摘要：為什么存在光子?經(jīng)典物理給出了推導(dǎo),但解釋不了光子的本質(zhì)和奇異特性。量子理論表明光子是一種非局域性粒子,并與通常的微觀粒子有重大區(qū)別。然而任何理論都不能提供光子的具體形象,這就在單光子定義上發(fā)生困難。光子可由光脈沖獲取,其中的光子數(shù)服從Poisson分布。另外也可以從光功率出發(fā)而定義單光子,光子實(shí)際上是一種最弱光源。本文論述了單光子理論與實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展,給出歷史評(píng)論和對(duì)某些矛盾悖論的探討。例如,光子是能量子,具有物質(zhì)屬性,但卻給不出光子的尺寸和體積;狹義相對(duì)論實(shí)際上賦予光子點(diǎn)粒子形象。又如,量子力學(xué)(例如Schr dinger方程)用波函數(shù)Ψ(r,t)描寫(xiě)電子,空間定位為幾率性分布,|Ψ|^2是幾率密度;但對(duì)光子卻無(wú)法定義一個(gè)自洽的波函數(shù),也不能寫(xiě)出相應(yīng)的波方程。而且眾所周知,經(jīng)典Maxwell波方程并不能滿意地描寫(xiě)光子。本文認(rèn)為“光子無(wú)靜質(zhì)量”假說(shuō)造成了理論自洽性的缺失。對(duì)有質(zhì)(量)光子,可用1936年提出的Proca方程組取代Maxwell方程組。我們推導(dǎo)了新的電磁波和光子的波方程,稱為Proca波方程(PWE)。在PWE中有包含粒子質(zhì)量參數(shù)(m)的項(xiàng),這與Schr dinger波方程、Dirac波方程一致。這使理論關(guān)系改善,而有質(zhì)(量)光子與點(diǎn)粒子劃清了界限。量子信息學(xué)的迅猛發(fā)展迫使科學(xué)家考慮少數(shù)(例如1萬(wàn)個(gè)或更少)光子的行為特點(diǎn)。最近測(cè)量光動(dòng)量成功,使得可能用實(shí)驗(yàn)確定1個(gè)激光束中包含的光子數(shù)。量子保密通信要求理想單光子源(PSPS),其中1個(gè)光脈沖僅有1個(gè)光子。然而迄今并未制成這種源,所用均為近似PSPS,故通信不會(huì)絕對(duì)安全。由于白天的光干擾,衛(wèi)星量子通信及量子雷達(dá)難以工作得好。如用微波頻段會(huì)有好效果,但微波單光子能量極小,實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常難。