「光子」（）這個字是由物理家吉伯特．路易斯於1926年,也是自1905年愛因斯坦發覺光電效應的解釋后約五分之一世紀,首先拿來尊稱愛因斯坦所提出的電磁波量子化現象中的粒子.
并且「光子」觀念的誕生應當回溯到19世紀中,當時,宋體幅射（）正造成化學學家高度的注意.從鐵器時代開始,鐵匠就早已曉得把金屬加熱到足夠高的氣溫時,會發出可見光,在較低的氣溫會發出較暗且偏紅的光,在較高的水溫會發出較亮且偏藍的光,由金屬發光的亮暗和顏色,就可以判定鐵的氣溫是否適當,是否可以打了.
在19世紀中,化學學家對熱力學和電磁學已有足夠的了解,她們曉得,低溫的金屬之所以會發光,是由於金屬上的電荷因處於低溫狀態而激烈運動,因此發出可見光波段的電磁波,并把這些由于水溫導致物體所發出的電磁波稱為宋體幅射.在1850年代末期,熱力學和電磁學大師克希何夫（G.R.）對上述現象倍感興趣,并開始研究宋體幅射問題.
他考慮一個處在某一固定氣溫由某種材質所制做的表面上有一小孔的中空容器,并推測假如小孔面積遠小於這容器的內壁面積,由這個小孔離開容器的電磁幅射就相當於宋體幅射.其在各個電磁波段能量的比重（即頻譜）,和中空容器的材質與容器的形狀都沒有關系,惟一對電磁波頻譜導致影響的只有氣溫,很遺憾的,他并未能得到頻譜的氣溫函數.在那以后,怎樣由理論或實驗得到頻譜的氣溫函數,就成為化學學家們的一大挑戰.
在隨后的40年里,化學學家做了許多精確的實驗,也提出了各類不同的模型和理論來解釋實驗結果.在那些研究里,史提芬發覺宋體幅射的能量密度和濕度的4次方成反比,但是在稍后由波茲曼以純熱力學的方法得到證明.1893年懷恩更以之推論而得到一個頻譜的氣溫函數,并且這個函數并不是確定的方式,由于函數里有一個未知項.
宋體幅射頻譜最終的正確方式是由蒲朗克（Max）所發覺.在1900年10月的某日夜里,蒲朗克的朋友到他的家里拜訪,并帶來前三天由實驗所量得宋體幅射的氣溫函數.蒲朗克推測既然宋體幅射的頻譜函數與中空容器的材質和形狀無關,那他可以任意假定這個中空容器就是一個長方體的金屬盒.長方體內可存在的電磁波,已經在電磁學里被研究透徹,而同時由熱力學曉得,氣溫會導致電荷激烈運動并因此發出電磁波,而這種發出來的電磁波,也必須符合長方體內可存在的電磁波模式.
到此為止,他所作的假定和估算與萊理（）之前失敗的估算完全相同,所以他也應當得到與萊理所算出,在中空容器里的電磁波能量是無限大,一樣的錯誤推論.
然而蒲朗克在作進一步估算前,作了一個空前的推測（他自己稱為「快樂的推測」）,就是長方體內每一個可存在的電磁波模式,只有某個常數（就是后來所稱的蒲朗克常數,h）除以該電磁波頻度整數倍的能量（即每一個電磁波模式的能量E=nhf,n是一正整數或零,f是該電磁波的頻度）,可以和長方體的內壁作用.當他作了這個假定后,他估算得到宋體幅射頻譜與濕度的關系式（稱為幅射定理Law）,和他才從他朋友那兒得到的實驗數據完全符合.
這個之后稱為幅射定理的結果,成功地解決了40年前克希何夫所設下的挑戰.雖然這么成功,但蒲朗克并不了解他所作的假定,具有更深層的數學意義.他以后承認,「……這純粹只是一個假定,我真的沒想到再多給它一點思索.」
19世紀末,有另一個知名但難以解釋的實驗——光電效應實驗.赫茲和李納德發覺當有光照在金屬板上時,可以量到電壓（即個別電子被光照射后,可以得到足夠的動能,克服兩金屬板間的電位能差,由一金屬板飛到另一金屬板,產生電壓）,而沒有光時,就量不到電壓.
但令當時所有的科學家都倍感疑惑的是以下幾個觀察到的結果.第一是降低照射光硬度,只能降低電壓,卻難以降低電子的動能.第二是不管多強的綠光都難以形成光電流.第三是即使用特別弱的紫光去照射,也可以形成光電流,而所迸發下來的電子動能也比用強的藍光迸發出的電子的動能大.
1905年,愛因斯坦把蒲朗克所提出的理論,加以一個更深的數學意義,覺得光就是一個一個獨立的粒子,而每位光量子的能量就是光的頻度除以蒲朗克常數.
他覺得電磁波能量必須是整數個能量包,那麼由光量子所迸發下來的電子的能量應當和電磁波的亮度無關,只和電磁波的頻度有關.嚴格地說,眩目下來的電子的動能應當等於電磁波一個能量包的能量,減掉電子脫離金屬所需的能量（稱為金屬的功函數）.假如我們降低電磁波的亮度,降低的只是發射出的電子數量和為此而降低的電壓,和電子的動能沒有關系.以這樣的解釋,就可以完全理解光電效應實驗為什麼會有那樣的結果.
當愛因斯坦提出這個電磁波的量子化觀念時,尤其是抱持愛因斯坦所喜愛的光的粒子說,許多科學家都秉持著懷疑的心態.其中以蒲朗克的心態最為有趣,盡管他本人是電磁波能量量子化的始作俑者,也未能完全接受光的粒子說,在他的觀念里,「我們應當把量子理論的問題轉化成物質能量和電磁波之間的交互作用.」
事實上,這是「半古典技巧」（）最原始的看法,也就是把電磁波以古典的方法處理,其振幅可以是連續的,并不須要把它當作粒子,而只有物質的能量態是量子化的.電磁波可以傳給物質的能量大小,就是這個物質量子態之間的能量差.
雖然到現今,半古典方式一直有它的一席之地.不僅個別數學問題,如蘭姆偏斜（Lambshift）、光子糾纏對等,須要以全量子化法處理外,也就是把電磁波看成粒子,且物質的能量態也是量子化,大部份的問題以半古典方式就可以解決了.目前仍有好多的教科書,就以半古典方式來估算光電效應.
在1912年,由愛因斯坦所提出的光電效應解釋的結論,首先被理察生以實驗觀察到,然后密立根完整地完成實驗,并據以得到精確的蒲朗克常數.在1922年,康普敦則以X射線散射電子的實驗,進一步否認光的粒子性,在這個實驗里,他甚至還觀察到光的粒子帶有動量.并且光的粒子究竟是什麼,還是一個大問題.
假如說光是粒子,是愛因斯坦所說的就像電子一樣的「奇異點」,那我們又要怎么解釋楊氏干涉實驗里,光子在走了不同的距離后,依然可以和自己干涉的現象.愛因斯坦自己也沒有答案,在他的晚年,他講到：「在50年理智的思索里,并沒給我任何答案可以回答這個問題：什麼是光的量子?其實現今每位人都以為他曉得這個答案,而且我告訴你,她們是在欺騙自己.」
但是,電磁波具有粒子和波動兩種看似矛盾性質的問題,并沒有妨礙愛因斯坦思索更多對於光的量子性質.愛因斯坦在花了許多精力研究廣義相對論后,1916年他回過頭來,重新思索蒲朗克的幅射定理.
如今以量子電動熱學,我們可以很容易地得到蒲朗克的幅射定理,但在1916年時,甚至連量子電動熱學的前身－量子熱學都還沒出現.但憑著對熱力學的深刻理解,愛因斯坦推導入對於原子在不同能階間躍遷速度的愛因斯坦A、B系數.在當時,由原子波譜實驗早已曉得,原子在躍遷時分成兩種,對應到明線波譜的,是原子吸收光子由能量低的狀態躍遷到能量高的狀態,而對應到亮線波譜的,是原子由能量高的狀態躍遷到能量低的狀態并發射出光子,但這兩種情形發生的速度關系并沒有人曉得.
愛因斯坦假定物質與周遭的電磁幅射達到熱平衡,而物質在平衡狀態,根據統計熱學,其在不同能階狀態的原子個數,會由馬克士威爾－波茲曼分布函數決定.
由此,愛因斯坦得到要能達到熱平衡,則原子在躍遷時必須分成三種類型：自發幅射－即在高能階狀態的原子會自然地落到低能階狀態,并發出一個光子；受激吸收－即在低能階狀態的原子會吸收一個光子而跳到高能階狀態；以及最后一種也是最令人意外的一種,受激幅射－即在高能階狀態的原子會遭到其他光子的迸發而落到低能階狀態,同時發出一個光子.由于受激幅射的存在,致使40年后科學家得以成功地發明鐳射,這是后話.愛因斯坦并得到這三種不同原子躍遷類型發生速度的比值.
在1927年,狄拉克成功地把電磁波用全量子化來處理,然后狄拉克和其他的化學學家更把這個理論發展完備,成為量子電動熱學.這個理論的確成功地趕超了光的粒子和波的二重性,解決了半古典方式所不能解決的問題,同時也發覺在沒有任何電磁波的真空中,有導因於真空電磁擾動的「零點能量」（zeropoint）.并且,起初難以理解自發幅射會自然發生的誘因,也獲得了解答.就是可以把自發幅射當成是受激幅射的一種,而迸發其發生的光子就是來自真空電磁擾動.
然而,量子電動熱學并不能告訴我們,光子究竟在那里.和電子不一樣的地方在於,電子的位置在量子熱學里有一個位置算符,但抱持光子而言,并沒有一個相對應的光子位置算符.愛因斯坦覺得光子是就像電子一樣的奇特點,并沒有在量子電動熱學中完全得到背書.
以后有更多的證據支持電磁波的全量子化,其中最有名的就是1947年所觀察到的蘭姆偏斜.蘭姆在實驗里觀察到原子波譜2s1/2和2p1/2兩個軌域有很小的能量差別,并且按照相對論量子熱學,這兩個狀態應當有相同的能量.但一年后,量子電動熱學就成功地解釋了蘭姆偏斜,這是由于真空擾動的能量會使電子偏斜其原先的軌域,而s軌域較接近帶正電的原子核,所以遭到較p軌域更大的影響,因而這二者會有細微的能量差.
雖然量子電動熱學解決了許多半古典方式不能解決的問題,并且一直有化學學家懷疑,不須要把電磁波量子化,只要修正半古典方式仍舊可以得到完備的理論.這個修正就是把原子躍遷后所形成的電磁波加到原先的電磁波上,和原子作交互作用.事實上,以這些方式確實可以解釋自發幅射,并且蘭姆偏斜卻自始至終都沒有辦法用修正后的半古典方式解釋.
直至現今,許多科學家仍在研究光子.這其中,糾纏光子對、多光子干涉,量子拍頻、遠距量子傳輸、量子通信等都是其中熱門的研究題目,并且量子電動熱學的理論就早已足夠拿來解釋這種結果.并且我們一直對這兩個問題－什麼是光子?光子在那里?沒有答案.似乎在1926年,當路易斯在命名「光子」時,他并沒有預想到「光子」到了下一個世紀,一直保持著謎樣的身份.
1900～1926年是量子熱學的醞釀時期,此時的量子熱學是半精典半量子的學說,稱為舊量子論,開始于美國化學學家普朗克對宋體幅射的研究.宋體幅射是1900年精典化學（牛頓熱學、麥克斯韋電動熱學、熱力學與統計數學）所難以解決的幾個困局之一.舊理論導入的宋體幅射譜會形成發散困難,與實驗不符.普朗克于是提出“能量子”概念,覺得宋體由大量振子組成,每位振子的能量是振子頻度的整數倍,這樣導入的宋體幅射譜與實驗完全符合.“能量子”是新的概念,它表明微觀系統的能量有可能是間隔的、跳躍式的,這與精典化學完全不同,普朗克因而就這樣奏響了新的數學征程的號角,這成為近代化學的開端之一.1905年,愛因斯坦把普朗克的“能量子”概念又往前推動了一步,覺得幅射能量原本就是一份一份的,非獨振子所致,每一份都有一個物質承當者——光量子,因而成功地解釋了光電效應.愛因斯坦本人在幾年后又比較成功地把量子論用到固體比熱問題中去.1912年,英國青年玻爾按照普朗克的量子論、愛因斯坦的光子學說以及盧瑟福的原子行星式結構模型,成功地導入了氫原子波譜線位置所滿足的公式,從這之后掀起了研究量子論的風潮.1924年,美國貴族青年德布洛意按照光的波粒二象性理論、相對論及玻爾理論,推測覺得通常實物粒子也應具有波動性,提出了物質波的概念,經愛因斯坦頌揚及實驗驗證,直接造成了1926年法國學者薛定諤發明了量子熱學的波動多項式.與此同時,受玻爾對應原理和并協原理影響的美國青年海森堡提出了與薛定諤波動熱學等價但方式不同的矩陣熱學,也能成功地解釋原子波譜問題.矩陣熱學和波動熱學也稱量子力學,量子熱學就這樣即將誕生.量子熱學與精典熱學對物質的描述有根本區別.量子熱學覺得“粒子軌道”概念是沒有意義的,由于我們不可能同時確定一個粒子的動量和位置,我們能曉得的就是粒子在空間出現的概率.量子熱學用波函數和算符化的熱學量代替過去的軌道和速率等概念,將不可對易代數引進了化學.量子熱學還第一次把復數引入了進來.
過去化學中引入復數只是一個為了便捷的方法,并無實質意義,但在量子熱學中,虛數具有基本的數學意義,正如日本化學學家狄拉克在70年代所說的：“……這個復相位是非常重要的,由于它是所有涉現象的癥結,而它的數學意義是蘊涵難解的……正是因為它隱藏得這么巧妙,人們才沒有能更早地構建量子熱學.”可見復數第一次在量子熱學中形成了不可被取代的數學意義.這個狄拉克在20年代后半期把當時薛定諤的非相對論性波動等式推廣到相對論情形,第一次實現了量子熱學和相對論的結盟.狄拉克所構建的等式是描述電子等一大類載流子為半整數的粒子的相對論性波動多項式.因為組成現實世界的物質是載流子都為1/2的電子、質子和中子,所以狄拉克等式似乎非常重要.狄拉克多項式能自然地預言電子的載流子為1/2,解釋氫原子的精細結構,又預言存在正電子.不久,安德森就找到了正電子.狄拉克多項式成為量子熱學最有名的多項式之一.這個狄拉克還將電磁場量子化,從理論上否認了1905年愛因斯坦的光子學說的最重要觀點——光是由光子組成的.作為一個體系,量子熱學的構建大致在20世紀20年代末完成,隨后量子熱學就被應用到實際問題中去了.
量子熱學的基礎和應用
對于許多人來說,似乎量子熱學比相對論更為有用.前者通常用于研究基本粒子的形成和互相轉化以及大尺度的時空結構,但對于20世紀人類的生產生活,原子層次的世界變得更為重要.30年代,量子熱學用于固體化學,完善了匯聚態化學學,又用于分子化學,完善了量子物理.在此之上量子傳輸實物,材料科學、激光技術、超導化學等學科蓬勃發展,為深刻影響20世紀人們生活形式的計算機技術、信息技術、能源技術的發展打下了基礎.在20世紀上半期,量子熱學深入到微觀世界,發展了原子核結構與動力學理論,提出了關于原子核結構的殼層模型和集體模型,研究了原子核的主要反應如α、β、γ變遷過程.在天體化學中,必需要用到量子熱學.對于這些密度很大的天體,如白矮星、中子星,當核燃料用盡時,星體的引力將使它坍縮,萊州度天體的的費米氣溫很高,比星體實際氣溫高得多,白矮星的電子氣兼并壓和中子星的中子兼并壓打垮了引力,此時量子熱學效應對于恒星的產生起了決定性的作用.對于黑洞,其附近的狄拉克真空正負基態會發生交錯,因而有些負能粒子將可能通過隧洞效應穿透禁區成為正能粒子,駛向遠方.黑洞的量子熱學效應很有意義,值得研究.
雖然量子熱學取得了巨大成功,并且因為相對于牛頓熱學而言,量子熱學與常識的交惡更為徹底,因而對于量子熱學的基礎仍然存在著許多爭辯,正如玻爾所說：“誰不為量子熱學轟動,誰就不懂量子熱學.”愛因斯坦和玻爾在20世紀上半期關于量子熱學是否自恰與完備展開了大討論,引起了一系列關于量子熱學基礎的工作,如隱變量理論、貝爾定律、薛定諤貓態實驗等,這種工作促使我們看見理解量子熱學的艱辛.
量子熱學的應用,一方面讓我們覺得到現實世界豐富多彩的詭異特點,另一方面反過來也促使我們對量子熱學基礎的理解.20世紀下半期量子傳輸實物,量子熱學在基礎和應用研究上又煥發出了青春.對超導本質、真空的卡西米爾效應、分數與整數量子霍爾效應、A-B效應和幾何相因子、玻色－愛因斯坦匯聚和原子激光等的研究,極大地豐富了人們對化學世界的認識,而對這種效應和技術的研究,必定對21世紀的科學進步形成深遠意義的影響.量子熱學向縱深發展量子熱學是單粒子的運動理論,在高能情形下,粒子會形成、湮滅,涉及到多粒子,因此需把量子熱學發展成為量子場論,第一個用于研究互相作用的量子場論是量子電動熱學.量子電動熱學研究電子與光子的量子碰撞,它是在三四十年代從研究氫原子的超精細結構-蘭姆聯通及電子反常磁矩的基礎上完善上去的.由費曼等人發展上去的路徑積分量子化方式是研究互相作用場量子化的得力工具,運用它,散射矩陣和反應截面的估算成為可能.量子場論是個空框架,必須引入互相作用,能夠描述互相作用粒子的形成和轉化、研究其本質,這就是規范場論的任務.量子場論和規范場論是量子熱學向縱深發展的結果.量子電動熱學具有U(1)群（一種可交換的內部對稱群）的定域規范對稱性.把帶電粒子波函數的定域相位變化一下,同時電磁勢作相應的變換,發覺為了保持理論具有這些變換的不變性,必須引入帶電粒子與電磁場（一種規范場）的耦合項.當時在微觀世界,不僅電磁力外,還有控制核子聚在一起的強力和控制原子核衰變的弱力,這種互相作用滿足如何的動力學多項式,須要有一個第一性原理來解決.
1954年,楊振寧和米爾斯把定域規范不變的理論推廣到內部對稱的不可交換群,引入非阿貝爾規范場.楊－米爾斯的理論決定了互相作用的基本方式,成為理論化學中繼相對論羅倫茲變換以后的最重要的變換方式.洛倫茲變換是時空變換,規范變換是內部空間變換,它們分別從外部和內部決定物質運動和互相作用的方式.六七十年代的工作,包括1964年發覺真空對稱性自發破缺使規范場得到質量的黑格斯機制,1967年法捷耶夫和波波夫用路徑積分量子化方式首次得到正確的規范場量子化方案,1971年特·胡夫特等人證明了規范場理論的可重整性,并提出了一種著力可估算的維數正規化方案,以上工作促使量子規范理論成為成熟的理論.
在規范場論和粒子化學實驗、基本粒子結構（三代輕子和三代夸克）研究的基礎上,六七十年代還提出了特殊的規范場論——弱電統一理論和量子色動力學.因為在1979年找到了傳遞色（強）力作用的膠子存在的證據,在1984年發覺了存在傳遞弱互相作用的中間玻骰子W±和Z0,所以我們堅信：描述弱互相作用和電磁互相作用的統一理論是SU(2)×U(1)規范場模型,描述強互相作用的理論是SU(3)規范場模型.這兩個模型也稱標準模型.化學學家已在1995年找到了它們所預言的最重的夸克（頂夸克）的存在證據,所預言的最后一個基本粒子（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年諾貝爾化學學獎.標準模型取得的一再成功促使它成為目前公認最好的關于物質結構、物質運動和互相作用的理論.
量子熱學和量子場論促使人類對真空的性質也有了更為本質的想法.過去真空被覺得是空無一物的,自從狄拉克提出真空是“負能粒子的海洋”之后,真空就被看作是粒子之源了.真空具有許多效應,如反映真空具有零點能量的卡西米爾效應、真空極化引起氫波譜蘭姆聯通（氫原子的超精細結構）、激態原子與零點真空作用造成原子自發幅射等.真空作為量子場的能級,具有普適的對稱性.60年代,北部和歌德斯通發覺量子場論真空會發生自發對稱破缺,70年代玻利亞可夫等發覺真空的拓撲結構.目前已能對真空可以進行局域性的操作,真空上升到研究互相作用主體的地位.
總結
具有整整一百年歷史的量子熱學對于20世紀的科學技術具有革命性的影響.正是由于其影響深遠,所以在這世紀之交,其帶給我們的懸而未決的謎也就更多更難.李政道覺得20世紀末期存在如下的化學之謎：夸克軟禁、暗物質、對稱破缺、真空性質等.據悉,解決例如質量起源、電荷本質、量子引力、基本粒子世代重復之謎等也必定引起新的數學學進展.為了探求物質世界的深刻本質,大統一理論、超對稱、超引力、超弦理論等也在發展之中.它們也許就是新的革命的間奏.雖然不曉得能夠再發生象量子熱學誕生那樣的革命,并且未來的100年絕對是讓化學學家繁忙的100年,而這種新概念、新理論、新技術對未來人類的觀念和生活的巨大影響,恐還不能處于目前我們的掌控之中.