Valon luonnetta kuvaava teoria on tarkentunut useaan otteeseen historian saatossa. Muun muassa Isaac Newtonin näkemys oli, että valo koostuu hiukkasista. 1800-luvulla sähkömagnetismin teoria antoi valolle tarkan selityksen sähkömagneettisena aaltoliikkeenä, mistä muodostui joksikin aikaa hallitseva näkemys hiukkasmallin sijaan. Säteilyn kvantittumisen teoria ja käsitys fotoneista muodostui 1900-luvun alkuvuosina. Monissa mittauksissa fotonit ovat osoittautuneet todellisiksi ja niiden avulla selitetään nykyfysiikassa kattavasti sähkömagneettinen vuorovaikutus.

Fotoneista huolimatta ei ole palattu Newtonin käsitykseen valosta yksipuolisesti hiukkasina, sillä sähkömagneettisen säteilyn aaltoluonteen mukaiset ilmiöt, kuten interferenssi ja polarisaatio, ovat edelleen todellisuutta. Fotoneja kuvaavasta kvanttiteoriasta onkin tullut klassista sähkömagnetismia laajentava teoria. Monet valon aistein havaittavat – makroskooppisen tason – ilmiöt ovat ymmärrettävissä valon aaltomallin kautta, mutta mikroskooppisen tason selityksessä fotonit ovat välttämätön käsite. Sähkömagneettisen säteilyn sanotaankin olevan luonteeltaan dualistista. Sillä on sekä aaltomaisia, että hiukkasmaisia ominaisuuksia.

Vaikka fotonista voidaan puhua "hiukkasena, joista valo koostuu", se ei ole samanlainen hiukkanen kuin muut. Fotoniin ei voi tarttua, sitä ei voi siirtää, hidastaa tai kiihdyttää. Fotoni liikkuu aina valon nopeudella ja sen tavat vuorovaikuttaa aineen kanssa ovat vain syntyminen (emissio) ja tuhoutuminen (absorptio). Näissä tapahtumissa fotoni joko saa tai luovuttaa energiansa ja liikemääränsä kokonaan sille hiukkaselle, joka sen emittoi tai absorboi.

Suuri määrä fotoneja käyttäytyy etenevän aaltorintaman tavoin, mutta yksittäisellä fotonillakin on aaltoluonne. Tarkan paikan sijaan fotonin sijaintia kuvaa aalto, joka ilmaisee fotonin sijainnin todennäköisyyksiä tietyllä hetkellä.


Klassisen hiukkasen sijaan fotoneita ilmentää paremmin aaltopaketti, jossa yhdistyvät hiukkasmaiset ja aaltomaiset ominaisuudet.

Kaksoisrakokoe on klassinen osoitus valon aaltoluonteen puolesta. Moderneilla mittalaitteilla toteutettuna kaksoisrakokoe paljastaa valon dualistisen luonteen. Kun hilaan kohdistetaan hyvin heikkoa valoa, voidaan valon havaita absorboituvan mittalaitteeseen yksittäisinä fotoneina, hiukkasmaisesti. Vasta pitkän ajan kuluttua, kun yksittäisiä fotoneja on kertynyt paljon, havaitaan niiden muodostama aalloille ominainen interferenssikuvio. Tämä tulkitaan siten, että jokainen yksittäinenkin fotoni käyttäytyy aallon tavoin raosta kulkiessaan. Fotoni kulkee molemmista raoista, interferoi itsensä kanssa ja paikantuu tiettyyn pisteeseen vasta varjostimelle osuessaan. Ohessa on linkki kuvasarjaan, jossa näkyy fotonien kertyminen varjostimelle.

Wave-particle duality of light (Swiss Physical Society)