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波动力学家——埃尔温·薛定谔

1913年与r.w.f.科尔劳施合写了关于大气中镭 a(即po)含量测定的实验物理论文,为此获得了奥地利帝国科学院的海廷格奖金。第一次世界大战期间,他服役于一个偏僻的炮兵要塞,利用闲暇研究理论物理学。战后他回到第二物理研究所。1920年移居耶拿,担任m.维恩的物理实验室的助手。

1925年底到1926年初,薛定谔在a.爱因斯坦关于单原子理想气体的量子理论和l.v.德布罗意的物质波假说的启发下,从经典力学和几何光学间的类比,提出了对应于波动光学的波动力学方程,奠定了波动力学的基础。他最初试图建立一个相对论性理论,得出了后来称之为克莱因—戈登方程(见场方程)的波动方程,但由于当时还不知道电子有自旋,所以在关于氢原子光谱的精细结构的理论上与实验数据不符。

以后他又改用非相对论性波动方程──以后人们称之为薛定谔方程──来处理电子,得出了与实验数据相符的结果。1926年1~6月,他一连发表了四篇论文,题目都是《量子化就是本征值问题》,系统地阐明了波动力学理论。

在此以前,德国物理学家w.k.海森堡、m.玻恩和e.p.约旦于1925年7~9月通过另一途径建立了矩阵力学。1926年3月,薛定谔发现波动力学和矩阵力学在数学上是等价的,是量子力学的两种形式,可以通过数学变换,从一个理论转到另一个理论。

薛定谔起初试图把波函数解释为三维空间中的振动,把振幅解释为电荷密度,把粒子解释为波包。但他无法解决波包扩散的困难。最后物理学界普遍接受了玻恩提出的波函数的几率解释。
1927年~1933 年接替 m.普朗克 ,任柏林大学物理系主任。因纳粹迫害犹太人,1933年离德到澳大利亚、英国、意大利等地。
 ; ; ; 1939年转到爱尔兰,在都柏林高级研究所工作了17年。1956年回维也纳,任维也纳大学荣誉教授。

1924年,l.v.德布罗意提出了微观粒子具有波粒二象性,即不仅具有粒子性,同时也具有波动性。在此基础上,1926年薛定谔提出用波动方程描述微观粒子运动状态的理论,后称薛定谔方程,奠定了波动力学的基础,因而与p.a.m.狄拉克共获1933 年诺贝尔物理学奖。

1944年,薛定谔著《生命是什么》一书,试图用热力学、量子力学和化学理论来解释生命的本性。这本书使许多青年物理学家开始注意生命科学中提出的问题,引导人们用物理学、化学方法去研究生命的本性,使薛定谔成为蓬勃发展的分子生物学的先驱。

1956年,薛定谔返回维也纳大学物理研究所,获得奥地利政府颁发的第一届薛定谔奖。1957年他一度病危。1961年1月4日,他在奥地利的阿尔卑巴赫山村病逝。

有一天,薛定谔就这一奇特现象作了一个讲座。他受到了一位物理学家同行彼得德拜(peter debye)的挑战,他问薛定谔:如果电子是用波来描述的,那么它们的波动方程是什么?

自从牛顿创造了微积分,物理学家们得以用微分方程描述波,因此薛定谔将德拜的问题——写出微分方程当成一项挑战。那个月薛定谔外出度假,当回来的时候他已经写出了方程。正如在他之前的麦克斯韦采用法拉第的力场,提炼出了光的麦克斯韦方程;薛定谔采用德布罗意的物质波,提炼出了光子的薛定谔方程。

作为一名科学家,薛定谔确实有其独特不群之处。简单说来,可关注的至少有三点:首先是他的人格形象。不同于一般的,或者说图式化的科学家形象,据穆尔的传记看来,此公似乎是一位性情中人,或者说一位多情种子,毕生陷于恋情的漩涡与纠葛中。

不计青少年时期的情窦初开和数次情感遭遇,即使在33岁那年成婚后,他仍然是激情充溢,外遇不断,其对象既有已婚的研究助手的妻子,也有年方二八的他曾辅导过数学的女中学生,既有闻名遐迩的演员和艺术家,也有年轻的政府职员,而这种浪漫风流一直持续到年逾花甲,并且有不止一个非婚生的孩子。对于每一段情感履历,他都非常投入,并为此创作了不少缠绵的情诗。

但奇怪的是,生活在维也纳和都柏林这样宗教色彩很浓的地方,他竟然能全然不顾忌传统礼数,认为这是他个人的自由,甚至设想过一妻一妾的生活;而同样令人称奇的是,他与其元配安妮的婚姻历经这种种事端,竟然能白头到老,而且安妮还亲自照料了他非婚生孩子的婴儿期。或许这与安妮自己没有孩子不无关系,但即便如此,这种薛定谔式的爱情,这样的家庭关系,与我们头脑中的科学家形象,恐怕还是会有很大反差,相去甚远的。 

另一段说明此公惯于我行我素的轶事,是尽管他一贯远离政治,保持距离,但在奥地利格拉茨大学任教时,迫于亲纳粹当局的压力,曾发表声明对自己以往的不敬行为表示忏悔,结果在当地报纸和《自然》杂志上都刊出了他向纳粹妥协的消息。

但当终于逃到英国,面对其他人的问询时,他却又不屑于为自己的行为作任何辩解,认为这纯属他个人的自由,无须为此权宜之计而内疚,反倒令其他科学家颇为尴尬。而在五年前,也同样是他,在纳粹刚刚上台,开始刁难驱逐犹太科学家之时,因不愿与纳粹同流合污,主动辞去了柏林大学理论物理学教授的职位,而为其他科学家所赞赏,因为按照他的雅利安血统,宗教背景和普朗克继承人的学术地位,他当时是完全可以自保其身的。显然,在这种丰富复杂的性格形象面前,通常的政治标签似乎是显得过于苍白简单了。

其人其事如此,其科学上的成就也不乏独特之处。薛定谔于1926年提出其波动方程时已39岁,比起量子力学史上的其他英雄们,可谓是大器晚成(发表他们的第一篇成名论文时,爱因斯坦26岁,玻尔28岁,海森伯24岁,泡利25岁,狄拉克24岁,约当23岁,乌伦贝克和戈德斯密特分别为25和23岁),在这一点上,他倒是与其柏林大学的前任普朗克不无相似。

据说他的这种创造性的激情,恰恰来自圣诞节假期中与情人的幽会,且一发而不可收,在短短不到五个月时间里,一连发表了六篇论文,不仅建立起波动力学的完整框架,系统地回答了当时已知的实验现象,而且证明了波动力学与海森伯矩阵力学在数学上是等价的[狄拉克也证明了],令整个物理学界为之震惊。

颇有讽刺意味的是,尽管为革命性的量子力学作出了基础性的贡献,薛定谔本人的初衷却是恢复微观现象的经典解释;而更令人称绝的是,薛定谔本人坦承他的科学工作,常常并非是独创性的,但他总能敏锐地抓住一些始作甬者的创新性观念,加以系统的构建和发挥,从而构成第一流的理论:波动力学来自德布洛意,《生命是什么》来自玻尔和德尔布吕克,而薛定谔的猫则来自爱因斯坦。

今天,量子力学已成为整个理论物理学和高科技的基础,从粒子物理和场论,到激光,超导和计算机。格利宾的书对量子力学的历史发展和应用作了相当通俗形象的描述。但如何解释和理解量子力学的成果,却至今依然是学界,尤其是科学哲学上的热门话题。爱因斯坦和玻尔为之争论了一辈子,薛定谔的猫则被爱因斯坦认为是最好地揭示了量子力学的通用解释的悖谬性。

其大意是:在一个封闭的盒子里装有一只猫和一个与放射性物质相连的释放装置。在一段时间之后,放射性物质有可能发生原子衰变,通过继电器触发释放装置,放出毒气,也有可能不发生衰变,因此依据常识,这只猫或是死的,或是活的。

而依据量子力学中通用的解释,波包塌缩依赖于观察,在观察之前,这只猫应处于不死不活的迭加态,这显然有悖于人们的常识,从而凸显出这种解释的困境。为摆脱这种困境,人们设想出了种种方案,但似乎并不能填平这种常识与微观特异性之间的鸿沟。例如格利宾本人所赞成的多世界解释,认为猫死与猫活这两种结果分属两个独立平行且真实存在的世界,是我们的观察行为选择了其中之一为我们的世界。这似乎不仅没有消除,反倒是增加了人们的困惑。

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