「光子」（photon）這個(gè)字是由化學(xué)家吉伯特．路易斯於 1926 年,也是自 1905 年愛因斯坦發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)的解釋后約五分之一世紀(jì),首先用來稱呼愛因斯坦所提出的電磁波量子化現(xiàn)象中的粒子.
但是「光子」觀念的誕生應(yīng)該回溯到 19 世紀(jì)中,當(dāng)時(shí),黑體輻射（blackbody radiation）正引起物理學(xué)家高度的注意.從鐵器時(shí)代開始,鐵匠就已經(jīng)知道把金屬加熱到足夠高的溫度時(shí),會(huì)發(fā)出可見光,在較低的溫度會(huì)發(fā)出較暗且偏紅的光,在較高的溫度會(huì)發(fā)出較亮且偏藍(lán)的光,由金屬發(fā)光的亮暗和顏色,就可以判斷鐵的溫度是否適當(dāng),是否可以打了.
在 19 世紀(jì)中,物理學(xué)家對(duì)熱力學(xué)和電磁學(xué)已有足夠的了解,他們知道,高溫的金屬之所以會(huì)發(fā)光,是由於金屬上的電荷因處於高溫狀態(tài)而激烈運(yùn)動(dòng),因而發(fā)出可見光波段的電磁波,并把這種因?yàn)闇囟仍斐晌矬w所發(fā)出的電磁波稱為黑體輻射.在 1850 年代末期,熱力學(xué)和電磁學(xué)大師克希何夫（G.R. Kirchhoff）對(duì)上述現(xiàn)象感到興趣,并開始研究黑體輻射問題.
他考慮一個(gè)處在某一固定溫度由某種材質(zhì)所制作的表面上有一小孔的中空容器,并推論如果小孔面積遠(yuǎn)小於這容器的內(nèi)壁面積,由這個(gè)小孔離開容器的電磁輻射就相當(dāng)於黑體輻射.其在各個(gè)電磁波段能量的比重（即頻譜）,和中空容器的材質(zhì)與容器的形狀都沒有關(guān)系,唯一對(duì)電磁波頻譜造成影響的只有溫度,很遺憾的,他并無法得到頻譜的溫度函數(shù).在那之后,如何由理論或?qū)嶒?yàn)得到頻譜的溫度函數(shù),就成為物理學(xué)家們的一大挑戰(zhàn).
在此后的 40 年里,物理學(xué)家做了許多精確的實(shí)驗(yàn),也提出了各種不同的模型和理論來解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果.在這些研究里,史提芬發(fā)現(xiàn)黑體輻射的能量密度和溫度的 4 次方成正比,并且在稍后由波茲曼以純熱力學(xué)的方式得到證明.1893 年懷恩更以之推導(dǎo)而得到一個(gè)頻譜的溫度函數(shù),但是這個(gè)函數(shù)并不是確定的形式,因?yàn)楹瘮?shù)里有一個(gè)未知項(xiàng).
黑體輻射頻譜最終的正確形式是由蒲朗克（Max Planck）所發(fā)現(xiàn).在 1900 年 10 月的某天早上,蒲朗克的同事到他的家里拜訪,并帶來前一天由實(shí)驗(yàn)所量得黑體輻射的溫度函數(shù).蒲朗克推論既然黑體輻射的頻譜函數(shù)與中空容器的材質(zhì)和形狀無關(guān),那他可以任意假設(shè)這個(gè)中空容器就是一個(gè)長方體的金屬盒.長方體內(nèi)可存在的電磁波,早已在電磁學(xué)里被研究透徹,而同時(shí)由熱力學(xué)知道,溫度會(huì)造成電荷激烈運(yùn)動(dòng)并因而發(fā)出電磁波,而這些發(fā)出來的電磁波,也必須符合長方體內(nèi)可存在的電磁波模式.
到此為止,他所作的假設(shè)和計(jì)算與萊理（Rayleigh）之前失敗的計(jì)算完全相同,所以他也應(yīng)該得到與萊理所算出,在中空容器里的電磁波能量是無限大,一樣的錯(cuò)誤結(jié)論.
但是蒲朗克在作進(jìn)一步計(jì)算前,作了一個(gè)空前的猜想（他自己稱為「快樂的猜想」）,就是長方體內(nèi)每一個(gè)可存在的電磁波模式,只有某個(gè)常數(shù)（就是后來所稱的蒲朗克常數(shù),h）乘以該電磁波頻率整數(shù)倍的能量（即每一個(gè)電磁波模式的能量 E = nhf,n 是一正整數(shù)或零,f 是該電磁波的頻率）,可以和長方體的內(nèi)壁作用.當(dāng)他作了這個(gè)假設(shè)后,他計(jì)算得到黑體輻射頻譜與溫度的關(guān)系式（稱為輻射定律 Radiation Law）,和他才從他同事那里得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完全符合.
這個(gè)以后稱為輻射定律的結(jié)果,成功地解決了 40 年前克希何夫所設(shè)下的挑戰(zhàn).雖說如此成功,但蒲朗克并不了解他所作的假設(shè),具有更深層的物理意義.他之后承認(rèn),「……這純粹只是一個(gè)假設(shè),我真的沒想到再多給它一點(diǎn)思考.」
19 世紀(jì)末,有另一個(gè)著名但無法解釋的實(shí)驗(yàn)——光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn).赫茲和李納德發(fā)現(xiàn)當(dāng)有光照在金屬板上時(shí),可以量到電流（即某些電子被光照射后,可以得到足夠的動(dòng)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,形成電流）,而沒有光時(shí),就量不到電流.
但令當(dāng)時(shí)所有的科學(xué)家都感到困惑的是以下幾個(gè)觀察到的結(jié)果.第一是增加照射光強(qiáng)度,只能增加電流,卻無法增加電子的動(dòng)能.第二是不管多強(qiáng)的紅光都無法產(chǎn)生光電流.第三是即使用非常弱的紫光去照射,也可以產(chǎn)生光電流,而所激發(fā)出來的電子動(dòng)能也比用強(qiáng)的藍(lán)光激發(fā)出的電子的動(dòng)能大.
1905 年,愛因斯坦把蒲朗克所提出的理論,加以一個(gè)更深的物理意義,認(rèn)為光就是一個(gè)一個(gè)獨(dú)立的粒子,而每個(gè)光量子的能量就是光的頻率乘以蒲朗克常數(shù).
他認(rèn)為電磁波能量必須是整數(shù)個(gè)能量包,那麼由光量子所激發(fā)出來的電子的能量應(yīng)該和電磁波的照度無關(guān),只和電磁波的頻率有關(guān).嚴(yán)格地說,激射出來的電子的動(dòng)能應(yīng)該等於電磁波一個(gè)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(shù)）.如果我們增加電磁波的照度,增加的只是發(fā)射出的電子數(shù)目和因此而增加的電流,和電子的動(dòng)能沒有關(guān)系.以這樣的解釋,就可以完全理解光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)為什麼會(huì)有那樣的結(jié)果.
當(dāng)愛因斯坦提出這個(gè)電磁波的量子化觀念時(shí),尤其是對(duì)於愛因斯坦所喜愛的光的粒子說,許多科學(xué)家都抱持著懷疑的態(tài)度.其中以蒲朗克的態(tài)度最為有趣,雖然他本人是電磁波能量量子化的始作俑者,也無法完全接受光的粒子說,在他的觀念里,「我們應(yīng)該把量子理論的問題轉(zhuǎn)化成物質(zhì)能量和電磁波之間的交互作用.」
事實(shí)上,這是「半古典方法」（semiclassical approach）最原始的想法,也就是把電磁波以古典的方式處理,其振幅可以是連續(xù)的,并不需要把它當(dāng)成粒子,而只有物質(zhì)的能量態(tài)是量子化的.電磁波可以傳給物質(zhì)的能量大小,就是這個(gè)物質(zhì)量子態(tài)之間的能量差.
即使到現(xiàn)在,半古典方法仍然有它的一席之地.除了某些物理問題,如蘭姆偏移（Lamb shift）、光子糾纏對(duì)等,需要以全量子化法處理外,也就是把電磁波看成粒子,且物質(zhì)的能量態(tài)也是量子化,大部分的問題以半古典方法就可以解決了.目前仍有很多的教科書,就以半古典方法來計(jì)算光電效應(yīng).
在 1912 年,由愛因斯坦所提出的光電效應(yīng)解釋的推論,首先被理察生以實(shí)驗(yàn)觀察到,之后密立根完整地完成實(shí)驗(yàn),并據(jù)以得到精確的蒲朗克常數(shù).在 1922 年,康普敦則以X射線散射電子的實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步證實(shí)光的粒子性,在這個(gè)實(shí)驗(yàn)里,他甚至還觀察到光的粒子帶有動(dòng)量.但是光的粒子到底是什麼,還是一個(gè)大問題.
如果說光是粒子,是愛因斯坦所說的如同電子一樣的「奇異點(diǎn)」,那我們又要如何解釋楊氏干涉實(shí)驗(yàn)里,光子在走了不同的距離后,仍然可以和自己干涉的現(xiàn)象.愛因斯坦自己也沒有答案,在他的晚年,他寫到：「在 50 年理性的思考里,并沒給我任何答案可以回答這個(gè)問題：什麼是光的量子?當(dāng)然現(xiàn)在每個(gè)人都以為他知道這個(gè)答案,但是我告訴你,他們是在愚弄自己.」
然而,電磁波具有粒子和波動(dòng)兩種看似矛盾性質(zhì)的問題,并沒有阻礙愛因斯坦思考更多關(guān)於光的量子性質(zhì).愛因斯坦在花了許多精力研究廣義相對(duì)論后,1916年他回過頭來,重新思考蒲朗克的輻射定律.
現(xiàn)在以量子電動(dòng)力學(xué),我們可以很容易地得到蒲朗克的輻射定律,但在 1916 年時(shí),甚至連量子電動(dòng)力學(xué)的前身－量子力學(xué)都還沒出現(xiàn).但憑著對(duì)熱力學(xué)的深刻理解,愛因斯坦推導(dǎo)出關(guān)於原子在不同能階間躍遷速率的愛因斯坦 A、B 系數(shù).在當(dāng)時(shí),由原子光譜實(shí)驗(yàn)已經(jīng)知道,原子在躍遷時(shí)分成兩種,對(duì)應(yīng)到暗線光譜的,是原子吸收光子由能量低的狀態(tài)躍遷到能量高的狀態(tài),而對(duì)應(yīng)到亮線光譜的,是原子由能量高的狀態(tài)躍遷到能量低的狀態(tài)并發(fā)射出光子,但這兩種情形發(fā)生的速率關(guān)系并沒有人知道.
愛因斯坦假設(shè)物質(zhì)與周遭的電磁輻射達(dá)到熱平衡,而物質(zhì)在平衡狀態(tài),按照統(tǒng)計(jì)力學(xué),其在不同能階狀態(tài)的原子個(gè)數(shù),會(huì)由馬克士威爾－波茲曼分布函數(shù)決定.
由此,愛因斯坦得到要能達(dá)到熱平衡,則原子在躍遷時(shí)必須分成三種類型：自發(fā)輻射－即在高能階狀態(tài)的原子會(huì)自然地落到低能階狀態(tài),并發(fā)出一個(gè)光子；受激吸收－即在低能階狀態(tài)的原子會(huì)吸收一個(gè)光子而跳到高能階狀態(tài)；以及最后一種也是最令人意外的一種,受激輻射－即在高能階狀態(tài)的原子會(huì)受到其他光子的激發(fā)而落到低能階狀態(tài),同時(shí)發(fā)出一個(gè)光子.因?yàn)槭芗ぽ椛涞拇嬖?使得 40 年后科學(xué)家得以成功地發(fā)明雷射,這是后話.愛因斯坦并得到這三種不同原子躍遷類型發(fā)生速率的比值.
在 1927 年,狄拉克成功地把電磁波用全量子化來處理,之后狄拉克和其他的物理學(xué)家更把這個(gè)理論發(fā)展完備,成為量子電動(dòng)力學(xué).這個(gè)理論的確成功地超越了光的粒子和波的二重性,解決了半古典方法所不能解決的問題,同時(shí)也發(fā)現(xiàn)在沒有任何電磁波的真空中,有導(dǎo)因於真空電磁擾動(dòng)的「零點(diǎn)能量」（zero point energy）.而且,原本無法理解自發(fā)輻射會(huì)自然發(fā)生的原因,也獲得了解答.就是可以把自發(fā)輻射當(dāng)作是受激輻射的一種,而激發(fā)其發(fā)生的光子就是來自真空電磁擾動(dòng).
但是,量子電動(dòng)力學(xué)并不能告訴我們,光子到底在哪里.和電子不一樣的地方在於,電子的位置在量子力學(xué)里有一個(gè)位置算符,但對(duì)於光子而言,并沒有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的光子位置算符.愛因斯坦認(rèn)為光子是如同電子一樣的奇異點(diǎn),并沒有在量子電動(dòng)力學(xué)中完全得到背書.
之后有更多的證據(jù)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移.蘭姆在實(shí)驗(yàn)里觀察到原子光譜 2s1/2 和 2p1/2 兩個(gè)軌域有很小的能量差異,但是根據(jù)相對(duì)論量子力學(xué),這兩個(gè)狀態(tài)應(yīng)該有相同的能量.但一年后,量子電動(dòng)力學(xué)就成功地解釋了蘭姆偏移,這是因?yàn)檎婵諗_動(dòng)的能量會(huì)使電子偏移其原來的軌域,而 s 軌域較接近帶正電的原子核,所以受到較 p 軌域更大的影響,因此這兩者會(huì)有細(xì)微的能量差.
即使量子電動(dòng)力學(xué)解決了許多半古典方法不能解決的問題,但是仍然有物理學(xué)家懷疑,不需要把電磁波量子化,只要修正半古典方法仍然可以得到完備的理論.這個(gè)修正就是把原子躍遷后所產(chǎn)生的電磁波加到原來的電磁波上,和原子作交互作用.事實(shí)上,以這種方法確實(shí)可以解釋自發(fā)輻射,但是蘭姆偏移卻自始至終都沒有辦法用修正后的半古典方法解釋.
直到現(xiàn)在,許多科學(xué)家仍在研究光子.這其中,糾纏光子對(duì)、多光子干涉,量子拍頻、遠(yuǎn)距量子傳輸、量子通訊等都是其中熱門的研究題目,而且量子電動(dòng)力學(xué)的理論就已經(jīng)足夠用來解釋這些結(jié)果.但是我們?nèi)匀粚?duì)這兩個(gè)問題－什麼是光子?光子在哪里?沒有答案.也許在 1926 年,當(dāng)路易斯在命名「光子」時(shí),他并沒有預(yù)料到「光子」到了下一個(gè)世紀(jì),仍然保持著謎樣的身分.
1900～1926年是量子力學(xué)的醞釀時(shí)期,此時(shí)的量子力學(xué)是半經(jīng)典半量子的學(xué)說,稱為舊量子論,開始于德國物理學(xué)家普朗克對(duì)黑體輻射的研究.黑體輻射是1900年經(jīng)典物理（牛頓力學(xué)、麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理）所無法解決的幾個(gè)難題之一.舊理論導(dǎo)出的黑體輻射譜會(huì)產(chǎn)生發(fā)散困難,與實(shí)驗(yàn)不符.普朗克于是提出“能量子”概念,認(rèn)為黑體由大量振子組成,每個(gè)振子的能量是振子頻率的整數(shù)倍,這樣導(dǎo)出的黑體輻射譜與實(shí)驗(yàn)完全符合.“能量子”是新的概念,它表明微觀系統(tǒng)的能量有可能是間隔的、跳躍式的,這與經(jīng)典物理完全不同,普朗克因此就這樣吹響了新的物理征程的號(hào)角,這成為近代物理的開端之一.1905年,愛因斯坦把普朗克的“能量子”概念又向前推進(jìn)了一步,認(rèn)為輻射能量本來就是一份一份的,非獨(dú)振子所致,每一份都有一個(gè)物質(zhì)承擔(dān)者——光量子,從而成功地解釋了光電效應(yīng).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,丹麥青年玻爾根據(jù)普朗克的量子論、愛因斯坦的光子學(xué)說以及盧瑟福的原子行星式結(jié)構(gòu)模型,成功地導(dǎo)出了氫原子光譜線位置所滿足的公式,從這以后掀起了研究量子論的熱潮.1924年,法國貴族青年德布洛意根據(jù)光的波粒二象性理論、相對(duì)論及玻爾理論,推斷認(rèn)為一般實(shí)物粒子也應(yīng)具有波動(dòng)性,提出了物質(zhì)波的概念,經(jīng)愛因斯坦褒揚(yáng)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,直接導(dǎo)致了1926年奧地利學(xué)者薛定諤發(fā)明了量子力學(xué)的波動(dòng)方程.與此同時(shí),受玻爾對(duì)應(yīng)原理和并協(xié)原理影響的德國青年海森堡提出了與薛定諤波動(dòng)力學(xué)等價(jià)但形式不同的矩陣力學(xué),也能成功地解釋原子光譜問題.矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)統(tǒng)稱量子力學(xué),量子力學(xué)就這樣正式誕生.量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)對(duì)物質(zhì)的描述有根本區(qū)別.量子力學(xué)認(rèn)為“粒子軌道”概念是沒有意義的,因?yàn)槲覀儾豢赡芡瑫r(shí)確定一個(gè)粒子的動(dòng)量和位置,我們能知道的就是粒子在空間出現(xiàn)的幾率.量子力學(xué)用波函數(shù)和算符化的力學(xué)量取代過去的軌道和速度等概念,將不可對(duì)易代數(shù)引進(jìn)了物理.量子力學(xué)還第一次把復(fù)數(shù)引入了進(jìn)來.
過去物理中引入復(fù)數(shù)只是一個(gè)為了方便的技巧,并無實(shí)質(zhì)意義,但在量子力學(xué)中,虛數(shù)具有基本的物理意義,正如英國物理學(xué)家狄拉克在70年代所說的：“……這個(gè)復(fù)相位是極其重要的,因?yàn)樗撬猩娆F(xiàn)象的根源,而它的物理意義是隱含難解的……正是由于它隱藏得如此巧妙,人們才沒有能更早地建立量子力學(xué).”可見復(fù)數(shù)第一次在量子力學(xué)中產(chǎn)生了不可被替代的物理意義.這個(gè)狄拉克在20年代后半期把當(dāng)時(shí)薛定諤的非相對(duì)論性波動(dòng)方程推廣到相對(duì)論情形,第一次實(shí)現(xiàn)了量子力學(xué)和相對(duì)論的聯(lián)姻.狄拉克所建立的方程是描述電子等一大類自旋為半整數(shù)的粒子的相對(duì)論性波動(dòng)方程.由于組成現(xiàn)實(shí)世界的物質(zhì)是自旋都為 1/2 的電子、質(zhì)子和中子,所以狄拉克方程顯然特別重要.狄拉克方程能自然地預(yù)言電子的自旋為1/2 ,解釋氫原子的精細(xì)結(jié)構(gòu),又預(yù)言存在正電子.不久,安德森就找到了正電子.狄拉克方程成為量子力學(xué)最有名的方程之一.這個(gè)狄拉克還將電磁場量子化,從理論上證實(shí)了1905年愛因斯坦的光子學(xué)說的最重要觀點(diǎn)——光是由光子組成的.作為一個(gè)體系,量子力學(xué)的建立大致在20世紀(jì)20年代末完成,此后量子力學(xué)就被應(yīng)用到實(shí)際問題中去了.
量子力學(xué)的基礎(chǔ)和應(yīng)用
對(duì)于許多人來說,也許量子力學(xué)比相對(duì)論更為有用.后者一般用于研究基本粒子的產(chǎn)生和相互轉(zhuǎn)化以及大尺度的時(shí)空結(jié)構(gòu),但對(duì)于20世紀(jì)人類的生產(chǎn)生活,原子層次的世界顯得更為重要.30年代,量子力學(xué)用于固體物理,建立了凝聚態(tài)物理學(xué),又用于分子物理,建立了量子化學(xué).在此之上,材料科學(xué)、激光技術(shù)、超導(dǎo)物理等學(xué)科蓬勃發(fā)展,為深刻影響20世紀(jì)人們生活方式的計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、能源技術(shù)的發(fā)展打下了基礎(chǔ).在20世紀(jì)上半期,量子力學(xué)深入到微觀世界,發(fā)展了原子核結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)理論,提出了關(guān)于原子核結(jié)構(gòu)的殼層模型和集體模型,研究了原子核的主要反應(yīng)如α、β、γ嬗變過程.在天體物理中,必須要用到量子力學(xué).對(duì)于那些密度很大的天體,如白矮星、中子星,當(dāng)核燃料耗盡時(shí),恒星的引力將使它坍縮,高密度天體的的費(fèi)米溫度很高,比恒星實(shí)際溫度高得多,白矮星的電子氣兼并壓和中子星的中子兼并壓抗衡了引力,此時(shí)量子力學(xué)效應(yīng)對(duì)于星體的形成起了決定性的作用.對(duì)于黑洞,其附近的狄拉克真空正負(fù)能級(jí)會(huì)發(fā)生交錯(cuò),因此有些負(fù)能粒子將可能通過隧道效應(yīng)穿透禁區(qū)成為正能粒子,飛向遠(yuǎn)方.黑洞的量子力學(xué)效應(yīng)很有意義,值得研究.
盡管量子力學(xué)取得了巨大成功,但是由于相對(duì)于牛頓力學(xué)而言,量子力學(xué)與常識(shí)的決裂更為徹底,因此對(duì)于量子力學(xué)的基礎(chǔ)仍舊存在著許多爭論,正如玻爾所說：“誰不為量子力學(xué)震驚,誰就不懂量子力學(xué).”愛因斯坦和玻爾在20世紀(jì)上半期關(guān)于量子力學(xué)是否自恰與完備展開了大討論,引發(fā)了一系列關(guān)于量子力學(xué)基礎(chǔ)的工作,如隱變量理論、貝爾定理、薛定諤貓態(tài)實(shí)驗(yàn)等,這些工作使得我們看到理解量子力學(xué)的艱難.
量子力學(xué)的應(yīng)用,一方面讓我們感覺到現(xiàn)實(shí)世界豐富多彩的離奇特性,另一方面反過來也促進(jìn)我們對(duì)量子力學(xué)基礎(chǔ)的理解.20世紀(jì)下半期,量子力學(xué)在基礎(chǔ)和應(yīng)用研究上又煥發(fā)出了青春.對(duì)超導(dǎo)本質(zhì)、真空的卡西米爾效應(yīng)、分?jǐn)?shù)與整數(shù)量子霍爾效應(yīng)、A-B效應(yīng)和幾何相因子、玻色－愛因斯坦凝聚和原子激光等的研究,極大地豐富了人們對(duì)物理世界的認(rèn)識(shí),而對(duì)這些效應(yīng)和技術(shù)的研究,必將對(duì)21世紀(jì)的科學(xué)進(jìn)步產(chǎn)生深遠(yuǎn)意義的影響.量子力學(xué)向縱深發(fā)展量子力學(xué)是單粒子的運(yùn)動(dòng)理論,在高能情形下,粒子會(huì)產(chǎn)生、湮滅,涉及到多粒子,因而需把量子力學(xué)發(fā)展成為量子場論,第一個(gè)用于研究相互作用的量子場論是量子電動(dòng)力學(xué).量子電動(dòng)力學(xué)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(xì)結(jié)構(gòu)-蘭姆移動(dòng)及電子反常磁矩的基礎(chǔ)上建立起來的.由費(fèi)曼等人發(fā)展起來的路徑積分量子化方法是研究相互作用場量子化的得力工具,運(yùn)用它,散射矩陣和反應(yīng)截面的計(jì)算成為可能.量子場論是個(gè)空框架,必須引入相互作用,才能描述相互作用粒子的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化、研究其本質(zhì),這就是規(guī)范場論的任務(wù).量子場論和規(guī)范場論是量子力學(xué)向縱深發(fā)展的結(jié)果.量子電動(dòng)力學(xué)具有U(1)群（一種可交換的內(nèi)部對(duì)稱群）的定域規(guī)范對(duì)稱性.把帶電粒子波函數(shù)的定域相位變化一下,同時(shí)電磁勢作相應(yīng)的變換,發(fā)現(xiàn)為了保持理論具有這種變換的不變性,必須引入帶電粒子與電磁場（一種規(guī)范場）的耦合項(xiàng).當(dāng)時(shí)在微觀世界,除了電磁力外,還有控制核子聚在一起的強(qiáng)力和控制原子核衰變的弱力,這些相互作用滿足怎樣的動(dòng)力學(xué)方程,需要有一個(gè)第一性原理來解決.
1954年,楊振寧和米爾斯把定域規(guī)范不變的理論推廣到內(nèi)部對(duì)稱的不可交換群,引入非阿貝爾規(guī)范場.楊－米爾斯的理論決定了相互作用的基本形式,成為理論物理中繼相對(duì)論羅倫茲變換之后的最重要的變換形式.洛倫茲變換是時(shí)空變換,規(guī)范變換是內(nèi)部空間變換,它們分別從外部和內(nèi)部決定物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和相互作用的形式.六七十年代的工作,包括1964年發(fā)現(xiàn)真空對(duì)稱性自發(fā)破缺使規(guī)范場得到質(zhì)量的黑格斯機(jī)制,1967年法捷耶夫和波波夫用路徑積分量子化方法首次得到正確的規(guī)范場量子化方案,1971年特·胡夫特等人證明了規(guī)范場理論的可重整性,并提出了一種切實(shí)可計(jì)算的維數(shù)正規(guī)化方案,以上工作使得量子規(guī)范理論成為成熟的理論.
在規(guī)范場論和粒子物理實(shí)驗(yàn)、基本粒子結(jié)構(gòu)（三代輕子和三代夸克）研究的基礎(chǔ)上,六七十年代還提出了特殊的規(guī)范場論——弱電統(tǒng)一理論和量子色動(dòng)力學(xué).由于在1979年找到了傳遞色（強(qiáng)）力作用的膠子存在的證據(jù),在1984年發(fā)現(xiàn)了存在傳遞弱相互作用的中間玻色子W±和Z0 ,所以我們深信：描述弱相互作用和電磁相互作用的統(tǒng)一理論是SU(2)×U(1) 規(guī)范場模型, 描述強(qiáng)相互作用的理論是SU(3) 規(guī)范場模型.這兩個(gè)模型統(tǒng)稱標(biāo)準(zhǔn)模型.物理學(xué)家已在1995年找到了它們所預(yù)言的最重的夸克（頂夸克）的存在證據(jù),所預(yù)言的最后一個(gè)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年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).標(biāo)準(zhǔn)模型取得的一再成功使得它成為目前公認(rèn)最好的關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和相互作用的理論.
量子力學(xué)和量子場論使得人類對(duì)真空的性質(zhì)也有了更為本質(zhì)的看法.過去真空被認(rèn)為是空無一物的,自從狄拉克提出真空是“負(fù)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(yīng),如反映真空具有零點(diǎn)能量的卡西米爾效應(yīng)、真空極化導(dǎo)致氫光譜蘭姆移動(dòng)（氫原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)）、激態(tài)原子與零點(diǎn)真空作用導(dǎo)致原子自發(fā)輻射等.真空作為量子場的基態(tài),具有普適的對(duì)稱性.60年代,南部和歌德斯通發(fā)現(xiàn)量子場論真空會(huì)發(fā)生自發(fā)對(duì)稱破缺,70年代玻利亞可夫等發(fā)現(xiàn)真空的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).目前已能對(duì)真空可以進(jìn)行局域性的操作,真空上升到研究相互作用主體的地位.
總結(jié)
具有整整一百年歷史的量子力學(xué)對(duì)于20世紀(jì)的科學(xué)技術(shù)具有革命性的影響.正是因?yàn)槠溆绊懮钸h(yuǎn),所以在這世紀(jì)之交,其帶給我們的懸而未決的謎也就更多更難.李政道認(rèn)為20世紀(jì)末期存在如下的物理之謎：夸克幽禁、暗物質(zhì)、對(duì)稱破缺、真空性質(zhì)等.此外,解決諸如質(zhì)量起源、電荷本質(zhì)、量子引力、基本粒子世代重復(fù)之謎等也必將引發(fā)新的物理學(xué)進(jìn)展.為了探索物質(zhì)世界的深刻本質(zhì),大統(tǒng)一理論、超對(duì)稱、超引力、超弦理論等也在發(fā)展之中.它們或許就是新的革命的前奏.盡管不知道能否再發(fā)生象量子力學(xué)誕生那樣的革命,但是未來的100年絕對(duì)是讓物理學(xué)家忙碌的100年,而這些新概念、新理論、新技術(shù)對(duì)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.