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量子之谜——物理学遇到意识
虽然物理学界对爱因斯坦的光子的反应就一个字——拒绝，但他们毕竟不是猪脑壳。光已被证明是一种扩展的波，光显示出干涉性质，而离散的粒子流做不到这一点。
回想一下我们在第4章中对干涉现象的讨论：通过单窄缝的光大致均匀地照亮屏幕。打开第二个狭缝，屏上出现明暗相间的条纹，条纹的宽窄取决于两个狭缝之间的距离。在那些暗条纹处，从一个狭缝出射的波的波峰正好与另一个狭缝出射的波的波谷相遇，从而来自一个狭缝的波与来自另一个狭缝的波抵消。干涉现象表明，光是一种分布于两狭缝的波。
在第4章中我们提到，有关微粒不会引起干涉的论证并不是无懈可击的。它们是不是就不能以某种方式彼此偏转从而形成明暗条纹呢？论证中的漏洞现已被补牢。既然我们知道了每个光子携带多少能量，我们就可以知道在给定强度的光束中有多少个光子。当光线极度微弱，光强是如此之低，以至于仪器上一次只有一个光子通过时，我们依然看得见干涉。
如果选择的是演示干涉现象，这属于只能根据波的性质来解释的范畴，你可以证明光是一种向四周扩散的波。但通过选择光电实验，你能证明相反的性质：光不是一种扩散开去的波，而是一个微小的粒子流。这里似乎显得不一致。（回想一下我们在纳根帕克遇到的类似事情：访问者可以选择证明这对夫妻住的是两间小屋，一个人一间；他也可以选择证明这对夫妻是紧凑住在一个单间小屋里。）
虽然光的矛盾性质困扰着爱因斯坦，但他坚持他的光子假说。他宣称自然中存在着神秘的东西，我们必须面对它。他没有假装要解决这个问题。在本书中我们也不假装要解决它。这个奥秘仍将伴随我们走过一百年。后面的章节重点放在说明我们能够通过选择来确立两个相互矛盾的东西中的一个。这一奥秘延伸到物理学之外的观察性质。这就是量子之谜。对此当今量子物理学领域的杰出专家们提出了各种意义深远的猜想。
在年这一年里，爱因斯坦不但发现了光的量子性质，牢固确立了物质的原子属性，并且创立了相对论。第二年，瑞士专利局为爱因斯坦提了一级：二级技术专家。
博士后
尼尔斯·玻尔成长于一个舒适而受人敬重的家庭，从小就养成了独立思考的习惯。他的父亲是哥本哈根大学的著名的生理学教授，不仅自己对哲学和科学感兴趣，也培养两个儿子在这方面的兴趣。尼尔斯的弟弟哈拉尔最终成为一名杰出的数学家。尼尔斯·玻尔早年是个温顺友善的孩子。与爱因斯坦不同，他从来没有过叛逆心理。
在丹麦上大学时，玻尔因设计巧妙的流体实验赢得过一枚金牌。但我们还是直接跳到年。这一年玻尔取得了博士学位，转而去英国攻读“博士后”，成了一名博士后学生。
当时，物质的原子属性已被普遍接受，但原子的内部结构尚属未知。实际上，那时学界在这方面存在很大争议。电子——一种比任何原子轻数千倍的带负电荷的粒子——早在十年前就已经由J.J.汤姆孙发现。而原子表现为电中性，因此它必然在某处带有大小等于负电子的正电荷，而且这个正电荷应具有原子的大部分质量。原子的电子和所带的正电荷究竟是如何分布的？
汤姆孙做了个最简单的假设：大质量的正电荷均匀分布于原子体积内；电子——在氢原子中有一个，在最重的原子中几乎有个——则假想为随机分布在正电荷的背景下，就像八宝粥里的葡萄干。理论家们试图通过计算给出各种不同的电子分布可能形成的各种元素的特征属性。
与此形成竞争的还有另一个原子模型。当时在英国的曼彻斯特大学，欧内斯特·卢瑟福通过用α粒子（电子被剥离后的氦原子）轰击金箔原子来探索原子结构。他看到的情形与汤姆孙的带正电的质量均匀分布的猜想不一致：大约有万分之一的α粒子存在大角度反弹，有时甚至是背散射。这个实验被比作向八宝粥里投杏干。因为用小葡萄干（电子）去碰撞原子达不到像用α粒子杏干轰击的明显实验效果。卢瑟福得出结论：实验中α粒子是与原子的大质量正电荷相碰撞，这个正电荷处集中在原子中心一个很小的区域内，称为“原子核”。
为什么负电子在受到带正电的原子核吸引时不会落向核呢？卢瑟福推测，其原因可能就像行星不会撞向太阳一样：行星会围绕太阳做轨道运动。因此卢瑟福认定，电子是围绕一个致密的、大质量的、带正电的原子核做轨道运动。
但卢瑟福的行星模型有一个问题：不稳定性。由于电子是带电的，因此它在做轨道运动时就应有辐射。计算表明，电子会在不足百万分之一秒的时间里通过辐射可见光而损失能量，旋转着掉入原子核。
物理学界的大多数同行认为，就解释卢瑟福实验中罕见的α粒子大角散射这个问题而言，行星模型的不稳定性要比葡萄干布丁模型的不稳定性问题更严重。但是，卢瑟福是个超级自信的主儿，他知道他的行星模型基本上是正确的。
正在这个当口，年轻的博士后玻尔来到了曼彻斯特。卢瑟福给他安排的工作是解释行星原子如何才能是稳定的。玻尔在曼彻斯特的任期只有六个月，据说是因为支持经费告罄，而且渴望回到丹麦与美丽的玛格丽特结婚可能也是缩短任期的因素之一。尽管玻尔于年回到哥本哈根大学任教，但他继续对原子稳定性问题进行研究。
他是怎么得到成功的思路的这一点我们还不清楚。但可以断定，当时其他物理学家都在试图理解从经典物理规律引出的能量的量子化和普朗克常数h，玻尔想必采取这样一种态度：“h，有了！”他只是将量子化当做基本性质。毕竟，量子概念一直是普朗克和爱因斯坦的工作成果。
玻尔写了一个很简单的公式，表示“角动量”——度量物体旋转运动的量——可以仅以量子单位存在。如果事实确实是这样，那么只有特定的电子轨道才是允许的。而且，最重要的是，他的公式给出了最小的可能轨道。玻尔的公式规定，电子“不允许”崩坍到核。如果他的这个专用公式是正确的，那么行星原子就是稳定的。
玻尔的量子概念没有更多的证据，有可能被丢弃。但用这个公式玻尔可以很容易地计算出单个电子绕质子——氢原子的核——做轨道运动的所有容许的能量。然后从这些能量，他可以计算出氢原子“放电”时因电激发所放出的光的特定频率或颜色。（所谓“放电”是指像霓虹灯那样的发光现象，只不过现在灯管里充的是氢气而不是氖气。）
这些频率已经仔细研究了多年，但最初玻尔并不知道这项工作。为什么原子只能发出某些频率的光？这一点以前完全是个谜。每种元素的频谱都独具特色，呈现为一组漂亮的颜色。难道它们比蝴蝶翼翅的特定图案更具重要的意义？不过现在好了，玻尔的量子规则所预测的氢原子的频率具有惊人的精确性：精度达到1/00。虽然那时玻尔的理论包含了原子以能量量子方式发出的光，但他与几乎所有其他物理学家一样，仍然拒绝采用爱因斯坦的浓缩性的光子概念。
一些物理学家将玻尔的理论贬斥为“数字杂耍”。但爱因斯坦却称它为“最伟大的发现之一”。其他人很快同意了爱因斯坦的观点。玻尔的基本概念很快被应用到物理和化学上。没人明白为什么它有效，但它确实有效。在玻尔看来，这是最重要的东西。玻尔对量子的那种“h，有了”的务实态度为他迅速带来了成功。
我们不妨将玻尔早期在量子概念上的巨大成功与爱因斯坦在光子概念几乎遭到普遍的拒绝时仍坚持信念长期保持“一个人战斗”作一对比。在后面的章节中我们会注意到，这两人的早期经历是如何体现在他们终身友好地进行有关量子力学的辩论中的。
王子
路易斯·德布罗意是德布罗意家族的王子。他的贵族家庭打算让他去法国从事外交服务生涯。年轻的王子路易斯曾在索邦的巴黎大学研究历史。但在获得了学士学位后，他转向了理论物理。在他可以充分研究物理学之前，第一次世界大战爆发了。德布罗意在法国军队驻埃菲尔铁塔电报站服役。
随着战争结束，德布罗意开始了他的物理学博士学位研究。他说，他受到“奇怪的量子概念”的吸引。在三年的研究期间，他读了美国物理学家阿瑟·康普顿的最新著作，于是一种概念在他脑海里形成。这个概念不仅让他很快完成了博士论文，还最终得以荣获诺贝尔奖。
年，在爱因斯坦提出光子概念将近二十年后，康普顿发现，出乎他的意料，当光线反弹电子后其频率发生改变。这不是波的行为：当波从一个固定物体表面反射时，每个入射波的波峰产生出另一个波的波峰，而反射波的频率不改变。另一方面，如果康普顿假设光是粒子流，每一个这种粒子都具有爱因斯坦光子的能量，那么他得到的计算结果与他的实验数据完美契合。
“康普顿效应”做到了这一点！物理学家们现在终于接受光子概念了。诚然，在某些实验中，光显示出发散波的属性；而在另一些实验中，光则显露出浓缩的粒子性质。只要我们知道在什么条件下会出现什么属性，那么光子概念的解释似乎不比去寻求康普顿效应的另一种解释更麻烦。然而爱因斯坦仍坚持“单干”。他坚持认为谜团依然存在，有一次他这么说道：“汤姆、迪克和哈里，每个人都认为他们知道什么是光子，但他们错了。”
身为研究生的德布罗意很能体会爱因斯坦的感受：光的二象性——既是弥散的波又是浓缩的粒子流——一定有深刻的含义。他怀疑大自然是否有可能存在着这样一种对称性。如果光可以是波或粒子，那么实物也就可能既是粒子也是波。他写出了一个简单的物质粒子的波长表达式。这个称为粒子的“德布罗意波长”公式是每个开始学习量子力学的学生很快就能掌握的概念。
这一公式的首次检验源于一个激发德布罗意提出波的概念的谜题：如果氢原子中的电子是一个浓缩粒子，我们如何能“知道”它的运动轨道的大小？这些轨道都由著名的玻尔轨道公式来描述。
产生给定的标准音高的小提琴琴弦的长度由沿弦长方向振动的半波长数目确定。同样，电子作为一个波，其允许的轨道可能由绕轨道周长的电子波波长的数目确定。运用这一思想，德布罗意能够推导出玻尔先前的专门的量子化选择定则。（对于小提琴，振动的是弦材料。而在电子“波”情形下，究竟是什么在振动，仍然是个谜，现在依然如此。）
目前尚不清楚德布罗意是如何认真对待他的猜想的。他肯定没有认识到它推动了关于世界的革命性观念变革。用他自己后来的话说：
那些提出新学说基本思想的人往往不能在一开始就认识到一切后果。他在个人直觉的引领下，受到数学类比的内力束缚，他被带着不由自主地走上了一条对终点一无所知的道路。
德布罗意将他的猜想告诉了他的论文导师保罗·朗之万，后者以磁学研究而闻名。朗之万对此没有留下深刻的印象。他指出，在推导玻尔公式时，德布罗意不过是用一个特定假设取代了另一个。不仅如此，他认为德布罗意的假设，即电子可以有波的行为，似乎是荒谬的。
如果德布罗意只是一个普通的研究生，朗之万很可能立即摒弃了他的想法。但他是王子德布罗意。贵族血统起了作用，即使是在法兰西共和国。因此毫无疑问，朗之万克制了自己，要求由世界上最杰出的物理学家来对德布罗意的思想进行评论。爱因斯坦回信说，这个年轻人“揭开了笼罩在旧世界头上的面纱的一角”。
与此同时，在纽约的电话公司的实验室里出了个小事故。当时克林顿·戴维孙正在做金属表面的电子散射实验。虽然戴维孙的兴趣主要是在科学方面，但电话公司正在开发用于电话传输的真空管放大器，对此，掌握电子打击金属表面的行为是很重要的。
通常，电子在非晶态金属表面沿各个方向反弹。但事故发生后，空气泄漏到真空系统，造成镍表面氧化，戴维孙加热金属来赶走氧气。镍结晶后基本上形成了一个狭缝阵列，电子现在只能沿少数几个规定方向弹开。这时出现了干涉图样，证明电子确实存在波的性质。这一发现证实了德布罗意的猜测，实物粒子也可以是波。
我们以年的第一个量子暗示作为本章的开头。这个暗示在很大程度上被忽视了。现在我们以物理学家在年终于被迫接受了波粒二象性作为本章的结束：光子、电子、原子、分子，原则上任何物体都可以是浓缩的或呈弥散的。你可以在大到一个面包或小到一个原子来证明这一点。你可以选择两个矛盾的特性来证明这一点。一个对象的物理实在性取决于你选择如何看待它。
物理学遇到了意识问题，但还没有意识到这一点。要意识到这个问题还有待几年的接触之后，即在薛定谔发现新的普适运动规律之后。这一发现将是我们下一章的主题。
第6章
如果我们要与这些讨厌的量子跃迁打交道，很抱歉我们还得用量子理论，别无他法。
——薛定谔
到20世纪20年代初，物理学家们已经接受了这样一种观念：电子、其他微观物质以及光被证明既可以以浓缩的波包形式出现，也可以表现为向四处传播的波。到底取何种形式，取决于你选择要进行的实验。
自年爱因斯坦给出对光电效应的光子解释以来，有许多这样的无可争议的实验事实摆在物理学家面前。但这些事实的深远意义在很大程度上被忽略了。年，爱因斯坦强调指出，光量子带来一个严重问题。但“除了他自己一个人之外”，几乎没有人认真考虑过光量子问题。玻尔在年认为，光是以量子跃迁形式发出的，但他不能接受作为粒子的光子概念。年，密立根还认为爱因斯坦的光子假说是“鲁莽的”。然而，随着年康普顿的电子对单光子的散射实验结果的确立，物理学家们很快就接受了光子。然而他们不太在意爱因斯坦所持久