这在实践中意味着你永远无法预测电子在任何给定时刻会出现在哪里。你只能列出它出现在那里的概率。在某种意义上，正如丹尼斯·奥弗比所说，一个电子直到被观察到才存在。或者，稍微换一种说法，直到被观察到，一个电子必须被视为“既无处不在又无处可寻”。
如果这看起来令人困惑，你或许可以从知道物理学家们也感到困惑中得到一些安慰。奥弗比指出：“玻尔曾评论说，一个人第一次听到量子理论时不感到愤怒，就说明他没听懂所说的内容。”海森堡被问及如何想象一个原子时，回答说：“别试。”
所以原子结果与大多数人想象的形象完全不同。电子并非像行星围绕太阳那样绕着原子核飞行，而是呈现出更像云的无定形形态。原子的“壳层”并非像插图有时鼓励我们想象的那样是坚硬、闪亮的 оболочка (casing)，而仅仅是这些模糊电子云中最外层的那一层。云本身本质上只是一个统计概率区域，标记着电子极少 stray (偏离) 的区域之外。因此，如果你能看到一个原子，它看起来更像一个非常模糊的网球，而不是一个边缘清晰的金属球（但也不太像这两种东西，或者说，不像你见过的任何东西；毕竟，我们在这里处理的是一个与我们周围看到的世界截然不同的世界）。
似乎怪事没完没了。正如詹姆斯·特雷菲尔所说，科学家们第一次遇到了“我们大脑根本无法理解的宇宙领域”。或者正如费曼所表达的那样，“小尺度上的事物与大尺度上的事物行为完全不同。”随着物理学家们深入研究，他们意识到他们发现了一个世界，在那里不仅电子可以从一个轨道跳到另一个轨道而不穿越任何中间空间，而且物质可以从虚无中突然出现——“前提是，”用麻省理工学院的艾伦·莱特曼的话来说，“它再次消失得足够快。”
也许最引人注目的量子不可能性是源自沃尔夫冈·泡利 1925 年的不相容原理的想法：某些成对的亚原子粒子，即使相隔相当远的距离，也能瞬间“知道”对方在做什么。粒子具有一种称为自旋的性质，根据量子理论，当你确定一个粒子的自旋时，它的姐妹粒子，无论相距多远，都会立即开始以相反方向、相同速率旋转。
正如科学作家劳伦斯·约瑟夫所说，这就像你有两个完全相同的台球，一个在俄亥俄州，另一个在斐济，当你让一个旋转时，另一个会立即以完全相同的速度向相反方向旋转。值得注意的是，这一现象在 1997 年得到了证实，当时日内瓦大学的物理学家们将光子向相反方向发送了七英里，并证明干扰其中一个会立即引起另一个的响应。
事情发展到如此地步，以至于在一次会议上，玻尔评论一个新理论时说，问题不在于它是否疯狂，而在于它是否足够疯狂。为了说明量子世界的非直觉性，薛定谔提出了一个著名的思想实验：将一只假想的猫放入一个盒子里，盒子里有一个放射性物质原子，该原子连接着一瓶氢氰酸。如果该粒子在一小时内衰变，它将触发一个机制，打碎瓶子并毒死猫。否则，猫将活下来。但我们无法知道是哪种情况，因此，从科学上讲，别无选择，只能同时将猫视为 100% 活着和 100% 死亡。正如斯蒂芬·霍金带着一丝可以理解的兴奋所观察到的那样，这意味着“如果你甚至无法精确测量宇宙的当前状态，你就无法准确预测未来的事件！”
由于其古怪之处，许多物理学家不喜欢量子理论，或者至少不喜欢它的某些方面，其中最不喜欢的是爱因斯坦。这有点讽刺，因为正是在他 1905 年的奇迹年里，他如此有说服力地解释了光子有时表现得像粒子，有时又像波——这正是新物理学核心的概念。“量子理论非常值得重视，”他礼貌地评论道，但他确实不喜欢它。“上帝不掷骰子，”他说。[23]
爱因斯坦无法忍受上帝会创造一个某些事物永远不可知的宇宙这个想法。此外，超距作用——即一个粒子能够瞬间影响数万亿英里外的另一个粒子——的观点也公然违反了狭义相对论。狭义相对论明确规定没有任何东西能够超越光速，然而物理学家们却坚持认为，在亚原子层面上，信息能够以某种方式做到这一点。（顺便说一句，没有人解释过粒子是如何完成这一壮举的。根据物理学家亚基尔·阿哈罗诺夫的说法，科学家们处理这个问题的方式是“不去想它”。）
最重要的是，量子物理学引入了一种前所未有的混乱程度。突然间，你需要两套定律来解释宇宙的行为——一套用于极小世界的量子理论，另一套用于更广阔宇宙的相对论。相对论的引力在解释行星为何围绕太阳运行或星系为何倾向于聚集方面非常出色，但在粒子层面上却毫无影响。为了解释是什么将原子维系在一起，需要其他的力，而在 20 世纪 30 年代发现了两种：强核力和弱核力。强核力将原子结合在一起；它使得质子能够在原子核中安顿下来。弱核力则从事更多杂项任务，主要与控制某些类型放射性衰变的速率有关。
弱核力，尽管名字如此，却比引力强十万亿亿亿倍，而强核力甚至更强大——事实上，强大得多——但它们的影响范围仅限于极其微小的距离。强核力的作用范围仅及原子直径的十万分之一左右。这就是为什么原子核如此紧凑致密，以及为什么拥有庞大拥挤原子核的元素往往如此不稳定：强核力根本无法抓住所有的质子。
所有这一切的结果是，物理学最终得到了两套定律——一套适用于极小的世界，另一套适用于广阔的宇宙——过着完全独立的生活。爱因斯坦也不喜欢这一点。他毕生致力于寻找一种通过发现大统一理论来解决这些悬而未决问题的方法，但总是失败。他时常以为自己找到了，但最终总是功亏一篑。随着时间的推移，他变得越来越边缘化，甚至有点令人同情。斯诺写道，几乎毫无例外，“他的同事们过去认为，现在仍然认为，他浪费了他生命的后半部分。”
然而，在其他地方，真正的进展正在取得。到 20 世纪 40 年代中期，科学家们对原子的理解达到了极其深刻的水平——正如他们在 1945 年 8 月通过在日本上空引爆两颗原子弹所极其有效地证明的那样。
到了这个阶段，物理学家们有理由认为他们几乎已经征服了原子。事实上，粒子物理学的一切即将变得更加复杂。但在我们开始那个略显 exhausting (令人疲惫的) 故事之前，我们必须更新我们历史的另一条线索，通过思考一个重要的、具有警示意义的故事，这个故事关乎贪婪、欺骗、糟糕的科学、几起不必要的死亡，以及最终确定地球年龄的过程。
万物简史
第十章：清除铅害
在 20 世纪 40 年代末，芝加哥大学一位名叫克莱尔·帕特森的研究生（他名字虽然如此，但实际上是爱荷华州一个农场男孩出身）正在使用一种新的铅同位素测量方法，试图最终确定地球的确切年龄。不幸的是，他所有的样品都被污染了——通常是严重污染。大多数样品含铅量大约是正常预期水平的两百倍。许多年后，帕特森才意识到，原因在于俄亥俄州一位令人遗憾的发明家，托马斯·米奇利二世。
米奇利受过工程师训练，如果他一直从事这个行业，世界无疑会更安全。但他却对化学的工业应用产生了兴趣。1921 年，在俄亥俄州代顿市的通用汽车研究公司工作期间，他研究了一种名为四乙基铅（也令人困惑地称为铅四乙基）的化合物，并发现它显著减少了称为发动机爆震的抖动现象。
尽管铅的危险性广为人知，但到了二十世纪初，它已出现在各种消费品中。食品罐头用铅焊料密封。水常常储存在铅衬里的水箱中。它以砷酸铅的形式作为杀虫剂喷洒在水果上。它甚至作为牙膏管包装的一部分出现。几乎没有任何产品不给消费者的生活带来一点铅。然而，没有什么比将其添加到汽油中更能赋予它更持久、更亲密的接触了。
铅是一种神经毒素。摄入过多会导致大脑和中枢神经系统受到不可修复的损害。过量接触的诸多症状包括失明、失眠、肾衰竭、听力丧失、癌症、麻痹和抽搐。在其最急性形式下，它会产生突然而可怕的幻觉，令受害者和旁观者都感到不安，通常随后会陷入昏迷和死亡。你真的不想让太多的铅进入你的系统。