Photon là hạt phi khối lượng,[Ct 2] không có điện tích[12] và không bị phân rã tự phát trong chân không. Một photon có hai trạng thái phân cực và được miêu tả chính xác bởi ba tham số liên tục: là các thành phần của vectơ sóng của nó, xác định lên bước sóng λ và hướng lan truyền của photon. Photon là một boson gauge của trường điện từ,[13] và do vậy mọi số lượng tử khác của photon (như số lepton, số baryon, và số lượng tử hương) đều bằng 0.[14]

Biểu đồ Feynman mô tả electron và positron trao đổi photon (còn gọi là tán xạ Bhabha).

Các photon được phát ra từ rất nhiều quá trình trong tự nhiên. Ví dụ, khi một hạt tích điện bị gia tốc, nó sẽ phát ra bức xạ synchrotron. Trong quá trình một phân tử, nguyên tử hoặc hạt nhân trở về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn, các photon với năng lượng khác nhau sẽ bị phát ra, từ bức xạ hồng ngoại cho đến tia gamma. Photon cũng được phát ra khi một hạt và phản hạt tương ứng hủy lẫn nhau (ví dụ như sự hủy cặp hạt electron và positron).

Trong chân không, photon chuyển động với vận tốc ánh sáng c và năng lượng cùng động lượng của nó được liên hệ trong công thức E = pc, với p là độ lớn của vector động lượng p. Công thức này suy ra từ công thức tương đối tính, với m = 0:[15]

E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4 . {\displaystyle E^{2}=p^{2}c^{2}+m^{2}c^{4}.\,}

Năng lượng và động lượng của photon chỉ phụ thuộc vào tần số (ν) của nó hay bước sóng (λ):

E = ℏ ω = h ν = h c λ {\displaystyle E=\hbar \omega =h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}} p = ℏ k , {\displaystyle \mathbf {p} =\hbar \mathbf {k} ,}

Với k là vectơ sóng (trong đó số sóng (wave number) k = |k| = 2π/λ), ω = 2πν là tần số góc, và ħ = h/2π là hằng số Planck thu gọn.[16]

Do p chỉ theo hướng của sự lan truyền photon, độ lớn của động lượng sẽ là

p = ℏ k = h ν c = h λ . {\displaystyle p=\hbar k={\frac {h\nu }{c}}={\frac {h}{\lambda }}.}

Photon cũng mang động lượng góc spin mà không phụ thuộc vào tần số của nó.[17] Độ lớn của spin là 2 ℏ {\displaystyle \scriptstyle {{\sqrt {2}}\hbar }} và thành phần đo dọc theo hướng chuyển động của nó, hay hình chiếu của động lượng (helicity), phải là ±ħ. Có hai hình chiếu của động lượng, gọi là bên phải (right-handed) và bên trái (left-handed), tương ứng với hai trạng thái phân cực tròn của photon.[18]

Để minh họa ý nghĩa của những công thức này, sự hủy của một hạt và phản hạt tương ứng trong chân không phải cho kết quả là tạo ra ít nhất hai photon vì những lý do sau. Đối với khối tâm của hệ, tổng động lượng toàn phần phải bằng không, trong khi đối với một photon thì nó luôn có động lượng (do những tính chất đã được miêu tả ở trước, động lượng chỉ phụ thuộc vào tần số hoặc bước sóng—mà không thể bằng không). Từ đó, theo định luật bảo toàn động lượng (hoặc tương đương với, bất biến tịnh tiến) đòi hỏi rằng ít nhất hai photon phải được tạo ra, cho tổng động lượng toàn phần bằng không. (Tuy vậy nếu hệ tương tác với một hạt khác hoặc một trường khác trong quá trình hủy cặp hạt thì có khả năng sinh ra một photon, ví dụ như khi một hạt positron hủy với một electron liên kết trong hệ nguyên tử, thì có thể sinh ra chỉ một photon do trường Coulomb của hạt nhân nguyên tử đã phá vỡ đối xứng tịnh tiến.) Năng lượng của hai photon, hay một cách tương đương, tần số của chúng, có thể được xác định từ định luật bảo toàn bốn-động lượng. Nhìn theo một hướng khác, ta có thể xem photon là phản hạt với chính nó. Và quá trình ngược lại, sự sinh cặp, thể hiện nổi bật trong cơ chế các hạt photon năng lượng cao như tia gamma bị mất năng lượng khi truyền qua vật chất.[19] Quá trình ngược lại của "sự hủy một hạt photon" được diễn ra trong điện trường của một hạt nhân nguyên tử.

Công thức cổ điển cho năng lượng và động lượng của bức xạ điện từ có thể được viết lại theo khái niệm của sự kiện photon. Ví dụ, áp suất bức xạ điện từ lên một vật được dẫn ra từ sự truyền động lượng của photon trên một đơn vị thời gian và một đơn vị diện tích của vật thể đó, do áp suất là lực trên một đơn vị diện tích và lực là sự thay đổi của động lượng trên đơn vị thời gian.[20]

Thí nghiệm kiểm tra khối lượng của photon

Photon hiện tại được tin là không có khối lượng, nhưng nó vẫn còn là một câu hỏi trong lĩnh vực thực nghiệm. Nếu photon không phải là không có khối lượng, thì nó không thể chuyển động với vận tốc chính xác bằng vận tốc của ánh sáng trong chân không, c. Vận tốc của nó sẽ phải nhỏ hơn và phụ thuộc vào tần số của nó. Thuyết tương đối sẽ không bị ảnh hưởng bởi vấn đề này; vì cái gọi là vận tốc ánh sáng, c, do đó sẽ không phải là vận tốc thực mà ánh sáng di chuyển, mà là một hằng số của tự nhiên giới hạn vận tốc lớn nhất của bất kì một vật thể nào về mặt lý thuyết có thể đạt được trong không thời gian.[21] Và như thế, nó vẫn là vận tốc của những gợn không thời gian (các sóng hấp dẫn và các hạt graviton), nhưng nó không phải là vận tốc của photon.

Nếu hạt photon có khối lượng thì nó cũng sẽ ảnh hưởng đến tính chất khác. Như định luật Coulomb sẽ phải thay đổi và trường điện từ phải có thêm một bậc vật lý tự do. Những hiệu ứng này chi phối độ chính xác của các thí nghiệm nhằm khám phá khối lượng của photon cao hơn so với sự phụ thuộc vào tần số của vận tốc ánh sáng. Nếu định luật Coulomb không đúng hoàn toàn, thì nó sẽ khiến cho xuất hiện một điện trường bên trong một vật dẫn rỗng khi vật này được đặt trong một điện trường ngoài. Từ đây có thể kiểm tra định luật Coulomb với độ chính xác rất cao.[22] Thí nghiệm kiểm tra điều này không phát hiện ra được điện trường bên trong vật dẫn rỗng và đặt giới hạn cho khối lượng trên của photon trong thực nghiệm là m ≲ 10−14 eV/c2.[23]

Giới hạn trên cho khối lượng của photon với độ chính xác cao hơn thu được trong thí nghiệm nhằm xác định hiệu ứng gây nên bởi vectơ thế từ trường thiên hà (galactic vector magnetic potential). Mặc dù vectơ thế từ trường thiên hà là rất lớn do từ trường của thiên hà tồn tại trên những khoảng cách lớn, thì từ trường này chỉ có thể quan sát được nếu photon là hạt phi khối lượng. Trong trường hợp photon có khối lượng, số hạng khối lượng 1 2 m 2 A μ A μ {\displaystyle \scriptstyle {\frac {1}{2}}m^{2}A_{\mu }A^{\mu }} có thể ảnh hưởng đến plasma thiên hà. Trên thực tế không một hiệu ứng nào đã được quan sát và các nhà vật lý rút ra được giới hạn khối lượng trên cho photon là m < &-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1.0000003×10−27 eV/c2.[24] Vectơ thế thiên hà cũng có thể được khám phá một cách trực tiếp bằng cách đo mômen xoắn tác động lên một vành từ hóa.[25] Những phương pháp này đã thu được giới hạn trên là 10−18eV/c2, được cho trong Nhóm Dữ liệu Hạt (Particle Data Group).[26]

Những giới hạn rất nhỏ này được suy ra từ sự không quan sát thấy các hiệu ứng do vectơ thế từ trường thiên hà đã được chỉ ra là những mô hình phụ thuộc.[27] Nếu khối lượng của photon được tạo ra thông qua cơ chế Higgs thì giới hạn trên cho khối lượng của photon là m≲10−14 eV/c2 do định luật Coulomb phù hợp với thí nghiệm kiểm tra nó.