光学声子能量 光子的声音
大家都知道光子代表着光，无论是肉眼可见的光还是不可见的电磁波，光子就是电磁波的量子描述。物质时刻都在运动之中，所有物体通过其原子振动和电子运动对外释放能量，它们以电磁波的形式表现出来，于是我们周围的空间到处都充满了看不见的电磁波和看得见的光，这些能量的每一份就是一个光子。
那么什么是声子？声子与声音有什么关系？声子可以像光子那样在空气中或太空中传播吗？是不是寂静无声就代表着没有声子的运动？今天我们就谈谈这些问题。
声子振动的激发
什么是声子？
声子是基本振动运动在量子力学上的描述。它指的是在固体或某些液体中原子或分子的晶格集体激发，并以单一频率均匀振动。
但是如果你将声子理解为一个上下振动的小乒乓球，就犯了错，因为其实并不存在声子这个东西，它是准粒子。意思是说，声子是物理学家们为了研究和计算的方便而设计出来的“粒子”，声子是晶格振动运动的量子态，它不是真正的粒子。
对于经典物理学来说，声子指的是一种振动正常模式，任何晶格振动都可以被认为是这些基本振动正常模式的叠加。振动是波，声子又被定义为粒子，于是声子便与光子一样具有了波粒二象性。
我们来做一个小结：声子是一种基本振动运动模式，它是一种准粒子，它具有波粒二象性。但单一的粒子振动不能产生声子，声子是一群联结在一起的原子或分子（晶格）集体激发，以单一频率的均匀振动。
声子可以在钻石与石墨的晶体间传递振动，但不能在水中传递
声子振动的模型
光作为一种电磁波，它拥有波长与频率，频率越低的电磁波波长越长。声子也一样，理论上声子的振动波长可以达到宇宙的宽度，在一定的波长下，声子的振动可以产生声音，声子以晶格振动传递其能量，但声子没有物理动量，它被赋予准动量。
我们能听到声子发出的声音吗？不能，因为声子的振动只存在于微观的晶格之中，空气分子相距遥远，它们之间没有弹性联系，所以不能形成集体激发，也就不能传递声子振动。而在太空中只有极少的粒子，更不可能有声子的传播。
在许多固体和一部分液体中，原子和分子之间因为化学键形成紧密的晶格结构，当一个原子发生振动，由于它跟相邻原子间存在范德瓦尔斯力、共价键、静电吸引力等电磁力，也会连带着附近原子发生相应振动，这种振动被称为集体激发。
集体激发理论上可以是一维的线、二维平面，更多的是三维的晶格。为了简化三维原子晶格所需的分析，可以方便地对一维晶格或线性链进行建模。这个模型显示了声子的显着特征：
声子的一维振动模型
上面这个动画显示了一维晶格线性粒子链的前6个正常模式：位于顶部的波长最短，越往下波长越来越长，在最下面的线条中，我们可以看到波在向右运动。
在二维晶格中，由于原子之间的弹性连接，一个或多个原子从其平衡位置的位移产生了一组通过晶格传播的振动波，在下图中，我们以λ来标记平面振动波的波长：
声子的二维振动波
声子振动的最小波长是多少？这个波长与原子间的距离有关，它大约是原子之间的平衡间隔的两倍。请注意，我们提到了平衡间隔，因为原子之间存在距离，这与原子本身的半径以及原子间相互作用的力有关，平衡间隔指的是当原子处于未激发状态（基态）时的相互间隔。由于受到相互作用力的牵制，原子受激发后的位移幅度也将受到限制。
为了更好地研究声子振动，物理学家们创造了一维与二维模型，实际上物体都是三维的，声子的振动也是在三维空间晶格中传递。
铜的面心立方晶体
上图是典型的铜金属的面心立方晶体，事实上几乎所有的金属都是与之类似的晶体结构。当一个自由电子从晶格间的空隙穿过，由于电子携带的负电荷与金属原子周围电子相互排斥、或者被那些已经失去最外层电子原子的空穴吸引，由此产生的力会引起周围空间发生弹性变形，当温度足够低时，变形会引发晶格的规律振动，振动产生的声子会推动电子前进。
晶格中声子的激发促使自由电子产生库帕对，从而形成超导现象
声子传递的是什么？
声子传递的是能量。
固体的热力学性质与其声子结构直接相关，这就是为什么通常晶体的热传导效率比非晶体高的原因。
在绝对零温度下，晶格处于其基态，并且不包含声子。非零温度下的晶格具有不恒定的能量，它在某个平均值附近随机波动。这些能量波动是由随机晶格振动引起并由晶格的温度产生，所以它们有时被称为热声子或声子气体。
如果我们对晶体的某一部分加热，这部分的原子因为获得能量而加剧振动，表现为集体激发，热声子会迅速向周围传递以平衡其能量，最终达到晶体所有的晶胞能量均衡的状态。这与加热水不同，热水是通过对流传递能量，晶体通过声子的振动传递能量。
如果晶体内声子的波长足够长，它会导致更多的晶胞跟随一起振动，由此对外表现为晶体的整体振动，我们称之为声学声子。声学声子的振动会产生声音。
一组波的振动
光学声子是晶格中原子的异相运动，一个原子向左移动，另一个原子向右移动。当像氯化钠这样离子晶体红外辐射激发时，光的电场将使每个正的钠离子向一个方向移动，而每个负的氯离子移动向另一个方向移动，从而使晶体振动。晶体的光学声子振动使光可以在晶体中传递。
总结：
科学家认为声子是一种玻色子，实际上它是晶体结构中传递振动的准粒子，声子与光子一样具有波粒二象性。
空气中的分子与周围其它分子没有紧密关联，当一个分子发生振动时不能带动周围的粒子一起同步振动，因此空气中不存在声子。同样地，声子也不能在太空中传递，它只存在于凝聚态物质的晶格之中。
声子本身没有物理动量，它只有准动量，但声子通过振动传递能量。
绝对零度的物体（事实上并不存在这样的物体）中没有声子，当物体有温度，它内部的原子振动就会使其充满声子气体。而当我们加热晶体时，声子会通过振动向能量向周围传递。同样地，当电子和光子通过晶体运动时，它们的场也会扭曲周围的晶格，从而产生声子。从这个角度看，无论我们是否听到声音，只要温度和场存在，晶体中的声子就存在。
