埃爾文·薛定諤

英杰

興趣廣泛

埃爾文·薛定諤1887年8月12日出生于奧地利首都維也納.維也納是一座美麗的城市，多瑙河從市中心穿城而過，其悠久的歷史文化也讓從小生活在這個(gè)城市里的薛定諤產(chǎn)生了深深的迷戀.他的父親魯?shù)婪颉ぱΧㄖ@是一位油氈工廠的廠主，受過良好教育，熱愛自然科學(xué)和藝術(shù)，有深厚的文化修養(yǎng)，憑借著高超的經(jīng)營手段，工廠的效益一直不錯(cuò)，因此小薛定諤的童年過著一種衣食無憂的優(yōu)越生活.

富裕的家境讓薛定諤無憂無慮，作為企業(yè)家的父親非常重視對兒子的培養(yǎng)和教育.在早期的家庭教育當(dāng)中，父親對他的影響是最大的，他常常在和父親玩樂的過程中學(xué)到許多有用的知識(shí)，并時(shí)刻保持著一種對外界事物的好奇心.薛定諤后來在回憶父親時(shí)，話語間總是充滿了對老人的無限懷念和敬仰.父親對他的呵護(hù)和安定的生活讓他健康地成長，也讓他充分發(fā)展了自己的興趣和愛好.

11歲的時(shí)候，薛定諤考入了維也納高等?？茖W(xué)校的預(yù)科班.從這時(shí)開始，他在學(xué)習(xí)能力上的天賦和優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)了出來.他從來不去死記硬背那些歷史事件和人物傳記中的數(shù)字，也不花大量的時(shí)間去埋頭苦讀，特別是數(shù)學(xué)和物理，他常常用他自己獨(dú)創(chuàng)的方法馬上就得出老師所出題目的結(jié)果，其速度常常讓老師們吃驚，以致在此后的三年中老師不得不單獨(dú)出一些較難的題目給他做，但這絲毫難不住他.他還常常用大量的時(shí)間去學(xué)習(xí)英語和法語，而當(dāng)時(shí)這兩門語言還沒有列入學(xué)校的課程.除此之外，他還熱衷于戶外運(yùn)動(dòng)，徒步旅行和登山是他最喜歡的項(xiàng)目.

去蘇黎世

1906年，薛定諤以優(yōu)異的成績考入了維也納大學(xué)，主修課程是物理和數(shù)學(xué).維也納大學(xué)始建于1365年，是奧地利歷史最悠久的大學(xué)，也是德語區(qū)國家最古老的大學(xué)之一，還是27位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的母校.學(xué)校擁有雄厚的師資力量和濃厚的學(xué)術(shù)氛圍.

薛定諤進(jìn)入大學(xué)后，就像魚兒游進(jìn)了大海，開始如饑似渴地學(xué)習(xí).在此期間，他學(xué)習(xí)了大量的數(shù)學(xué)知識(shí)，為以后的理論研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但他的主要精力還是放在了理論物理學(xué)的課程上.他的教授哈澤內(nèi)爾除了傳授他大量的知識(shí)外，對他的科學(xué)家個(gè)性的形成也起到了巨大的作用，因此他一直對哈澤內(nèi)爾充滿感激之情.1933年，薛定諤獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，在發(fā)表獲獎(jiǎng)感言的時(shí)候，他說：“假如哈澤內(nèi)爾沒有去世的話，那么他現(xiàn)在當(dāng)然會(huì)站在我的位置上.”這無疑飽含了他對老師無限的懷念和尊敬.

1910年，薛定諤獲得了博士學(xué)位.此后4年，薛定諤作為?？怂辜{的助手，先后發(fā)表了10篇論文和一篇為物理學(xué)手冊撰寫的關(guān)于電介質(zhì)的評(píng)論.1914年1月，他獲得了大學(xué)教師資格認(rèn)可，這也是他在科學(xué)生涯中的第一次晉升，這給他帶來了很大聲望，并且初步確立了他作為國際知名的理論物理學(xué)家的地位.但是不久后，第一次世界大戰(zhàn)把他卷入了一場殘酷的風(fēng)暴，在這場戰(zhàn)爭中，他不但失去了很多時(shí)間，而且失去了他的老師哈澤爾內(nèi).這種突如其來的痛苦讓他不得不重新思考一些涉及人生的哲學(xué)問題，也在他的一生中留下了不可磨滅的烙印.

戰(zhàn)爭結(jié)束后，奧匈帝國解體，由于是戰(zhàn)敗國，奧地利的國家地位一落千丈，教育經(jīng)費(fèi)也少得可憐，國內(nèi)的很多教授和科學(xué)家都難以維持生計(jì).薛定諤也決定離開奧地利，前往外國繼續(xù)從事科學(xué)研究.經(jīng)過一番努力，他來到了蘇黎世大學(xué)，這也是他不平凡的人生的開始.

創(chuàng)立波動(dòng)力學(xué)

從普朗克提出量子概念和普朗克常數(shù)，到愛因斯坦提出光量子理論；從盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子結(jié)構(gòu)，到玻爾把量子論與經(jīng)典電磁論結(jié)合；最后由德國物理學(xué)家海森堡、玻恩等人通過對原子光譜數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系的研究，建立了描述微觀粒子狀態(tài)的矩陣力學(xué)，物理學(xué)在經(jīng)過幾代物理學(xué)家的努力后才突破了舊的理論格局.

薛定諤從第一次世界大戰(zhàn)后開始關(guān)心原子結(jié)構(gòu)問題.他一方面應(yīng)用玻爾的量子理論進(jìn)行研究；另一方面他又試圖突破并發(fā)展這一理論，因?yàn)椴柕睦碚撊狈ψ郧⒑瓦壿嬕恢滦裕碚摽蚣艽蠖鄟碜越?jīng)典動(dòng)力學(xué)，所以他并不滿意.他認(rèn)為量子力學(xué)需要更強(qiáng)的邏輯性、更強(qiáng)的解釋能力.

量子力學(xué)最終實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展，主要是來自兩方面的力量，第一是海森堡的矩陣力學(xué).雖然矩陣力學(xué)成為量子力學(xué)迅速發(fā)展的重要?jiǎng)恿?，但是有一些人難以理解它獨(dú)特的數(shù)學(xué)形式，當(dāng)矩陣力學(xué)徘徊在人們的贊譽(yù)與質(zhì)疑當(dāng)中時(shí)，第二種力量也砰然叩開了量子力學(xué)的大門；1924年，法國物理學(xué)家德·布羅意提出了波粒二象性理論；愛因斯坦隨后從這一理論中受到啟發(fā)，并發(fā)表了一篇關(guān)于理想氣體量子統(tǒng)計(jì)的論文.這立刻引起了薛定諤的注意.1926年，從1月26日到6月22日，在短短不到5個(gè)月的時(shí)間里，他接連發(fā)表了6篇關(guān)于量子力學(xué)的論文，包含了玻爾的原子理論、矩陣力學(xué)、愛因斯坦波粒二象性思想和德·布羅意物質(zhì)波理論等當(dāng)時(shí)處在科學(xué)前沿的理論，在理論上嚴(yán)謹(jǐn)自洽，實(shí)際應(yīng)用也更為有效完整.

從湯姆生發(fā)現(xiàn)陰極射線電子流之后，怎樣描述原子內(nèi)部電子運(yùn)動(dòng)的狀況就一直困擾著物理學(xué)家們，但是現(xiàn)在只要應(yīng)用薛定諤的理論就可以輕而易舉地解釋，而且他的數(shù)學(xué)表達(dá)形式也更為物理學(xué)家們所喜聞樂見，因此，它一經(jīng)提出就受到物理學(xué)界的普遍歡迎.普朗克、愛因斯坦、玻爾等人均向他表示出由衷的贊美和感謝.波動(dòng)力學(xué)的問世，在物理學(xué)界引起了巨大轟動(dòng)，與遭受冷遇的矩陣力學(xué)形成了強(qiáng)烈的反差，因?yàn)樵谘Χㄖ@的方程中所用到的是大多數(shù)物理學(xué)家熟悉的偏微分方程描述方法和更容易理解的概念.

雖然矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)看上去并不一樣，他們的研究綱領(lǐng)、物理圖像、數(shù)學(xué)方法包括表達(dá)形式，都存在很大的不同，但令人意外的是，兩種理論雖然有如此多的不同但卻獲得了各自的成功.如果它們在微觀體系里都能夠作出正確描述的話，它們之間是否會(huì)有一種不易被人發(fā)現(xiàn)的聯(lián)系？薛定諤想到這里，便開始對兩個(gè)公式作進(jìn)一步研究，最終在《論海森堡、玻恩和約爾丹的量子力學(xué)與薛定諤的量子力學(xué)之間的關(guān)系》一文中得出了一個(gè)重要的結(jié)論：波動(dòng)力學(xué)與矩陣力學(xué)實(shí)際上是等價(jià)的，在研究過程中，兩種表象和方法可以交替使用.誰都沒有想到，這兩個(gè)看上去有太多不同的力學(xué)主張竟然是等價(jià)的.

這次等價(jià)證明，再一次為薛定諤和波動(dòng)力學(xué)贏得了榮譽(yù)和掌聲，世界上很多知名大學(xué)紛紛向薛定諤發(fā)出邀請，希望他能夠蒞臨演講.同時(shí)，薛定諤方程也以優(yōu)美的數(shù)學(xué)形式和便捷的計(jì)算方法受到了物理學(xué)界的青睞，這一方程至今在某些領(lǐng)域仍被沿用.

波動(dòng)力學(xué)的建立和巨大成功，最終確立了為全體物理學(xué)家所接受的量子力學(xué)理論體系，奠定了理論的發(fā)展完善及具體應(yīng)用的基礎(chǔ)，埃爾文·薛定諤的名字永遠(yuǎn)銘刻在了物理學(xué)發(fā)展的里程碑上.

薛定諤的貓

作為量子力學(xué)的奠基人之一，薛定諤對于現(xiàn)有的量子力學(xué)的詮釋表達(dá)出了極大的不滿，并且與愛因斯坦一起，參與了量子理論與經(jīng)典物理理論解釋的學(xué)術(shù)論戰(zhàn).為了形象地表達(dá)自己的觀點(diǎn)，他提出了一個(gè)關(guān)于量子理論的理想實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)中的主角是一只貓，這只貓被關(guān)在一個(gè)封閉的盒子里，盒子里有一瓶毒藥——氰化物，瓶子的上方有一個(gè)由電子開關(guān)控制的錘子，電子開關(guān)又由放射性原子控制.如果放射性原子的原子核發(fā)生衰變，就會(huì)放射出α粒子，隨即觸動(dòng)電子開關(guān)，由開關(guān)控制的錘子一旦落下，裝有氰化物的瓶子立刻碎裂并釋放出有毒的氣體，而盒子里的貓也就會(huì)隨之死去.由于原子核的衰變屬于隨機(jī)事件，物理學(xué)家們所能掌握的只是知道原子核衰變一半所需要的時(shí)間，也就是半衰期.所以物理學(xué)家也就無法知道衰變發(fā)生的具體時(shí)間，當(dāng)然物理學(xué)家可以根據(jù)已知的數(shù)據(jù)計(jì)算出原子核在某一段時(shí)間內(nèi)的衰變幾率，也就是導(dǎo)致貓死亡的幾率.如果我們不打開盒子的蓋子，就只能根據(jù)生命的兩種本征狀態(tài)來判斷貓的死亡或者生存，但是當(dāng)我們用薛定諤方程來描述這只貓時(shí)，就不得不說它處于一種生存與死亡的疊加狀態(tài).這種描述顯然與我們的日常經(jīng)驗(yàn)不符，生存和死亡是相悖的，又怎么可能互相疊加？這個(gè)理想實(shí)驗(yàn)還有一點(diǎn)需要注意，那就是要讓貓脫離這種尷尬的生存與死亡相疊加的狀態(tài)，只能通過打開盒子看一眼，也就是說打開盒子看一眼才決定貓的生死.這個(gè)結(jié)論無疑是荒謬的，因而也就說明了量子力學(xué)對實(shí)在的描述并不完備.

愛因斯坦對薛定諤的這個(gè)“貓悖論”贊賞有加，先后在兩封寄給薛定諤的信中，對這個(gè)理想實(shí)驗(yàn)揭示了量子力學(xué)描述實(shí)在的不完備性的作用給予肯定，并希望哥本哈根學(xué)派日后能夠給出一個(gè)更加完備的理論.盡管如此，物理學(xué)界出于實(shí)際用途的考慮，最終還是接受了哥本哈根的解釋，但是這樣一來，他們就不得不違反薛定諤的方程，也就難怪薛定諤在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)對此事耿耿于懷.

1961年1月4日，薛定諤在奧地利的阿爾卑巴赫山谷中的一個(gè)小村子里病逝，享年74歲.但是世人至今仍然記得那只令人同情的薛定諤的貓.