想想你周围的世界：你拿着一本纸质书籍，纸由粉碎的木浆制成，后者则来自树木[1]。树木是一台能够获取原子和分子的机器，并通过分解它们，重造出由数万亿部件构成的细胞共同体。这个过程由一类叫作叶绿素的分子完成，该分子由百余个碳、氢、氧原子扭曲成复杂的形状，并靠少量氮、镁原子固定。这些粒子的集合体能吸收一个距离我们1.5亿千米、足以容纳百万个地球的核反应炉（太阳）的光，接着把光中的能量送进细胞的核心，从而使二氧化碳和水在制造分子的同时，释放出富含生命的氧气。正是这些分子链构成了树木和所有生命，以及本书中的纸张。你能阅读书籍并理解文字，是因为你的眼睛能把书页散射的光转化成电信号，并由宇宙已知范围内结构最复杂的——大脑来解读。我们发现所有这些都只不过是一些原子的集合，而各种原子都仅由三种粒子构成：电子、质子和中子。我们还发现，质子和中子又由更小的实体——夸克组成。这就是我们目前认知的极限，而量子理论支撑着这一切。
正如现代物理学所揭示的，深层次来看，我们所处的宇宙是由简洁的图案描绘；在视线不及之处，微观现象清歌雅舞，并由此衍生出繁杂的宏观世界。这或许是当代科学的至高成就：将包括人类在内的世间纷纭还原到对少数亚原子粒子及它们之间四种作用力的描述。其中有三种力能很好地用量子理论描述，这包括作用于原子核深处的强核力和弱核力，以及把原子和分子粘起来的电磁力。四种力中，只有最弱却也或许是最为人所知的引力，直到现在还没有一个尽如人意的量子描述。
应当承认，量子理论中是有些古怪的东西，多少诞妄不经都以之为名。猫可以既生又死，粒子可以同处两地，海森伯的不确定性原理，这些都是事实，但绝不能因此认为微观世界中发生的事总是那么奇怪，而我们就应该默认它的神秘。超感官知觉、神秘治愈术，或是号称能防辐射什么的能量手环等，就经常在“量子”一词的掩护下鱼目混珠，登上大雅之堂。这些都是无稽之谈，大概来自思绪不清、执念深重、无端误解、有意曲解，或是上述原因不幸兼有。量子理论能精确地描述世界，这些以数学语言写成的定律，跟牛顿或伽利略提出的理论一样真实可靠。这就是在前述的例子中，电子的磁响应能计算得如此严丝合缝的原因。你将在本书中发现，量子理论对大自然的描述有巨大的预测力和解释力，涵盖的现象范围之广，小到硅片、大至星辰。
编写本书的目的，就是揭秘量子物理的理论框架。量子理论以令人不解闻名，甚至连早期的量子理论学者也深感困惑。我们的介绍将会采用现代观点，其中包含了一个世纪以来的后见之明和理论进展。然而，为了介绍故事背景，我们还是会从20世纪之交启程，探索当年导致那些物理学者走上迥异歧路的问题。
那时，人们发现了一些不能由科学范式所解释的自然现象，像科学领域中其他一些例子一样，这些发现沉淀下来，最后形成了量子理论。这些现象多种多样、星火燎原，令人振奋而茫然，催生出一个实验与理论创新的黄金时代——这个词有点陈腐，放在这里却是实至名归。故事主角们的大名，刻在所有物理专业学生的心底，直到今天依然贯穿本科课程始终：卢瑟福、玻尔、普朗克、爱因斯坦、泡利、海森伯、薛定谔，还有狄拉克。可能再也不会出现这样一个时期，涌现如此多科学伟人，共同追寻一个目标：一个有关组成物理世界的原子和力的全新理论。1924年，当欧内斯特·卢瑟福[2]（ErnestRutherford）回顾量子理论的草创岁月时，这位生于新西兰、并在曼彻斯特发现原子核的物理学家写道：“1896年……对于物理科学是名副其实的英雄时代元年。在那段激**岁月里，具有根本重要性的新发现层出不穷，这在物理学史上是前所未有的。”
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