薛定諤：量子王國的“立法”者

尹傳紅++王敘

奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤通過對物質波的研究創立了波動力學，解決了原子物理學的許多問題，奠定了量子力學的堅實基礎，對現代物理學的發展起了巨大的推動作用。

見識無數美好的事物

出生于“音樂之都”維也納的薛定諤，在奧匈帝國最后歲月的閑適環境中長大。家境優裕的他幾乎沒有上過小學，在他的啟蒙教育階段，家庭教師每周兩次上門給他授課。而他那經營家族油氈生意、頗有文化修養的父親，更使他受益良多。

對于成長中的薛定諤來說，熱愛自然和藝術并且經常陪伴他玩耍嬉戲的父親，“是一個朋友，一位老師，也是一名不知疲倦的談話討論的伙伴”，還是一個陳列著所有吸引著他、令他著迷的事物的殿堂。當父親的興趣轉向植物學，開始研究形態遺傳學和種系進化學的時候，他也貪婪地讀完了達爾文的《物種起源》。從那以后，父子倆談論、“切磋”的話題就不限于學校教授的內容了。

薛定諤家有夏季外出旅行的習慣，這不僅豐富了他的生活，讓他“見識到了無數美好的事物”，而且也促進了他對知識的渴求。有一年在英吉利海峽的一個海灘上，他第一次注意到，在遙遠的地平線處，早在船只出現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致的結果。

1898年，11歲的薛定諤進入維也納高等專科學校所屬的預科學校學習。這所學校強調人文學科的教育，但同時也開設了部分水平頗高的數理課程。在這里，他學到了許多東西，那會兒他最喜歡提的問題是：“先生，您真的相信嗎？”

薛定諤鐘情于數學和物理學，也欣賞語法和哲學的邏輯性，但討厭死記硬背和對詩文做“迂腐的解剖分析”。每一個科目，他的成績在班上都是最好的。一位同學后來回憶，當年他僅有一次沒能回答出老師的問題，而給同學們留下了非常深刻的印象，那個問題是：“黑山的首都是哪里？”還有一回上歷史課，薛定諤開小差偷偷地翻看別的課程書籍，老師突然提問他一個關于古希臘歷史的問題，他起身后閃電般地調整好思緒，從容而正確地做出了解答，令同學們欽佩不已。

1906年，薛定諤以優異的成績通過畢業考試，進入維也納大學，主修物理學和數學，輔修化學和天文學。他的天賦和才干“被毫無嫉妒地公認”，同學們都相信他未來一定會打破狹隘的專業界限，去開辟新的探索自然之路，做出非常重要的貢獻。

追求什么樣的

生活

大學畢業后，薛定諤服了一年兵役，又回到維也納大學開始其研究生涯。1914年1月，他獲得了大學教師的資格認可。然而，看似美好的前程突然出現了一絲陰影。這年夏季，第一次世界大戰爆發，薛定諤隨即被征召入伍，成了帝國的一名炮兵軍官。

在那一段歲月里，薛定諤雖然時常遠離前線，沒有經歷過什么血腥，但日子過得相當無聊。一天，有哨兵報告說，陣地對面山坡上發現了向己方移動的燈光。薛定諤抵近查看后，以物理學家的眼光思忖并很快就明白，那是鐵絲網上放電造成的“圣愛爾摩”之光。在這樣的環境里之所以看見火光在移動，是因為觀察者自己走動造成的視差現象。

這之后不久，薛定諤開始想念他的科學工作了。他反躬自問：“是什么原因使你無事可做？這是你追求的生活嗎？”就在這個時期，他接觸到了愛因斯坦的廣義相對論，也關注著原子物理學的最新進展，并做了許多閱讀筆記。

這場促使奧匈帝國解體的殘酷戰爭，還促使薛定諤進行了哲學方面的深入思考，他甚至一度考慮轉行從事哲學研究。不過，如他后來所說，他的“保護天使”出來干涉了這一計劃：他準備去做專職哲學研究的那所大學所在地切爾諾維茲，按照停戰和約已劃出奧地利的版圖（現屬烏克蘭，稱切爾諾夫策），因而他只能專攻原本要作為業余研究的理論物理學了。

可戰后經濟蕭條，大學里學術性職位薪俸很低，這令正準備結婚的薛定諤心存疑慮，于是他問父親：“是否讓我也來參與您的生意？”他可敬的父親斷然回答：“不，我親愛的孩子，你不應當來干這個，我不希望你從事這種營生，你要留在大學里繼續你的學術生涯。”

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：在耶拿大學擔任兼職講師和一位教授的私人助手。

在父親去世后很長一段時間，極少做噩夢的薛定諤都重復做同樣的一個噩夢，夢中父親仍然在世，而他卻將父親用于業余科學研究的所有精美的儀器和植物學圖書變賣，“無可挽回地毀掉了他的知性生活的基礎”。這夢境或許是因為薛定諤自身的內疚引起的，因為他覺得那幾年自己對父母的關心太少，而父親對他的一生影響巨大，他非常懷念在青少年時期和父親共度的美好時光。

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理論物理學教授。

這個時候，從世紀之交開始的一場激動人心的物理學革命正漸入佳境：從德國物理學家馬克斯·普朗克提出量子概念，到德國物理學家阿爾伯特·愛因斯坦提出光量子理論，從英國物理學家歐內斯特·盧瑟福發現原子結構，到丹麥物理學家尼爾斯·玻爾把量子論與經典電磁理論結合，幾乎徹底變革了包括物質觀、時空觀、運動觀、規律觀和因果性在內的整個物理學概念框架和原理體系。

按照普朗克能量量子化的觀點，物質輻射（或吸收）的能量不是連續地，而是一份一份地進行的，只能取某個最小數值的整數倍，這個最小數值就叫能量子（簡稱“量子”）。量子物理學由于接受了輻射（包括電子的能量）同時具有波和粒子雙重性質的概念而獲得了迅速發展。

這當中的一個關鍵之處，是法國物理學家路易·維克多·德布羅意在1924年提出的，就如同愛因斯坦已經指出的那樣，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。換句話說，就像電磁波能用粒子來描述一樣，所有的物質粒子（如電子）都能用波來描述—任何事物都有波粒二象性。

當蘇黎世大學的物理學家們聚在一起討論德布羅意的離奇觀點時，領頭的彼得·德拜教授評論道：這些想法看起來都很幼稚，因為要正確地處理波的行為，應該有一個波動方程，用來描述波如何從一個地方走到另一個地方。這句話讓薛定諤上了心思。他認定，既然電子是傳播波的始源，那么對于電子的運動來說就應該能夠找到一個波動方程，并且可以通過解這個波動方程去挑選適合于原子內部運動的振蕩。

1925年的圣誕節假期，閑暇中也不放棄研究的薛定諤迸發出驚人的創造力，有了對波動方程的初步設想。從1926年1月27日到6月23日，在短短不到5個月的時間里，薛定諤接連發表了6篇關于量子理論的論文，其內容涵蓋了諸多物理學前沿領域。波動方程（又稱“薛定諤方程”）亦在其中，它為處理與光譜有關的問題提供了方便而簡單的方法，成為當今物理學家不可缺少的工具。

當普朗克看到薛定諤的第一篇論文后，致信薛定諤說，讀了它“就像一個渴望的孩子在傾聽困擾他很久的一個謎題的答案”；讀過第二篇論文后，他說：“你能想象我以多大的興趣和熱情投入這一意義深遠的研究工作。”隨后他把薛定諤的論文拿給愛因斯坦看，這位科學巨人對薛定諤評價道：“你的研究工作展示了真正的天才。”

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

1933年，薛定諤與狄拉克被授予諾貝爾物理學獎，以表彰他們發現了原子理論的新的有效形式。1956年，薛定諤結束多年漂泊生涯，榮歸故國奧地利，并在那里度過了余生。