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第29章 薛定谔方程的发现

和20世纪来临相伴随的是一场深刻的物理学革命。从此,古典物理学让位于现代物理学。现代物理学的基础和框架是什么呢?是量子力学。量子力学发端于爱因斯坦的相对论和普朗克的量子论,继之以玻尔的原子结构论,完成于20年代中期的薛定谔方程。普朗克称薛定谔方程“奠定了现代量子力学的基础”。

薛定谔(1887~1961),奥地利物理学家,为发展量子力学作出了重大的贡献,因建立描述电子和其他亚原粒子的运动状态的波动方式,而与狄拉克共获1933年诺贝尔物理学奖。他是怎样创造出“奠定现代量子力学基础”的方程式的呢?在科技高度发展的现代,薛定谔仍是物理学出版刊物中出现频率颇高的学者,他推开了波动力学的大门。

薛氏1887年8月12日出生于维也纳一个手工业者家庭。老薛定谔是一个文质彬彬的绅士,他受过多种教育,热爱自然科学和艺术,有深厚的文化修养,幼年的薛定谔受到父亲的深刻影响。

薛定谔只进过一次小学的校门,时间不足两个月,他的启蒙教育主要是由家庭教师和父亲担任。儿童时代的薛定谔就能流畅地使用英语等多种语言,11岁时,薛定谔进入了维也纳高等专科学校的预科。这时的薛定谔已经偏重于发展对自然科学的兴趣与爱好,表面上他是一个各方面都无可挑剔的好学生,内心里却只偏爱数学和物理。最终,这名一直受到各科老师宠爱的学生,进入维也纳大学物理学院。在那里有著名的物理学家哈泽诺尔和实验物理学家埃克斯纳。

1910年,薛定谔在哈泽诺尔指导下,获得了博士学位。毕业后他幸运地留校担任埃克斯纳的助手。在这一时期,薛定谔受到了实验科学方面的严格训练,获得国家科学的大奖。哈泽诺尔和埃克斯纳终于把薛定谔铸造成了一位新的科学大师,就像他们的老师玻尔兹曼一样。

经过几次调动后,薛定谔最后落脚在瑞士风光美丽的旅游城市苏黎世,他的生命交响乐中最辉煌的主旋律开始了。但是温馨恬静的苏黎世,并没有成为科学家的世外桃源,物理学的黑色风暴开始席卷整个欧洲。

当卢瑟福发现原子结构以后,1913年他的学生玻尔把量子论与经典电磁理论结合,成功地提出了原子结构的量子理论,特别是用轨道量子化比较理想地解释了实验现象。

“玻尔理论是量子理论发展的一座里程碑,后来,德国物理学家海森堡等人从原子光谱数据的内在联系出发,建立了描述微观粒子状态的矩阵力学,才突破了理论上的旧格局。

薛定谔主要是在第一次世界大战后开始关心原子结构问题的,他对玻尔的理论很不满意。他一方面应用玻尔量子论从事研究,一方面试图发展它、突破它。从1919~1923年,薛定谔涉足了原子结构的几乎所有领域,取得了一系列扫清外围障碍式的科研成果。他坚持认为,玻尔理论应作为某种本征值问题自然导出,但却苦于无法找到适当的突破口。

1924年,法国物理学家德布罗意的波粒二象理论,为薛定谔建立波动力学打开了第一扇大门。而爱因斯坦从德布罗意的理论中悟出了真理,并发表了关于理想气体量子统计的论文,这引起了薛定谔的注意。

从1926年1月26日到6月22日,薛定谔接连发表了6篇关于量子力学的论文,这些论文融玻尔理论、海森堡矩阵力学、哈密顿相似关系和德布罗意波理论为一炉,从而使波动力学成为一个有效的完整体系。

怎样描述原子内部电子运动的状况,从汤姆逊发现阴极射线粒子流即电子以后,一直困扰着物理学家。现在问题解决了,了解电子的运动状况,只要用薛定谔方程就可以解出。薛定谔方程对于核外电子的运动,如同牛顿三定律对于宏观物体的运动一样。这就是薛定谔方程的地位。

波动力学的问世,在物理学界引起了轰动,受到大多数物理学家的赞赏并得到广泛运用。它不像矩阵力学那样遭人冷遇,因为波动力学采用的是经典理论常用的偏微分方程描述方法和易于理解的概念,这是大多数物理学家所熟悉的。

薛定谔晚年一直致力于用量子力学来促使生物学和物理学的统一研究,用波动力学的最新成就和方法分析生命现象。1944年,薛定谔的《生命是什么》一书出版。这本不足100页的小册子在科学界再次引起了“薛定谔轰动”,极大地推动了量子生物学的发展。

《生命是什么》一书引起的轰动,不亚于18年前的波动力学方程的建立。作为量子力学创始人之一的薛定谔,提出用热力学和量子力学研究生命的本质,预告了生物学革命新时代的黎明。《生命是什么》的出版很快吸引了一大批年轻物理学家进入这个充满胜利希望的前沿阵地。