其中某些性质（例如偏振）在不同的光子之间相关，即使这些性质仅在执行测量时才获得确定的值。 由于对不同光子的测量可以在不同的地方进行，这似乎意味着信息的超光速传输的可能性（爱因斯坦 - 波多尔斯基 - 罗森悖论），但仔细检查表明实际上情况并非如此。
当然，量子理论可以应用于任何类型的电磁波现象，而不仅仅是可见光。 然而，量子效应并不像在光学和激光技术领域那样重要，例如在无线电技术领域。 这是因为无线电波的光子能量与热能相比非常小。kB T在室温下，而光学现象则相反。
激光物理学中的光子
激光物理学中的各种现象，例如受激发射作为激光增益介质中光放大的基础，通常基于光子进行解释。 然而，激光物理学的大部分可以用纯粹的经典图片来描述，不涉及光子；例如，光放大可以用涉及激发数和经典光波振幅或强度的速率方程模型来描述。
离散光子“解释”光的强度波动，但综合模型比简单的图片要复杂得多。
然而，在激光噪声的背景下，光子的更强参与是很自然的，或者更普遍的光学噪声。 例如，激光的高频强度噪声通常处于散粒噪声水平，其大小与完全随机到达（不相关）光子的简单模型兼容。 对于光的挤压状态，可以观察到较低（亚散射噪声）强度的噪声，这可以解释为光子变得相关，使得它们以更规则的方式到达。 挤压和许多其他现象的计算通常不是基于简单的粒子图片，而是基于成熟的量子力学或涉及振幅和相位波动的简化半经典模型，这些模型必须遵守某些规则。
参考文献
[1] G. N. Lewis, “The conservation of photons”, Nature 118, 874 (1926), doi:10.1038/118874a0
[2] R. A. Beth, “Mechanical detection and measurement of the angular momentum of light”, Phys. Rev. 50 (2), 115 (1936), doi:10.1103/PhysRev.50.115
[3] R. Hanbury Brown and R. Q. Twiss, “Correlation between photons in two coherent beams of light”, Nature 177, 27 (1956), doi:10.1038/177027a0
[4] C. K. Hong, Z. Y. Ou and L. Mandel, “Measurement of subpicosecond time intervals between two photons by interference”, Phys. Rev. Lett. 59, 2044 (1987), doi:10.1103/PhysRevLett.59.2044
[5] G. Molina-Terriza, J. P. Torres and L. Torner, “Twisted photons”, Nat. Phys. 3, 3050 (2007), doi:10.1038/nphys607
[6] K. E. Ballantine, J. F. Donegan and P. R. Eastham, “There are many ways to spin a photon: Half-quantization of a total optical angular momentum”, Science Advances 2 (4), e15ß1849 (2016), doi:10.1126/sciadv.1501748
[7] K. Tschernig et al., “Direct observation of the particle exchange phase of photons”, Nature Photonics 15, 671 (2021), doi:10.1038/s41566-021-00818-7
[8] C. Cohen-Tannoudji, J. Dupont-Roc and G. Grynberg, Photons and Atoms: Introduction to Quantum Electrodynamics, Wiley, New York (1997)
[9] C. Roychoudhuri, A. F. Kracklauer, and K. Creath (eds.), The Nature of Light. What is a Photon?, CRC Press, Boca Raton, FL (2008)
