200万年前，当人类学会把石头做成切割工具时，我们实现了第一个伟大的创新。那是我们利用自然来为自己的需求服务的初次体验，实际上自此以后没有什么发现能像它这样代表着更伟大的顿悟或者使我们的生活方式发生更大的改变。但在100年前，另一个发现具备了同等的力量和重要性。和使用石质工具一样，它与某种普遍存在的东西相关，自古以来，这种东西一直就在我们眼前，尽管我们看不见它们。我说的是原子——以及主宰它的奇特的量子定律。
很明显原子论就是理解化学的钥匙，但通过研究原子世界获得的见解也使物理学和生物学发生了革命性的改变。因此，当科学家接受了原子存在的事实并开始诠释它的运作方式时，得出了改变社会的宏大见解，使人类了解到了自然的基本作用力和粒子以及生命的DNA和生化科学，同时也创造了塑造现代世界的新技术。
人们经常会提及科技革命、计算机革命、信息革命以及原子时代，但所有这些最终都可以归结为一件事：把原子变成一种工具。今天我们操控原子的能力使一切都成为可能，从电视机到传输电视信号的光纤电缆，从电话到电脑，从互联网技术到核磁共振仪。我们甚至可以使用原子知识去创造光——比如荧光灯，当原子中的电子被激发时就会发光，“量子跃迁”到更低的能级。今天，甚至我们最普通的家用电器——烤箱、钟表、自动调温器——都有基于对量子的理解而设计出的配件。
引领我们理解原子的功能和原子世界的量子定律的伟大革命可追溯至20世纪初期。多年以前，人们就已经注意到我们今天称之为“经典物理学”（基于牛顿运动定律，而不是量子理论的物理学）的理论无法解释一种叫作黑体辐射的现象，我们现在知道这种现象由原子的量子性质决定。牛顿理论的那个孤立的失败并没有马上被视为一种警示。相反，人们认为物理学家只不过是对如何利用牛顿定律来解决这个问题还有些迷惑而已，当他们想明白该怎么做之后，黑体辐射就可以在经典理论框架内被理解了。但物理学家最终又发现了其他同样无法用牛顿理论来解释的原子现象，他们最终意识到必须推翻牛顿理论的大部分内容，就像牛顿之前的数代人不得不推翻亚里士多德的理论一样。
量子革命是一场持续了20年的斗争。这种革命用了20多年就取得了胜利，而不是几个世纪或者上千年的时间，这只不过证明了有更多的科学家在解决这个问题，而不是表明新思维方式更容易被人们接受。实际上，量子理论背后的新原理在某些群体中依然是一个活跃的讨论话题。因为对于那些像爱因斯坦一样鄙弃偶然因素在事件结果中发挥作用的人，或者那些相信惯常的因果关系定律的人，那20年后世界所呈现出的景象就是异端。
* * *
在量子宇宙中因果关系这个棘手的问题直到量子革命行将结束时才会出现，我们之后将会讲到它。但还有另一个既具有哲学意味同时也很实际的问题从一开始就是一个障碍：原子小到无法被看见，或者甚至单独地被测量——直到20世纪晚期科学家才第一次“看到”一个分子的图像。1因此，在19世纪，所有和原子有关的实验至多只能够揭示那些数量庞大的微小的不可见物体的平均行为产生的现象。无法观察的物体是真实的，这种想法合理吗？
尽管有道尔顿关于原子的著作，但没有几个科学家会这么认为。化学家使用这种概念是因为它能够帮助他们理解他们观察和测量到的现象，但即使是他们也倾向于仅仅把它当作是一种有用的假设：例如，化学反应的过程就像组成化合物的原子的重组。其他人则认为原子的概念更适合哲学，而不是科学，并试图完全摈弃这种概念。德国化学家弗里德里希·威廉·奥斯特瓦尔德说它们是“得不出可证实的结论的假定推测”。2
这种犹疑可以理解，因为几个世纪以来，科学和哲学就是在自然概念是否一定要得到实验和观察的支持这个问题上渐行渐远的。通过坚持把实证当作是接受任何假设的标准，科学家得以抛弃那些要么经不起验证——就像亚里士多德的很多理论在经过验证后证明的那样——要么完全就是错误的古代推测。它们的位置被可以做出精确量化预测的数学定律取代。
原子的存在无法被直接验证，但关于原子存在的假设却能够推导出可被检验的定律，并且这些定律还被证明有效——比如，我们可以使用原子概念以数学方式得出气体中温度和气压之间的关系。因此，原子可以用来做什么呢？这就是那个时代的元问题。答案并不清晰，结果，在19世纪的大部分时间里原子就像是一个伏在物理学家肩头的无形鬼魂，在他们的耳边悄悄诉说着自然的秘密。
原子的问题最终获得了有力的解答，到今天它根本不再是一个问题：科学如果想要进步，我们知道它的关注点必须超出我们直接的感官体验。到21世纪初期，我们已经完全接受了这个看不见的世界的存在，甚至发现著名的“希格斯玻色子”的消息被宣布时也没人感到讶异，即使没有人亲眼看见过希格斯玻色子，甚至没有观察过希格斯玻色子与某些使它们可以间接地被看见的仪器相互作用时产生的有形结果——这种方式就像是电子通过撞击荧光屏使它发光从而可以被“看见”一样。
相反，证明希格斯玻色子存在靠的是数学证据，它是依据电子数据的某种数字信号特征推论出来的。超过300万亿次质子与质子的碰撞产生“碎片”——例如辐射，然后再使用36个国家的将近200台计算设备对这些碎片进行统计学分析才能得到这个数据。今天，当一个物理学家说，“我见到希格斯玻色子了”，他指的就是这种手段。
1926年研究物质基本粒子的物理实验室，以及今天的实验室［白色圆圈标注的是加速环所在的位置，周长达17英里（27.36千米），位于地下数百英尺］
随着科学家利用类似的方式“看见”希格斯玻色子和其他亚原子粒子，曾经不可分割的原子现在看来更像是一个完整的物体宇宙，一滴水中就存在着无数个这样的宇宙，如此微小的世界我们不仅看不见，它们还与人类的直接观察相隔十万八千里。所以，你就别再想你可以向一个19世纪的物理学家解释希格斯玻色子理论，你甚至都很难向他解释清楚你说的我们“看见”是什么意思。
这种脱离了人类感官体验的新式观察方法创造了对科学家的新需求。牛顿的科学基于通过感官被感知到的东西，或许也会用到显微镜或望远镜，但它依然需要人在装置后面进行观察。20世纪的科学依然专注于观察，但它接受了一个更为宽泛的“看见”的定义，这其中就包括间接的统计学证据，例如希格斯玻色子那样的数据。由于这种对“看见”的定义的新态度，20世纪的物理学家不得不在头脑中想象出与理论相符的画面，这些理论涉及像量子这样奇异的前卫概念，这样的概念植根于抽象的数学原理，远远超出了人类的体验。
从事物理学研究的新方式反映在了不断增加的物理学家分类上。一方面，晦涩难解的数学在物理学理论中的作用不断加大，另一方面，实验的技术复杂度也在急速增加，促使实验物理学和理论物理学正式地专业化。大约在同一时期，视觉艺术也以一种相似的方式发展着，导致了传统的具象派艺术家和立体派以及抽象派先驱的分离，像塞尚、布拉克、毕加索以及康定斯基这样的先锋艺术家和新的量子理论家一样，也以一种激进的新方式来“看”世界。
在音乐和文学领域也是如此，一种新精神开始挑战19世纪欧洲那种根深蒂固的刚性规范。斯特拉文斯基和勋伯格开始质疑西方传统音调和韵律的设定；乔伊斯和伍尔芙及其在欧洲大陆的同行以一种新的叙事结构进行实验。1910年，哲学家、心理学家和教育家约翰·杜威写道，批判性思想通常涉及“忍受一种精神上的动荡和纷扰的意愿”。3这不仅对批判性思想适用，也可以应用到创意工作中。无论从事艺术还是科学研究，这些开拓者没有一个可以轻松地获得成功。
* * *
我刚才描绘的关于20世纪初期科学的画面靠的是事后诸葛的优势。19世纪晚期研究原子的物理学家并没有意识到即将发生什么事情。实际上，现在回过头再去看时，我们会惊讶地注意到，尽管原子这颗定时炸弹就放在家门口，但那些物理学家却认为在他们的研究领域所有的问题差不多都已经被解决了，他们还建议年轻的学生别去学物理学，因为这里已经没有什么让人兴奋的东西了。
比如，哈佛大学系主任就以吓跑未来的学生而闻名，他告诉他们所有重要的东西都已经被发现了。在大洋彼岸，慕尼黑大学物理系主任在1875年就提醒说这个领域不值得进行研究了，因为“物理学这一知识的分支即将完善”。4就预知能力而言，这个建议与泰坦尼克号建造者的豪言壮语不相上下，他宣称这艘船“近乎人脑能设计出的最完美的杰作”。1900年左右的物理学就像泰坦尼克号一样，也被认为是无懈可击的，然而那个时代的物理学注定会沉没。
马克斯·普朗克（1858—1947）是其中一个听到慕尼黑大学物理系主任那毫无价值可言的建议的学生。5当时的普朗克是一个清瘦到近乎憔悴的年轻人，他戴着厚厚的眼镜，很早之前发际线就开始后退，浑身上下都散发出与他年龄不相称的严肃气质。他出生在德国的基尔，祖上曾出过多位牧师、学者和法学家，他是19世纪物理学家的完美样板：勤奋、尽责，按照他自己的说法，“不愿意参与可疑的冒险”。6你很难想象一个未来某天将颠覆牛顿理论的人会说出这样的话，但普朗克并没有引发一场革命的计划。实际上，他在很多年里甚至都没有支持由他的发现点燃的运动。
尽管不愿冒险，普朗克却以冒险开始了他的职业生涯——他没有理会系主任的建议，报名学习了物理学课程。他受到一位高中教师的启发而研究物理学，这位教师赋予他一种激情去“研究在严谨的数学和多种自然定律之间存在的和谐”，他也有足够的自信心去追逐他的激情。7多年以后，他将告诉他的一个学生：“我的座右铭永远都是：提前仔细思考每一步，但接下来，如果你相信自己可以承担这份责任，不要让任何东西阻止你。”8这份声明并没有耐克经典广告语“想做就做”的那种气势，或者我们习惯从体育明星那里听到的无畏宣言，但按照他自己的方式，安静和传统的普朗克发出的声音具有同样的内在力量。
在做出了投身物理学研究的决定之后，普朗克不得不为他的博士研究选择一个课题。他又一次做出了一个大胆且关键的决定。他选择研究热力学——关于热量的物理学。在当时这是一个相当冷门的物理学领域，但正是这个领域在他上高中时启发了他，普朗克再一次根据自己的兴趣而不是那些热门的研究课题做出了选择。
当时，少数几个接受原子概念的科学家开始以个体原子运动的统计结果来理解热力学背后的工作原理。比如，如果某个时间在一个房间的某个狭小区域聚集了一团烟雾，热力学告诉我们一段时间之后它将扩散开来，而不是变得更集中。这个过程为物理学家所说的“时间之箭”下了定义——未来是烟雾扩散的时间方向，而过去是烟雾集中的方向。这是一个让人费解的定义，因为适用于烟雾（以及空气）的每个原子个体的运动定律并没有指出哪个时间方向是未来，而哪个又是过去。但这种现象可以通过原子的统计学分析加以解释：只有当你观察到许多原子的累积效果时“时间之箭”才会变得明显。9
普朗克并不喜欢这种类型的论证方法。他把原子视为一种幻想，并把在不借助原子概念的情况下——实际上，不对物质内部结构做任何假设——从热力学原理中提炼出具体的，经得起检验的结果作为自己博士研究的目标。“尽管原子理论到目前为止取得了伟大的成功，”他写道，“但最终人们将不得不为了支持连续物质的假设而抛弃它。”10
普朗克是先知吗？不是。最终被抛弃的并不是原子理论，而是他对原子理论的抵触。实际上，他的工作最终将被用来作为支持，而不是反对原子存在的证据。
由于我的名字很难拼写和发音，所以当我在餐厅预订座位时，我总是把它订在马克斯·普朗克的名下。这个名字被认出的概率很小，但有一次它被认出来了，当时我被问起是否和“那个发明了量子理论的家伙”是亲戚，我回答说：“我就是那个人。”那个二十出头的领班并不相信我。他说我太年轻了。“量子理论是1960年左右被发明的，”他说，“那是在‘二战’期间，是曼哈顿计划的一部分。”
我们并没有继续聊下去，但我原本想聊的问题并不是他对于历史的一知半解，而是他没有把“发明”理论这句话在物理学中的意义弄清楚。“发明”这个词的意思是创造某种之前并不存在的东西；从另一方面讲，“发现”的意思是开始了解某种之前无人知晓的东西。人们可以用任意一种眼光来看待理论——以科学家发明的描述世界的数学结构，或者以独立于我们存在的自然定律的表述，而这些表述是科学家发现的。
这在某种程度上是一个形而上学的问题：我们应该以何种程度接受我们的理论描绘的画面呢？是以真实的现实（我们发现的）还是仅仅以世界的模型（我们发明的）？因为这个世界同样可以被其他方式塑造成其他模型，比如那些和我们的思维方式不同的人类（或者外星人）。先把哲学思考放在一边，发明和发现之间还有一点区别，与过程有关：我们通过探索来发现，经常还是在偶然情况下；我们通过有计划地设计和建造来发明，意外因素在其中发挥的作用比实验和试错的作用要小得多。
当爱因斯坦构想出相对论时，他当然知道他想要做什么，并这么做了，因此人们或许会把相对论称为一种发明。但量子理论就不同了，在量子理论发展的每一个步骤中，“发现”甚至“无意中发现”通常是一个比“发明”更好的表述方法，正如普朗克的情况一样，（许多）发现者无意中发现的东西与他们希望和期待发现的东西截然相反——就好像爱迪生原本打算发明人造光，而不是发现人造黑暗。并且，就像普朗克的命运一样，他们有时候并不是十分了解他们工作的意义，当有人向他们解释它时，他们甚至会驳斥它。
普朗克在1879年关于热力学的博士论文中既没有成功地证实原子的存在，也没有证实原子不存在。甚至更糟的是，这让他在职业发展上毫无建树。他在慕尼黑的教授并不理解它；柏林一位名叫古斯塔夫·基尔霍夫的热力学专家认为它是错误的；另外两位这个领域的创始先驱赫尔曼·冯·亥姆霍兹和鲁道夫·克劳修斯婉拒了审阅它的请求。在这两封信没有收到答复之后，普朗克甚至千里迢迢地跑到波恩，亲自去克劳修斯的家里拜访，但这位教授拒绝接见他。不幸的是，除了这几位物理学家，在谈到热力学时，就像普朗克的一位同事说的那样，“没有人……对它有任何兴趣”。”
缺乏兴趣并没有使普朗克感到不安，但它的确导致了一段凄惨岁月，在此期间他和他的父母生活在一起，在大学里担任没有报酬的讲师，就像门捷列夫那样靠着直接从上他课的学生那里收取课时费过活。
无论我什么时候同其他人说起此事，我都会看到惊讶的表情。因为某种原因，人们认为只有艺术家对艺术才有这样的热爱，他们甚至愿意做出任何牺牲，生活在最简陋的阁楼里，甚至最糟糕的情况，和父母生活在一起，才能继续从事他们的创作也在所不惜；但人们并不认为物理学家会有那样的激情。然而，我在研究生院认识几个学生，他们像普朗克一样面临着失败。悲哀的是，其中一个试图自杀。另一个说服哈佛大学物理系，允许他在拥挤的办公室的一张桌子上工作，不拿报酬。（一年之后，他们聘用了他。）第三个家伙，这个人我并不认识，几年之前因为考试不及格而退学，从此之后就给各个教员提交他心爱（但错得没边儿）的理论，这些理论都无人理会，接着在某一天他突然出现了，决定要说服他们——通过挥舞一把刀。他被保安拦住，再也没有回来。流行的传说不会讲述孤独的、不被赏识的物理学家割下自己一只耳朵的著名故事，但在我作为伯克利分校一名研究生的三年时间里，这三个故事，每一个都出于对物理学的激情。
普朗克，就和我那位在哈佛的无业研究生朋友一样，在他担任“志愿者”期间完成了足够优秀的研究，他最终找到了一份有报酬的工作。这花了5年时间。最终，凭借着纯粹的毅力、运气，以及——某些人说的——他父亲的干预，他艰难地在基尔大学得到了一个教授职位。在这之后的4年，他做出了让人印象深刻的工作，最后被招入柏林大学，他在1892年被提名为柏林大学的全职教授，这使他成为热力学精英团队的一分子。但这仅仅是一个开始。
* * *
在柏林，普朗克的研究热情依然完全专注于在不“求助”原子概念的背景下去理解热力学——也就是说，在这种背景下，物质被认为是“可无限分割的”，而不是由分散的模块组成的。在他心目中，这是否可以完成是所有物理学研究领域中最亟待解决的问题，并且，由于身处学术圈，普朗克没有老板来告诉他——至少直接地告诉他——这行不通。这是一件好事，因为他的思路与物理学主流相去甚远，在1900年夏天，就在他即将宣布他那震惊世界的突破之前的几个月，在巴黎举行的国际物理学大会上，官方历史学家表示除了普朗克，世界上至多还有3个人认为这是一个值得研究的问题。在他提交论文21年之后，情况看上去似乎并没有得到改观。
就和所有其他领域一样，在科学领域，有太多普通的人提出普通的问题，他们中的很多人也会做得不错。但最成功的研究人员通常是那些提出古怪问题的人，这些问题没有人想过，或者被其他人认为没有意思。因为他们引出的麻烦，这些人会被看作是异类、怪人，甚至是疯子——直到他们被认为是天才的那一天。
马克斯·普朗克，约1930年
当然，假如有一位科学家问：“太阳系是在一只巨大的麋鹿的背上吗？”他也算得上是一位具有独到见解的思想家——我猜就像那位我在上文中提到的挥舞刀子的人。因此，如果见到一群自由思想家，你必须要慎之又慎，在这里有一个问题：有些人的观点只是怪异，而有些人的观点虽然怪异但却是正确的，人们通常很难将这两者区分开来。或者有的怪异观点或许在经历了一段时间以及许多失误之后注定将引导出某些真理。普朗克就是一位具有独到见解的思想家，他提出的问题甚至在他的物理学同事看来似乎也是缺乏趣味的。但它们将被证明是经典物理学无法解答的问题。
18世纪的化学家曾在研究气体时发现一种罗塞塔石碑[1]，这是理解重要科学原理的关键。普朗克试图在黑体辐射中寻找他自己的罗塞塔石碑，黑体辐射是古斯塔夫·基尔霍夫在1860年发现并命名的一种热力学现象。时至今日，“黑体辐射”是物理学家很熟悉的一个术语：它是维持在某个固定温度的黑体释放的一种电磁辐射形式。
“电磁辐射”听上去很复杂，似乎也很危险，好像无人机向基地组织营地发射的某类东西。但它指的是一大类能量波——比如微波、电磁波、可见光和紫外线、X射线，以及伽马射线——这些东西如果善加利用，可以产生很多实际效用，其中有一些是致命的，但全都是我们一直等闲视之的世界的一部分。
在基尔霍夫那个时代，电磁辐射这种概念依然很新鲜和神秘。描述它的理论——在牛顿定律的背景下——来自苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。麦克斯韦直到今天仍然被视为一个物理学界的英雄人物，在大学校园中经常可以看到物理学专业的学生穿着印有他头像或者公式的T恤衫。人们之所以如此崇拜他，是因为他在19世纪60年代完成了物理学历史上最伟大的统一：他解释了电力和磁力是同一种现象——“电磁场”——的表现形式，并且揭示出光和其他形式的辐射是电磁波。对一个物理学家来说，像麦克斯韦那样深入地阐述不同现象之间的联系是一个人能做的最令人兴奋的事情之一。
未来某天会有一个麦克斯韦脱颖而出，这曾经是牛顿的希望和梦想，因为牛顿知道他的理论并不完善。他的运动定律可以解释物体如何对作用力做出反应，但要想使用这些定律，它们还需要独立的作用力定律作为补充，这种定律描述了施加在物体上的是哪种作用力。牛顿提出了一种作用力定律——引力——但他知道世界上一定存在着其他类型的作用力。
在牛顿之后的世纪里，其他两种自然界的作用力逐渐在物理学中被发现：电力和磁力。凭借着对这些作用力提出一种量化理论，麦克斯韦在某种意义上完成了牛顿的（例如：“经典的”）计划——除牛顿运动定律之外，科学家现在拥有所有出现在我们日常生活中的作用力的理论。（在20世纪，我们还将发现另外两种作用力，“强力”和“弱力”，它们对我们日常事物产生的影响尚不明朗，但它们会在原子核的微小区域内发挥作用。）11
早先时候，通过使用牛顿引力定律和运动定律，科学家只能描述引力现象，例如行星的轨道和炮弹的弹道。现在，通过联合使用麦克斯韦的电磁作用力理论和牛顿运动定律，物理学家可以在一个更大的范围分析全新的现象，例如辐射和它与物质间的相互作用。实际上，物理学家相信有了麦克斯韦理论作为他们的后备武器，他们可以从原理上解释我们在世界上看到的任何一种自然现象——这就是19世纪晚期在物理学领域泛滥的乐观主义。
牛顿曾写道，世界上存在着“某种作用力，物体的粒子通过它，出于某种迄今未知的原因，要么相互吸引聚成规则的形状，要么相互排斥彼此远离”。12他相信这些引起了“局部的运动，但由于移动粒子的体积极其微小而无法被察觉……（但是）如果有人有足够好的运气能够发现所有这些，我或许可以说他将揭示物体性质的全部秘密”。13物理学家利用电磁学发现的东西实现了理解作用于物体微小粒子——原子——之间的作用力的梦想，但牛顿的梦想，即他的理论因此将能够解释物体材料的性质，将永远不可能变成现实。为什么呢？因为尽管物理学家已经发现电磁作用力定律，但当把这些定律应用于原子时，牛顿的运动定律将被发现无效。
尽管在当时没有人意识到这一点，但牛顿物理学的缺陷正是在普朗克选择研究的现象上暴露无遗：黑体辐射。因为当物理学家使用牛顿物理学来计算黑体在不同频率下会释放出多少辐射时，这些运算不仅被证明是错误的，还产生了一个荒谬的结果，那就是一个黑体会释放出无限量的高频辐射。
假如那些运算是正确的，黑体辐射现象将意味着当你坐在暖和的壁炉前或打开烤箱时，你不只是沐浴在低频红外辐射带来的温暖里，或者某些高频红光产生的使人慰藉的暖意中，它还意味着你将遭到危险的高频紫外线、X射线以及伽马射线的伤害。并且，当时新发明的电灯泡也将被证明不是一种有用的人造照明工具，而是一种——由于它们升高的工作温度产生的辐射——大规模杀伤性武器。
当普朗克开始在这个领域的工作时，尽管所有人都知道黑体辐射运算的结果是错误的，但没有人知道原因是什么。同时，当大多数对这个问题感兴趣的物理学家绞尽脑汁思考它时，少数几个人开始专注于发明各种专门的数学公式来表述在实验中观察到的现象。这些公式为每一种频率计算出了任意给定温度的黑体释放出的辐射强度，但它们仅仅具有描述性，并不是从一个理论性的理解中推导出来的，发明它们只是为了得出必要的数据，并且所有频率的数据都是不精确的。
普朗克在1897年开始迎接这个挑战，试图为黑体释放的辐射提供一个精确描述。和其他人一样，他并没有怀疑牛顿物理学出了什么问题，而是认为黑体材料的物理描述一定存在根本性的错误。很多年过去了，他依然毫无进展。
最终，他决定从反方向开始工作，和那些应用物理学家一样，去找一种有用的公式。他重点关注两种专门公式——一种是对黑体辐射释放的低频光的精确描述，另一种是对高频光的描述。经过大量的实验和试错，他终于把它们“缝合”进了自己的专门公式中，这是一种简明的数学表达，他只是简单地将两者的正确特征组合起来而已。
你或许会认为如果你花费了数年时间来解决一个问题，最终就应当获得一个重大发现——例如微波炉，或者至少一种新式的做爆米花的方法。普朗克得到的是一个似乎——因为某种未知原因——非常管用的公式，尽管普朗克没有足够的数据来对公式的预测能力做一次详尽的检测。
普朗克在1900年10月19日参加柏林物理学会的一次会议时宣布了他的公式。会议一结束，一位名叫亨里奇·鲁本斯的实验家马上回到家里，以他自己的大量数据作为参照开始套用数字来核对这个公式。他的发现让他惊讶不已：普朗克公式的精确度超乎想象。
鲁本斯异常激动，他甚至一直工作到深夜，不辞辛苦地使用普朗克公式为不同的频率计算数据，然后用计算结果同他的观察记录做比照。第二天早上，他匆忙赶到普朗克的家里告诉他这个惊人的消息：一致性异常地好，对所有频率都是如此。普朗克公式精确得简直不像是一个专门的猜想，它一定意味着什么。唯一的问题是普朗克和其他人都不知道这意味着什么。它似乎像魔术，一个可能含有深刻和神秘原理的公式却是依靠纯粹的猜测“得出来的”。
* * *
普朗克在选择研究黑体辐射理论时曾试图不借助原子概念来解释它。从某种意义上说他做到了。但他只是凭空得出了这个公式，因此他依然感觉必须回答为什么它会起作用这个问题。他的成功一定让人激动吧，但他的无知也一定让人感到沮丧。
作为一名耐心的科学家，普朗克转而求助于——或许是出于完全的绝望——原子理论重要的倡导者，奥地利物理学家路德维格·玻尔兹曼（1844—1906）进行的研究。玻尔兹曼的目标与普朗克试图证明的东西截然相反——即原子应该被严肃对待——他已经为此奋斗了数十年，并且在这个过程中玻尔兹曼在发展技术方面取得了很大进步，这种技术现在被称为统计物理学（尽管他在说服别人相信他工作的重要性方面没有取得多大进展）。
不管有多不情愿，普朗克愿意求助于玻尔兹曼的研究是一个值得花费时间去领会的举动：一个不想借助原子概念来研究物理学的布道者，从一个他一直反对的理论的拥护者的工作中寻找智力上的救赎。这种对于和自己的成见相左的观点的开放态度就是科学应该如何去做的方式，这也是爱因斯坦后来为什么会对普朗克赞誉有加的原因之一；但这并不是科学通常进行的方式。并且，它也不是大多数企业运作的方式。比如，当互联网、智能手机以及其他新媒体崛起时，和那些难以接受原子或量子的知名科学家一样，那些知名公司——重磅视频、音乐标签、主要的图书连锁店、著名媒体——拒绝接受这种生活和商业的新方式。它们因而被更年轻的人群和更灵活的公司取代，比如网飞、YouTube（最大的视频网站）和亚马逊。实际上，普朗克后来所说的关于科学的话似乎也可以运用到任何革命性的人类新观点中：“科学新真理并不通过说服反对者来取得胜利，14而是因为它的反对者最终都将死去，而熟悉它的新一代将会茁壮成长。”[2]
在阅读玻尔兹曼的著作时，普朗克发现在这个奥地利人的热力学统计描述中，他有必要使用一种数学技巧，也就是把能量看成是离散的，比如像鸡蛋那样，与之形成对照的是似乎可以无限分割的面粉。也就是说，鸡蛋的数量只会是整数，比如1个，2个，或200个，而面粉的数量可以是2.7182818盎司，或者任何你喜欢的数量。至少在厨师看来是这么回事，尽管面粉实际上也不是可无限分割的，而是由离散的模块组成——每一粒优良的谷物——你可以在显微镜下看到。
玻尔兹曼的技巧仅仅是一个运算上的权宜之计；最终，他总是让每一份的数量接近于零，意思是能量会以任意数量再次出现，而不仅仅只是离散量。然而，让普朗克大为吃惊的是，他发现在使用玻尔兹曼的方法解决黑体问题时，他可以推导出他的公式，但他必须省略最后一个步骤，并且余下的能量数量，像鸡蛋一样，应该是某种基本（非常微小）份额的倍数。普朗克大厨把能量的基本份额称为一个“量子”，在拉丁语中它是“多少”的意思。
总之，这就是量子概念的起源。量子理论不是来自科学家在追寻逻辑结论的深刻原理时付出的持续努力，或者来自发现物理学新理念的动力，而是来自一个像厨师一样的人，这个厨师第一次通过显微镜来观察面粉，惊讶地发现它居然和鸡蛋一样，也是由离散的个体单位组成，并且面粉可以按照这些微小份额的倍数进行分割。
普朗克发现这些微小份额的尺寸，或者说是量子，因为光线频率的不同而各异——就可见光来说，它们的频率对应着不同的颜色。特别是，普朗克发现一个量子的光能量等于频率和一个比例因数之积，普朗克把这个因数称为h，也就是今天我们熟知的普朗克常数。假如普朗克采取了玻尔兹曼的最后一个步骤，把h设为零，那能量就将被假定为可无限分割。普朗克并没有那么做，相反，他通过比较自己的公式和实验数据确定了h，他推断——至少就黑体辐射而言——能量以微小的、基本的单位出现，不会呈现出任意数值。
他的理论是什么意思呢？普朗克也不知道。在某种程度上，他只是成功地创造了一个费解的理论来解释他费解的猜想。尽管如此，普朗克还是在1900年12月柏林物理学会的一次会议上宣布了他的“发现”。今天我们把那个通报称为量子理论的诞生，确实，他的新理论将为他赢得1918年的诺贝尔奖，并最终使物理学领域发生了天翻地覆的变化。但在当时，没有一个人知道这一点，包括普朗克自己。
对于大多数物理学家而言，普朗克对黑体辐射的长期研究似乎只是让他的理论变得更加晦涩和神秘，这有什么用呢？然而，普朗克自己从这段经历中了解到了某种重要的东西。他通过在头脑中想象出一幅画面最终“理解了”黑体辐射，在这幅画中，黑色物质由微小的振动器构成，就像弹簧一样，他终于开始相信这些是原子或者分子了——于是他最终确信原子是真实存在的。尽管如此，无论是他本人还是其他人在当时都没有意识到他所描述的量子有可能会是自然界的一种基本特征。
路德维格·玻尔兹曼，约1900年
普朗克的部分同代人认为他们最终会找到一种不借助量子就可以得出普朗克黑体公式的方法。其他人认为量子某一天会得到解释，不是作为自然界的基本原理，而是作为某种目前未知的材料特征的结果，这种材料特征与他们所知的物理学完全相符——比如，因原子的内部结构而产生的一种普通力学性质，或者原子相互作用的方式。某些物理学家只是把普朗克的著作视为胡言乱语，尽管它与实验数据高度一致。
詹姆斯·金斯爵士是一位知名的物理学家，他曾经也试图解决这个问题，但与普朗克不同的是，他没能推导出完整的公式。在抨击普朗克时，他写道：“当然，我清楚普朗克的定律与实验非常一致……而我自己的定律是（从普朗克的）得来的，使h=0，却无法与实验保持一致。这并不能改变我的观点，也就是h=0是它唯一有可能正确的值。”15是啊，这些讨厌的实验观察就是这样的麻烦——最好还是别去理它们。或者，像罗伯特·福斯特在1914年写的那样，“为什么抛弃一种信仰，仅仅因为它不再真实”。16
最后的结果是，除了讨厌的詹姆斯·金斯之外，普朗克的著作并没有引起多大的轰动。无论他们认为他的著作是胡言乱语，还是认为它将有一个一般的解释，物理学家圈子里的那些人只是不兴奋，就像那些在摇滚狂欢节上被禁止吸食兴奋剂的粉丝。那些兴奋剂还得再过相当长的一段时间才会出现。实际上，在接下来的5年里，没有一项研究推动他的观点向前发展——不是由他，也不是由别人。这种情况直到1905年才会改变。
* * *
我在上文说到，当普朗克提出量子概念时，没有人意识到它是自然界的一种基本原理。但很快，一位带着完全不同态度的新选手出现在了这个领域。当普朗克宣布他的发现时，这位新选手还只是一个刚刚走出大学校门的无名氏，他将把普朗克关于量子的著作视为具有深远影响，甚至令人不安的作品。“这就像是把我们脚下的大地抽走，哪里都看不到坚实的地基一样。”他后来写道。17
这个人充分理解了普朗克著作的精髓并证明了它的价值，但在流行文化中，他并不是以此闻名，恰恰相反，他最后选择了完全相反的立场，就像金斯做的那样，去反对一个许多观察似乎都揭示了它的真实性的观点。这个人就是阿尔伯特·爱因斯坦）（1879—1955）。
当爱因斯坦接受普朗克的量子观点并对此深信不疑时，他才25岁，还没有完成他的博士论文。然而，到他50岁时，他开始反对他曾经从事的工作。爱因斯坦改变对量子理论看法的原因具有终极的哲学意味，或者形而上学意味，而不是由于科学方面的原因。他在25岁时提出的观点“仅仅”和理解光的新方式有关，把它看作由量子粒子构成的能量。与他晚年出现的量子观点——他反对的这种观点——相较而言，一种全新方式看上去更接近真实。
也就是说，随着量子理论的不断发展，人们越来越清晰地看到，如果有人想要接受它，就必须采取一种新观点来看待存在的意义，存在于某个特定地点的意义，甚至一个事件引发另一个事情的意义。同牛顿式的力学世界观与亚里士多德式的目的驱动型世界观的决裂相比，新量子世界观与我们直觉中的牛顿式世界观是更大程度上的决裂。爱因斯坦，就像他曾经乐于修正物理学一样，也将乐于在他离开人世时拒绝接受从他自己的著作中产生的激进版形而上学理论。
我开始接触量子理论时，爱因斯坦已经过世几十年了，我接受的当然是现代版的构想，加进了所有爱因斯坦不喜欢的激进观点。在我的大学课程中，它们呈现出的是一种枯燥但古怪的理论，发展完善且具有良好的验证效果。人们有时候谈到的“量子奇异性”——比如某个东西实际上同时存在于两个不同地方的可能性——在当时被认为是一个早已确立的事实。它有时候会是一个很有趣味的聊天话题，但我们这些大学生做梦也不会忘记它。尽管如此，爱因斯坦仍然是我心目中的英雄，因此让我感到困惑的是，为什么他会如此难以接受我毫不费力就能接受的观点呢。我知道我不是爱因斯坦，所以有什么东西是我没有看到的吗？
在我努力解决这个问题时，我父亲给我讲了一个故事。这个故事发生在战前的波兰，他和他的一些朋友碰到一只躺在马路上的鹿，已经被汽车撞死了。在当时食物很稀缺，于是他们就把这只鹿抬回家吃了。我父亲告诉我他们并不认为吃“路毙动物”有何不妥，而美国人——比如我——却认为这很恶心，因为我们从小被灌输的观点就是这很恶心。这个时候我意识到，你不必从宇宙的深奥问题或者强烈的道德信仰中寻找那些人们难以接受的观点。这样的观点到处都是，它们大多数只是基于这样一个简单的事实，即人们倾向于继续相信他们一直相信的东西。
量子理论的形而上学含义对爱因斯坦来说就像是一只“路毙动物”。因为从小接受的就是传统的因果关系概念，他将很不情愿去接受一个在含义上如此不同的概念。但假如他再晚出生80年，和我成为同学，他就会伴随奇怪的量子理论成长，对它的反应就会和我以及其他学生一样，认为事实就是如此。到那时它将只是人们接受的知识环境的一部分而已，因此，尽管人们或许认为量子世界新奇，但在有实验可以驳斥它之前，人们还是不会考虑回到过去。
* * *
尽管爱因斯坦最终会努力维护牛顿式世界观的中心观点，但他从来都不是一个传统的思想家，他也不会给权威人物名不副实的认可。实际上，这种另类思考和挑战权威的意愿是如此显著，以至于它曾经使他陷入了麻烦。在他还是少年时，他进入了慕尼黑一所大学预科学校——也就是德国的高中。在他15岁时，他的一位老师说他一无是处，随后他要么被强迫，要么被“礼貌地鼓励”离开了学校，因为他对他的老师不敬，被视为对班里其他学生有负面影响。他后来把这所大学预科学校称为一台“教育机器”，他的意思并不是说它做了什么有用的工作，而是说它喷出了让人头脑昏乱的废气。
爱因斯坦1896年在瑞士高中的成绩单，评分标准从1到6，6代表最高分
对于物理学来说幸运的是，爱因斯坦了解宇宙的渴望胜过了他对正式教育的厌恶，因此在被学校开除之后，他申请进入位于苏黎世的瑞士联邦理工学院。他没能通过入学考试，但在一所瑞士高中经过短时间的补习之后，他在1896年被联邦学院录取。和大学预科学校一样，他也不喜欢联邦学院记，许多课也不去上，但他还是通过在考试前死记硬背他一位朋友记的笔记勉强毕业了。爱因斯坦后来写道，马塞尔·格罗斯曼是“无可挑剔的学生，我自己目无法纪，爱做白日梦。他与老师关系融洽，什么都懂；我就像一个弃儿，心怀不满，少人怜爱”。18和格罗斯曼相识不只是爱因斯坦大学生活的一个幸运机会：格罗斯曼后来将成为一名数学家，当爱因斯坦需要用到奇异几何来完成相对论时，格罗斯曼还给他讲过课。
爱因斯坦的大学学位并没有帮助他走上一条轻松的成功之路。实际上，他的一位教授满怀恶意地给他写了一份糟糕的推荐信。至少部分因为那封信产生的影响，爱因斯坦从苏黎世的大学毕业后没能找到一份传统的工作——他想得到一个大学物理系或数学系的职位——相反，他成为两个预科学校男孩的私人家庭教师。
在接受这个职位后不久，爱因斯坦就建议他的雇主让这两个男孩从学校退学，以避免学校造成的破坏性影响。他之所以对教育系统牢骚满腹，是因为教育系统只关注如何让学生为考试做好准备，因而扼杀了任何真实的好奇心和创造力。讽刺的是，大约在一个世纪后，随着乔治·W.布什总统《不让一个孩子掉队》计划的颁布，一个关注学生背诵事实能力的考试导向型课程成为美国官方教育政策的指导思想。大家都知道布什不是爱因斯坦，但很明显，在说到影响别人接受你的观点的这种政治家能力时，爱因斯坦就不是布什了：他的雇主在听完他对预科学校致命影响的谴责后，把他解雇了。
关于爱因斯坦在那段时间的挣扎，他的父亲写道：“我的儿子对他目前的无业状态非常不开心。他感觉自己的事业脱离了轨道，这种情绪一天天地在他心里发酵……他变成我们这些收入不多的人的一个负担，这种想法压得他喘不过气来。”19这封信寄给了莱比锡物理学家弗里德里希·威廉·奥斯特瓦尔德，爱因斯坦还把他第一篇论文的一份复印件，以及希望得到工作的请求寄给了他。爱因斯坦和他父亲都没有收到回复。10年之后，奥斯特瓦尔德将会是第一个提议给爱因斯坦颁发诺贝尔奖的人。但在1901年，爱因斯坦的智力并没有给任何人留下足够深刻的印象，从而给他争取一份无论如何适合他能力的工作。
爱因斯坦的职业生涯最终在1902年稳定下来。马塞尔·格罗斯曼的父亲把他介绍给瑞士伯尔尼的专利局局长，这位局长邀请他参加一场笔试。爱因斯坦的笔试成绩很好，这位局长给他提供了一个职位。这份工作是审阅高度技术化的专利申请书，并把它们翻译成足够简单的语言，好让他那些不怎么聪明的领导能够看懂。那年夏天，他开始以试用的形式在那里上班。
很明显爱因斯坦擅长做这份工作，尽管他在1904年申请从三级专利干事调到二级专利干事的请求被拒绝了。同时，他发现他在物理学上的工作虽然有回报，但并不显著。他的头两篇论文，分别写于1901年和1902年，讲述了一种关于分子间普遍作用力的假设，这两篇论文，按照他自己后来的描述，毫无价值可言。20随后他又写出了三篇质量不一的论文，这些同样也没有对物理学界产生多大影响。这之后的一年他的第一个儿子出生，但他没有发表哪怕一篇物理学论文。
长期的财务问题和停滞不前的物理学事业一定很让人心灰意冷吧，但爱因斯坦很享受他的工作，他认为这份工作能够锻炼智力，还说下班后他有“无所事事的8个小时”，在这段时间他可以磨炼自己的激情，思考物理学上的问题。他还占用他在专利局的上班时间来继续从事他下班后的研究工作，一旦有人走近就匆忙把演算纸塞进抽屉里。所有那些努力终于以一种最辉煌的方式获得了回报：1905年，他写出了三篇具有革命意义的不同论文，它们将推动他从一名三级专利干事变成一位一级物理学家。
这些论文每一篇都值一个诺贝尔奖，尽管只有一篇让他获奖。人们或许可以理解诺贝尔委员为什么会犹豫给同一个人多次颁奖，但在过去许多年它却因为很多让人难以理解的失察而不幸地出名。单就物理学家而言，诺贝尔委员会就错误地遗漏了阿诺德·索末菲、莉泽·迈特纳、弗里曼·戴森、乔治·伽莫夫、罗伯特·迪克，以及吉姆·皮泊斯。[3]
拒绝给迈特纳颁奖尤其异乎寻常，因为几千年来，女性几乎一直被普遍地排除在高等教育的门外，也无法获得可以使她们对理解世界做出贡献的工作机会。这种情况只是在100年前才开始得到改观，这种社会变化现在仍在继续。迈特纳在科学家和女性当中都属于开拓者一般的人物，她是第二个获得维也纳大学物理学博士的女性。毕业之后，她说服普朗克允许她和他一起进行研究，尽管他之前甚至拒绝一名女性旁听他的一堂讲座。最终她开始与一位名叫奥托·哈恩的柏林青年化学家合作。他们一起取得了很多突破，最重要的就是核裂变的发现。可悲的是，因为这个发现，获得1944年诺贝尔化学奖的人是哈恩，而不是迈特纳。[4]
* * *
理论物理学一种令人陶醉的吸引力是，你的观点有可能会对我们的思维乃至生活方式产生巨大的影响。是的，你需要耗费多年的时间才能理解和吸收你的研究课题以及理解它的技术和问题。是的，你试图破解的许多问题最终将被证明是无法解决的。是的，你的绝大多数观点都会被证明毫无意义，在大多数情况下，你需要花费数月才能为一项宏大的工作做出微不足道的贡献。当然，如果你准备成为一名理论物理学家，你最好具备顽固的性格和持久的毅力，可以为一个微小的发现激动不已，你掌握的点滴数学知识似乎可以神奇地破解大自然的一个奥秘，这个奥秘在你公布之前只有你自己知道。但还存在另一种可能性：那就是你想到的或者偶然发现的一个观点具有如此强大的能量，以至于它远远不只是自然界的一个小秘密，而是某个改变你的同事——乃至整个人类社会——看待宇宙方式的东西。这就是爱因斯坦在专利局工作的一年时间里三次创造出来的观点。
在这三条开创性理论中，爱因斯坦最为知名的就是相对论。他在这个领域的工作使我们对于空间和时间的概念发生了革命性的改变，它显示它们是紧密联系的，并且它们的测量值不是绝对的，而是由观察者的状态决定。
爱因斯坦想通过相对论解决的问题是一个出现在麦克斯韦的电磁学理论中的悖论，这个理论表示所有测量光速的观察者将发现同样的结果，而与他们自己相对于光源的速度无关。
本着伽利略的精神，我们可以通过一个简单的思维实验来理解上述声明为何与我们的日常体验相矛盾。想象一下，一名食品小贩站在火车站的月台上，此时一列火车呼啸而过。一名乘客从正在移动的火车上向前扔出一个球（或任何物体），在这名小贩看来，这个球移动的速度要比他出于同样的兴趣抛出的球的速度快得多。这是因为，从这名小贩的视角来看，列车上的球会以乘客扔它的速度加上火车的速度运动。然而，麦克斯韦的理论又说，从一辆正在移动的火车上发出的一道光不会移动得更快。在小贩和乘客看来它都是以相同的速度在传播。对于想把所有东西都浓缩成原理的物理学家来说，这需要一个解释。
什么原理使光有别于物质？多少年来，这一直都是物理学家试图解决的问题，最流行的方法认为，这与光在传播过程中穿过的尚未被检测到的介质有关。但爱因斯坦却有其他的看法。他意识到，这个问题的解释并没有隐藏在光线传播的某种未知性质中，而在我们对速度的理解中。爱因斯坦推理道，既然速度等于距离除以时间，而麦克斯韦的理论又说光的速度是固定的，这就告诉我们在测量距离和时间时，不会存在普遍的一致性。爱因斯坦表示，世界上没有通用的钟表或者通用的米尺，所有这样的测量都取决于观察者的运动——必须完全按照要求的方式，这样所有的观察者才会为光测量到同样的速度。因此，我们每个人观察和测量的结果只不过是我们自己的个人观点，而不是一个所有人都认同的事实。这就是爱因斯坦狭义相对论的精髓。
相对论并不要求取代牛顿理论，而是对其进行修订：牛顿运动定律必须做出修订和改造，才能被轻松地纳入爱因斯坦提出的空间和时间的新框架中，在这个框架里，测量的结果取决于人的运动。对于以相对缓慢的速度移动的物体和观察者，爱因斯坦的理论从本质上说和牛顿的理论相同。只有当论及的速度接近光速时，相对论的效果才会被注意到。
因为相对论的新奇效果只会在极端条件下显现，比起量子理论，它在日常存在中的重要性要小得多，量子理论解释的正是构成我们的原子的稳定性。但在当时没有人知道量子所具有的影响深远的含义；同时，相对论对于物理学界来说无异于一场地震：牛顿式世界观对科学的塑造已经持续了超过200年，现在，它的结构上出现了第一道裂痕。
牛顿理论的基础是世界上只存在一种客观现实。空间和时间构成一个固定框架，在它们搭建的这个舞台上上演着世界上的各种事件。观察者可以观察，无论他们处于哪种位置或者如何移动，他们看到的是同一出戏剧，就如同上帝从天国俯视我们一样。相对论与这种观点相矛盾。通过断言上演的戏剧不止一出——也就是说，在日常生活中，我们每个人所经历的现实都只是个人体验，取决于我们的位置和运动，爱因斯坦已经开始拆除牛顿的世界，就像伽利略开始拆除亚里士多德的世界一样。
爱因斯坦的工作对于物理学文化有着重要的含义：它赋予新生代思想家勇气，让他们在考虑挑战旧有观念时更加容易。比如，正是爱因斯坦写给高中学生的一本关于相对论的书启发了维尔纳·海森堡进入物理学领域。正是爱因斯坦研究相对论的方法给了尼尔斯·玻尔勇气去想象原子遵循的定律或许与我们的日常存在所遵循的定律有着根本性的不同。这两个人我们在后文都会讲到。
讽刺的是，在所有那些吸收和理解爱因斯坦相对论的伟大物理学家中，只有爱因斯坦本人是最不为所动的。在他看来，他并没有主张去颠覆牛顿世界观的主要内容，而只是对其进行了某些纠正——对于当时的大多数实验观察没有多大影响的纠正，但它们的重要性在于修复了存在于这个理论逻辑结构上的一个缺陷。并且，为了使牛顿理论与相对论兼容而做的必要的数学修改也很容易。因此，尽管爱因斯坦后来认为量子理论将会瓦解牛顿物理学，但按照物理学家和传记作家亚伯拉罕·派斯的说法，他“认为相对论根本就算不上是一场革命”。21对于爱因斯坦来说，相对论是他1905年最不重要的论文。在他眼中，其他两篇关于原子和量子的论文的意义要更为深远。
爱因斯坦关于原子的论文分析了一种叫作布朗运动的效应，由达尔文的老朋友罗伯特·布朗在1827年发现。这种“运动”指的是微小粒子神秘的、随机的游走，比如悬浮在水中的花粉颗粒。爱因斯坦解释称，这是亚微观分子以极高的频率从各个方向撞击漂浮粒子造成的结果。尽管单一的撞击由于太过轻微而无法使粒子发生移动，但爱因斯坦通过统计数据表明，粒子晃动幅度的大小和频率可以通过罕见的偶然性来解释，因为纯粹的意外因素，从一个侧面撞击粒子的分子数量要比从相反方向撞击粒子的分子数量多出太多，因而产生了足够使它移动的力量。
这篇论文很快就引起了轰动，它是如此引人关注，甚至连原子理论的死对头弗里德里希·威廉·奥斯特瓦尔德也评论说在阅读完爱因斯坦的著作后，他开始相信原子是真实的。从另一方面讲，原子的重要支持者玻尔兹曼从未对爱因斯坦的著作，或者由它带来的态度的改变做任何评价，这很让人费解。部分原因是他由于自己的观点受到的待遇而心灰意冷，他在第二年自杀了。这尤其让人感到悲哀，因为随着爱因斯坦关于布朗运动的论文以及他写于1906年的另一篇论文的发布，物理学家最终确信了他们既无法触碰又看不见的物体的真相——这完全就是玻尔兹曼自19世纪60年代开始一直在宣扬，但没有获得太多成功的观点。
在30年内，凭借着描述原子的新公式，科学家将能够解释化学的根本原理——最终为道尔顿和门捷列夫的观点提供了解释和证明。他们也将开始努力实现牛顿的梦想，即根据构成物体材料的粒子——例如它们的原子——的相互作用力来理解材料的性质。到20世纪50年代，科学家将走得更远，利用他们关于原子的知识来为更深刻地理解生物学服务。在20世纪下半叶，原子理论将引领技术革命、计算机革命以及信息革命。一篇分析花粉运动的论文最终成长为一个塑造现代世界的工具。
然而，所有这些实践活动依托的定律以及描述原子特性的公式将不会来自牛顿的经典物理学，甚至也不会来自它修订版的“相对”形式。要想描述原子将需要自然界的新定律——量子定律——量子概念正是爱因斯坦在1905年写的另一篇革命性论文的主题。
在这篇名为《关于光的产生和转化的一个启发性观点》的论文中，爱因斯坦采纳了普朗克的观点，并将其转变为深刻的物理学原理。爱因斯坦明白，量子理论和相对论一样都是对牛顿的挑战。但在这一点上，量子理论并没有为这个挑战的规模，或者当它进一步发展时将会引发的令人不安的哲学含义做出提示，因此爱因斯坦并不知道他做了什么。
因为爱因斯坦在他的论文中提出的“观点”涉及把光视为量子粒子，而不是波——就像麦克斯韦非常成功的理论描述的那样——这篇论文并没有像他1905年的另一篇开创性论文那样被人广为接受。实际上，物理学界还需要超过10年的时间才能接受他的观点。至于爱因斯坦自己对这件事的感受，我们回过头看看1905年他在发表这三篇论文之前写给一个朋友的信就能有所了解。22关于他的相对论论文，爱因斯坦评论道，它的部分内容“会让你感兴趣”。同时，他把自己关于量子的论文描述成“极具革命性”。确实如此，正是这篇作品最终产生了最伟大的影响，也正是这篇作品为他在1921年赢得了诺贝尔奖。
* * *
爱因斯坦从普朗克遗留的量子问题入手，这不是巧合。和普朗克一样，他的职业生涯开始于研究原子在热力学这个落后领域中的作用。但和普朗克不同的是，他像是一个和当代物理学的大部分内容没有接触的局外人。至于原子，爱因斯坦和普朗克的目标完全相反，因为普朗克的博士研究目标在于使物理学摆脱原子的影响，而爱因斯坦在他写于1901—1904年的第一篇论文中提出了他的目标，即“发现尽可能多的事实去证明具有明确有限体积的原子的存在”，随着他在1905年对原子的随机运动如何引起布朗运动的革命性分析论文的发表，他最终完成了这个目标。23
尽管爱因斯坦帮助物理学家最终接受了原子的存在，但在关于普朗克量子概念的著作中，爱因斯坦引入了一种新的“类似原子”（atom-like）的光理论，物理学家发现这个理论甚至更难理解。他是在思考普朗克关于黑体辐射的研究后发展出这个理论的。由于对普朗克的分析不满意，他发明了自己的数学工具去分析这种现象。尽管他得出了相同的结论——即黑体辐射只能通过量子概念来解释——但他的解释有一个关键的技术上的不同：普朗克曾推测能量的离散特性是由于在释放辐射的过程中黑体中的原子或分子发生振荡所致；而爱因斯坦则把离散的特性视为辐射本身固有的属性。
爱因斯坦把黑体辐射视为自然界一种新的基本定律的证据：所有电磁能量以离散包的形式出现，以及辐射是由类似光原子的粒子构成。正是由于这种洞察力，爱因斯坦成为第一个意识到量子原理革命意义的人——它是我们世界的一个基本层面，而不仅是一个专门用来解释黑体辐射的数学技巧。他把辐射的粒子称为“光量子”，在1926年他的光量子将获得一个现代名字：光子。
假如爱因斯坦就此止步，他的光子理论将仅仅是一个解释黑体辐射的替代模型，就像普朗克的模型一样。但假如光子真的是一种基本概念，它应该可以阐明现象的本质，而不只是解释黑体辐射这种现象。爱因斯坦在这些现象中发现了一种被称为光电效应的现象。
光电效应是光照射金属从而使它释放电子的过程。这些电子形成的电流可以应用于各种装置。这种技术在电视机的发展过程中将发挥重要的作用，它还会在各种装置中得到应用，例如烟雾探测器和防止你在进入电梯时被电梯门夹住的传感器。在后一种应用中，一束光穿过门口照射在另一头的光电接收器上，这个装置会产生电流；如果你走进电梯，你将阻断这束光线，因此也就切断了电流，电梯制造商通过这种方式安装设备，电流的中断将会使电梯门保持开启状态。
光照射金属可以产生电流，这是由德国物理学家海因里希·赫兹在1887年发现的，他是第一个有意制造和探测由加速电荷释放的电磁波的人，因此频率的单位赫兹就是以他的名字命名的。但赫兹无法解释光电效应，因为电子尚未被发现。1897年英国物理学家J. J. 汤姆孙在实验室中发现了电子——此时赫兹去世已经三年，他在76岁时死于一种引起血管发炎的罕见疾病。
光子的存在为光电效应提供了一个简单的解释：当电磁波照射金属时，激发了金属内部的光子，使其飞出来并以电火花、射线和电流的形式呈现。受到汤姆孙工作的启发，物理学家开始更深入地研究这种效应。但经过长期艰难的实验，他们最终发现光电效应在有些方面并不符合理论框架。
比如，当你增加一束光线的强度时，它会使金属释放出更多的电子，但却对这些电子的能量没有影响。这与经典物理学的预测相矛盾，因为强度更大的光携带有更多的能量，所以，当能量被吸收后，它应该产生更快、更活跃的电子。
爱因斯坦思考这个问题已经很多年了，在1905年他终于把它和量子联系起来：如果光是由光子构成的，这个数据就可以得到解释。爱因斯坦以这样的画面描述光电效应：每个撞击金属的光子将它的能量转移给了某些特别的电子。每个光子携带的能量与光的频率，或者颜色成比例，如果一个光子携带了足够的能量，它将使电子自由地飞出去。频率较高的光由能量较高的光子构成。另一方面，如果只增加光的强度（而不是频率），光将由更多的光子组成，但不是那些能量更高的光子。结果，强度更高的光将导致更多的电子被释放出来，但电子的能量将不会改变——这和先前观察到的现象完全一致。
光是由光子——粒子——构成的提议与麦克斯韦极其成功的电磁学理论相矛盾，这个理论认为光是以波的形式传播的。爱因斯坦认为当我们展开的光学观察涉及由数量庞大的光子产生的净效应时——在普通情况下就是这样——光经典的“麦克斯韦式”波状特性就会出现。
比如，一个100瓦的电灯泡每十亿分之一秒释放出大约10亿个光子。相较而言，当光的强度较低时，或者在某种其机制由光子的离散本质决定的现象中（比如光电效应），光的量子本质才会变得明显。但爱因斯坦的推测并不足以使其他人接受他激进的观点，他遭遇到了极大的，几乎是普遍的怀疑。
对于爱因斯坦工作的评价，我最喜欢的是由普朗克和多位其他顶级科学家在1913年为爱因斯坦入选享有盛誉的普鲁士科学院联名写的推荐信：“总而言之，人们可以说，在现代物理学存在的许多重大问题中，还没有哪个是爱因斯坦没有做出过非凡贡献的。他有时候或许会在推测中遗漏了某些目标，比如他的光量子假设，但这不能成为反对他的理由，因为在最精密的科学中引入真正的新概念在某些时候就必须得冒险。”24
* * *
阿尔伯特·爱因斯坦，1921年
讽刺的是，正是光子理论最初的反对者之一罗伯特·密立根最终完成了精确测量，确认了爱因斯坦描述的被释放的光电子能量的定律——他因为这些成就（以及他对电子电荷的测量）在1923年获得了诺贝尔奖。当爱因斯坦在1921年获得诺贝尔奖时，颁奖词说得很简单：“该奖颁发给阿尔伯特·爱因斯坦，感谢他为理论物理学做出的贡献，尤其是他对光电效应定律的发现做出的贡献。”25
诺贝尔委员会选择认可爱因斯坦的公式，但却忽视了他推导这个公式所经历的知识革命。他们也没有提及光量子，或爱因斯坦对于量子理论的贡献应得的荣誉。亚伯拉罕·派斯把这称为“一个历史性的低估，但也准确地反映了物理学界的共识”。26
随着“量子力学”理论的正式提出，对于光子以及通常的量子理论的怀疑将在下一个十年被平息，量子力学理论将取代牛顿运动定律作为控制物体如何运动以及对作用力做出反应的根本原理的地位。当这个理论最终出现时，爱因斯坦将会认可它的成功，但也正是从那个时候起他开始反对量子理论。
爱因斯坦拒绝接受量子理论是最终答案的说法，他一直相信它终将会被一个更为基本的理论取代，这个理论将恢复传统的因果概念。在1905年他曾发表了三篇论文，每一篇都改变了物理学的发展轨迹；在他余下的人生中，他徒劳无功地试图再这么做一次——去颠覆因他而起的东西。1951年，在他最后的信件中，有一封是写给他的朋友米歇尔·贝索的，爱因斯坦在信中承认他失败了。“所有这50年的思索，”他写道，“并没有使我更接近这个问题的答案：什么是光量子？”27
[1] 罗塞塔石碑是解读失传千年的埃及象形文字的关键，后用来比喻解决一个问题或困难的关键线索或工具。——编者注
[2] 普朗克经常被错误引用的一句话更简短有力：“科学的每一次进步都是在葬礼上取得的。”
[3] 索末菲是一位重要的量子理论先驱；正如我说的那样，迈特纳完成了很多发现，包括核裂变；戴森在电磁学的量子理论中发挥了重要作用；伽莫夫、迪克以及皮泊斯解释和预测了宇宙微波背景辐射，但因此而获奖的却是阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔森，他们只是偶然探测到它，但他们并不了解自己发现的东西。
[4] 然而，和门捷列夫一样，迈特纳获得了国际纯粹与应用化学联合会的认可，它在1997年将第109种元素命名为。迈特纳于1968年去世。