现在，如果你希望跟谁探讨有关“量子”的话题，别人一定会投来惊讶的目光。要么是不知道，要么是知道却无法说清楚。包括20世纪最伟大的爱因斯坦先生也不例外。量子力学的神秘，给人们带来了很多的困惑和不解，甚至一些著名的物理学家都因为研究它而产生无法解脱的困惑和迷惘。而这些人几乎都能在诺贝尔物理学获奖者的名单中找到，比如爱因斯坦、波尔、普朗克、海森堡、狄拉克……更另人惊讶的是，连创立量子论的普朗克本人，也怀疑自己的理论是否是胡思乱想。

当然，本书也不可能像物理学专著一样跟你详细探讨这个话题，那不是本书的目的所在。不过你也不用担心会因此变得更加困惑，因为量子力学从它出现的那一天起，就注定是这样的结局：谁也无法真正理解它，但是一点也不妨碍我们利用它。

这样说似乎太不可思议了，但是，事实的确如此。

我们先来看看它的发展历史。

人类研究世界，经历了从宏观到微观的一个过程。在物理学领域，科学家最需要了解的就是微观世界是否能尽可能地解释宏观世界无法看出联系的东西。而光，成为了串联整个物理学历史的主线，也是催生量子力学出现的“导火索”。

对“光”的研究

《圣经》在讲述神创造世界时，最先是以光为基础的。光出现了，才有了之后的世界。

到了罗马时代，一个叫卢克莱修的学者，在他的著作《物性论》中提出光是从光源直接到达人的眼睛的。

大约到了公元1000年，波斯的一个科学家阿尔·哈桑提出了自己的观点，他认为光从物体上反射到人的眼睛，人就看到了物体。到了1621年，荷兰物理学家斯涅耳在托勒密、哈桑和开普勒对光折射的研究基础上，总结出了光的折射定律。到了费尔马之后，光被归结为 “光总是走最短的路线”的法则。于是，光学成为了一门学科被正式确立起来。此时，对于光的本质是什么，还没有被研究清晰。因此，光的本质问题成为人们争论的焦点。

17世纪初，意大利的一位数学教授格里马第做了一个实验，发现光可能是一种类似水波的波动，于是提出了最早的光波动说。此外也有人提出光是一束大量颗粒聚集在一起的粒子流，这就是所谓的微粒说。

1672年，伟大的物理学家牛顿通过特殊的装置，把太阳光通过一块特殊的玻璃，白色的太阳光变成了七彩颜色，于是认为光的本质就是由不同颜色的微粒组成的。

1690年，惠更斯出版了著作《光论》，通过详实的实验说明了光的波动性质。

1704年，牛顿出版了他的巨著《光学》。他详尽地阐述了光的色彩叠合与分散，从粒子的角度解释了薄膜透光，牛顿环以及衍射实验中发现的种种现象。明确支持微粒说。因为他的权威性，光的争论基本停息。

一百年后的1803年，托马斯·杨发表了论文说明光有波长等现象，并计算出波长应该在1/36000至1/60000英寸之间。1807年，他再度设计了一个实验：就是让蜡烛先通过一个小孔，然后再通过两个小孔，让我们看到了光出现波纹交替的现象。坚持了波动说。他的实验就像我们站在湖边，同时投入两块石头，水波兴起，出现了交替的波浪的现象一样，有的高有的凹。不过，因为牛顿的威力太大，人们几乎不把他说的当回事。

到了1819年，法国科学院为了打击光的波动说，专门征文竞赛。法国年轻工程师菲涅耳向组委会提交了一篇论文《关于偏振光线的相互作用》，认为光其实是一种横波，类似水波一样上下跳动。有趣的是，结果实验证明他的结论是对的，他获得了那一届的科学奖，波动说反而得到了承认。

1850年5月，傅科向法国科学院提交了他关于光速测量实验的报告。在准确地得出光在真空中的速度之后，他又进行了水中光速的测量，发现这个值小于真空中的速度。波动论终于被正式承认，取代了微粒说。

1856、1861和1865年，麦克斯韦连续发表了三篇关于电磁理论的论文，他的理论预言，光其实只是电磁波的一种。赫兹在1887年用实验证实了他的预言。由于麦克斯韦的理论实在是太美妙了，有人还专门写了诗歌来赞美他天才的设计。至此，对光的研究已经确立了光的波动说。

当时由于热力学三大定律也被确定，电磁理论也被麦克斯韦创立，加上牛顿的力学，并称物理世界三大支柱：经典力学、经典电动力学、经典热力学（加统计力学）。因此人们相信，世界已经被完全认识清晰了，光的本质也被解决了，宇宙的规律也被研究透彻了，几乎所有的问题都可以用这个体系来解决。

物理学家们开始相信，这个世界所有的基本原理都已经被发现了，物理学已经尽善尽美，它走到了自己的极限和尽头，再也不可能有任何突破性的进展了。如果说还有什么要做的事情，那就是做一些细节上的修修补补罢了。

一位著名的科学家甚至公开说道：“物理学的未来，将只有在小数点第六位后面去寻找。”很多物理大师都劝自己的学生，不要再浪费时间去研究这个已经高度成熟的体系。然而，在这样的繁荣背后，仍然有两个让人不舒服的遗憾。就是物理学界称为“两朵乌云”的问题。

物理学上空的“两朵乌云”

这两朵乌云，分别指迈克尔逊－莫雷实验和黑体辐射研究中的困境。

第一朵乌云出在光的波动理论上。物理学家认为光波在真空中传播的介质是“以太”，迈克尔逊－莫雷实验的目的是测试光在地球上传播速度的差异。但是结果却没有发现任何的差异，但也无法用经典力学解释，被称为最有名的“失败实验”。这朵乌云引发了后来的相对论。

第二朵乌云，黑体辐射研究中，发现了实验结果不符合公式，用经典粒子说解释不通。辐射研究电磁波存在短波和长波的情况，结果却是它在长波方面符合了实验数据，但在短波方面却行不通。问题在哪里呢？没有人能解释。

当时，一个叫普朗克的物理学家试图要研究这个问题，但是他的导师建议他不要“虚度光阴”，做一些无实际意义的事。普朗克却认为这是一种爱好而已，不为名利。于是他钻进去了。结果他研究了5年也没有任何收获，到了第六年，在统一短波和长波都适合的公式时，使用了不连续的数据，竟意外地完成了，成功地解释了黑体辐射现象。这一天是1900年12月14日。随后，普朗克获得了诺贝尔奖。

当他在德国物理学会上宣读他那篇名为《黑体光谱中的能量分布》的论文时，他说，为了找出N个振子具有总能量Un的可能性，我们必须假设Un是不可连续分割的，它只能是一些相同部件的有限总和。

量子假说

普朗克认为最终的能量是由一个不连续的能量传输过程完成的。他假设，黑体在吸收和发射能量的时候，不是连续的，而是要分成“一份一份”的，有一个基本的能量单位在那里。这个基本单位，普朗克把它称作“能量子”，后来他改为“量子”，英语是quantum。这个字来自拉丁文quantus，本意就是“多少”、“量”。量子就是能量的最小单位。一切能量的传输，都只能以这个量为单位来进行，它可以传输一个量子，两个量子，任意整数个量子，但却不能传输1.1、1.2、1.3……个量子。打个比方，类似整数的数据就像屋檐上一滴一滴往下掉的水一样，不是连续的；而类似非整数的数据就像河流的水，无法分出其断开的地方，是一个连续的过程。一直以来，以前的经典力学是以河流的水的方式来研究公式的，所以没有明白里面的奥妙。他们总认为流水无法分成1滴、2滴、3滴的……流水要数，只能是连续累加的效果，以此来逼近结果，如2.9，2.99，2.999，2.9999，2.99999……连续累加到3。你感觉到就像挤出一条不断线的牙膏。但是，不连续的数据却是直接从2.9直接变成3，省略了过程。你感觉到就像挤出一小段一小段的牙膏。这样的结果就意味着牛顿经典力学在微观世界无法应用了！

这个最小单位从普朗克的方程里可以容易地推算出其大小，它约等于6.55×10 -27尔格*秒，换算成焦耳，就是6.626×10 -34焦耳*秒。量子非常地小，非常精细。这个值，现在称为“普朗克常数”，用h来表示。