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今天我們將討論我認爲最奇怪和最被低估的基本粒子。這是一個光子。

在理論預測這種粒子存在大約二十年後，“光子”一詞出現在物理學家和抒情詩人的日常生活中。它（預測）是由阿爾伯特·愛因斯坦于 1905 年向全世界提出的。

19 世紀末，麥克斯韋方程組以異常優雅且易于理解的方式解釋了所有電、磁和電磁相互作用的現象。幾乎全部。

根據麥克斯韋方程組，光是一種波。這與之前的各種實驗一致，光束所攜帶的能量取決于其強度。這是唯一決定與光相關的過程的因素。

我們來關注一個具體的實驗：光電效應。在 20 世紀初，人們已經知道，如果你拿一塊某種金屬並照射它，有時光會從該金屬中擊出電子。也就是說，光産生電。順便說一句，這就是該效果的名稱。

可以合乎邏輯地假設，如果您有一塊像樣的合適金屬，並用手電筒照射它，發現沒有任何反應，那麽您將嘗試通過添加能量來實現該效果。只是需要一個更強大的手電筒！因此，使用了40千瓦的軍用探照燈。然而，看起來如此合乎邏輯的事情並沒有發生。而什麽也沒有發生，無論燈泡的功率有多大，仍然沒有效果，這讓上世紀初的物理學家陷入了沮喪的狀態。

愛因斯坦對這種現象給出了非常優雅而簡單的解釋。爲此，他擴展了普朗克的能量量子化思想。根據愛因斯坦的說法，光由稱爲“光量子”的點粒子組成。這些粒子具有一定的能量，該能量完全取決于光的頻率（頻率越高，每個量子的能量越高）。所以藍光量子比紅光量子具有更多的能量。當燈泡非常強大時，這是因爲它發出大量的光量子。但它們各自的能量與顔色保持相同。因此，光電效應並不取決于燈泡的功率，而是取決于光量子的波長。

紅燈泡不會産生光電效應，因爲光量子根本沒有足夠的能量。然而，如果手電筒發出藍光，就會産生光電效應。即使手電筒發出的光不是很亮，每個明亮的量子也會去除一個電子。嗯。一切似乎都很合適。

順便說一句，這種對“光量子”的解釋與布朗運動和狹義相對論的論文同年寫成，爲愛因斯坦贏得了 1921 年諾貝爾物理學獎。

1926年，吉爾伯特·N·劉易斯提出了粒子的名稱“光子”，該名稱源自希臘語“光”與用于電子的詞尾-on的組合。所以光子是一種“光粒子”。

然而，這一切並不意味著這裏一切都清楚了。因爲如果你將光視爲粒子流而不是波，那麽光電效應之類的東西就可以很好地解釋......但是衍射呢？畢竟，只有光是波而不是粒子才能解釋這一點。正確的？後來在量子物理學和光的波粒二象性中找到了這個悖論的解決方案。但我們下次再討論這個問題。

光子是標准粒子模型中的玻色子。也就是說，它具有整數自旋。這意味著它不是物質的組成部分，而是粒子之間相互作用的載體。此外，光子作爲玻色子，可以處于相同的量子態，這意味著可以有許多光子“做同樣的事情”。這就是光子激光成爲可能的原因。但建造電子激光器是不可能的。

此外，光子還有其他一些非常有趣的特性：它不帶電荷，因此不會感受到電磁力。光子沒有質量，因此有一段時間人們認爲它感受不到重力。然而，愛因斯坦的廣義相對論改變了這一點。今天我們知道光子可以很好地感受到重力。

如果它沒有電荷或質量，那麽光子中到底有什麽？簡單來說，它是能量和一組特定的特征。光子攜帶的能量可以轉移到原子上，例如，當與原子碰撞時。還記得躺在沙灘上陽光溫暖身體的感覺嗎？正是到達你的光子導致你的原子振動得更快，從而使它們升溫。

此外，光子具有動量。也就是說，他們能夠推動物體。這可以相對容易地驗證。例如，一些航天器設計使用由激光驅動的“太陽帆”。

光子除了是電磁輻射（可見光、無線電波、微波、X 射線、伽馬射線等）的組成部分之外，還負責電磁相互作用。根據量子理論，每當兩個粒子發生電或磁相互作用時，它們就會交換光子。如果我們有兩個電荷並且它們相互排斥，那麽它們不會立即這樣做。負責排斥的光子必須以光速從一種電荷傳播到另一種電荷。

光子總是以光速在真空中移動。這意味著如果你是一個光子，那麽宇宙對你來說將會非常非常奇怪......

首先，光子沒有時間。從一個原子發射到被另一個原子吸收的那一刻起，即使它們相距一億光年，它所經曆的主觀時間也將等于 0。光子在兩個原子之間傳播的距離，以單位爲單位測量它的參考系，對于長度減少來說，它將恰好是...0。

對于外部觀察者來說，光子在其存在的整個過程中就像“凍結”一樣。光子從發射的那一刻起就不會經曆任何變化。直到再次消失……

光子的另一個有趣的效應是，即使它們沒有質量，它們也會改變發射或吸收光子的系統的質量。根據愛因斯坦的說法，質量和能量之間的等價意味著，如果發射光子，就會失去一些質量，反之亦然。當然，這種質量損失或增加可以忽略不計。。

因此，光子，最著名的玻色子，是電磁輻射的組成部分和電磁相互作用的媒介。有些光子的壽命很長，例如在太空中生活了數十億年的恒星發出的光子。其他光子，例如您的身體現在發出的光子（紅外光子），其壽命非常短。如果你所在房間的牆壁距離你幾米，光子只會持續大約 0.00000001 秒。之後他就會再次消失。

紅外光子可能非常有害。如果它們很多，它們甚至可能會燒傷你。在壁爐附近取暖時，您在手上感受到的熱量是紅外光子。冬天躺在鑄鐵蒸汽散熱器上的貓也會接收到紅外光子。

紫外線光子危險得多。它們每一個都擁有如此強大的能量，很容易“破壞”你DNA中的核酸，從而導致癌症。這是伽馬輻射的危險之一（伽馬輻射的能量甚至比 X 射線還要高，X 射線也可能導致癌症）。

光子可以是長壽命的，也可以是短壽命的，可以是危險的，也可以是無害的。但宇宙中大多數相互作用的發生完全歸功于它們。所有化學反應都是電相互作用（即光子交換）的結果。同樣的道理也適用于讓你行走的力量，你用它按下電腦按鍵，電子通過電線移動的事實，你可以呼吸的事實（化學反應），你認爲的事實......光子無處不在！

然而，由于典型的可見光光子的能量約爲 0.000000000000000001 J，因此我們從未意識到它們實際上存在。