一门看似快要完工的物理学
想象一下大约 1900 年时物理学的世界。两百年来，从牛顿传承下来、又被后人不断添砖加瓦的那套工具，运转得好得惊人。我们把这一整套继承下来的工具称为经典物理。靠着它，你能预测炮弹会落在哪里、月亮为什么绕着地球转、热量如何在一根铁棒中流动、光线又如何穿过透镜而弯折。它如此成功，以至于有些物理学家真心相信：大局已定，未来要做的只是多算几位小数——把已知的量测得越来越精确而已。
经典图景建立在两个让人安心的假设之上。第一，能量是连续平滑的：你想倒进去多少、想抽出来多少都行，哪怕再微小的量也可以，就像往杯子里倒水可以倒到任意高度一样。第二，世界在原则上是可预测的：只要你确切知道每样东西在哪里、运动得多快，理论上就能算出整个未来。这些想法听起来就是朴素的常识——也正因如此，打破它们的那些谜题才会带来如此大的震撼。
晴空中的三朵小乌云
麻烦并不是以一声惊雷的方式到来的。它是悄悄潜入的，化身为几个微小却恼人的实验——这些测量结果，经典物理无论怎样巧妙地修修补补，都根本无法解释。其中有三个最为突出，而每一个都将是本阶梯后面某一篇的主题。它们合力把通往新世界的那扇门撬开了一道缝。
- 炽热物体的辉光。经典理论预言，一个温热的物体应当以光的形式倾泻出无穷多的能量——这个荒谬的结论被称为紫外灾难。而现实却礼貌地拒绝变成无穷大。
- 光把电子从金属里打出来。把光照在金属上能打出电子——但其中的细节（哪些颜色的光管用、又是如何管用的），如果把光当成平滑的波，就完全说不通。这就是光电效应。
- 灼热气体发出的锐利色彩。被加热的元素只在少数几个精确的颜色处发光，就像一串条形码——这就是原子光谱。而按经典图景，原子根本不该这样发光。
请留意它们之间的“家族相似”。在每一个案例里，大自然的行为都仿佛在说：能量是一块一块地来的，而不是平滑的细流——好像你每次只能整枚硬币地往里加，永远加不了半枚硬币。炽热物体不肯平滑地辐射；光不肯把能量一点点慢慢交出；原子也不肯随便挑个颜色发光。关于能量，有某种东西暗地里是颗粒状的。
激进的解法：能量是一块一块的
出路最终到来时，几乎是带着一丝不情愿的。1900 年，马克斯·普朗克发现：只要他假设能量只能以一份一份分立的小包来交换——绝不能是任意的量——那个辉光之谜便立刻迎刃而解。每一个最小的、不可再分的小包，就是一个能量量子（拉丁文 *quantum* 的意思不过是“多少”，即一份确定的量）。普朗克起初把它当成一个数学上的小把戏。可一旦这个念头被放了出来，它便一个接一个地解开了那些顽固的谜题——结果，这个“把戏”竟是真相。
为什么这会让人觉得如此怪异？因为在日常生活里，这些“块”小到难以想象。倒水、把灯调暗、给房间加热——每一“级台阶”都细到让整个过程看上去完美平滑，就像沙滩从远处看是光滑的，哪怕它其实由一粒粒分开的沙子堆成。能量的“颗粒性”只有当你一路放大、缩小到单个原子和单个光粒子的尺度时，才会变得可见。这就是为什么两百年里没人注意到：我们只是从来没有看得足够近而已。
新物理学要我们付出的代价
接受“能量是一块一块的”只是第一步退让。随着新理论的成长，它要求我们把第二个让人安心的假设也一并交出——那个“完美可预测”。在量子世界里，哪怕你掌握了所有可能知道的信息，往往也无法*确定地*说出一个粒子下一刻会做什么；你能给出的只是各种可能的概率。大自然在最根本处，似乎玩的是一副灌了铅的骰子，而不是一份写定的剧本。这一点，就连它的发明者们都深感不安；我们会在本阶梯后面的几级里，认真而温和地直面它。
早期那段“用量子的‘块’去给经典观念打补丁”的岁月——普朗克的小包、爱因斯坦的光粒子、玻尔的跳跃电子——如今被称为旧量子论。它是一座才修了一半、却出奇精彩的桥：它好用得远超它“理应”达到的程度，却终究是一堆规则的拼凑，而不是一个干净利落的整体观念。真正完整、自洽的理论要到 1920 年代中期才会到来。本阶梯的第一级，讲的就是这座修了一半的桥的故事——我们将一次只啃一个顽固的谜题。