200萬年前，當人類學會把石頭做成切割工具時，我們實現了第一個偉大的創新。那是我們利用自然來為自己的需求服務的初次體驗，實際上自此以後沒有什麼發現能像它這樣代表著更偉大的頓悟或者使我們的生活方式發生更大的改變。但在100年前，另一個發現具備了同等的力量和重要性。和使用石質工具一樣，它與某種普遍存在的東西相關，自古以來，這種東西一直就在我們眼前，儘管我們看不見它們。我說的是原子——以及主宰它的奇特的量子定律。
很明顯原子論就是理解化學的鑰匙，但通過研究原子世界獲得的見解也使物理學和生物學發生了革命性的改變。因此，當科學家接受了原子存在的事實並開始詮釋它的運作方式時，得出了改變社會的宏大見解，使人類瞭解到了自然的基本作用力和粒子以及生命的DNA和生化科學，同時也創造了塑造現代世界的新技術。
人們經常會提及科技革命、計算機革命、信息革命以及原子時代，但所有這些最終都可以歸結為一件事：把原子變成一種工具。今天我們操控原子的能力使一切都成為可能，從電視機到傳輸電視信號的光纖電纜，從電話到電腦，從互聯網技術到核磁共振儀。我們甚至可以使用原子知識去創造光——比如螢光燈，當原子中的電子被激發時就會發光，「量子躍遷」到更低的能級。今天，甚至我們最普通的家用電器——烤箱、鐘錶、自動調溫器——都有基於對量子的理解而設計出的配件。
引領我們理解原子的功能和原子世界的量子定律的偉大革命可追溯至20世紀初期。多年以前，人們就已經注意到我們今天稱之為「經典物理學」（基於牛頓運動定律，而不是量子理論的物理學）的理論無法解釋一種叫作黑體輻射的現象，我們現在知道這種現象由原子的量子性質決定。牛頓理論的那個孤立的失敗並沒有馬上被視為一種警示。相反，人們認為物理學家只不過是對如何利用牛頓定律來解決這個問題還有些迷惑而已，當他們想明白該怎麼做之後，黑體輻射就可以在經典理論框架內被理解了。但物理學家最終又發現了其他同樣無法用牛頓理論來解釋的原子現象，他們最終意識到必須推翻牛頓理論的大部分內容，就像牛頓之前的數代人不得不推翻亞里士多德的理論一樣。
量子革命是一場持續了20年的鬥爭。這種革命用了20多年就取得了勝利，而不是幾個世紀或者上千年的時間，這只不過證明了有更多的科學家在解決這個問題，而不是表明新思維方式更容易被人們接受。實際上，量子理論背後的新原理在某些群體中依然是一個活躍的討論話題。因為對於那些像愛因斯坦一樣鄙棄偶然因素在事件結果中發揮作用的人，或者那些相信慣常的因果關係定律的人，那20年後世界所呈現出的景象就是異端。
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在量子宇宙中因果關係這個棘手的問題直到量子革命行將結束時才會出現，我們之後將會講到它。但還有另一個既具有哲學意味同時也很實際的問題從一開始就是一個障礙：原子小到無法被看見，或者甚至單獨地被測量——直到20世紀晚期科學家才第一次「看到」一個分子的圖像。1因此，在19世紀，所有和原子有關的實驗至多只能夠揭示那些數量龐大的微小的不可見物體的平均行為產生的現象。無法觀察的物體是真實的，這種想法合理嗎？
儘管有道爾頓關於原子的著作，但沒有幾個科學家會這麼認為。化學家使用這種概念是因為它能夠幫助他們理解他們觀察和測量到的現象，但即使是他們也傾向於僅僅把它當作是一種有用的假設：例如，化學反應的過程就像組成化合物的原子的重組。其他人則認為原子的概念更適合哲學，而不是科學，並試圖完全擯棄這種概念。德國化學家弗裡德裡希·威廉·奧斯特瓦爾德說它們是「得不出可證實的結論的假定推測」。2
這種猶疑可以理解，因為幾個世紀以來，科學和哲學就是在自然概念是否一定要得到實驗和觀察的支持這個問題上漸行漸遠的。通過堅持把實證當作是接受任何假設的標準，科學家得以拋棄那些要麼經不起驗證——就像亞里士多德的很多理論在經過驗證後證明的那樣——要麼完全就是錯誤的古代推測。它們的位置被可以做出精確量化預測的數學定律取代。
原子的存在無法被直接驗證，但關於原子存在的假設卻能夠推導出可被檢驗的定律，並且這些定律還被證明有效——比如，我們可以使用原子概念以數學方式得出氣體中溫度和氣壓之間的關係。因此，原子可以用來做什麼呢？這就是那個時代的元問題。答案並不清晰，結果，在19世紀的大部分時間裡原子就像是一個伏在物理學家肩頭的無形鬼魂，在他們的耳邊悄悄訴說著自然的秘密。
原子的問題最終獲得了有力的解答，到今天它根本不再是一個問題：科學如果想要進步，我們知道它的關注點必須超出我們直接的感官體驗。到21世紀初期，我們已經完全接受了這個看不見的世界的存在，甚至發現著名的「希格斯玻色子」的消息被宣佈時也沒人感到訝異，即使沒有人親眼看見過希格斯玻色子，甚至沒有觀察過希格斯玻色子與某些使它們可以間接地被看見的儀器相互作用時產生的有形結果——這種方式就像是電子通過撞擊螢光屏使它發光從而可以被「看見」一樣。
相反，證明希格斯玻色子存在靠的是數學證據，它是依據電子數據的某種數字信號特徵推論出來的。超過300萬億次質子與質子的碰撞產生「碎片」——例如輻射，然後再使用36個國家的將近200台計算設備對這些碎片進行統計學分析才能得到這個數據。今天，當一個物理學家說，「我見到希格斯玻色子了」，他指的就是這種手段。
1926年研究物質基本粒子的物理實驗室，以及今天的實驗室〔白色圓圈標注的是加速環所在的位置，周長達17英里（27.36千米），位於地下數百英尺〕
隨著科學家利用類似的方式「看見」希格斯玻色子和其他亞原子粒子，曾經不可分割的原子現在看來更像是一個完整的物體宇宙，一滴水中就存在著無數個這樣的宇宙，如此微小的世界我們不僅看不見，它們還與人類的直接觀察相隔十萬八千里。所以，你就別再想你可以向一個19世紀的物理學家解釋希格斯玻色子理論，你甚至都很難向他解釋清楚你說的我們「看見」是什麼意思。
這種脫離了人類感官體驗的新式觀察方法創造了對科學家的新需求。牛頓的科學基於通過感官被感知到的東西，或許也會用到顯微鏡或望遠鏡，但它依然需要人在裝置後面進行觀察。20世紀的科學依然專注於觀察，但它接受了一個更為寬泛的「看見」的定義，這其中就包括間接的統計學證據，例如希格斯玻色子那樣的數據。由於這種對「看見」的定義的新態度，20世紀的物理學家不得不在頭腦中想像出與理論相符的畫面，這些理論涉及像量子這樣奇異的前衛概念，這樣的概念植根於抽像的數學原理，遠遠超出了人類的體驗。
從事物理學研究的新方式反映在了不斷增加的物理學家分類上。一方面，晦澀難解的數學在物理學理論中的作用不斷加大，另一方面，實驗的技術複雜度也在急速增加，促使實驗物理學和理論物理學正式地專業化。大約在同一時期，視覺藝術也以一種相似的方式發展著，導致了傳統的具象派藝術家和立體派以及抽像派先驅的分離，像塞尚、布拉克、畢加索以及康定斯基這樣的先鋒藝術家和新的量子理論家一樣，也以一種激進的新方式來「看」世界。
在音樂和文學領域也是如此，一種新精神開始挑戰19世紀歐洲那種根深蒂固的剛性規範。斯特拉文斯基和勳伯格開始質疑西方傳統音調和韻律的設定；喬伊斯和伍爾芙及其在歐洲大陸的同行以一種新的敘事結構進行實驗。1910年，哲學家、心理學家和教育家約翰·杜威寫道，批判性思想通常涉及「忍受一種精神上的動盪和紛擾的意願」。3這不僅對批判性思想適用，也可以應用到創意工作中。無論從事藝術還是科學研究，這些開拓者沒有一個可以輕鬆地獲得成功。
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我剛才描繪的關於20世紀初期科學的畫面靠的是事後諸葛的優勢。19世紀晚期研究原子的物理學家並沒有意識到即將發生什麼事情。實際上，現在回過頭再去看時，我們會驚訝地注意到，儘管原子這顆定時炸彈就放在家門口，但那些物理學家卻認為在他們的研究領域所有的問題差不多都已經被解決了，他們還建議年輕的學生別去學物理學，因為這裡已經沒有什麼讓人興奮的東西了。
比如，哈佛大學系主任就以嚇跑未來的學生而聞名，他告訴他們所有重要的東西都已經被發現了。在大洋彼岸，慕尼黑大學物理系主任在1875年就提醒說這個領域不值得進行研究了，因為「物理學這一知識的分支即將完善」。4就預知能力而言，這個建議與泰坦尼克號建造者的豪言壯語不相上下，他宣稱這艘船「近乎人腦能設計出的最完美的傑作」。1900年左右的物理學就像泰坦尼克號一樣，也被認為是無懈可擊的，然而那個時代的物理學注定會沉沒。
馬克斯·普朗克（1858—1947）是其中一個聽到慕尼黑大學物理系主任那毫無價值可言的建議的學生。5當時的普朗克是一個清瘦到近乎憔悴的年輕人，他戴著厚厚的眼鏡，很早之前髮際線就開始後退，渾身上下都散發出與他年齡不相稱的嚴肅氣質。他出生在德國的基爾，祖上曾出過多位牧師、學者和法學家，他是19世紀物理學家的完美樣板：勤奮、盡責，按照他自己的說法，「不願意參與可疑的冒險」。6你很難想像一個未來某天將顛覆牛頓理論的人會說出這樣的話，但普朗克並沒有引發一場革命的計劃。實際上，他在很多年裡甚至都沒有支持由他的發現點燃的運動。
儘管不願冒險，普朗克卻以冒險開始了他的職業生涯——他沒有理會系主任的建議，報名學習了物理學課程。他受到一位高中教師的啟發而研究物理學，這位教師賦予他一種激情去「研究在嚴謹的數學和多種自然定律之間存在的和諧」，他也有足夠的自信心去追逐他的激情。7多年以後，他將告訴他的一個學生：「我的座右銘永遠都是：提前仔細思考每一步，但接下來，如果你相信自己可以承擔這份責任，不要讓任何東西阻止你。」8這份聲明並沒有耐克經典廣告語「想做就做」的那種氣勢，或者我們習慣從體育明星那裡聽到的無畏宣言，但按照他自己的方式，安靜和傳統的普朗克發出的聲音具有同樣的內在力量。
在做出了投身物理學研究的決定之後，普朗克不得不為他的博士研究選擇一個課題。他又一次做出了一個大膽且關鍵的決定。他選擇研究熱力學——關於熱量的物理學。在當時這是一個相當冷門的物理學領域，但正是這個領域在他上高中時啟發了他，普朗克再一次根據自己的興趣而不是那些熱門的研究課題做出了選擇。
當時，少數幾個接受原子概念的科學家開始以個體原子運動的統計結果來理解熱力學背後的工作原理。比如，如果某個時間在一個房間的某個狹小區域聚集了一團煙霧，熱力學告訴我們一段時間之後它將擴散開來，而不是變得更集中。這個過程為物理學家所說的「時間之箭」下了定義——未來是煙霧擴散的時間方向，而過去是煙霧集中的方向。這是一個讓人費解的定義，因為適用於煙霧（以及空氣）的每個原子個體的運動定律並沒有指出哪個時間方向是未來，而哪個又是過去。但這種現象可以通過原子的統計學分析加以解釋：只有當你觀察到許多原子的累積效果時「時間之箭」才會變得明顯。9
普朗克並不喜歡這種類型的論證方法。他把原子視為一種幻想，並把在不借助原子概念的情況下——實際上，不對物質內部結構做任何假設——從熱力學原理中提煉出具體的，經得起檢驗的結果作為自己博士研究的目標。「儘管原子理論到目前為止取得了偉大的成功，」他寫道，「但最終人們將不得不為了支持連續物質的假設而拋棄它。」10
普朗克是先知嗎？不是。最終被拋棄的並不是原子理論，而是他對原子理論的牴觸。實際上，他的工作最終將被用來作為支持，而不是反對原子存在的證據。
由於我的名字很難拼寫和發音，所以當我在餐廳預訂座位時，我總是把它訂在馬克斯·普朗克的名下。這個名字被認出的概率很小，但有一次它被認出來了，當時我被問起是否和「那個發明了量子理論的傢伙」是親戚，我回答說：「我就是那個人。」那個二十出頭的領班並不相信我。他說我太年輕了。「量子理論是1960年左右被發明的，」他說，「那是在『二戰』期間，是曼哈頓計劃的一部分。」
我們並沒有繼續聊下去，但我原本想聊的問題並不是他對於歷史的一知半解，而是他沒有把「發明」理論這句話在物理學中的意義弄清楚。「發明」這個詞的意思是創造某種之前並不存在的東西；從另一方面講，「發現」的意思是開始瞭解某種之前無人知曉的東西。人們可以用任意一種眼光來看待理論——以科學家發明的描述世界的數學結構，或者以獨立於我們存在的自然定律的表述，而這些表述是科學家發現的。
這在某種程度上是一個形而上學的問題：我們應該以何種程度接受我們的理論描繪的畫面呢？是以真實的現實（我們發現的）還是僅僅以世界的模型（我們發明的）？因為這個世界同樣可以被其他方式塑造成其他模型，比如那些和我們的思維方式不同的人類（或者外星人）。先把哲學思考放在一邊，發明和發現之間還有一點區別，與過程有關：我們通過探索來發現，經常還是在偶然情況下；我們通過有計劃地設計和建造來發明，意外因素在其中發揮的作用比實驗和試錯的作用要小得多。
當愛因斯坦構想出相對論時，他當然知道他想要做什麼，並這麼做了，因此人們或許會把相對論稱為一種發明。但量子理論就不同了，在量子理論發展的每一個步驟中，「發現」甚至「無意中發現」通常是一個比「發明」更好的表述方法，正如普朗克的情況一樣，（許多）發現者無意中發現的東西與他們希望和期待發現的東西截然相反——就好像愛迪生原本打算發明人造光，而不是發現人造黑暗。並且，就像普朗克的命運一樣，他們有時候並不是十分瞭解他們工作的意義，當有人向他們解釋它時，他們甚至會駁斥它。
普朗克在1879年關於熱力學的博士論文中既沒有成功地證實原子的存在，也沒有證實原子不存在。甚至更糟的是，這讓他在職業發展上毫無建樹。他在慕尼黑的教授並不理解它；柏林一位名叫古斯塔夫·基爾霍夫的熱力學專家認為它是錯誤的；另外兩位這個領域的創始先驅赫爾曼·馮·亥姆霍茲和魯道夫·克勞修斯婉拒了審閱它的請求。在這兩封信沒有收到答覆之後，普朗克甚至千里迢迢地跑到波恩，親自去克勞修斯的家裡拜訪，但這位教授拒絕接見他。不幸的是，除了這幾位物理學家，在談到熱力學時，就像普朗克的一位同事說的那樣，「沒有人……對它有任何興趣」。」
缺乏興趣並沒有使普朗克感到不安，但它的確導致了一段淒慘歲月，在此期間他和他的父母生活在一起，在大學裡擔任沒有報酬的講師，就像門捷列夫那樣靠著直接從上他課的學生那裡收取課時費過活。
無論我什麼時候同其他人說起此事，我都會看到驚訝的表情。因為某種原因，人們認為只有藝術家對藝術才有這樣的熱愛，他們甚至願意做出任何犧牲，生活在最簡陋的閣樓裡，甚至最糟糕的情況，和父母生活在一起，才能繼續從事他們的創作也在所不惜；但人們並不認為物理學家會有那樣的激情。然而，我在研究生院認識幾個學生，他們像普朗克一樣面臨著失敗。悲哀的是，其中一個試圖自殺。另一個說服哈佛大學物理系，允許他在擁擠的辦公室的一張桌子上工作，不拿報酬。（一年之後，他們聘用了他。）第三個傢伙，這個人我並不認識，幾年之前因為考試不及格而退學，從此之後就給各個教員提交他心愛（但錯得沒邊兒）的理論，這些理論都無人理會，接著在某一天他突然出現了，決定要說服他們——通過揮舞一把刀。他被保安攔住，再也沒有回來。流行的傳說不會講述孤獨的、不被賞識的物理學家割下自己一隻耳朵的著名故事，但在我作為伯克利分校一名研究生的三年時間裡，這三個故事，每一個都出於對物理學的激情。
普朗克，就和我那位在哈佛的無業研究生朋友一樣，在他擔任「志願者」期間完成了足夠優秀的研究，他最終找到了一份有報酬的工作。這花了5年時間。最終，憑藉著純粹的毅力、運氣，以及——某些人說的——他父親的干預，他艱難地在基爾大學得到了一個教授職位。在這之後的4年，他做出了讓人印象深刻的工作，最後被招入柏林大學，他在1892年被提名為柏林大學的全職教授，這使他成為熱力學精英團隊的一分子。但這僅僅是一個開始。
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在柏林，普朗克的研究熱情依然完全專注於在不「求助」原子概念的背景下去理解熱力學——也就是說，在這種背景下，物質被認為是「可無限分割的」，而不是由分散的模塊組成的。在他心目中，這是否可以完成是所有物理學研究領域中最亟待解決的問題，並且，由於身處學術圈，普朗克沒有老闆來告訴他——至少直接地告訴他——這行不通。這是一件好事，因為他的思路與物理學主流相去甚遠，在1900年夏天，就在他即將宣佈他那震驚世界的突破之前的幾個月，在巴黎舉行的國際物理學大會上，官方歷史學家表示除了普朗克，世界上至多還有3個人認為這是一個值得研究的問題。在他提交論文21年之後，情況看上去似乎並沒有得到改觀。
就和所有其他領域一樣，在科學領域，有太多普通的人提出普通的問題，他們中的很多人也會做得不錯。但最成功的研究人員通常是那些提出古怪問題的人，這些問題沒有人想過，或者被其他人認為沒有意思。因為他們引出的麻煩，這些人會被看作是異類、怪人，甚至是瘋子——直到他們被認為是天才的那一天。
馬克斯·普朗克，約1930年
當然，假如有一位科學家問：「太陽系是在一隻巨大的麋鹿的背上嗎？」他也算得上是一位具有獨到見解的思想家——我猜就像那位我在上文中提到的揮舞刀子的人。因此，如果見到一群自由思想家，你必須要慎之又慎，在這裡有一個問題：有些人的觀點只是怪異，而有些人的觀點雖然怪異但卻是正確的，人們通常很難將這兩者區分開來。或者有的怪異觀點或許在經歷了一段時間以及許多失誤之後注定將引導出某些真理。普朗克就是一位具有獨到見解的思想家，他提出的問題甚至在他的物理學同事看來似乎也是缺乏趣味的。但它們將被證明是經典物理學無法解答的問題。
18世紀的化學家曾在研究氣體時發現一種羅塞塔石碑[1]，這是理解重要科學原理的關鍵。普朗克試圖在黑體輻射中尋找他自己的羅塞塔石碑，黑體輻射是古斯塔夫·基爾霍夫在1860年發現並命名的一種熱力學現象。時至今日，「黑體輻射」是物理學家很熟悉的一個術語：它是維持在某個固定溫度的黑體釋放的一種電磁輻射形式。
「電磁輻射」聽上去很複雜，似乎也很危險，好像無人機向基地組織營地發射的某類東西。但它指的是一大類能量波——比如微波、電磁波、可見光和紫外線、X射線，以及伽馬射線——這些東西如果善加利用，可以產生很多實際效用，其中有一些是致命的，但全都是我們一直等閒視之的世界的一部分。
在基爾霍夫那個時代，電磁輻射這種概念依然很新鮮和神秘。描述它的理論——在牛頓定律的背景下——來自蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋。麥克斯韋直到今天仍然被視為一個物理學界的英雄人物，在大學校園中經常可以看到物理學專業的學生穿著印有他頭像或者公式的T恤衫。人們之所以如此崇拜他，是因為他在19世紀60年代完成了物理學歷史上最偉大的統一：他解釋了電力和磁力是同一種現象——「電磁場」——的表現形式，並且揭示出光和其他形式的輻射是電磁波。對一個物理學家來說，像麥克斯韋那樣深入地闡述不同現象之間的聯繫是一個人能做的最令人興奮的事情之一。
未來某天會有一個麥克斯韋脫穎而出，這曾經是牛頓的希望和夢想，因為牛頓知道他的理論並不完善。他的運動定律可以解釋物體如何對作用力做出反應，但要想使用這些定律，它們還需要獨立的作用力定律作為補充，這種定律描述了施加在物體上的是哪種作用力。牛頓提出了一種作用力定律——引力——但他知道世界上一定存在著其他類型的作用力。
在牛頓之後的世紀裡，其他兩種自然界的作用力逐漸在物理學中被發現：電力和磁力。憑藉著對這些作用力提出一種量化理論，麥克斯韋在某種意義上完成了牛頓的（例如：「經典的」）計劃——除牛頓運動定律之外，科學家現在擁有所有出現在我們日常生活中的作用力的理論。（在20世紀，我們還將發現另外兩種作用力，「強力」和「弱力」，它們對我們日常事物產生的影響尚不明朗，但它們會在原子核的微小區域內發揮作用。）11
早先時候，通過使用牛頓引力定律和運動定律，科學家只能描述引力現象，例如行星的軌道和炮彈的彈道。現在，通過聯合使用麥克斯韋的電磁作用力理論和牛頓運動定律，物理學家可以在一個更大的範圍分析全新的現象，例如輻射和它與物質間的相互作用。實際上，物理學家相信有了麥克斯韋理論作為他們的後備武器，他們可以從原理上解釋我們在世界上看到的任何一種自然現象——這就是19世紀晚期在物理學領域氾濫的樂觀主義。
牛頓曾寫道，世界上存在著「某種作用力，物體的粒子通過它，出於某種迄今未知的原因，要麼相互吸引聚成規則的形狀，要麼相互排斥彼此遠離」。12他相信這些引起了「局部的運動，但由於移動粒子的體積極其微小而無法被察覺……（但是）如果有人有足夠好的運氣能夠發現所有這些，我或許可以說他將揭示物體性質的全部秘密」。13物理學家利用電磁學發現的東西實現了理解作用於物體微小粒子——原子——之間的作用力的夢想，但牛頓的夢想，即他的理論因此將能夠解釋物體材料的性質，將永遠不可能變成現實。為什麼呢？因為儘管物理學家已經發現電磁作用力定律，但當把這些定律應用於原子時，牛頓的運動定律將被發現無效。
儘管在當時沒有人意識到這一點，但牛頓物理學的缺陷正是在普朗克選擇研究的現象上暴露無遺：黑體輻射。因為當物理學家使用牛頓物理學來計算黑體在不同頻率下會釋放出多少輻射時，這些運算不僅被證明是錯誤的，還產生了一個荒謬的結果，那就是一個黑體會釋放出無限量的高頻輻射。
假如那些運算是正確的，黑體輻射現象將意味著當你坐在暖和的壁爐前或打開烤箱時，你不只是沐浴在低頻紅外輻射帶來的溫暖裡，或者某些高頻紅光產生的使人慰藉的暖意中，它還意味著你將遭到危險的高頻紫外線、X射線以及伽馬射線的傷害。並且，當時新發明的電燈泡也將被證明不是一種有用的人造照明工具，而是一種——由於它們升高的工作溫度產生的輻射——大規模殺傷性武器。
當普朗克開始在這個領域的工作時，儘管所有人都知道黑體輻射運算的結果是錯誤的，但沒有人知道原因是什麼。同時，當大多數對這個問題感興趣的物理學家絞盡腦汁思考它時，少數幾個人開始專注於發明各種專門的數學公式來表述在實驗中觀察到的現象。這些公式為每一種頻率計算出了任意給定溫度的黑體釋放出的輻射強度，但它們僅僅具有描述性，並不是從一個理論性的理解中推導出來的，發明它們只是為了得出必要的數據，並且所有頻率的數據都是不精確的。
普朗克在1897年開始迎接這個挑戰，試圖為黑體釋放的輻射提供一個精確描述。和其他人一樣，他並沒有懷疑牛頓物理學出了什麼問題，而是認為黑體材料的物理描述一定存在根本性的錯誤。很多年過去了，他依然毫無進展。
最終，他決定從反方向開始工作，和那些應用物理學家一樣，去找一種有用的公式。他重點關注兩種專門公式——一種是對黑體輻射釋放的低頻光的精確描述，另一種是對高頻光的描述。經過大量的實驗和試錯，他終於把它們「縫合」進了自己的專門公式中，這是一種簡明的數學表達，他只是簡單地將兩者的正確特徵組合起來而已。
你或許會認為如果你花費了數年時間來解決一個問題，最終就應當獲得一個重大發現——例如微波爐，或者至少一種新式的做爆米花的方法。普朗克得到的是一個似乎——因為某種未知原因——非常管用的公式，儘管普朗克沒有足夠的數據來對公式的預測能力做一次詳盡的檢測。
普朗克在1900年10月19日參加柏林物理學會的一次會議時宣佈了他的公式。會議一結束，一位名叫亨裡奇·魯本斯的實驗家馬上回到家裡，以他自己的大量數據作為參照開始套用數字來核對這個公式。他的發現讓他驚訝不已：普朗克公式的精確度超乎想像。
魯本斯異常激動，他甚至一直工作到深夜，不辭辛苦地使用普朗克公式為不同的頻率計算數據，然後用計算結果同他的觀察記錄做比照。第二天早上，他匆忙趕到普朗克的家裡告訴他這個驚人的消息：一致性異常地好，對所有頻率都是如此。普朗克公式精確得簡直不像是一個專門的猜想，它一定意味著什麼。唯一的問題是普朗克和其他人都不知道這意味著什麼。它似乎像魔術，一個可能含有深刻和神秘原理的公式卻是依靠純粹的猜測「得出來的」。
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普朗克在選擇研究黑體輻射理論時曾試圖不借助原子概念來解釋它。從某種意義上說他做到了。但他只是憑空得出了這個公式，因此他依然感覺必須回答為什麼它會起作用這個問題。他的成功一定讓人激動吧，但他的無知也一定讓人感到沮喪。
作為一名耐心的科學家，普朗克轉而求助於——或許是出於完全的絕望——原子理論重要的倡導者，奧地利物理學家路德維格·玻爾茲曼（1844—1906）進行的研究。玻爾茲曼的目標與普朗克試圖證明的東西截然相反——即原子應該被嚴肅對待——他已經為此奮鬥了數十年，並且在這個過程中玻爾茲曼在發展技術方面取得了很大進步，這種技術現在被稱為統計物理學（儘管他在說服別人相信他工作的重要性方面沒有取得多大進展）。
不管有多不情願，普朗克願意求助於玻爾茲曼的研究是一個值得花費時間去領會的舉動：一個不想借助原子概念來研究物理學的布道者，從一個他一直反對的理論的擁護者的工作中尋找智力上的救贖。這種對於和自己的成見相左的觀點的開放態度就是科學應該如何去做的方式，這也是愛因斯坦後來為什麼會對普朗克讚譽有加的原因之一；但這並不是科學通常進行的方式。並且，它也不是大多數企業運作的方式。比如，當互聯網、智能手機以及其他新媒體崛起時，和那些難以接受原子或量子的知名科學家一樣，那些知名公司——重磅視頻、音樂標籤、主要的圖書連鎖店、著名媒體——拒絕接受這種生活和商業的新方式。它們因而被更年輕的人群和更靈活的公司取代，比如網飛、YouTube（最大的視頻網站）和亞馬遜。實際上，普朗克後來所說的關於科學的話似乎也可以運用到任何革命性的人類新觀點中：「科學新真理並不通過說服反對者來取得勝利，14而是因為它的反對者最終都將死去，而熟悉它的新一代將會茁壯成長。」[2]
在閱讀玻爾茲曼的著作時，普朗克發現在這個奧地利人的熱力學統計描述中，他有必要使用一種數學技巧，也就是把能量看成是離散的，比如像雞蛋那樣，與之形成對照的是似乎可以無限分割的麵粉。也就是說，雞蛋的數量只會是整數，比如1個，2個，或200個，而麵粉的數量可以是2.7182818盎司，或者任何你喜歡的數量。至少在廚師看來是這麼回事，儘管麵粉實際上也不是可無限分割的，而是由離散的模塊組成——每一粒優良的穀物——你可以在顯微鏡下看到。
玻爾茲曼的技巧僅僅是一個運算上的權宜之計；最終，他總是讓每一份的數量接近於零，意思是能量會以任意數量再次出現，而不僅僅只是離散量。然而，讓普朗克大為吃驚的是，他發現在使用玻爾茲曼的方法解決黑體問題時，他可以推導出他的公式，但他必須省略最後一個步驟，並且餘下的能量數量，像雞蛋一樣，應該是某種基本（非常微小）份額的倍數。普朗克大廚把能量的基本份額稱為一個「量子」，在拉丁語中它是「多少」的意思。
總之，這就是量子概念的起源。量子理論不是來自科學家在追尋邏輯結論的深刻原理時付出的持續努力，或者來自發現物理學新理念的動力，而是來自一個像廚師一樣的人，這個廚師第一次通過顯微鏡來觀察麵粉，驚訝地發現它居然和雞蛋一樣，也是由離散的個體單位組成，並且麵粉可以按照這些微小份額的倍數進行分割。
普朗克發現這些微小份額的尺寸，或者說是量子，因為光線頻率的不同而各異——就可見光來說，它們的頻率對應著不同的顏色。特別是，普朗克發現一個量子的光能量等於頻率和一個比例因數之積，普朗克把這個因數稱為h，也就是今天我們熟知的普朗克常數。假如普朗克採取了玻爾茲曼的最後一個步驟，把h設為零，那能量就將被假定為可無限分割。普朗克並沒有那麼做，相反，他通過比較自己的公式和實驗數據確定了h，他推斷——至少就黑體輻射而言——能量以微小的、基本的單位出現，不會呈現出任意數值。
他的理論是什麼意思呢？普朗克也不知道。在某種程度上，他只是成功地創造了一個費解的理論來解釋他費解的猜想。儘管如此，普朗克還是在1900年12月柏林物理學會的一次會議上宣佈了他的「發現」。今天我們把那個通報稱為量子理論的誕生，確實，他的新理論將為他贏得1918年的諾貝爾獎，並最終使物理學領域發生了天翻地覆的變化。但在當時，沒有一個人知道這一點，包括普朗克自己。
對於大多數物理學家而言，普朗克對黑體輻射的長期研究似乎只是讓他的理論變得更加晦澀和神秘，這有什麼用呢？然而，普朗克自己從這段經歷中瞭解到了某種重要的東西。他通過在頭腦中想像出一幅畫面最終「理解了」黑體輻射，在這幅畫中，黑色物質由微小的振動器構成，就像彈簧一樣，他終於開始相信這些是原子或者分子了——於是他最終確信原子是真實存在的。儘管如此，無論是他本人還是其他人在當時都沒有意識到他所描述的量子有可能會是自然界的一種基本特徵。
路德維格·玻爾茲曼，約1900年
普朗克的部分同代人認為他們最終會找到一種不借助量子就可以得出普朗克黑體公式的方法。其他人認為量子某一天會得到解釋，不是作為自然界的基本原理，而是作為某種目前未知的材料特徵的結果，這種材料特徵與他們所知的物理學完全相符——比如，因原子的內部結構而產生的一種普通力學性質，或者原子相互作用的方式。某些物理學家只是把普朗克的著作視為胡言亂語，儘管它與實驗數據高度一致。
詹姆斯·金斯爵士是一位知名的物理學家，他曾經也試圖解決這個問題，但與普朗克不同的是，他沒能推導出完整的公式。在抨擊普朗克時，他寫道：「當然，我清楚普朗克的定律與實驗非常一致……而我自己的定律是（從普朗克的）得來的，使h=0，卻無法與實驗保持一致。這並不能改變我的觀點，也就是h=0是它唯一有可能正確的值。」15是啊，這些討厭的實驗觀察就是這樣的麻煩——最好還是別去理它們。或者，像羅伯特·福斯特在1914年寫的那樣，「為什麼拋棄一種信仰，僅僅因為它不再真實」。16
最後的結果是，除了討厭的詹姆斯·金斯之外，普朗克的著作並沒有引起多大的轟動。無論他們認為他的著作是胡言亂語，還是認為它將有一個一般的解釋，物理學家圈子裡的那些人只是不興奮，就像那些在搖滾狂歡節上被禁止吸食興奮劑的粉絲。那些興奮劑還得再過相當長的一段時間才會出現。實際上，在接下來的5年裡，沒有一項研究推動他的觀點向前發展——不是由他，也不是由別人。這種情況直到1905年才會改變。
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我在上文說到，當普朗克提出量子概念時，沒有人意識到它是自然界的一種基本原理。但很快，一位帶著完全不同態度的新選手出現在了這個領域。當普朗克宣佈他的發現時，這位新選手還只是一個剛剛走出大學校門的無名氏，他將把普朗克關於量子的著作視為具有深遠影響，甚至令人不安的作品。「這就像是把我們腳下的大地抽走，哪裡都看不到堅實的地基一樣。」他後來寫道。17
這個人充分理解了普朗克著作的精髓並證明了它的價值，但在流行文化中，他並不是以此聞名，恰恰相反，他最後選擇了完全相反的立場，就像金斯做的那樣，去反對一個許多觀察似乎都揭示了它的真實性的觀點。這個人就是阿爾伯特·愛因斯坦）（1879—1955）。
當愛因斯坦接受普朗克的量子觀點並對此深信不疑時，他才25歲，還沒有完成他的博士論文。然而，到他50歲時，他開始反對他曾經從事的工作。愛因斯坦改變對量子理論看法的原因具有終極的哲學意味，或者形而上學意味，而不是由於科學方面的原因。他在25歲時提出的觀點「僅僅」和理解光的新方式有關，把它看作由量子粒子構成的能量。與他晚年出現的量子觀點——他反對的這種觀點——相較而言，一種全新方式看上去更接近真實。
也就是說，隨著量子理論的不斷發展，人們越來越清晰地看到，如果有人想要接受它，就必須採取一種新觀點來看待存在的意義，存在於某個特定地點的意義，甚至一個事件引發另一個事情的意義。同牛頓式的力學世界觀與亞里士多德式的目的驅動型世界觀的決裂相比，新量子世界觀與我們直覺中的牛頓式世界觀是更大程度上的決裂。愛因斯坦，就像他曾經樂於修正物理學一樣，也將樂於在他離開人世時拒絕接受從他自己的著作中產生的激進版形而上學理論。
我開始接觸量子理論時，愛因斯坦已經過世幾十年了，我接受的當然是現代版的構想，加進了所有愛因斯坦不喜歡的激進觀點。在我的大學課程中，它們呈現出的是一種枯燥但古怪的理論，發展完善且具有良好的驗證效果。人們有時候談到的「量子奇異性」——比如某個東西實際上同時存在於兩個不同地方的可能性——在當時被認為是一個早已確立的事實。它有時候會是一個很有趣味的聊天話題，但我們這些大學生做夢也不會忘記它。儘管如此，愛因斯坦仍然是我心目中的英雄，因此讓我感到困惑的是，為什麼他會如此難以接受我毫不費力就能接受的觀點呢。我知道我不是愛因斯坦，所以有什麼東西是我沒有看到的嗎？
在我努力解決這個問題時，我父親給我講了一個故事。這個故事發生在戰前的波蘭，他和他的一些朋友碰到一隻躺在馬路上的鹿，已經被汽車撞死了。在當時食物很稀缺，於是他們就把這隻鹿抬回家吃了。我父親告訴我他們並不認為吃「路斃動物」有何不妥，而美國人——比如我——卻認為這很噁心，因為我們從小被灌輸的觀點就是這很噁心。這個時候我意識到，你不必從宇宙的深奧問題或者強烈的道德信仰中尋找那些人們難以接受的觀點。這樣的觀點到處都是，它們大多數只是基於這樣一個簡單的事實，即人們傾向於繼續相信他們一直相信的東西。
量子理論的形而上學含義對愛因斯坦來說就像是一隻「路斃動物」。因為從小接受的就是傳統的因果關係概念，他將很不情願去接受一個在含義上如此不同的概念。但假如他再晚出生80年，和我成為同學，他就會伴隨奇怪的量子理論成長，對它的反應就會和我以及其他學生一樣，認為事實就是如此。到那時它將只是人們接受的知識環境的一部分而已，因此，儘管人們或許認為量子世界新奇，但在有實驗可以駁斥它之前，人們還是不會考慮回到過去。
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儘管愛因斯坦最終會努力維護牛頓式世界觀的中心觀點，但他從來都不是一個傳統的思想家，他也不會給權威人物名不副實的認可。實際上，這種另類思考和挑戰權威的意願是如此顯著，以至於它曾經使他陷入了麻煩。在他還是少年時，他進入了慕尼黑一所大學預科學校——也就是德國的高中。在他15歲時，他的一位老師說他一無是處，隨後他要麼被強迫，要麼被「禮貌地鼓勵」離開了學校，因為他對他的老師不敬，被視為對班裡其他學生有負面影響。他後來把這所大學預科學校稱為一台「教育機器」，他的意思並不是說它做了什麼有用的工作，而是說它噴出了讓人頭腦昏亂的廢氣。
愛因斯坦1896年在瑞士高中的成績單，評分標準從1到6，6代表最高分
對於物理學來說幸運的是，愛因斯坦瞭解宇宙的渴望勝過了他對正式教育的厭惡，因此在被學校開除之後，他申請進入位於蘇黎世的瑞士聯邦理工學院。他沒能通過入學考試，但在一所瑞士高中經過短時間的補習之後，他在1896年被聯邦學院錄取。和大學預科學校一樣，他也不喜歡聯邦學院記，許多課也不去上，但他還是通過在考試前死記硬背他一位朋友記的筆記勉強畢業了。愛因斯坦後來寫道，馬塞爾·格羅斯曼是「無可挑剔的學生，我自己目無法紀，愛做白日夢。他與老師關係融洽，什麼都懂；我就像一個棄兒，心懷不滿，少人憐愛」。18和格羅斯曼相識不只是愛因斯坦大學生活的一個幸運機會：格羅斯曼後來將成為一名數學家，當愛因斯坦需要用到奇異幾何來完成相對論時，格羅斯曼還給他講過課。
愛因斯坦的大學學位並沒有幫助他走上一條輕鬆的成功之路。實際上，他的一位教授滿懷惡意地給他寫了一份糟糕的推薦信。至少部分因為那封信產生的影響，愛因斯坦從蘇黎世的大學畢業後沒能找到一份傳統的工作——他想得到一個大學物理系或數學系的職位——相反，他成為兩個預科學校男孩的私人家庭教師。
在接受這個職位後不久，愛因斯坦就建議他的僱主讓這兩個男孩從學校退學，以避免學校造成的破壞性影響。他之所以對教育系統牢騷滿腹，是因為教育系統只關注如何讓學生為考試做好準備，因而扼殺了任何真實的好奇心和創造力。諷刺的是，大約在一個世紀後，隨著喬治·W.布什總統《不讓一個孩子掉隊》計劃的頒布，一個關注學生背誦事實能力的考試導向型課程成為美國官方教育政策的指導思想。大家都知道布什不是愛因斯坦，但很明顯，在說到影響別人接受你的觀點的這種政治家能力時，愛因斯坦就不是布什了：他的僱主在聽完他對預科學校致命影響的譴責後，把他解雇了。
關於愛因斯坦在那段時間的掙扎，他的父親寫道：「我的兒子對他目前的無業狀態非常不開心。他感覺自己的事業脫離了軌道，這種情緒一天天地在他心裡發酵……他變成我們這些收入不多的人的一個負擔，這種想法壓得他喘不過氣來。」19這封信寄給了萊比錫物理學家弗裡德裡希·威廉·奧斯特瓦爾德，愛因斯坦還把他第一篇論文的一份複印件，以及希望得到工作的請求寄給了他。愛因斯坦和他父親都沒有收到回復。10年之後，奧斯特瓦爾德將會是第一個提議給愛因斯坦頒發諾貝爾獎的人。但在1901年，愛因斯坦的智力並沒有給任何人留下足夠深刻的印象，從而給他爭取一份無論如何適合他能力的工作。
愛因斯坦的職業生涯最終在1902年穩定下來。馬塞爾·格羅斯曼的父親把他介紹給瑞士伯爾尼的專利局局長，這位局長邀請他參加一場筆試。愛因斯坦的筆試成績很好，這位局長給他提供了一個職位。這份工作是審閱高度技術化的專利申請書，並把它們翻譯成足夠簡單的語言，好讓他那些不怎麼聰明的領導能夠看懂。那年夏天，他開始以試用的形式在那裡上班。
很明顯愛因斯坦擅長做這份工作，儘管他在1904年申請從三級專利幹事調到二級專利幹事的請求被拒絕了。同時，他發現他在物理學上的工作雖然有回報，但並不顯著。他的頭兩篇論文，分別寫於1901年和1902年，講述了一種關於分子間普遍作用力的假設，這兩篇論文，按照他自己後來的描述，毫無價值可言。20隨後他又寫出了三篇質量不一的論文，這些同樣也沒有對物理學界產生多大影響。這之後的一年他的第一個兒子出生，但他沒有發表哪怕一篇物理學論文。
長期的財務問題和停滯不前的物理學事業一定很讓人心灰意冷吧，但愛因斯坦很享受他的工作，他認為這份工作能夠鍛煉智力，還說下班後他有「無所事事的8個小時」，在這段時間他可以磨煉自己的激情，思考物理學上的問題。他還佔用他在專利局的上班時間來繼續從事他下班後的研究工作，一旦有人走近就匆忙把演算紙塞進抽屜裡。所有那些努力終於以一種最輝煌的方式獲得了回報：1905年，他寫出了三篇具有革命意義的不同論文，它們將推動他從一名三級專利幹事變成一位一級物理學家。
這些論文每一篇都值一個諾貝爾獎，儘管只有一篇讓他獲獎。人們或許可以理解諾貝爾委員為什麼會猶豫給同一個人多次頒獎，但在過去許多年它卻因為很多讓人難以理解的失察而不幸地出名。單就物理學家而言，諾貝爾委員會就錯誤地遺漏了阿諾德·索末菲、莉澤·邁特納、弗裡曼·戴森、喬治·伽莫夫、羅伯特·迪克，以及吉姆·皮泊斯。[3]
拒絕給邁特納頒獎尤其異乎尋常，因為幾千年來，女性幾乎一直被普遍地排除在高等教育的門外，也無法獲得可以使她們對理解世界做出貢獻的工作機會。這種情況只是在100年前才開始得到改觀，這種社會變化現在仍在繼續。邁特納在科學家和女性當中都屬於開拓者一般的人物，她是第二個獲得維也納大學物理學博士的女性。畢業之後，她說服普朗克允許她和他一起進行研究，儘管他之前甚至拒絕一名女性旁聽他的一堂講座。最終她開始與一位名叫奧托·哈恩的柏林青年化學家合作。他們一起取得了很多突破，最重要的就是核裂變的發現。可悲的是，因為這個發現，獲得1944年諾貝爾化學獎的人是哈恩，而不是邁特納。[4]
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理論物理學一種令人陶醉的吸引力是，你的觀點有可能會對我們的思維乃至生活方式產生巨大的影響。是的，你需要耗費多年的時間才能理解和吸收你的研究課題以及理解它的技術和問題。是的，你試圖破解的許多問題最終將被證明是無法解決的。是的，你的絕大多數觀點都會被證明毫無意義，在大多數情況下，你需要花費數月才能為一項宏大的工作做出微不足道的貢獻。當然，如果你準備成為一名理論物理學家，你最好具備頑固的性格和持久的毅力，可以為一個微小的發現激動不已，你掌握的點滴數學知識似乎可以神奇地破解大自然的一個奧秘，這個奧秘在你公佈之前只有你自己知道。但還存在另一種可能性：那就是你想到的或者偶然發現的一個觀點具有如此強大的能量，以至於它遠遠不只是自然界的一個小秘密，而是某個改變你的同事——乃至整個人類社會——看待宇宙方式的東西。這就是愛因斯坦在專利局工作的一年時間裡三次創造出來的觀點。
在這三條開創性理論中，愛因斯坦最為知名的就是相對論。他在這個領域的工作使我們對於空間和時間的概念發生了革命性的改變，它顯示它們是緊密聯繫的，並且它們的測量值不是絕對的，而是由觀察者的狀態決定。
愛因斯坦想通過相對論解決的問題是一個出現在麥克斯韋的電磁學理論中的悖論，這個理論表示所有測量光速的觀察者將發現同樣的結果，而與他們自己相對於光源的速度無關。
本著伽利略的精神，我們可以通過一個簡單的思維實驗來理解上述聲明為何與我們的日常體驗相矛盾。想像一下，一名食品小販站在火車站的月台上，此時一列火車呼嘯而過。一名乘客從正在移動的火車上向前扔出一個球（或任何物體），在這名小販看來，這個球移動的速度要比他出於同樣的興趣拋出的球的速度快得多。這是因為，從這名小販的視角來看，列車上的球會以乘客扔它的速度加上火車的速度運動。然而，麥克斯韋的理論又說，從一輛正在移動的火車上發出的一道光不會移動得更快。在小販和乘客看來它都是以相同的速度在傳播。對於想把所有東西都濃縮成原理的物理學家來說，這需要一個解釋。
什麼原理使光有別於物質？多少年來，這一直都是物理學家試圖解決的問題，最流行的方法認為，這與光在傳播過程中穿過的尚未被檢測到的介質有關。但愛因斯坦卻有其他的看法。他意識到，這個問題的解釋並沒有隱藏在光線傳播的某種未知性質中，而在我們對速度的理解中。愛因斯坦推理道，既然速度等於距離除以時間，而麥克斯韋的理論又說光的速度是固定的，這就告訴我們在測量距離和時間時，不會存在普遍的一致性。愛因斯坦表示，世界上沒有通用的鐘錶或者通用的米尺，所有這樣的測量都取決於觀察者的運動——必須完全按照要求的方式，這樣所有的觀察者才會為光測量到同樣的速度。因此，我們每個人觀察和測量的結果只不過是我們自己的個人觀點，而不是一個所有人都認同的事實。這就是愛因斯坦狹義相對論的精髓。
相對論並不要求取代牛頓理論，而是對其進行修訂：牛頓運動定律必須做出修訂和改造，才能被輕鬆地納入愛因斯坦提出的空間和時間的新框架中，在這個框架裡，測量的結果取決於人的運動。對於以相對緩慢的速度移動的物體和觀察者，愛因斯坦的理論從本質上說和牛頓的理論相同。只有當論及的速度接近光速時，相對論的效果才會被注意到。
因為相對論的新奇效果只會在極端條件下顯現，比起量子理論，它在日常存在中的重要性要小得多，量子理論解釋的正是構成我們的原子的穩定性。但在當時沒有人知道量子所具有的影響深遠的含義；同時，相對論對於物理學界來說無異於一場地震：牛頓式世界觀對科學的塑造已經持續了超過200年，現在，它的結構上出現了第一道裂痕。
牛頓理論的基礎是世界上只存在一種客觀現實。空間和時間構成一個固定框架，在它們搭建的這個舞台上上演著世界上的各種事件。觀察者可以觀察，無論他們處於哪種位置或者如何移動，他們看到的是同一齣戲劇，就如同上帝從天國俯視我們一樣。相對論與這種觀點相矛盾。通過斷言上演的戲劇不止一出——也就是說，在日常生活中，我們每個人所經歷的現實都只是個人體驗，取決於我們的位置和運動，愛因斯坦已經開始拆除牛頓的世界，就像伽利略開始拆除亞里士多德的世界一樣。
愛因斯坦的工作對於物理學文化有著重要的含義：它賦予新生代思想家勇氣，讓他們在考慮挑戰舊有觀念時更加容易。比如，正是愛因斯坦寫給高中學生的一本關於相對論的書啟發了維爾納·海森堡進入物理學領域。正是愛因斯坦研究相對論的方法給了尼爾斯·玻爾勇氣去想像原子遵循的定律或許與我們的日常存在所遵循的定律有著根本性的不同。這兩個人我們在後文都會講到。
諷刺的是，在所有那些吸收和理解愛因斯坦相對論的偉大物理學家中，只有愛因斯坦本人是最不為所動的。在他看來，他並沒有主張去顛覆牛頓世界觀的主要內容，而只是對其進行了某些糾正——對於當時的大多數實驗觀察沒有多大影響的糾正，但它們的重要性在於修復了存在於這個理論邏輯結構上的一個缺陷。並且，為了使牛頓理論與相對論兼容而做的必要的數學修改也很容易。因此，儘管愛因斯坦後來認為量子理論將會瓦解牛頓物理學，但按照物理學家和傳記作家亞伯拉罕·派斯的說法，他「認為相對論根本就算不上是一場革命」。21對於愛因斯坦來說，相對論是他1905年最不重要的論文。在他眼中，其他兩篇關於原子和量子的論文的意義要更為深遠。
愛因斯坦關於原子的論文分析了一種叫作布朗運動的效應，由達爾文的老朋友羅伯特·布朗在1827年發現。這種「運動」指的是微小粒子神秘的、隨機的遊走，比如懸浮在水中的花粉顆粒。愛因斯坦解釋稱，這是亞微觀分子以極高的頻率從各個方向撞擊漂浮粒子造成的結果。儘管單一的撞擊由於太過輕微而無法使粒子發生移動，但愛因斯坦通過統計數據表明，粒子晃動幅度的大小和頻率可以通過罕見的偶然性來解釋，因為純粹的意外因素，從一個側面撞擊粒子的分子數量要比從相反方向撞擊粒子的分子數量多出太多，因而產生了足夠使它移動的力量。
這篇論文很快就引起了轟動，它是如此引人關注，甚至連原子理論的死對頭弗裡德裡希·威廉·奧斯特瓦爾德也評論說在閱讀完愛因斯坦的著作後，他開始相信原子是真實的。從另一方面講，原子的重要支持者玻爾茲曼從未對愛因斯坦的著作，或者由它帶來的態度的改變做任何評價，這很讓人費解。部分原因是他由於自己的觀點受到的待遇而心灰意冷，他在第二年自殺了。這尤其讓人感到悲哀，因為隨著愛因斯坦關於布朗運動的論文以及他寫於1906年的另一篇論文的發佈，物理學家最終確信了他們既無法觸碰又看不見的物體的真相——這完全就是玻爾茲曼自19世紀60年代開始一直在宣揚，但沒有獲得太多成功的觀點。
在30年內，憑藉著描述原子的新公式，科學家將能夠解釋化學的根本原理——最終為道爾頓和門捷列夫的觀點提供了解釋和證明。他們也將開始努力實現牛頓的夢想，即根據構成物體材料的粒子——例如它們的原子——的相互作用力來理解材料的性質。到20世紀50年代，科學家將走得更遠，利用他們關於原子的知識來為更深刻地理解生物學服務。在20世紀下半葉，原子理論將引領技術革命、計算機革命以及信息革命。一篇分析花粉運動的論文最終成長為一個塑造現代世界的工具。
然而，所有這些實踐活動依托的定律以及描述原子特性的公式將不會來自牛頓的經典物理學，甚至也不會來自它修訂版的「相對」形式。要想描述原子將需要自然界的新定律——量子定律——量子概念正是愛因斯坦在1905年寫的另一篇革命性論文的主題。
在這篇名為《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》的論文中，愛因斯坦採納了普朗克的觀點，並將其轉變為深刻的物理學原理。愛因斯坦明白，量子理論和相對論一樣都是對牛頓的挑戰。但在這一點上，量子理論並沒有為這個挑戰的規模，或者當它進一步發展時將會引發的令人不安的哲學含義做出提示，因此愛因斯坦並不知道他做了什麼。
因為愛因斯坦在他的論文中提出的「觀點」涉及把光視為量子粒子，而不是波——就像麥克斯韋非常成功的理論描述的那樣——這篇論文並沒有像他1905年的另一篇開創性論文那樣被人廣為接受。實際上，物理學界還需要超過10年的時間才能接受他的觀點。至於愛因斯坦自己對這件事的感受，我們回過頭看看1905年他在發表這三篇論文之前寫給一個朋友的信就能有所瞭解。22關於他的相對論論文，愛因斯坦評論道，它的部分內容「會讓你感興趣」。同時，他把自己關於量子的論文描述成「極具革命性」。確實如此，正是這篇作品最終產生了最偉大的影響，也正是這篇作品為他在1921年贏得了諾貝爾獎。
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愛因斯坦從普朗克遺留的量子問題入手，這不是巧合。和普朗克一樣，他的職業生涯開始於研究原子在熱力學這個落後領域中的作用。但和普朗克不同的是，他像是一個和當代物理學的大部分內容沒有接觸的局外人。至於原子，愛因斯坦和普朗克的目標完全相反，因為普朗克的博士研究目標在於使物理學擺脫原子的影響，而愛因斯坦在他寫於1901—1904年的第一篇論文中提出了他的目標，即「發現盡可能多的事實去證明具有明確有限體積的原子的存在」，隨著他在1905年對原子的隨機運動如何引起布朗運動的革命性分析論文的發表，他最終完成了這個目標。23
儘管愛因斯坦幫助物理學家最終接受了原子的存在，但在關於普朗克量子概念的著作中，愛因斯坦引入了一種新的「類似原子」（atom-like）的光理論，物理學家發現這個理論甚至更難理解。他是在思考普朗克關於黑體輻射的研究後發展出這個理論的。由於對普朗克的分析不滿意，他發明了自己的數學工具去分析這種現象。儘管他得出了相同的結論——即黑體輻射只能通過量子概念來解釋——但他的解釋有一個關鍵的技術上的不同：普朗克曾推測能量的離散特性是由於在釋放輻射的過程中黑體中的原子或分子發生振蕩所致；而愛因斯坦則把離散的特性視為輻射本身固有的屬性。
愛因斯坦把黑體輻射視為自然界一種新的基本定律的證據：所有電磁能量以離散包的形式出現，以及輻射是由類似光原子的粒子構成。正是由於這種洞察力，愛因斯坦成為第一個意識到量子原理革命意義的人——它是我們世界的一個基本層面，而不僅是一個專門用來解釋黑體輻射的數學技巧。他把輻射的粒子稱為「光量子」，在1926年他的光量子將獲得一個現代名字：光子。
假如愛因斯坦就此止步，他的光子理論將僅僅是一個解釋黑體輻射的替代模型，就像普朗克的模型一樣。但假如光子真的是一種基本概念，它應該可以闡明現象的本質，而不只是解釋黑體輻射這種現象。愛因斯坦在這些現象中發現了一種被稱為光電效應的現象。
光電效應是光照射金屬從而使它釋放電子的過程。這些電子形成的電流可以應用於各種裝置。這種技術在電視機的發展過程中將發揮重要的作用，它還會在各種裝置中得到應用，例如煙霧探測器和防止你在進入電梯時被電梯門夾住的傳感器。在後一種應用中，一束光穿過門口照射在另一頭的光電接收器上，這個裝置會產生電流；如果你走進電梯，你將阻斷這束光線，因此也就切斷了電流，電梯製造商通過這種方式安裝設備，電流的中斷將會使電梯門保持開啟狀態。
光照射金屬可以產生電流，這是由德國物理學家海因裡希·赫茲在1887年發現的，他是第一個有意製造和探測由加速電荷釋放的電磁波的人，因此頻率的單位赫茲就是以他的名字命名的。但赫茲無法解釋光電效應，因為電子尚未被發現。1897年英國物理學家J. J. 湯姆孫在實驗室中發現了電子——此時赫茲去世已經三年，他在76歲時死於一種引起血管發炎的罕見疾病。
光子的存在為光電效應提供了一個簡單的解釋：當電磁波照射金屬時，激發了金屬內部的光子，使其飛出來並以電火花、射線和電流的形式呈現。受到湯姆孫工作的啟發，物理學家開始更深入地研究這種效應。但經過長期艱難的實驗，他們最終發現光電效應在有些方面並不符合理論框架。
比如，當你增加一束光線的強度時，它會使金屬釋放出更多的電子，但卻對這些電子的能量沒有影響。這與經典物理學的預測相矛盾，因為強度更大的光攜帶有更多的能量，所以，當能量被吸收後，它應該產生更快、更活躍的電子。
愛因斯坦思考這個問題已經很多年了，在1905年他終於把它和量子聯繫起來：如果光是由光子構成的，這個數據就可以得到解釋。愛因斯坦以這樣的畫面描述光電效應：每個撞擊金屬的光子將它的能量轉移給了某些特別的電子。每個光子攜帶的能量與光的頻率，或者顏色成比例，如果一個光子攜帶了足夠的能量，它將使電子自由地飛出去。頻率較高的光由能量較高的光子構成。另一方面，如果只增加光的強度（而不是頻率），光將由更多的光子組成，但不是那些能量更高的光子。結果，強度更高的光將導致更多的電子被釋放出來，但電子的能量將不會改變——這和先前觀察到的現象完全一致。
光是由光子——粒子——構成的提議與麥克斯韋極其成功的電磁學理論相矛盾，這個理論認為光是以波的形式傳播的。愛因斯坦認為當我們展開的光學觀察涉及由數量龐大的光子產生的淨效應時——在普通情況下就是這樣——光經典的「麥克斯韋式」波狀特性就會出現。
比如，一個100瓦的電燈泡每十億分之一秒釋放出大約10億個光子。相較而言，當光的強度較低時，或者在某種其機制由光子的離散本質決定的現象中（比如光電效應），光的量子本質才會變得明顯。但愛因斯坦的推測並不足以使其他人接受他激進的觀點，他遭遇到了極大的，幾乎是普遍的懷疑。
對於愛因斯坦工作的評價，我最喜歡的是由普朗克和多位其他頂級科學家在1913年為愛因斯坦入選享有盛譽的普魯士科學院聯名寫的推薦信：「總而言之，人們可以說，在現代物理學存在的許多重大問題中，還沒有哪個是愛因斯坦沒有做出過非凡貢獻的。他有時候或許會在推測中遺漏了某些目標，比如他的光量子假設，但這不能成為反對他的理由，因為在最精密的科學中引入真正的新概念在某些時候就必須得冒險。」24
* * *
阿爾伯特·愛因斯坦，1921年
諷刺的是，正是光子理論最初的反對者之一羅伯特·密立根最終完成了精確測量，確認了愛因斯坦描述的被釋放的光電子能量的定律——他因為這些成就（以及他對電子電荷的測量）在1923年獲得了諾貝爾獎。當愛因斯坦在1921年獲得諾貝爾獎時，頒獎詞說得很簡單：「該獎頒發給阿爾伯特·愛因斯坦，感謝他為理論物理學做出的貢獻，尤其是他對光電效應定律的發現做出的貢獻。」25
諾貝爾委員會選擇認可愛因斯坦的公式，但卻忽視了他推導這個公式所經歷的知識革命。他們也沒有提及光量子，或愛因斯坦對於量子理論的貢獻應得的榮譽。亞伯拉罕·派斯把這稱為「一個歷史性的低估，但也準確地反映了物理學界的共識」。26
隨著「量子力學」理論的正式提出，對於光子以及通常的量子理論的懷疑將在下一個十年被平息，量子力學理論將取代牛頓運動定律作為控制物體如何運動以及對作用力做出反應的根本原理的地位。當這個理論最終出現時，愛因斯坦將會認可它的成功，但也正是從那個時候起他開始反對量子理論。
愛因斯坦拒絕接受量子理論是最終答案的說法，他一直相信它終將會被一個更為基本的理論取代，這個理論將恢復傳統的因果概念。在1905年他曾發表了三篇論文，每一篇都改變了物理學的發展軌跡；在他餘下的人生中，他徒勞無功地試圖再這麼做一次——去顛覆因他而起的東西。1951年，在他最後的信件中，有一封是寫給他的朋友米歇爾·貝索的，愛因斯坦在信中承認他失敗了。「所有這50年的思索，」他寫道，「並沒有使我更接近這個問題的答案：什麼是光量子？」27
[1] 羅塞塔石碑是解讀失傳千年的埃及象形文字的關鍵，後用來比喻解決一個問題或困難的關鍵線索或工具。——編者注
[2] 普朗克經常被錯誤引用的一句話更簡短有力：「科學的每一次進步都是在葬禮上取得的。」
[3] 索末菲是一位重要的量子理論先驅；正如我說的那樣，邁特納完成了很多發現，包括核裂變；戴森在電磁學的量子理論中發揮了重要作用；伽莫夫、迪克以及皮泊斯解釋和預測了宇宙微波背景輻射，但因此而獲獎的卻是阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾森，他們只是偶然探測到它，但他們並不瞭解自己發現的東西。
[4] 然而，和門捷列夫一樣，邁特納獲得了國際純粹與應用化學聯合會的認可，它在1997年將第109種元素命名為。邁特納於1968年去世。