1900年12月，德國物理學(xué)家馬克斯斯普朗克在試圖解釋經(jīng)典黑體輻射規(guī)律時，拼湊出一個數(shù)學(xué)公式，極好地與實驗結(jié)果相吻合?？墒钱?dāng)他試圖從物理理論推導(dǎo)出這個公式的時候，發(fā)現(xiàn)無論如何也不可能從牛頓的力學(xué)理論或者麥克斯韋的電磁理論推導(dǎo)出來，唯一的可能是，假定黑體的輻射能量是一份一份不連續(xù)地輻射出來的。他的公式成功地解釋了黑體輻射現(xiàn)象，但留下巨大的困惑：自然界的相互作用，并不是連續(xù)進行的，而是成顆粒狀一份一份地進行的。他把這種情形稱作能量的“量子”作用。
    據(jù)說，當(dāng)天晚上普朗克在與兒子一同散步時，告訴兒子，你父親可能做出了有史以來最驚人最偉大的發(fā)現(xiàn)。
    1905年，26歲的愛因斯坦讀到了普朗克的論文，當(dāng)時他試圖解釋困擾物理學(xué)界3年的一個新發(fā)現(xiàn)——金屬物質(zhì)的“光電效應(yīng)”：某些金屬物質(zhì)，受到光照的時候，會有電子從金屬表面跳出來，然而，跳出來的電子的能量，與照射光線的強度無關(guān)，只與光的頻率有關(guān)。經(jīng)典物理學(xué)不能理解這一現(xiàn)象。愛因斯坦認(rèn)為，普朗克的量子概念也許有用。他假定光對物體的作用是一份一份的，也就是說，有一種“光量子”存在，它的能量大小由光的頻率而不是光的亮度決定。把這一假設(shè)帶進描述光電效應(yīng)的公式，理論與實驗結(jié)果之間的矛盾立即解除。后來，愛因斯坦在1921年因為這項精彩簡練的工作獲得諾貝爾物理學(xué)獎，而他那時早已因為相對論理論享譽世界。
    1908年，丹麥人尼爾斯?玻爾在劍橋大學(xué)著名的卡文迪許實驗室找題目做研究，科學(xué)巨擘盧瑟福讓他解決氫原子的光譜問題。早在19世紀(jì)晚期，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，每一種元素物質(zhì)都有自己特有的“特征光譜”，其中氫原子的光譜最為簡單，譜線之間似乎有一定的規(guī)律性。德國的一位中學(xué)教師巴爾默用一個簡單的數(shù)學(xué)公式很好地表達了氫原子的光譜，其中最引人注目的是，公式中出現(xiàn)一個不確定的字母符號n，它只能取自然正整數(shù)值，當(dāng) n等于1的時候，就得到第一條譜線的波長，當(dāng)n等于2的時候，就得到第二條譜線波長，依次類推?？墒钱?dāng)物理學(xué)家們試圖從經(jīng)典物理學(xué)來推導(dǎo)出巴爾默的公式的時候卻遇到巨大困難，實際上，無論是牛頓理論還是麥克斯韋理論，都不能推導(dǎo)出這一看上去并不復(fù)雜的公式。
    玻爾研究了盧瑟福的原子有核模型和愛因斯坦的光量子假設(shè)，成功地把兩者結(jié)合在一起。氫原子核帶正電，核外帶負(fù)電的電子沿著不同的軌道圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電子獲得能量時，它從低軌道跳到距離原子核較遠(yuǎn)的軌道上；當(dāng)它放出能量時，又從較高的軌道跳到較低軌道上。其中電子處于較低軌道時的狀態(tài)后來被稱作“基態(tài)”，在核外電子處于基態(tài)時，原子系統(tǒng)保持穩(wěn)定；當(dāng)電子處于較高軌道狀態(tài)時，原子處于“激發(fā)態(tài)”，原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)。軌道之間是有間隔不連續(xù)的，因而電子吸收和放出的能量只可能是一份一份的，而電子吸收與放出的能量，是以不同頻率的光的形式表現(xiàn)的。核外電子軌道的能量間隔，決定了電子跳躍時吸收或放出光線只能以固定的頻率，這就是原子的特征光譜。至于電子為什么采取分離的軌道，玻爾解釋說，那是自然規(guī)律，不是我們講得清楚的；我們需要做的是準(zhǔn)確地描述自然。
    玻爾的理論很好地解釋了氫原子的光譜現(xiàn)象，更進一步用原子的有核模型和分層電子軌道圖景揭示出量子現(xiàn)象的物理機制。玻爾的氫原子理論獲得巨大成功，他回到家鄉(xiāng)哥本哈根興辦尼爾斯?玻爾物理研究所，吸引世界各地大批青年才俊跟隨他研究原子世界和量子學(xué)說。
    到1920年代中后期，玻爾與麾下的一群年輕人完成了一次深刻的物理學(xué)革命，建立起量子物理學(xué)。量子概念從此成為理解現(xiàn)代物理學(xué)所必需的基本概念。量子力學(xué)建成伊始，就成功地解釋了經(jīng)典物理學(xué)一直束手無策的固體物理諸多現(xiàn)象和問題，直接引發(fā)半導(dǎo)體物理學(xué)和現(xiàn)代電子技術(shù)的突飛猛進。它與相對論相結(jié)合，形成量子場論，之后逐漸發(fā)展成規(guī)范場理論，在20世紀(jì)后半葉先后取得弱電統(tǒng)一、弱電強統(tǒng)一以及大爆炸宇宙模型等一系列重要成就。然而，量子力學(xué)理論本身以及對這一理論的詮釋長期以來眾說紛紜，莫衷一是，爭論涉及基本的自然觀與科學(xué)觀，最典型的有愛因斯坦與玻爾之間關(guān)于量子力學(xué)理論的解釋的幾場論戰(zhàn)。
    有趣的是，當(dāng)量子力學(xué)建成的時候，玻爾和他的同事以及學(xué)生們拋棄了玻爾早期的量子概念，特別是描述氫原子行為的分層電子軌道模型，轉(zhuǎn)用量子狀態(tài)來表述微觀粒子的狀態(tài)與行為。根據(jù)這樣的理論，吸收和放出能量導(dǎo)致原子的量子態(tài)發(fā)生變化，核外電子的位置和行為并不是確定的，它們可能在任何地方，我們無法精確知道。對微觀世界的任何測量都會改變它原先的物理狀態(tài)，而對它的描述只能用它的量子態(tài)來把握，這種把握并不是經(jīng)典物理學(xué)意義上的精確了解，只能是統(tǒng)計學(xué)意義上的把握。
    量子態(tài)描述的微觀世界存在著一些令人迷惑的現(xiàn)象，其中最引人注目的就是“量子糾纏”。根據(jù)量子力學(xué)理論，本地的粒子的量子態(tài)變化，可以瞬時引發(fā)異地另一粒子的量子態(tài)變化，無論二者距離有多么的遠(yuǎn)。這一現(xiàn)象可以用來實現(xiàn)量子通訊，現(xiàn)在正是在國際上如火如荼研究和競爭的課題。這種量子效應(yīng)不能即時傳遞物質(zhì)，只能傳遞某種量子狀態(tài)，我們也可以說傳遞某種信息。由于量子效應(yīng)極其微弱，同時，在收發(fā)兩端維持與識別相干量子態(tài)需要高度精密復(fù)雜的裝置和過高的成本，要實現(xiàn)量子通訊殊非易事。目前我國中國科技大學(xué)和清華大學(xué)已有16公里距離量子通訊的國際領(lǐng)先報道，但其穩(wěn)定性、可靠性還需要進一步研究，目前還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能付諸實用。
    原則上說，量子態(tài)可以表征單個粒子的特定物理狀態(tài)，每個粒子可以有至少2個量子態(tài)。這一認(rèn)識使得人們意識到它可以用來制造量子計算機。一個系統(tǒng)內(nèi)，如果有N個粒子，它的量子態(tài)就可以多達2N個，通過改變每個粒子的量子態(tài)，就能夠同時實現(xiàn)計算和存儲，其計算速度與存儲能力遠(yuǎn)非當(dāng)今最強大的超級計算機可以比擬，因而引發(fā)人們巨大興趣和激烈國際競爭。然而，量子計算機目前仍然停留在理論討論階段，雖然已有些商業(yè)機構(gòu)宣稱已經(jīng)研發(fā)成功量子計算機，但它究竟是否具備計算功能還未獲得國際計算領(lǐng)域認(rèn)同。實際上，實現(xiàn)量子計算功能的物理條件、計算結(jié)果的維持與讀出、量子計算與經(jīng)典計算機之間的銜接等一系列重大問題，目前都還沒有現(xiàn)成的技術(shù)條件具備。要實現(xiàn)量子計算，人們還需要上下求索，路途漫漫。