現在無論有多少才華橫溢，求知若渴的人專注於研究量子，也無論他們猜測或者發現了多少個別真理，到20世紀20年代初期，物理學界依然沒有一個關於量子的普遍理論，或者提出這種理論的可能性。假如玻爾提出的某種原理是正確的，它將為原子的穩定性以及它們的譜線提供解釋，但這些原理為什麼是正確的？你又該如何運用它們來分析其他體系？沒有人知道答案。
許多量子物理學家開始變得心灰意冷。未來的諾貝爾獎得主，即將引入「光子」這個術語的馬克斯·玻恩（1882—1970）寫道：「我毫無希望地思索著量子理論，試圖找出一種計算氦原子和其他原子的秘訣；但我並沒有取得成功……量子實在是一團毫無希望的亂麻。」1另一位未來的諾貝爾獎獲得者，將會建議並提出自旋性質數學理論的沃爾夫岡·泡利（1900—1958）是這樣說的：「物理學現在非常混亂；無論如何對我來說它都太難了，我希望自己是一個電影喜劇演員，或者從事類似的什麼工作，而從來沒有聽說過任何關於物理學的東西。」2
大自然給我們出了許多謎題，而我們必須理解它們。物理學家有一個特點，那就是他們始終相信在這些謎題背後隱藏著意義深遠的真相。我們相信大自然由普遍法則統治，而不是各種互不相干現象的混合。早期研究量子的人並不知道量子的普遍定律是什麼，但他們相信這樣的理論一定存在。他們探索的這個世界對於解釋有著頑固的抵抗力，但他們想像它可以被理解。他們的夢想滋養著他們。和我們一樣，他們在懷疑和絕望時會受到傷害，但他們依然在信仰的激勵下沿著這條將會耗費他們數年光陰的艱難的探索之路奮勇向前，相信在這條路的另一頭必定會有真理的獎賞。在任何艱辛的事業中，我們發現那些成功者都具備強烈的信念，因為那些意志不堅的人在成功之前就已經退出。
我們很容易理解玻恩和泡利等人的絕望，因為量子理論不僅本身具有挑戰性，而且量子理論發展所處的時代也很艱難。大多數量子先驅在德國工作，或者在德國與玻爾通過集資於1921年在哥本哈根大學創立的研究所之間來回穿梭，因此，當他們週遭的社會和政治秩序逐漸失序時，他們命中注定將會在這樣一個時期展開對科學新秩序的研究。1922年，德國外交大臣遇刺。1923年，德國馬克的價值是它戰前價值的一萬億分之一，買一公斤麵包需要5 000億這樣的「德元」。儘管如此，新量子物理學家還在從理解原子以及那個微小層面的自然基本定律中尋求養分。
這種養分終於在那個年代中期開始陸續出現。它始於一個23歲，名叫維爾納·海森堡（1901—1976）的年輕人在1925年發表的一篇論文。
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海森堡出生在德國的烏茲堡，是一位古典語言教授的兒子，在很小的時候就被認為天資聰穎——以及爭強好勝。3他父親鼓勵這種競爭精神，海森堡經常跟大他一歲的兄長打架。這種爭執以一次血腥的鬥毆告終，這一次他們用木椅攻擊對方，隨後叫了休戰——他們的休戰之所以會延續，主要是因為他們走上了各自的人生道路，離開了家庭，終其一生再也沒有和對方說過話。在未來的日子裡，海森堡還將同樣兇猛地攻擊他的工作帶給他的挑戰。
海森堡一直把競爭當作個人挑戰。他對滑雪並沒有特別的天賦，但他通過訓練變成了一名優秀的滑雪者。他熱衷長跑、練習大提琴和鋼琴。但最重要的是，當他還在上小學時，他發現自己有算術方面的天賦，這使他對數學及其應用產生了濃厚的興趣。
1920年夏天，海森堡決定考取數學博士學位。要想被錄取必須說服一位教員做你的擔保人，通過父親的關係，海森堡獲得機會參加慕尼黑大學知名數學家費迪南德·馮·林德曼的面試。結果證明，這次面試並不是那種你有時候通過走後門得到的機會，在這樣的面試中，面試官或許會給海森堡提供茶水和黑森林蛋糕，還會告訴海森堡他們對他的聰明才智早已如雷貫耳。相反，這是一次很糟糕的面試，林德曼還有兩年就將退休，對一年級新生並不感興趣，他辦公桌上臥著的一隻獅子狗不停地狂吠，讓耳背的他很難聽清楚海森堡在說什麼。然而，最終毀掉海森堡機會的似乎是他提到他正在閱讀的一本關於愛因斯坦相對論的書，這本書由一位名叫赫爾曼·魏爾的數學家撰寫。在聽到這個年輕人對物理學的興趣後，作為數字理論家的林德曼突然終止了面試，說道：「假如那樣的話，你根本就不懂數學。」4
林德曼這句話的意思或許是對物理學的興趣顯示出糟糕的品位，然而，作為一名物理學家，我認為他真正的意思是，在接觸了一個更有趣的科目後，海森堡將很難再有耐心去研究數學。無論哪種情況，林德曼的傲慢和僵化改變了歷史的進程，因為假使他接納了海森堡，物理學將會損失一位其觀點將成為量子理論核心的人物。[1]
在被林德曼拒絕後，海森堡並沒有多少選擇餘地，他決定去阿諾德·索末菲那裡嘗試申請物理學博士，索末菲是玻爾原子的重要支持者，此時他已經對這種理論做出了自己的貢獻。索末菲瘦小，禿頂，留著一把大鬍子，沒有養獅子狗，年輕的海森堡閱讀魏爾的書給他留下了良好的印象。但這種印象也沒有深刻到讓他決定馬上接受他，但也足夠讓他為海森堡提供暫時擔保。「你或許知道一些東西，你或許什麼也不知道，」索末菲說，「我們以後就知道了。」5
海森堡當然知道一些東西。他知道的東西足夠讓他在1923年從索末菲那裡獲得博士學位，在1924年，他甚至獲得了更高等的「特許任教資格」學位，可以讓他去哥廷根大學在玻恩手下工作。但他通往不朽的道路實際上卻開始於1924年秋天去哥本哈根拜訪尼爾斯·玻爾。
當海森堡抵達時，受到誤導的玻爾正在努力改進他的原子模型，海森堡也加入其中。我說「誤導」並不只是因為他的努力白費了，也是因為他的目標：玻爾想把光子，也就是愛因斯坦的光量子從他的模型中剔除。這聽起來或許很奇怪，因為最初正是光量子這種概念啟發玻爾去思考原子或許是因為受到限制才只會有某種離散的能量。儘管如此，玻爾和大多數物理學家一樣不太情願接受光子存在的現實，因此他問自己，人們可以創造一個不包含光子的玻爾原子的變體嗎？6玻爾相信他可以。我們曾經見過玻爾努力工作並最終獲得成功的故事，但這一次他的努力將一無所獲。
當我還是學生時，我的朋友和我把許多物理學家視為偶像。我們崇拜愛因斯坦是因為他那無懈可擊的邏輯和激進的觀點。我們崇拜費曼和英國物理學家保羅·狄拉克（1902—1984）是因為他們發明了表面上看不合規定的數學概念，並通過它們得到了神奇的結果。（數學家後來終究會發現一種證明它們的方法。）我們崇拜玻爾是因為他的直覺。我們把這些人視為英雄，超人般的天才，他們的思路總是那麼清晰，觀點總是那麼正確。這沒有什麼不正常，我猜——藝術家、企業家以及體育迷都能說出幾個他們認為比生命還要偉大的人物。
在我的學生時代，我們被告知玻爾對量子物理學的直覺是如此讓人印象深刻，以至於他似乎「和上帝有直接連線」。但在討論早期的量子理論時，他們只會談論玻爾那偉大的洞察力，而很少會提及他的許多錯誤觀點。這很自然，因為隨著時間的流逝，好的觀點留了下來，不好的則被人遺忘。不幸的是，這給我們留下一種錯誤印象，即科學比它實際上要更簡單，更容易——至少對某些「天才」來說是這樣。
偉大的籃球明星邁克爾·喬丹曾經說過：「在我的職業生涯中，我投丟了超過9 000個球，輸掉了差不多300場比賽，有26次我被托付來完成制勝一球，但我投丟了。我在生命中一次又一次地失敗。這就是我為什麼會成功。」7他是在耐克廣告上說的這段話，因為這樣一位傳奇人物在經歷失敗之後又繼續前行的故事聽起來非常鼓舞人心。但對任何在發現或創新領域工作的人來說，聽一聽玻爾的誤導概念或牛頓在煉金術上毫無成果的努力，知道我們的智力偶像也會和我們一樣產生錯誤觀點和失敗，這具有同樣的價值。
玻爾當初應該考慮一下他的玻爾原子是不是太激進了，這種想法很有意思，但毫不令人意外，因為科學和社會一樣，是建立在某種共同的觀點和信仰之上的，但玻爾原子並不符合這個標準。結果，從伽利略到牛頓，從玻爾到愛因斯坦——以及未來的先驅——即使他們的想像力幫助他們創造了未來，他們仍然還有一隻腳停留在過去。
在這個方面，科學領域的「革命者」與其他領域具有前瞻性思維的個人沒有什麼不同。以亞伯拉罕·林肯為例，他是解放美國南部奴隸的擁護者，但卻從來沒有放棄自己早已過時的信仰，即不同民族不可能共同生活在「社會和政治的平等中」。8林肯意識到或許會有人認為他反對奴隸制的立場跟他對於種族不平等的包容不一致。但他在為自己對白種人優越性的認可辯護時稱，它是否「與公正相符」不是一個關鍵問題，因為白人的優越性是一種「普遍感受」，無論「有沒有充分的依據，都不能輕易地漠視」。9換句話說，拋棄白人的優越性甚至對他也是一種過於激進的舉動。
如果你問別人他們為什麼會相信這個或那個，他們不會像林肯那樣坦率或自覺。沒有幾個人會照實說，他們相信某樣東西是因為大家都相信它。或者「因為我一直都相信它」，或者「因為家庭和學校教育我應該相信它」。但是，就像林肯說的那樣，這通常是一個很好的理由。在社會中，共同的信仰創造了文化，有時候也會製造不公。在科學、藝術以及其他重視創造力和創新性的領域，共同的信仰變成了阻礙進步的思維桎梏。這就是為什麼改變通常都是一點一滴地出現，這也是為什麼玻爾在試圖改變他的理論時會畏首畏尾。
假如玻爾的新理論注定會失敗，它卻產生了一個非常幸運的結果：它迫使年輕的海森堡去深入思考玻爾原子初始理論的含義。他的分析逐漸使他得出一個激進的物理學新觀點：放棄對原子內部活動方式的物理想像是可行的，甚至是必要的——比如電子的運動軌道，它是我們在頭腦中想像出來的，但在現實中卻無法觀察。
和經典物理學理論一樣，玻爾的理論依靠的是描述電子的位置和軌道速度等特性的數值。在牛頓所研究的物體世界中——拋射物、鐘擺、行星——位置是可以被觀察和測量的。但在實驗室中卻無法觀察原子是否游移不定，或者如果它們的確處於運動狀態，它們的速度又有多快。海森堡分析，假如經典概念——例如位置、速度、路徑、軌道和拋物線——在原子層面上無法被觀察到的話，人們或許不應該再試圖創造一門基於它們的原子科學——或其他體系。為什麼非得執著於這些舊觀點呢？海森堡判定它們就是17世紀的思維束縛。
海森堡問自己，有沒有可能發展出一種基於可被直接測量的原子數據——例如原子釋放的輻射的頻率和振幅——的理論？
盧瑟福之所以反對玻爾原子模型，是因為玻爾沒有為電子如何在原子能級之間完成躍遷提供機制；海森堡將為這個批評做出解答，但不是通過提供這種機制，而是在有人提起電子時宣稱沒有什麼機制，也不存在什麼路徑，或者至少物理王國之內不存在這個問題——因為物理學家可以測量在這個過程中吸收或釋放的光，但卻無法親眼看到這個過程。到海森堡在1925年春天回到哥廷根並在玻爾的研究所擔任講師時，發明出一種完全基於可測量的數據的新方法來研究物理學變成了他的夢想——他的目標。
對任何人來說，創造一門激進的新科學，拋棄牛頓對於現實的直覺描述，否定位置和速度等我們可以想像和理解的概念，這都是一個大膽的目標，更別說像海森堡這樣一個23歲的年輕人了。但和在22歲就改變了世界政治版圖的亞歷山大一樣，年輕的海森堡將引領一場重塑世界科學版圖的行軍。
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海森堡根據靈感創造的理論將取代牛頓運動定律作為我們自然基本理論的地位。馬克斯·玻恩將其稱為「量子力學」，以便把它和通常被稱為牛頓力學或經典力學的牛頓定律區別開來。10但物理學理論只能通過它們準確的預測能力加以驗證，而不是一致的認同或者品位，因此，人們或許想知道一個像海森堡那樣的基於奇怪觀點的理論將如何「取代」一個像牛頓定律這樣的已經確立的成功理論。
答案是，儘管量子力學的概念框架與牛頓的大相逕庭，但這兩種理論的數學預測能力通常只在原子或更小的體系中有所不同，因為牛頓定律在這個層面上失效了。因此，一旦它發展完善，量子力學將能夠解釋原子的奇特行為，而不會與牛頓理論提供的對日常現象的完整描述相矛盾。海森堡和其他致力於發展量子理論的人知道一定會是這種情況，他們為這種觀點發展出一種數學表達，用來為他們尚在發展的理論提供有用的驗證。玻爾將其稱為「對應原理」。
海森堡是如何從一個在當時無異於一種哲學偏好的東西中創造出一種具體理論的呢？他的挑戰是把物理學應該基於「可觀察量」——我們測量的數量——的概念轉變為可被用來描述物理世界的數學框架，就像牛頓定律那樣。他發明的理論可以應用於任何物理體系，但他是在原子世界的背景下發展它的，最初的目標是通過一種數學普遍理論來解釋玻爾原子模型成功的原因。
海森堡首先做的是為原子挑選合適的可觀察量。因為在原子世界中，我們測量的是原子釋放的光的頻率以及譜線的振幅或強度，他選擇的正是這些性質。接下來，他使用傳統的數學物理學去推導傳統的牛頓式「可觀察量」——例如位置和速度——與譜線的這些數據之間的關係。他的目標是利用這種聯繫以量子可觀察量替換牛頓物理學中的可觀察量。這是一種同時需要創造力和勇氣的舉措，因為它要求海森堡將位置和動力轉化為看起來既新鮮又怪異的數學實體。
舉例來說，儘管位置是由具體指定的一個單獨的點來定義的，但光譜數據需要一種不同的描述方法，這也就是為什麼會需要這種新型變量的原因。原子釋放的光的每一種性質——例如顏色和強度——形成的不只是單一數字，還是一個完整的數字陣列。這些數據之所以會構成一個數組，是因為一條譜線對應的是從原子的任何初始狀態到任何終極狀態的一次躍遷——為每一對可能的玻爾原子能級產生了條目。如果這聽起來有些複雜的話，別擔心——它就是很複雜。實際上，當海森堡第一次想出這個方案時，連他自己都說「非常奇怪」。11但他工作的要點是把人們想像的電子軌道從他的理論中剔除，並用純粹的數量值來替代。
和盧瑟福一樣，那些在海森堡之前研究原子的人試圖找出原子過程背後的一種機制。他們把原子內部看不見的東西視為真實存在的，並試圖通過對其內部東西行為的猜測——例如沿軌道運動的電子——來推導他們所觀察的譜線的本質。他們的分析一直假定原子構成要素的基本特性和我們在日常生活中習慣的東西相同。只有海森堡的想法與眾不同，他勇敢地宣稱電子的軌道超出了觀察範圍，並不是真實存在的，因而不能在這個理論中佔有一席之地。這不但是海森堡研究原子的方式，也是他研究任何物理體系的方式。
在海森堡的理論中，位置由數字的無限矩陣或數組表示，而不是我們熟悉的空間坐標
通過堅決主張這種分析方法，海森堡拋棄了人們牛頓式的世界形象，例如物體獨立存在，具有速度和位置等明確性質。他的理論一旦完善，將要求我們去接受一個基於不同概念設計方案的世界，在這樣一個世界中，物體的軌跡乃至它的過去和將來都不是明確劃定的。
鑒於當今世界有太多人難以適應短信和社交媒體等新技術，人們只能通過想像去猜測一個人在思想上該有多開放才能調整思路去接受一種說組成你的電子和原子核沒有具體存在形式的理論。但海森堡的方法需要的就是這種開放態度。它不只是一種新物理學——還是一種全新的現實概念。這樣的問題促使馬克斯·玻恩去質疑物理學和哲學長達幾個世紀的分裂。「我現在相信，」他寫道，「理論物理學實際上就是哲學。」12
海森堡逐漸開始理解這些觀點，他的數學運算也取得了進展，他變得越來越激動。但就在此時他卻患上了花粉熱，病得非常嚴重，以至於不得不離開哥廷根，去北海一座幾乎寸草不生的岩石島嶼休養。他整個臉腫脹得駭人。儘管如此，他依然沒日沒夜地繼續工作，完成了他關於這個觀點的第一篇論文，這篇論文將徹底改變物理學。
回到家後，海森堡詳細記錄下他的發現，並給他的朋友泡利和玻恩分別寄去一份副本。這篇論文概述了一種方法，並把它應用在了一些簡單問題上，但海森堡並沒能利用他的觀點去計算任何具有實際意義的東西。他的著作非常粗略，複雜到嚇人，還極其神秘。對玻恩來說，閱讀它的感覺一定很像在雞尾酒會上和一個不停講話但他的話沒有任何意義的人的交談。大多數人在面對一篇晦澀難懂的論文時，都會先看上幾分鐘，接著把它丟在一邊，然後開始喝葡萄酒。但玻恩一直堅持著。到最後，他對海森堡論文的印象如此深刻，以至於他立即給愛因斯坦寫信，告訴他一位年輕科學家的觀點「完全正確且意義深遠」。13
和玻爾以及海森堡一樣，玻恩也受到過愛因斯坦相對論的啟發，他注意到，海森堡對於可被測量的東西的關注與愛因斯坦在創造相對論時對如何計量時間的操作方面的謹慎關注相似。14
然而，愛因斯坦並不喜歡海森堡的理論，他正是在量子理論發展的這個節點開始與量子分道揚鑣：愛因斯坦不會贊同一個否認定義明確的物體現實存在的理論，在這個現實中物體具備明確的性質，例如位置和速度。原子的性質可以通過一種沒有參考原子軌道的暫時理論加以解釋，這個他可以接受。但一種宣稱這樣的軌道不存在的基本理論——這個他不會贊同。就像他後來寫的那樣：「我傾向於相信物理學家不會永遠滿足於……對現實的間接描述。」15
海森堡對自己創造的東西也沒有把握。他後來描述道，某天晚上，當他即將有所發現時，他一直工作到凌晨3點，累得頭暈眼花，但由於對他的新發現過於激動，他甚至無法入睡。然而，當他為陳述觀點的第一篇論文撰寫手稿時，他在信中對他父親寫道：「我目前的進展不是特別順利。我並沒有寫出太多東西，也不知道另一篇（論文）會不會從這裡面冒出來。」16
與此同時，玻恩一直在苦苦思索海森堡奇怪的數學。某天他突然靈光一現：他在別的地方見過一個方案與海森堡的類似。他回想起來，數組就像某種被數學家稱為「矩陣」的東西。
矩陣代數在當時是一個神秘晦澀的科目，很明顯海森堡又重新使用了它。玻恩請泡利幫他把海森堡的論文翻譯成數學家的矩陣語言（並擴展這種語言以便將海森堡矩陣代數的無限數字行列考慮在內）。未來的諾貝爾獎得主泡利變得十分不安。17他指責玻恩試圖通過引入「沒用的數學」和「乏味複雜的形式主義」毀掉他朋友美麗的「物理觀點」。
實際上，矩陣語言具備強大的簡化功能。玻恩又找來他的學生帕斯誇爾·喬丹做幫手，幾個月後，海森堡、玻恩以及喬丹在1925年11月提交了一篇關於海森堡量子理論的論文，這篇論文現在是科學史上的一座里程碑。此後不久，在充分理解了他們的著作後，泡利使用這種新理論得出了氫元素的譜線，並展示了它們是如何受到電場和磁場的影響的，這在以前是不可能發生的。這是這種即將推翻牛頓力學的新興理論的首次實際應用。
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2 000多年前原子概念誕生，200多年前牛頓發明出數學力學，20多年前普朗克和愛因斯坦引入量子概念。從某種程度上說，海森堡的理論是所有這些長長的科學思維脈絡的頂點。
問題是，一旦它發展成熟，海森堡的理論需要30頁的篇幅來解釋原子的能級，而玻爾理論只用了幾句話來做說明。為此，我那實用主義至上的裁縫父親說：「天哪，就為了這個他研究了這些年？」然而海森堡的理論卻是更好的，因為它的結果基於深刻的原理，而不是玻爾專門的假設。因為這個原因，你或許會認為它將很快被人們接受。但大多數物理學家並沒有直接參與對一種量子理論的研究，他們的想法似乎跟我父親的類似。對他們來說，30頁和幾句話比起來並不算是一種進步。他們——很明顯盧瑟福就是其中一員——既不為所動也沒有興趣，他們看待海森堡的方式就像你看待一個告訴你他可以用一個新自動調溫器解決你的問題，但你最好還是換輛新車的汽車修理工。
維爾納·海森堡(左)和尼爾斯·玻爾
然而，一小群量子理論專家卻有著截然不同的反應。他們幾乎毫無例外地感到震驚不已。因為海森堡那複雜的理論以某種深奧的意義解釋了玻爾的臨時氫原子理論為什麼會有效，也為觀察到的數據提供了完整的描述。
尤其對於玻爾來說，這是他開啟的一段探索之旅的高潮。他明白他的原子只是一個專門的臨時模型，注定要通過一個更普遍的理論加以解釋，並且，他相信這個理論就是海森堡的理論。「由於海森堡的上一篇著作，」他寫道，「願望實現了，這個……長期以來一直都是我們的核心願望。」18
有那麼一段時間，物理學處於一種奇怪的境地，就像在世界盃的賽場踢進了制勝一球，但只有少部分球迷注意到了。諷刺的是，幾個月之後出現的兩篇論文才最終把量子理論從一種只有專業人員才感興趣的理論提升成為一種所有物理學背後的基本理論，在1926年1月和2月發表的這兩篇論文描述了另一種量子的普遍理論，這種理論使用了完全不同的概念和方法——表面上看，一個看待現實的不同視角。
這個新出現的競爭理論把原子中的電子描述成一種波——這是一種物理學家習慣於想像的概念，儘管當然不是在電子的背景下。奇怪的是，雖然存在這樣的不同，但它和海森堡的理論一樣也能解釋玻爾原子。自希臘人以降，科學家就不得不在沒有任何描述原子的理論的情況下勉強將就。現在他們似乎有了兩種理論。二者看上去互不相容，一個認為自然由物質波和能量構成，另一個堅持認為把自然視為由任何東西構成的都是毫無意義的，它規定我們只需要考慮數據間的數學關係。
新量子理論是奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤（1887—1961）的成果，它與海森堡的理論在風格上的差異就像他們兩個人，以及他們完成突破的地點之間的差異。鼻竇腫脹的海森堡在一個岩石小島上孤獨地完成了他的著作，而薛定諤的作品則完成於聖誕節假期，當時他和一名情婦正在阿爾卑斯山的休閒小鎮阿羅薩度假。他「在生命中一個遲來的情慾爆發期完成了他偉大的工作」，一位數學家朋友說道。19這位數學家所說的「遲來的」指的是薛定諤38歲的高齡。
這位數學家對薛定諤的高齡或許說到點子上了。我們一次又一次地目睹年輕的物理學家接受新觀點，而年長的則更渴望傳統的做事方式，就好像一個人年紀越大，就越不容易接受世界的變化。結果證明，薛定諤的作品實際上就是這種傾向的另一個例子——這頗具諷刺意味，因為薛定諤創立他理論的動力是他渴望擁有一種比起海森堡的理論來說更像傳統物理學的量子理論：薛定諤奮力維護他熟悉的東西，而不是試圖顛覆它。
和更年輕的海森堡不同，薛定諤對電子在原子中的運動展開了想像。儘管他奇異的「物質波」並沒有直接賦予電子像玻爾的軌道那樣的牛頓物理學性質，但他新的量子「波理論」——最初沒人知道應該如何解釋——卻有希望避免海森堡的理論要求的那種令人不快的看待現實的方式。
它是物理學家欣賞的一件替代品。在薛定諤之前，量子力學在獲得認可方面進展緩慢。由於涉及無數個矩陣方程，海森堡那陌生的數學看起來複雜到嚇人，物理學家在支持象徵性的數組而拋棄他們可以想像的變量時也很不自在。從另一方面來說，薛定諤的理論便於使用，它基於的這個方程與那些物理學家在研究生時代曾經研究過的聲波和水波相似。它是經典物理學家分析問題的基本方法，可以使量子物理學的過渡變得相對容易。同樣重要的是，儘管依然沒有使用軌道等牛頓式概念，薛定諤通過提供一種想像原子的方式使量子理論變得更容易讓人接受——這與海森堡一直為之努力的東西形成了對照。
甚至連愛因斯坦也喜歡薛定諤的理論——在剛開始的時候。他曾經思考過物質波的概念，先前還與這個奧地利人一起工作過。「你作品中的觀點來自真正的天賦！」20他在1926年4月給薛定諤的信中這樣說道。10天後，他再次給薛定諤寫信：「我相信你對量子狀態的構想已經讓你取得了決定性的進展，就像我相信海森堡和玻恩的方法具有誤導性一樣。」21他在5月初又寫信高度讚揚薛定諤的作品。
然而就在同一個月，也就是1926年5月，薛定諤宣佈了另一個驚人的消息：連他自己都感到驚愕的是，他發表的一篇論文表明他的理論和海森堡的理論在數學上是相等的——二者都是正確的。也就是說，儘管這兩種理論使用了不同的概念框架——對於自然「內部」情況的不同觀點（實際上，海森堡甚至拒絕往內部看）——它們被證明只在語言上有所不同：這兩種理論對於我們觀察到的東西的看法是一樣的。
讓事情變得更複雜（或者更有趣）的是，20年後，理查德·費曼將創造第三種量子理論構想，它與海森堡和薛定諤的理論在數學和概念框架上很不一樣，但在數學上與更早的理論相等——表達了同樣的物理原理，做出了完全相同的預測。
華萊士·斯蒂文斯寫道，「我有三種思維/如同一棵樹/上面有三隻烏鶇」，22但這種情景轉化成物理學看起來或許會很奇怪。如果物理學掌握著任何「真理」，會有不止一種「正確」理論嗎？是的，即使是物理學也有很多看待事物的方式。現代物理學尤其如此，在現代物理學中，我們「看到的」東西，例如原子、電子，和希格斯玻色子，實際上並不能「被看到」，這促使物理學家從數學中，而不是從一個能夠觸碰的現實中創造出他們腦海中的形象。
在物理學中，一個人可以根據一組概念提出一套理論，而另一個人可以根據一組不同的概念為同一種現象提出另一套理論。使這種活動不同於左右翼間政治鬥爭的是，在物理學中，一種觀點要想被認為有效，必須通過實驗的驗證，這就意味著替代理論必須得出相同的結論——這是政治哲學很少會做的事情。
這又把我們帶回到理論是被發現還是被發明的老問題上。在沒有深入研究外部客觀現實是否存在這樣一個哲學問題的情況下，人們可以說創造量子理論的過程是某種意義上的發現，物理學家在探索自然的過程中意外地發現了自然的很多原理，然而，量子理論卻是被發明的，原因在於科學家所設計和創造的許多不同概念框架具備同樣的功能。這就如同物質能夠以波或者粒子的形式呈現，因而描述它的理論也可以具備看起來相互矛盾的特徵。
薛定諤發表的論文顯示他的理論和海森堡的理論相同，但那個時候還沒有人能正確理解他的構想。儘管如此，他的證據清晰地表明，未來的研究工作將顯示他的方法提出的這個哲學問題在海森堡版的理論中早已顯而易見。因此，在這篇論文後，愛因斯坦再也沒有寫過贊同量子理論的東西。
即使薛定諤自己很快也把量子理論作為研究重心，他還是認為假如他知道「他的論文會引發什麼樣的結果」，他或許就不會發表。23他在試圖取代海森堡那令人難以接受的理論時創造了他那看上去無冒犯之意的理論，但二者的相等性意味著他並沒有理解自己著作中令人反感的含義。最終，他只能激發自己的熱情去推動他原本並不願意接受的新量子觀點向前發展。
在他論文的一個不同尋常的情緒化腳注中，薛定諤寫道，海森堡的方法讓他「感覺很沮喪，雖然談不上厭惡」，「對我來說它很難理解，並且缺乏直觀性」。24這種厭惡是相互的。在讀完薛定諤提出他理論的論文後，海森堡在給泡利的信中說道：「我越琢磨薛定諤理論中的物理部分，就越覺得它噁心……薛定諤寫的關於它的論文的直觀性（就是）一派胡言。」25
這種競爭被證明只是單方面的，因為薛定諤的方法將很快勝出，大多數物理學家都會選擇他的方法來解決大多數問題。研究量子理論的科學家的人數很快上升，但使用海森堡的構想的科學家的人數卻下降了。
即使是曾經幫助海森堡發展理論的玻恩也被薛定諤的方法征服，海森堡的朋友泡利甚至讚歎利用薛定諤的方程來推導氫元素的光譜有多容易。這讓海森堡感覺很不愉快。與此同時，玻爾專注於更深入地理解這兩種理論之間的關係。最終，英國物理學家保羅·狄拉克為這兩種理論之間的深刻聯繫做了明確的解釋，他甚至還發明出一種他自己的混合形式——這種形式在今天頗受青睞——允許人們根據涉及的問題在它們之間熟練地轉換。到1960年，基於量子理論應用的論文超過了10萬篇。26
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儘管量子理論取得了如此眾多的進步，但海森堡的方法一直是它的核心，因為曾經啟發他的動力促使他拋棄粒子在穿過空間時會有拋物線或軌道的經典畫面，他在1927年發表的論文最終確保他在這場戰爭中贏得了勝利。他一次性地證明了無論你使用哪種形式，它都是一個科學原理的問題——我們現在所知的不確定性原理——即像牛頓那樣想像運動是沒有用的。儘管牛頓對於現實的概念或許在宏觀層面有用，但在構成宏觀物體的原子和分子這樣一種更基本的層面上，宇宙由一種完全不同的定律控制。
不確定性原理限制了我們對任意給定時間裡的某對觀察量的瞭解，例如位置和速度。[2]這不是測量技術方面的限制，或者人類創造力的局限；相反，它是自然施加給自己的一種限制。量子理論宣稱物體不具備如位置和速度等明確性質，並且，如果你試圖測量它們，你把一個測量得越精確，另一個就越是不精確。
在日常生活中，我們當然能夠按照自己的意願對位置和速度進行精確測量。這似乎與不確定性原理相互矛盾，但當你瀏覽量子理論的數學時，你會發現日常物體的質量是如此巨大，以至於不確定性原理與日常生活中的現象毫不相干。這就是為什麼牛頓物理學在這麼長的時間裡可以有效地解決問題——只有當物理學家開始研究原子層面的現象時，牛頓理論的局限性才會顯現出來。
比如，假設電子的重量和足球的重量相當。那麼，如果你把電子的位置限定在任意方向上的一毫米之內，你測量其速度的精確度依然會超過每小時一公里的一千億分之一。對於我們在日常生活中或許會進行的運算來說，這樣的精確度已經夠用了。但由於遠遠輕於一個足球，一個真實的電子就完全是另外一回事了。如果你以一個與原子體積大致相符的精確度來測量一個真實電子的位置，不確定性原理將告訴你正負每小時1 000英里並不能更精確地決定電子的速度——這就是靜止狀態的電子和比大型噴氣式客機速度更快的電子之間的差別。因此，海森堡在這裡得到了他的證據：自然終究會禁止觀測精確的電子路徑。
隨著對量子理論理解的加深，人們越來越清晰地看到在量子世界中不存在必然性，只存在可能性——沒有「是的，它會發生的」，只有「當然，任何這樣的事情都有可能發生」。在牛頓式世界觀中，未來或過去任意給定時間的宇宙狀態都留下了現在的宇宙印記，並且，通過使用牛頓定律，任何有足夠智力的人都可以讀懂它。如果我們有足夠的地球內部數據，我們將可以預測地震；如果我們知道與天氣相關的每一個物理細節，我們在原理上就可以有把握地說明天是否會下雨——或者一個世紀之後的明天會不會下雨。
這種牛頓式「決定論」是牛頓科學的核心：這種觀點認為一個事件引發另一個事件，一直這樣持續下去，並且可以利用數學對其進行預測。這是牛頓啟示的一部分，這種令人目眩神迷的確定性啟發了從經濟學家到社會科學家中的每一個人，大家都「想擁有物理學擁有的東西」。但量子理論告訴我們在它的核心——在構成一切物體的原子和分子這個基本層面——世界不是決定論的，宇宙目前的狀態並不能決定未來（或過去）的事件，而是許多未來選項中的一個是否會發生（或者在過去已經發生過的）的可能性。量子理論告訴我們宇宙就如同一個巨型賓果遊戲。就像是對這些觀點做出的回應，愛因斯坦在一封給玻恩的信中發表了他著名的宣言：「（量子）理論產生了很多東西，但並沒有讓我們更接近古聖的秘密。我完全相信他不玩擲骰子遊戲。」27
愛因斯坦在那份聲明中援引了上帝的概念——「古聖」，這很有意思。愛因斯坦並不相信傳統的個人性質的上帝，比如《聖經》。對愛因斯坦來說，「上帝」並沒有參與我們生命的隱私細節，而是代表著宇宙法則的美感和簡潔的邏輯。因此，當愛因斯坦說古聖不玩擲骰子遊戲時，他的意思是說他無法接受隨機性在自然的宏大方案中發揮的作用。
我父親既不是物理學家，也不玩擲骰子，當他還在波蘭生活的時候，他對於發生在幾百英里之外的物理學偉大進步毫不知情。但當我向他解釋量子不確定性時，他比愛因斯坦更容易接受它。對我父親來說，理解世界的探索並不是集中在望遠鏡或顯微鏡所做的觀察上，而是集中在人類的境遇上。因此，正像他根據自己的人生體驗來理解亞里士多德自然變化和暴力變化之間的差別一樣，他過往的經歷也讓量子理論內在的隨機性變成了一粒更易吞服的藥丸。他向我講述了他站在小鎮市場上一條長長的隊伍中的情景，這些人是納粹輸送的數以千計的猶太人。當圍攏開始時，他和一個逃亡的地下組織領導躲藏在一個廁所裡，他被指定來保護這個人。但他和那個逃亡者都忍受不了那種惡臭，最終他們跑了出來。這個逃亡者迅速逃走了，人們再也沒有見到過他。我父親被驅趕到那支隊伍中，站在了靠近末尾的位置。
隊伍行進得很緩慢，我父親看到所有人都被裝進了卡車。當他靠近隊伍前列時，黨衛軍負責人把人群分成了最後四組，我父親就在其中一組。這個人說，他們需要3 000名猶太人，很明顯這支隊伍有3 004人。無論他們去哪裡，他都不會跟他們一起去。後來他發現目的地是當地的一座公墓，在那裡，所有人都被命令去挖一個巨大的墓穴，隨後他們就被槍殺，直接埋在了裡面。在一場死亡抽彩中我父親抽中了3004號，德國人的精確戰勝了納粹的殘忍。對我父親來說，這就是他難以理解的一個隨機性例子。相較而言，量子理論的隨機性要容易理解得多。
和我們的生命一樣，科學理論既可以矗立於岩層之上，也可以修建在沙礫之中。愛因斯坦對物理世界的絕對希望就是量子理論將證明是建造在後者之上的，時間一長，這個脆弱的地基將導致它的坍塌。當量子不確定性原理出現時，他表示它不是自然的基本定律，而是量子力學的局限——這是這個理論沒有建立在牢固地基之上的一個信號。
他認為，物體的確具有如位置和速度等明確的數量值，但量子理論卻無法處理它們。愛因斯坦說，儘管量子力學取得了無可否認的成功，但它一定是某種重塑客觀現實的更深刻理論的不完整化身。然而沒有多少人像愛因斯坦一樣認同這種想法，因為許多年來它一直都是人們無法排除的一種可能性，愛因斯坦一直到死都相信他的說法將在某天被證明是有道理的。然而在最近幾十年，基於愛爾蘭理論物理學家約翰·貝爾（1928—1990）巧妙著作的複雜實驗已經排除了那種可能性。量子不確定性因而得以保留。
「愛因斯坦的意見，」玻恩坦承道，「就像重重的一擊。」28玻恩和海森堡一起為量子理論的概率解釋做出了重要貢獻，他希望得到更積極的回應。他很尊敬愛因斯坦，因而感到一絲失落，就像被一位受人尊敬的領袖拋棄了一樣。其他人也有類似的感覺，甚至在不得不反對愛因斯坦的觀點時難過地流下了眼淚。但很快愛因斯坦就發現在反對量子理論時他是孤軍奮戰，正如他自己說的那樣，唱著「我孤獨的小腔小調」以及看起來「就像我的外表一樣奇怪」。291949年，在他最初寫信反對玻恩的著作大概20年後，還有6年就將辭世的他又一次給玻恩寫信，他說：「大家都認為我食古不化，年紀越大就越瞎越聾。我感覺這個形象並不是那麼令人反感，因為它跟我的氣質非常匹配。」30
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創造量子理論的中歐科學智囊團超越或者至少匹敵我們在穿越歷史的旅途中遇到的任何燦若明星的知識分子群體。創新始於適宜的自然和社會環境，因而那些處於偏遠地區的人沒有做出多少貢獻也就絕非偶然：受到揭示出一連串與原子有關的新現象的技術進步的驅動，理論物理學家在當時也有幸成為智囊團的一分子，為那個在人類歷史上首次被披露的領域提出了見解和觀察。這是歐洲歷史上一個不可思議的時代，想像力如同一道道閃電刺破天空，一個自然新王國的輪廓開始浮現。
量子力學源自許多科學家的勤奮和天資，他們在少數幾個國家裡工作、交換觀點、互相辯論，但他們的激情和奉獻全都為了同一個目標。然而，即將攻陷他們大陸的混亂和野蠻給這些傑出人物的團結與碰撞蒙上了陰影。量子物理學的明星如同拙劣的洗牌掉出的撲克一樣散落各地。
一切都開始於1933年1月，時任德國總統，陸軍元帥保羅·馮·興登堡任命阿道夫·希特勒為德國總理。同一天夜裡，在偉大的哥廷根大學所在的小鎮——海森堡、玻恩和喬丹合作研究海森堡力學的地方——身著制服的納粹在大街上遊行，他們一邊揮舞著火把和納粹黨徽，一邊唱著愛國歌曲，並奚落著猶太人。在幾個月的時間裡，納粹在全國各地展開了焚燒書籍的活動，聲稱要把非雅利安人的教師從大學裡驅逐出去。突然之間，許多最受人尊敬的德國知識分子要麼被迫捨棄了他們的家園，或者要麼和我那身在波蘭，沒有這種選擇的裁縫父親一樣，留下來面對納粹日益猖獗的威脅。據估計，在5年時間裡有將近2 000名頂級科學家因為血統或政治信仰的原因而被迫逃亡。
然而，關於希特勒的崛起，據說海森堡曾欣喜地評論道：「至少我們現在有了秩序，可以結束這場動盪了，我們有一雙強有力的手統治著德國，這對歐洲有好處。」31海森堡在十來歲的時候就開始對德國社會的發展方向心懷不滿。他甚至在一個民族主義青年團體中非常活躍，這個團體經常組織去野外徒步旅行，他們圍坐在篝火旁批評德國人道德的淪喪以及共同目標和傳統的缺失。作為一名科學家，他也想遠離政治，但他似乎看到希特勒強有力的手能夠恢復德國「一戰」前的偉大。
然而，海森堡支持並協助發明的新物理學卻注定會激怒希特勒。在19世紀，德國物理學憑借數據收集和分析初步確立了它的卓越和聲望。當然也有人提出了數學假設並對其進行分析，但這通常不是物理學家關注的重點。然而，在20世紀前幾十年，理論物理學作為一個研究領域得到了極大的發展，正如我們看到的那樣，它取得了令人炫目的成功。然而，納粹卻認為它過度理論化，是一種深奧難解的數學。和他們痛恨的「墮落」藝術一樣，他們討厭它的超現實主義和抽像概念。最糟糕的是，它的大部分內容是猶太科學家的工作成果（愛因斯坦、玻恩、玻爾、泡利）。
納粹開始把這些新理論——相對論和量子理論——稱為「猶太人的物理學」。因此，它們不但是錯誤的，也是墮落的，納粹禁止大學開設關於它們的課程。甚至連海森堡也有了麻煩，因為他曾經研究過「猶太人的物理學」，還和猶太物理學家一起工作過。這種抨擊讓海森堡感到憤怒，儘管他可以在國外獲得很多享有盛譽的職位，但他依然選擇留在德國，效忠政府，對第三帝國言聽計從。
海森堡試圖直接懇請海因裡希·希姆萊幫忙解決他的問題，希姆萊是納粹黨衛軍的頭目，以後還將負責建造集中營。海森堡的母親和希姆萊的母親相識多年，海森堡通過這層關係給希姆萊寫了一封信。希姆萊的回應是持續了8個月的嚴密審查，這成為海森堡未來很多年的噩夢，但希姆萊最終宣佈「我相信海森堡是清白的，我們不能損失這個人，或者讓他保持沉默，他相對比較年輕，還可以教育新一代」。32海森堡同意了，作為交換，他將否認猶太物理學的猶太創造者，並避免在公共場合提到他們的名字。
至於其他著名的量子先驅，盧瑟福當時在劍橋。他在這裡幫助成立了一個旨在幫助學術難民的組織，並出任主席。他於1937年去世，享年66歲，死於絞窄性疝氣手術的延誤。狄拉克成為劍橋大學盧卡斯教授（牛頓和巴貝奇曾經的職務，霍金將來的職務），有一段時間他研究與英國原子彈計劃有關的問題，接下來被邀請為曼哈頓計劃工作，但因為道德原因拒絕了。他在塔拉哈西的佛羅里達州立大學度過了他的晚年，1984年在這裡去世，享年82歲。泡利當時是蘇黎世大學的一名教授，他和盧瑟福一樣也是一個國際難民計劃的領導，但當戰爭爆發時，他拒絕了瑞士國籍，逃到了美國，戰爭結束後不久被授予諾貝爾獎。晚年，他開始對神秘主義和心理學，尤其是夢境產生了越來越濃厚的興趣，他還是蘇黎世榮格學院的創始人之一。他於1958年在蘇黎世一家醫院去世，享年59歲，死於胰腺癌。
和泡利一樣，薛定諤也是奧地利人，但當希特勒掌權時他在柏林生活。對於希特勒，就和許多其他方面一樣，薛定諤被證明是海森堡的對立面：他直言不諱地反對納粹，並很快離開德國，在牛津大學獲得了一個職位。這之後不久，他和狄拉克一起獲得了諾貝爾獎。海森堡當時正試圖使德國物理學界保持團結，他對薛定諤的離去表示憤恨：「因為他既不是猶太人也沒有受到威脅。」33
結果證明，薛定諤並不會在牛津大學待多長時間。之所以會出現麻煩，是因為他和他的妻子以及情婦生活在一起——他把這個情婦看得比第二妻子還重要。正如他的傳記作者沃爾特·穆爾寫的那樣，在牛津，「妻子被當作是不幸的女性附屬品……在牛津有一個妻子就已經很糟糕了——有兩個那就太可怕了」。34
薛定諤最終在都柏林定居下來。他在1961年死於肺結核，享年73歲。他是在1918年參加第一次世界大戰時首次感染上這種病的，從此以後就飽受呼吸問題的折磨，這也是他為什麼喜歡阿爾卑斯山度假勝地阿羅薩的原因，也正是在這個地方他發展出了他的量子理論。
當希特勒開始掌權時，愛因斯坦和玻恩就生活在德國，由於他們的猶太血統，及時移民變成一件生死攸關的事情。愛因斯坦當時是柏林的一名教授，希特勒被任命的那一天他恰巧正在美國加州理工學院訪問。他決定不回德國，從此他再也沒有踏上過那片土地。納粹查抄了他的私人財產，焚燬了他關於相對論的作品，並懸賞5 000美元要他的人頭。但他早有準備：在他們動身去加利福尼亞之前，愛因斯坦告訴他的妻子好好再看一眼他們的房子。「你再也不會看到它了。」他對她說。35她認為他在說胡話。
愛因斯坦在1940年成為美國公民，但也保留了他的瑞士國籍。他在1955年去世，隨後被送往一家火葬場，12名親密朋友正安靜地聚集在這裡。在簡短的悼念活動結束後，他的遺體被火化，骨灰被撒在了一個不公開的地點，但普林斯頓醫院的一位病理學家卻摘除了他的大腦，此後它就一直被反覆地研究。它剩餘的部分目前在馬里蘭州銀泉市的美國陸軍國家健康和醫學博物館。36
由於被禁止講課，同時又擔心對他孩子持續的騷擾，玻恩也試圖馬上離開德國。海森堡盡力使玻恩免於受到非雅利安人工作限制的影響，但最後在泡利的難民組織的幫助下，玻恩於1933年7月離開德國，在劍橋大學得到一項任命，後來又搬到了愛丁堡。1932年玻恩選擇對諾貝爾獎置之不理，於是海森堡獲得了它——因為他們一起完成的工作——玻恩在1954年獲得了自己的諾貝爾獎。玻恩於1970年去世，他墓碑上鐫刻的墓誌銘是「pq－qp= h/2π」，這是量子理論最著名的公式之一，這個數學聲明將成為海森堡不確定性原理的基礎——這是他和狄拉克分別獨立發現的。[3]
生活在丹麥的玻爾管理著一所如今被稱為尼爾斯·玻爾研究所的機構，有一段時間他並沒有受到希特勒行動的影響，他幫助猶太科學家難民在美國、英國、瑞典尋找工作。但希特勒在1940年侵入丹麥，1943年秋天，駐哥本哈根的瑞典大使向玻爾透露他面臨立即被拘捕的危險，這是驅逐所有丹麥猶太人計劃的一部分。他本來應該在一個月之前就被逮捕，但巧合的是，納粹感覺如果他們等到大規模拘捕行動結束後再去抓玻爾或許會減少這件事情引發的公憤。這個延誤拯救了玻爾，他和妻子逃到了瑞典。第二天，玻爾見到了國王古斯塔夫五世，並說服他公開為猶太難民提供庇護。
然而玻爾自己卻面臨著被綁架的危險。瑞典遍佈德國特務，儘管他被安置在一個秘密地點，但這些特務知道他就在斯德哥爾摩。很快溫斯頓·丘吉爾就帶話給玻爾稱英國將營救他，他被裝進一架德哈維蘭蚊式轟炸機炸彈艙裡的墊子中，這是一種高空快速飛行轟炸機，沒有攜帶武器，可以避開德國戰鬥機。在飛行過程中，玻爾由於缺氧昏了過去，但他還是活著到了英國，身上依然穿著他離開丹麥時所穿的衣服。他的家人隨後也趕來了。玻爾又從英國逃到了美國，並成為曼哈頓計劃的一名顧問。戰爭結束後他又回到哥本哈根，於1962年在這裡去世，享年77歲。
1927年在布魯塞爾參加第五屆索爾維國際電子和光子大會的量子理論先驅。後排：薛定諤(左六)，泡利(左八)，海森堡(左九)。中排：狄拉克(左五)，玻恩(左八)，玻爾(左九)。前排：普朗克(左二)，愛因斯坦(左五)
在偉大的量子理論家中，只有普朗克、海森堡和喬丹留在了德國。和偉大的實驗主義者蓋革一樣，喬丹也是一名狂熱的納粹分子。他成為德軍300萬納粹黨突擊隊中的一員，自豪地穿著他帶有納粹標誌臂章的褐色制服和長筒靴。37他試圖使納粹對製造先進武器的各種方案產生興趣，但諷刺的是，由於他和「猶太人的物理學」之間的瓜葛，沒有人理會他。在戰爭結束後，他進入德國政壇，並在聯邦議院（德國的議會）贏得一個席位。他在1980年去世，享年77歲，是那些早期先驅中唯一沒有獲得諾貝爾獎的人。
普朗克並不支持納粹，但他並沒有做太多努力去反抗他們，哪怕是悄悄地反抗。相反，和海森堡一樣，他的首要任務似乎是在符合所有納粹法律和規定的情況下盡可能多地保護德國科學。38他在1933年5月與希特勒會面，目的是勸阻他不要推行從德國學術界驅逐猶太人的政策，但這次會面當然不會改變什麼。幾年後，普朗克最親近的幼子試圖以最勇敢的方式改變納粹黨——他是1944年7月20日刺殺希特勒計劃的一名成員。在和其他人一起被捕之後，他遭受了嚴刑拷打，最後被蓋世太保殺害了。對於普朗克來說，這是他充滿悲劇的一生中最為悲慘的事情。在他的5名子女中，有3個年紀輕輕就去世了——他最年長的兒子在「一戰」中的一次行動中被殺，兩個女兒死於難產。然而，據說正是他兒子被處決最終熄滅了普朗克繼續活下去的慾念。他在兩年後去世，享年89歲。
最初的熱情過後，海森堡也開始對納粹感到厭惡。儘管如此，在第三帝國統治期間他依然在科學界身居高位，無怨無悔地履行他的職責。當猶太人被從大學中驅逐時，他盡最大努力吸引最優秀的替代者以保護德國物理學。他從未加入納粹黨，但他始終沒有放棄他的職位，也從未與這個政權決裂。
當德國在1939年啟動原子彈計劃時，海森堡也參與其中，並投入了巨大的精力。他很快就完成了運算，證明核裂變鏈式反應有可能實現，一種純的叫作鈾235的稀有同位素可以用來製造威力巨大的炸藥。這是歷史上眾多具有諷刺意味事件的一個代表，德國人在戰爭初期的勝利將導致他們徹底的失敗：由於戰事進展得非常順利，納粹政權最初並沒有部署太多資源來研究原子彈，但當戰事發生逆轉時，一切都太遲了——在他們可以造出一顆原子彈之前納粹就被打敗了。39
戰爭結束後，海森堡和其他9名頂尖德國科學家一起被盟軍暫時關押了一段時間。被釋放後，他回去繼續研究物理學的根本問題，努力重建德國科學，並試圖恢復他在其他國家的科學家中的名譽。海森堡在1976年2月1日死於他位於慕尼黑的家中，再也沒能取得他曾經享有的地位。
戰爭結束後，物理學界對海森堡的反應褒貶不一，這或許可以從我自己的行為中體現出來。1973年，當我還是一名學生時，我獲得了參加他在哈佛的一個關於量子理論發展的講座的機會，我沒法讓自己參加。但數年之後，當我成為一個他曾經擔任過主任的研究所的一名洪堡研究員時，我經常會站在他曾經工作過的辦公室外，思索著這種幫助他發明出量子力學的精神。
* * *
儘管由偉大的量子先驅們發展的量子理論並不能改變我們對於宏觀世界總體物理學的描述，但它卻使我們的生活方式發生了革命性的改變，它使人類社會發生的改變如同工業革命一般巨大。量子理論定律成為所有重建現代社會的信息和通信技術的基礎：計算機、互聯網、衛星、手機以及所有電器。但和它的實際應用同樣重要的是量子理論為我們講述的關於自然、關於科學的東西。
牛頓式世界觀的樂觀主義曾經斷言，使用正確的數學運算，人類就能預測和解釋所有自然現象，因此，各個領域受到啟發的科學家努力把他們的研究主題「牛頓化」。20世紀前50年的量子物理學家打消了這種渴望，他們發現了一個既能賦予人力量又極度謙卑的真理。它之所以能賦予人力量，是因為量子理論顯示我們可以理解和操控一個超越我們感官的看不見的世界。它之所以謙卑，是因為幾千年以來，科學家和哲學家所取得的進步表明我們的理解能力是無限的，但現在大自然通過量子物理學家的偉大發現告訴我們，我們可以知道的東西是有限的，我們可以控制的東西也是有限的。並且，量子提醒我們其他看不見的世界是有可能存在的，宇宙是一個充滿非凡秘密的地方，在地平線之外揮動一下翅膀或許就會產生難以解釋的、需要思想和理論新革命的現象。
在這些篇章中，我們一起走過了一段跨越數百萬年的旅途，它從第一種人類物種開始，這種物種無論從外形上還是智力上都與我們天差地別。在這段400萬年的旅程中，也就是一眨眼的瞬間我們就進入了現在這個時代，我們瞭解到大自然由各種定律控制，也明白除了我們在日常存在中體驗到的這些定律之外，世界上還存在更多的東西——就像哈姆雷特對霍雷肖說的那樣，宇宙和地球中存在的東西比我們在哲學裡夢想的還要多。
在可預見的未來，我們的知識還會繼續增加，鑒於從事科學研究的人數指數般地增長，我們有理由相信未來100年將會產生和過去1 000年一樣偉大的進步。但如果你正在閱讀這本書，你就會明白除了技術層面的問題，我們對於環境還有更多的疑問——我們人類在自然中發現美，尋找美的意義。我們不但想知道宇宙如何運行，我們還想知道我們應該如何適應這些。我們想給自己的生命和有限的存在提供一個背景，我們想感受與他人的聯繫，去感受他們的快樂和悲傷，去感受這個廣闊的宇宙，在這裡，我們的喜怒哀樂微不足道。
理解和接受我們在宇宙中的位置很困難，但從一開始它就是那些自然研究者的目標之一——從認為科學與形而上學、倫理學和美學一樣都是哲學分支的早期的希臘人，到像玻意耳和牛頓這樣的把自然研究當成是理解上帝本質的一種途徑的開拓者。對我來說，當我某天在溫哥華《百戰天龍》的拍攝現場時，對於物理世界和人類世界的深刻見解之間的聯繫以最直觀的方式顯現了出來。我為他們正在拍攝的這部戲撰寫了劇本，並就低溫物理實驗室的外觀對道具師和場景設計師進行過指導。在這些普通的技術討論中，我突然第一次不得不開始面對這個事實，也就是我們人類並沒有超脫於自然，而是像鮮花或者達爾文研究的鳥兒一樣轉瞬即逝。
一切都開始於一通從製片辦公室轉到拍攝現場的電話。在當時，還不是每一個12歲的小孩都人手一部手機，在拍攝現場接電話很不平常，我一般都是在事後數小時才會收到電話留言，潦草地寫在皺巴巴的紙片上。就像這條留言：「倫納德：（無法辨認）想讓你（無法辨認）。他說事情很緊急！給他回電話（無法辨認）。」這次不一樣。這次一名製片助理給我拿來一部電話。
電話那一頭是芝加哥大學附屬醫院的一名醫生。他說我父親中風了，現在處於昏迷狀態——這是幾個月前我父親為修復他的主動脈所做的手術的遲發性結果。黃昏時分我來到醫院，注視著我父親，他躺在病床上，眼睛閉著，看上去很平靜。我坐在他的身邊開始輕撫他的頭髮。他摸上去溫暖而又鮮活，好像正在熟睡，彷彿會隨時醒過來，微笑地看著我，伸出手撫摸我，問我早餐想不想吃黑麵包和醃鯡魚。
我和我父親說著話。我告訴他我愛他——就像多年以後我偶爾會對我正在熟睡的孩子說的話一樣。但這位大夫強調我父親不是在睡覺。他聽不見我的聲音，這位大夫說。他說我父親的大腦數據顯示他已經死亡。我父親依然溫熱的身體很明顯就像《百戰天龍》中的物理實驗室——外表看起來精緻的軀殼，但卻沒有任何有意義的功能。這位大夫告訴我，我父親的血壓會逐漸降低，他的呼吸也會逐漸放緩，直到他死去。
當時我非常痛恨科學。我想證明它錯了。科學家和醫生憑什麼能判定一個人的命運？我願意付出任何東西，或者我的一切來換回我的父親，哪怕只是一天，一個小時，甚至一分鐘，好讓我對他說一句我愛他，說一句再見。但就像大夫說的那樣，該來的還是來了。
那一年是1988年，我父親76歲。在他去世後，我們全家人要「坐七」，意思是我們要進行為期7天的傳統服喪，這期間每天要禱告三次，不能離開自己的家。以前我會坐在客廳裡和他聊天，但現在我坐在那裡，他卻變成了回憶，我知道我永遠不可能再和他說話了。多虧了我們人類的知識之旅，我知道他的原子依然存在，也將一直存在下去；但我同樣也知道，儘管他的原子沒有隨他一起死亡，但它們將會消散。它們組織成的我父親這樣一個存在已經消失，也再不會出現，除了留在我以及那些愛他的人的腦海中的一個影子。我知道幾十年後同樣的事情也會發生在我身上。
讓我驚訝的是，多虧了我理解物理世界的努力，我現在感覺我曾經學到的東西並沒有讓我變得冷酷無情——它給予我力量。它幫助我在心碎的時候振作起來，不再感到那麼孤獨，因為我是某種更偉大的東西的一部分。它打開了我的眼界，讓我看到我們的存在那種驚人的美麗，無論上天賜予我們多少歲月。儘管我父親從來沒有機會進入一所高中，但他對於物理世界卻有著深刻的體會和好奇心。在我年輕時，有一次我們在客廳聊天，我告訴他有一天我會寫一本關於物理世界的書。幾十年後，這本書終於出現了。
我的父親，這天晚上他向我母親求婚，紐約，1951年
[1] 諷刺的是，林德曼曾經嘗試過研究物理學，但沒有取得多大成功。他為人熟知的原因是他證明了你不能「把圓變成方」——也就是說，只給你一把尺子和一個圓規，你無法畫出一個和指定圓形面積相同的正方形。
[2] 嚴格來說，不確定性原理限制我們對位置和動量的瞭解（動量等於質量乘以速度），但對我們而言這種差別並不重要。
[3] 我非常榮幸地發現我的博士宗譜可以一直追溯至馬克斯·玻恩。順序是：玻恩/ J. 羅伯特·奧本海默（曼哈頓計劃的帶頭人）/ 威利斯·蘭姆（諾貝爾獎得主以及激光的創建人之一）/諾曼·克羅爾（為光和原子理論做出了重要貢獻）/艾溫德·威切曼（我的博士生導師，數學物理學領域一位重要人物）。