这是量子学派的第一个选修课程——“科学之美”系列的第一本书。
作者曹天元，科普诗人，1981年生于北京，学校结业后赴日本和中国澳门读书，主攻专业为生物物理和电子工程。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，并且是个那么年青的中国人，将无趣的化学讲的这么生动有趣。作者觉得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化学。
主要内容：述说了迄今为止还没有最终定论的量子化学的发展历程，主要围绕三次“波粒战争”来展开，以及这个过程中为量子热学作出重要贡献的、那个年代的天才的化学学家们与量子化学的故事，以及玻尔与爱因斯坦的知名辩论。顺便还闲谈了下个别化学学家们的逸闻轶事，其中包括最为知名的二战时日本纳粹为何没造出原子弹的“海森堡之谜”。
第一部份：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》的讲演。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，这动摇了精典化学学和精典时空观的基础；第二朵乌云指宋体幅射实验和理论不一致，即麦克斯韦-玻尔兹曼能量的研究窘境：即没有一套公式既适用于长波，又适用于短波。
第一朵乌云最终造成了相对论革命的爆发；第二朵乌云则造成了量子论革命的爆发。
迈克逊-莫雷实验：用意在于侦测光以太对于月球的甩尾速率。但推论显示不同方向上的光速没有差别，以太其实对于穿越其中的光线毫无影响。其实后来斐兹杰惹和洛伦兹分别独立地提出的假说促使以太的概念得以继续保留，但实验推论还是让人们对以太的意义提出了强烈指责。
以太，ether或，最初是古埃及哲学家所构想的一种物质，以前是假想的电磁波的传播媒介（波大多须要传播介质，如声波须要利用于空气，水波利用水等，电磁波被发觉是波之后，便开始找寻它的传播介质。爱因斯坦抛弃了以太说，觉得光速不变是基本原理，并借此为出发点成立了狭义相对论。其实后来以太被证明不存在，但还是在我们生活中留下了痕迹，例如以太网）。
数学学上定义的“黑体”是指这些可以吸收全部外来幅射的物体。19世纪末，人们开始阐述物体的能量幅射和湿度的函数关系。最初，宋体幅射的研究是基于精典热学，“黑体幅射”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，玻尔兹曼构建了热力学理论，这是宋体幅射研究的强悍理论基础。1893年，维恩提出了知名的幅射能量分布定理公式。并且维恩是用精典粒子的方式来剖析电磁波的。维恩公式和长波相符合，在短波方面则有误差。后来，美国化学学家瑞利和金斯更改了维恩定理，得到瑞利-金斯公式，这个公式适用于短波了，而且又不符合长波了。1900年，普朗克提出了新的公式，既适用于长波，又适用于短波。还提出颠覆性的假定：能量在发射和吸收的时侯不是连续的，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作是连续不间断的，这也是微积分的基础，牛顿和麦克斯韦体系也构建在这个基础之上。所以虽然普朗克在1900年12月14日发表名眷顾史的论文《黑体波谱中的能量分布》（那天便是量子热学的诞辰），他本人对待量子理论也抱有戒心，不断告戒人们在使用普朗克常数h时要尽量当心慎重。直至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。
第二部份：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：古埃及时代觉得光是由“光原子”组成，后来这些理论被称为“微粒说”；17世纪初的欧洲语文院长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“颜色是光照起来才形成的疗效”引起激烈争辩，成为战争的导火索。1665年，波义耳的助手胡克出版《显微术》，明晰支持波动说，此时波动说抢占上风。但胡克觉得光是纵波。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和和分开。此时胡克是评国会成员，他不但激烈抵制了牛顿的观点，还宣称牛顿的部份论文抄袭了他的思想，惹得我们的科学巨人牛顿震怒，自此一面摔倒支持微粒说。1690年，惠更斯的专著《光论》把波动说带到了兴旺的顶点。1704年，牛顿出版了划时代的专著《光学》，详细论述了光的色调叠合与分散，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难以解决的问题。——由于惠更斯于1695年逝世，波动说此时群龙无首，所以第一次波粒战争波动说败北。从此，微粒说几乎主宰乾坤历时一个世纪。（但微粒说难以解释光的干涉白色现象。）
2.第二次波粒战争：
1801年和1803年，托马斯·杨分别发表论文，探讨了怎样用波的干涉效应来解释牛顿环和衍射现象，还估算出了光的波长应当在1/36000到1/60000英寸之间。1807年，杨出版了《自然哲学课件》，描述了光的双缝干涉效应。此时，微粒说节节败退。1809年，马吕斯发觉了偏振光现象，这和已知的波动论有排斥的地方，微粒说开始指责。1819年，西班牙工程师菲涅尔在论文《关于偏振光光线的互相作用》中提出光是横波，用严密的物理推理完满地解释了光的衍射，还一并解决了困惑波动说的偏振光问题。但泊松在进行审查时发觉这一理论在用于圆盘衍射时，阴影中会出现一个亮斑。菲涅尔的朋友阿拉果对此进行实验测量，发觉亮斑的位置和色温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，它的领土便横贯整个电磁波的频段：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岁的赫兹发觉了电磁波的存在，否认了麦克斯韦理论，也否认了光虽然是电磁波一种，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。赫兹还估算出电磁波的前进速率等于光速。）
赫兹的实验：在既没有联接电瓶也没有任何能量来源的开口铜环上，有淡黄色的火花；假如光照到接收器，淡红色的火花更容易出现，这便是“光电效应”。以后的实验相继证明：光的硬度决定电子数量，光的频度决定能够打出电子。但假若光是波，就没道理会发生这些事。当时的化学学家们还在冥思苦想怎么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，但不晓得这个问题比想像的要严重的多。只有天才的爱因斯坦看出了问题。
爱因斯坦承继了普朗克的量子假定，他觉得光以量子的方式吸收能量，没有连续性，不能累积，一个量子迸发出一个对应的电子。这个假定让“第三次波粒大战”一触即发。——光量子似乎就是昔日微粒说的一种翻版，此时，当初被波动说战胜的微粒说以叛逆的姿态登上了舞台。就像当初起义的波动说一样，十分不为人所接受。
1915年，日本化学学家密立根原本想用实验证明光量子图象是错误的，但多次反复实验的结果却是证明了爱因斯坦等式的正确性，即光电现象都表现出量子化特点。
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，麦克斯韦理论也是阐明波动性。）
康普顿在研究X射线被自由电子散射时，发觉部分散射出来的射线比原先的射线波长要长。由此他大胆引入了光量子假定，发觉光子像普通小球那样，除了带有能量，还具有冲量，当它和电子相碰，便将自己的能量交换一部份给电子。——如果说上帝造了光，爱因斯坦则强调了哪些是光，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，以解决精典电磁热学难以解释的困局。
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》）则真正打开了量午时代的房门，其中的数据推论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遭到欢迎，由于这是在挑战精典数学，企图推翻麦克斯韦体系。那些人包括瑞利（上面提及过，瑞利-金斯线的发觉者之一）、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，量子的假定没有在他的体系里得到根本的地位，而其实只是一个调和精典理论和现实矛盾的附庸，所以它的没落和兴旺一样迅猛。
以后，西班牙贵族德布罗意提出相波（Phasewave），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，会形成一个可观测的衍射现象。
此后量子物理史话上帝掷骰子，日本化学学家戴维逊（C.J.）和革末（L.H.）否认了此预言。（戴维逊当时在东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的总裁撤消，摇身一弄成了大名鼎鼎的贝尔电话实验室BellLabs）。
不久后（1927年），G.P.汤姆逊（J.J.汤姆逊的女儿），在剑桥进一步证明了电子的波动性。
微粒派的另一条战壕：法国科学家威尔逊（C.T.R.）发明云室，可以看见电子的运行情况，完全符合精典粒子的规律。
微粒派在光领域的又一里程碑式的胜利：美国人玻色（S.N.Bose）把光看成是不可分辨的粒子的集合，从这个假定出发推论不仅普朗克的宋体公式。爱因斯坦进一步建立了玻色的思想，发展出了玻色-爱因斯坦统计方式。服从这些统计的粒子例如光子成为玻骰子（boson）。
为了给两派调停，玻尔在1924年和克拉默斯（）、斯雷特（）发表了BKS理论，舍弃了光量子的理论，尝试用对应原理在波和粒子间构建一种对应，但不久便被实验否决。
然后海森堡提出了矩阵热学——从直接观察到的原子谱线出发，引入矩阵的物理工具。指出观测到的分离性、跳跃性，以物理为惟一导向，不为直观经验所蒙蔽。究其根本，它所指出的波谱线及非连续性的一面，隐隐有微粒的身影。这个理论的核心人物有海森堡、波恩、约尔当、玻尔。（从粒子的运动多项式出发，原意是粒子性、不连续性）
之后薛定谔构建了波动热学，证明古老的精典热学只是新生的波动热学的一种特殊表现，完全地被宽容在波动热学内部。——薛定谔是从德布罗意的理论为切入点，指出电子作为波的连续性一面，以波动多项式来描述它的行为。爱因斯坦是这一派背后的精神领袖。（从波动多项式出发，波动性、连续性）
然而海森堡和薛定谔对对方的理论表示毫不掩饰的反感，因而有好多争辩。但它们都是从喀什顿函数而至的，两种热学在物理上是完全等价的。
然后克拉科夫提出机率解释，海森堡的“不确定性”原理（，最开始的英文翻译是“测不准原理”，后来改成了“不确定性”原理。海森堡以为这是构建在粒子本性上的，玻尔见谅这显然是同时建筑在连续性和不连续性三者之上的。），玻尔的互补原理（波粒二象性），两者共同构成了“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：二者原先是不可分割的一部份。就像动漫中教宗的善与恶两面，尽管在每位确定的时刻只有一面能表现下来，但它们确实集中在一个人身上。
然而量子论的破坏力的惊人的。机率解释和不确定性原理捣毁了精典世界的因果性，互补原理和不确定原理又合力摧毁了世界的客观性和实在性。
第三部份：玻尔和爱因斯坦的华山论剑（第五届、第六届索尔维大会）
尽管爱因斯坦曾提出了光量子假定，在量子论的发展中有不可磨灭的贡献，但他当时早已完全转入了新理论的对立面。那是由于爱因斯坦觉得化学就是阐明规律的，是确定的，不接受机率、不确定那一套。玻尔追忆说，爱因斯坦有次斥责般地问他，莫非亲爱的上帝真的掷色子不成（obderliebeGott）？
但无论对爱因斯坦提出的任何问题，看起来驽钝，但佩剑无锋，大巧不工的波尔都能想出对应的化解方式。爱因斯坦尚且没能劝说玻尔，反倒时常被指责得说不出话来。这似乎也反应了爱因斯坦和玻尔哲学心态的不同。
在哪个化学学急速发展的年代，作为化学学家也是很难适应和接受的。所以1933年9月25日，埃仑费斯特在英国莱登杀害了他那患有智力障碍的孩子，之后自缢。他在留给爱因斯坦、玻尔等好友的信中说变化的化学学让他绝望和嘶声裂肺，惟有选择自缢……由此可见，在那样一个天除草覆的飘摇乱世，两代化学学家的思想猛烈冲突和撞击带来的强烈深切。
虽然甩掉了爱因斯坦的怀疑，量子论也没有多轻松——被检测的困局困惑着，尤其是在薛定谔的猫提出以后（猫的死/活叠加状态）。
第四部份：可作为参考的小知识
1.宇宙138亿年历史，1000多亿个星体，3000万亿亿颗星体，月球46亿年。（这点BBC的纪录片《Theofthe》开篇也是这样讲的）
2.索尔维大会：索尔维（）是荷兰阿姆斯特丹人，对物理和化学很感兴趣，但因病错过了学院，后来靠发明制造苏打的新方式发了财，他像美国化学学家能斯特（）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、爱因斯坦等最出众的的化学学家聚首一堂，讨论最前沿的科学问题。所以就会有了那张知名相片：数学学全明星梦之队。
第一届索尔维大会于1911年在阿姆斯特丹举行，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：卢瑟福来自英国，是J.J.汤姆逊（发觉电子）的中学生（在汤姆逊退职后接替他成为剑桥卡文迪许实验室处长），除了他本人是伟大的化学学家，更是伟大的数学学导师。他的助手和中学生们绝大多数都十分出众，其中获得了诺贝尔奖的有（不包括他本人，起码有10位）：
尼尔斯·玻尔，量子论的奠基人和象征，1922年诺贝尔化学奖。
保罗·狄拉克（PaulDirac），量子论创始人之一，1933年诺贝尔化学奖。
詹姆斯·查德威克（James），中子的发觉者，1935年诺贝尔化学奖。
布莱克特（M.S.），一战后辞去陆军少校职务追随卢瑟福学习数学，因在宇宙线和核化学方面的巨大贡献获得1948年诺贝尔化学奖。
沃尔顿（E.T.S）和考克劳夫特（John）在卢瑟福的卡文迪许实验室建造了强悍的加速器来研究原子核内部结构，获得了1951年的诺贝尔化学学奖。
日本人索迪（Soddy）：1921年诺贝尔物理奖；荷兰人赫德钦（Von）：1943年诺贝尔物理奖；日本人哈恩（OttoHahn）：1944年诺贝尔物理奖；日本人鲍威尔（CecilFrank）：1950年诺贝尔化学学奖；日本人贝特（HansBethe）：1967年诺贝尔化学学奖；南斯拉夫人卡皮查（P.L.），1978年诺贝尔物理奖。
没得诺奖但同样出众的名子：汉斯·盖革（Hans）：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（）: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美国最大的货币面值——100元里面，作为国家对他最崇高的歉意和记念。
4.阿姆斯特丹研究所：玻尔36岁时成为了院长，他的人格魅力吸引了好多人，很快把这儿变为全亚洲的一个学术中心，让波兰这个弹丸小国出现了一个数学界眼里的胜地，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法。赫德钦（G.）、弗里西（O.）、弗兰克（J.Frank）、克拉默斯（H.）、克莱恩（O.Klein）、泡利、狄拉克、海森堡、约尔当、达尔文（C.）、乌仑贝克、古德施密特、莫特（N.Mott）、朗道（L.）、兰德（A.Lande）、鲍林（L.）、盖莫夫（G.Gamov）……
5.德布罗意：德布罗意是有史以来第一个仅凭着博士论文就直接获取诺贝尔奖的人。
6.母子诺贝尔：J.J,汤姆逊发觉电子，G.P.汤姆逊证明电子的波动性，二人均获得了诺贝尔奖。
居里夫人和她的儿子皮埃尔·居里获得了诺奖，她们的母亲Irene-Curie也和她的儿子与1935年获得了诺贝尔物理奖；居里夫人的另外个岳父，日本外交家HenryR.在1965年代表联合国儿童基金会（）获得了诺贝尔和平奖。
1915年，亨利·布拉格（HenryBragg）和劳伦斯·布拉格（Bragg）兄妹由于借助X射线对晶体结构作出了突出贡献，获得了诺贝尔化学学奖。当时劳伦斯仅25岁，是有史以来最年青的诺贝尔化学奖得主。
同尼尔斯·玻尔获得诺贝尔化学学奖，他的第4个孩子埃格·玻尔（AageBohr）也于1975年获得此项荣誉。尼尔斯·玻尔的女儿也是一位知名的生理学家，任教于奥斯陆学院，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）和凯·塞班（Kai）兄妹分别于1924和1981年获得诺贝尔化学奖。
7.量子热学发展的三地：阿姆斯特丹、哥廷根、慕尼黑
8.“男孩数学学”：量子论的发展几乎是年青人的天下。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年提出矩阵热学时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。因而被戏称为“男孩数学学”。和她们比上去，36岁的薛定谔和43岁的奥斯陆简直是老奶奶。克拉科夫在哥廷根的理论班也被称为“波恩幼儿园”。
约尔当是个胆怯和外向的人，有口吃，因而极少讲课和讲演。更严重的是，二战时站在了希特勒的一边，称为纳粹的怜悯者，被质疑以前告密。不仅成立了基本的矩阵热学方式，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当得到更多承认。
9.薛定谔的女同事：那位化学大师的道德观似乎和常人有一定距离，他请谁来做他的助手，虽然是看中了他人的妻子。并且薛定谔成立波动力学是在一味神秘丈夫的陪伴下，所以研究他的婚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（OskarKlein），除了把把薛定谔的等式相对论化了，还引进了“第五维度”的思想。以后的“超弦”便是由此蕴育而出。
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，哪些都是可能发生的，由于我们对时间十分确定，反过来对能量就十分不确定。能量物质可以逃脱数学定理的禁锢，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。为此，许多人相信宇宙本身便是通过这些机制形成的：量子效应致使一小块时空忽然从根本没有中形成，之后由于各类力的左右，忽然指数级地膨胀上去，在顿时扩大到整个宇宙的尺度。
12.奥卡姆剃刀（Occam'sRazor）：当两种说法都能解释相同学实时，应当相信假定最少的那种（化繁为简）。
13.阿姆斯特丹学派：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。其实，实际中并没有一个党派叫“哥本哈根派”，也并非一定要到过阿姆斯特丹才有资格跨入其列量子物理史话上帝掷骰子，简略地说，任何只要赞成“哥本哈根解释”的人都可归为赫尔辛基学派成员。
14.海森堡之谜：纳粹日本为何没能造出原子弹？新政的缘由？理论上的缘由？技术上的缘由？资源上的缘由或是道德上的缘由？海森堡是希特勒原子弹计划的总负责人，尽管犹太新政击退了好多诺奖获得者例如爱因斯坦、薛定谔、费米、波恩、泡利等，但美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，但美国欠缺相应的环境和资源；二、德国科学家一开始就认识到了原子弹所引起的道德问题，这些大杀伤力装备使她们意识到对人类负有的责任。并且对国家（不是纳粹）的义务又是的她们不得不投入到工作中，所以她们心怀矛盾，悲观怠工，有意无意地夸大了制造难度。
实际是日本人算错了参数，造成了对铀235的临界质量的夸大，以及舍弃了石墨反应，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，由于它代表着科学和理智精神。现代人无所事事刷社交媒体跟理智思维和科学精神的缺位有关。而中国中学生因为应试教育的诱因不能感受自然科学之美，文理分科的弊病也让许多中国人丧失了综合发展的机会。但人文精神和理智思维是不可能分开的，例如霍金、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多年前日本的罗蒙诺夫更是个涉及多个领域的全才。