隨著物理學(xué)家們深入這個(gè)亞原子世界，他們意識(shí)到，那里不僅不同于我們所熟悉的任何東西，也不同于所能想像的任何東西。"由于原子的行為如此不同于普通的經(jīng)驗(yàn)，"理查德·費(fèi)曼有一次說(shuō)，"你是很難習(xí)慣的。在大家看來(lái)，無(wú)論在新手還是在有經(jīng)驗(yàn)的物理學(xué)家看來(lái)，它顯得又古怪，又神秘。"到費(fèi)曼發(fā)表這番評(píng)論的時(shí)候，物理學(xué)家們已經(jīng)有半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間來(lái)適應(yīng)原子的古怪行為。因此，你可以想像，盧瑟福和他的同事們?cè)?0世紀(jì)初會(huì)有什么感覺(jué)。它在當(dāng)時(shí)還完全是個(gè)新鮮事物。

與盧瑟福一起工作的人當(dāng)中，有個(gè)和藹可親的丹麥年輕人，名叫尼爾斯·玻爾。1913年，他在思索原子結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，突然有了個(gè)激動(dòng)人心的想法。他推遲了蜜月，寫(xiě)出了一篇具有劃時(shí)代意義的論文。

物理學(xué)家們看不見(jiàn)原子這樣的小東西，他們不得不試圖根據(jù)它在外來(lái)?xiàng)l件作用下的表現(xiàn)方式來(lái)確定它的結(jié)構(gòu)，比如像盧瑟福那樣向金箔發(fā)射α粒子。有時(shí)候，這類(lèi)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是令人費(fèi)解的，那也不足為怪。有個(gè)存在很久的難題跟氫的波長(zhǎng)的光譜讀數(shù)有關(guān)。它們產(chǎn)生的形狀顯示，氫原子在有的波長(zhǎng)釋放能量，在有的波長(zhǎng)不釋放能量。這猶如一個(gè)受到監(jiān)視的人，不斷出現(xiàn)在特定的地點(diǎn)，但永遠(yuǎn)也看不到他是怎么跑過(guò)來(lái)跑過(guò)去的。誰(shuí)也說(shuō)不清是什么原因。

就是在思索這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候，玻爾突然想到一個(gè)答案，迅速寫(xiě)出了他的著名論文。論文的題目為《論原子和分子的構(gòu)造》，認(rèn)為電子只能留在某些明確界定的軌道上，不會(huì)墜入原子核。根據(jù)這種新的理論，在兩個(gè)軌道之間運(yùn)行的電子會(huì)在一個(gè)軌道消失，立即在另一軌道出現(xiàn)，而又不通過(guò)中間的空間。這種見(jiàn)解--即著名的"量子躍遷"--當(dāng)然是極其奇特的，而又實(shí)在太棒，不能不信。它不但說(shuō)明了電子不會(huì)災(zāi)難性地盤(pán)旋著飛進(jìn)原子核，而且解釋了氫的令人費(fèi)解的波長(zhǎng)。電子只出現(xiàn)在某些軌道，因?yàn)樗鼈冎淮嬖谟谀承┸壍?。這是個(gè)了不起的見(jiàn)解，玻爾因此獲得了1922年--即愛(ài)因斯坦獲得該獎(jiǎng)的第二年--的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

與此同時(shí)，不知疲倦的盧瑟福這時(shí)候已經(jīng)返回劍橋大學(xué)，接替湯姆遜擔(dān)任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任。他設(shè)計(jì)出了一種模型，說(shuō)明原子核不會(huì)爆炸的原因。他認(rèn)為，質(zhì)子的正電荷一定已被某種起中和作用的粒子抵消，他把這種粒子叫做中子。這個(gè)想法簡(jiǎn)單而動(dòng)人，但不容易證明。盧瑟福的同事詹姆斯·查德威克忙碌了整整11個(gè)年頭尋找中子，終于在1932年獲得成功。1935年，他也獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。正如布爾斯及其同事在他們的物理學(xué)史中指出的，較晚發(fā)現(xiàn)中子或許是一件很好的事，因?yàn)榘l(fā)展原子彈必須掌握中子。（由于中子不帶電荷，它們不會(huì)被原子中心的電場(chǎng)排斥，因此可以像小魚(yú)雷那樣被射進(jìn)原子核，啟動(dòng)名叫裂變的破壞過(guò)程。）他們認(rèn)為，要是在20世紀(jì)20年代就能分離中子，"原子彈很可能先在歐洲研制出來(lái)，毫無(wú)疑問(wèn)是被德國(guó)人"。

實(shí)際上，歐洲人當(dāng)時(shí)忙得不亦樂(lè)乎，試圖搞清電子的古怪表現(xiàn)。他們面臨的主要問(wèn)題是，電子有時(shí)候表現(xiàn)得很像粒子，有時(shí)候很像波。這種令人難以置信的兩重性幾乎把物理學(xué)家逼上絕境。在此后的10年里，全歐洲的物理學(xué)家都在思索呀，亂涂呀，提出互相矛盾的假設(shè)呀。在法國(guó)，公爵世家出身的路易－維克多·德布羅意親王發(fā)現(xiàn)如果把電子看做是波，那么電子行為的某些反常就消失了。這一發(fā)現(xiàn)引起了奧地利人埃爾文·薛定諤的注意。他巧妙地做了一些提煉，設(shè)計(jì)了一種容易理解的理論，名叫波動(dòng)力學(xué)。幾乎同時(shí)，德國(guó)物理學(xué)家維爾納·海森伯提出了一種對(duì)立的理論，叫做矩陣力學(xué)。那種理論牽涉到復(fù)雜的數(shù)學(xué)，實(shí)際上幾乎沒(méi)有人搞得明白，包括海森伯本人在內(nèi)（"我連什么是矩陣都不知道。"海森伯有一次絕望地對(duì)一位朋友說(shuō)），但似乎確實(shí)解決了薛定諤的波動(dòng)力學(xué)里一些無(wú)法解釋的問(wèn)題。

結(jié)果，物理學(xué)有了兩種理論，它們基于互相沖突的前提，但得出同樣的結(jié)果。這是個(gè)令人難以置信的局面。

1926年，海森伯終于想出個(gè)極好的妥協(xié)辦法，提出了一種后來(lái)被稱之為量子力學(xué)的新理論。該理論的核心是"海森伯測(cè)不準(zhǔn)原理"。它認(rèn)為，電子是一種粒子，不過(guò)是一種可以用波來(lái)描述的粒子。作為建立該理論基礎(chǔ)的"測(cè)不準(zhǔn)原理"認(rèn)為，我們可以知道電子穿越空間所經(jīng)過(guò)的路徑，我們也可以知道電子在某個(gè)特定時(shí)刻的位置，但我們無(wú)法兩者都知道。任何想要測(cè)定其中之一的努力，勢(shì)必會(huì)干擾其中之二。這不是個(gè)需要更精密的儀器的簡(jiǎn)單問(wèn)題；這是宇宙的一種不可改變的特性。

真正的意思是，你永遠(yuǎn)也無(wú)法預(yù)測(cè)電子在任何特定時(shí)刻的位置。你只能認(rèn)為它有可能在那里。在某種意義上，正如丹尼斯·奧弗比所說(shuō)，電子只有等到被觀察到了，你才能說(shuō)它確實(shí)存在。換句稍稍不同的話來(lái)說(shuō)，在電子被觀察到之前，你非得認(rèn)為電子"哪里都有，而又哪里都沒(méi)有"。

如果你覺(jué)得被這種說(shuō)法弄得稀里糊涂，你要知道，它也把物理學(xué)家們弄得稀里糊涂，這是值得安慰的。奧弗比說(shuō)："有一次，玻爾說(shuō)，要是誰(shuí)第一次聽(tīng)說(shuō)量子理論時(shí)沒(méi)有發(fā)火，這說(shuō)明他沒(méi)有理解意思。"當(dāng)有人問(wèn)海森伯是不是可以想像一下原子的模樣，他回答說(shuō)："別這么干。"