薛定諤：量子王國(guó)的“立法”者

伊傳紅+王敘

奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤通過(guò)對(duì)物質(zhì)波的研究創(chuàng)立了波動(dòng)力學(xué)，解決了原子物理學(xué)的許多問(wèn)題，奠定了量子力學(xué)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展起了巨大的推動(dòng)作用。

見(jiàn)識(shí)無(wú)數(shù)美好的事物

出生于“音樂(lè)之都”維也納的薛定諤，在奧匈帝國(guó)最后歲月的閑適環(huán)境中長(zhǎng)大。家境優(yōu)裕的他幾乎沒(méi)有上過(guò)小學(xué)，在他的啟蒙教育階段，家庭教師每周兩次上門(mén)給他授課。而他那經(jīng)營(yíng)家族油氈生意、頗有文化修養(yǎng)的父親，更使他受益良多。

對(duì)于成長(zhǎng)中的薛定諤來(lái)說(shuō)，熱愛(ài)自然和藝術(shù)并且經(jīng)常陪伴他玩耍嬉戲的父親，“是一個(gè)朋友，一位老師，也是一名不知疲倦的談話(huà)討論的伙伴”，還是一個(gè)陳列著所有吸引著他、令他著迷的事物的殿堂。當(dāng)父親的興趣轉(zhuǎn)向植物學(xué)，開(kāi)始研究形態(tài)遺傳學(xué)和種系進(jìn)化學(xué)的時(shí)候，他也貪婪地讀完了達(dá)爾文的《物種起源》。從那以后，父子倆談?wù)?、“切磋”的?huà)題就不限于學(xué)校教授的內(nèi)容了。

薛定諤家有夏季外出旅行的習(xí)慣，這不僅豐富了他的生活，讓他“見(jiàn)識(shí)到了無(wú)數(shù)美好的事物”，而且也促進(jìn)了他對(duì)知識(shí)的渴求。有一年在英吉利海峽的一個(gè)海灘上，他第一次注意到，在遙遠(yuǎn)的地平線(xiàn)處，早在船只出現(xiàn)之前就可以看到船上煙囪中冒出的濃煙，這完全是海面不平導(dǎo)致的結(jié)果。

1898年，11歲的薛定諤進(jìn)入維也納高等專(zhuān)科學(xué)校所屬的預(yù)科學(xué)校學(xué)習(xí)。這所學(xué)校強(qiáng)調(diào)人文學(xué)科的教育，但同時(shí)也開(kāi)設(shè)了部分水平頗高的數(shù)理課程。在這里，他學(xué)到了許多東西，那會(huì)兒他最喜歡提的問(wèn)題是：“先生，您真的相信嗎？”

薛定諤鐘情于數(shù)學(xué)和物理學(xué)，也欣賞語(yǔ)法和哲學(xué)的邏輯性，但討厭死記硬背和對(duì)詩(shī)文做“迂腐的解剖分析”。每一個(gè)科目，他的成績(jī)?cè)诎嗌隙际亲詈玫摹Ｒ晃煌瑢W(xué)后來(lái)回憶，當(dāng)年他僅有一次沒(méi)能回答出老師的問(wèn)題，而給同學(xué)們留下了非常深刻的印象，那個(gè)問(wèn)題是：“黑山的首都是哪里？”還有一回上歷史課，薛定諤開(kāi)小差偷偷地翻看別的課程書(shū)籍，老師突然提問(wèn)他一個(gè)關(guān)于古希臘歷史的問(wèn)題，他起身后閃電般地調(diào)整好思緒，從容而正確地做出了解答，令同學(xué)們欽佩不已。

1906年，薛定諤以?xún)?yōu)異的成績(jī)通過(guò)畢業(yè)考試，進(jìn)入維也納大學(xué)，主修物理學(xué)和數(shù)學(xué)，輔修化學(xué)和天文學(xué)。他的天賦和才干“被毫無(wú)嫉妒地公認(rèn)”，同學(xué)們都相信他未來(lái)一定會(huì)打破狹隘的專(zhuān)業(yè)界限，去開(kāi)辟新的探索自然之路。

追求什么樣的生活

大學(xué)畢業(yè)后，薛定諤服了一年兵役，又回到維也納大學(xué)開(kāi)始其研究生涯。1914年1月，他獲得了大學(xué)教師的資格認(rèn)可。然而，看似美好的前程突然出現(xiàn)了一絲陰影。這年夏季，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，薛定諤隨即被征召入伍，成了帝國(guó)的一名炮兵軍官。

在那一段歲月里，薛定諤雖然時(shí)常遠(yuǎn)離前線(xiàn)，沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)什么血腥，但日子過(guò)得相當(dāng)無(wú)聊。一天，有哨兵報(bào)告說(shuō)，陣地對(duì)面山坡上發(fā)現(xiàn)了向己方移動(dòng)的燈光。薛定諤抵近查看后，以物理學(xué)家的眼光思忖并很快就明白，那是鐵絲網(wǎng)上放電造成的“圣愛(ài)爾摩”之光。在這樣的環(huán)境里之所以看見(jiàn)火光在移動(dòng)，是因?yàn)橛^察者自己走動(dòng)造成的視差現(xiàn)象。

這之后不久，薛定諤開(kāi)始想念他的科學(xué)工作了。他反躬自問(wèn)：“是什么原因使你無(wú)事可做？這是你追求的生活嗎？”就在這個(gè)時(shí)期，他接觸到了愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，也關(guān)注著原子物理學(xué)的最新進(jìn)展，并做了許多閱讀筆記。

這場(chǎng)促使奧匈帝國(guó)解體的殘酷戰(zhàn)爭(zhēng)，還促使薛定諤進(jìn)行了哲學(xué)方面的深入思考，他甚至一度考慮轉(zhuǎn)行從事哲學(xué)研究。不過(guò)，如他后來(lái)所說(shuō)，他的“保護(hù)天使”出來(lái)干涉了這一計(jì)劃：他準(zhǔn)備去做專(zhuān)職哲學(xué)研究的那所大學(xué)所在地切爾諾維茲，按照停戰(zhàn)和約已劃出奧地利的版圖（現(xiàn)屬烏克蘭，稱(chēng)切爾諾夫策），因而他只能專(zhuān)攻原本要作為業(yè)余研究的理論物理學(xué)了。

可戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)蕭條，大學(xué)里學(xué)術(shù)性職位薪俸很低，這令正準(zhǔn)備結(jié)婚的薛定諤心存疑慮，于是他問(wèn)父親：“是否讓我也來(lái)參與您的生意？”他可敬的父親斷然回答：“不，親愛(ài)的孩子，你不應(yīng)當(dāng)來(lái)干這個(gè)，我不希望你從事這種營(yíng)生，你要留在大學(xué)里繼續(xù)你的學(xué)術(shù)生涯?！?/p>

此后不到一年，1919年圣誕夜，薛定諤的父親坐在舊扶椅上安靜地離開(kāi)了人世。他生前看到兒子唯一的成就，就是終于得到了一份薪水稍高的職位：在耶拿大學(xué)擔(dān)任兼職講師和一位教授的私人助手。

展示了真正的天才

1921年10月15日，薛定諤被任命為蘇黎世大學(xué)理論物理學(xué)教授。

這個(gè)時(shí)候，從世紀(jì)之交開(kāi)始的一場(chǎng)激動(dòng)人心的物理學(xué)革命正漸入佳境：從德國(guó)物理學(xué)家馬克斯·普朗克提出量子概念，到德國(guó)物理學(xué)家阿爾伯特·愛(ài)因斯坦提出光量子理論，從英國(guó)物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子結(jié)構(gòu)，到丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾把量子論與經(jīng)典電磁理論結(jié)合，幾乎徹底變革了包括物質(zhì)觀、時(shí)空觀、運(yùn)動(dòng)觀、規(guī)律觀和因果性在內(nèi)的整個(gè)物理學(xué)概念框架和原理體系。

按照普朗克能量量子化的觀點(diǎn)，物質(zhì)輻射（或吸收）的能量不是連續(xù)地，而是一份一份地進(jìn)行的，只能取某個(gè)最小數(shù)值的整數(shù)倍，這個(gè)最小數(shù)值就叫能量子（簡(jiǎn)稱(chēng)“量子”）。量子物理學(xué)由于接受了輻射（包括電子的能量）同時(shí)具有波和粒子雙重性質(zhì)的概念而獲得了迅速發(fā)展。

這當(dāng)中的一個(gè)關(guān)鍵之處，是法國(guó)物理學(xué)家路易·維克多·德布羅意在1924年提出的，就如同愛(ài)因斯坦已經(jīng)指出的那樣，波（如光波）也具有像粒子一樣的特性，反言之，粒子，特別是電子，也具有像波一樣的特性。換句話(huà)說(shuō)，就像電磁波能用粒子來(lái)描述一樣，所有的物質(zhì)粒子（如電子）都能用波來(lái)描述——任何事物都有波粒二象性。

當(dāng)蘇黎世大學(xué)的物理學(xué)家們聚在一起討論德布羅意的離奇觀點(diǎn)時(shí)，領(lǐng)頭的彼得·德拜教授評(píng)論道：“這些想法看起來(lái)都很幼稚，因?yàn)橐_地處理波的行為，應(yīng)該有一個(gè)波動(dòng)方程，用來(lái)描述波如何從一個(gè)地方走到另一個(gè)地方?！边@句話(huà)讓薛定諤上了心。他認(rèn)定，既然電子是傳播波的始源，那么對(duì)于電子的運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)就應(yīng)該能夠找到一個(gè)波動(dòng)方程，并且可以通過(guò)解這個(gè)波動(dòng)方程去挑選適合于原子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的振蕩。

1925年的圣誕節(jié)假期，閑暇中也不放棄研究的薛定諤進(jìn)發(fā)出驚人的創(chuàng)造力，有了對(duì)波動(dòng)方程的初步設(shè)想。從1926年1月27日到6月23日，在短短不到5個(gè)月的時(shí)間里，薛定諤接連發(fā)表了6篇關(guān)于量子理論的論文，其內(nèi)容涵蓋了諸多物理學(xué)前沿領(lǐng)域。波動(dòng)方程（又稱(chēng)“薛定諤方程”）亦在其中，它為處理與光譜有關(guān)的問(wèn)題提供了方便而簡(jiǎn)單的方法，成為當(dāng)今物理學(xué)家不可缺少的工具。

當(dāng)普朗克看到薛定諤的第一篇論文后，致信薛定諤說(shuō)，讀了它“就像一個(gè)渴望的孩子在傾聽(tīng)困擾他很久的一個(gè)謎題的答案”；讀過(guò)第二篇論文后，他說(shuō)：“你能想象我以多大的興趣和熱情投入這一意義深遠(yuǎn)的研究工作?！彪S后他把薛定諤的論文拿給愛(ài)因斯坦看，這位科學(xué)巨人評(píng)價(jià)道：“薛定諤的研究工作展示了真正的天才?！?/p>

幾乎是在薛定諤創(chuàng)立波動(dòng)力學(xué)的同時(shí)，德國(guó)物理學(xué)家沃納·海森伯創(chuàng)立了矩陣力學(xué)，并很快由德國(guó)物理學(xué)家馬克斯·玻恩跟進(jìn)，再由英國(guó)物理學(xué)家保羅·狄拉克最終完成。狄拉克首先確立了一種更艱深、抽象的數(shù)學(xué)形式來(lái)描述原子中電子的行為（第三個(gè)完整的量子理論），隨后又證明：薛定諤和海森伯的兩種研究思路都包括在數(shù)學(xué)形式之內(nèi)，它們?cè)跀?shù)學(xué)上彼此等價(jià)。這正如“樹(shù)”可以用兩種（或更多）語(yǔ)言來(lái)描述一樣，盡管用語(yǔ)及語(yǔ)法規(guī)則不同，但描述的是同一種事物，而且不同的表示方式會(huì)受到變換規(guī)律的影響——這是一個(gè)很深刻的思想。

1933年，薛定諤與狄拉克被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了原子理論的新的有效形式。1956年，薛定諤結(jié)束多年漂泊生涯，榮歸故國(guó)奧地利，并在那里度過(guò)了余生。endprint