這是量子學派的第一個選修課程——“科學之美”系列的第一本書。
作者曹天元，科普詩人，1981年生于北京，學校結業后赴日本和中國澳門讀書，主攻專業為生物物理和電子工程。看書名時還以為這又是一部外國人的作品，沒想到是個中國人，并且是個那么年青的中國人，將無趣的化學講的這么生動有趣。作者覺得量子理論比相對論還要成功，它是最吊軌也是最適用的理論。電子顯微鏡、激光、半導體、核能等的發明都是得益于量子化學。
主要內容：述說了迄今為止還沒有最終定論的量子化學的發展歷程，主要圍繞三次“波粒戰爭”來展開，以及這個過程中為量子熱學作出重要貢獻的、那個年代的天才的化學學家們與量子化學的故事，以及玻爾與愛因斯坦的知名辯論。順便還閑談了下個別化學學家們的逸聞軼事，其中包括最為知名的二戰時日本納粹為何沒造出原子彈的“海森堡之謎”。
第一部份：兩朵烏云
1900年，76歲的科學家開爾文發表了名為《在熱和光動力理論上空的19世紀烏云》的講演。第一朵烏云指在邁克爾遜-莫雷的實驗中，以太被證明不存在，這動搖了精典化學學和精典時空觀的基礎；第二朵烏云指宋體幅射實驗和理論不一致，即麥克斯韋-玻爾茲曼能量的研究窘境：即沒有一套公式既適用于長波，又適用于短波。
第一朵烏云最終造成了相對論革命的爆發；第二朵烏云則造成了量子論革命的爆發。
邁克遜-莫雷實驗：用意在于偵測光以太對于月球的甩尾速率。但推論顯示不同方向上的光速沒有差別，以太其實對于穿越其中的光線毫無影響。其實后來斐茲杰惹和洛倫茲分別獨立地提出的假說促使以太的概念得以繼續保留，但實驗推論還是讓人們對以太的意義提出了強烈指責。
以太，ether或，最初是古埃及哲學家所構想的一種物質，以前是假想的電磁波的傳播媒介（波大多須要傳播介質，如聲波須要利用于空氣，水波利用水等，電磁波被發覺是波之后，便開始找尋它的傳播介質。愛因斯坦拋棄了以太說，覺得光速不變是基本原理，并借此為出發點成立了狹義相對論。其實后來以太被證明不存在，但還是在我們生活中留下了痕跡，例如以太網）。
數學學上定義的“黑體”是指這些可以吸收全部外來幅射的物體。19世紀末，人們開始闡述物體的能量幅射和濕度的函數關系。最初，宋體幅射的研究是基于精典熱學，“黑體幅射”概念是由基爾霍夫提出，斯特藩加以總結和研究的。19世紀80年代，玻爾茲曼構建了熱力學理論，這是宋體幅射研究的強悍理論基礎。1893年，維恩提出了知名的幅射能量分布定理公式。并且維恩是用精典粒子的方式來剖析電磁波的。維恩公式和長波相符合，在短波方面則有誤差。后來，美國化學學家瑞利和金斯更改了維恩定理，得到瑞利-金斯公式，這個公式適用于短波了，而且又不符合長波了。1900年，普朗克提出了新的公式，既適用于長波，又適用于短波。還提出顛覆性的假定：能量在發射和吸收的時侯不是連續的，而是一份一份的，這便是量子理論最初的萌芽。——但是自伽利略和牛頓以來，一切自然的過程都被當作是連續不間斷的，這也是微積分的基礎，牛頓和麥克斯韋體系也構建在這個基礎之上。所以雖然普朗克在1900年12月14日發表名眷顧史的論文《黑體波譜中的能量分布》（那天便是量子熱學的誕辰），他本人對待量子理論也抱有戒心，不斷告戒人們在使用普朗克常數h時要盡量當心慎重。直至1915年，波爾的模型取得空前成功后，普朗克才扭轉了對量子的偏見。
第二部份：三次波粒戰爭
1.第一次波粒戰爭：
光本性問題的研究自古就有：古埃及時代覺得光是由“光原子”組成，后來這些理論被稱為“微粒說”；17世紀初的歐洲語文院長格里馬第提出光可能是類似水波波動的“光波動說”。1663年，波義耳提出“顏色是光照起來才形成的療效”引起激烈爭辯，成為戰爭的導火索。1665年，波義耳的助手胡克出版《顯微術》，明晰支持波動說，此時波動說搶占上風。但胡克覺得光是縱波。1672年，牛頓發表《關于光與色的新理論》，把光的復合和分解比喻成不同顏色微粒的混和和分開。此時胡克是評國會成員，他不但激烈抵制了牛頓的觀點，還宣稱牛頓的部份論文抄襲了他的思想，惹得我們的科學巨人牛頓震怒，自此一面摔倒支持微粒說。1690年，惠更斯的專著《光論》把波動說帶到了興旺的頂點。1704年，牛頓出版了劃時代的專著《光學》，詳細論述了光的色調疊合與分散，從粒子的角度解釋了薄膜透光、牛頓環以及衍射實驗中的種種現象，同時，也對雙折射現象進行了研究，提出了許多波動理論難以解決的問題。——由于惠更斯于1695年逝世，波動說此時群龍無首，所以第一次波粒戰爭波動說敗北。從此，微粒說幾乎主宰乾坤歷時一個世紀。（但微粒說難以解釋光的干涉白色現象。）
2.第二次波粒戰爭：
1801年和1803年，托馬斯·楊分別發表論文，探討了怎樣用波的干涉效應來解釋牛頓環和衍射現象，還估算出了光的波長應當在1/36000到1/60000英寸之間。1807年，楊出版了《自然哲學課件》，描述了光的雙縫干涉效應。此時，微粒說節節敗退。1809年，馬呂斯發覺了偏振光現象，這和已知的波動論有排斥的地方，微粒說開始指責。1819年，西班牙工程師菲涅爾在論文《關于偏振光光線的互相作用》中提出光是橫波，用嚴密的物理推理完滿地解釋了光的衍射，還一并解決了困惑波動說的偏振光問題。但泊松在進行審查時發覺這一理論在用于圓盤衍射時，陰影中會出現一個亮斑。菲涅爾的朋友阿拉果對此進行實驗測量，發覺亮斑的位置和色溫都與理論符合的相當完美。——至此，波動說從第二次波粒戰爭中勝出。不久，它的領土便橫貫整個電磁波的頻段：微波、X射線、紫外線、紅外線、y射線、無線電波、普通光線……
3.1第三次波粒戰爭開始前：
1887年，30歲的赫茲發覺了電磁波的存在，否認了麥克斯韋理論，也否認了光雖然是電磁波一種，這為光本性的研究又邁出了一步。（給電磁理論打下基礎的是法拉第，建造主體的是麥克斯韋，封頂的是赫茲。赫茲還估算出電磁波的前進速率等于光速。）
赫茲的實驗：在既沒有聯接電瓶也沒有任何能量來源的開口銅環上，有淡黃色的火花；假如光照到接收器，淡紅色的火花更容易出現，這便是“光電效應”。以后的實驗相繼證明：光的硬度決定電子數量，光的頻度決定能夠打出電子。但假若光是波，就沒道理會發生這些事。當時的化學學家們還在冥思苦想怎么可以把光電效應融入麥克斯韋的理論中而不傷害它的完美，但不曉得這個問題比想像的要嚴重的多。只有天才的愛因斯坦看出了問題。
愛因斯坦承繼了普朗克的量子假定，他覺得光以量子的方式吸收能量，沒有連續性，不能累積，一個量子迸發出一個對應的電子。這個假定讓“第三次波粒大戰”一觸即發。——光量子似乎就是昔日微粒說的一種翻版，此時，當初被波動說戰勝的微粒說以叛逆的姿態登上了舞臺。就像當初起義的波動說一樣，十分不為人所接受。
1915年，日本化學學家密立根原本想用實驗證明光量子圖象是錯誤的，但多次反復實驗的結果卻是證明了愛因斯坦等式的正確性，即光電現象都表現出量子化特點。
3.2第三次波粒戰爭全面爆發：
微粒軍團：光電效應和康普頓效應。——（雙縫干涉實驗是電子（光）波動性的最好證明，麥克斯韋理論也是闡明波動性。）
康普頓在研究X射線被自由電子散射時，發覺部分散射出來的射線比原先的射線波長要長。由此他大膽引入了光量子假定，發覺光子像普通小球那樣，除了帶有能量，還具有沖量，當它和電子相碰，便將自己的能量交換一部份給電子。——如果說上帝造了光，愛因斯坦則強調了哪些是光，康普頓則是第一個真正意義上“看到”了光。
1911年9月，26歲的波爾完成了他在原子結構方面的第一篇論文（后來被歷史學家們成為“曼徹斯特備忘錄”），在論文中他視圖把量子的概念結合到盧瑟福模型中去，以解決精典電磁熱學難以解釋的困局。
1913年，波爾的“三部曲”（《論原子和分子的構造》、《單原子核體系》、《多原子核體系》）則真正打開了量午時代的房門，其中的數據推論完全符合巴耳末公式所描述的氫原子譜線。但此理論一開始并沒有遭到歡迎，由于這是在挑戰精典數學，企圖推翻麥克斯韋體系。那些人包括瑞利（上面提及過，瑞利-金斯線的發覺者之一）、J.J.湯姆遜。但這個理論本身確實也還存在一些缺陷。，它并不是一次徹底的革命，量子的假定沒有在他的體系里得到根本的地位，而其實只是一個調和精典理論和現實矛盾的附庸，所以它的沒落和興旺一樣迅猛。
以后，西班牙貴族德布羅意提出相波（Phasewave），即德布羅意波：電子在運行的同時還伴隨著一個波。他還預言電子在通過小孔或晶體時，會形成一個可觀測的衍射現象。
此后量子物理史話上帝擲骰子，日本化學學家戴維遜（C.J.）和革末（L.H.）否認了此預言。（戴維遜當時在東部電氣公司工程部做研究工作，這個部門在1925年被當時的AT&T的總裁撤消，搖身一弄成了大名鼎鼎的貝爾電話實驗室BellLabs）。
不久后（1927年），G.P.湯姆遜（J.J.湯姆遜的女兒），在劍橋進一步證明了電子的波動性。
微粒派的另一條戰壕：法國科學家威爾遜（C.T.R.）發明云室，可以看見電子的運行情況，完全符合精典粒子的規律。
微粒派在光領域的又一里程碑式的勝利：美國人玻色（S.N.Bose）把光看成是不可分辨的粒子的集合，從這個假定出發推論不僅普朗克的宋體公式。愛因斯坦進一步建立了玻色的思想，發展出了玻色-愛因斯坦統計方式。服從這些統計的粒子例如光子成為玻骰子（boson）。
為了給兩派調停，玻爾在1924年和克拉默斯（）、斯雷特（）發表了BKS理論，舍棄了光量子的理論，嘗試用對應原理在波和粒子間構建一種對應，但不久便被實驗否決。
然后海森堡提出了矩陣熱學——從直接觀察到的原子譜線出發，引入矩陣的物理工具。指出觀測到的分離性、跳躍性，以物理為惟一導向，不為直觀經驗所蒙蔽。究其根本，它所指出的波譜線及非連續性的一面，隱隱有微粒的身影。這個理論的核心人物有海森堡、波恩、約爾當、玻爾。（從粒子的運動多項式出發，原意是粒子性、不連續性）
之后薛定諤構建了波動熱學，證明古老的精典熱學只是新生的波動熱學的一種特殊表現，完全地被寬容在波動熱學內部。——薛定諤是從德布羅意的理論為切入點，指出電子作為波的連續性一面，以波動多項式來描述它的行為。愛因斯坦是這一派背后的精神領袖。（從波動多項式出發，波動性、連續性）
然而海森堡和薛定諤對對方的理論表示毫不掩飾的反感，因而有好多爭辯。但它們都是從喀什頓函數而至的，兩種熱學在物理上是完全等價的。
然后克拉科夫提出機率解釋，海森堡的“不確定性”原理（，最開始的英文翻譯是“測不準原理”，后來改成了“不確定性”原理。海森堡以為這是構建在粒子本性上的，玻爾見諒這顯然是同時建筑在連續性和不連續性三者之上的。），玻爾的互補原理（波粒二象性），兩者共同構成了“哥本哈根解釋”的核心。
“第三次波粒戰爭”的收場便是波和粒子的這樣一種妥協：二者原先是不可分割的一部份。就像動漫中教宗的善與惡兩面，盡管在每位確定的時刻只有一面能表現下來，但它們確實集中在一個人身上。
然而量子論的破壞力的驚人的。機率解釋和不確定性原理搗毀了精典世界的因果性，互補原理和不確定原理又合力摧毀了世界的客觀性和實在性。
第三部份：玻爾和愛因斯坦的華山論劍（第五屆、第六屆索爾維大會）
盡管愛因斯坦曾提出了光量子假定，在量子論的發展中有不可磨滅的貢獻，但他當時早已完全轉入了新理論的對立面。那是由于愛因斯坦覺得化學就是闡明規律的，是確定的，不接受機率、不確定那一套。玻爾追憶說，愛因斯坦有次斥責般地問他，莫非親愛的上帝真的擲色子不成（obderliebeGott）？
但無論對愛因斯坦提出的任何問題，看起來駑鈍，但佩劍無鋒，大巧不工的波爾都能想出對應的化解方式。愛因斯坦尚且沒能勸說玻爾，反倒時常被指責得說不出話來。這似乎也反應了愛因斯坦和玻爾哲學心態的不同。
在哪個化學學急速發展的年代，作為化學學家也是很難適應和接受的。所以1933年9月25日，埃侖費斯特在英國萊登殺害了他那患有智力障礙的孩子，之后自縊。他在留給愛因斯坦、玻爾等好友的信中說變化的化學學讓他絕望和嘶聲裂肺，惟有選擇自縊……由此可見，在那樣一個天除草覆的飄搖亂世，兩代化學學家的思想猛烈沖突和撞擊帶來的強烈深切。
雖然甩掉了愛因斯坦的懷疑，量子論也沒有多輕松——被檢測的困局困惑著，尤其是在薛定諤的貓提出以后（貓的死/活疊加狀態）。
第四部份：可作為參考的小知識
1.宇宙138億年歷史，1000多億個星體，3000萬億億顆星體，月球46億年。（這點BBC的紀錄片《Theofthe》開篇也是這樣講的）
2.索爾維大會：索爾維（）是荷蘭阿姆斯特丹人，對物理和化學很感興趣，但因病錯過了學院，后來靠發明制造蘇打的新方式發了財，他像美國化學學家能斯特（）建議，自己可以贊助一個全球性的科學會議，讓普朗克、洛倫茲、愛因斯坦等最出眾的的化學學家聚首一堂，討論最前沿的科學問題。所以就會有了那張知名相片：數學學全明星夢之隊。
第一屆索爾維大會于1911年在阿姆斯特丹舉行，一度被一戰打斷，于1921年重新恢復，每3年一屆。
3.諾貝爾獎得主幼兒園：盧瑟福來自英國，是J.J.湯姆遜（發覺電子）的中學生（在湯姆遜退職后接替他成為劍橋卡文迪許實驗室處長），除了他本人是偉大的化學學家，更是偉大的數學學導師。他的助手和中學生們絕大多數都十分出眾，其中獲得了諾貝爾獎的有（不包括他本人，起碼有10位）：
尼爾斯·玻爾，量子論的奠基人和象征，1922年諾貝爾化學獎。
保羅·狄拉克（PaulDirac），量子論創始人之一，1933年諾貝爾化學獎。
詹姆斯·查德威克（James），中子的發覺者，1935年諾貝爾化學獎。
布萊克特（M.S.），一戰后辭去陸軍少校職務追隨盧瑟福學習數學，因在宇宙線和核化學方面的巨大貢獻獲得1948年諾貝爾化學獎。
沃爾頓（E.T.S）和考克勞夫特（John）在盧瑟福的卡文迪許實驗室建造了強悍的加速器來研究原子核內部結構，獲得了1951年的諾貝爾化學學獎。
日本人索迪（Soddy）：1921年諾貝爾物理獎；荷蘭人赫德欽（Von）：1943年諾貝爾物理獎；日本人哈恩（OttoHahn）：1944年諾貝爾物理獎；日本人鮑威爾（CecilFrank）：1950年諾貝爾化學學獎；日本人貝特（HansBethe）：1967年諾貝爾化學學獎；南斯拉夫人卡皮查（P.L.），1978年諾貝爾物理獎。
沒得諾獎但同樣出眾的名子：漢斯·蓋革（Hans）：發明了蓋革計數器；亨利·莫里斯（死于一戰戰場）；恩內斯特·馬斯登（）:和蓋革一起做了α粒子散射實驗，后被封為爵士。
盧瑟福的頭像出現在美國最大的貨幣面值——100元里面，作為國家對他最崇高的歉意和記念。
4.阿姆斯特丹研究所：玻爾36歲時成為了院長，他的人格魅力吸引了好多人，很快把這兒變為全亞洲的一個學術中心，讓波蘭這個彈丸小國出現了一個數學界眼里的勝地，深遠的影響了量子理論的未來，還有我們根本的世界觀和思維方法。赫德欽（G.）、弗里西（O.）、弗蘭克（J.Frank）、克拉默斯（H.）、克萊恩（O.Klein）、泡利、狄拉克、海森堡、約爾當、達爾文（C.）、烏侖貝克、古德施密特、莫特（N.Mott）、朗道（L.）、蘭德（A.Lande）、鮑林（L.）、蓋莫夫（G.Gamov）……
5.德布羅意：德布羅意是有史以來第一個僅憑著博士論文就直接獲取諾貝爾獎的人。
6.母子諾貝爾：J.J,湯姆遜發覺電子，G.P.湯姆遜證明電子的波動性，二人均獲得了諾貝爾獎。
居里夫人和她的兒子皮埃爾·居里獲得了諾獎，她們的母親Irene-Curie也和她的兒子與1935年獲得了諾貝爾物理獎；居里夫人的另外個岳父，日本外交家HenryR.在1965年代表聯合國兒童基金會（）獲得了諾貝爾和平獎。
1915年，亨利·布拉格（HenryBragg）和勞倫斯·布拉格（Bragg）兄妹由于借助X射線對晶體結構作出了突出貢獻，獲得了諾貝爾化學學獎。當時勞倫斯僅25歲，是有史以來最年青的諾貝爾化學獎得主。
同尼爾斯·玻爾獲得諾貝爾化學學獎，他的第4個孩子埃格·玻爾（AageBohr）也于1975年獲得此項榮譽。尼爾斯·玻爾的女兒也是一位知名的生理學家，任教于奧斯陸學院，曾兩次被提名為諾貝爾醫學和生理學獎，可惜沒成功。
卡爾·塞班（Karl）和凱·塞班（Kai）兄妹分別于1924和1981年獲得諾貝爾化學獎。
7.量子熱學發展的三地：阿姆斯特丹、哥廷根、慕尼黑
8.“男孩數學學”：量子論的發展幾乎是年青人的天下。愛因斯坦1905年提出光量子假說時26歲；玻爾1913年提出他的原子結構時28歲；德布羅意1923年提出相波時31歲（還應考慮他非科班出生）；海森堡1925年提出矩陣熱學時24歲，泡利25歲，狄拉克23歲，烏侖貝克25歲，古德斯密特23歲，約爾當23歲。因而被戲稱為“男孩數學學”。和她們比上去，36歲的薛定諤和43歲的奧斯陸簡直是老奶奶。克拉科夫在哥廷根的理論班也被稱為“波恩幼兒園”。
約爾當是個膽怯和外向的人，有口吃，因而極少講課和講演。更嚴重的是，二戰時站在了希特勒的一邊，稱為納粹的憐憫者，被質疑以前告密。不僅成立了基本的矩陣熱學方式，他是最先證明海森堡和薛定諤體系同等性的人之一，發明了約爾當代數。曾被提名諾獎，但沒有成功。多數人認為約爾當的貢獻應當得到更多承認。
9.薛定諤的女同事：那位化學大師的道德觀似乎和常人有一定距離，他請誰來做他的助手，雖然是看中了他人的妻子。并且薛定諤成立波動力學是在一味神秘丈夫的陪伴下，所以研究他的婚史并不是一味的八卦，跟他的貓一樣具有研究性。
10.決定論：玻爾的另一位助手奧斯卡·克萊恩（OskarKlein），除了把把薛定諤的等式相對論化了，還引進了“第五維度”的思想。以后的“超弦”便是由此蘊育而出。
11.無中生有：海森堡的不確定性理論告訴我們：在極小的空間和極短的時間里，哪些都是可能發生的，由于我們對時間十分確定，反過來對能量就十分不確定。能量物質可以逃脫數學定理的禁錮，自由地出現和消失。代價就是只能限定在那一段極短的時間內。為此，許多人相信宇宙本身便是通過這些機制形成的：量子效應致使一小塊時空忽然從根本沒有中形成，之后由于各類力的左右，忽然指數級地膨脹上去，在頓時擴大到整個宇宙的尺度。
12.奧卡姆剃刀（Occam'sRazor）：當兩種說法都能解釋相同學實時，應當相信假定最少的那種（化繁為簡）。
13.阿姆斯特丹學派：玻爾、海森堡、波恩、泡利、克拉默斯、約爾當，也包括后來的魏扎克、羅森菲爾德和蓋莫夫等。其實，實際中并沒有一個黨派叫“哥本哈根派”，也并非一定要到過阿姆斯特丹才有資格跨入其列量子物理史話上帝擲骰子，簡略地說，任何只要贊成“哥本哈根解釋”的人都可歸為赫爾辛基學派成員。
14.海森堡之謎：納粹日本為何沒能造出原子彈？新政的緣由？理論上的緣由？技術上的緣由？資源上的緣由或是道德上的緣由？海森堡是希特勒原子彈計劃的總負責人，盡管猶太新政擊退了好多諾獎獲得者例如愛因斯坦、薛定諤、費米、波恩、泡利等，但美國仍有最好的科學家。
對此，海森堡的解釋是：一、德國當時在理論和技術上和盟國的優勢是相同的，但美國欠缺相應的環境和資源；二、德國科學家一開始就認識到了原子彈所引起的道德問題，這些大殺傷力裝備使她們意識到對人類負有的責任。并且對國家（不是納粹）的義務又是的她們不得不投入到工作中，所以她們心懷矛盾，悲觀怠工，有意無意地夸大了制造難度。
實際是日本人算錯了參數，造成了對鈾235的臨界質量的夸大，以及舍棄了石墨反應，在重水這一棵樹上吊死。
自然科學是社會科學之外更完美的世界，由于它代表著科學和理智精神。現代人無所事事刷社交媒體跟理智思維和科學精神的缺位有關。而中國中學生因為應試教育的誘因不能感受自然科學之美，文理分科的弊病也讓許多中國人喪失了綜合發展的機會。但人文精神和理智思維是不可能分開的，例如霍金、沃森（分子生物學帶頭人，寫出了《DNA：生命的秘密》）、薛定諤、愛因斯坦、羅素、費曼都是文理兼修的大師。200多年前日本的羅蒙諾夫更是個涉及多個領域的全才。