光子理论的诞生，对物理学乃至整个自然科学，都产生了极其深远的影响。
虽然光子理论是爱因斯坦提出来的，但连他自己也搞不明白什么是光子，这可不是我在这儿信口开河，请看他在1951年说过的一段话：
“All these 50 years of pondering have not brought me any closer to answering the question,‘what are light quanta?’ These days every Tom, Dick and Harry thinks he knows it，but he is mistaken.”
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翻译过来就是：
“什么是光量子？50年来我一直在认真思考着这个问题，可是哪怕连一步都没有接近答案。眼下像汤姆、迪克和哈利这样的人，都以为他们了解光量子，其实全都是错的！”
“汤姆、迪克和哈利”是谁？他们就是“张三、李四和王五”。爱因斯坦没有指名道姓，但却囊括了所有人。在他眼里，没有人能真正理解什么是光子，包括他自己。
爱因斯坦在1955年就去世了，也就是说他研究了一辈子也没有弄明白什么是光子。他是在开玩笑吗？你对光子的性质了解越多，你就越会发现爱因斯坦绝不是在开玩笑。光子的性质实在是太让人费解了。
5.1 光与电磁波：剪不断理还乱
人们早已认识到，电磁波与光就是同一事物的两种不同叫法，当然这儿的光指的是广义的光，并不是指可见光。人们把光分为很多波段（见图5-1），比如波长400~700nm 的光是可见光，也就是人类肉眼能识别的电磁波；波长0.01~10nm 的光是X 射线，等等。
电磁波的波长λ 和频率ν 的乘积是光速c，即
νλ=c
也就是说，光的频率越高，波长就越短；频率越低，波长就越长。
电磁波的所有波段都是靠E=hν的光子来携带能量的，只不过不同波段ν 不同，光子的能量也不同而已。光子就是分立的电磁波载体粒子。
你也许会说，光就是电磁波，这也没什么呀。可是如果你再仔细想想，就会发现光子是个很奇怪的东西。
光子是携带电磁波能量的点粒子，但是由它组成的电磁波却能弥散在空间中。我们想象中的在空间中振荡的电磁波，其实不过是一个个光子的飞行；但电磁波却能绕过与其波长相近的障碍物前进，比如无线电波就能绕过大楼传播，那么光子是怎么从大楼中通过的？绕过去还是穿过去？
如果是绕过去，那这些粒子是如何判断前方有障碍物并从直线飞行改成绕射的？电磁波的传播速度和光子的运动速度相同，都是光速c（约30 万km/s），如果光子发生绕射而电磁波还在以光速传播，那么光子在绕射时岂不是超过了光速？如果是直线穿越，光子是如何保证不被吸收的？
在经典电磁波理论里，电磁波是由交变的旋涡磁场和旋涡电场相互激发，在空间传播而形成的。简单来说，它是靠振荡的电场和磁场来传播的，而且电磁波是横波。电磁波完全可以用振动的传播来描述其性质，但它却并非振动而是光子流！又该如何理解二者的统一性呢？
亲爱的读者朋友，看到这儿，你会不会觉得有点头晕眼花呢？是不是觉得原先很清晰的光子形象变得模糊起来了呢？
5.2 波动光学与量子光学：为什么有两种？
光既是由光子组成的粒子流，又是电磁波，于是在光学领域就出现了两种光学分支：经典的电磁波理论（波动光学）与量子光学。
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目前，大部分的光学现象可以很好地用经典的麦克斯韦电磁波理论进行解释，而无须量子的观点。物理学家们已经开始研究亚波长尺度的金属特殊结构内的光学现象。
但是，无论将金属的特殊结构尺度做得多么小，使其远远小于光的波长甚至处于纳米量级，其光场的特性都可以用经典的麦克斯韦方程组正确并且完整地描述，而无须借助量子光学。在小尺度上电磁波理论也能胜任，这又是令人困惑的。
然而，还有一小部分光学现象是电磁波理论解释不了的，比如激光理论中涉及光子的发射与吸收的一些实验现象。这些实验现象就要用光子理论来解释，从而发展出一个新的光学分支——量子光学。
量子光学。图片来自网络
对于一些光学现象，人们理所当然地使用经典电磁波理论来处理，而对于另一些光学现象，人们又心安理得地用量子光学来处理。两种理论互不干涉，各用各的，可是，它们的研究对象却是同一种东西——光。
既然都是光学，为什么波动光学和量子光学无法形成一套统一的理论呢？如何系统地研究波动光学和量子光学的对应关系呢？
现状是，如果你需要把光看成波，那它就是波；你需要把光看成粒子，那它就是粒子。这难道不让人困惑吗？
5.3 光的偏振：光子也会思考吗？
波动有横波与纵波之分。纵波的振动方向与传播方向相同，而横波的振动方向与传播方向垂直，横波的这种特性也叫偏振性。图5-2 所示为判别横波与纵波的简易装置。横波只有在其振动方向和狭缝方向一致时才能继续传播，否则就被阻碍；而对于纵波来说，狭缝的方位不影响其继续传播。
我们知道，光就是电磁波。电磁波是交变电场与交变磁场的相互激发与传播。在任一时刻，振动的电场强度矢量E 和振动的磁感应强度矢量B 都是随时间变化的，它们互相垂直，而且也都与传播方向垂直，所以电磁波是横波，图5-3 所示。实际上，电磁波是沿各个不同方向传播的，图中只是沿某一条直线传播的示意图。
光既然是横波，就具有偏振性。在研究光的偏振现象时，只需研究电场强度矢量E 的振动就行了，所以也可把E 矢量的振动称为光的振动。
偏振光的范围不仅限于可见光，其他频率的电磁波也有偏振。要想从发射台发射两个频率非常接近的电波时，必须把它们区分开来，一个采用水平方向偏振，另一个则采用垂直方向偏振。用户根据天线的倾斜方向，只接受一种偏振波，就可避免两种信号的混同。
普通光源发出的自然光之所以观察不到偏振性，是因为自然光中包含有各种不同的光，所以包含了所有角度的振动方向。使用偏振片可以将自然光变成偏振光。
常见的偏振片是由梳状长链形结构高分子材料作为基片，浸入碘液中使碘原子整齐地附在分子链上，再将薄膜单向拉伸4~5 倍，从而使这些分子平行排列在同一方向上而制成的。偏振片可以将其他方向的光都挡住，只留下某一方向的光通过，大致可以想象成一系列平行的、极窄的狭缝。
现在我们让一束沿垂直方向振动的偏振光照到另一个偏振片上，如果这个偏振片的狭缝也是垂直的，则光能通过；可是如果把偏振片旋转90°，狭缝变成水平的，则光就被挡住了，无法通过（见图5-4 和图5-5）。
现在的问题是，光既然是由一个个光子组成，那么为什么对于同样宽度的狭缝，这一束沿直线传播光子在狭缝垂直时能通过，而狭缝水平时就不能通过呢？如果把光强减弱到每次只发射一个光子，这个光子是如何知道前面的狭缝是水平还是垂直的呢？就像你往铁栅栏里扔石头，栅栏是竖着的就能扔过去，而栅栏是横着的就扔不过去，这难道不奇怪吗？
更不可思议的是，让一束沿垂直方向振动的偏振光照到另一个偏振片上，如果这个偏振片与垂直方向的夹角是45°，那么就正好有一半光能通过，通过后的光的偏振面也旋转了45°（见图5-6）。
一束光的强度可以分为一半，但一个光子是无法分成两半的，对于来到第二个偏振片的光子，它是如何选择自己的道路的呢？是前进，还是被挡住？由什么来决定呢？如果你觉得是大量光子间相互影响，我们可以让垂直偏振光的光子一个一个发射出来，那么当一个光子遇到第二个偏振片时，完全不会受到别的光子的影响，因为它们还没有发射出来。
可是当你发射到第100 个光子时，你会惊奇地发现通过和没通过第二个偏振片的光子数基本就是50 ：50，那么对于每一个光子来说，它是如何决定自己是否应该通过的呢？
更绝的是，如果你把第二个偏振片转成其他角度，光子们会自动计算出应该通过的概率，然后不管你是一个一个发射还是一束一束发射，它们总能按相应的比例通过。它们到底怎么做到的？实在是让人百思不得其解。
5.4 光速不变：相对中的绝对
在相对论中，光也有不可思议的特性。光在真空中永远以光速c 运动，而与观察者的运动状态无关。这就是所谓的光速不变原理，这是建立狭义相对论的两个基本原理之一。
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也就是说，无论在哪个惯性参考系中，不管这个参考系处于什么样的运动状态，测量出来的光速都是c。假设你在运动速度为0.9c 的宇宙飞船上打开手电筒，那么你看到手电筒的光速为c，地球上的人看到手电筒的光速也为c，迎面飞来的宇宙飞船看到手电筒的光速仍为c。这看起来似乎很荒谬，但这是真的。因为不同的观察者在以不同的方式衡量时间和空间，唯有光速不变。
爱因斯坦自己曾说过，他在16 岁时就想到了一个悖论：如果我以光速伴随周围的光线运动，那么周围的光线就会在我身边静止，我将会看到一副静止不动的画面，那么我如何判断自己到底是静止不动还是在以光速运动？
正是这样的思考促使他发现了相对论，提出了光速不变原理。这个原理使人们对时间和空间的观念发生了革命性的变化，它强调了光速的绝对性，而时间和空间却具有相对性。
光为什么在宇宙中如此特殊，具有绝对速度呢？
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在相对论中，运动的时钟要变慢。当物体运动速度逐渐接近光速的时候，时钟会变得越来越慢，当达到光速时，时间就停了下来。也就是说，在以光速运动时，时间是静止的。光子是以光速传播的，这意味着对于光子来说时间是没有意义的。从太阳发射出来的光子在到达地球的过程中，用地球上的时钟来测量，它用的时间大约是8 min，然而对于这个光子本身来说，根本没有花任何时间。
在光子的眼里，只有空间，没有时间，你能理解吗？
5.5 静止质量为零：有还是没有？
光子的静止质量为0。所谓静止质量，就是指物质相对于某惯性系静止时的质量。而光是永远不会静止的。光在真空中永远以光速c（29.9792458 万km/s）运动，在其他介质中速度会减小，但它不会静止，一旦静止就意味着被别的物质吸收。
你绝不会捕捉到一个静止的光子，为什么呢？因为爱因斯坦提出，光子的静止质量为零，它只有运动质量。
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