摘要：近日，一个来自伯明翰的研究团队取得了一项具有里程碑意义的成果——成功创建了人类有史以来第一张单个光子的详细图像。这一突破性进展，为我们深入理解量子世界的奥秘提供了前所未有的视角，也为多个前沿领域的发展带来了无限可能。

近日，一个来自伯明翰的研究团队取得了一项具有里程碑意义的成果——成功创建了人类有史以来第一张单个光子的详细图像。这一突破性进展，为我们深入理解量子世界的奥秘提供了前所未有的视角，也为多个前沿领域的发展带来了无限可能。

光子，作为光的基本粒子，长期以来一直是物理学研究的核心对象之一。此次伯明翰的研究人员所捕捉到的光子图像呈现出独特的柠檬形状，它是从纳米粒子表面发射出来的。这一图像的诞生，不仅是实验技术上的巨大成功，更得益于背后创新性的理论支撑。相关理论成果于 11 月 14 日发表在《物理评论快报》上，为科学家们计算和理解光子的各种量子属性开辟了新的道路，有望在量子计算、光伏设备以及人工光合作用等诸多领域掀起一场新的革命。

自 17 世纪起，关于光究竟是粒子还是波的争论便从未停歇。牛顿提出的光的微粒说，认为光是由微小的粒子组成，能够解释光的直线传播和反射等现象；而惠更斯的波动说则强调光的波动性，成功诠释了光的干涉和衍射等行为。这两种理论在当时各有其支持者，彼此僵持不下，使得光的本质问题在数百年间一直笼罩在迷雾之中。

在量子力学的框架下，光子作为光的基本粒子单位，成为了众多科学家研究的焦点。然而，尽管经过了一个多世纪的深入探索，我们对于光子的理解仍然存在诸多局限。尤其是在光子的产生、发射机制以及它们在空间和时间中的动态演化过程等方面，我们的认知还相当模糊。

自量子力学诞生以来的 100 多年间，光的量子行为已通过无数实验得到证实：光能够同时展现出波和粒子的双重特性。然而，尽管取得了这些显著的成就，我们对于光的量子本质的基本理解却仍然十分有限。例如，光子究竟是如何被创造和发射的？它们在空间和时间中又是如何演变的？这些基本问题一直困扰着科学界，成为深入探索量子世界的关键障碍。

正如该研究的第一作者、英国伯明翰大学的研究助理 Ben Yuen 在接受采访时说：“我们渴望理解这些过程，从而充分利用量子特性。光与物质在量子层面究竟是如何相互作用的？这是我们亟待解答的核心问题。”然而，光的本质决定了这个问题的答案具有近乎无限的可能性。Yuen 进一步解释道：“我们可以将光子视为电磁场的基本激发，这些电磁场是不同频率的连续体，每个频率都有可能被激发。这就好比将一个连续的区间无限细分，在任意两个点之间，都存在着无数的可能选择。”这种复杂性直接导致了光子的属性在很大程度上取决于其所处的环境，从而引发了一系列极其复杂的数学难题。“乍一看，为了得到答案，我们似乎需要写下并求解无穷多的方程。”

面对这一看似不可能完成的任务，Yuen 和共同作者、伯明翰大学理论纳米光子学教授 Angela Demetriadou 巧妙地运用了数学技巧，成功地简化了复杂的方程。他们引入了虚数这一概念——即负一的平方根的倍数，这在处理复杂方程时是一种极为强大的工具。通过巧妙地操纵虚数部分，许多原本困难的方程项能够相互抵消。只要在最终求解之前将虚数转换回实数，就能够得到一个更易于处理的计算形式。“我们将连续的实频率转换为一组离散的复频率，”Yuen 详细解释道，“通过这种方式，我们将方程从连续的无穷集合简化为可操作的离散集合，进而能够将其输入计算机进行求解。”

利用这些创新的计算方法，研究团队成功地模拟了从纳米粒子表面发射的光子的属性，细致地描述了光子与发射器之间的相互作用以及光子从源头传播开来的过程。基于这些模拟结果，他们首次生成了光子的图像——那个独特的柠檬形状粒子，这一形态在以往的物理学研究中从未被观测到。

Yuen 特别强调，此次得到的光子形状仅对应于特定的实验条件。光子的形状会随着环境的变化而发生根本性的改变，这正是纳米光子学的关键所在，通过精心设计环境，就能够精确地塑造光子本身的特性。

研究团队的计算成果为深入理解光子这一量子粒子的基本属性提供了极为深刻的见解。Yuen 深信，这些新知识将为物理学家、化学家和生物学家开启全新的研究领域。“我们可以预见到其在光电设备、光化学、光收集与光伏技术、光合作用理解、生物传感器以及量子通信等领域的广泛应用，”Yuen 满怀信心地说道，“除此之外，必然还存在着大量尚未被发现的潜在应用。通过开展这类基础性的理论研究，我们为其他众多领域解锁了全新的可能性，为未来的科技发展注入了强大的动力。”

这项开创性的研究不仅标志着我们在量子光学领域迈出了坚实的一大步，更为人类探索微观世界的奥秘提供了全新的工具和思路。随着对光子特性理解的不断深入，我们有理由相信，一个由量子技术驱动的新时代即将来临，它将深刻地改变我们的生活和对宇宙的认知。

来源：白云聊科学