大物理學家費曼曾說：“如果人類社會因為核子戰爭使得所有文明毀于一旦，那么人只需要記住一個觀念即可：事物是由原子組成的。”現在初中畢業，學過一點化學常識的人都能倘然的接受并承認這一論點，然而很多讓現在人習以為常的觀點或論斷，如果把時間倒推回幾十乃至上百年，那么現在普遍接受的觀念在當時會被認為是胡說八道，甚至是大逆不道，因此量子力學的開山鼻祖普朗克才說：“要接受一個新的科學真理，并不用說服它的反對者，而是等到反對者相繼死去，新的一代從一開始便清楚地明白這一真理。”
極具諷刺意味的是，這段話居然能用到愛因斯坦身上.他本人是量子力學的重量級反對者，由于他作為物理學界的‘珠穆朗瑪峰’，他的反對曾經使得量子力學的發展承受巨大的阻力，當年開創量子力學的一幫科學家聯合起來與愛因斯坦死磕，有些科學家還因為愛因斯坦反對量子力學而痛哭流涕，而事實是，等到愛因斯坦去世后，量子力學才得以受到普遍接受和快速發展。
物理學的發展經歷了三個顛覆性階段。第一階段自然是牛頓力學，牛頓創建了一套理論體系，完美的解釋了在宏觀尺度上所有物體的運行規律，牛頓之前，人類在自然界面前完全是兩眼一抹黑，在認知的道路上前進時就如同瞎子走盲道，這里摸摸，那里摸摸，通過大量實踐和試錯后才能前進一點點，很多時候還會被客觀世界磕碰得頭破血流，這時上帝說要有光，于是牛頓降臨，牛頓力學就如升起的太陽，一下子把原本烏黑的前進道路照射得光明透亮，從此人類對時間的認知開始了突飛猛進的歷程。
第二個階段是愛因斯坦提出相對論，按諾貝爾獎得主楊振寧的說法是，他的理論創新引發人類關于物理世界基本概念：時間，空間，能量，光和物質的三大革命，這一點非常值得我們好好了解；第三階段則是及其燒腦的量子力學，由于其邏輯過于復雜，而且它所描述的景象太過于反常理，直到現在它已經有了上百年的發展歷程，能接受它的人依然少之又少，而且愛因斯坦還是他的反對者。
我們先看看愛因斯坦無以倫比的理論創建。1905年被譽為愛因斯坦奇跡年，這一年他發表了四篇論文，每一篇論文都具有翻天覆地般的革命性震撼力，你可以認為在1905年以前，物理學就如一馬平川的平原，然而就在這一年，轟隆轟隆，世界天搖地動，一瞬間四座珠穆朗瑪峰在平原在拔地而起。1905年6月9日愛因斯坦發表《關于光的產生和轉變的一個啟發性觀點》這篇論文里，他提出了光的波粒二象性，從而對“光電效應”做出完美解釋，物理學家對光的認知分為兩派，一派認為光是由很多個“粒子”組成，另一派認為光是一種波，但這兩種理論都有缺陷，愛因斯坦把這兩種理論完美的結合起來，同時提出一個解釋說，光的能量不是連續的，而是一份一份的，是“量子”化的，這篇論文開啟了量子力學。
1905年7月18日愛因斯坦發表《熱的分子運動論所要求靜止液體中懸浮粒子的運動》，它解釋了布朗運動，特別是這篇論文從理論上證實了物質由原子和分子組成的猜測。科學家一直懷疑物質可以分解成原子大小，但由于這些’顆粒‘的尺度太小，人類沒有觀測并加以證實的手段。將近80年前，英國植物學家羅伯特.布朗用顯微鏡觀測到花粉顆粒在水里一直做無規則運動，愛因斯坦這篇論文解釋說花粉之所以運動，是水分子做熱運動時撞擊它的結果，并且通過理論準確計算了水分子的性質，這是人類第一次實錘證實分子和原子這種微觀粒子的存在。
1905年9月26日，愛因斯坦發表《論運動物體的電動力學》，這篇論文提出狹義相對論。11月21日，愛因斯坦發表《物體的慣性同它所含的能量有關嗎？》，這篇論文開創廣義相對論，并提出一個人盡皆知的公式：E=mc^2。這幾篇論文，每一篇都具備革命性，有很多杰出的物理學家很可能究其畢生之力都未必能寫得出其中一篇那樣高水平的文章。前蘇聯物理學家朗道，也是諾貝爾獎獲得者把物理學家由低到高分為5級，他自認處于2.5級，而這5級中居然不包含愛因斯坦，因為他認為愛因斯坦處于0級！這些論文短短幾年之后就獲得實驗上的證實，并被普遍接受，在1921年，講光電效應那篇論文還獲得一個小獎叫“諾貝爾獎”。
相對論為人類開創了全新的時空觀。整套理論的掌握當然很復雜，據說理論剛出來時，全世界只有2.5個人能掌握，其實相對論要做初步理解并不難，只需要你具備小學數學水平即可。我們通過一個簡單的例子就能體會到，古人所說天上一日，地上千年，誠不欺我也。假設我們在超高速和諧號上做一個實驗：
一速光從鏡子A發出，抵達鏡子B后被反射回來，如果兩面鏡子之間的距離是L，光速用C表示，那么光從發出到被反射回來，所需時間是t = 2 * L/C，時間等于距離除以速度，這規律上過小學的人都知道，由于光從A到B走了距離L，從B再返回A又走了距離L，因此我們計算時間是要乘以2。
假設有一個人靜止站在車外，并且能看到這個實驗，由于和諧號相對于站著的人是快速向前進的，所以人看到光發射和返回的情況如下圖：
由于光是在快速運行的列車上發出，因此光除了有一個垂直射向鏡子的速度外，還有一個橫向前進的速度，這兩個速度合在一起就如上圖中綠色和藍色的斜線，理解這點就需要有高中物理學知識，那么對這個人而言，光從發射到反彈所經歷的時間為 t' = 2 * D/C，C還是表示光速，但它走的距離變成了D，由于兩點之間直線距離最短，因此D > L，因此t' > t，于是對于同一件事，在車外的人看來，它發生的時間便長了，用通俗化講就是“運動物體的時間會變慢”，按這道理，如果你一輩子經常坐高鐵，那意味著你的“相對”壽命比較長，這并不意味著你原來能活80歲，坐高鐵就能活100歲，而是另一個不在高鐵上也活80歲的人會比你嗝屁得早！
根據相對論原理，物理定律在任何一個運算直線運動的坐標系中都一樣，在運動速度快的系統內，時間相對變慢了。神奇的是你的意識，身上每個細胞的新陳代謝，組成你身體的每個原子，他們變化也追隨著當前的時間系統。古人有些神話故事說某個人，因為機緣巧合一下子飛到了天界，開開心心游覽了一天后回到人間，發現同齡小伙伴居然已經白發蒼蒼，看來這些爛漫傳說真有其科學原理。
相對論已經夠神奇，而原子內部遵循的量子力學更是不可思議。量子力學過于燒腦，不經過嚴格的物理和數學訓練，根本無法入量子力學的門，對普羅大眾而言，量子力學似乎演變成某種披著科學外衣的玄學或迷信。
最早揭露神奇的量子特性的科學家叫盧瑟福。他在研究原子中的電荷如何分布時，使用一種帶電粒子像子彈一樣射像原子，然后通過碰撞后產生的偏轉角度來研究原子內部情況。盧瑟福的實驗裝置很簡單：
他用放射性物質發出一速阿爾法粒子，打向一張金箔，在金箔后方放了一塊靶屏，當粒子穿過金箔后擊中后面屏幕產生極其微弱的光點，靶屏前面放置一塊放大鏡用于觀察屏幕亮光然后計算粒子發送偏轉的程度。按照盧瑟福估計，粒子會從金箔片的原子縫隙穿過，因此不會發生太大偏轉，少數粒子受到原子內正電荷的排斥，發射路徑會發射微弱的偏移。結果觀察發現有不少粒子發生較大角度的偏轉，其中有好幾個居然被完全反彈回來。在盧瑟福實驗之前，人們對原子的認知基于湯姆遜模型，那就是原子是由很多個帶正負電荷微小電子充斥在一個小圓球內，如果真是這樣的話，阿爾法粒子是不可能發生偏轉的，這些電子就如同高速路上的小石子，而阿爾法粒子相當于你開著的汽車，很顯然小石子無法阻擋你前進，你會一路暢通無阻。
但突然間砰的一聲，你人仰馬翻，這意味著你一定是撞到一座大石頭。盧瑟福發現這個現象時極為驚訝的說：“我人生中發生過最不可思議的事情。它不可思議的程度就像你對著一張衛生紙發射一枚15英寸的炮彈，它卻反彈回來擊中你。”這個實驗表明原子絕大部分質量和它所有的正電荷一定集中在它的中心，它的密度大到僅僅一小杯這種物質所形成的重量就是珠穆朗瑪峰的100倍，他把這個物質定位為原子核。這就引出另一個更神秘的問題，那就是散布在原子核周圍的電子是如何與原子核發生相對運動的，盧瑟福認為他們的關系如同地球和太陽，電子繞著原子核轉。
當人看到電子和原子核的形態，很容易想到眾星拱月。然而這種太陽系似的類比忽略了太陽系中行星間的相互作用，它同樣也忽略了原子中不同電子之間的相互作用。這兩種相互作用不一樣，行星具有巨大的質量，而且沒有凈電荷，他們通過引力相互作用，但電子帶電，質量很小，他們之間通過電磁力相互作用。引力是一種及其微弱的作用力，因此一顆行星對另外一個行星施加的引力出于實用目的可以忽略不計，例如太陽對地球的引力使得地球繞著太陽轉，但并不影響我們人類愉快的吃吃喝喝；然而電子之間施加的電磁力相對他們而言會極為強勁，以致于他們不可能悠哉的做漂亮的圓型軌道。
另一個明顯問題是，做圓周運動的行星和電子都會釋放能量波。行星釋放引力波，前幾年剛被科學家探測到，電子釋放電磁波。但由于引力及其微弱，因此在太陽系存在的幾十億年里，行星損失的能量微乎其微；但對電子而言，電磁力及其強大，根據麥克斯韋的電磁理論，做軌道運動的電子會釋放出所有能量，并在大約一億分之一秒內墜入原子核，換句話說，如果電子和原子核是眾星拱月的關系，那么這個宇宙將不復存在。
此時波爾挺身而出，打破了牛頓力學在原子空間的統治地位。既然事實證明，原子內部的運動不像經典理論要求的那樣發出能量波，那么原子內部的能量變化遵循怎樣的規律？波爾從愛因斯坦的光電效應得到啟發，將量子概念引入原子模型。波爾假定原子的性質量子化后，電子就無法連續朝向原子核做盤旋運動而導致能量損失，相反只有電子從一個容許軌道躍遷到另一個容許軌道的過中“重重下落”時，原子才會損失能量。
根據波爾理論，當原子被輸入一種能量比如光子，那么電子吸收能量后躍遷到更靠外，能量也更高的軌道，當電子從外軌道躍遷到離原子核更近，能量更低的軌道時，它就會是釋放能量，兩個軌道間的能量差就是一個光子的能量。同時存在一條“最低”軌道，波爾將其稱為“基態”，當電子到達這條軌道后它將不再損失能量，因此電子不會像經典力學預測的那樣會“墜落”并砸向原子核。
波爾理論在光譜學研究中被證明是正確的。氣態元素在被電流或強熱“激發”時，會釋放出光。光其實是一種具備特定頻率的電磁波，但人們一直無法解釋為什么會產生這樣的現象，這種電磁波的頻率和人的指紋一樣，可以用來識別元素，波爾把它的原子模型運用到這種現象的解釋上，經過運算他發現，他的“容許軌道”間的能量差異再現了所有曾經被觀察到的許多系列譜線的頻率，于是波爾的原子理論就可以完美的解釋氣態元素為何接收電流或強熱時會發出相應頻率的電磁波。
波爾的理論雖然完美解釋了光譜現象，但引發了一個更大的問題，那就是電子是如何從一個能量軌道躍遷到另一個能量軌道，我們通常會想象電子躍遷時，它會走一個盤旋路徑，從一個位置滑向另一個位置，但按照這種方式做躍遷所計算出的能量變化與實際觀察不一致，這是波爾原子模型當時受到質疑和挑戰之所在，盧瑟福就抓住這點批駁波爾的理論。
解決這個問題的，是海森堡和薛定諤。波爾招架不住質疑，信念上發生動搖，于是想修改自己提出的原子模型理論，一心想要把光子從他的原子模型中剔除，波爾走在正確的方向上，然而未知的路途一片迷茫，波爾看不見前進的方向，于是畏縮的往回退，恰逢此時海森堡挺身而出，舉起明亮的火把，大聲的吆喝：跟我走。
海森堡提出一個更加激進的物理學新觀點：放棄對原子內部活動方式的物理想象是可行的，甚至是必要的：電子運動軌道只能在我們的頭腦中想象出來，但現實中無法觀察，這一論斷后來發展為著名的‘海森堡測不準原理’。波爾雖然創新了理論，但他的思維模式依然基于經典牛頓力學，也就是物體世界中，例如拋射物，鐘擺，行星等，它們的位置可以被觀察和測量。
海森堡突破牛頓力學思維模式的束縛，他認為當事物的尺度小的超過一定程度后，牛頓力學的思維模式不再管用。也就是說原子的尺度太小，其內部狀況無法在現實世界里觀測。盡管無法觀測，但并不意味著人類無法掌握原子內部的運行規律，人類完全可以通過原子的能量反應來掌握原子內部的變化規律。海森堡首先做的是為原子挑選合適的觀察量：原子釋放的光的頻率以及譜線的振幅或強度。他創造了極為復雜的數學體系將位置和速度這些在牛頓物理觀里可以測量的變量與譜線聯系起來，根據海森堡的理論，在原子內部不存在所謂的“位置”和“速度”，電子通過“瞬間移動”來變化位置。說起來非常詭異，試想你要從北京到上海，肯定需要坐飛機火車，跨越一段距離后才能從一個地方抵達另一個地方，按照海森堡的量子力學論，只要你一“發功”，然后啪的一聲，你會在北京消失，然后下一秒便“啪”的一聲出現在上海。80零后很熟悉的漫畫《七龍珠》，里面主角孫悟空就具備這種特異功能。
正是海森堡創建的量子力學中否定了位置與速度的存在，招致了愛因斯坦的反對。愛因斯坦無法接受一個否定定義明確的物體現實存在的理論，從此來自量子力學的一幫科學家聯合起來跟愛因斯坦死磕，量子力學認為電子沒有所謂特定軌道，其按照一定概率在某部分空間出現，它一會變換在這，一會又變換在另一個地方，這種反復變換就形成了所謂的“電子云”，愛因斯坦由于不接受不確定性的電子變換方式，因此說出了那句名言：我相信上帝不擲骰子。很快實驗證明海森堡理論正確性，諾貝爾獎獲得者泡利根據海森堡理論，通過實驗獲取了氫元素譜線，并準確的展示了他們如何受電場和磁場的影響，這在海森堡理論發表前根本沒辦法做到。
量子力學被奧地利物理學家埃爾文.薛定諤提升到全新高度。相對于海森堡，薛定諤的理論更加簡明扼要，數學體系也遠沒有海森堡理論那么復雜，因此薛定諤的理論更容易受科學界接受。薛定諤把原子內部的電子軌道躍遷稱之為“物質波”，其理論推導出來的結果與海森堡如出一轍，它是對量子力學的另一種描述，確切點說，兩人用兩種不同的語言道出同一本質。現在人們對薛定諤的理解莫過于所謂“薛定諤的貓”，這已經是個老梗，我們就不必多費唇舌。
無論任何時代，人們總以為自己活在知識的巔峰。很快科學的突破總是用人類智慧自身的偉大來印證人類的渺小與幼稚，原以為站在山頂，結果下一秒就意識到自己其實站在山腳，一座巍峨的認知高峰橫躺面前，等待人的攀登。剛去世不久的大物理學家霍金曾經預言，20世紀結束時，科學家將會發現“大一統理論”，通過一套理論把所有的作用力統一起來，一旦統一，物理學的死胡同就被人們走到了，然而直到今天，局面越來越清晰的表明，不存在這種統一理論，這意味著自然界的奧秘，人類可能永遠無法窮盡。然而我們為什么要如此貪婪而又急切的把一切奧秘都揭開呢，就像胡適說的：怕什么真理無窮，進一寸就有進一寸的驚喜，當我們竭盡全力，吃盡苦頭，最終在解釋宇宙真理的路途上稍微前進一點點時，我們獲取的喜悅，歡快，自豪，這些難以言狀的人類情緒也許是復雜如量子力學也難以解釋。
永遠走在前進的道路上，我想這是人類真正的偉大所在。
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