天体物理学（英语：Astrophysics） ，又称天文物理学
，是研究宇宙的物理学，这包括星体的物理性质（光度 ，密度
，温度，化学成分等等）和星体与星体彼此之间的相互作用 。应用物理理论与方法 ，天体物理学探讨恒星演化、恒星结构 、星际物质
、宇宙微波背景、太阳系的起源和许多跟宇宙学相关的问题[1]
。由于天体物理学是一门很广泛的学问，天文物理学家通常应用很多不同的学术领域
，包括力学 、电磁学
、统计力学、量子力学 、相对论、粒子物理学以及原子分子与光物理学等等。由于近代跨学科的发展，与化学
、生物、 历史 、计算机
、工程、古生物学 、考古学
、气象学等学科的混合 ，天体物理学目前大小分支300—500门主要专业分支
，成为物理学当中最前沿的庞大领导学科，是引领近代科学及 科技 重大发展的前导科学 ，同时也是 历史 最悠久的古老传统科学 。

天体物理实验数据大多数是依赖观测电磁辐射获得的
。比较冷的星体
，像星际物质或星际云会发射无线电波。大爆炸后，经过红移 ，遗留下来的微波
，称为宇宙微波背景辐射 。研究这些微波需要非常大的无线电望远镜。

太空 探索 大大地扩展了天文学的疆界
。太空中的观测可让观测结果避免受到地球大气层的干扰，科学家常透过使用人造卫星在地球大气层外进行红外线、紫外线 、伽马射线和X射线天文学等电磁波波段的观测实验 ，以获得更佳的观测结果。

光学天文学通常使用加装电荷耦合元件和光谱仪的望远镜来做观测 。由于大气层的扰动会干涉观测数据的品质
，故于地球上的观测仪器通常必须配备调适光学系统，或改由大气层外的空间天文台来观测 ，才能得到最优良的影像
。在这频域里，恒星的可见度非常高。借着观测化学频谱
，可以分析恒星
、星系和星云的化学成分 。

理论天体物理学家的工具包括分析模型和计算机模拟
。天文过程的分析模型时常能使学者更深刻地理解个中奥妙；计算机模拟可以显现出一些非常复杂的现象或效应其背后的机制。

在实践中，现代天文学研究通常涉及理论和观测物理领域的大量工作 。天体物理学家的一些研究领域包括试图确定暗物质 ，暗能量
，黑洞和其他天体的性质 ; 以及宇宙的起源和最终命运
。理论天文学家还研究了太阳系的形成和演化。恒星动力学和演化 ; 星系的形成与演化 ;磁流体力学 ; 宇宙中物质的大尺度结构；宇宙线的起源; 广义相对论，狭义相对论 ，量子和物理宇宙学
，其中包括弦宇宙学和天体粒子物理学 。

大爆炸模型的两个理论栋梁是广义相对论和宇宙学原理
。由于太初核合成理论的成功和宇宙微波背景辐射实验证实，科学家确定大爆炸模型是正确无误。最近 ，学者又创立了ΛCDM模型来解释宇宙的演化
，这模型涵盖了宇宙暴胀（cosmic inflation）、暗能量 、暗物质等等概念 。

理论天体物理学家及实测天体物理学家分别扮演这门学科当中的两大主力研究者，两者专业分工。理论天体物理学家通常扮演大胆假设的研究者 ，理论不断推陈出新
，对于数据的验证关心程度较低，假设程度太高时 ，经常会演变成伪科学，一般都是天体物理学研究者当中的激进人士
。实测天体物理学家通常本身精通理论天体物理
，在相当程度上来说也有能力自行发展理论，扮演小心求证的研究者 ，通常是物理实证主义的奉行者
，只相信观测数据，经常对理论天体物理学所提出的假说进行证伪或证实的活动 ，一般都是天体物理学研究者当中的保守人士。

天文学的 历史 纪录虽然很久远
，但是它长期以来都跟物理学分开，直到物理学发展才开始结合起来 ，主要发展的目的是历法 。

天文学在 历史 当中
，中国
、欧洲、非洲 、中东、印度
、美洲都有独立的发展 历史 ，其中以中国的 历史 纪录长度最久 ，但是中国并没有发展出天体物理学
，最早有天体物理学研究的纪录是印度
。

天文学在古代 历史 上的发展分支：

中国古代天文学

印度古代天文学

非洲古代天文学

埃及古代天文学

非洲部落天文学

近东古代天文学

两河流域天文学

美索不达米亚天文学

巴比伦天文学

阿拉伯天文学

巴格达学派

开罗学派

西阿拉伯学派

美洲古代天文学

玛雅天文学

欧洲古代天文学

希腊古代天文学

也有一种看法认为非洲古代天文学、两河流域天文学及美洲古代天文学都是由传说中的姆大陆及亚特兰提斯所流传而来的，但是这项说法缺乏考古学上的证据 ，虽无法证伪，但也无法证实。欧洲天文学主要源自于非洲古代天文学及两河流域天文学
，现代天体物理学是由欧洲天文学建立起来的 。

理论天体物理学的起点可由十六世纪开始计算起，绝大多数的理论提出系以“物理建模方法 ”提出假设 ，建立物理模型
，验证方法则多数以“波普尔论证法
”来进行确认，主要采取“证实主义”或“证伪主义 ”两种手法交错并用
。理论的状态多数有以下几种：

全部理论证实：目前不存在。

部分理论证实：例如“广义相对论
”及“牛顿力学” 。

理论证伪：为数庞大 ，例如
，中国的“混天说 ”
。

技术力无法验证理论：例如，“夸克星” ，通常都是理论当中存在尚未验证的物理假说。

理论错判证实：例如
，“牛顿力学
”曾经被错判证实 。“夸克星”则曾经有两年的时间被认为已经找到（SN1987A，约1989-1990年之间被错误地认为存在夸克星）
。

伪科学：数量庞大的民间学说 ，例如一整批以科幻小说为基础的幻想学说 、科普及神学天体物理
，通常的特征是理论自身不自洽。例如，“星际之门虫洞物理 ” ，“星际之门
”当中的“虫洞物理”与现实研究中的“虫洞物理 ”差距非常地大，而目前现实中的“虫洞物理
”
，实际也并未被列入合格的天体物理理论，实际的“虫洞物理”认为“虫洞 ”的大小如果小于一光年 ，则无任何可能传送任何物质进行太空旅行
，“星际之门虫洞物理
”与此差距极大，而开启虫洞颈部的维持能量是“负能量” ，“星际之门虫洞物理 ”却是使用“正能量
”来维持
，“量子虫洞”是采用“虚粒子对相互作用 ”来维持“量子虫洞”的恒稳态，能够穿透“量子虫洞
”的只有超流体 ，而“星际之门虫洞物理”却是什么物质都可以传送 。事实上两者的说法都没有经过检验。

未经检验的假说：例如
，“人造月球假说 ”及“平行宇宙
”与一整批与霍金宣称有关的说法
。由于通俗易懂
、貌似合理，检验方法却需要耗费大量金钱 ，因而大批未经检验的假说在民间流传
，被误认为已经检验的正统科学，透过大众文化传播 ，成为非专业信徒型学科。

绝大多数的天体物理理论都处于“部分理论证实”及“技术力无法验证理论 ”的状态，基本的过滤方式是“证实方法
”或“证伪方法”
，持续过滤到每一个步骤都与数据吻合 。

现代理论天体物理学家使用多样的研究工具，包含了分析模型及计算机数值模拟 ，分析模型可以提供每一个步骤是否吻合现行或假设的物理定律
，计算机数值模拟则主要用于推算出物理数学模型是否有矛盾之处
。理论天体物理学家致力于发展理论模型以便理解这些模型与观测的拟合程度，这可以使观测者证实或证伪某个模型是否正确 ，并且从模型当中选择一个恰当的理论来说明观测数据。

一旦某个物理模型大体上被验证
，实测天体物理学家就会依据该模型输入观测资料，一旦发现某些不吻合之处 ，该理论就会进行修正
，直到全面吻合，所有观测数据都合乎理论预测以后 ，便可称该理论为已经证实的天体物理理论 。如果
，理论与数据有大批不吻合，该理论会先被限定为有限理论 ，一直到发展出其他可以全面吻合的理论以后，该理论会被废弃掉
。

理论天体物理研究的范围非常地广泛
，包含了：“星体动力 ”、“星体演化
” 、“银河生成及演化”
、“电磁动力 ”、“广义相对论
” 、“宇宙学”
、“弦宇宙论 ”、“天体粒子物理” 、“引力波
”
、“宇宙生命”、“宇宙航行 ” 、“宇宙通讯
”等等，课题包罗万象。

现代天体物理的发展方式多数采取物理数学的方法 ，先发展相关理论
，然后再透过实测天体物理学的技术手段来验证，并且透过观测数据来修正理论上的缺失 ，因此常常会看到由于实测天体物理技术的发展
，事后发现理论天体物理的陈述荒唐到完全无法吻合的现象，进而全面修正理论天体物理的模型 。实测天体物理扮演天体物理当中最重要的把关及验证 ，因此
，理论天体物理上的盖棺论定一向是由实测天体物理来执行，这也使得实测天体物理学家多数都是这个领域当中最保守的菁英人士在运行
。

实测天体物理目前持有全球最尖端的 科技 来进行研究 ，技术的演进
，天体物理实验数据已经可以采取多种管道获得，包含了地面各类望远镜、空间天文台及空间探测器。此外 ，由于需求的缘故，实测天体物理学家是目前建造超级电脑的最积极人士
，全球最尖端的超级电脑有大批是由实测天体物理学家所建造及持有，其次则是高能物理学家所建造及持有 ，多数的实测天体物理学家同时也是电脑专家及理论物理学家
，经常会透过全球虚拟天文台的数据互换来进行研究，超级运算的领域当中 ，有许多出身于实测天体物理学的工作者 。

「光子」（photon）这个字是由化学家吉伯特．路易斯於 1926 年
，也是自 1905 年爱因斯坦发现光电效应的解释后约五分之一世纪，首先用来称呼爱因斯坦所提出的电磁波量子化现象中的粒子
。

但是「光子」观念的诞生应该回溯到 19 世纪中 ，当时
，黑体辐射（blackbody radiation）正引起物理学家高度的注意。从铁器时代开始，铁匠就已经知道把金属加热到足够高的温度时 ，会发出可见光
，在较低的温度会发出较暗且偏红的光，在较高的温度会发出较亮且偏蓝的光 ，由金属发光的亮暗和颜色，就可以判断铁的温度是否适当
，是否可以打了 。

在 19 世纪中，物理学家对热力学和电磁学已有足够的了解 ，他们知道
，高温的金属之所以会发光，是由於金属上的电荷因处於高温状态而激烈运动 ，因而发出可见光波段的电磁波
，并把这种因为温度造成物体所发出的电磁波称为黑体辐射。在 1850 年代末期，热力学和电磁学大师克希何夫（G.R. Kirchhoff）对上述现象感到兴趣 ，并开始研究黑体辐射问题
。

他考虑一个处在某一固定温度由某种材质所制作的表面上有一小孔的中空容器
，并推论如果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辐射就相当於黑体辐射。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
，唯一对电磁波频谱造成影响的只有温度，很遗憾的 ，他并无法得到频谱的温度函数 。在那之后，如何由理论或实验得到频谱的温度函数
，就成为物理学家们的一大挑战
。

在此后的 40 年里，物理学家做了许多精确的实验 ，也提出了各种不同的模型和理论来解释实验结果。在这些研究里
，史提芬发现黑体辐射的能量密度和温度的 4 次方成正比，并且在稍后由波兹曼以纯热力学的方式得到证明 。1893 年怀恩更以之推导而得到一个频谱的温度函数 ，但是这个函数并不是确定的形式
，因为函数里有一个未知项
。

黑体辐射频谱最终的正确形式是由蒲朗克（Max Planck）所发现。在 1900 年 10 月的某天早上，蒲朗克的同事到他的家里拜访 ，并带来前一天由实验所量得黑体辐射的温度函数 。蒲朗克推论既然黑体辐射的频谱函数与中空容器的材质和形状无关
，那他可以任意假设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，早已在电磁学里被研究透彻 ，而同时由热力学知道
，温度会造成电荷激烈运动并因而发出电磁波，而这些发出来的电磁波 ，也必须符合长方体内可存在的电磁波模式。

到此为止，他所作的假设和计算与莱理（Rayleigh）之前失败的计算完全相同
，所以他也应该得到与莱理所算出，在中空容器里的电磁波能量是无限大 ，一样的错误结论 。

但是蒲朗克在作进一步计算前
，作了一个空前的猜想（他自己称为「快乐的猜想」），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）乘以该电磁波频率整数倍的能量（即每一个电磁波模式的能量 E = nhf，n 是一正整数或零 ，f 是该电磁波的频率）
，可以和长方体的内壁作用
。当他作了这个假设后，他计算得到黑体辐射频谱与温度的关系式（称为辐射定律 Radiation Law） ，和他才从他同事那里得到的实验数据完全符合。

这个以后称为辐射定律的结果
，成功地解决了 40 年前克希何夫所设下的挑战 。虽说如此成功，但蒲朗克并不了解他所作的假设 ，具有更深层的物理意义。他之后承认，「……这纯粹只是一个假设
，我真的没想到再多给它一点思考
。」

19 世纪末，有另一个著名但无法解释的实验——光电效应实验。赫兹和李纳德发现当有光照在金属板上时 ，可以量到电流（即某些电子被光照射后
，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
，形成电流），而没有光时 ，就量不到电流 。

但令当时所有的科学家都感到困惑的是以下几个观察到的结果
。第一是增加照射光强度
，只能增加电流，却无法增加电子的动能。第二是不管多强的红光都无法产生光电流 。第三是即使用非常弱的紫光去照射 ，也可以产生光电流
，而所激发出来的电子动能也比用强的蓝光激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 ，加以一个更深的物理意义，认为光就是一个一个独立的粒子
，而每个光量子的能量就是光的频率乘以蒲朗克常数。

他认为电磁波能量必须是整数个能量包，那麼由光量子所激发出来的电子的能量应该和电磁波的照度无关 ，只和电磁波的频率有关 。严格地说
，激射出来的电子的动能应该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）
。如果我们增加电磁波的照度 ，增加的只是发射出的电子数目和因此而增加的电流
，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 ，尤其是对於爱因斯坦所喜爱的光的粒子说
，许多科学家都抱持著怀疑的态度
。其中以蒲朗克的态度最为有趣，虽然他本人是电磁波能量量子化的始作俑者 ，也无法完全接受光的粒子说
，在他的观念里，「我们应该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「半古典方法」（semiclassical approach）最原始的想法，也就是把电磁波以古典的方式处理
，其振幅可以是连续的，并不需要把它当成粒子 ，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。

即使到现在，半古典方法仍然有它的一席之地
。除了某些物理问题 ，如兰姆偏移（Lamb shift）
、光子纠缠对等
，需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
，大部分的问题以半古典方法就可以解决了。目前仍有很多的教科书，就以半古典方法来计算光电效应 。

在 1912 年 ，由爱因斯坦所提出的光电效应解释的推论
，首先被理察生以实验观察到，之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
，进一步证实光的粒子性，在这个实验里 ，他甚至还观察到光的粒子带有动量。但是光的粒子到底是什麼
，还是一个大问题 。

如果说光是粒子，是爱因斯坦所说的如同电子一样的「奇异点」 ，那我们又要如何解释杨氏干涉实验里
，光子在走了不同的距离后，仍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
，他写到：「在 50 年理性的思考里，并没给我任何答案可以回答这个问题：什麼是光的量子？当然现在每个人都以为他知道这个答案 ，但是我告诉你
，他们是在愚弄自己。」

然而，电磁波具有粒子和波动两种看似矛盾性质的问题 ，并没有阻碍爱因斯坦思考更多关於光的量子性质 。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
，重新思考蒲朗克的辐射定律
。

现在以量子电动力学，我们可以很容易地得到蒲朗克的辐射定律 ，但在 1916 年时
，甚至连量子电动力学的前身－量子力学都还没出现。但凭著对热力学的深刻理解，爱因斯坦推导出关於原子在不同能阶间跃迁速率的爱因斯坦 A、B 系数 。在当时 ，由原子光谱实验已经知道
，原子在跃迁时分成两种，对应到暗线光谱的 ，是原子吸收光子由能量低的状态跃迁到能量高的状态
，而对应到亮线光谱的，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率关系并没有人知道
。

爱因斯坦假设物质与周遭的电磁辐射达到热平衡
，而物质在平衡状态，按照统计力学 ，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：自发辐射－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
，受激辐射－即在高能阶状态的原子会受到其他光子的激发而落到低能阶状态，同时发出一个光子 。因为受激辐射的存在 ，使得 40 年后科学家得以成功地发明雷射
，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率的比值
。

在 1927 年，狄拉克成功地把电磁波用全量子化来处理 ，之后狄拉克和其他的物理学家更把这个理论发展完备
，成为量子电动力学。这个理论的确成功地超越了光的粒子和波的二重性，解决了半古典方法所不能解决的问题 ，同时也发现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」（zero point energy） 。而且，原本无法理解自发辐射会自然发生的原因 ，也获得了解答
。就是可以把自发辐射当作是受激辐射的一种，而激发其发生的光子就是来自真空电磁扰动。

但是
，量子电动力学并不能告诉我们，光子到底在哪里 。和电子不一样的地方在於 ，电子的位置在量子力学里有一个位置算符
，但对於光子而言，并没有一个相对应的光子位置算符
。爱因斯坦认为光子是如同电子一样的奇异点 ，并没有在量子电动力学中完全得到背书。

之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移 。兰姆在实验里观察到原子光谱 2s1/2 和 2p1/2 两个轨域有很小的能量差异，但是根据相对论量子力学 ，这两个状态应该有相同的能量
。但一年后
，量子电动力学就成功地解释了兰姆偏移，这是因为真空扰动的能量会使电子偏移其原来的轨域 ，而 s 轨域较接近带正电的原子核
，所以受到较 p 轨域更大的影响，因此这两者会有细微的能量差。

即使量子电动力学解决了许多半古典方法不能解决的问题 ，但是仍然有物理学家怀疑，不需要把电磁波量子化
，只要修正半古典方法仍然可以得到完备的理论 。这个修正就是把原子跃迁后所产生的电磁波加到原来的电磁波上，和原子作交互作用
。事实上 ，以这种方法确实可以解释自发辐射
，但是兰姆偏移却自始至终都没有办法用修正后的半古典方法解释。

直到现在，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、量子通讯等都是其中热门的研究题目，而且量子电动力学的理论就已经足够用来解释这些结果。但是我们仍然对这两个问题－什麼是光子？光子在哪里？没有答案
。也许在 1926 年 ，当路易斯在命名「光子」时
，他并没有预料到「光子」到了下一个世纪，仍然保持著谜样的身分。

1900～1926年是量子力学的酝酿时期 ，此时的量子力学是半经典半量子的学说
，称为旧量子论，开始于德国物理学家普朗克对黑体辐射的研究 。黑体辐射是1900年经典物理（牛顿力学 、麦克斯韦电动力学
、热力学与统计物理）所无法解决的几个难题之一
。旧理论导出的黑体辐射谱会产生发散困难 ，与实验不符。普朗克于是提出“能量子”概念，认为黑体由大量振子组成
，每个振子的能量是振子频率的整数倍，这样导出的黑体辐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
，这与经典物理完全不同，普朗克因此就这样吹响了新的物理征程的号角 ，这成为近代物理的开端之一
。1905年
，爱因斯坦把普朗克的“能量子
”概念又向前推进了一步，认为辐射能量本来就是一份一份的 ，非独振子所致
，每一份都有一个物质承担者——光量子，从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 ，丹麦青年玻尔根据普朗克的量子论 、爱因斯坦的光子学说以及卢瑟福的原子行星式结构模型
，成功地导出了氢原子光谱线位置所满足的公式，从这以后掀起了研究量子论的热潮
。1924年 ，法国贵族青年德布洛意根据光的波粒二象性理论
、相对论及玻尔理论，推断认为一般实物粒子也应具有波动性
，提出了物质波的概念，经爱因斯坦褒扬及实验验证 ，直接导致了1926年奥地利学者薛定谔发明了量子力学的波动方程。与此同时
，受玻尔对应原理和并协原理影响的德国青年海森堡提出了与薛定谔波动力学等价但形式不同的矩阵力学，也能成功地解释原子光谱问题 。矩阵力学和波动力学统称量子力学 ，量子力学就这样正式诞生
。量子力学与经典力学对物质的描述有根本区别。量子力学认为“粒子轨道”概念是没有意义的
，因为我们不可能同时确定一个粒子的动量和位置，我们能知道的就是粒子在空间出现的几率 。量子力学用波函数和算符化的力学量取代过去的轨道和速度等概念 ，将不可对易代数引进了物理。量子力学还第一次把复数引入了进来
。

过去物理中引入复数只是一个为了方便的技巧
，并无实质意义，但在量子力学中 ，虚数具有基本的物理意义
，正如英国物理学家狄拉克在70年代所说的：“……这个复相位是极其重要的，因为它是所有涉现象的根源 ，而它的物理意义是隐含难解的……正是由于它隐藏得如此巧妙，人们才没有能更早地建立量子力学。 ”可见复数第一次在量子力学中产生了不可被替代的物理意义 。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方程推广到相对论情形
，第一次实现了量子力学和相对论的联姻
。狄拉克所建立的方程是描述电子等一大类自旋为半整数的粒子的相对论性波动方程。由于组成现实世界的物质是自旋都为 1/2 的电子、质子和中子，所以狄拉克方程显然特别重要 。狄拉克方程能自然地预言电子的自旋为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。狄拉克方程成为量子力学最有名的方程之一 。这个狄拉克还将电磁场量子化 ，从理论上证实了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
，量子力学的建立大致在20世纪20年代末完成，此后量子力学就被应用到实际问题中去了。

量子力学的基础和应用

对于许多人来说 ，也许量子力学比相对论更为有用 。后者一般用于研究基本粒子的产生和相互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，原子层次的世界显得更为重要
。30年代 ，量子力学用于固体物理
，建立了凝聚态物理学，又用于分子物理 ，建立了量子化学。在此之上，材料科学 、激光技术
、超导物理等学科蓬勃发展
，为深刻影响20世纪人们生活方式的计算机技术、信息技术 、能源技术的发展打下了基础 。在20世纪上半期，量子力学深入到微观世界 ，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嬗变过程。在天体物理中 ，必须要用到量子力学
。对于那些密度很大的天体
，如白矮星、中子星，当核燃料耗尽时 ，恒星的引力将使它坍缩
，高密度天体的的费米温度很高，比恒星实际温度高得多 ，白矮星的电子气兼并压和中子星的中子兼并压抗衡了引力
，此时量子力学效应对于星体的形成起了决定性的作用。对于黑洞，其附近的狄拉克真空正负能级会发生交错 ，因此有些负能粒子将可能通过隧道效应穿透禁区成为正能粒子，飞向远方 。黑洞的量子力学效应很有意义
，值得研究
。

尽管量子力学取得了巨大成功，但是由于相对于牛顿力学而言 ，量子力学与常识的决裂更为彻底
，因此对于量子力学的基础仍旧存在着许多争论，正如玻尔所说：“谁不为量子力学震惊 ，谁就不懂量子力学。
”爱因斯坦和玻尔在20世纪上半期关于量子力学是否自恰与完备展开了大讨论
，引发了一系列关于量子力学基础的工作，如隐变量理论 、贝尔定理
、薛定谔猫态实验等 ，这些工作使得我们看到理解量子力学的艰难 。

量子力学的应用
，一方面让我们感觉到现实世界丰富多彩的离奇特性，另一方面反过来也促进我们对量子力学基础的理解
。20世纪下半期 ，量子力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－爱因斯坦凝聚和原子激光等的研究
，极大地丰富了人们对物理世界的认识，而对这些效应和技术的研究 ，必将对21世纪的科学进步产生深远意义的影响 。量子力学向纵深发展量子力学是单粒子的运动理论，在高能情形下
，粒子会产生 、湮灭，涉及到多粒子 ，因而需把量子力学发展成为量子场论
，第一个用于研究相互作用的量子场论是量子电动力学
。量子电动力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-兰姆移动及电子反常磁矩的基础上建立起来的。由费曼等人发展起来的路径积分量子化方法是研究相互作用场量子化的得力工具 ，运用它
，散射矩阵和反应截面的计算成为可能 。量子场论是个空框架，必须引入相互作用 ，才能描述相互作用粒子的产生和转化
、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力学向纵深发展的结果。量子电动力学具有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 ，发现为了保持理论具有这种变换的不变性
，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，除了电磁力外 ，还有控制核子聚在一起的强力和控制原子核衰变的弱力，这些相互作用满足怎样的动力学方程
，需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相互作用的基本形式
，成为理论物理中继相对论罗伦兹变换之后的最重要的变换形式 。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相互作用的形式
。六七十年代的工作
，包括1964年发现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法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
，并提出了一种切实可计算的维数正规化方案，以上工作使得量子规范理论成为成熟的理论。

在规范场论和粒子物理实验、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 。由于在1979年找到了传递色（强）力作用的胶子存在的证据
，在1984年发现了存在传递弱相互作用的中间玻色子W±和Z0 ，所以我们深信：描述弱相互作用和电磁相互作用的统一理论是SU(2)×U(1) 规范场模型 ， 描述强相互作用的理论是SU(3) 规范场模型
。这两个模型统称标准模型。物理学家已在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年诺贝尔物理学奖
。标准模型取得的一再成功使得它成为目前公认最好的关于物质结构 、物质运动和相互作用的理论。

量子力学和量子场论使得人类对真空的性质也有了更为本质的看法 。过去真空被认为是空无一物的
，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
、真空极化导致氢光谱兰姆移动（氢原子的超精细结构）、激态原子与零点真空作用导致原子自发辐射等。真空作为量子场的基态
，具有普适的对称性 。60年代，南部和歌德斯通发现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现真空的拓扑结构。目前已能对真空可以进行局域性的操作
，真空上升到研究相互作用主体的地位
。

总 结

具有整整一百年历史的量子力学对于20世纪的科学技术具有革命性的影响。正是因为其影响深远，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 。李政道认为20世纪末期存在如下的物理之谜：夸克幽禁 、暗物质、对称破缺
、真空性质等
。此外
，解决诸如质量起源、电荷本质 、量子引力
、基本粒子世代重复之谜等也必将引发新的物理学进展。为了探索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 。它们或许就是新的革命的前奏
。尽管不知道能否再发生象量子力学诞生那样的革命 ，但是未来的100年绝对是让物理学家忙碌的100年
，而这些新概念、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。