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波動力學家——埃爾溫·薛定諤

1913年與r.w.f.科爾勞施合寫了關于大氣中鐳 a(即po)含量測定的實驗物理論文,為此獲得了奧地利帝國科學院的海廷格獎金。第一次世界大戰期間,他服役于一個偏僻的炮兵要塞,利用閑暇研究理論物理學。戰后他回到第二物理研究所。1920年移居耶拿,擔任m.維恩的物理實驗室的助手。

1925年底到1926年初,薛定諤在a.愛因斯坦關于單原子理想氣體的量子理論和l.v.德布羅意的物質波假說的啟發下,從經典力學和幾何光學間的類比,提出了對應于波動光學的波動力學方程,奠定了波動力學的基礎。他最初試圖建立一個相對論性理論,得出了后來稱之為克萊因—戈登方程(見場方程)的波動方程,但由于當時還不知道電子有自旋,所以在關于氫原子光譜的精細結構的理論上與實驗數據不符。

以后他又改用非相對論性波動方程──以后人們稱之為薛定諤方程──來處理電子,得出了與實驗數據相符的結果。1926年1~6月,他一連發表了四篇論文,題目都是《量子化就是本征值問題》,系統地闡明了波動力學理論。

在此以前,德國物理學家w.k.海森堡、m.玻恩和e.p.約旦于1925年7~9月通過另一途徑建立了矩陣力學。1926年3月,薛定諤發現波動力學和矩陣力學在數學上是等價的,是量子力學的兩種形式,可以通過數學變換,從一個理論轉到另一個理論。

薛定諤起初試圖把波函數解釋為三維空間中的振動,把振幅解釋為電荷密度,把粒子解釋為波包。但他無法解決波包擴散的困難。最后物理學界普遍接受了玻恩提出的波函數的幾率解釋。
1927年~1933 年接替 m.普朗克 ,任柏林大學物理系主任。因納粹迫害猶太人,1933年離德到澳大利亞、英國、意大利等地。
 ; ; ; 1939年轉到愛爾蘭,在都柏林高級研究所工作了17年。1956年回維也納,任維也納大學榮譽教授。

1924年,l.v.德布羅意提出了微觀粒子具有波粒二象性,即不僅具有粒子性,同時也具有波動性。在此基礎上,1926年薛定諤提出用波動方程描述微觀粒子運動狀態的理論,后稱薛定諤方程,奠定了波動力學的基礎,因而與p.a.m.狄拉克共獲1933 年諾貝爾物理學獎。

1944年,薛定諤著《生命是什么》一書,試圖用熱力學、量子力學和化學理論來解釋生命的本性。這本書使許多青年物理學家開始注意生命科學中提出的問題,引導人們用物理學、化學方法去研究生命的本性,使薛定諤成為蓬勃發展的分子生物學的先驅。

1956年,薛定諤返回維也納大學物理研究所,獲得奧地利政府頒發的第一屆薛定諤獎。1957年他一度病危。1961年1月4日,他在奧地利的阿爾卑巴赫山村病逝。

有一天,薛定諤就這一奇特現象作了一個講座。他受到了一位物理學家同行彼得德拜(peter debye)的挑戰,他問薛定諤:如果電子是用波來描述的,那么它們的波動方程是什么?

自從牛頓創造了微積分,物理學家們得以用微分方程描述波,因此薛定諤將德拜的問題——寫出微分方程當成一項挑戰。那個月薛定諤外出度假,當回來的時候他已經寫出了方程。正如在他之前的麥克斯韋采用法拉第的力場,提煉出了光的麥克斯韋方程;薛定諤采用德布羅意的物質波,提煉出了光子的薛定諤方程。

作為一名科學家,薛定諤確實有其獨特不群之處。簡單說來,可關注的至少有三點:首先是他的人格形象。不同于一般的,或者說圖式化的科學家形象,據穆爾的傳記看來,此公似乎是一位性情中人,或者說一位多情種子,畢生陷于戀情的漩渦與糾葛中。

不計青少年時期的情竇初開和數次情感遭遇,即使在33歲那年成婚后,他仍然是激情充溢,外遇不斷,其對象既有已婚的研究助手的妻子,也有年方二八的他曾輔導過數學的女中學生,既有聞名遐邇的演員和藝術家,也有年輕的政府職員,而這種浪漫風流一直持續到年逾花甲,并且有不止一個非婚生的孩子。對于每一段情感履歷,他都非常投入,并為此創作了不少纏綿的情詩。

但奇怪的是,生活在維也納和都柏林這樣宗教色彩很濃的地方,他竟然能全然不顧忌傳統禮數,認為這是他個人的自由,甚至設想過一妻一妾的生活;而同樣令人稱奇的是,他與其元配安妮的婚姻歷經這種種事端,竟然能白頭到老,而且安妮還親自照料了他非婚生孩子的嬰兒期。或許這與安妮自己沒有孩子不無關系,但即便如此,這種薛定諤式的愛情,這樣的家庭關系,與我們頭腦中的科學家形象,恐怕還是會有很大反差,相去甚遠的。 

另一段說明此公慣于我行我素的軼事,是盡管他一貫遠離政治,保持距離,但在奧地利格拉茨大學任教時,迫于親納粹當局的壓力,曾發表聲明對自己以往的不敬行為表示懺悔,結果在當地報紙和《自然》雜志上都刊出了他向納粹妥協的消息。

但當終于逃到英國,面對其他人的問詢時,他卻又不屑于為自己的行為作任何辯解,認為這純屬他個人的自由,無須為此權宜之計而內疚,反倒令其他科學家頗為尷尬。而在五年前,也同樣是他,在納粹剛剛上臺,開始刁難驅逐猶太科學家之時,因不愿與納粹同流合污,主動辭去了柏林大學理論物理學教授的職位,而為其他科學家所贊賞,因為按照他的雅利安血統,宗教背景和普朗克繼承人的學術地位,他當時是完全可以自保其身的。顯然,在這種豐富復雜的性格形象面前,通常的政治標簽似乎是顯得過于蒼白簡單了。

其人其事如此,其科學上的成就也不乏獨特之處。薛定諤于1926年提出其波動方程時已39歲,比起量子力學史上的其他英雄們,可謂是大器晚成(發表他們的第一篇成名論文時,愛因斯坦26歲,玻爾28歲,海森伯24歲,泡利25歲,狄拉克24歲,約當23歲,烏倫貝克和戈德斯密特分別為25和23歲),在這一點上,他倒是與其柏林大學的前任普朗克不無相似。

據說他的這種創造性的激情,恰恰來自圣誕節假期中與情人的幽會,且一發而不可收,在短短不到五個月時間里,一連發表了六篇論文,不僅建立起波動力學的完整框架,系統地回答了當時已知的實驗現象,而且證明了波動力學與海森伯矩陣力學在數學上是等價的[狄拉克也證明了],令整個物理學界為之震驚。

頗有諷刺意味的是,盡管為革命性的量子力學作出了基礎性的貢獻,薛定諤本人的初衷卻是恢復微觀現象的經典解釋;而更令人稱絕的是,薛定諤本人坦承他的科學工作,常常并非是獨創性的,但他總能敏銳地抓住一些始作甬者的創新性觀念,加以系統的構建和發揮,從而構成第一流的理論:波動力學來自德布洛意,《生命是什么》來自玻爾和德爾布呂克,而薛定諤的貓則來自愛因斯坦。

今天,量子力學已成為整個理論物理學和高科技的基礎,從粒子物理和場論,到激光,超導和計算機。格利賓的書對量子力學的歷史發展和應用作了相當通俗形象的描述。但如何解釋和理解量子力學的成果,卻至今依然是學界,尤其是科學哲學上的熱門話題。愛因斯坦和玻爾為之爭論了一輩子,薛定諤的貓則被愛因斯坦認為是最好地揭示了量子力學的通用解釋的悖謬性。

其大意是:在一個封閉的盒子里裝有一只貓和一個與放射性物質相連的釋放裝置。在一段時間之后,放射性物質有可能發生原子衰變,通過繼電器觸發釋放裝置,放出毒氣,也有可能不發生衰變,因此依據常識,這只貓或是死的,或是活的。

而依據量子力學中通用的解釋,波包塌縮依賴于觀察,在觀察之前,這只貓應處于不死不活的迭加態,這顯然有悖于人們的常識,從而凸顯出這種解釋的困境。為擺脫這種困境,人們設想出了種種方案,但似乎并不能填平這種常識與微觀特異性之間的鴻溝。例如格利賓本人所贊成的多世界解釋,認為貓死與貓活這兩種結果分屬兩個獨立平行且真實存在的世界,是我們的觀察行為選擇了其中之一為我們的世界。這似乎不僅沒有消除,反倒是增加了人們的困惑。

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