一提到量子这个词就立刻让人感到困惑，又让人着迷和回味无穷。它或者是科学巨大成功的证明，或者是在我们解开亚原子领域不可避免的奇怪现象与有限范围的人类直觉的象征，这要看你怎么看。对物理学家来说，量子力学是支持我们认识大自然的三大支柱之一，其他两个是爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论。爱因斯坦的理论处理空间和时间的性质与引力。量子力学处理除此之外的一切。有人可能主张，不管量子力学是令人困惑的或是令人着迷的，这都不要紧；它只是一个描述事物行为方式的物理学理论。用这个实用主义的标准来衡量，它的精准度和解释能力是令人满意的。有一个量子电动力学的实验，是一个最古老的和好地理解现代量子理论的实验，其中包括测量磁铁附近的电子的行为方式。理论物理学家努力工作了许多年，用笔、纸和计算机预测这个实验会发现什么。实验者设计和进行精密的实验来找出大自然的精细的性质。这两支队伍独立地宣布了的结果，其性可以和测量英国曼彻斯特与美国纽约之间的距离误差只有几厘米相比较。尤其值得注意的是，由一些实验者返回的数值与理论家的计算一致；测量与计算吻合。

这些事实给人的印象是深刻的，但也是难以理解的，如果量子理论描绘的仅仅是微小的模型，你可能会忘记怀疑所有那些大惊小怪的事情。虽然科学不是一下子就能派上用场的，但许多改变了我们生活的技术和社会的变化，都是源于现代的探索者所进行的基础研究，他们的动机是更好地了解他们周围的世界。这些由于好奇心引导的发现，遍布了所有的科学学科，结果是增加了人类的预期寿命，实现了洲际航空旅行和现代通讯，免除了农场和清扫的苦役。这些结果使我们受到鼓舞，同时又让我们清楚地认识在这个无限星辰的大海中我们的位置。但所有这些在某种意义上都是一些副产物。我们探索是因为我们好奇，而不是因为我们希望得到宏伟的现实结果，或把我们的生活点缀得更好。

量子理论或许是从最神秘莫测变成非常有用的好例子。它之所以神秘，是因为它描述了一个粒子可以同时存在于世界的几个地方，并且通过同时探测宇宙，一个粒子可以立即从一个地方移动到另一个地方。它之所以有用，是因为对建造宇宙的最小建筑砖块行为的理解，加强了我们对其他一切事物的理解。这种说法近乎有些主观，因为这个世界充满了多样性和复杂性的现象。尽管有这样的复杂性，我们发现一切都是按照量子理论规则的、由到处移动的一些极小粒子构成的。这个规则是如此之简单，以至于可以在一个信封的背面写上几句话，就把它们概括出来。事实上，我们不需要一整座图书馆的书去解释事物的基本性质，这是所有秘密中较大的奥秘。

看来，我们了解世界的基本性质越多，它看上去就越简单。我们将在适当的时候解释这些基本规则是什么，这些极小的建筑砖块是怎样巧妙地形成世界的。但是，为了避免宇宙的这个基本的简单性不使我们太吃惊，我们要提醒一句：虽然游戏的基本规则很简单，其结果却不一定容易计算。我们日常对世界的经验，是从由亿万个原子组成的巨大物体之间的关系得来的，因此试图从基本原理得出行星和人类的行为将会是愚蠢的。承认这一点并不会减弱我们的主要观点，即一切现象实际上是以极小粒子的量子物理为基础的。

想想你周围的世界。你拿着一本由纸做的书，即一棵树的碎浆做的书。[1] 树子是能供应原子和分子的机器，将它们打碎并重新排列成由亿万个单独部分构成共同的一个群体。它们是用称为叶绿素的分子完成这项工作的，一个叶绿素由100多个碳、氢和氧原子组成，扭结成一个复杂的形状，靠一些镁和氮原子结合在一起的。这些粒子组合在一起可以捕捉从比我们地球大100万倍的核火炉，我们的太阳发出的，经过了9 300万英里(14 967万公里)的光线，并把这个能量转移到细胞的内部，利用这个能量将二氧化碳和水建造成分子，并在此过程中制造充实生命的氧。正是这些分子链形成树子的上层结构和所有的生物，以及你书中的纸。你能阅读这本书和了解书中的内容，是因为你的眼睛可以将页面的散射光转化为电脉冲，由宇宙中我们所知道的最复杂的大脑进行解释。我们发现这些东西正是原子的集合，并且各种各样的原子仅由3种粒子构成：电子、质子和中子。我们还发现，质子和中子本身是由更小的称为夸克的实体组成的，这是我们目前所知道的事情。而支撑所有这一切的是量子理论。

因此，正如现代物理学所揭示的，透过宏观世界的视野和多样性，我们所居住的宇宙的图像是一个潜在的简单优雅的现象。这也许是现代科学较大的成就；将世界，包括人类在内的巨大的复杂性简化为描述一些微小的亚原子粒子的行为，和作用在它们之间的4种力。4种力中的3种力已经得到好的描述：在原子核内部深处运行的强核力和弱核力，和将原子与分子黏在一起的电磁力，都是量子理论给出的。只有万有引力，这个最弱的却为我们最熟悉的力，目前还没有满意的量子理论描述。

不可否认，量子理论是有些古怪，有些人认为它在胡言乱语。猫怎么可能既是活的，又是死的；粒子怎么可以同时在两个地方；海森堡说一切都是不确定的。然而这些事情都是真实的，只是因为在微观世界发生的一些奇怪的事情使我们迷惑不解，所以得出的结论常常是最不确切的。超感知觉、神秘的愈合、振动手镯可以保护我们免受辐射，以及谁知道还有什么稀奇古怪的事，都在“量子”这个词的掩盖之下常常被认为是可能偷偷进入神殿的。这些胡说八道出自缺乏清晰的思维、一厢情愿的思考、真诚的或恶作剧的误解，或上述这一切的某些不幸的组合。量子理论地描述世界，它利用的数学定律像牛顿或伽利略提出的任何定律那样具体。这就是为什么我们可以极其地计算一个电子的磁响应(the magnetic response)。量子理论提供了一个自然的描述，正如我们将会发现的，它有很大的预测能力和解释能力，可解释从硅片跨越到星星的广阔范围的现象。

我们写这本书的目的，是要使量子理论非神秘化；这个理论的框架已经被证明是十分混乱的，甚至对它的早期实践者来说也是如此。我们的方法是采用现代观点，利用一个世纪以来的了解和理论的发展。然而，为了做好准备，我们从19世纪末和20世纪初开始我们的旅程，考察一些导致物理学家从根本上背离过去的原因。

量子理论，像科学上的其他案例一样，是由于发现的自然现象不能用当时的科学范例来解释而出现的。量子理论的种类繁多，各有不同。一连串莫名其妙的结果引起激动和混乱，并促成一个阶段的实验与理论创新并举时期：一个黄金时代的到来。其主角的名字镌刻在每一位物理学学生的意识中，并占据着时至今日的大学教学课程：卢瑟福、玻尔、普朗克、爱因斯坦、海森堡、保罗、薛定谔、狄拉克。在历史上也许再也不会有这样一个时期，如此众多的科学家在寻求同一个目标上取得了巨大的科学成就；建立了一个新的构成物理世界的原子和力的理论。在1924年，新西兰出生的物理学家，在曼彻斯特发现了原子核的欧内斯特?卢瑟福(Ernest Rutherford)，在回顾之前几十年的量子理论时写道：“1896这一年……恰当地标志着被称为物理科学英雄时代的到来。在此之前，物理学史上从未有过这样一段剧烈的活动时期，具有根本性的、重要性的发现以令人困惑不解的速度一个接一个地而来。”

但在我们旅行到19世纪末的巴黎和量子理论诞生之前，“量子”(quantum)这个词本身是什么呢？这个术语是在1900年通过马克斯?普朗克(Max Planck)的工作进入物理学的。普朗克那时关注的是找到一个热物体所发出的辐射，对所谓的“黑体辐射”(black body radiation)的理论描述。德国一家电照明公司委派他做这件事情：一扇通往“宇宙”的大门就这样悄然打开了。在本书的后面，我们将更加详尽地讨论普朗克的伟大洞察力，为简短介绍起见，这里只说他发现了，只有假定光是以他所说的小能量包，即“量子”(quanta)的形式发射的，才有可能解释黑体辐射的性质。量子这个词本身就意味着“包”或“离散”。最初，他认为这是纯粹的数学技巧，但随后在1905年由阿尔伯特?爱因斯坦对称做光电效现象所做的工作进一步支持了量子假说。这些结果让人产生联想，因为小能量包可以认为是与粒子同义的。