大物理学家费曼曾说：“如果人类社会因为核子战争使得所有文明毁于一旦，那么人只需要记住一个观念即可：事物是由原子组成的。”现在初中毕业，学过一点化学常识的人都能倘然的接受并承认这一论点，然而很多让现在人习以为常的观点或论断，如果把时间倒推回几十乃至上百年，那么现在普遍接受的观念在当时会被认为是胡说八道，甚至是大逆不道，因此量子力学的开山鼻祖普朗克才说：“要接受一个新的科学真理，并不用说服它的反对者，而是等到反对者相继死去，新的一代从一开始便清楚地明白这一真理。”
极具讽刺意味的是，这段话居然能用到爱因斯坦身上.他本人是量子力学的重量级反对者，由于他作为物理学界的‘珠穆朗玛峰’，他的反对曾经使得量子力学的发展承受巨大的阻力，当年开创量子力学的一帮科学家联合起来与爱因斯坦死磕，有些科学家还因为爱因斯坦反对量子力学而痛哭流涕，而事实是，等到爱因斯坦去世后，量子力学才得以受到普遍接受和快速发展。
物理学的发展经历了三个颠覆性阶段。第一阶段自然是牛顿力学，牛顿创建了一套理论体系，完美的解释了在宏观尺度上所有物体的运行规律，牛顿之前，人类在自然界面前完全是两眼一抹黑，在认知的道路上前进时就如同瞎子走盲道，这里摸摸，那里摸摸，通过大量实践和试错后才能前进一点点，很多时候还会被客观世界磕碰得头破血流，这时上帝说要有光，于是牛顿降临，牛顿力学就如升起的太阳，一下子把原本乌黑的前进道路照射得光明透亮，从此人类对时间的认知开始了突飞猛进的历程。
第二个阶段是爱因斯坦提出相对论，按诺贝尔奖得主杨振宁的说法是，他的理论创新引发人类关于物理世界基本概念：时间，空间，能量，光和物质的三大革命，这一点非常值得我们好好了解；第三阶段则是及其烧脑的量子力学，由于其逻辑过于复杂，而且它所描述的景象太过于反常理，直到现在它已经有了上百年的发展历程，能接受它的人依然少之又少，而且爱因斯坦还是他的反对者。
我们先看看爱因斯坦无以伦比的理论创建。1905年被誉为爱因斯坦奇迹年，这一年他发表了四篇论文，每一篇论文都具有翻天覆地般的革命性震撼力，你可以认为在1905年以前，物理学就如一马平川的平原，然而就在这一年，轰隆轰隆，世界天摇地动，一瞬间四座珠穆朗玛峰在平原在拔地而起。1905年6月9日爱因斯坦发表《关于光的产生和转变的一个启发性观点》这篇论文里，他提出了光的波粒二象性，从而对“光电效应”做出完美解释，物理学家对光的认知分为两派，一派认为光是由很多个“粒子”组成，另一派认为光是一种波，但这两种理论都有缺陷，爱因斯坦把这两种理论完美的结合起来，同时提出一个解释说，光的能量不是连续的，而是一份一份的，是“量子”化的，这篇论文开启了量子力学。
1905年7月18日爱因斯坦发表《热的分子运动论所要求静止液体中悬浮粒子的运动》，它解释了布朗运动，特别是这篇论文从理论上证实了物质由原子和分子组成的猜测。科学家一直怀疑物质可以分解成原子大小，但由于这些’颗粒‘的尺度太小，人类没有观测并加以证实的手段。将近80年前，英国植物学家罗伯特.布朗用显微镜观测到花粉颗粒在水里一直做无规则运动，爱因斯坦这篇论文解释说花粉之所以运动，是水分子做热运动时撞击它的结果，并且通过理论准确计算了水分子的性质，这是人类第一次实锤证实分子和原子这种微观粒子的存在。
1905年9月26日，爱因斯坦发表《论运动物体的电动力学》，这篇论文提出狭义相对论。11月21日，爱因斯坦发表《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》，这篇论文开创广义相对论，并提出一个人尽皆知的公式：E=mc^2。这几篇论文，每一篇都具备革命性，有很多杰出的物理学家很可能究其毕生之力都未必能写得出其中一篇那样高水平的文章。前苏联物理学家朗道，也是诺贝尔奖获得者把物理学家由低到高分为5级，他自认处于2.5级，而这5级中居然不包含爱因斯坦，因为他认为爱因斯坦处于0级！这些论文短短几年之后就获得实验上的证实，并被普遍接受，在1921年，讲光电效应那篇论文还获得一个小奖叫“诺贝尔奖”。
相对论为人类开创了全新的时空观。整套理论的掌握当然很复杂，据说理论刚出来时，全世界只有2.5个人能掌握，其实相对论要做初步理解并不难，只需要你具备小学数学水平即可。我们通过一个简单的例子就能体会到，古人所说天上一日，地上千年，诚不欺我也。假设我们在超高速和谐号上做一个实验：
一速光从镜子A发出，抵达镜子B后被反射回来，如果两面镜子之间的距离是L，光速用C表示，那么光从发出到被反射回来，所需时间是t = 2 * L/C，时间等于距离除以速度，这规律上过小学的人都知道，由于光从A到B走了距离L，从B再返回A又走了距离L，因此我们计算时间是要乘以2。
假设有一个人静止站在车外，并且能看到这个实验，由于和谐号相对于站着的人是快速向前进的，所以人看到光发射和返回的情况如下图：
由于光是在快速运行的列车上发出，因此光除了有一个垂直射向镜子的速度外，还有一个横向前进的速度，这两个速度合在一起就如上图中绿色和蓝色的斜线，理解这点就需要有高中物理学知识，那么对这个人而言，光从发射到反弹所经历的时间为 t' = 2 * D/C，C还是表示光速，但它走的距离变成了D，由于两点之间直线距离最短，因此D > L，因此t' > t，于是对于同一件事，在车外的人看来，它发生的时间便长了，用通俗化讲就是“运动物体的时间会变慢”，按这道理，如果你一辈子经常坐高铁，那意味着你的“相对”寿命比较长，这并不意味着你原来能活80岁，坐高铁就能活100岁，而是另一个不在高铁上也活80岁的人会比你嗝屁得早！
根据相对论原理，物理定律在任何一个运算直线运动的坐标系中都一样，在运动速度快的系统内，时间相对变慢了。神奇的是你的意识，身上每个细胞的新陈代谢，组成你身体的每个原子，他们变化也追随着当前的时间系统。古人有些神话故事说某个人，因为机缘巧合一下子飞到了天界，开开心心游览了一天后回到人间，发现同龄小伙伴居然已经白发苍苍，看来这些烂漫传说真有其科学原理。
相对论已经够神奇，而原子内部遵循的量子力学更是不可思议。量子力学过于烧脑，不经过严格的物理和数学训练，根本无法入量子力学的门，对普罗大众而言，量子力学似乎演变成某种披着科学外衣的玄学或迷信。
最早揭露神奇的量子特性的科学家叫卢瑟福。他在研究原子中的电荷如何分布时，使用一种带电粒子像子弹一样射像原子，然后通过碰撞后产生的偏转角度来研究原子内部情况。卢瑟福的实验装置很简单：
他用放射性物质发出一速阿尔法粒子，打向一张金箔，在金箔后方放了一块靶屏，当粒子穿过金箔后击中后面屏幕产生极其微弱的光点，靶屏前面放置一块放大镜用于观察屏幕亮光然后计算粒子发送偏转的程度。按照卢瑟福估计，粒子会从金箔片的原子缝隙穿过，因此不会发生太大偏转，少数粒子受到原子内正电荷的排斥，发射路径会发射微弱的偏移。结果观察发现有不少粒子发生较大角度的偏转，其中有好几个居然被完全反弹回来。在卢瑟福实验之前，人们对原子的认知基于汤姆逊模型，那就是原子是由很多个带正负电荷微小电子充斥在一个小圆球内，如果真是这样的话，阿尔法粒子是不可能发生偏转的，这些电子就如同高速路上的小石子，而阿尔法粒子相当于你开着的汽车，很显然小石子无法阻挡你前进，你会一路畅通无阻。
但突然间砰的一声，你人仰马翻，这意味着你一定是撞到一座大石头。卢瑟福发现这个现象时极为惊讶的说：“我人生中发生过最不可思议的事情。它不可思议的程度就像你对着一张卫生纸发射一枚15英寸的炮弹，它却反弹回来击中你。”这个实验表明原子绝大部分质量和它所有的正电荷一定集中在它的中心，它的密度大到仅仅一小杯这种物质所形成的重量就是珠穆朗玛峰的100倍，他把这个物质定位为原子核。这就引出另一个更神秘的问题，那就是散布在原子核周围的电子是如何与原子核发生相对运动的，卢瑟福认为他们的关系如同地球和太阳，电子绕着原子核转。
当人看到电子和原子核的形态，很容易想到众星拱月。然而这种太阳系似的类比忽略了太阳系中行星间的相互作用，它同样也忽略了原子中不同电子之间的相互作用。这两种相互作用不一样，行星具有巨大的质量，而且没有净电荷，他们通过引力相互作用，但电子带电，质量很小，他们之间通过电磁力相互作用。引力是一种及其微弱的作用力，因此一颗行星对另外一个行星施加的引力出于实用目的可以忽略不计，例如太阳对地球的引力使得地球绕着太阳转，但并不影响我们人类愉快的吃吃喝喝；然而电子之间施加的电磁力相对他们而言会极为强劲，以致于他们不可能悠哉的做漂亮的圆型轨道。
另一个明显问题是，做圆周运动的行星和电子都会释放能量波。行星释放引力波，前几年刚被科学家探测到，电子释放电磁波。但由于引力及其微弱，因此在太阳系存在的几十亿年里，行星损失的能量微乎其微；但对电子而言，电磁力及其强大，根据麦克斯韦的电磁理论，做轨道运动的电子会释放出所有能量，并在大约一亿分之一秒内坠入原子核，换句话说，如果电子和原子核是众星拱月的关系，那么这个宇宙将不复存在。
此时波尔挺身而出，打破了牛顿力学在原子空间的统治地位。既然事实证明，原子内部的运动不像经典理论要求的那样发出能量波，那么原子内部的能量变化遵循怎样的规律？波尔从爱因斯坦的光电效应得到启发，将量子概念引入原子模型。波尔假定原子的性质量子化后，电子就无法连续朝向原子核做盘旋运动而导致能量损失，相反只有电子从一个容许轨道跃迁到另一个容许轨道的过中“重重下落”时，原子才会损失能量。
根据波尔理论，当原子被输入一种能量比如光子，那么电子吸收能量后跃迁到更靠外，能量也更高的轨道，当电子从外轨道跃迁到离原子核更近，能量更低的轨道时，它就会是释放能量，两个轨道间的能量差就是一个光子的能量。同时存在一条“最低”轨道，波尔将其称为“基态”，当电子到达这条轨道后它将不再损失能量，因此电子不会像经典力学预测的那样会“坠落”并砸向原子核。
波尔理论在光谱学研究中被证明是正确的。气态元素在被电流或强热“激发”时，会释放出光。光其实是一种具备特定频率的电磁波，但人们一直无法解释为什么会产生这样的现象，这种电磁波的频率和人的指纹一样，可以用来识别元素，波尔把它的原子模型运用到这种现象的解释上，经过运算他发现，他的“容许轨道”间的能量差异再现了所有曾经被观察到的许多系列谱线的频率，于是波尔的原子理论就可以完美的解释气态元素为何接收电流或强热时会发出相应频率的电磁波。
波尔的理论虽然完美解释了光谱现象，但引发了一个更大的问题，那就是电子是如何从一个能量轨道跃迁到另一个能量轨道，我们通常会想象电子跃迁时，它会走一个盘旋路径，从一个位置滑向另一个位置，但按照这种方式做跃迁所计算出的能量变化与实际观察不一致，这是波尔原子模型当时受到质疑和挑战之所在，卢瑟福就抓住这点批驳波尔的理论。
解决这个问题的，是海森堡和薛定谔。波尔招架不住质疑，信念上发生动摇，于是想修改自己提出的原子模型理论，一心想要把光子从他的原子模型中剔除，波尔走在正确的方向上，然而未知的路途一片迷茫，波尔看不见前进的方向，于是畏缩的往回退，恰逢此时海森堡挺身而出，举起明亮的火把，大声的吆喝：跟我走。
海森堡提出一个更加激进的物理学新观点：放弃对原子内部活动方式的物理想象是可行的，甚至是必要的：电子运动轨道只能在我们的头脑中想象出来，但现实中无法观察，这一论断后来发展为著名的‘海森堡测不准原理’。波尔虽然创新了理论，但他的思维模式依然基于经典牛顿力学，也就是物体世界中，例如抛射物，钟摆，行星等，它们的位置可以被观察和测量。
海森堡突破牛顿力学思维模式的束缚，他认为当事物的尺度小的超过一定程度后，牛顿力学的思维模式不再管用。也就是说原子的尺度太小，其内部状况无法在现实世界里观测。尽管无法观测，但并不意味着人类无法掌握原子内部的运行规律，人类完全可以通过原子的能量反应来掌握原子内部的变化规律。海森堡首先做的是为原子挑选合适的观察量：原子释放的光的频率以及谱线的振幅或强度。他创造了极为复杂的数学体系将位置和速度这些在牛顿物理观里可以测量的变量与谱线联系起来，根据海森堡的理论，在原子内部不存在所谓的“位置”和“速度”，电子通过“瞬间移动”来变化位置。说起来非常诡异，试想你要从北京到上海，肯定需要坐飞机火车，跨越一段距离后才能从一个地方抵达另一个地方，按照海森堡的量子力学论，只要你一“发功”，然后啪的一声，你会在北京消失，然后下一秒便“啪”的一声出现在上海。80零后很熟悉的漫画《七龙珠》，里面主角孙悟空就具备这种特异功能。
正是海森堡创建的量子力学中否定了位置与速度的存在，招致了爱因斯坦的反对。爱因斯坦无法接受一个否定定义明确的物体现实存在的理论，从此来自量子力学的一帮科学家联合起来跟爱因斯坦死磕，量子力学认为电子没有所谓特定轨道，其按照一定概率在某部分空间出现，它一会变换在这，一会又变换在另一个地方，这种反复变换就形成了所谓的“电子云”，爱因斯坦由于不接受不确定性的电子变换方式，因此说出了那句名言：我相信上帝不掷骰子。很快实验证明海森堡理论正确性，诺贝尔奖获得者泡利根据海森堡理论，通过实验获取了氢元素谱线，并准确的展示了他们如何受电场和磁场的影响，这在海森堡理论发表前根本没办法做到。
量子力学被奥地利物理学家埃尔文.薛定谔提升到全新高度。相对于海森堡，薛定谔的理论更加简明扼要，数学体系也远没有海森堡理论那么复杂，因此薛定谔的理论更容易受科学界接受。薛定谔把原子内部的电子轨道跃迁称之为“物质波”，其理论推导出来的结果与海森堡如出一辙，它是对量子力学的另一种描述，确切点说，两人用两种不同的语言道出同一本质。现在人们对薛定谔的理解莫过于所谓“薛定谔的猫”，这已经是个老梗，我们就不必多费唇舌。
无论任何时代，人们总以为自己活在知识的巅峰。很快科学的突破总是用人类智慧自身的伟大来印证人类的渺小与幼稚，原以为站在山顶，结果下一秒就意识到自己其实站在山脚，一座巍峨的认知高峰横躺面前，等待人的攀登。刚去世不久的大物理学家霍金曾经预言，20世纪结束时，科学家将会发现“大一统理论”，通过一套理论把所有的作用力统一起来，一旦统一，物理学的死胡同就被人们走到了，然而直到今天，局面越来越清晰的表明，不存在这种统一理论，这意味着自然界的奥秘，人类可能永远无法穷尽。然而我们为什么要如此贪婪而又急切的把一切奥秘都揭开呢，就像胡适说的：怕什么真理无穷，进一寸就有进一寸的惊喜，当我们竭尽全力，吃尽苦头，最终在解释宇宙真理的路途上稍微前进一点点时，我们获取的喜悦，欢快，自豪，这些难以言状的人类情绪也许是复杂如量子力学也难以解释。
永远走在前进的道路上，我想这是人类真正的伟大所在。
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