这是量子学派的第一个必修课程 —— “科学之美”系列的第一本书。
作者曹天元，科普作家，1981年生于上海，中学毕业后赴美国和中国香港读书，主攻专业为生物化学和电子工程。看书名时还以为这又是一部外国人的作品，没想到是个中国人，而且是个这么年轻的中国人，将枯燥的物理讲的那么生动有趣。作者认为量子理论比相对论还要成功，它是最吊轨也是最适用的理论。电子显微镜、激光、半导体、核能等的发明都是得益于量子物理。
主要内容：讲述了迄今为止还没有最终定论的量子物理的发展历程，主要围绕三次“波粒战争”来展开，以及这个过程中为量子力学做出重要贡献的、那个年代的天才的物理学家们与量子物理的故事，以及玻尔与爱因斯坦的著名辩论。顺便还闲话了下某些物理学家们的逸闻趣事，其中包括最为著名的二战时德国纳粹为什么没造出原子弹的“海森堡之谜”。
第一部分：两朵乌云
1900年，76岁的科学家开尔文发表了名为《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》的演讲。第一朵乌云指在迈克尔逊-莫雷的实验中，以太被证明不存在，这动摇了经典物理学和经典时空观的基础；第二朵乌云指黑体辐射实验和理论不一致，即麦克斯韦-玻尔兹曼能量的研究困境：即没有一套公式既适用于短波，又适用于长波。
第一朵乌云最终导致了相对论革命的爆发；第二朵乌云则导致了量子论革命的爆发。
迈克逊-莫雷实验：用意在于探测光以太对于地球的漂移速度。但结论显示不同方向上的光速没有差异，以太似乎对于穿越其中的光线毫无影响。虽然后来斐兹杰惹和洛伦兹分别独立地提出的假说使得以太的概念得以继续保留，但实验结论还是让人们对以太的意义提出了强烈质疑。
以太，ether或aether，最初是古希腊哲学家所设想的一种物质，曾经是假想的电磁波的传播媒介（波大多需要传播介质，如声波需要借助于空气，水波借助水等，电磁波被发现是波以后，便开始寻找它的传播介质。爱因斯坦抛弃了以太说，认为光速不变是基本原理，并以此为出发点创立了狭义相对论。虽然后来以太被证明不存在，但还是在我们生活中留下了痕迹，比如以太网）。
物理学上定义的“黑体”是指那些可以吸收全部外来辐射的物体。19世纪末，人们开始探讨物体的能量辐射和温度的函数关系。最初，黑体辐射的研究是基于经典力学，“黑体辐射”概念是由基尔霍夫提出，斯特藩加以总结和研究的。 19世纪80年代，玻尔兹曼建立了热力学理论，这是黑体辐射研究的强大理论基础。 1893年，维恩提出了著名的辐射能量分布定律公式。但是维恩是用经典粒子的方法来分析电磁波的。维恩公式和短波相符合，在长波方面则有偏差。 后来，英国物理学家瑞利和金斯修改了维恩定律，得到瑞利-金斯公式，这个公式适用于长波了，但是又不符合短波了。 1900年，普朗克提出了新的公式，既适用于短波，又适用于长波。还提出颠覆性的假设：能量在发射和吸收的时候不是连续的，而是一份一份的，这便是量子理论最初的萌芽。—— 但是自伽利略和牛顿以来，一切自然的过程都被当成是连续不间断的，这也是微积分的基础，牛顿和麦克斯韦体系也建立在这个基础之上。所以即使普朗克在1900年12月14日发表名垂青史的论文《黑体光谱中的能量分布》（这天便是量子力学的诞辰），他本人对待量子理论也抱有戒心，不断告诫人们在使用普朗克常数h时要尽量小心谨慎。直到1915年，波尔的模型取得空前成功后，普朗克才扭转了对量子的偏见。
第二部分：三次波粒战争
1. 第一次波粒战争：
光本性问题的研究自古就有：古希腊时代认为光是由“光原子”组成，后来这种理论被称为“微粒说”； 17世纪初的意大利数学教授格里马第提出光可能是类似水波波动的“光波动说”。 1663年，波义耳提出“颜色是光照上去才产生的效果”引起激烈争论，成为战争的导火索。1665年，波义耳的助手胡克出版《显微术》，明确支持波动说，此时波动说占据上风。但胡克认为光是纵波。 1672年，牛顿发表《关于光与色的新理论》，把光的复合和分解比喻成不同颜色微粒的混合和分开。此时胡克是评议会成员，他不但激烈抨击了牛顿的观点，还声称牛顿的部分论文剽窃了他的思想，惹得我们的科学巨人牛顿大怒，从此一面倒地支持微粒说。 1690年，惠更斯的著作《光论》把波动说带到了兴盛的顶点。 1704年，牛顿出版了划时代的著作《光学》，详尽阐述了光的色彩叠合与分散，从粒子的角度解释了薄膜透光、牛顿环以及衍射实验中的种种现象，同时，也对双折射现象进行了研究，提出了许多波动理论无法解决的问题。 —— 由于惠更斯于1695年去世，波动说此时群龙无首，所以第一次波粒战争波动说惨败。自此，微粒说几乎主宰乾坤长达一个世纪。（但微粒说无法解释光的干涉条纹现象。）
2. 第二次波粒战争：
1801年和1803年，托马斯·杨分别发表论文，阐述了如何用波的干涉效应来解释牛顿环和衍射现象，还计算出了光的波长应该在1/36000到1/60000英寸之间。 1807年，杨出版了《自然哲学讲义》，描述了光的双缝干涉效应。此时，微粒说节节败退。1809年，马吕斯发现了偏振现象，这和已知的波动论有抵触的地方，微粒说开始回击。 1819年，法国工程师菲涅尔在论文《关于偏振光线的相互作用》中提出光是横波，用严密的数学推理圆满地解释了光的衍射，还一并解决了困扰波动说的偏振问题。但泊松在进行审查时发现这一理论在用于圆盘衍射时，阴影中会出现一个亮斑。菲涅尔的同事阿拉果对此进行实验检测，发现亮斑的位置和亮度都与理论符合的相当完美。 —— 至此，波动说从第二次波粒战争中胜出。不久，它的领土便横跨整个电磁波的频段：微波、X射线、紫外线、红外线、y射线、无线电波、普通光线……
3.1 第三次波粒战争开始前：
1887年，30岁的赫兹发现了电磁波的存在，证实了麦克斯韦理论，也证实了光其实是电磁波一种，这为光本性的研究又迈出了一步。（给电磁理论打下基础的是法拉第，建造主体的是麦克斯韦，封顶的是赫兹。赫兹还计算出电磁波的前进速度等于光速。）
赫兹的实验：在既没有连接电池也没有任何能量来源的开口铜环上，有淡蓝色的火花；如果光照到接收器，淡蓝色的火花更容易出现，这便是“光电效应”。之后的实验陆续证明：光的强度决定电子数目，光的频率决定能否打出电子。但如果光是波，就没道理会发生这种事。当时的物理学家们还在冥思苦想怎样可以把光电效应融入麦克斯韦的理论中而不伤害它的完美，但不知道这个问题比想象的要严重的多。只有天才的爱因斯坦看出了问题。
爱因斯坦继承了普朗克的量子假设，他认为光以量子的形式吸收能量，没有连续性，不能累积，一个量子激发出一个对应的电子。这个假设让“第三次波粒大战”一触即发。——光量子其实就是昔日微粒说的一种翻版，此时，当年被波动说打败的微粒说以反叛的姿态登上了舞台。如同当年起义的波动说一样，非常不为人所接受。
1915年，美国物理学家密立根本来想用实验证明光量子图像是错误的，但多次反复实验的结果却是证明了爱因斯坦方程的正确性，即光电现象都表现出量子化特征。
3.2 第三次波粒战争全面爆发：
微粒军团：光电效应和康普顿效应。——（双缝干涉实验是电子（光）波动性的最好证明，麦克斯韦理论也是揭示波动性。）
康普顿在研究X射线被自由电子散射时，发现部分散射出来的射线比原来的射线波长要长。由此他大胆引入了光量子假设，发现光子像普通小球那样，不仅带有能量，还具有冲量，当它和电子相撞，便将自己的能量交换一部分给电子。—— 如果说上帝造了光，爱因斯坦则指出了什么是光，康普顿则是第一个真正意义上“看到”了光。
1911年9月，26岁的波尔完成了他在原子结构方面的第一篇论文（后来被历史学家们成为“曼彻斯特备忘录”），在论文中他视图把量子的概念结合到卢瑟福模型中去，以解决经典电磁力学无法解释的难题。
1913年，波尔的“三部曲”（《论原子和分子的构造》、《单原子核体系》、《多原子核体系》）则真正打开了量子时代的大门，其中的数据推导完全符合巴耳末公式所描述的氢原子谱线。但此理论一开始并没有受到欢迎，因为这是在挑战经典物理，试图推翻麦克斯韦体系。这些人包括瑞利（前面提到过，瑞利-金斯线的发现者之一）、J.J.汤姆逊。但这个理论本身确实也还存在一些缺陷。，它并不是一次彻底的革命，量子的假设没有在他的体系里得到根本的地位，而似乎只是一个调和经典理论和现实矛盾的附庸，所以它的衰落和兴盛一样迅猛。
之后，法国贵族德布罗意提出相波（Phase wave），即德布罗意波：电子在运行的同时还伴随着一个波。他还预言电子在通过小孔或晶体时，会产生一个可观测的衍射现象。
随后，美国物理学家戴维逊（C.J.Davisso）和革末（L.H.Germer）证实了此预言。（戴维逊当时在西部电气公司工程部做研究工作，这个部门在1925年被当时的AT&T的总裁Walter Gifford撤销，摇身一变成了大名鼎鼎的贝尔电话实验室Bell Labs）。
不久后（1927年），G.P.汤姆逊（J.J.汤姆逊的儿子），在剑桥进一步证明了电子的波动性。
微粒派的另一条战壕：英国科学家威尔逊（C.T.R.Wilson）发明云室，可以看到电子的运行情况，完全符合经典粒子的规律。
微粒派在光领域的又一里程碑式的胜利：印度人玻色（S.N.Bose）把光看成是不可区分的粒子的集合，从这个假设出发推导除了普朗克的黑体公式。爱因斯坦进一步完善了玻色的思想，发展出了玻色-爱因斯坦统计方法。服从这种统计的粒子比如光子成为玻色子（boson）。
为了给两派调停，玻尔在1924年和克拉默斯（Kramers）、斯雷特（Slater）发表了BKS理论，放弃了光量子的理论，尝试用对应原理在波和粒子间建立一种对应，但不久便被实验否决。
之后海森堡提出了矩阵力学 —— 从直接观察到的原子谱线出发，引入矩阵的数学工具。强调观测到的分离性、跳跃性，以数学为唯一导向，不为直观经验所迷惑。究其根本，它所强调的光谱线及非连续性的一面，隐约有微粒的身影。这个理论的核心人物有海森堡、波恩、约尔当、玻尔。（从粒子的运动方程出发，本意是粒子性、不连续性）
然后薛定谔建立了波动力学，证明古老的经典力学只是新生的波动力学的一种特殊表现，完全地被包容在波动力学内部。—— 薛定谔是从德布罗意的理论为切入点，强调电子作为波的连续性一面，以波动方程来描述它的行为。爱因斯坦是这一派背后的精神领袖。（从波动方程出发，波动性、连续性）
但是海森堡和薛定谔对对方的理论表示毫不掩饰的厌恶，因此有很多争论。但它们都是从哈密顿函数而来的，两种力学在数学上是完全等价的。
之后波恩提出概率解释，海森堡的“不确定性”原理（Uncertainty Principle，最开始的中文翻译是“测不准原理”，后来改成了“不确定性”原理。海森堡以为这是建立在粒子本性上的，玻尔指正这其实是同时建筑在连续性和不连续性两者之上的。），玻尔的互补原理（波粒二象性），三者共同构成了“哥本哈根解释”的核心。
“第三次波粒战争”的收场便是波和粒子的这样一种妥协：两者原来是不可分割的一部分。如同漫画中教皇的善与恶两面，虽然在每个确定的时刻只有一面能表现出来，但它们确实集中在一个人身上。
但是量子论的破坏力的惊人的。概率解释和不确定性原理摧毁了经典世界的因果性，互补原理和不确定原理又合力捣毁了世界的客观性和实在性。
第三部分：玻尔和爱因斯坦的华山论剑（第五届、第六届索尔维会议）
虽然爱因斯坦曾提出了光量子假设，在量子论的发展中有不可磨灭的贡献，但他当时已经完全转到了新理论的对立面。那是因为爱因斯坦认为物理就是揭示规律的，是确定的，不接受概率、不确定那一套。玻尔回忆说，爱因斯坦有次嘲弄般地问他，难道亲爱的上帝真的掷骰子不成（ob der liebe Gott wurfelt）？
但无论对爱因斯坦提出的任何问题，看上去驽钝，但重剑无锋，大巧不工的波尔都能想出对应的化解方法。爱因斯坦非但没能说服玻尔，反而常常被反驳得说不出话来。这其实也反应了爱因斯坦和玻尔哲学态度的不同。
在那个物理学飞速发展的年代，作为物理学家也是很难适应和接受的。所以1933年9月25日，埃仑费斯特在荷兰莱登枪杀了他那患有智力障碍的儿子，然后自杀。他在留给爱因斯坦、玻尔等好友的信中说变化的物理学让他绝望和撕心裂肺，唯有选择自杀……由此可见，在那样一个天翻地覆的飘摇乱世，两代物理学家的思想猛烈冲突和撞击带来的强烈沉痛。
即使摆脱了爱因斯坦的怀疑，量子论也没有多轻松 —— 被测量的难题困扰着，尤其是在薛定谔的猫提出之后（猫的死/活叠加状态）。
第四部分：可作为参考的小知识
1. 宇宙138亿年历史，1000多亿个星系，3000万亿亿颗恒星，地球46亿年。（这点BBC的纪录片《The wonder of the Universe》开篇也是这样讲的）
2. 索尔维会议 ：索尔维（Ernest Solvay）是比利时布鲁塞尔人，对化学和物理很感兴趣，但因病错过了大学，后来靠发明制造苏打的新方法发了财，他像德国物理学家能斯特（Walther Nernst）建议，自己可以赞助一个全球性的科学会议，让普朗克、洛伦兹、爱因斯坦等最出色的的物理学家齐聚一堂，讨论最前沿的科学问题。所以才会有了那张著名照片：物理学全明星梦之队。
第一届索尔维会议于1911年在布鲁塞尔召开，一度被一战打断，于1921年重新恢复，每3年一届。
3. 诺贝尔奖得主幼儿园：卢瑟福来自新西兰，是J.J.汤姆逊（发现电子）的学生（在汤姆逊退休后接替他成为剑桥卡文迪许实验室主任），不仅他本人是伟大的物理学家，更是伟大的物理学导师。他的助手和学生们绝大多数都非常出色，其中获得了诺贝尔奖的有（不包括他本人，至少有10位）：
尼尔斯·玻尔，量子论的奠基人和象征，1922年诺贝尔物理奖。
保罗·狄拉克（Paul Dirac），量子论创始人之一，1933年诺贝尔物理奖。
詹姆斯·查德威克（James Chadwick），中子的发现者，1935年诺贝尔物理奖。
布莱克特（Patrick M.S.Blackett），一战后辞去海军上尉职务跟随卢瑟福学习物理，因在宇宙线和核物理方面的巨大贡献获得1948年诺贝尔物理奖。
沃尔顿（E.T.S Walton）和考克劳夫特（John Cockcroft）在卢瑟福的卡文迪许实验室建造了强大的加速器来研究原子核内部结构，获得了1951年的诺贝尔物理学奖。
英国人索迪（Frederick Soddy）：1921年诺贝尔化学奖；匈牙利人赫维西（Geogre Von Hevesy）：1943年诺贝尔化学奖；德国人哈恩（Otto Hahn）：1944年诺贝尔化学奖；英国人鲍威尔（Cecil Frank Powell）：1950年诺贝尔物理学奖；美国人贝特（Hans Bethe）：1967年诺贝尔物理学奖；苏联人卡皮查（P.L.Kapitsa），1978年诺贝尔化学奖。
没得诺奖但同样出色的名字：汉斯·盖革（Hans Geiger）：发明了盖革计数器；亨利·莫里斯（死于一战战场）；恩内斯特·马斯登（Ernest Marsden）:和盖革一起做了α粒子散射实验，后被封为爵士。
卢瑟福的头像出现在新西兰最大的货币面值——100元上面，作为国家对他最崇高的敬意和纪念。
4. 哥本哈根研究所：玻尔36岁时成为了所长，他的人格魅力吸引了很多人，很快把这里变为全欧洲的一个学术中心，让丹麦这个弹丸小国出现了一个物理界眼中的圣地，深远的影响了量子理论的未来，还有我们根本的世界观和思维方式。赫维西（G.Hevesy）、弗里西（O.Frisch）、弗兰克（J.Frank）、克拉默斯（H.Kramers）、克莱恩（O.Klein）、泡利、狄拉克、海森堡、约尔当、达尔文（C.Darwin）、乌仑贝克、古德施密特、莫特（N.Mott）、朗道（L.Landau）、兰德（A.Lande）、鲍林（L.Pauling）、盖莫夫（G.Gamov）……
5. 德布罗意：德布罗意是有史以来第一个仅凭借博士论文就直接获取诺贝尔奖的人。
6. 父子诺贝尔：J.J,汤姆逊发现电子，G.P.汤姆逊证明电子的波动性，两人均获得了诺贝尔奖。
居里夫人和她的丈夫皮埃尔·居里获得了诺奖，他们的女儿Irene Joliot-Curie也和她的丈夫与1935年获得了诺贝尔化学奖；居里夫人的另外个女婿，美国外交家Henry R.Labouisse在1965年代表联合国儿童基金会（UNICEF）获得了诺贝尔和平奖。
1915年，亨利·布拉格（William Henry Bragg）和劳伦斯·布拉格（William Lawrence Bragg）父子因为利用X射线对晶体结构做出了突出贡献，获得了诺贝尔物理学奖。当时劳伦斯仅25岁，是有史以来最年轻的诺贝尔物理奖得主。
同尼尔斯·玻尔获得诺贝尔物理学奖，他的第4个儿子埃格·玻尔（Aage Bohr）也于1975年获得此项荣誉。尼尔斯·玻尔的父亲也是一位著名的生理学家，任教于哥本哈根大学，曾两次被提名为诺贝尔医学和生理学奖，可惜没成功。
卡尔·塞班（Karl Siegbahn）和凯·塞班（Kai Siegbahn）父子分别于1924和1981年获得诺贝尔物理奖。
7. 量子力学发展的三地：哥本哈根、哥廷根、慕尼黑
8. “男孩物理学”：量子论的发展几乎是年轻人的天下。爱因斯坦1905年提出光量子假说时26岁；玻尔1913年提出他的原子结构时28岁；德布罗意1923年提出相波时31岁（还应考虑他非科班出生）；海森堡1925年提出矩阵力学时24岁，泡利25岁，狄拉克23岁，乌仑贝克25岁，古德斯密特23岁，约尔当23岁。因此被戏称为“男孩物理学”。和他们比起来，36岁的薛定谔和43岁的波恩简直是老爷爷。波恩在哥廷根的理论班也被称为“波恩幼儿园”。
约尔当是个害羞和内向的人，有口吃，因此很少授课和演讲。更严重的是，二战时站在了希特勒的一边，称为纳粹的同情者，被指责曾经告密。除了创立了基本的矩阵力学形式，他是最先证明海森堡和薛定谔体系同等性的人之一，发明了约尔当代数。曾被提名诺奖，但没有成功。多数人认为约尔当的贡献应该得到更多承认。
9. 薛定谔的女朋友：这位物理大师的道德观显然和常人有一定距离，他请谁来做他的助手，其实是看中了别人的老婆。但是薛定谔创立波动力学是在一味神秘女友的陪伴下，所以研究他的情史并不是一味的八卦，跟他的猫一样具有研究性。
10. 决定论：玻尔的另一位助手奥斯卡·克莱恩（Oskar Klein），不仅把把薛定谔的方程相对论化了，还引进了“第五维度”的思想。之后的“超弦”便是由此孕育而出。
11. 无中生有：海森堡的不确定性理论告诉我们：在极小的空间和极短的时间里，什么都是可能发生的，因为我们对时间非常确定，反过来对能量就非常不确定。能量物质可以逃脱物理定律的束缚，自由地出现和消失。代价就是只能限定在那一段极短的时间内。因此，许多人相信宇宙本身便是通过这种机制产生的：量子效应使得一小块时空突然从根本没有中产生，然后因为各种力的左右，突然指数级地膨胀起来，在瞬间扩大到整个宇宙的尺度。
12. 奥卡姆剃刀（Occam's Razor）：当两种说法都能解释相同事实时，应该相信假设最少的那个（化繁为简）。
13. 哥本哈根学派：玻尔、海森堡、波恩、泡利、克拉默斯、约尔当，也包括后来的魏扎克、罗森菲尔德和盖莫夫等。当然，实际中并没有一个党派叫“哥本哈根派”，也并非一定要到过哥本哈根才有资格跻身其列，粗略地说，任何只要赞同“哥本哈根解释”的人都可归为哥本哈根学派成员。
14. 海森堡之谜：纳粹德国为什么没能造出原子弹？政策的原因？理论上的原因？技术上的原因？资源上的原因或是道德上的原因？海森堡是希特勒原子弹计划的总负责人，虽然犹太政策赶走了很多诺奖获得者比如爱因斯坦、薛定谔、费米、波恩、泡利等，但德国仍有最好的科学家。
对此，海森堡的解释是：一、德国当时在理论和技术上和盟国的优势是相同的，但德国缺乏相应的环境和资源；二、德国科学家一开始就认识到了原子弹所引发的道德问题，这种大杀伤力武器使他们意识到对人类负有的责任。但是对国家（不是纳粹）的义务又是的他们不得不投入到工作中，所以他们心怀矛盾，消极怠工，有意无意地夸大了制造难度。
实际是德国人算错了参数，导致了对铀235的临界质量的夸大，以及放弃了石墨反应，在重水这一棵树上吊死。
自然科学是社会科学之外更完美的世界，因为它代表着科学和理性精神。现代人无所事事刷社交媒体跟理性思维和科学精神的缺失有关。而中国学生由于应试教育的原因不能体会自然科学之美，文理分科的弊端也让许多中国人失去了综合发展的机会。但人文精神和理性思维是不可能分开的，比如霍金、沃森（分子生物学带头人，写出了《DNA：生命的秘密》）、薛定谔、爱因斯坦、罗素、费曼都是文理兼修的大师。200多年前俄罗斯的罗蒙诺夫更是个涉及多个领域的通才。