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＃發行日期：1977、09
＃期號：0093
＃專欄：
＃標題：光子的質量
＃作者：莊順連 吳文桂節譯
．光量子
．圖一：馬克斯威爾方程式定義了靜電場與磁場的行為，並預測出電磁波的存在。馬克斯威爾原定方程式只有在光子沒有質量的情況下，才是正確的。若光子有質量，就需要加入兩項（圖中黑框部份），原方程式就變成了普洛卡方程式。其意義在圖四中，另用圖說明。
．圖二：圖示為馬克斯威爾和普洛卡方程式所預測之電磁波。這種波可由第三及第四方程式所描述，即運動的磁場可產生電場，反之亦然。波沿E軸正方向移動，場的強度由線之長短來看，電磁輻射當然也可用不連續的粒子（光子）流來表示。如光子質量為零，波傳遞速度即為C，通稱為光速。若光子質量大於零，波速就小於C，由其頻率決定。在某一頻率，波速必為零，光就成靜止，以目前光子質量的限制，該頻率太低，無法以現知技術測得。
．圖三：速度與能量關係可由特殊相對論決定，對質量大於零的粒子而言，速度隨能量增加，極限值為c。有質量的粒子只有在能量無限大時才能達到光速。如質量為零，則不論能量多少，運動速度必為c。若光子帶質量，電磁波速由其能量決定，量子力學也說，能量和其頻率成正比。因此，光子有質量的宇宙，可見光必比無線電波運動快，而X射線運動更快。然而以目前實驗極限，這種速度上的差異仍太小，無法測得。
．圖四：(A)光子無質量情況下的電磁場乃由馬克斯威爾方程式所描述，第一個方程式（包含了庫倫定律）敘述著：圍繞一電荷體的通量線數目在任何距離時都是固定的，因此，單位面積的通力線數，也就是場強度，隨距離平方而減低。第二方程式說，磁力線永遠是封閉的，因此，沒有個別磁荷存在，馬克斯威爾第三式說：在任何觀測的時距內，沿一封閉曲線的平均電場，與該時距內，通過該曲線的磁通量之增加成正比。第四個方程式（包含安培定律）說：在一封閉曲線內平均磁場，正比於下兩項之和：第一項為單位時間內電通量的增加，第二項為單位時間內通過該曲線總電荷量。
(B)若光子有質量，修正後的電磁場用普洛卡方程式來預測，電場（左圖5）不再隨距離平方而減少，而是以指數形式減衰。通量線現在即使在真空裡也會消逝，且在大距離下，電場可以說完全消失掉。磁場（右圖6）隨距離以指數下降，而且改變形狀（在磁赤道被壓縮）。這些修正含著電磁學的一由光子質量來決定的特徵長度標尺。
．圖五：第一個光子質量的測量是1769年，約翰‧羅比遜所做的，比我們知道光子存在時還早一世紀。羅比遜的實驗乃是庫倫定律的一個驗證。其儀器乃是藉調整支持橫桿的角度，用旋軸臂上的重力轉矩來平衡兩帶電球體間的電斥力。此力可在不同距離下測得，羅比遜將他的結果，表成略加修正的庫倫定律的形式，也就是距離的2次方改成2＋q次方。他得到q為0.06，這個結果的正確解釋到二十世紀才有人了解；意含著對光子質量限制於 4×10-40克之內。
．圖六：1773年，卡文迪斯用同心金屬球來測試庫倫定律。這實驗根據的原理是：如果電場平方反比定律是正確的話，帶電球體內部不會有電荷。從靜電計上通草球不分離的事實可知沒電荷存在。卡文迪斯得到修正的q值是0.02，用現代的解釋是，光子質量限制大約在1×10-40克左右。
．圖七：扭秤乃是庫倫測其平方反比定律所使用的。兩帶電球體的排斥力可由其扭轉纖維離開平衡位置的程度來衡量。庫倫也藉此儀器稍加修改，而測得磁的平方反比定律。他的結果在1788年發表，不比羅比遜或卡文迪斯精確，實稱不上是先發現者。然而此定律仍掛庫倫的名字實是因為他測量所有這些力，而且較他先進的人沒及時發表之故。
．圖八：現代測光子質量的方式乃是卡文迪斯方法的精進而已。同心金屬球從兩個改成五個，球殼現改用20面體，但這方法仍是尋找帶電封閉球殼內，是否有電荷通入。外兩殼加入一高電壓、高頻率的訊號，另用一靈敏偵測計尋找內面兩殼間是否有此訊號的痕跡。偵測器的操作，乃藉內兩層間訊號的放大，與另一參考訊號間的比較來看。該參考訊號和外兩殼的輸入訊號相同，只是相位每半小時移動了360度。任何偵測器所量出的訊號，只要具有週期為半小時者，均可證明庫倫定律的不正確。這實驗在1971年由Edwin R. Williams, James E. Faller,及Henry A.Hill所操作完成，他們當時在Wesleyan大學，得到的光子質量限制是2×10-47克，迄今仍是最佳實驗測量值。
．圖九：光子質量的極限值自羅比遜在200年前測庫倫定律迄今，精確度已改進了約十億倍。從直接測量而得的最佳極限乃是得自大磁場中，測不到有任何指數形式的衰減。木星磁場的測量，得自先鋒10號太空船，由作者與Leverett Davis, Jr（加州理工學院）研究的結果，知光子質量不可能超過8×10-49克。
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光子的質量
【摘要】電磁輻射的粒子常被認為是無質量的，然而物理定律並不需要如此的假設。只是，若光子有質量的話，倒也必是微乎其微的。
光子，亦即光或其他電磁輻射的量子，通常被認為是無質量的粒子。它可攜帶能量和動量，且會因大質量物體的重力影響而偏折，但近代物理裏一般的說法，都把光子的「靜止質量」（rest mass）定為零。如此選定的意義只是說：光子無法靜止，光不可能是靜止不動的。相反的，只要光子的靜止質量大於零，我們一定可以（至少在原則上）「捕獲」它而測得其質量。
到底我們根據什麼來假設光子的質量恰恰等於零呢？一種說法是：電磁理論的公式按一般寫法，賦予光量子的質量就是零。不過，若任給光子一個質量，我們仍可建立一組同樣可彼此符合的理論。當然光子不可能有很大的質量，否則這個世界將因此而大大不同了！不過，光子仍然可能具有極小的質量，比質子甚至比電子都小很多，但仍大於零。在這種情況下，這個宇宙和無質量光子的那種宇宙差異就十分細微，也只有藉著偵測那些細微的差異，我們方可找出光子的靜止質量。
本文將討論幾個實驗，這些實驗的結果都相當於是「捕獲」而「秤」出光子質量。在此，我們可先說明，這些實驗沒有一個可證明光子的靜止質量是零，事實上，這種證明也不太可能。實驗無法找出光子質量並不證明質量為零，只可說，光子質量要比實驗精確度的極限還要小。目前這些求得的極限值幾可說小到接近於零，然而仍沒有把握說下一個實驗將不會有固定而不是零的質量出現。
測量光子靜止質量的努力早在兩世紀前就開始了，當時並沒有「靜止質量」的觀念，而所作的實驗也和光子沒有關係。早期的研究者，約在十八世紀及十九世紀初葉，只是研究電場和磁場在靜態及緩慢變化下的行為，而寫出了最初的電磁定律，這些定律描述著電荷或電流，與其他電荷、電流或磁場間的交互作用。與本文有關而最重要的，可能就是大家熟知的庫倫定律，庫倫定律說：兩個電荷間的作用力是沿著連接線的方向而與其距離的平方成反比。
1861年，馬克斯威爾以他那組微分方程式（圖一），而綜合了一個世紀以來有關電磁的實驗與理論研究，這些方程式用向量（包含有大小及方向的一種量）來描述電場與磁場，這些向量再由電荷密度、電流密度及其在時間與空間的變化率來決定。
當馬克斯威爾導出了這些方程式，他看出來這些方程式有波動形式的解，也就是，即使在真空中，仍准許有振動的電場與磁場的波動存在（圖二）。這些電磁波有一個固定的速度，為真空的性質之一。由於此速度相當接近直接測得的光速，馬克斯威爾就正確地揣測出：光是電磁波（今日，我們知道可見光只佔整個電磁輻射波譜中的一小部份而已）。從此，馬克斯威爾的理論才把光和靜電磁的現象連接在一起。
也正是馬克斯威爾的理論，用來解釋新的實驗結果，導致了二十世紀物理最偉大的進展：相對論和量子力學。電磁學也因而和這些理論交織成現代的理論，稱之為量子電動力學。如果預測實驗結果的準確性可視為判斷的基礎的話，量子電動力學可說是一套傑出而成功的理論；這套理論預測某些實驗測得的量，精確度高達億分之一。
量子力學對電磁學加了一個條件，即光或其他電磁輻射是由稱為光子的不連續的單位物所攜帶著，光子之能量E與頻率之關係為E=hν，其中，h為蒲朗克（Planck）引入的量子常數，而ν（希臘字母nu）為輻射頻率。因此，原來光用波來描述的，現在還要用帶有能量E的粒子描述來輔助。（同時，量子力學對一般構成物質的粒子也引入波的描述。）
光子的假說是愛因斯坦在1905年，為了解釋光電效應而提出的，同年，愛因斯坦發表了著名的特殊相對論，這也跟電磁理論有密切的關係，愛因斯坦用來發展相對論的假設，正是馬克斯威爾方程式亦隱含著的「光恒以固定速度c傳播」。愛氏發現粒子的速度v和其靜止質量M，以及能量E，有一個關係：v2=c2[1-(Mc2/E)2]。從這個方程式可看出，任一物體，若具有限的靜止質量，它的速度就完全由其能量決定，因為其他量均為常數。而且，我們也得到一個毫不意外的結果，即粒子的速度只有藉能量增加而增加。這個方程式也意味著：任何有質量的粒子，其運動速度不可能達到光速，如果粒子能達到光速，則Mc2/E必須為零，這樣能量E就必為無窮大，那是不可能的。因而我們得到個結論：任何具有限質量的粒子的運動速率不能達到光速c。
如果粒子質量為零，這個方程式所得的預測就大不相同了，當M等於零，則不管能量是多少，Mc2/E恒為零，因此該粒子恒以速度c前進，且不管能量為何，不會慢下來或增快。
愛因斯坦假設光子是這類無質量的粒子，可是相對論並不需要這個假設。事實上只要假設c是個常數（不一定是光速），則任何具有限質量的粒子當其能量無限制增加時，其速度將趨近於這個常數，如此就夠了。如果光子有質量的話，則其速度依其能量而定，且恒小於c（圖三）。
光子可能有大於零的質量首先在1930年由普洛卡（Alexandre Proca）以數學式表出。普洛卡方程式與馬克斯威爾完全一樣，只是多出了兩項（圖一），這新的項與光子質量的平方成正比，而且改變了很多靜電磁場和電磁輻射的重要性質。
帶質量的光子直接產生的一個效應是：不同頻率的電磁波以不同的速率前進，這是量子力學和特殊相對論的必然結果，相對論說帶質量粒子的速度由能量決定，而量子力學則說光子的能量與相對應電磁波頻率成比例，可知，若光子有質量，光波的速度就一定是由其頻率來決定：高頻率的電磁波比低頻者要快。事實上，當頻率減少到一定程度時，任何質量光子的速度將會減至零，換句話說，光停止不動了，這時的頻率是Mc2/h。
觀測靜止光子的可能性，提供了一個測量光子質量的明確方法。可是要證明這個波是停止不前的，我們得檢視相當大的空間，至少也得大於h/Mc的波長，由目前我們已有的光子質量極限值反過來推算，這個「靜止頻率」將少於每10秒一個週期，數值的計算顯示，相對於這個頻率的波長將大於400倍的地球半徑，很不幸的，要在這麼大的範圍內找出那麼緩慢的振盪是很難的。
另一種方法，或許我們可由不同頻率而不同波速的光找出其所造成的差異，也就是，令波同時出發，經過長時間旅行後，測量所造成抵達時間的差異。而這種波的理想光源就是波霎（pulsar），因為它可很定時的發出光和無線電波。從波霎發出的無線電波抵達地球所經過的時間，可精確度量，結果發現，低頻波是較高頻波延遲了很多，看來，這個延遲的時間似可由光子具有質量來解釋了！事實并非如此，因為星際空間並非完全真空，它包含著各種的物質，其中的自由電子，可使低頻電磁波的速率減慢，我們由其他的證據看出，是星際物質而非光子的質量造成低頻信號的延遲。
非零的靜止質量也會影響光子的偏極化。馬克斯威爾方程式指出，光子可在與運動方向垂直的兩個方向偏極化，普洛卡方程式則允許它有三個偏極化方向，除了前述兩種外，這第三個方向，便是沿著運動的路徑，我們稱為縱向光子（longitudinal photon）。
偏極化可被測出，所以尋找第三個偏極化方向似是決定光子靜止質量的另一可行方法。可是普洛卡的理論認為縱向光子的速度越快，則其電場便越弱；當其速度到達c時，其電磁場也就跟著消失。換言之，質量為零的縱向光子是沒有電磁場的，因此無法觀察到；而在馬克斯威爾的理論中本就沒有縱向光子，因此兩者對沒有質量的光子而言是一致的。由縱向光子可能帶的質量看來，它幾乎不和物質作用，譬如，太陽對縱向無線電波就是幾乎完全透明，因此要造個探測器來追蹤這種波又似乎極為困難。
那麼，到底什麼效應才是能觀測到的呢？又我們如何來求得這些有質量光子的極限呢？由上節的事實顯示，拿運動中的電磁波來做實驗，遠較兩百年前科學家所做的靜態場實驗不容易。因此，唯一實際的方法便是找出庫倫定律及安培定律由帶質量光子所造成的偏差。這兩個定律是第一個正式被提出的電磁學原理，包含在馬克斯威爾方程式的第一及第四公式裡，而這正是普洛卡修改後，所顯出有質量光子的兩個公式。公式的圖解意義可看圖四。
庫倫定律早在庫倫的發現之前，至少有三個人發現了它，所以在物理史上，將庫倫這個名字用在這個定律是個很有趣的故事。導至這個定律的發現，始於1755年，富蘭克林觀察到放置在一個充電的金屬杯中的軟木球，並不被吸引到杯子的內表面，他就寫信告訴了普力斯萊（Joseph Priestley），普力斯萊也重複了這個實驗，將這個結果在1767年，在他所著的電學的古與今（The History and Present State of Electricity, with Original Experiments）中報告出來。為解釋此現象，普力斯萊想起了牛頓在導出重力的平方反比中所做的推理。牛頓早指出只要重力是隨著距離平方而減少的話，則一個均勻物質的球殼，對其內的物體並不施以重力。普力斯萊很聰明地看出這個現象的類似之處，而指出電場也應該遵守平方反比定律。
第一個有關庫倫定律的定量測量是在兩年後，由一個蘇格蘭人羅比遜（John Robison）所做的，可是在一些科學聚會中討論他的實驗後，羅比遜居然直到1801年才出版他的報告，當時，庫倫早已發表了他的工作報告。不過羅比遜的論文仍因對英倫的工作者研習電學有深遠重大的影響而居要。我們應該記得，電磁理論發展的顛峰便是羅比遜的同鄉蘇格蘭人馬克斯威爾的成就。
羅比遜的實驗也是由富蘭克林的想法而得到靈感的，雖然過程是相當的迂迴。富蘭克林曾提出了有兩種電荷（正、負），這個概念引起了德國的亞彼那斯（Franz Aepinus）在他1759年以拉丁文出版的書裡，提出了平方反比的假想，恰巧羅比遜這位古文學者，看到這本書，而為亞彼那斯的臆測所吸引，因此設計個實驗來證明。
這個實驗巧妙且簡單（圖五），兩個帶電球間的斥力，由作用在支軸上的重力所平衡，從已知軸棒的重量可算出，各種距離間作用電力的大小，這樣平方反比的定律就可被測出。庫倫定律以數學式表出便是F=l1l2/r2，F就是電荷l1與l2距離r時的作用力。羅賓遜將他的結果以修改的形式表示F=l1l2/r2+q，如果q值為0.06，他將此歸於實驗誤差，而下結論說，電力確實遵守平方反比定律。
另一個早於庫倫發現庫倫定律的是卡文迪斯（Henry Cavendish），1773年，卡文迪斯所做的一個實驗（圖六），也看得出牛頓有關重力的概念對他的影響，他用兩個以金屬線連接的同心金屬球做實驗，在使外面的球帶電荷後，將連接線切斷，再度量內球的電荷，若平方反比定律正確，那麼在充電球內部應該沒有電荷，若定律不正確，就會有電荷往內跑，用這個技術，卡文迪斯做出了q的極限值0.02，以後所有有關平方反比定律的進一步證明都是卡文迪斯法的變化。
為什麼卡文迪斯得不到他這個證明的榮譽呢？原因仍是出版的拖延。他的結果直到100年後才出現，也就是直到馬克斯威爾在他的電磁論文Treatise on Electricity and Magnetism 裡才提到這個實驗。
最後，我們再看庫倫他自己，庫倫同時測量了吸力和斥力，所用的是如（圖七）的扭秤（torsion balance），由纖維轉離平衡位置的轉距可算出作用力。
庫倫在1785年完成了他的實驗，而於1788年在巴黎的皇家科學院研究報告中發表。雖然很明顯地，他並非拔頭籌的人，但有兩個理由，使他的名字與定律常存。第一，他對吸力和斥力都作了測量，更重要的是，他及時出版他的發現，這是羅比遜和卡文迪斯所沒做到的。
卡文迪斯的q值0.02在1873年由馬克斯威爾所改進，指出了q值不大於1/21,600，接著的改進則在1936年由普林頓（Samuel J. Plimpton）和勞頓（Willard E. Lawton）所完成，他們也是用兩個同心球，配合當時更精確的工具，在半呎的範圍內，得到q的值小於或等於2×10-9。
羅比遜和庫倫的實驗，實際量出作用力的大小，因此似乎提供了直接且明顯的庫倫定律的證明，但是卡文迪斯的方法卻更有力，因為那是個「否定實驗」（null experiment），任何微小違反平方反比的定律，僅可能導致羅比遜和庫倫觀測結果的小改變而己，但是卡文迪斯只須找出是否有電荷存在即可。做個是與否的決定要比做一系列高精確度的測量容易得多了！
現在，我們回頭來討論正題：若以羅比遜的表法，而用庫倫定律上的距離指數的修正項q來定義出光子質量是不合邏輯的。早期的研究者當然無法查覺出這個錯誤，畢竟他們只關心著定律本身，而無視於光子的存在，因為當時根本就沒有光子這回事，況且這個錯誤並不使他們的實驗結果失效，我們只要在導出光子的質量以前，先重新解釋以前的數據即可。
在羅比遜和卡文迪斯的時代，並無所謂的基本長度單位（fundamental unit of length）（不同於我們隨便選取的單位，如公尺）。同樣的，也沒有力量的基本單位，因此，合理的假設是：電的現象不管以米制或英制單位來測量，都得相同的形式。這就是「尺度不變」（scale invariance）的原理，只要承認這個原理，兩個不同距離間的作用力比，必定也由距離的比來決定，而且如果作用力是隨著距離的增加而連續地改變，那麼作用力的形式一定是依簡單的距離次方來改變，由此結論，我們就可選擇以r2+q的形式來表示。
可是，大約在40年前，從普洛卡和湯川秀樹（Hideki Yukawa）的研究，我們可以清楚地看出，「尺度不變」對帶質量的光子或其他基本粒子並不適用。由此指出。如果庫倫定律不正確，那麼這個定律的偏差就會提供我們一個與光子質量有關的長度的基本單位。這樣，電磁現象中的距離與作用力的關係將不能以簡單的冪數法則來表示。
雖然我們不能以修改的簡單冪數定律來表示了，但是毫無疑問的，靜電場的性質將會因光子具有質量而大大改變。電場減弱的速率將由與光子質量有密切關聯的長度來決定。這個長度由量子力學裡的方程式來求出是h/Mc，因為h和c是常數，長度也就完全由質量來決定。對一個單獨的電荷，其場強度和距離的關係為指數關係；因此距離每增加h/Mc時，通量（flux）（見圖四）就減少了差不多600倍。
這個結果，在粒子物理（particle physics）中是常見的，因為有個更廣泛的公式說：力量的作用範圍是與傳遞作用力的粒子之質量成反比。就拿作用於中子和質子間的強作用力來說，它是短程力，範圍大約是10-13公分，在三十年代湯川就預測，攜帶強作用力的量子，其質量大約是質子的十分之一，十年後，這種π介子（pion）就被找到了，實際上的質量也很接近預測值。其他某些衰變的弱作用力，為更短程距，可能小於10-15公分，用來傳遞這種作用力的粒子還未被發現，但是它的質量想來至少是質子質量的50倍，用同樣的比例推測，若光子沒有質量，電磁力的作用範圍也必是無限。不過一旦給找出帶有質量，穩定電荷或電流的作用將被限定在一定的球面內。
由於這個指數減少的定律和庫倫定律的平方反比有明顯的不同，所以基於探討是否符合平方反比定律而設計的卡文迪斯實驗，事實上是光子質量的靈敏指示器。依新的理論來重新解釋，從1936年普林頓-勞頓（Plimpton-Lawton）的實驗，我們可以求得光子的質量應小於10-44克。過去十年來，經不斷地技術改良，到了1971年威廉（Edwin. R. Williams），福樂（James. E. Faller）和西爾（Henry A. Hill）用五個二十面體的同心殼來改進靈敏度及消掉遊移電荷所生的誤差（圖八），得到了2×10-47克的極限值。
如果研究磁場，則更可推進這個極限。磁場因為作用範圍可延伸很遠，因此，是個極良好的光子質量指示器。當然原則上（假設光子是無質量的）電場和磁場均可有無限大的作用範圍，可是實際上，一個大的電場會吸引異性電荷而使通量線（line of flux）停止，結果電場給限制住了！可是磁力線卻沒有這個毛病，它是個封閉曲線，且可大到像銀河那般。因此我們只要檢視廣大範圍的磁場，就可查出因非零質量光子所造成形式上的改變（見圖四之2及6）。這種測量的精確度往往不及實驗室，但由於觀測範圍較大，而彌補了不精確的缺點。
薛丁格（Erwin Schrödinger，量子力學的創始者之一）是第一位利用了上面所談到的現象；他在1943年即利用地球磁場得到了有關光子質量的極限。1968年，我們由進一步測得的地磁場而定出光子質量的極限為4×10-48克，較實驗室的極限值小了5倍。自此，我們對木星磁場的觀測所得到的更精確值為8×10-49克，這是目前所可得到的最小可靠值。
以上所得的極限無可置疑的，是目前所能達的最小值，一個可能改進的方法便是觀測更大的磁場，例如銀河的磁場。可是銀河磁場的測量太困難了，可能的話也是間接的，因此這個想法的改進能好到那裡也不可知的，不過若單由範圍的大小來看，可能好上數億倍，較保守的估計也有一千倍以上的改進。
最後，利用一個微妙的量子力學論點，我們可知非零質量光子的存在與磁單極（magnetic monopole）的存在是衝突的。因此，目前我們的測定只是提供了個質量的上限，一旦磁單極找到，光子的質量就必定是零。不過，我們仍可反駁說，量子力學在大距離下並不適用，而且，目前磁單極的存在並不確定。前年磁單極的發現報告，由於可用另一種解釋說明，而無法確定。
若我們忽略找到磁單極的可能，那麼目前所得光子質量的極限（圖九）已經小得可以告訴我們：以目前的技術，我們無法探測出非零質量光子的效應。這個事實，引出了個哲學的問題：那就是，我們為何仍如此不厭其煩地求取光子質量呢？除掉我們總希望能有找到光子質量的一天外，最主要的動機是，我們堅持對自然的瞭解必須取決於實驗，且認為在任何未開發的領域之中，都有我們猜測不到的奧秘存在。
編註：本文所稱的光子的質量係指「靜止質量」而言，即在與光子一起前進的慣性系中所應測出的質量。曾經在科學月刊第四卷八期的「讀者的來信」中討論過光子的質量問題，那時是指光子在（以光速）運動中的「質量」。（本文譯自Scientific American May 1976. Vol. 234, No.5. by Alfred Scharff Goldhaber和Michel Martin Nieto）
物理課本告訴我們，浦郎克是第一位提出「量子」觀念的人。他在1900年的那篇不朽的論文裡提出：一個頻率為ν的簡諧振子每次只能吸收或放出hν的整數倍的能量，h為一很小的常數；後來為了紀念他，這一常數稱為浦郎克常數。
但是你也許不知道，最先提出「光量子」觀念的並不是浦郎克，而是當時名不見經傳，年僅26歲的愛因斯坦。愛因斯坦在1905年共提出了三篇重要論文，一篇是關於狹義相對論的，一篇是關於布朗運動的，另一篇名為「從啟發觀點來看光的產生與傳播」的，就提出光不僅在放射及吸收過程中以hν的能量為單位，在傳播時亦具有粒子性這一理論。這種「粒子」，當時稱為光量子。1926年G.N.Lewis為它取名為photon,譯為光子。
大家知道，光的粒子說是牛頓時就倡言過的，後來到了十九世紀末期，因為種種實驗的結果及電磁理論的成就，便物理學家深信光是波動。現在愛因斯坦又提出「粒子」的觀念，豈不是復古嗎？但是愛因斯坦知道，光量子並不同於古典觀念的粒子，它具有「物以類聚」的統計特性；而且愛因斯坦也認為，浦郎克所提出的黑體輻射公式顯示，光具有「波動」與「粒子」的性質。
可是後來發展下去，一般量子物理學家的觀念卻不同，他們認為光的「粒子性」與「波動性」不僅是互補的，且是統計性的。當實驗或觀察方法使光顯示一種性質時，另種性質就隱而不現。
愛因斯坦至死也不肯接受這一觀點。他在1951年12月12日（註）寫給少時好友的一封信裡寫道：
這將近五十年來對「光量子到底是什麼」的深思，並沒有使我更接近答案。現在每一個人，像湯姆、阿丁、昭子等，都以為他們了解，可是他們錯了！
你認為如何呢？
註：愛因斯坦死於1955年4月18日。
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Thursday, October 3, 2013
maxwell 方程式用向量（包含有大小及方向的一種量）來描述電場與磁場，這些向量再由電荷密度、電流密度及其在時間與空間的變化率來決定
方程式用向量（包含有大小及方向的一種量）來描述電場與磁場，這些向量再由電荷密度、電流密度及其在時間與空間的變化率來決定
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