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埃尔温·薛定谔

Schrödinger

埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger,1887年8月12日~1961 年1月4日),奥地利物理学家。概率波动力学的创始人。1887年8月12日生于维也纳,1961 年1 月4日卒于奥地利的阿尔卑巴赫山村。1906 年入维也纳大学物理系学习。1910年获博士学位。毕业后,在维也纳大学第二物理研究所工作,直到1920年以前主要在维也纳大学任教,1921~1927年在苏黎世大学任教,开头几年,他主要研究有关热学的统计理论问题,写出了有关气体和反应动力学、振动、点阵振动(及其对内能的贡献)的热力学以及统计等方面的论文。他还研究过色觉理论,他对有关红绿色盲和蓝黄色盲频率之间的关系的解释为生理学家们所接受。1933年和英国物理学家狄拉克共同获得了诺贝尔物理学奖,被称为量子物理学之父。

 

人物生平

 

薛定谔(1887~1961)(德文:Erwin Schrödinger; 英文通常写作Erwin Schrodinger)

薛定谔1887年出生在奥地利维也纳附近的埃德伯格,1898年进入了文理高中,从1906年至1910年在维也纳大学学习物理与数学并在1910年取得博士学位。此后在维也纳物理研究所工作,他当时的同事包括弗兰茨·瑟拉芬·埃克斯纳(Franz Serafin Exner),弗雷德里希·哈瑟诺尔(Friedrich Hasenöhrl)和柯劳什(Kohlrausch)。在大学期间薛定谔还同园艺家弗朗茨·弗利摩尔(Franz Frimmel)保持了很深密的友谊。

薛定谔参加了第一次世界大战,此后在耶拿大学、斯图加特大学、布雷斯劳大学和苏黎世大学教书。特别是在苏黎世大学他所担任的理论物理学的教授以前曾由爱因斯坦和马克思·冯·劳恩担任过。在这里他提出了著名的薛定谔方程,创立了波动力学学说用以来描述量子力学。

1920年4月6日他同安娜玛丽·贝特尔(Annemarie Bertel)结婚。1927年薛定谔迁往柏林,接替马克斯·普朗克在洪堡大学担任理论物理学教授,并成为了普鲁士科学院院士。在那里他感受到了自由进行科学研究的浓厚气氛。当时在柏林汇聚了世界顶尖的物理学家,比如他的同事维克托·维斯科普夫。在纳粹党1933年夺取政权后,薛定谔决定离开德国移居英国牛津,在马格达伦学院担任访问学者,同年他获得了诺贝尔物理学奖。

1936年他返回奥地利并在格拉茨的卡尔·弗朗岑斯大学任教。1938年薛定谔由于德奥并合而离开奥地利并迁往爱尔兰都柏林,在那里他于1940年建立了理论物理学院并一直担任主任。

除了量子力学之外,1944年著有“生命是什么?”(What is Life?)。发现DNA双螺旋的瓦森(James D. Watson)与克里克 (Francis Crick)表示受薛定谔影响颇深。

1956年薛定谔返回维也纳,在维也纳大学理论物理研究所教学直到去世。当他参加完在阿尔卑包赫村(Alpbach)举行的高校活动后,由于当地风景优美而决定死后葬在此地。薛定谔因患肺结核在1961年1月4日病逝于维也纳,死后如愿被埋在了阿尔卑包赫村,他的墓碑上刻着以他命名的薛定谔方程。

Schrödinger

 

科学探索

 

1913年与R.W.F.科尔劳施合写了关于大气中镭 A(即Po)含量测定的实验物理论文,为此获得了奥地利帝国科学院的海廷格奖金。第一次世界大战期间,他服役于一个偏僻的炮兵要塞,利用闲暇研究理论物理学。战后他回到第二物理研究所。1920年移居耶拿,担任M.维恩的物理实验室的助手。

1925年底到1926年初,薛定谔在A.爱因斯坦关于单原子理想气体的量子理论和L.V.德布罗意的物质波假说的启发下,从经典力学和几何光学间的类比,提出了对应于波动光学的波动力学方程,奠定了波动力学的基础。他最初试图建立一个相对论性理论,得出了后来称之为克莱因—戈登方程(见场方程)的波动方程,但由于当时还不知道电子有自旋,所以在关于氢原子光谱的精细结构的理论上与实验数据不符。以后他又改用非相对论性波动方程──以后人们称之为薛定谔方程──来处理电子,得出了与实验数据相符的结果。1926年1~6月,他一连发表了四篇论文,题目都是《量子化就是本征值问题》,系统地阐明了波动力学理论。

在此以前,德国物理学家W.K.海森堡、M.玻尔和E.P.约旦于1925年7~9月通过另一途径建立了矩阵力学。1926年3月,薛定谔发现波动力学和矩阵力学在数学上是等价的,是量子力学的两种形式,可以通过数学变换,从一个理论转到另一个理论。

薛定谔起初试图把波函数 解释为三维空间中的振动振幅,把解释为电荷密度,把粒子解释为波包。但他无法解决“波包扩散”的困难。最后物理学界普遍接受了玻恩提出的波函数的几率解释。

1927~1933 年接替 M.普朗克 ,任柏林大学物理系主任。因纳粹迫害犹太人,1933年离德到澳大利亚、英国、意大利等地。1939年转到爱尔兰,在都柏林高级研究所工作了17年。1956年回维也纳,任维也纳大学荣誉教授。1924年,L.V.德布罗意提出了微观粒子具有波粒二象性,即不仅具有粒子性,同时也具有波动性。在此基础上,1926年薛定谔提出用波动方程描述微观粒子运动状态的理论,后称薛定谔方程,奠定了波动力学的基础,因而与P.A.M.狄拉克共获1933 年诺贝尔物理学奖 。1944年 ,薛定谔著《生命是什么》一书,试图用热力学、量子力学和化学理论来解释生命的本性。这本书使许多青年物理学家开始注意生命科学中提出的问题,引导人们用物理学、化学方法去研究生命的本性,使薛定谔成为蓬勃发展的分子生物学的先驱。

薛定谔在1935年发表了一篇论文,题为《量子力学的现状》,在这篇论文中,他发表了著名的薛定谔猫猜想,为量子力学的发展作出了贡献。

在后期,薛定谔研究有关波动力学的应用及统计诠释,新统计力学的数学特征以及它与通常的统计力学的关系等问题。他还探讨了有关广义相对论的问题,并对波场做相对论性的处理。此外,他还写出了有关宇宙学问题的一些论著。与爱因斯坦一样,薛定谔在晚年特别热衷的是把爱因斯坦的引力理论推广为一个统一场论,但也没有取得成功。

薛定谔对哲学有浓厚的兴趣。早在第一次世界大战期间,他就深入研究过B·斯宾诺莎、A·叔本华、E·马赫、R·西蒙、R·阿芬那留斯等人的哲学著作。晚年,他致力于物理学基础和有关哲学问题的研究,写了《科学和人文主义——当代的物理学》(英文版,1951)等哲学性著作。

薛定谔1887年出生于奥地利的维也纳,1906年进入维也纳大学物理系学习,1910年取得博士学位,在维也纳大学第二物理研究所工作。1921年任瑞士苏黎世大学数学物理学教授。1926年,薛定谔证明波动力学与矩阵力学在数学上是等价的。1927年接替普朗克到柏林大学担任理论物理学教授,并成为普鲁士科学院院士。1933年,因纳粹迫害,薛定谔移居英国牛津,在马格达伦学院任访问教授。同年与狄拉克共同获得诺贝尔物理学奖。薛定谔晚年定居在爱尔兰。1956年,薛定谔返回维也纳大学物理研究所,获得奥地利政府颁发的第一届薛定谔奖。1957年他一度病危。1961年1月4日,他在奥地利的阿尔卑巴赫山村病逝。 Schrödinger

 

趣闻轶事

 

遭遇挑战

 

有一天,薛定谔就这一奇特现象作了一个讲座。他受到了一位物理学家同行彼得·德拜(Peter Debye)的挑战,他问薛定谔:如果电子是用波来描述的,那么它们的波动方程是什么?

Schrödinger

 

写出方程

 

自从牛顿创造了微积分,物理学家们得以用微分方程描述波,因此薛定谔将德拜的问题——写出微分方程当成一项挑战。那个月薛定谔外出度假,当回来的时候他已经写出了方程。正如在他之前的麦克斯韦采用法拉第的力场,提炼出了光的麦克斯韦方程;薛定谔采用德布罗意的物质波,提炼出了光子的薛定谔方程。

 

浪漫故事

 

科学史家们作了些努力,试图搜索出薛定谔发现永久改变现代物理学和化学面貌的方程时究竟做了什么。显然,薛定谔是自由之爱的信奉者,并且一直由情人们或者他的妻子陪伴着度假。他甚至保留有一份关于他所有为数众多的情人们的详细日记存档,对每一次相会都精心作了编码。历史学家现在认为,在他发现方程的那个星期,他与他的一位女友住在阿尔卑斯山的赫维格别墅。

薛定谔

 

薛定谔的女朋友

 

杨振宁曾表示,他不曾当面见过薛定谔,据说薛定谔有很多情妇,且乐于让人知道,此举不见容于普林斯顿。他有不少私生子。薛定谔赴英国牛津大学任教时,要求牛津大学聘任亚瑟·马胥(Arthur March)为其助理,因为薛定谔爱上了马胥之妻希尔妲(Hilde)。希尔妲曾为薛定谔产下一女。薛定谔也和两名爱尔兰籍女子有私生子。他的妻子安妮也和薛定谔的朋友赫尔曼威尔(hermann weyl)有暧昧的关系。2001年11月,剧作家Matthew Wells的作品《薛定谔的女朋友》(Schrodinger's Girlfriends)在旧金山著名的Fort Mason Center首演。《薛定谔的女朋友》说:“到底是波-粒子的二象性难一点呢,还是老婆-情人的二象性更难?”

薛定谔

 

性情中人

 

作为一名科学家,薛定谔确实有其独特不群之处。简单说来,可关注的至少有三点:首先是他的人格形象。不同于一般的,或者说图式化的科学家形象,据穆尔的传记看来,此公似乎是一位性情中人,或者说一位多情种子,毕生陷于恋情的漩涡与纠葛中。不计青少年时期的情窦初开和数次情感遭遇,即使在33岁那年成婚后,他仍然是激情充溢,外遇不断,其对象既有已婚的研究助手的妻子,也有年方二八的他曾辅导过数学的女中学生,既有闻名遐迩的演员和艺术家,也有年轻的政府职员,而这种浪漫风流一直持续到年逾花甲,并且有不止一个非婚生的孩子。对于每一段情感履历,他都非常投入,并为此创作了不少缠绵的情诗。但奇怪的是,生活在维也纳和都柏林这样宗教色彩很浓的地方,他竟然能全然不顾忌传统礼数,认为这是他个人的自由,甚至设想过一妻一妾的生活;而同样令人称奇的是,他与其元配安妮的婚姻历经这种种事端,竟然能白头到老,而且安妮还亲自照料了他非婚生孩子的婴儿期。或许这与安妮自己没有孩子不无关系,但即便如此,这种薛定谔式的爱情,这样的家庭关系,与我们头脑中的科学家形象,恐怕还是会有很大反差,相去甚远的。 另一段说明此公惯于我行我素的轶事,是尽管他一贯远离政治,保持距离,但在奥地利格拉茨大学任教时,迫于亲纳粹当局的压力,曾发表声明对自己以往的“不敬”行为表示“忏悔”,结果在当地报纸和《自然》杂志上都刊出了他向纳粹妥协的消息。但当终于逃到英国,面对其他人的问询时,他却又不屑于为自己的行为作任何辩解,认为这纯属他个人的自由,无须为此权宜之计而内疚,反倒令其他科学家颇为尴尬。而在五年前,也同样是他,在纳粹刚刚上台,开始刁难驱逐犹太科学家之时,因不愿与纳粹同流合污,主动辞去了柏林大学理论物理学教授的职位,而为其他科学家所赞赏,因为按照他的雅利安血统,宗教背景和普朗克继承人的学术地位,他当时是完全可以自保其身的。显然,在这种丰富复杂的性格形象面前,通常的政治标签似乎是显得过于苍白简单了。

薛定谔

 

独到的贡献

 

其人其事如此,其科学上的成就也不乏独特之处。薛定谔于1926年提出其波动方程时已39岁,比起量子力学史上的其他英雄们,可谓是大器晚成(发表他们的第一篇成名论文时,爱因斯坦26岁,玻尔28岁,海森伯24岁,泡利25岁,狄拉克24岁,约当23岁,乌伦贝克和戈德斯密特分别为25和23岁),在这一点上,他倒是与其柏林大学的前任普朗克不无相似。据说他的这种创造性的激情,恰恰来自圣诞节假期中与情人的幽会,且一发而不可收,在短短不到五个月时间里,一连发表了六篇论文,不仅建立起波动力学的完整框架,系统地回答了当时已知的实验现象,而且证明了波动力学与海森伯矩阵力学在数学上是等价的[狄拉克也证明了],令整个物理学界为之震惊。颇有讽刺意味的是,尽管为革命性的量子力学作出了基础性的贡献,薛定谔本人的初衷却是恢复微观现象的经典解释;而更令人称绝的是,薛定谔本人坦承他的科学工作,常常并非是独创性的,但他总能敏锐地抓住一些始作甬者的创新性观念,加以系统的构建和发挥,从而构成第一流的理论:波动力学来自德布洛意,《生命是什么》来自玻尔和德尔布吕克,而“薛定谔的猫”则来自爱因斯坦。

今天,量子力学已成为整个理论物理学和高科技的基础,从粒子物理和场论,到激光,超导和计算机。格利宾的书对量子力学的历史发展和应用作了相当通俗形象的描述。但如何解释和理解量子力学的成果,却至今依然是学界,尤其是科学哲学上的热门话题。爱因斯坦和玻尔为之争论了一辈子,“薛定谔的猫”则被爱因斯坦认为是最好地揭示了量子力学的通用解释的悖谬性。其大意是:在一个封闭的盒子里装有一只猫和一个与放射性物质相连的释放装置。在一段时间之后,放射性物质有可能发生原子衰变,通过继电器触发释放装置,放出毒气,也有可能不发生衰变,因此依据常识,这只猫或是死的,或是活的。而依据量子力学中通用的解释,波包塌缩依赖于观察,在观察之前,这只猫应处于不死不活的迭加态,这显然有悖于人们的常识,从而凸显出这种解释的困境。为摆脱这种困境,人们设想出了种种方案,但似乎并不能填平这种常识与微观特异性之间的鸿沟。例如格利宾本人所赞成的多世界解释,认为猫死与猫活这两种结果分属两个独立平行且真实存在的世界,是我们的观察行为选择了其中之一为我们的世界。这似乎不仅没有消除,反倒是增加了人们的困惑。

薛定谔的猫悖论

丰富的思想从薛定谔的“猫悖论”,引出了我们对于他的第三点关注:他的丰富的哲学思想。“猫悖论”反映出在科学哲学层面上,他反对哥本哈根学派,试图用连续的波动图象,重建对微观对象的经典理解,当然,他的尝试并不成功;而在更抽象的形上层次,他则从叔本华那儿接受了古印度的吠檀多哲学,并从这种信仰中去追求自然的统一,追求自我与宇宙精神的统一。他曾先后写作了《生命是什么》《科学与人文主义》,《大自然与希腊人》,《科学理论与人》,《心与物》,《我的世界观》和死后出版的《自然规律是什么》等哲学论著和文集,甚至一度设想过在教书之余,以哲学为主要兴趣,以至于被当代著名物理学家西蒙尼认为“是我们世纪的物理学家中最为引人注目的哲学家”。这样的科学家形象,与当代职业科学家的技术化,工匠化,商业化和平面化趋势相比较,是否也会给我们若干启示呢? 现在的社会就需要我们不断的探索新事物,从而发现更高层次的理论,以更好的建立物理理论大厦。

薛定谔的肖像曾经印在奥地利1000先令的钞票上

 

成果及荣誉

 

1926年他提出著名的薛定谔方程,为量子力学奠定了坚实的基础。方程的提出只是稍晚于沃纳·海森堡的矩阵力学学说,此方程至今仍被认为是绝对的标准,它使用了物理学上所通用的语言即微分方程。这使薛定谔一举成名,他还在同年证明了自己的波动力学是与海森堡和玻恩的矩阵力学在数学上是等价的。

1937年被授予马克斯·普朗克奖章。

1944年薛定谔出版了《生命是什么》,此书中提出了负熵(Negentropie)的概念。他自己发展了分子生物学,想通过用物理的语言来描述生物学中的课题。他还发表了许多的科普论文,它们至今仍然是进入到广义相对论和统计力学的世界的最好向导。

最著名的思想实验是薛定谔的猫,在这个试验中他把量子力学中的反直观的效果转嫁到日常生活中的事物上来,并想以此来表达他对想要用一般的统计学说来解释量子物理的拒绝。

此外薛定谔还发表了50余本著作涉及到不同的题目,还进行了统一的语义场论的努力。

《生命是什么》

 

主要作品

 

薛定谔曾先后写作了《生命是什么》《科学与人文主义》,《大自然与希腊人》,《科学理论与人》,《心与物》,《我的世界观》和死后出版的《自然规律是什么》等哲学论著和文集,甚至一度设想过在教书之余,以哲学为主要兴趣,以至于被当代著名物理学家西蒙尼认为“是我们世纪的物理学家中最为引人注目的哲学家”。

《薛定谔讲演录》

 

膜上的四维量子力学诠释

 

类似10维或11维的“弦论”=振动的弦、震荡中的象弦一样的微小物体。

霍金膜上四维世界的量子理论的近代诠释(邓宇等,80年代):

相关书籍(8张)振动的量子(波动的量子=量子诡波)=平动微粒子的振动;振动的微粒子;震荡中的象量子(粒子)一样的微小物体。

波动量子=量子的波动=微粒子的平动+振动

=平动+振动

=矢量和

量子诡波的DENG'S诠释:微粒子(量子)平动与振动的矢量和

《自然与希腊》

 

社会评价

 

作为一位科学家,薛定谔确实有其独特不群之处。简单说来,可关注的至少有三点:

 

人格形象

 

不同于一般的,或者说图式化的科学家形象,据穆尔的传记看来,此公似乎是一位性情中人,或者说一位多情种子,毕生陷于恋情的漩涡与纠葛中。不计青少年时期的情窦初开和数次情感遭遇,即使在33岁那年成婚后,他仍然是激情充溢,外遇不断,其对象既有已婚的研究助手的妻子,也有年方二八的他曾辅导过数学的女中学生,既有闻名遐迩的演员和艺术家,也有年轻的政府职员,而这种浪漫风流一直持续到年逾花甲,并且有不止一个非婚生的孩子。对于每一段情感履历,他都非常投入,并为此创作了不少缠绵的情诗。但奇怪的是,生活在维也纳和都柏林这样宗教色彩很浓的地方,他竟然能全然不顾忌传统礼数,认为这是他个人的自由,甚至设想过一妻一妾的生活;而同样令人称奇的是,他与其元配安妮的婚姻历经这种种事端,竟然能白头到老,而且安妮还亲自照料了他非婚生孩子的婴儿期。或许这与安妮自己没有孩子不无关系,但即便如此,这种薛定谔式的爱情,这样的家庭关系,与我们头脑中的科学家形象,恐怕还是会有很大反差,相去甚远的。显然,在这种丰富复杂的性格形象面前,通常的政治标签似乎是显得过于苍白简单了。

 

独到的贡献

 

不确定关系-薛定谔方程其人其事如此,其科学上的成就也不乏独特之处。依据量子力学中通用的解释,波包塌缩依赖于观察,在观察之前,这只猫应处于不死不活的迭加态,这显然有悖于人们的常识,从而凸显出这种解释的困境。为摆脱这种困境,人们设想出了种种方案,但似乎并不能填平这种常识与微观特异性之间的鸿沟。例如格利宾本人所赞成的多世界解释,认为猫死与猫活这两种结果分属两个独立平行且真实存在的世界,是我们的观察行为选择了其中之一为我们的世界。这似乎不仅没有消除,反倒是增加了人们的困惑。

 

丰富的思想

 

从薛定谔的“猫悖论”,引出了我们对于他的第三点关注:他的丰富的哲学思想。“猫悖论”反映出在科学哲学层面上,他反对哥本哈根学派,试图用连续的波动图象,重建对微观对象的经典理解,当然,他的尝试并不成功;而在更抽象的形上层次,他则从叔本华那儿接受了古印度的吠檀多哲学,并从这种信仰中去追求自然的统一,追求自我与宇宙精神的统一。这样的科学家形象,与当代职业科学家的技术化,工匠化,商业化和平面化趋势相比较,是否也会给我们若干启示呢?

 

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