光子是什么（全局诠释之十）

光子疑难

我认真思考了五十年，光量子是什么？但是并没有找到答案。我知道今天的阿猫阿狗们都以为自己知道了，但他们只是在自己骗自己。 ——爱因斯坦，1951年
All the fifty years of conscious brooding have brought me no closer to answer the question, “What are light quanta?” Of course today every rascal thinks he knows the answer, but he is deluding himself. — Albert Einstein，(1951). Raymond W. Lam, Seasonal Affective Disorder and Beyond (1998), 1.

爱因斯坦晚年的时候，仍对光子的概念困惑不已，所以才有上面的名言。可惜，知道这句名言的人并不多。可以说是世界上最权威的光学教科书，Eugene Hecht所著《光学》中，讨论光子的定义时，直接引用了上面这句话。

在很多实验的解读中，比如延迟选择实验，光子纠缠实验，等，研究者们经常把光子理解成某种点粒子。这也是我与一些研究者的主要分歧之一。

光子是什么，是一个还没有回答的，非常困难的问题。

光子，可以说是最基本的量子，或者最基本的粒子之一。在一般的基本粒子定义中，它的定义是自旋为1，没有静质量，能量为普朗克常数h乘以其频率的基本粒子，然后再没有其它信息。但是，实际上我们碰到光子却要复杂得多。

光子的性质在我们理解一些量子力学实验的时候非常重要。我们需要一个光子的正确图像，而不是像在计算机语言中定义一个虚拟物体一样，只有一两个属性。光子的物理图像，是理解一切量子特征的关键。

我们先列出一些光子的特征和问题：

• · 我们先不考虑引力效应。光子不带电，以光速运动，所以它是不可约束的。
• · 量子力学中光子是自由的，波函数为平面波，延展全空间的平面波。全空间找到该光子的几率都是一样的，实际上都是零。这一点远远偏离我们对光子的一般认识，比如可以从某个原子产生，再被另一个原子吸收；再比如，我们可以在云室中看到一个高能光子的径迹。
• · 与其它基本粒子有确定的自旋不同，一个真实的光子可以有各种叠加状态的自旋，一般认为可以从-1到+1的任何值，对应各种偏振状态，包括圆偏振（+-1)，椭圆偏振，线偏振(0)，等。实际上，恐怕更复杂，自旋可能超过1。
• · 从电磁辐射的角度来说，高能光子与低能光子的唯一差别在于其振荡频率。但是经典电磁辐射的模式比一般认为的偏振光子复杂得多，主要是存在各种多极辐射，和复杂的电磁场与物质相互作用。
• · 电磁辐射一般是向全空间弥散扩散，但光子，特别是高能光子，似乎可以像粒子一样，以光速像一个方向运动，不扩散。
• · 按照光子的定义，一个光子的能量应该是确定的，不应该存在一个分布，但是原子发出的光子有一个内禀能量宽度。不同原子，不同能级的内禀能量宽度差别会很大，体现为能级寿命变化很大（能量寿命不确定性关系）。光子的能散不好理解，因为我们可以用棱镜把光子分散成不同能量的组分，而这和基本粒子不可分矛盾（不讨论高能过程）。
• · 有些实验中，光子的角动量似乎大于1，很难理解。一般把这类现象解释成光子具有轨道角动量（photon orbital angular momentum）。但是光子不可约束，单纯站在光子的角度看，轨道角动量概念是不可理解的。在光的轨道角动量理论中，轨道角动量为正负1和自旋为正负1的图像是一样的，也就是说，如果轨道角动量理论成立，就不需要自旋概念了。或者说，光的波前有一个螺旋度自由度，无论叫自旋还是叫轨道角动量，但应该只有一个名字，不一定是量子化的，也可以大于1。
• · 一般把原子能级跃迁定义为光子的产生或吸收。由于光子自旋为1，所以要求上下能级之间的角动量之差为1。如果角动量差不是1，则认为该跃迁不会发生，属于禁戒跃迁。可是禁戒跃迁是可以发生的。而且从光子能量上看，没有拆分，是单一过程。这就意味着光子的自旋不是1，可以是2，3，或者更大。经典图像并不难理解这一现象，就是多极辐射，如电四极辐射，磁偶极辐射，或更高极辐射。但从光子的基本粒子定义角度无法理解，因为光子的自旋最大就是1，不可能带走大于1个单位的角动量。
• · 一个光子在空间上是一个点，还是一定范围的分布？如果是一个点，相干性就难以理解。如果是一定范围的分布，那么多大范围？如何分布？如果不同的光子存在不同的分布，粒子的全同性就不存在了。
• · 考虑到原子能级的寿命（数纳秒到数百毫秒），一个光子的分布范围很大，从几米到几万公里。即使最短的几米距离，已经远远超过原子的尺寸上百亿倍，那么它如何与原子相互作用？特别是，如何发生光电效应？

注意，以上关于自旋的疑难在经典电磁辐射图像下并不存在。经典电磁辐射中，并没有要求沿电磁波传播方向，不同分量的电磁矢量（波前螺旋）的旋转速度为某些分立数值，也就是，并没有要求轨道角动量（或自旋）为正负1或者其它整数。

关于能级寿命，或者跃迁的半衰期，可以有两种理解，一种是概率寿命，比如原子核的γ衰变，对每一衰变的原子核，衰变出一个γ光子是在一定时间范围内瞬时发生的，半衰期只是体现了衰变发生的强度。每次衰变几乎是瞬时的。我们可以追踪每一个衰变出来的光子；另一种是能级跃迁需要的时间，即每一次跃迁延续的时间。对于原子能级跃迁，不能忽视同种原子之间的共振，因为它们必然互相影响，我们观察到的结果是互相影响后的结果，所以原子存在受激辐射，而一般原子核衰变没有。

全局诠释如何理解光子？

全局诠释从更基本的标准模型建议的物理世界图像出发，在明确薛定谔方程的理想波动近似属性的基础上，理解全部量子现象和理论。

在前面的“物理世界的基本图像”一节中，我们说了，不存在单独的基本粒子，所有基本粒子都不可剥离它对周围时空的影响。所有的粒子，所有的作用都是复杂的。光子也一样，它是无穷多时空点以标准模型指定的各种基本相互作用影响的结果。

而对于光子，由于它没有静质量，所以它是纯的辐射能量。但是我们知道，根据标准模型，能标，或者说能量密度，决定了各种物理相互作用的重要性。对于高能光子（γ射线），由于很小的时空范围内集中了很高的能量，标准模型中其它的，更局域的自由度，如正负电子对，其它高阶相互作用等，贡献很大，以致于高能光子更像一个局域的粒子，不扩散，或者只通过与其它基本粒子相互作用失去能量。而低能光子（能量远低于电子静质量，511 keV，一般光学现象中的光子都是低能光子），考虑到它的空间分布比较广，在任何局部的能量密度都非常低，除电磁场以外，其它的自由度都处于冻结状态，无法激发，因此，低能光子表现为单纯的电磁辐射，可以用经典电磁辐射理论描述。实际上，麦克斯韦方程是标准模型的电磁作用简化，每个时空点的其它相互作用和自由度依然存在，但是贡献太小，可以忽略。因此，低能光子就是可以用麦克斯韦方程描述的经典电磁波。

那么如何理解光子的量子性呢？即光子的能量与普朗克常数和频率的关系，或者说，为什么原子能级跃迁时，总是放出一个光子？而不是数量更多的更低能量光子？这与我们解释薛定谔方程的物理意义，及其解的本征态性质有关。本征态是优势态，或者说优势震荡。我们上面说了，一个光子的范围远远超过一个原子，是原子半径的几亿倍以上。对于原子来说，该本征震荡频率显然是优选频率。我们还要注意到，在各种光学实验，如谱线测量中，总是有很多同样的原子参与测量，不同原子之间还有共振，共振总是在各种本征频率之间发生。也就是，如果原子中的电子跃迁到某一条轨道，一次放出或者吸收全部能量是优势模式，也可以说，电子的轨道是优选共振轨道，因为它是薛定谔方程的本征解。优势的辐射或者吸收谱线是大量同种原子与背景辐射场综合作用的表象。

如果客观描述光谱的实验数据，我们只是看到了辐射能量频率相对集中的一些共振峰。我们并没有看到原子如何放出或吸收光子。

在全局近似诠释中，所有的光子都是复杂的，原则上是非线性的，但是低能光子是线性的经典电磁波，满足经典电磁波的各种特征，如叠加性，波动性，可以线性分解。波前电磁分量的螺旋性质，即自旋，由辐射源决定。

随着能量的增高，光子的物理图像是在不停变化的。高能γ光子的产生，或者主导相互作用，是能标更高的弱力与强相互作用力参与的结果，这两种相互作用有效范围很短，由于以光速运动，所以不存在衰变，只能通过与别的粒子相互作用失去能量，或者发生别的变化。

原子电子能级跃迁发出的光子只有电磁相互作用参与，而原子核衰变产生光子有更多高能标相互作用的参与。

不考虑引力，电磁相互作用是标准模型中仅有的长程低能相互作用。因此我们的日常世界由电磁过程主导是自然的。如果一定要把原子的一次能量变化过程叫做产生或者吸收一个光子，当然可以那么定义，只是这样的光子会有太多种，一个干净的数学定义恐怕不够。

另一种波粒二象性

光子的波动性与粒子性之争持续了几个世纪，后来人们认为量子力学引进的波粒二象性解释终结了光子概念之争。然而，爱因斯坦的疑惑让我们觉得问题不是那么简单。首先，波粒二象性中描述的“有时候像波，有时候像粒子”定义不明确。其次，证明光子粒子性的实验并不能让人信服，与其说是光子的粒子性，还不如说检测方式的粒子性，或者说，低能光子的粒子性是观察效应。一列频率合适的波仍然可以让某一个局域的原子激发。

全局诠释对光子的理解提供了另一种波粒二象性，即随着能量的增高，或者能量密度的增高，电磁波主导的光慢慢变成更强相互作用主导的，更具有粒子属性的γ光子。

标准模型揭示的，时空点的相互作用性质，取决于能量密度，波动性是自然的，但在高能量密度的情况下会表现出粒子性。我们可以拿一盆平静的水做例子。如果我们规则地缓慢地驱动水面，可以得到一列平滑的水波。如果在不同方向驱动不同的水波，这些水波会叠加，在某些特殊的地方，如果波动叠加引起的震荡达到一定频率或幅度，会抛出一些水产生水滴，水滴表现出粒子性，而不是水体整体的波动性。往水里扔一块石头，也就是能量比较集中，在落水点除了产生扩散的水波纹之外，还会出现一些水滴。大尺度看水面，我们可以写出理想连续的波动或者流体方程，但是即使是水，决定其微观性质的相互作用仍然极端复杂，在不同的尺度，有表面张力，范德瓦尔斯力，氢键，共价键，震荡，旋转，集体运动，集体模式，气液平衡影响，涡旋，等等。但是这些相互作用在大尺度波动研究中可以忽略。当水滴出现的时候，其它效应，比如表面张力就会更重要。

光子在不同能量段的不同物理表现，是时空与能量的本性决定的。光子在低能实验中表现出来的大范围相干性，全局性，就是波动在一定边界条件下的表现，它们此时仅仅是波。所有的相干实验都可以用波动性简单描述。量子纠缠只是一种特殊的相干。

光在不同能量密度下的不同表现，还可以从能量与质量的等效性来理解。由于能量和质量是等效的，能量密度越低，一定空间范围内越不可能出现正负电子对及其它高能基本粒子等分解方式，也就是能标高的自由度不会出现，或者贡献太小，但能量更集中之后，情况就不一样了。静质量，就是时空某种比较稳定的扰动模式中包含的能量。