「光子」（）这个字是由物理家吉伯特．路易斯於1926年,也是自1905年爱因斯坦发觉光电效应的解释后约五分之一世纪,首先拿来尊称爱因斯坦所提出的电磁波量子化现象中的粒子.
并且「光子」观念的诞生应当回溯到19世纪中,当时,宋体幅射（）正造成化学学家高度的注意.从铁器时代开始,铁匠就早已晓得把金属加热到足够高的气温时,会发出可见光,在较低的气温会发出较暗且偏红的光,在较高的水温会发出较亮且偏蓝的光,由金属发光的亮暗和颜色,就可以判定铁的气温是否适当,是否可以打了.
在19世纪中,化学学家对热力学和电磁学已有足够的了解,她们晓得,低温的金属之所以会发光,是由於金属上的电荷因处於低温状态而激烈运动,因此发出可见光波段的电磁波,并把这些由于水温导致物体所发出的电磁波称为宋体幅射.在1850年代末期,热力学和电磁学大师克希何夫（G.R.）对上述现象倍感兴趣,并开始研究宋体幅射问题.
他考虑一个处在某一固定气温由某种材质所制做的表面上有一小孔的中空容器,并推测假如小孔面积远小於这容器的内壁面积,由这个小孔离开容器的电磁幅射就相当於宋体幅射.其在各个电磁波段能量的比重（即频谱）,和中空容器的材质与容器的形状都没有关系,惟一对电磁波频谱导致影响的只有气温,很遗憾的,他并未能得到频谱的气温函数.在那以后,怎样由理论或实验得到频谱的气温函数,就成为化学学家们的一大挑战.
在随后的40年里,化学学家做了许多精确的实验,也提出了各类不同的模型和理论来解释实验结果.在那些研究里,史提芬发觉宋体幅射的能量密度和湿度的4次方成反比,但是在稍后由波兹曼以纯热力学的方法得到证明.1893年怀恩更以之推论而得到一个频谱的气温函数,并且这个函数并不是确定的方式,由于函数里有一个未知项.
宋体幅射频谱最终的正确方式是由蒲朗克（Max）所发觉.在1900年10月的某日夜里,蒲朗克的朋友到他的家里拜访,并带来前三天由实验所量得宋体幅射的气温函数.蒲朗克推测既然宋体幅射的频谱函数与中空容器的材质和形状无关,那他可以任意假定这个中空容器就是一个长方体的金属盒.长方体内可存在的电磁波,已经在电磁学里被研究透彻,而同时由热力学晓得,气温会导致电荷激烈运动并因此发出电磁波,而这种发出来的电磁波,也必须符合长方体内可存在的电磁波模式.
到此为止,他所作的假定和估算与莱理（）之前失败的估算完全相同,所以他也应当得到与莱理所算出,在中空容器里的电磁波能量是无限大,一样的错误推论.
然而蒲朗克在作进一步估算前,作了一个空前的推测（他自己称为「快乐的推测」）,就是长方体内每一个可存在的电磁波模式,只有某个常数（就是后来所称的蒲朗克常数,h）除以该电磁波频度整数倍的能量（即每一个电磁波模式的能量E=nhf,n是一正整数或零,f是该电磁波的频度）,可以和长方体的内壁作用.当他作了这个假定后,他估算得到宋体幅射频谱与湿度的关系式（称为幅射定理Law）,和他才从他朋友那儿得到的实验数据完全符合.
这个之后称为幅射定理的结果,成功地解决了40年前克希何夫所设下的挑战.虽然这么成功,但蒲朗克并不了解他所作的假定,具有更深层的数学意义.他以后承认,「……这纯粹只是一个假定,我真的没想到再多给它一点思索.」
19世纪末,有另一个知名但难以解释的实验——光电效应实验.赫兹和李纳德发觉当有光照在金属板上时,可以量到电压（即个别电子被光照射后,可以得到足够的动能,克服两金属板间的电位能差,由一金属板飞到另一金属板,产生电压）,而没有光时,就量不到电压.
但令当时所有的科学家都倍感疑惑的是以下几个观察到的结果.第一是降低照射光硬度,只能降低电压,却难以降低电子的动能.第二是不管多强的绿光都难以形成光电流.第三是即使用特别弱的紫光去照射,也可以形成光电流,而所迸发下来的电子动能也比用强的蓝光迸发出的电子的动能大.
1905年,爱因斯坦把蒲朗克所提出的理论,加以一个更深的数学意义,觉得光就是一个一个独立的粒子,而每位光量子的能量就是光的频度除以蒲朗克常数.
他觉得电磁波能量必须是整数个能量包,那麼由光量子所迸发下来的电子的能量应当和电磁波的亮度无关,只和电磁波的频度有关.严格地说,眩目下来的电子的动能应当等於电磁波一个能量包的能量,减掉电子脱离金属所需的能量（称为金属的功函数）.假如我们降低电磁波的亮度,降低的只是发射出的电子数量和为此而降低的电压,和电子的动能没有关系.以这样的解释,就可以完全理解光电效应实验为什麼会有那样的结果.
当爱因斯坦提出这个电磁波的量子化观念时,尤其是抱持爱因斯坦所喜爱的光的粒子说,许多科学家都秉持著怀疑的心态.其中以蒲朗克的心态最为有趣,尽管他本人是电磁波能量量子化的始作俑者,也未能完全接受光的粒子说,在他的观念里,「我们应当把量子理论的问题转化成物质能量和电磁波之间的交互作用.」
事实上,这是「半古典技巧」（）最原始的看法,也就是把电磁波以古典的方法处理,其振幅可以是连续的,并不须要把它当作粒子,而只有物质的能量态是量子化的.电磁波可以传给物质的能量大小,就是这个物质量子态之间的能量差.
虽然到现今,半古典方式一直有它的一席之地.不仅个别数学问题,如兰姆偏斜（Lambshift）、光子纠缠对等,须要以全量子化法处理外,也就是把电磁波看成粒子,且物质的能量态也是量子化,大部份的问题以半古典方式就可以解决了.目前仍有好多的教科书,就以半古典方式来估算光电效应.
在1912年,由爱因斯坦所提出的光电效应解释的结论,首先被理察生以实验观察到,然后密立根完整地完成实验,并据以得到精确的蒲朗克常数.在1922年,康普敦则以X射线散射电子的实验,进一步否认光的粒子性,在这个实验里,他甚至还观察到光的粒子带有动量.并且光的粒子究竟是什麼,还是一个大问题.
假如说光是粒子,是爱因斯坦所说的就像电子一样的「奇异点」,那我们又要怎么解释杨氏干涉实验里,光子在走了不同的距离后,依然可以和自己干涉的现象.爱因斯坦自己也没有答案,在他的晚年,他讲到：「在50年理智的思索里,并没给我任何答案可以回答这个问题：什麼是光的量子?其实现今每位人都以为他晓得这个答案,而且我告诉你,她们是在欺骗自己.」
但是,电磁波具有粒子和波动两种看似矛盾性质的问题,并没有妨碍爱因斯坦思索更多对於光的量子性质.爱因斯坦在花了许多精力研究广义相对论后,1916年他回过头来,重新思索蒲朗克的幅射定理.
如今以量子电动热学,我们可以很容易地得到蒲朗克的幅射定理,但在1916年时,甚至连量子电动热学的前身－量子热学都还没出现.但凭著对热力学的深刻理解,爱因斯坦推导入对於原子在不同能阶间跃迁速度的爱因斯坦A、B系数.在当时,由原子波谱实验早已晓得,原子在跃迁时分成两种,对应到明线波谱的,是原子吸收光子由能量低的状态跃迁到能量高的状态,而对应到亮线波谱的,是原子由能量高的状态跃迁到能量低的状态并发射出光子,但这两种情形发生的速度关系并没有人晓得.
爱因斯坦假定物质与周遭的电磁幅射达到热平衡,而物质在平衡状态,根据统计热学,其在不同能阶状态的原子个数,会由马克士威尔－波兹曼分布函数决定.
由此,爱因斯坦得到要能达到热平衡,则原子在跃迁时必须分成三种类型：自发幅射－即在高能阶状态的原子会自然地落到低能阶状态,并发出一个光子；受激吸收－即在低能阶状态的原子会吸收一个光子而跳到高能阶状态；以及最后一种也是最令人意外的一种,受激幅射－即在高能阶状态的原子会遭到其他光子的迸发而落到低能阶状态,同时发出一个光子.由于受激幅射的存在,致使40年后科学家得以成功地发明镭射,这是后话.爱因斯坦并得到这三种不同原子跃迁类型发生速度的比值.
在1927年,狄拉克成功地把电磁波用全量子化来处理,然后狄拉克和其他的化学学家更把这个理论发展完备,成为量子电动热学.这个理论的确成功地赶超了光的粒子和波的二重性,解决了半古典方式所不能解决的问题,同时也发觉在没有任何电磁波的真空中,有导因於真空电磁扰动的「零点能量」（zeropoint）.并且,起初难以理解自发幅射会自然发生的诱因,也获得了解答.就是可以把自发幅射当成是受激幅射的一种,而迸发其发生的光子就是来自真空电磁扰动.
然而,量子电动热学并不能告诉我们,光子究竟在那里.和电子不一样的地方在於,电子的位置在量子热学里有一个位置算符,但抱持光子而言,并没有一个相对应的光子位置算符.爱因斯坦觉得光子是就像电子一样的奇特点,并没有在量子电动热学中完全得到背书.
以后有更多的证据支持电磁波的全量子化,其中最有名的就是1947年所观察到的兰姆偏斜.兰姆在实验里观察到原子波谱2s1/2和2p1/2两个轨域有很小的能量差别,并且按照相对论量子热学,这两个状态应当有相同的能量.但一年后,量子电动热学就成功地解释了兰姆偏斜,这是由于真空扰动的能量会使电子偏斜其原先的轨域,而s轨域较接近带正电的原子核,所以遭到较p轨域更大的影响,因而这二者会有细微的能量差.
虽然量子电动热学解决了许多半古典方式不能解决的问题,并且一直有化学学家怀疑,不须要把电磁波量子化,只要修正半古典方式仍旧可以得到完备的理论.这个修正就是把原子跃迁后所形成的电磁波加到原先的电磁波上,和原子作交互作用.事实上,以这些方式确实可以解释自发幅射,并且兰姆偏斜却自始至终都没有办法用修正后的半古典方式解释.
直至现今,许多科学家仍在研究光子.这其中,纠缠光子对、多光子干涉,量子拍频、远距量子传输、量子通信等都是其中热门的研究题目,并且量子电动热学的理论就早已足够拿来解释这种结果.并且我们一直对这两个问题－什麼是光子?光子在那里?没有答案.似乎在1926年,当路易斯在命名「光子」时,他并没有预想到「光子」到了下一个世纪,一直保持著谜样的身份.
1900～1926年是量子热学的酝酿时期,此时的量子热学是半精典半量子的学说,称为旧量子论,开始于美国化学学家普朗克对宋体幅射的研究.宋体幅射是1900年精典化学（牛顿热学、麦克斯韦电动热学、热力学与统计数学）所难以解决的几个困局之一.旧理论导入的宋体幅射谱会形成发散困难,与实验不符.普朗克于是提出“能量子”概念,觉得宋体由大量振子组成,每位振子的能量是振子频度的整数倍,这样导入的宋体幅射谱与实验完全符合.“能量子”是新的概念,它表明微观系统的能量有可能是间隔的、跳跃式的,这与精典化学完全不同,普朗克因而就这样奏响了新的数学征程的号角,这成为近代化学的开端之一.1905年,爱因斯坦把普朗克的“能量子”概念又往前推动了一步,觉得幅射能量原本就是一份一份的,非独振子所致,每一份都有一个物质承当者——光量子,因而成功地解释了光电效应.爱因斯坦本人在几年后又比较成功地把量子论用到固体比热问题中去.1912年,英国青年玻尔按照普朗克的量子论、爱因斯坦的光子学说以及卢瑟福的原子行星式结构模型,成功地导入了氢原子波谱线位置所满足的公式,从这之后掀起了研究量子论的风潮.1924年,美国贵族青年德布洛意按照光的波粒二象性理论、相对论及玻尔理论,推测觉得通常实物粒子也应具有波动性,提出了物质波的概念,经爱因斯坦颂扬及实验验证,直接造成了1926年法国学者薛定谔发明了量子热学的波动多项式.与此同时,受玻尔对应原理和并协原理影响的美国青年海森堡提出了与薛定谔波动热学等价但方式不同的矩阵热学,也能成功地解释原子波谱问题.矩阵热学和波动热学也称量子力学,量子热学就这样即将诞生.量子热学与精典热学对物质的描述有根本区别.量子热学觉得“粒子轨道”概念是没有意义的,由于我们不可能同时确定一个粒子的动量和位置,我们能晓得的就是粒子在空间出现的概率.量子热学用波函数和算符化的热学量代替过去的轨道和速率等概念,将不可对易代数引进了化学.量子热学还第一次把复数引入了进来.
过去化学中引入复数只是一个为了便捷的方法,并无实质意义,但在量子热学中,虚数具有基本的数学意义,正如日本化学学家狄拉克在70年代所说的：“……这个复相位是非常重要的,由于它是所有涉现象的症结,而它的数学意义是蕴涵难解的……正是因为它隐藏得这么巧妙,人们才没有能更早地构建量子热学.”可见复数第一次在量子热学中形成了不可被取代的数学意义.这个狄拉克在20年代后半期把当时薛定谔的非相对论性波动等式推广到相对论情形,第一次实现了量子热学和相对论的结盟.狄拉克所构建的等式是描述电子等一大类载流子为半整数的粒子的相对论性波动多项式.因为组成现实世界的物质是载流子都为1/2的电子、质子和中子,所以狄拉克等式似乎非常重要.狄拉克多项式能自然地预言电子的载流子为1/2,解释氢原子的精细结构,又预言存在正电子.不久,安德森就找到了正电子.狄拉克多项式成为量子热学最有名的多项式之一.这个狄拉克还将电磁场量子化,从理论上否认了1905年爱因斯坦的光子学说的最重要观点——光是由光子组成的.作为一个体系,量子热学的构建大致在20世纪20年代末完成,随后量子热学就被应用到实际问题中去了.
量子热学的基础和应用
对于许多人来说,似乎量子热学比相对论更为有用.前者通常用于研究基本粒子的形成和互相转化以及大尺度的时空结构,但对于20世纪人类的生产生活,原子层次的世界变得更为重要.30年代,量子热学用于固体化学,完善了汇聚态化学学,又用于分子化学,完善了量子物理.在此之上量子传输实物,材料科学、激光技术、超导化学等学科蓬勃发展,为深刻影响20世纪人们生活形式的计算机技术、信息技术、能源技术的发展打下了基础.在20世纪上半期,量子热学深入到微观世界,发展了原子核结构与动力学理论,提出了关于原子核结构的壳层模型和集体模型,研究了原子核的主要反应如α、β、γ变迁过程.在天体化学中,必需要用到量子热学.对于这些密度很大的天体,如白矮星、中子星,当核燃料用尽时,星体的引力将使它坍缩,莱州度天体的的费米气温很高,比星体实际气温高得多,白矮星的电子气兼并压和中子星的中子兼并压打垮了引力,此时量子热学效应对于恒星的产生起了决定性的作用.对于黑洞,其附近的狄拉克真空正负基态会发生交错,因而有些负能粒子将可能通过隧洞效应穿透禁区成为正能粒子,驶向远方.黑洞的量子热学效应很有意义,值得研究.
虽然量子热学取得了巨大成功,并且因为相对于牛顿热学而言,量子热学与常识的交恶更为彻底,因而对于量子热学的基础仍然存在着许多争辩,正如玻尔所说：“谁不为量子热学轰动,谁就不懂量子热学.”爱因斯坦和玻尔在20世纪上半期关于量子热学是否自恰与完备展开了大讨论,引起了一系列关于量子热学基础的工作,如隐变量理论、贝尔定律、薛定谔猫态实验等,这种工作促使我们看见理解量子热学的艰辛.
量子热学的应用,一方面让我们觉得到现实世界丰富多彩的诡异特点,另一方面反过来也促使我们对量子热学基础的理解.20世纪下半期量子传输实物,量子热学在基础和应用研究上又焕发出了青春.对超导本质、真空的卡西米尔效应、分数与整数量子霍尔效应、A-B效应和几何相因子、玻色－爱因斯坦汇聚和原子激光等的研究,极大地丰富了人们对化学世界的认识,而对这种效应和技术的研究,必定对21世纪的科学进步形成深远意义的影响.量子热学向纵深发展量子热学是单粒子的运动理论,在高能情形下,粒子会形成、湮灭,涉及到多粒子,因此需把量子热学发展成为量子场论,第一个用于研究互相作用的量子场论是量子电动热学.量子电动热学研究电子与光子的量子碰撞,它是在三四十年代从研究氢原子的超精细结构-兰姆联通及电子反常磁矩的基础上完善上去的.由费曼等人发展上去的路径积分量子化方式是研究互相作用场量子化的得力工具,运用它,散射矩阵和反应截面的估算成为可能.量子场论是个空框架,必须引入互相作用,能够描述互相作用粒子的形成和转化、研究其本质,这就是规范场论的任务.量子场论和规范场论是量子热学向纵深发展的结果.量子电动热学具有U(1)群（一种可交换的内部对称群）的定域规范对称性.把带电粒子波函数的定域相位变化一下,同时电磁势作相应的变换,发觉为了保持理论具有这些变换的不变性,必须引入带电粒子与电磁场（一种规范场）的耦合项.当时在微观世界,不仅电磁力外,还有控制核子聚在一起的强力和控制原子核衰变的弱力,这种互相作用满足如何的动力学多项式,须要有一个第一性原理来解决.
1954年,杨振宁和米尔斯把定域规范不变的理论推广到内部对称的不可交换群,引入非阿贝尔规范场.杨－米尔斯的理论决定了互相作用的基本方式,成为理论化学中继相对论罗伦兹变换以后的最重要的变换方式.洛伦兹变换是时空变换,规范变换是内部空间变换,它们分别从外部和内部决定物质运动和互相作用的方式.六七十年代的工作,包括1964年发觉真空对称性自发破缺使规范场得到质量的黑格斯机制,1967年法捷耶夫和波波夫用路径积分量子化方式首次得到正确的规范场量子化方案,1971年特·胡夫特等人证明了规范场理论的可重整性,并提出了一种着力可估算的维数正规化方案,以上工作促使量子规范理论成为成熟的理论.
在规范场论和粒子化学实验、基本粒子结构（三代轻子和三代夸克）研究的基础上,六七十年代还提出了特殊的规范场论——弱电统一理论和量子色动力学.因为在1979年找到了传递色（强）力作用的胶子存在的证据,在1984年发觉了存在传递弱互相作用的中间玻骰子W±和Z0,所以我们坚信：描述弱互相作用和电磁互相作用的统一理论是SU(2)×U(1)规范场模型,描述强互相作用的理论是SU(3)规范场模型.这两个模型也称标准模型.化学学家已在1995年找到了它们所预言的最重的夸克（顶夸克）的存在证据,所预言的最后一个基本粒子（τ子型中微子）也已在2000年找到.特·胡夫特等的工作也被授予1999年诺贝尔化学学奖.标准模型取得的一再成功促使它成为目前公认最好的关于物质结构、物质运动和互相作用的理论.
量子热学和量子场论促使人类对真空的性质也有了更为本质的想法.过去真空被觉得是空无一物的,自从狄拉克提出真空是“负能粒子的海洋”之后,真空就被看作是粒子之源了.真空具有许多效应,如反映真空具有零点能量的卡西米尔效应、真空极化引起氢波谱兰姆联通（氢原子的超精细结构）、激态原子与零点真空作用造成原子自发幅射等.真空作为量子场的能级,具有普适的对称性.60年代,北部和歌德斯通发觉量子场论真空会发生自发对称破缺,70年代玻利亚可夫等发觉真空的拓扑结构.目前已能对真空可以进行局域性的操作,真空上升到研究互相作用主体的地位.
总结
具有整整一百年历史的量子热学对于20世纪的科学技术具有革命性的影响.正是由于其影响深远,所以在这世纪之交,其带给我们的悬而未决的谜也就更多更难.李政道觉得20世纪末期存在如下的化学之谜：夸克软禁、暗物质、对称破缺、真空性质等.据悉,解决例如质量起源、电荷本质、量子引力、基本粒子世代重复之谜等也必定引起新的数学学进展.为了探求物质世界的深刻本质,大统一理论、超对称、超引力、超弦理论等也在发展之中.它们也许就是新的革命的间奏.虽然不晓得能够再发生象量子热学诞生那样的革命,并且未来的100年绝对是让化学学家繁忙的100年,而这种新概念、新理论、新技术对未来人类的观念和生活的巨大影响,恐还不能处于目前我们的掌控之中.