1901年，22岁的阿尔伯特·爱因斯坦获得了物理学和数学教师资格证，他加入了瑞士国籍，开始了艰难的求职之路。没有任何一家教育机构愿意聘用他。他最后在伯尔尼专利局谋得一职，成了一位“三级技术专家”，同时兼职做家教。在这段人生低谷里，他和几位好友组建了一个名叫奥林匹亚科学院的研讨小组，经常聚在一起进行思想碰撞。
1905年是爱因斯坦的奇迹之年，他在这一年提出了4个伟大理论，将物理学推进了一个完全不同的宇宙。他创立了光的量子理论，明确了光线中的能量是一份一份的（后来被称为光子），且能量只能以微小的、离散的量进行交换。这里的“小份能量”不再是那个把普朗克逗笑的、能让公式变漂亮的数学技巧。在那之前，人们一直在争论光到底是一种波还是一团小粒子。将光视为一种波能解释许多现象，诸如光的反射和折射、衍射以及偏振。但是，波动理论无法解释光电效应：当光打在金属平面上时，金属表面可能会弹射出电子（在这个例子中也被叫作光电子）。
起初，物理学家并没有把这当回事。根据光的波动理论，他们推测光越强（光波幅值越大），金属表面弹射出的电子能量也越大。但是，事实与此恰好相反。逸出的电子能量与光强无关：当光波频率固定时，无论光是亮是暗，金属表面弹出的电子能量都一样。一个意外的发现是，真正能增加表面弹出电子能量的方法是提高光波的频率。然而，如果光是一种波，这个结果就说不通。这就好比说当海中巨浪或小水波击中一个沙滩球时，球弹起时的能量竟然是完全相同的。爱因斯坦意识到，只有将光视为粒子，并认为光粒子与金属中的粒子发生了互动，才能够解释这些现象。在他的模型里，光由独立的量子（后来被称为光子）组成，量子与金属的电子发生了互动。每个光子携带一份能量。增加光的强度相当于增加单位时间内光子的数量，但每个光子携带的能量保持不变。几个月后，爱因斯坦为硕果累累的这一年又增添了一份新的成就，他发现光也可以是一种波。光的确存在于两种现实中。
爱因斯坦一路势如破竹。他找到实验证据证明原子的存在，结束了关于原子存在与否的争论，并为统计物理学的应用点了个赞。为一切锦上添花的是，他还创立了相对论，并提出了著名的E=mc2公式。物理学界花费了好一阵子才理解了这些新思想，短时间内爱因斯坦也没有获得太多关注。这些工作的直接影响不过是为他赢来了一次升职，现在他是“二级技术专家”了。
一旦物理学家们搞清楚原子理论并追上化学家的进度，他们很快就发现，与其说包括亚原子粒子、原子和分子在内的这些构建万物的微观粒子不遵循牛顿的法则，不如说它们公然蔑视这些法则。一个有力的证据是，围绕原子核旋转的电子在失去能量后，并不会像牛顿定律所预测的那样一头扎进原子核，而是继续旋转。怎么会这样？
1925年至1926年，一群物理学家进一步发展了量子理论，其中包括哥廷根大学的沃纳·海森堡（Werner Heisenberg）。他频繁造访尼尔斯·玻尔在哥本哈根的研究所，旨在研究三个难题：黑体辐射现象、光电子效应以及旋转电子的稳定性。不管乐不乐意（很多人不乐意，其中就包括普朗克和爱因斯坦），物理学家们纷纷脱离了牛顿的决定论世界，这是一个物理“层级”，我们生活于其中，它能被我们看见也能被我们触摸，是一个能被大一统理论解释的世界。他们转向了一个底层层级，一个不可见、反直觉、遵循统计学规律、不确定的量子力学世界。他们从一个非黑即白的世界来到了一个充斥着灰色答案的世界：一个同时拥有另外一个工作协议的层级。
举个例子，思考一下光反射现象。当光子击中波粒，4%的粒子会被反射，余下的则被吸收。是什么决定了哪些粒子被反射？历经多年研究，用尽各种方法，答案似乎是：随机。特定光子是被反射还是吸收，这是随机的。理查德·费曼曾提问道：“我们是否会沦入这样一种恐怖的境地，即物理学不再是美妙的语言，而是沦为概率？是的，我们已经沦陷了，这就是如今的境况……尽管哲学家曾说过：‘科学的必要条件是设定完全相同的二次实验会产生完全相同的结果。’并非如此。你做25次实验，结果有时向上，有时向下……无法预测，完全随机……这就是现实。”15世界是不确定的。当时的物理学家对此深恶痛绝。即便是爱因斯坦，这个打开通往不确定世界的大门的人，也想狠狠把门摔上。他对这一理论给决定论世界与因果关系可能带来的影响充满疑虑，并说出了那句名言：“上帝不对宇宙掷骰子。”但是，如果想成为优秀的科学家，物理学家就必须抛弃先入为主的思想，接纳实验发现的事实。
在思考古怪的量子世界时，不要忘记我们已经习惯了遵循牛顿物理法则的宏观世界。常识，也就是我们普通人所掌握的关于宏观世界的物理知识，不能帮我们理解量子世界。它和我们体验过的世界完全不同。放下你的直觉，直觉在这里没有用，甚至还会成为负担。费曼曾经准备了一堂轻松的物理课，他用下面这样一则免责声明来传授量子原理：
你之前见过的东西给你带来的体验是不充分的，是不完整的。在微小的尺度上，事物的表现完全不同。它们不只像粒子。它们不只像波……（电子）和你之前见过的任何一种东西都不同。有一种简化的方法，从这个角度来看，电子的运作原理和光子完全一样，即它们都很古怪，但古怪的方式完全相同。理解它们需要强大的想象力，因为我们将描述一种和你已知任何事物都不一样的东西……它与你的经验不符，从这个角度来看，它是很抽象的16。
他接着提到，如果你想学习物理规律的特征，就必须谈论这一点，“因为这是自然界所有粒子共有的特征”。
我们是看不见微观的量子世界的。这意味着，要想研究它，我们就必须使用某种测量手段。这就涉及宏观世界中的一些仪器，它们也由原子构成，这些原子会与我们想观察的粒子发生作用，扰乱它们的正常活动。这种扰动会让系统发生变化，变得与观测前不同。简而言之，似乎出现了一个不可避免的测量问题。窥探量子世界很难，我们需要新的思路。
现在揭开答案：结果证明，就如爱因斯坦发现的那样，光既是一种波也是一种粒子。几年后，科学家发现物质也一样：电子也同时拥有光和粒子的属性。物理学家很快接受了这种观点，即我们在宏观世界认为是连续的东西（而不是几十亿个独立原子），比如餐桌，不过是一种被模拟出来的平均过程，应用数学家、物理学家和博学大师约翰·冯·诺伊曼后来将之称为“一个本质上是不连续的世界”。他还说：“这种虚拟过程即人通常感知到的是数以十亿计的、同时发生的基础过程之总和，根据大数定律，单个过程的真实属性就被完全隐去了。”17所谓“大数定律”，指的是这些粒子的运动会彼此抵消，因此桌子能待在一个地方不动，而不是在地板上跳肚皮舞。但是，我们所看到的固体桌子其实是一个幻觉，一个符号表征，它是由我们的大脑创造出来的，用于指代真实存在的物体。这个幻觉非常逼真，也能给出足够多的信息，使得我们能够高效地在这个世界上生活。
因“盒子里的猫”出名的奥地利物理学家埃尔温·薛定谔同样迫切希望修复这个符合因果关系的决定论世界。他提出了后来被称为“薛定谔方程”的公式，一个用于描述量子力学波动方式及其随时间变化的“法则”。这条“法则”是可逆的、符合决定论的，却无法描述系统的整体状态。它没有将电子的粒子属性纳入考虑，薛定谔特意回避了这一点。这条法则无法确定一个电子在特定时间所处的轨道位置。它只能对电子特定时间所处位置即所谓量子态给出一个基于概率论的预测。
为了确定电子的位置，就必须进行某种测量，对顽固的决定论者来说，这就是麻烦的开始。一旦做出测量，电子的量子态就会发生坍缩，这意味着各种可能的状态坍缩为一个，也就是所谓的“叠加态”。当然，观测行为是不可逆的，引发的坍缩效应对系统造成了限制。在接下来的几年里，物理学家发现，无论是经典概念中的“粒子”还是“波”都无法完整描述量子尺度下物体在给定时间点的状态。正如费曼的打趣：“它们的表现不像波也不光，它们像量子力学。”18
于是轮到丹麦的电子专家、诺贝尔奖获得者尼尔斯·玻尔出手相助了。他花了几周时间独自一人在挪威滑雪，同时思考关于电子和光子的两种形态问题，等到回家时，他已经构思好了互补原理的框架，其中波粒二象性被用作一个典型例子。该原理认为，量子物体具有互补属性，因此对它们的观测和理解无法发生在同一时间。正如吉姆·巴戈特（Jim Baggott）在《量子故事》（The Quantum Story）中所写：
玻尔意识到位置-动量和能量-时间的不确定性关系其实体现了经典波动和粒子概念的互补关系。所有被实验观察的量子系统都同时拥有波的行为和粒子的行为，在对实验方法的选择上，无论选择从波的角度还是粒子的角度观察，都不可避免地会造成测量对象的不确定性。这不是海森堡所说的因为测量方法“太粗糙”而导致的不确定性，而是我们对手段的选择迫使量子系统只向我们展现出一种形态，而不是另外一种。19
这里又一次提到，在特定时间点上，你可以测量电子的位置或者动量，但二者无法同时发生——就像电子的波属性和粒子属性。当你瞬时测量它在某个时间点的位置，电子是待在一个位置不动的，因此，它的另外一个属性——动量消失了。在这个时间点上，我们不可能测量它的动量。你可以推测其概率，但无法给出确定数值。当我们试图测量成对属性中的某一个时，系统就会产生互补性。一个系统同时拥有两种描述模式，且二者不可相互替换。
玻尔花费了6个月的时间来完善这一理论，并在1927年的科莫会议上首次对其进行了介绍，大会是为了纪念亚历山德罗·伏特（Alessandro Volta）的百年忌辰而召开的，听众全是当时杰出的物理学家。爱因斯坦没有参会，直到一个月以后玻尔在布鲁塞尔第二次作报告时，爱因斯坦才得知他的理论。爱因斯坦不喜欢双重描述和不确定性的概念。他和玻尔开始了长达数年的交锋。爱因斯坦会想出一个例子试图击溃量子理论，玻尔则给出与量子理论相符的论证来解决他的问题。从那时起，为了支持爱因斯坦，物理学家们提出了很多设想，做了很多实验20——结果都失败了。尽管在决定论派那边不受待见，玻尔的互补原理一直立于不败之地。
他们争论的根本在于客观性的定义与物理学的本质。罗伯特·罗森解释了个中症结：
物理学的底线是保持“客观性”。这就假定在客观事物和非客观事物之间存在清晰的界限，而前者在物理学的管辖范围之内。关于辖区之外事物的观点是分裂的。有些人认为，不管外面有什么，它们之所以在外面是因为现有理论技术不完善，因此这个问题是可解决的、暂时的，也就是说，物理辖区之外的事物能被“简化”为辖区内已有的事物。另外一些人则认为，二者界限是绝对存在的，不可逾越21。
玻尔属于后一种人，他提出，光到底看上去像粒子还是像波，不取决于光的自身属性，而取决于我们的测量和观察方法。光和测量一起都是系统的一部分。对玻尔来说，经典物理学世界太狭隘，无法描述物质的全貌。对他来说，宇宙和其中的物质太过复杂，仅有单一层级以及其间由经典物理学法则组成的单一工作协议是不够的。罗森提到，玻尔改变了“客观性”概念本身，从原本的只适用于物质系统变为适用于物质系统与其观察者的组合。爱因斯坦无法接纳这个观点，把宝押在了经典物理学上，而经典物理学忽略了测量过程，将测量的结果视为光的固有属性。对爱因斯坦来说，物体的客观性意味着其独立于测量和观察方法。罗森如此总结道：“爱因斯坦相信存在某种真相，其为物质所固有，而与引发这种真相的手段无关。玻尔认为这种观点是‘经典的’，与量子世界观不相容，后者需要指定条件，而且条件总包含一些不可分解的信息。”22
玻尔的互补原理可不仅仅是一场对手是爱因斯坦的趣味科学辩论赛。我们将看到，它其实是理解心脑问题的基础。
