——讀格里賓《量子、貓與羅曼史——薛定諤傳》一書(shū)有感

高中物理課本中，學(xué)生印象最深的應(yīng)該是牛頓的三大運(yùn)動(dòng)定律，它們是整個(gè)經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，經(jīng) 典力學(xué)的大廈就建立在此之上。在二十世紀(jì)初期，隨著物理學(xué)家對(duì)微觀世界的深入了解，發(fā)現(xiàn)了基本粒子層面許多與宏觀世界完全不同的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)特征，在對(duì)這些 現(xiàn)象進(jìn)行分析和研究的過(guò)程中，微觀世界的大廈也逐漸清晰起來(lái)，而支撐這一大廈的基本物理規(guī)律之一，就是薛定諤方程。

埃爾溫·薛定諤是奧地利物理學(xué)家，量子力學(xué)的奠基人之一。他在物理學(xué)方面的最大貢獻(xiàn)，就是 在德布羅意物質(zhì)波理論的基礎(chǔ)上，建立了波動(dòng)力學(xué)。由他所建立的薛定諤方程是量子力學(xué)中描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的基本定律，它在量子力學(xué)中的地位大致相似于牛 頓運(yùn)動(dòng)定律在經(jīng)典力學(xué)中的地位。薛定諤對(duì)生物學(xué)的發(fā)展也做出過(guò)重大貢獻(xiàn)。他所著的《生命是什么》一書(shū)，試圖用熱力學(xué)、量子力學(xué)和化學(xué)理論來(lái)解釋生命的本 性，使得許多青年物理學(xué)家開(kāi)始注意生命科學(xué)中提出的問(wèn)題，引導(dǎo)人們用物理學(xué)、化學(xué)方法去研究生命的本性，使薛定諤成為蓬勃發(fā)展的分子生物學(xué)的先驅(qū)。

一、薛定諤方程的提出

19世紀(jì)的最后一天，歐洲著名的科學(xué)家歡聚一堂。會(huì)上，英國(guó)著名物理學(xué)家W·湯姆生（即開(kāi)爾文男爵）發(fā)表了新年祝詞。他在回顧物理學(xué)所取得的偉大成就時(shí)說(shuō)，物理大廈已經(jīng)落成，所剩只是一些修飾工作。但是，他話鋒一轉(zhuǎn)又說(shuō)：“大廈上空還漂浮著兩朵‘烏云’，邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果和黑體輻射的紫外災(zāi)難。”

第一朵烏云是關(guān)于光傳播的介質(zhì)的。牛頓經(jīng)典力學(xué)理論認(rèn)為，光的傳播是需要介質(zhì)的，這種名為“以太”的介質(zhì)充滿著整個(gè)宇宙空間。既然“以太”是一種物質(zhì)，他就會(huì)隨著地球、太陽(yáng)等的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。邁克爾遜和莫雷設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)不懈努力，于1887年12月宣布地球和以太之間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

第二朵烏云是受熱物體向外輻射電磁波這一現(xiàn)象的理論解釋與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不相匹配。德國(guó)物理學(xué)家 維恩和英國(guó)物理學(xué)家瑞利分別依據(jù)熱力學(xué)和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理學(xué)得出了熱輻射的兩個(gè)公式，結(jié)果一個(gè)在高頻輻射部分和實(shí)驗(yàn)相符合，一個(gè)在低頻輻射部分和實(shí)驗(yàn)相符合 （紫外災(zāi)難），經(jīng)典物理學(xué)的理論陷入困境和危機(jī)。

沒(méi)想到，這兩朵烏云在頃刻之間轉(zhuǎn)化為了抗風(fēng)暴雨，沖擊和洗刷著經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)，撼動(dòng)著整個(gè)物理學(xué)的大廈。1900年的10月，德國(guó)物理學(xué)家普朗克首先提出了一個(gè)驚世駭俗的觀點(diǎn)：物質(zhì)之間能量的交換不是連續(xù)的，而是一份一份的，而且是hν的整倍數(shù)，hν被稱之為“能量子”，并以此解釋了熱輻射的理論與實(shí)驗(yàn)不相符合的問(wèn)題。

量子論的誕生，是對(duì)經(jīng)典物理學(xué)理論的重大突破，它把經(jīng)典物理學(xué)中一切因果關(guān)系都是在連續(xù)的基礎(chǔ)上所建立的物理思想方法徹底地變革了。1905年，愛(ài)因斯坦在普朗克量子論的基礎(chǔ)上，建立了狹義相對(duì)論，單獨(dú)的時(shí)間和空間不再存在，代之以時(shí)間和空間的四維統(tǒng)一體。在狹義相對(duì)論中，光的傳播不需要以太，自然地解決了邁克爾遜－莫雷以太實(shí)驗(yàn)結(jié)果的難題。

在愛(ài)因斯坦、玻爾等科學(xué)家的推動(dòng)下，量子理論獲得了飛速發(fā)展。在人們認(rèn)識(shí)到光具有波動(dòng)和微粒的二象性之后，為了解釋一些經(jīng)典理論無(wú)法解釋的現(xiàn)象，法國(guó)物理學(xué)家德布羅意于1923年 提出了物質(zhì)波這一概念。認(rèn)為一切微觀粒子均伴隨著一個(gè)波，這就是所謂的德布羅意波。由于微觀粒子具有波粒二象性，微觀粒子所遵循的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就不同于宏觀物 體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的量子力學(xué)也就不同于描述宏觀物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的經(jīng)典力學(xué)。為了描寫(xiě)微觀粒子狀態(tài)隨時(shí)間變化的規(guī)律，就需要找出波函數(shù)所滿 足的運(yùn)動(dòng)方程。這個(gè)方程是薛定諤在1926年首先提出的，被稱為薛定諤方程。薛定諤也因此而獲得了1933年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。

二、薛定諤的貓

1921年， 在著名量子物理學(xué)家玻爾的倡議下，成立了哥本哈根大學(xué)理論物理學(xué)研究所，由此建立了哥本哈根學(xué)派。該學(xué)派在玻爾的帶領(lǐng)下對(duì)量子物理學(xué)有著深入廣泛的研究， 也培養(yǎng)了大量的杰出物理學(xué)家，海森伯、泡利和狄拉克都是其中最為重要的成員，在量子力學(xué)的興起時(shí)期曾經(jīng)成為全世界最重要、最活躍的學(xué)術(shù)中心。

在薛定諤提出波動(dòng)方程的前一年，“哥本哈根學(xué)派”也有了重要的發(fā)現(xiàn)。他們從玻爾關(guān)于氫原子的定態(tài)躍遷理論和對(duì)應(yīng)原理出發(fā)，在將其拓展到其他原子的復(fù)雜體系的過(guò)程中，導(dǎo)致了1925年海森堡矩陣力學(xué)形式的量子力學(xué)的建立以及電子自旋的發(fā)現(xiàn)。之后，玻恩、玻爾、狄拉克等人對(duì)此矩陣力學(xué)進(jìn)行了豐富，形成了與薛定諤方程完全不同的量子力學(xué)的表達(dá)形式，但最令人驚奇的是，這兩種理論的結(jié)果又是一致的！

歷史又重啟了新的一幕。

關(guān)于光是什么，在物理學(xué)史上曾經(jīng)就有一次爭(zhēng)論，一方是牛頓的粒子說(shuō)，一方是惠更斯的波動(dòng)說(shuō)。因?yàn)榕ｎD在建立經(jīng)典力學(xué)體系中的巨大貢獻(xiàn)，使得人們都認(rèn)為光是一個(gè)個(gè)的粒子，直到19世紀(jì)托馬斯·楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，才使人們認(rèn)識(shí)到光是一種波。

現(xiàn)在，一個(gè)新的問(wèn)題出現(xiàn)了，薛定諤所描述的波，是一個(gè)連續(xù)過(guò)程的典型范例，而海森堡的矩陣 給出了一個(gè)非連續(xù)過(guò)程的典型描述，而且這兩者描述的結(jié)果還是等價(jià)的。這讓大家都感到困惑不已。用玻爾的話來(lái)說(shuō)，它們就像一個(gè)硬幣的兩面，你可以看到正面或 者背面，但不能一下子看到兩面，它們是硬幣的互補(bǔ)部分。因?yàn)椴柕热说呐?，再加上在?shù)學(xué)運(yùn)算上相對(duì)方便，最終“哥本哈根學(xué)派”的量子力學(xué)成了正統(tǒng)的解 釋，而薛定諤的解釋只有愛(ài)因斯坦等人一直堅(jiān)守著。

在“哥本哈根學(xué)派”的解釋中，有一個(gè)觀點(diǎn)最讓愛(ài)因斯坦、薛定諤等人頗感困惑，那就是有關(guān)“波函數(shù)坍縮”的概念。“哥本哈根學(xué)派”認(rèn)為，物質(zhì)在被觀測(cè)之前，是處于一種不確定的疊加態(tài)的，也即處在各種可能的狀態(tài)之中，直到觀察者去觀察的時(shí)候，他才會(huì)“坍縮”為某一具體的狀態(tài)。

為了反駁這種觀點(diǎn)，證實(shí)量子力學(xué)在宏觀層面是不完整的，薛定諤設(shè)計(jì)出物理學(xué)史上最著名的動(dòng) 物——“薛定諤的貓”，做了一個(gè)非常深刻的思想實(shí)驗(yàn)：不透明的箱子里裝著一只貓，箱子中另外還有一個(gè)原子衰變裝置，原子會(huì)隨機(jī)發(fā)生衰變，一旦衰變發(fā)生，就 會(huì)激發(fā)一系列連鎖反應(yīng)，最終打破箱子里的毒氣罐而毒死貓，反之貓則活。在打開(kāi)箱子觀測(cè)那一瞬間之前，原子的衰變和貓的死活都處于一種疊加態(tài)，只有當(dāng)打開(kāi)箱 子的一剎那，貓的死活才確定下來(lái)。所以，在打開(kāi)箱子之前，貓既是死的，又是活的。

問(wèn)題是，現(xiàn)實(shí)中的貓?jiān)趺纯赡苁恰凹人烙只睢钡哪?？量子論無(wú)法解釋現(xiàn)實(shí)世界，這成了量子論無(wú)數(shù)個(gè)困惑之謎中最神秘的一點(diǎn)。如果將這一思想實(shí)驗(yàn)推演到整個(gè)宇宙的范圍，是否因?yàn)槲覀儗?duì)宇宙的觀察，宇宙才存在？顯然，哥本哈根解釋存在很大的荒謬性。

最近這些年，人們已經(jīng)能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)做出更多的研究，發(fā)現(xiàn)“哥本哈根學(xué)派”在量子力學(xué)理論上 的不足，并逐步認(rèn)識(shí)到薛定諤方程以及他對(duì)量子力學(xué)相關(guān)描述的重要價(jià)值。在此過(guò)程中，量子密碼學(xué)、量子計(jì)算機(jī)等一系列新興的科學(xué)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。相信薛 定諤在天有靈，也會(huì)感到欣慰的。

三、薛定諤的羅曼史

本書(shū)的作者認(rèn)為，一個(gè)人的家庭背景很自然地影響著他長(zhǎng)大成人后是什么樣子，也同樣影響他的思考方式。對(duì)照薛定諤來(lái)看，這句話還是很有道理的。

薛定諤是個(gè)獨(dú)子，有著兩位溺愛(ài)他的姨媽、一個(gè)表姐妹，還有一串保姆和女仆，他們從小慣著 他，任其隨心所欲。他長(zhǎng)大后，總是希望女性迎合他，而不怎么關(guān)注他們的需求，與此是有很大關(guān)系的。他甚至從還不能寫(xiě)字的時(shí)候就開(kāi)始記日記，后來(lái)成了他一生 的習(xí)慣，人們從他的這些日記中，找到了他與女性調(diào)情的很多細(xì)節(jié)。

薛定諤是一位多情種子，畢生陷于戀情的漩渦與糾葛中。即使在33歲 那年成婚后，他仍然是激情充溢，外遇不斷，其對(duì)象既有已婚的研究助手的妻子，也有年方二八的他曾輔導(dǎo)過(guò)數(shù)學(xué)的女中學(xué)生；既有聞名遐邇的演員和藝術(shù)家，也有 年輕的政府職員。而這種浪漫風(fēng)流一直持續(xù)到年逾花甲，并且有不止一個(gè)非婚生的孩子。薛定諤不喜歡一夜情，對(duì)于每一段情感履歷，他都非常投入，并為此創(chuàng)作了 不少纏綿的情詩(shī)。

薛定諤即使生活在維也納和都柏林這樣宗教色彩很濃的地方，竟也能全然不顧忌傳統(tǒng)禮數(shù)，認(rèn)為 這是他個(gè)人的自由，甚至設(shè)想過(guò)一妻一妾的生活。而同樣令人稱奇的是，他的原配夫人安妮也和他一樣，在外面尋找物理學(xué)家外爾作為自己的情夫，而外爾和薛定諤 還有很深厚的友情。安妮終身沒(méi)有生育，這或許也是薛定諤時(shí)常去尋找外遇的一個(gè)原因。但盡管他們的婚姻歷經(jīng)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。

薛定諤常常墜入情網(wǎng)，而當(dāng)他陷入戀愛(ài)之中時(shí)，基本上他的生活都是美好的，而他的科學(xué)創(chuàng)造力也從中獲益。1925年到1926年，在薛定諤接連寫(xiě)了6篇論文，闡述自己對(duì)波動(dòng)力學(xué)的重要主張，并提出薛定諤方程期間，也正是他又一次出軌期間。

看來(lái)愛(ài)情確實(shí)是有很大動(dòng)力的，愛(ài)因斯坦的分別提出狹義相對(duì)論、廣義相對(duì)論，就與他的兩次婚姻直接相關(guān)。后來(lái)他又有了婚外情，但最終沒(méi)有能夠和自己的表姐離婚。假如他的婚外情最終成了現(xiàn)實(shí)，是否會(huì)導(dǎo)致他第三次物理學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)？這還真的難說(shuō)。

還是回到薛定諤這里來(lái)吧。這種薛定諤式的愛(ài)情，這樣的家庭關(guān)系，與我們頭腦中的科學(xué)家形 象，恐怕還是會(huì)有很大反差、相去甚遠(yuǎn)的。雖說(shuō)在他們的那個(gè)時(shí)代，有些事情是被他們所在的圈子所認(rèn)可的，比如與同事和友人的妻子、丈夫之間的婚外戀情，但薛 定諤走的還是比較遠(yuǎn)的。或許，這樣一位有血有肉的諾貝爾獲獎(jiǎng)?wù)?，才讓我們更加覺(jué)得真實(shí)吧。

《量子、貓與羅曼史——薛定諤傳》  [英]約翰·格里賓/著  匡志強(qiáng)/譯  上海科技教育出版社  2013.12