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【疯狂物理学家】薛定谔:情圣的意外之旅,电子或可能是一团云?
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这是【疯狂的智人】第 071 篇文章
疯狂的物理学家】第 030 篇文章

1887年,埃尔温·薛定谔出生于奥地利维也纳附近的埃德伯格。

薛定谔的父亲是一位业余的植物学家和擅长画风景的画家,虽然继承了家族生意,但似乎并不感冒。他的母亲是一位从事研究工作的化学家的小女儿,性格开朗。薛定谔从小被家里的女性长辈围绕,被宠爱。这可能让他从小就摸透了女人的心思,成为了物理学界有史以来的大情圣,牛顿不服也不行。

薛定谔长大后一表人才,有教养,非常帅气,很有女人缘。

1922年春天,34岁的薛定谔患上了结核病,于是他和妻子安妮一起带着一名维也纳厨师,前往位于达沃斯附近的阿罗萨,在阿尔卑斯山脉疗养胜地隐居。

1925年,薛定谔这年37岁,算是一个中年大叔了,但他算是一个晚成的人,当时他在瑞士苏黎世大学。有一天,同事德拜将之前德布罗意的论文交给了薛定谔,想让他去研究一下,然后给大家做一个报告。

结果,薛定谔对此来了兴趣,他在读了德布罗意的论文后,决定把它用到原子体系的描述中去,一开始,他想从建立在相对论基础上的德布罗意方程出发,结果不太令人满意。于是,他又换了其他方法,最终提出了量子力学的波动方程。(薛定谔方程是他在和情人幽会的过程中弄出来的)

从1926年1月-6月,薛定谔一连发表了四篇论文,从而彻底地建立了另一种全新的力学体系——波动力学。结果,海森堡对此却很反感,对这种解释很不满意。海森堡称薛定谔的方程是毫无意义的,纯粹就是骗子。

薛定谔也毫不客气,说:“我的理论是从德布罗意那里获得的灵感,我不知道它和海森堡有任何继承上的关系。我知道海森堡的理论,它是一种缺乏形象化的,非常困难的超级代数方法。”

海森堡的矩阵力学和薛定谔的波动力学看上去像是互为对立的敌人一样,要抢夺量子力学的话语权,究竟谁是对的,谁是错的呢?

实际上,两种玩意儿在数学上来说是完全等价的,其中矩阵力学是从粒子的运动方程出发,另一个则是从波动方程出发,所谓殊途同归,最终都表现的是一个东西。(冯·诺依曼在量子力学中也有贡献,他加固了量子力学的数学基础)

很快,大家算出来了,从矩阵出发,可以推导出波动函数,从波动函数出发,可以推导出矩阵。话虽如此,但事情还没有结束,薛定谔与海森堡就是谁也不服谁。

波粒战争第三阶段的最后时刻,也从薛定谔与海森堡的对阵中迎来了一个新的高潮。

薛定谔方程的解被称为“波函数”,用来描述某个给定量子实体的状态或情况。波函数用希腊字母ψ来表示。

薛定谔认为,这个波函数是一个空间分布函数,他说:“当它和电子的电荷相乘时,就代表了电荷在空间中的实际分布,就像云彩,各位,电子不是一个粒子,而是一团波,像云彩一样在空间四周扩展开来……”

玻恩将波函数比作潘多拉的盒子,似乎,从这个盒子里面冒出来的东西,有着摧毁一切的力量,但是,谁也不知道这里面究竟是什么,就像是…骰子…

当时很多人都将目光放在了薛定谔的方程上,这让海森堡很不服气,他写信给自己的老师玻尔,就像一个在外面受伤的孩子求安慰一样,在信中把矩阵力学跟薛定谔波动力学之间有啥矛盾之处,薛定谔对粒子的理解等问题,全跟玻尔说了。

玻尔不仅没有帮着海森堡反对薛定谔,反而对薛定谔来了兴趣,于是就写信邀请薛定谔来一趟哥本哈根。

这一次哥本哈根之旅,对于薛定谔来讲,是一场“灾难”。

玻尔是一个话痨,一见到薛定谔就喋喋不休,问个不停。几天之后,薛定谔扛不住了,病倒了,玻尔的妻子负责照顾薛定谔,玻尔也坐在床边,依旧问个不停。好在玻尔的妻子将玻尔拉走了,才使得薛定谔得到了片刻的清净。

玻尔对于薛定谔的方程非常好奇,薛定谔指出量子跃迁完全无法理解,在原子内部移动的电子是如何做出这种不连续跳跃的呢?

“这种跳跃应该是逐渐的还是在瞬间完成的?”薛定谔问道,“如果是逐渐的,电子轨道的频率和能量也必须逐渐变化。但在这种情况下,你如何解释细细的谱线始终不变?另一方面,如果跳跃是在瞬间完成的……那么我们必须要问自己一个问题,跳跃期间电子会如何行为?为什么它不像电磁理论所指出的那样发射连续的光谱?在跳跃过程中,是哪些定律在主宰电子的运动?换言之,量子跃迁的整个想法纯属幻想。”

“我只想知道原子内部会发生什么。我不太介意你选择用什么语言来讨论它。”薛定谔说道。

1926年,玻恩将“骰子”引入了量子力学的世界,这几乎将整个物理学家都炸了,因为骰子是什么,是不确定性,是随机,这怎么可以呢?难道物理学可以容忍这种不确定的玩意吗?

玻恩继续指出,波函数的平方,代表了电子在某个地方出现的“概率”,电子本身不会像波那样扩展出去,但是它的出现概率则像是…一个波…量子世界,不是一个确定的世界,而是一个概率的世界!

这也就是说,号称科学的物理,竟然都不能预测电子的行为,它只能找到电子出现的概率。玻恩继续解释,就算我们把电子的初始状态测量得精确无误,就算我们拥有最强大的计算机可以计算一切环境对电子的影响,可是即便如此,我们也不能预言电子最后的准确位置。

薛定谔非常不喜欢玻恩的解释,在他眼里,电子就是波,一切都是波。所谓一个个的电子,无非就是电荷在空间中分布地不均匀,波函数所展现出来的,只是电荷的密度而已。电子看上去是个粒子,其实它是个波,对于波这个东西来讲,那是连续的、无处不在的。你看到的电子,不过是因为电荷比较集中,在这里聚成一坨而已。(所以有人说,薛定谔不懂薛定谔方程)

1927年,第五届索尔维会议召开,爱因斯坦默不作声,薛定谔和德布罗意一伙,玻恩、玻尔和海森堡一伙,互相吵个没完,作为主席的洛伦兹尽管德高望重,但在会议的后几天也控制不住局势,而且,他非常不喜欢量子力学。

▲ 点击链接查看【十大悖论·薛定谔的猫】

此战之后,哥本哈根学派获得了更广泛的接受和认可。

三年后,1930年,第六届索尔维会议召开,玻尔又再次战胜了爱因斯坦。随后不久,纳粹在德国逐渐冒出了头,大家纷纷逃离。1933年2月,柏林的国会大厦着火,薛定谔虽然不是犹太人,没有遭到迫害,但也放弃了高薪工作,离开了德国,去了英国的牛津大学。

在英国期间,薛定谔于1944年写了《生命是什么》一书,说生命在于“负熵”,就是热力学里面的熵。这本书对后来不少搞分子生物学的人都有巨大影响。战争时期培养的大批理工科人才,战后显得有些过剩,不少人受到薛定谔的感召,转行投身生物学领域。某种程度上,薛定谔可以说是分子生物学的先驱。

一直到1956年,薛定谔才返回维也纳,任维也纳大学物理研究所荣誉教授。

1961年1月4日,薛定谔因肺结核而去世,享年75岁。在他的墓碑上,刻着他的薛定谔方程。

关于薛定谔的情史,这里就不多说了,他和妻子都有外遇,妻子的外遇是薛定谔的朋友,是一位数学家,薛定谔方程也得到了这位数学家朋友的帮助。这对夫妻对于另一半在外面有人的事,都心知肚明。据说在临死前,薛定谔的妻子握着丈夫的手说:“我原谅你了。”

下期:狄拉克

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