隨著物理學(xué)家們深入這個亞原子世界，他們意識到，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，"理查德·費曼有一次說，"你是很難習(xí)慣的。在大家看來，無論在新手還是在有經(jīng)驗的物理學(xué)家看來，它顯得又古怪，又神秘。"到費曼發(fā)表這番評論的時候，物理學(xué)家們已經(jīng)有半個世紀(jì)的時間來適應(yīng)原子的古怪行為。因此，你可以想像，盧瑟福和他的同事們在20世紀(jì)初會有什么感覺。它在當(dāng)時還完全是個新鮮事物。

與盧瑟福一起工作的人當(dāng)中，有個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)的過程中，突然有了個激動人心的想法。他推遲了蜜月，寫出了一篇具有劃時代意義的論文。

物理學(xué)家們看不見原子這樣的小東西，他們不得不試圖根據(jù)它在外來條件作用下的表現(xiàn)方式來確定它的結(jié)構(gòu)，比如像盧瑟福那樣向金箔發(fā)射α粒子。有時候，這類實驗的結(jié)果是令人費解的，那也不足為怪。有個存在很久的難題跟氫的波長的光譜讀數(shù)有關(guān)。它們產(chǎn)生的形狀顯示，氫原子在有的波長釋放能量，在有的波長不釋放能量。這猶如一個受到監(jiān)視的人，不斷出現(xiàn)在特定的地點，但永遠也看不到他是怎么跑過來跑過去的。誰也說不清是什么原因。

就是在思索這個問題的時候，玻爾突然想到一個答案，迅速寫出了他的著名論文。論文的題目為《論原子和分子的構(gòu)造》，認為電子只能留在某些明確界定的軌道上，不會墜入原子核。根據(jù)這種新的理論，在兩個軌道之間運行的電子會在一個軌道消失，立即在另一軌道出現(xiàn)，而又不通過中間的空間。這種見解--即著名的"量子躍遷"--當(dāng)然是極其奇特的，而又實在太棒，不能不信。它不但說明了電子不會災(zāi)難性地盤旋著飛進原子核，而且解釋了氫的令人費解的波長。電子只出現(xiàn)在某些軌道，因為它們只存在于某些軌道。這是個了不起的見解，玻爾因此獲得了1922年--即愛因斯坦獲得該獎的第二年--的諾貝爾物理學(xué)獎。

與此同時，不知疲倦的盧瑟福這時候已經(jīng)返回劍橋大學(xué)，接替湯姆遜擔(dān)任卡文迪許實驗室主任。他設(shè)計出了一種模型，說明原子核不會爆炸的原因。他認為，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。這個想法簡單而動人，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。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，因為發(fā)展原子彈必須掌握中子。（由于中子不帶電荷，它們不會被原子中心的電場排斥，因此可以像小魚雷那樣被射進原子核，啟動名叫裂變的破壞過程。）他們認為，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，毫無疑問是被德國人"。

實際上，歐洲人當(dāng)時忙得不亦樂乎，試圖搞清電子的古怪表現(xiàn)。他們面臨的主要問題是，電子有時候表現(xiàn)得很像粒子，有時候很像波。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，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)計了一種容易理解的理論，名叫波動力學(xué)。幾乎同時，德國物理學(xué)家維爾納·海森伯提出了一種對立的理論，叫做矩陣力學(xué)。那種理論牽涉到復(fù)雜的數(shù)學(xué)，實際上幾乎沒有人搞得明白，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一位朋友說），但似乎確實解決了薛定諤的波動力學(xué)里一些無法解釋的問題。

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。這是個令人難以置信的局面。

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

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

如果你覺得被這種說法弄得稀里糊涂，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："有一次，玻爾說，要是誰第一次聽說量子理論時沒有發(fā)火，這說明他沒有理解意思。"當(dāng)有人問海森伯是不是可以想像一下原子的模樣，他回答說："別這么干。"