【深造物理】光子有甚麼特性？從燈泡到宇宙背景的全方位解讀

你每天都在和光子打交道：晨早窗邊的陽光、手機螢幕的亮光、超市的雷射掃描、甚至家中Wi‑Fi路由器裡的光纖，都離不開光子。光子是電磁波( electromagnetic wave )的最小能量單位——一種沒有靜止質量、永遠以光速運行的量子( quantum )。它既像粒子( particle )，又像波( wave )，但這不是「一時像、一時不像」的矛盾，而是量子世界運作的根本規律：光子是量子場( quantum field )的激發，它以特定的方式在不同情境中展現出波動與粒子的特性。

本文會以生活化的例子，帶你深入理解光子的基本屬性、如何與物質互動、在量子資訊與天文觀測中的角色，以及它如何成為我們認識宇宙的關鍵。即使沒有物理背景，也能看懂，並在日常中發現光子的影子。

光子是甚麼？從電磁場的「一個量」說起

在現代物理裡，我們用量子電動力學( QED, quantum electrodynamics )描述電磁現象。電磁場不是連續可分到無限，而是由一個個最小能量包組成，每一包就是光子( photon )。你可以把光子想像成「電磁場的最小『粒』」，它負責把能量、動量與角動量從一處帶到另一處。

• 沒有靜止質量：光子在靜止時的質量為零，因此它只能以光速 c 前進，永不減速。
• 攜帶能量與動量：能量 E = hν (普朗克常數 h 乘以頻率 ν)，動量 p = E/c = h/λ。即使無質量，光子仍可施加壓力(如太陽光帆)。
• 自旋( spin )為 1：光子是自旋為 1 的玻色子( boson )，在真空中只允許兩種偏振態( helicity )：+1 和 -1，相當於兩種圓偏振。
• 電中性：不帶電，因此不直接受靜電力影響，但會受重力彎曲(廣義相對論效應)。

重要的是：光子不是「在空中飛的粒子」的老派想像，而是電磁場的量子。這種觀點可以統一我們日常認識的光、微波、X 射線，其實都是不同頻率的光子流( photon flux )。

波還是粒？雙縙隙到家用感光元件的兩面性

光子的波粒二象性( wave–particle duality )，最經典的示範是雙縙隙實驗( double-slit experiment )：即使一次只放出一顆光子，久而久之在屏幕上仍會出現干涉條紋，顯示它遵從波的疊加；但每次探測到的點擊又像是局部的一顆粒子。對現代物理來說，這並非矛盾，而是量子態( quantum state )經由測量崩塌( measurement-induced collapse/更精準說是條件化更新 )的自然結果。

• 波的面向：光子具有相位( phase )與頻率( frequency )，能產生干涉( interference )與繞射( diffraction )。
• 粒的面向：相機感光元件( CMOS/CCD )上每個像素計數的是「到達的光子數目」，畫面的明暗取決於光子到達率。
• 統計規律：單次事件具隨機性，但大量光子的統計分佈服從量子振幅平方的機率規則。

你看Netflix的光纖網絡裡，訊號靠光子在玻璃纖維中全反射傳送；每個脈衝載著許多光子，工程師設計的是相位與脈衝時間，而你的路由器最終接收到的是離散的「光子統計事件」。

能量、頻率與顏色：從彩虹到X射線

光子的能量由頻率決定：E = hν，波長 λ = c/ν。波長越短，能量越高。不同頻段的光子在日常生活與科技中扮演不同角色：

• 無線電波( radio )：頻率最低，多用於廣播、行車電台。技術上常以電路中的「光子描述」分析雜訊與量子極限。
• 微波( microwave )：Wi‑Fi、微波爐。微波爐的光子使水分子轉動模式吸收能量，加熱食物。
• 紅外線( infrared )：遙控器、夜視鏡、熱成像。紅外光子常被分子振動模式吸收。
• 可見光( visible )：我們的眼睛對 400–700 nm 最敏感，顏色感知對應不同波長光子的吸收與神經解碼。
• 紫外線( UV )：能量更高，可致皮膚曬傷；也用於消毒，因能破壞微生物的化學鍵。
• X 射線與伽馬射線( X-ray, gamma-ray )：穿透力強，用於醫療成像與天文觀測；高能光子能致電離( ionization )。

天彩虹是雨滴對太陽光的色散( dispersion )結果：白光包含不同頻率的光子，折射角度隨波長不同，便分離成紅到紫。X 光機則用較高能的光子穿透軟組織，被骨骼吸收較多而形成影像。

偏振：光子的「旋轉」與訊息編碼

光子的偏振( polarization )描述電場振動方向。對量子層次而言，偏振可視為兩能級系統( qubit 的天然載體 )。在光學中，我們用偏振片( polarizer )、波片( waveplate )操控偏振；在量子通訊中，偏振常用來編碼比特或量子位。

• 線偏振( linear )：電場在固定方向振動。
• 圓偏振( circular )：電場矢量繞行成圓，對應光子螺旋度為 ±1。
• 橢圓偏振( elliptical )：一般情形。

香港街頭的偏光太陽眼鏡能過濾水面反射的偏振光，減少眩光；而光纖通訊中，工程師必須對抗偏振模色散( PMD )，避免資訊失真。

光子如何與物質互動？吸收、放射與散射

光子與電子、原子、分子交互作用的方式，決定了我們看到的顏色、材料的透明與不透明，以及光電元件的效能。

• 吸收( absorption )：當光子的能量符合原子或分子的能級差，會被吸收並激發到高能態。例：葉綠素吸收紅光與藍光，反射綠色。
• 自發放射( spontaneous emission )：被激發的系統自發釋出一個光子，回到低能態。
• 受激放射( stimulated emission )：入射光子引發第二顆相同頻率、相位與方向的光子，這是雷射( laser )的基礎。
• 彈性散射( elastic scattering )：如瑞利散射( Rayleigh )讓天空呈藍色，短波長散射較強。
• 非彈性散射( inelastic )：如拉曼散射( Raman )改變光子頻率，被用於化學分析。
• 康普頓散射( Compton )：高能光子與電子碰撞，波長增大、能量降低，顯示光子的粒子動量特性。

在半導體中，光子能激發電子越過能隙( bandgap )，形成光電流；這是太陽能電池與相機感測器的核心機制。材料的顏色與透明度，取決於能隙與能帶結構是否允許該頻率的光子被吸收。

速度、折射與群速：為何光在玻璃裡變慢？

光子在真空中以光速 c 前進；在介質中，光的相速度 v = c/n，其中 n 是折射率。但這並不代表光子「被迫慢行」。較精準的敘述是：光子在介質中與電子集體模式反覆吸放、散射，形成一種有效的傳播模式；我們觀察到的相速度與群速度( group velocity )，都是這個集體效應的結果。

• 相速度( phase velocity )：波前移動的速度。
• 群速度( group velocity )：脈衝包絡移動的速度，與訊息傳輸更相關。
• 前沿速度與因果律：訊息不可超光速，因果律不被違反；在某些色散介質中群速可超過 c，但不代表訊息快於光速。

日常例子：玻璃杯裡的吸管看似「折斷」，是折射使光路改變；光纖利用全反射讓脈衝沿著纖芯彎彎曲曲也能長距離傳送。

光子的統計：從燈泡到雷射的本質差異

不同光源不只顏色不同，連光子的「到來模式」也不同，這叫做光場統計。

• 熱光( thermal light )：如鎢絲燈、太陽。光子「成群結隊」( bunching )，干涉儀測到 g(2)(0) = 2。
• 相干光( coherent light )：理想雷射。光子到達服從泊松分佈，g(2)(0) = 1。
• 反聚束( antibunching )：單光子源( single-photon source )可達 g(2)(0)

為何重要？在量子鑰匙分配( QKD )等量子通訊，單光子源與單光子探測器是安全的基石；在生醫影像與夜視，相干性與雜訊決定能看得多細、多暗。

光壓與動量：輕如光也能推船

光子動量 p = h/λ，當光被吸收或反射，會把動量轉移給物體，產生光壓( radiation pressure )。雖然單顆光子的動量很小，但大量光子就可累積可觀效果。

• 太陽帆( solar sail )：利用陽光對大型反射帆施力，長時間累積可加速太空船，如日本IKAROS計畫與未來的星際航行概念。
• 光鑷( optical tweezers )：用聚焦雷射操控微米到奈米的粒子，2018年諾貝爾物理獎肯定此技術對生物物理的貢獻。

在實驗室裡，用雷射冷卻( laser cooling )與腔量子電動力學( cavity QED )，我們甚至能用光子的動量循序把原子冷到接近絕對零度，開啟超高精度原子鐘與量子模擬的大門。

無質量，卻受重力影響？時空幾何的答案

廣義相對論指出：重力不是一股力，而是時空彎曲。光子沿著時空中的測地線( geodesic )行進，當經過像太陽或黑洞這樣的大質量天體附近，光路會被彎曲，形成引力透鏡( gravitational lensing )。這並不違反「光子無質量」的事實，因為彎曲的是時空本身。

• 引力紅移( gravitational redshift )：光子爬出引力井時會失去能量，頻率降低、波長增加。這是GPS衛星校時必須考慮的效應。
• 黑洞陰影：事件視界附近強引力使光子軌跡彎曲，產生可成像的黑洞陰影( EHT 觀測 )。

天文學上，透過不同能量段的光子(從無線電到伽馬)，可拼湊出天體的多波段圖像，揭示星系形成、超新星、類星體噴流等現象的物理。

量子糾纏與光子：從香港到地球另一端的安全通訊

光子是實現量子糾纏( entanglement )最常用的載體之一。以參量下轉換( SPDC, spontaneous parametric down-conversion )，高能泵浦光在非線性晶體中產生兩顆能量、動量與偏振相關的糾纏光子。

• 量子鑰匙分配( QKD )：像 BB84、E91 協定，利用單光子或糾纏光子在光纖或自由空間傳輸，檢測竊聽。
• 量子中繼( quantum repeater )：結合糾纏交換與量子記憶體，延伸量子通訊距離。
• 衛星量子通訊：利用大氣窗口，衛星與地面站之間用光子傳送量子態，已在實驗與示範網路中落地。

日常層面，這代表未來的金融機構與政府部門可以用「物理定律保證安全」的通訊方式。對科研而言，光子提供了低退相干、低噪聲的長距離量子信息載體。

單光子探測：如何「聽見」寂靜中的一聲咔嚓

要掌控光子的世界，必須能在極微弱光線下偵測單顆光子。現代技術包括：

• 光電倍增管( PMT )：以二次電子發射放大單光子訊號。
• 雪崩光電二極體( APD )：在雪崩模式( Geiger mode )下可單光子計數。
• 超導納米線單光子探測器( SNSPD )：極低暗計數、極快響應，是量子通訊與深空光通訊的關鍵。

在醫療PET掃描中，偵測伽馬光子；在天文伽馬射線望遠鏡與中微子望遠鏡的切倫科夫光偵測，都依賴高靈敏光子計數。

黑體輻射與宇宙微波背景：宇宙做的一次「大測試」

黑體輻射( blackbody radiation )描述一個理想物體在熱平衡下發出的光譜。普朗克公式成功解釋了 UV 災難，揭示能量量子化。宇宙微波背景( CMB )則是整個宇宙的黑體光子海，溫度約 2.725 K。這些光子自大爆炸後約 38 萬年「解耦」出來，一直自由傳播到今天。

• 精確黑體：CMB 的光譜是人類測到最接近理想黑體的光譜之一。
• 溫度起伏：微小的溫度各向異性記錄了早期宇宙的密度漲落，為結構形成的種子。

CMB 是證明宇宙學標準模型的重要觀測支柱，也讓我們知道：宇宙中充斥著數量極為龐大的低能光子。

折射率不是固定？非線性光學與光子之間的互動

在強光下，材料的折射率會隨光強改變，這就是非線性光學( nonlinear optics )。當光子密度足夠高，光子彼此可透過介質的非線性間接「互相影響」。

• 二次諧波( SHG )：把頻率翻倍，常用於產生綠光雷射。
• 光學參量放大/下轉換( OPA/SPDC )：產生糾纏光子對，是量子光學的主力工具。
• 克爾效應( Kerr )：強光引起折射率變化，可用於超快開關與光孤子( soliton )。

在通訊工程上，非線性會限制光纖裡的最大傳輸功率，也提供全光處理的可能性。

為何看不見光子的「靜止狀態」？時間與質量的牽手關係

光子沒有靜止質量，因此不存在在某個慣性系統裡「讓光子停下來」的可能。洛侖茲變換告訴我們：想要追上光，會讓時間與空間變換失效。光子自始至終都在以 c 運動，這是相對論結構的一部分。

• 四動量( four-momentum )：光子的能量與動量滿足 E = pc。
• 不可定義的靜止系：無法為光子建立靜止參考系，這也是為何談「光子的時間」並不合適。

這些結論與我們在GPS、粒子加速器、天文觀測上的精密驗證相一致。

顏色、材質與感官：人眼如何「解碼光子」

人眼的錐狀細胞對不同波長段敏感，將到達的光子數與頻譜分佈轉換成神經訊號。夜間由桿狀細胞提供高靈敏度但低色彩分辨率的視覺。下列因素影響我們對光子的主觀體驗：

• 顯色性：LED 與日光的光譜不同，會影響顏色呈現與舒適度。
• 閃爍與調光：以脈寬調變( PWM )控制亮度會改變光子的時間分佈，可能造成部分人士的不適。
• 藍光與節律：藍色光子影響褪黑激素分泌，深夜使用強藍光螢幕會擾亂生理時鐘。

這些都建立在光子如何與視覺蛋白(視紫質)吸收、觸發化學反應的分子機制上。

從基礎常數到國際單位：光子的標尺地位

2019 年後 SI 制重定義將普朗克常數 h、光速 c 等基本常數固定化。這使得以光子為核心的計量更穩固：

• 米的定義：以光在真空中 1/299,792,458 秒內走過的距離。
• 秒的實現：依賴原子躍遷頻率，與光子的精準能量差對應。
• 坎德拉與光通量：光度學將人眼敏感度曲線疊加在光子流上。

光子因此成為時間、長度與視覺相關量的共同語言。

常見迷思快速釐清

• 光是波還是粒子？兩者皆是，或更準確地說：光子是量子場的激發，其行為由量子力學機率振幅決定。
• 光子有沒有大小？沒有「硬球半徑」的概念。其在空間的延展由量子態與場模式決定。
• 光在水裡真的慢下來？觀測到的群速/相速降低是介質集體效應；單顆光子在兩次相互作用間仍以 c 傳播。
• 光會被重力「拉住」嗎？光沿彎曲時空的測地線前進，路徑改變但仍局部以 c 前進。

香港日常的光子足跡

從港鐵閘機的八達通讀卡器(內部時鐘校準與通訊依賴光學計量)到商場的雷射投影、街頭霓虹與LED招牌、海旁光雕、甚至政府天文台的日照觀測，光子參與了城市的運行節奏。你手機的臉部辨識用的是結構光或飛時測距( ToF )，靠的也是紅外光子。中環的光纖幹線讓金融交易以毫微秒為單位競速，背後是低損耗光子傳輸與色散管理。

結語：用光子的視角看世界

光子是自然界最普及、亦最關鍵的量子之一。它沒有靜止質量，卻能攜帶能量與動量、受時空幾何影響；它展現波與粒的雙重面貌，決定了物質的色彩與透明；它是人類通訊、醫療成像、精密計量與量子科技的基石，也是我們探索宇宙的重要信使。從家中燈泡到宇宙微波背景，從偏光太陽眼鏡到引力透鏡成像，光子把宏觀世界與量子規律緊密連結。

下次當陽光穿過維港的薄霧、在電車軌旁灑下金黃時，不妨想像無數光子正從太陽一路奔馳，以光速跨越一億五千萬公里，進入你的眼睛——為你帶來一個溫暖、清晰而充滿細節的世界。