光子的历史发展

到十八世纪为止的大多数理论中，光被描述成由无数微小粒子组成的物质。由于微粒说不能较为容易地解释光的折射、衍射和双折射等现象，笛卡尔（1637年） 、胡克（1665年）和惠更斯（1678年）等人提出了光的（机械）波动理论；但在当时由于牛顿的权威影响力，光的微粒说仍然占有主导地位。十九世纪初，托马斯·杨和菲涅尔的实验清晰地证实了光的干涉和衍射特性，到1850年左右，光的波动理论已经完全被学界接受。1865年，麦克斯韦的理论预言光是一种电磁波，证实电磁波存在的实验由赫兹在1888年完成，这似乎标志着光的微粒说的彻底终结。

然而，麦克斯韦理论下的光的电磁说并不能解释光的所有性质。例如在经典电磁理论中，光波的能量只与波场的能量密度（光强）有关，与光波的频率无关；但很多相关实验，例如光电效应实验，都表明光的能量与光强无关，而仅与频率有关。类似的例子还有在光化学的某些反应中，只有当光照频率超过某一阈值时反应才会发生，而在阈值以下无论如何提高光强反应都不会发生。

与此同时，由众多物理学家进行的对于黑体辐射长达四十多年（1860-1900）的研究因普朗克建立的假说而得到终结，普朗克提出任何系统发射或吸收频率为<math>\nu\,</math>的电磁波的能量总是<math>E = h\nu\,</math>的整数倍。爱因斯坦由此提出的光量子假说则能够成功对光电效应作出解释，爱因斯坦因此获得1921年的诺贝尔物理学奖。爱因斯坦的理论先进性在于，在麦克斯韦的经典电磁理论中电磁场的能量是连续的，能够具有任意大小的值，而由于物质发射或吸收电磁波的能量是量子化的，这使得很多物理学家试图去寻找是怎样一种存在于物质中的约束限制了电磁波的能量只能为量子化的值；而爱因斯坦则开创性地提出电磁场的能量本身就是量子化的 。爱因斯坦并没有质疑麦克斯韦理论的正确性，但他也指出如果将麦克斯韦理论中的经典光波场的能量集中到一个个运动互不影响的光量子上，很多类似于光电效应的实验能够被很好地解释。在1909年 和1916年，爱因斯坦指出如果普朗克的黑体辐射定律成立，则电磁波的量子必须具有<math>p=\frac{\lambda}</math>的动量，以赋予它们完美的粒子性。光子的动量在1926年由康普顿在实验中观测到 ，康普顿也因此获得1927年的诺贝尔奖。

爱因斯坦等人的工作证明了光子的存在，随之而来的问题是：如何将麦克斯韦关于光的电磁理论和光量子理论统一起来呢？爱因斯坦始终未能找到统一两者的理论，但如今这个问题的解答已经被包含在量子电动力学和其后续理论：标准模型中。