光子学概念辨析

从基础物理的角度讲，光学（及电磁学）只分两种：一种是量子电动力学（即量子场论之一，触及光子概念，涉及二次量子化与路径积分，Maxwell方程不再成立）；另一种是经典光学（经典电磁场论，经典电动力学），基于Maxwell方程，涉及经典光波，但不需要涉及光子概念。

   两者的区别与联系在于：前者更正确，后者是前者的强场近似。Maxwell方程，作为欧拉－拉格朗日方程，只是路径积分中作用量的极值体现。当场强很弱的时候，一个光子、两个光子、......n个光子、......各自都对应一个个电场强度，但n个光子与n+1个光子之间是没有经典场强对应的，也即当场强很弱时，电场强度是不连续、离散、跳跃式的。当场强较强的时候，虽然也有这种离散的现象，但可以看作准连续了。当场强进一步变强的时候，电场强度的离散性已经变得不再重要，因此电场强度可以看作完全是连续的了，此即经典电动力学范畴。

光子（photon）是电磁场的量子激发，是量子电动力学的基本概念。基于Maxwell方程的理论不需要光子概念。因此，凡是基于Maxwell方程的研究，却宣称在做"光子学（photonics）"研究，就属于表里不一。其实他仍旧是属于"光学"研究嘛。光子晶体这个概念，属于最大的概念滥用，是"挂羊头卖狗肉"（后面再说）。

感觉到现在所谓的纳米光子学、生物光子学，大多有这类滥用概念的做法。纳米光子学、生物光子学中的很多现象，仍旧属于Maxwell方程统领的领域，因此与"光子"无关（或许称呼"纳米光学"、"生物光学"也许更合适）。但也有例外，最近顾樵（旅居德国）写了一本《生物光子学》的书，研究的是"生物光子辐射"（而非"生物发光"），里面大多章节使用了二次量子化方法，那么这是使用了真正的"光子"概念，真正属于名副其实的"生物光子学"。

"光子晶体"，最初听到这个概念的时候，我的第一反应是：一堆光子气体在介质里面，正则量子化与路径积分在里面龙腾翻滚，Maxwell方程当然不再有效。可是，实际上"光子晶体"理论用到的起码方程还是Maxwell方程。所以，我一直认为，这个概念是用错了。"光子晶体"应该命名为"光波晶体"或"电磁波晶体"才更为合适。

     以上观点基于基础的物理理论，只算一家之言，因此也不必过于较真，因为学科五花八门，允许各自有自己的概念体系，不必太受缚于其他相关学科。实际上，与"光子学"类似，"电子学"已经有点滥用概念的嫌疑了。我只是说"有点滥用"，因为后来的发展表明，半导体理论中也大量使用了电子与空穴的产生湮灭算符方法，因此也算符合"电子学"这个名号了。"光子学"当然也会出现（或正在出现）这种现象。

     物理走向大一统之后，概念的区分更加不再重要。在量子电动力学与量子场论中，粒子、波、场，这些原本意义不同的概念，归为一统。粒子即波、波即粒子；场即波、波即场；粒子即场、场即粒子。在佛祖那里，色即空，空即色。大千世界，形形色色，只有一个本质，归为一空。现在物理学圣杯，追求"四大皆空"（引力、强力、弱力与电磁力的统一），这是佛祖的境界。

JQSHEN  沈建其  2008-12-7