假如要推选20世纪最为深刻地影响了人类社会的风波，这么可以毫不夸张地说，这既不是两次世界大战，也不是联合国的创立，或则殖民主义的衰落、人类探求太空等等，它应当被授予这一风波——量子热学及其相关理论的成立和发展。作为20世纪与相对论齐名的两大化学发觉之一，量子论愈发深入我们生活的每一个角落。它的出现彻底地改变了世界的面貌，它比史上任何一种理论都引起了更多的技术革命。核能、计算机技术、新材料、能源技术、信息技术……这些都在根本上和量子论密切相关。而量子热学作为大专阶段化学学科最重要的“四大热学”课程之一，因为其与精典化学学强烈冲突的世界观，也一般被觉得是学上去难度最大、接受过程最为摧残人的课程。记得我大专时有位老师曾说过：“如果有朋友第一次学习量子热学时就说他学懂了，那他一定是在胡扯。”时隔多年，直至我博士结业走上工作岗位，对这句话仍然印象深刻，每当想起都深以为然。
前三年在我进行“物理学史”这门课的备课工作过程中，找寻相关资料时碰巧读到了这本《上帝掷色子吗——量子化学简史》（后文简称《史话》）。当时就认为甚为震撼，连着几个夜晚一口气读完，震惊于原先科普可以写得如此精彩，原先量子化学可以解释得如此浅显生动。在喜悦于自己有幸读到如此一本好书的同时，又遗憾自己没能在更年青的时侯读它。阅读《史话》并不须要很深的专业背景，事实上作者曹天元假设它的读者只须要具有中学的语文水平和一点点中学数学知识。再加上此书偏向网路文学的语言风格量子物理史话（1，使其读上去愈发轻松，可读性很强。虽然你对数理完全不通，也一定能自此书中感遭到那种科学大改革时代的风云变幻，以及身处其中的乱世英雄们的迷惘与坚定。正如作者在自序中所说，假如科学是一种产品，这么科普就好比是它的广告。广告的作用并不在于让人了解这个产品的技术细节，而只是迸发人们对这个产品的订购兴趣。如今我们就从不同的角度来感受一下《史话》的精彩内容。读完此书，恐怕你会爱上数学学。
01
命运的安排
从书名中便很容易看出，《史话》写的是历史。对于量子论这样一个史上最颠覆三观和无法理解的理论，要想给非专业的读者解释明白着实不容易。而本书从历史的角度出发，在描述量子论怎样在种种的征兆中渐渐漏出真面目，怎样在瞬息间砸烂矗立了几百年的精典化学大楼，以及怎样在世人的指责中艰辛地前进的同时，也让读者跟随着当初诸多化学学家们的步伐逐渐揭露量子化学神秘的面纱。
量子论发展的历史是极具戏曲性的，这在其诞生之初便可见一斑。在《史话》的开头，作者将他的故事从1887年的法国小城卡尔斯鲁厄讲起。当时，新婚不久的赫兹刚满30岁，在远离城市喧闹的卡尔斯鲁厄学院实验室中成功地验证了电磁波的存在。他的成功标志着数学学的一个新高峰——电磁理论总算被构建上去。法拉第为它打下了地基，麦克斯韦建造了它的主体，而赫兹为这座大楼封了顶。古老的光学也总算可以被完全宽容于新兴的电磁学上面，而“光是电磁波的一种”的论断，也总算为争辩已久的光本性问题下了一个貌似是不可推翻的定论。
在19世纪末，数学学征服了世界，它的力量控制着一切人们所知的现象。精典热学、经典电动热学和精典热力学（加上统计热学）产生了化学世界的三大支柱。它们彼此相符且相互宽容，紧紧地结合在一块儿，构建起了一座华丽而巍峨的精典化学殿堂。人们开始倾向于觉得：数学学已然终结，所有的问题都可以用这个集大成的体系来解决，而不会再有任何真正兴奋人心的发觉了。一位知名的科学家（听说就是伟大的开尔文侯爵）说：“物理学的未来，将只有在小数点第六位前面去找寻。”这样的伟大时期在科学史上是空前的，毕竟也将是绝后的。但是，这个统一的强大帝国却注定只能昙花一现。纷扰一时的繁盛，终究要像泡沫那样破灭凋谢。
1887年的电磁波实验的意义远比当时的赫兹所以为的还要复杂而深远。由于他在观测电磁波的同时无意间发觉了一个很奇怪的现象，那就是在光照下电极形成的电火花会显著更加大烈。被喜悦抢占满心的赫兹当时并没有对此非常在乎，在他关于电磁波实验的论文中也只是简单带过了这个发觉。但是，后人进一步研究发觉这是因为光照到金属表面会促使有电子逸出，也就是知名的光电效应。对光电效应现象的解释摧残了诸多化学学家近30年，给光的波动学说带来了前所未有的困难，直至1905年爱因斯坦提出了光量子的假说。赫兹的实验彻底完成了电磁场论，为精典化学的繁荣添加了浓墨工笔的一笔；同时也潜藏下了促进精典化学自身毁灭的装备，蕴育出革命的种子。
另一方面，1887年10月，基尔霍夫在柏林逝世，赫兹的老师亥姆霍兹强烈地推荐他为该院长职位的继任者。而且恬淡名利的赫兹似乎并不喜欢柏林的喧闹，回绝了这一约请。他后来去了贝多芬的家乡克拉科夫，不久以后去世在哪里。连赫兹自己都不晓得，他早已亲手触摸到了“量子”这个还在沉睡的幽灵，虽然还没能将其唤起，却早已给刚才抵达繁盛的电磁场论安排了一个可怕的诅咒。而顶替他去柏林任教的那种人，则会在一个命中注定的时刻把这个幽灵从沉睡中唤起，他就是“量子之父”普朗克。似乎量子的概念太过爆燃性，太过革命性，命运在冥冥中安排了它必须在新的世纪中才可以出现，把怀旧和精典留给了旧世纪。只是可惜赫兹走得太早，没能亲眼见到它的诞生，没能目睹它到底即将给这个世界带来哪些样的变化。
因为赫兹的拒绝，辛运之神降临到普朗克的身上，他来到柏林学院，接替了基尔霍夫的职位，成为理论化学研究所的所长。正是在此期间，普朗克接触到了当时被叫做“物理学放晴天空中的一朵乌云”的宋体幅射问题。当时关于宋体幅射的能量与频度关系的实验与理论不符，普朗克在前人的公式基础上借助物理插补的方式得到了一个自己的公式。1900年，就在他把新公式公诸于众的昨晚，普朗克的同事鲁本斯就仔细比较了这个公式与实验的结果。让他又惊又喜的是，普朗克的公式大获全胜，在每一个波段里，这个公式给出的数据都非常精确地与实验值相符合。第二天，鲁本斯便把这个结果告知了普朗克本人，在这个彻底的成功面前，普朗克自己都不由得一愣。他没有想到，这个完全是侥幸堆砌下来的经验公式竟然有着这样强悍的威力。但是，它到底代表了哪些样的数学意义呢？他发觉自己处在一个相当难堪的位置，知其但是不知其所以然。普朗克当时做梦也没有想到，他的工作绝不仅仅是改变化学学的一些面貌而已。事实上，整个数学学和物理都将被彻底捣毁和重建，一个新的时代正式到来。
普朗克最终发觉，要想他的公式创立，“必须假设，能量在发射和吸收的时侯，不是连续不断，而是分成一份一份的。”正是这个假设，推翻了自牛顿以来200多年里，当初被觉得是结实不可捣毁的精典世界。这个假设以及它所衍生出的意义，彻底改变了自古以来人们对世界最根本的认识。能量的释放是连续的，它总可以在某个时刻达到一定范围内任何可能的值。这个观念是这么直接地植根于人们的内心深处，天经地义通常。这些连续性、平滑性的假定，是微积分的根本基础。牛顿、麦克斯韦那庞大的体系，便建筑在这个地基之上，渡过了百年的风雨。当化学遇见困难的时侯，人们纵有怀疑的眼神，也最多是盯住那巍峨大楼，追问它是不是在建筑结构上有问题，却未曾丝毫怀疑过它脚下的农地是否坚实。而如今，普朗克的假定引起了一场大地震，数学学所赖以完善的根本基础开始动摇了。
02
延绵300年的“波粒战争”
在表述量子论诞生到发展的进程时，《史话》从人们熟悉的光的本性问题出发。针对人们关于光的大战，为读者勾勒了一幅波澜辽阔、跨越千百年的历史画卷。光到底是一种哪些东西？古埃及人基于光的直线传播现象，倾向于把光看成是一种十分细小的粒子流，这便是初期的“微粒说”。而17世纪初，荷兰的格里马第观察到了光的小孔衍射现象，第一次将光与波联系了上去，这就是初期的“波动说”。第一次“波粒战争”爆发于17世纪中期，其导火索为光的颜色问题的解释。波动说的主力军为罗伯特•胡克与惠更斯。她们觉得光的颜色是因为波动频度不同造成的，惠更斯更是推导入了光的反射与折射定理。而她们的对手则是大名鼎鼎的牛顿。牛顿一开始便笃信“微粒说”，他觉得光是不同颜色的微粒的混和。历史上牛顿和胡克的不合正是起源于关于光的争辩。而当牛顿成为那种出版了《数学原理》的牛顿然后，他早已成为科学史上神话般的人物，本次对决也毫无悬念地以“微粒说”的胜利而告终。
时过境迁，一个世纪过去后，美国天才数学学家托马斯•杨横空出世。1807年，杨出版的《自然哲学课件》中，整理了他在光学方面的工作，并第一次描述了他那种扬名四海的实验：光的双缝干涉。正是这个现在出现在每一本小学数学教科书上的实验点燃了第二次“波粒战争”的烽烟。当时仍有好多知名化学学家相信牛顿的“微粒说”，其中包括马吕斯、拉普拉斯、泊松等。马吕斯发觉的光的偏振光现象给杨的理论带来了困难。但是很快，名不见经传的德国工程师菲涅耳用波动的理论完满地解释了光的衍射问题。他还革命性地觉得光是一种横波，这解决了仍然以来困惑“波动说”的偏振光问题，就此奠定了“波动说”的胜利。1865年，麦克斯韦完成了他开天辟地的电磁理论的系列论文，他的理论预言，光虽然只是电磁波的一种。直至这个预言由赫兹在1887年用实验否认，光的“波动说”的统治地位再无人可撼动半分。
20世纪注定是个动乱的世纪，不仅人类历史上的两次世界大战之外，普朗克的量子假说早已开始撼动矗立百年的精典化学大楼。而此时，赫兹当初种下的种子——光电效应——也总算破土而出。科学家们很快发觉，麦克斯韦的理论难以解释光电效应实验中电子获得能量由光的频度决定的现象以及过程的瞬时性。但是麦克斯韦的等式组又是那样的优美，人们连一个字母都不乐意去动它，更甚或其错误。恰巧的是，哪个时代正好生活着科学史上最天才最大胆的传奇人物，他就是爱因斯坦。1905年，爱因斯坦大胆地从普朗克的量子假说出发，觉得光也不是连续的，而是由一个个分立的“光量子”组成，因而在理论上完美地解释了光电效应现象。一时间，世界震惊，人们纷纷指责爱因斯坦的大胆。日本人密立根想用实验来否认光量子图象是错误的，但抨击的是，多次实验过后，他却反倒否认了爱因斯坦等式的正确性。直至1923年康普顿研究X射线被电子散射的时侯，发觉光甚至满足粒子的动量守恒定理，至此，“微粒说”卷土重来，掀起了第三次“波粒战争”。
而来到量午时代的“波动说”也拿起了新的装备，瑞典贵族路易斯•德布罗意正是受了爱因斯坦的启发。他觉得，既然光是一种粒子，为什么粒子不能反过来是一种波呢？他在自己的博士论文中证明了电子也是一种波，而且给出了估算所有粒子所对应的波的波长公式。很快，实验化学学家就给出了证据。1927年，戴维逊和他的助手革末以及G.P.汤姆逊均发觉了电子的衍射现象。“德布罗意波”的提出将第三次“波粒战争”推向了高潮。电子，乃至整个物质世界都被卷了进来。这场波粒战争，早已远远超出了光的范围，整个数学体系现在都陷于这个争辩中，因而产生了一次名副显然的世界大战。
在此期间，量子的概念也在急剧地发展着。1913年，尼尔斯•玻尔提出了他的原子分立基态理论，觉得电子在围绕原子核旋转的时侯所处的轨道不是连续的，而是只能处于一些不连续的特定能量的轨道中。玻尔的原子模型成功地解释了困惑科学家们多年的原子分立波谱问题，正是电子在分立轨道之间跳跃所释放的能量形成了不连续的光谱。但是玻尔的理论却和麦克斯韦理论有着重大的冲突量子物理史话（1，依照电磁理论，旋转的电子会不断地幅射电磁波而损失能量，它不可能稳定在一个固定的轨道。玻尔理论无法解释，为何电子有着离散的基态和量子化的行为，他只知其但是不知其所以然。玻尔在量子论和精典理论之间采取了折衷主义路线，这促使他的原子模型总是带着一种半新不旧的色调，最终由于难以克服的困难而崩溃。
在量子论发展的困局时期饰演救世主角色的是玻尔的中学生沃尔纳•海森堡。他觉得化学学所研究的对象应当只是才能被观察到的事物，而玻尔理论的问题正是出在了这儿。电子的轨道是人们想像下来的图象，根本没有办法观测到，而只有可以被观测到的数学量才有资格步入数学学。而实验中原子波谱所能检测的只是电子跃迁时形成的“能级差”。1925年，海森堡以能级差为基础，将电子的能量重新定义为一张由不同能级差组成的表格，据此成立了他的“矩阵热学”。另一边，埃尔文•薛定谔从波的角度出发，将电子看成德布罗意波，写出了享誉20世纪数学史的薛定谔波动多项式。1926年，薛定谔发表的系列论文构建了另一种全新的“波动热学”。虽然1930年保罗•狄拉克出版的那本精典量子热学教材中，两种热学被完美地统一成为量子论的不同抒发方式。两大力学创始人之间的分歧却越来越大，物理上的一致并不能制止人们对它进行不同的阐释。就矩阵方面来说，它的原意是粒子性和不连续性。而波动方面却一直在谈论波动性和连续性。“波粒战争”到达了最高潮，双方分别找到了各自可以依赖的政府，并把这场战争再度升级到对整个数学规律的解释这一层面起来。
是粒子还是波，烽烟弥漫了300年，正当双方相持不下的时侯，还是玻尔站了下来。玻尔觉得电子可以突显出粒子的一面，也可以诠释出波的一面，这完全取决于我们怎么去观察它。倘若采用光电效应的观察方法，这么它无疑是个粒子；要是用双缝来观察，这么它无疑是个波。波和粒子在同一时刻是互斥的，但它们却在一个更高的层次上统一在一起，作为电子的两面被列入一个整体概念中。这就是玻尔的“互补原理”，它连同克拉科夫的机率解释、海森堡的不确定性，两者共同构成了量子论“哥本哈根解释”的核心，至今依然深刻地影响我们对于整个宇宙的终极认识。第三次“波粒战争”便以这样一种曲艺化的形式收场。而量子世界的这些奇妙结合，就是大名鼎鼎的“波粒二象性”。
03
结语
量子论太过怪异，太令常人困扰，近百年来，没有三天它不遭到来自各方面的指责、指责甚至功击。其实，也有一些别的解释被纷纷提出，这儿面包括隐变量理论、多宇宙解释、系综解释、自发定域、退相干历史等等。《史话》的后半部份逐一地讨论了这种理论，而且公正地说，至今没有一个理论能代替“哥本哈根解释”的地位，也没有人能证明“哥本哈根解释”实际上“错了”。正是这种激烈的思想冲击和观念碰撞致使一部量子杂记这么波澜辽阔，兴奋人心，也促使量子论本身愈发显示出不朽的光辉来。量子论不像牛顿热学或则爱因斯坦相对论，它头上没有天才的个人标签，相反，整整一代精英共同促使了它的光荣。
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限于篇幅较长，本文第三章“颠覆认知的“结局””，以及精彩片断节选等内容请查看附件。