1925年，在瑞士蘇黎世大學(xué)任教的薛定諤已經(jīng)38歲了，平平無奇，經(jīng)常遭到大牛朋友們的戲謔。
有一天德拜（1936年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者）對(duì)他說：“薛定諤，你現(xiàn)在工作的方向不對(duì)，沒在重點(diǎn)上。要不你回去研究研究德布羅意的工作怎么樣？聽說現(xiàn)在好多人在搞這個(gè)啊?！钡掳菡f的就是一年前德布羅意提出的物質(zhì)波假設(shè)。
1924年，法國(guó)青年物理學(xué)家德布羅意在他的博士論文中提出了物質(zhì)波假設(shè)，即一切物質(zhì)都具有波粒二象性。
愛因斯坦評(píng)價(jià)德布羅意“已經(jīng)掀起了面紗的一角”。
德拜卻十分較真，他說：“如果認(rèn)定電子等粒子是波的話，怎么著也該給湊出個(gè)波動(dòng)方程吧？”薛定諤就把這話放心上了。
當(dāng)時(shí)德拜也沒有想到，自己無意間的一句話，卻成就了一位大器晚成的天才物理學(xué)家。
薛定諤方程
1925年夏天，薛定諤到阿爾卑斯山去度20天的小假——只帶了德布羅意的論文，維也納的一個(gè)情人以及兩顆珍珠。為什么會(huì)帶珍珠？因?yàn)樗谙蜃约旱那槿恕罢?qǐng)教”以期獲得靈感的時(shí)候，會(huì)把兩顆珍珠塞進(jìn)耳朵里，讓自己的世界安靜下來。
阿爾卑斯山的小長(zhǎng)假結(jié)束后，薛定諤回去做了個(gè)報(bào)告：“之前德拜給我提了個(gè)建議，說應(yīng)當(dāng)有個(gè)波動(dòng)方程——好，現(xiàn)在我有了?！币簿褪鞘廊怂Q的薛定諤方程：
薛定諤一開始是從相對(duì)論出發(fā)的，得出了后來稱之為克萊因—戈登方程的波動(dòng)方程，但由于當(dāng)時(shí)還不知道電子有自旋，所以在關(guān)于氫原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)的理論上與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不符。
不過薛定諤很聰明，退而求其次，根據(jù)牛頓力學(xué)中能量和動(dòng)量的關(guān)系，弄了個(gè)非相對(duì)論性的方程處理電子，終于得出了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符的結(jié)果。在低能非相對(duì)論的條件下，薛定諤方程居然還出奇地好用，解決了微觀世界的許多物理難題。
把這個(gè)方程應(yīng)用到氫原子，不僅可以得出電子在不同軌道的能量，而且還指出那能量實(shí)際上依賴于三個(gè)量子數(shù)（n,l,m），更而且指出引入這三個(gè)量子數(shù)只是因?yàn)橐蠓匠汤锏暮瘮?shù)Ψ有界，而無需像玻爾量子化那樣先入為主地假設(shè)角動(dòng)量是量子化的。
1926年，薛定諤分四部分發(fā)表了《作為本征值問題的量子力學(xué)》一文，為量子力學(xué)奠定了基礎(chǔ)，也奠立了他在物理學(xué)史上的地位。基于此套說法的量子力學(xué)叫波動(dòng)力學(xué)，這個(gè)函數(shù)叫波函數(shù)。
在此之前，德國(guó)物理學(xué)家海森堡、玻恩和約爾當(dāng)已經(jīng)為量子力學(xué)建立了第一套數(shù)學(xué)體系——矩陣力學(xué)。
年輕的海森堡對(duì)薛定諤的理論完全不贊同：“我越是思考薛定諤理論的物理內(nèi)容，我就對(duì)它越討厭”。
海森堡（左）與薛定諤（右）
薛定諤也對(duì)矩陣力學(xué)提出了批評(píng)，認(rèn)為“這種超越代數(shù)的方法簡(jiǎn)直無法想象”。但薛定諤仍耐心地對(duì)海森堡的論文進(jìn)行了深入的鉆研，在1926年4月發(fā)表的論文中證實(shí)了矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)的等價(jià)性。
這樣一番證明后，矩陣力學(xué)徹底失去了“市場(chǎng)”。物理學(xué)家早已習(xí)慣于使用微分方程，因?yàn)槟鞘撬麄冊(cè)谂ｎD力學(xué)中駕輕就熟的東西，相比于矩陣力學(xué)枯燥乏味的數(shù)學(xué)運(yùn)算，他們也喜歡直觀的波函數(shù)圖像。學(xué)界對(duì)矩陣力學(xué)的冷落，使海森堡非常郁悶。
就這樣，從提出奠定波動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)的方程，到系統(tǒng)地建立起波動(dòng)力學(xué)的完整框架，再到證明波動(dòng)力學(xué)和矩陣力學(xué)在數(shù)學(xué)上是等價(jià)的，只用了不到一年時(shí)間，薛定諤的天賦展露無遺。
1926年4月，“量子力學(xué)之父”普朗克在收到波動(dòng)力學(xué)第一篇文章后給薛定諤寫信說：“我正像一個(gè)好奇的兒童聽解他久久苦思的謎語那樣，聚精會(huì)神地拜讀你的論文?！?/span>
就連他最崇拜的物理學(xué)家愛因斯坦也不吝贊賞：“你工作的思想來源于真正的天賦?！北M管比起同時(shí)代的理論物理學(xué)家，薛定諤在38歲時(shí)才達(dá)到事業(yè)的巔峰，已經(jīng)屬于大器晚成。
在這之后的1927年，應(yīng)普朗克的邀請(qǐng)，薛定諤來到柏林大學(xué)，接替他的職位。在這里，他當(dāng)選了普魯士科學(xué)院院士，還跟愛因斯坦成為了好朋友。
薛定諤的貓
有人評(píng)價(jià)，薛定諤方程之于量子力學(xué)，就好比是牛頓第二定律之于經(jīng)典力學(xué)，但問題也隨之而來。薛定諤雖然提出了波動(dòng)方程，但他并未給出波函數(shù)的物理含義。
牛頓第二定律可以得到粒子在空間隨時(shí)間變化的軌跡，容易被人理解；而從薛定諤方程解出的電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，卻是一個(gè)彌漫于整個(gè)空間的“波函數(shù)”。這樣的結(jié)論，就連薛定諤本人也覺得荒謬。
正當(dāng)所有人傷透腦筋時(shí)，玻恩在1926年給出了概率解釋。他認(rèn)為，量子力學(xué)中的電子不像經(jīng)典粒子那樣有決定性的軌道，而是隨機(jī)地出現(xiàn)于空間中某個(gè)點(diǎn)。不過電子出現(xiàn)在特定位置的概率是一定的，是由薛定諤方程解出的波函數(shù)決定的。
玻恩的這項(xiàng)工作從物理上統(tǒng)一了波動(dòng)力學(xué)和矩陣力學(xué)。在此基礎(chǔ)上，海森堡提出了不確定性原理，玻爾提出了互補(bǔ)原理。哥本哈根學(xué)派堅(jiān)持認(rèn)為隨機(jī)性是量子理論的內(nèi)在性質(zhì)。
哥本哈根學(xué)派把波函數(shù)解釋為受觀測(cè)影響的概率函數(shù)，這讓薛定諤極其不爽。與薛定諤持相同觀點(diǎn)的，還有愛因斯坦、德布羅意等人。
1926年9月，薛定諤應(yīng)邀到哥本哈根進(jìn)行學(xué)術(shù)訪問。他提出應(yīng)該放棄量子躍遷的概念，而代之以三維空間的波來描述微觀粒子的行為。即以經(jīng)典的連續(xù)性觀念，代替量子力學(xué)理論中的間斷性觀念。薛定諤的這一想法一提出來，立即遭到哥本哈根學(xué)派的強(qiáng)烈反對(duì)。
這次訪問，誰也沒有說服誰。不過，薛定諤很快有了自己的幫手，1926年12月愛因斯坦給玻恩寫信時(shí)說：“上帝不是在擲骰子”，愛因斯坦認(rèn)為波函數(shù)只是給出了一個(gè)粒子系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)描述，但它在描述單個(gè)粒子上一定是不完備的。
愛因斯坦的發(fā)言掀引發(fā)了他和玻爾之間就量子力學(xué)詮釋問題的公開爭(zhēng)論。他們之間的第一回合發(fā)生在1927年10月的第五屆索爾維會(huì)議上，這次是愛因斯坦、薛定諤組團(tuán)來的。
1927年第五屆索爾維會(huì)議
愛因斯坦、薛定諤堅(jiān)持認(rèn)為，世界不是隨機(jī)的，那些看起來無法解釋的隨機(jī)現(xiàn)象，是因?yàn)橛猩形窗l(fā)現(xiàn)的“隱變量”。然而，哥本哈根學(xué)派認(rèn)為，微觀世界的隨機(jī)性是內(nèi)在的、本質(zhì)的。
最后直到會(huì)議結(jié)束，兩派仍然各執(zhí)己見。三年后的第六屆索爾維會(huì)議上，兩派人馬再次華山論劍。愛因斯坦提出了他著名的“光子盒”思想實(shí)驗(yàn)，試圖證明不確定性原理的荒謬。
但玻爾這方見招拆招，指出了“光子盒”的缺陷——光子跑出后，掛在彈簧秤上的盒子質(zhì)量變輕，時(shí)鐘的快慢會(huì)發(fā)生變化，也就是說時(shí)間和能量不能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量。愛因斯坦被玻爾的回?fù)趔@得目瞪口呆，此后便放棄了從不確定性原理這一方面來攻擊量子力學(xué)的想法。
1933年納粹崛起后，眾多猶太科學(xué)家逃離德國(guó)，愛因斯坦去了美國(guó)，大部分人在牛津大學(xué)林德曼教授的幫助下到了英國(guó)。不是猶太人的薛定諤也主動(dòng)提出愿意到英國(guó)，并且?guī)е呐笥褋喩ゑR奇一起去（因?yàn)閬喩钠拮邮撬那槿耍?/span>
到英國(guó)后，薛定諤成為牛津大學(xué)馬格達(dá)萊學(xué)院的研究員。雖然和愛因斯坦分隔兩地，但他們始終沒有放棄反對(duì)歌本哈根學(xué)派對(duì)量子力學(xué)的詮釋。在1935年，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森提出了著名的“EPR佯謬”。
愛因斯坦改從量子疊加的角度來證明量子力學(xué)是不完備的，沒想到引出了量子力學(xué)中最重要的一個(gè)概念——量子糾纏。
愛因斯坦描述了一個(gè)不穩(wěn)定的大粒子衰變成兩個(gè)相同小粒子的情況：大粒子分裂成兩個(gè)同樣的小粒子（A和B）。小粒子獲得動(dòng)能，分別向相反的兩個(gè)方向飛出去。如果粒子A的自旋為上，粒子B的自旋便一定是下，才能保持總體的自旋守恒，反之亦然。
然后，愛因斯坦假設(shè)兩個(gè)粒子相隔幾萬光年，如果A、B之間能夠傳遞信息，那么這個(gè)速度已經(jīng)超過了光速，違背了他的相對(duì)論，這就構(gòu)成了佯謬。愛因斯坦把兩個(gè)粒子間瞬時(shí)的相互作用稱為“幽靈般的超距作用”。
薛定諤讀完EPR論文之后，他用德文寫了一封信給愛因斯坦，在這封信里，他最先使用了術(shù)語Verschr?nkung（意思是糾纏）。薛定諤還表達(dá)了對(duì)愛因斯坦的支持：“這場(chǎng)沉浸在認(rèn)識(shí)論中的鬧劇可以休矣”。
受到愛因斯坦的啟發(fā)，薛定諤想到了用來反擊量子力學(xué)的終極武器——薛定諤的貓。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)幾乎家喻戶曉，簡(jiǎn)單地說，一只貓?jiān)谙渥永镏卸镜母怕适?0%，那么根據(jù)量子疊加理論，打開箱子之前，貓?zhí)幱诩人烙只畹臓顟B(tài)，打開箱子才知道貓是死是活。
薛定諤用這個(gè)實(shí)驗(yàn)形象地向人們展示了量子疊加態(tài)，很少有人知道，這只是薛定諤用來取笑量子力學(xué)的一種方式。
可惜，薛定諤忘記了量子力學(xué)是旨在探究微觀領(lǐng)域而非宏觀世界，有時(shí)候宏觀世界是無法用來解釋微觀世界的。
但這并不能否認(rèn)薛定諤的偉大，雖然他永遠(yuǎn)打著反對(duì)量子力學(xué)的旗號(hào)，可是每次的反擊都是在為量子力學(xué)添磚加瓦。薛定諤與狄拉克因各自提出的波動(dòng)方程共同榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
生命是什么
1939年二戰(zhàn)爆發(fā)后，薛定諤又輾轉(zhuǎn)到了愛爾蘭，在都柏林高級(jí)研究所工作了17年。50多歲的薛定諤，仍然沒有失去對(duì)女人的熱情，盡管他和亞瑟·馬奇的妻子希爾德已經(jīng)有了一個(gè)女兒。
他甚至愛上了一個(gè)12歲的女孩，但由于被強(qiáng)烈警告，才不得不終止單戀。接著，他愛上了新婚不久的演員希拉·格林，后者生下了薛定諤的第二個(gè)女兒。然后，他在近60歲的年紀(jì)愛上了一個(gè)20多歲的女孩，最終薛定諤有了第三個(gè)女兒。
或許是因?yàn)檫@些豐富多彩的人生經(jīng)歷，晚年的薛定諤開始思考起了“生命是什么”這一人類終極問題。
1943年2月，薛定諤收到來自都柏林三一學(xué)院的邀請(qǐng)，為他們舉辦關(guān)于什么是生命的傳道講說，據(jù)說是因?yàn)樗囊晃磺槿嗽谀抢镒鲋驹阜?wù)。薛定諤試圖用物理學(xué)理論來解釋生命的本性，他的演講最終被整理成書《生命是什么？》，并在1944年出版。
《生命是什么？》中英文版封面
薛定諤的核心觀點(diǎn)是，生命是量子的，生命的秩序?qū)儆凇皝碜杂行虻挠行颉薄?/span>
20世紀(jì)上半葉，科學(xué)家們僅僅知道基因可以從一代傳遞到下一代，卻不知道基因的組成或其工作原理。于是，薛定諤開始思考，究竟是什么法則讓遺傳保持了如此高的精確性？
在經(jīng)典物理中人們總結(jié)出了許多規(guī)律，比如熱力學(xué)能夠研究出液體、氣體行為的規(guī)律，但這個(gè)規(guī)律是基于對(duì)萬億個(gè)各自進(jìn)行無序運(yùn)動(dòng)粒子的統(tǒng)計(jì)學(xué)處理。也就是說，系統(tǒng)的行為是有序的，而單一粒子的行為是無序的，薛定諤稱之為“來自無序的有序”。
但在微觀世界，原子、分子以及組成它們的所有成分粒子都遵循精確而有序的量子規(guī)則，被薛定諤稱為“來自有序的有序”。薛定諤提出，遺傳應(yīng)該基于一種新的原理，即“來自有序的有序”。因?yàn)樯橇孔拥模簿筒荒苡媒?jīng)典物理來解釋生命。
然后，薛定諤首次提出遺傳物質(zhì)（基因）是一種非周期的晶體，這類晶體既具有和標(biāo)準(zhǔn)晶體類似的重復(fù)分子結(jié)構(gòu)，但又經(jīng)過某種調(diào)整，在重復(fù)單位之間有不同的區(qū)間或周期。
薛定諤認(rèn)為，這些經(jīng)過調(diào)整的重復(fù)結(jié)構(gòu)編碼了遺傳信息，而且像晶體一樣，它們的秩序也應(yīng)該處于量子級(jí)別。他的這個(gè)想法非常超前，當(dāng)時(shí)脫氧核糖核酸（DNA）是遺傳物質(zhì)的假設(shè)還沒有提出來。
后來，生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)DNA密碼確實(shí)是由重復(fù)的結(jié)構(gòu)——DNA堿基——組成的。DNA堿基非周期性地出現(xiàn)，每個(gè)重復(fù)單位中一定包含四種不同堿基中的一種。
另一個(gè)重要的觀點(diǎn)是：生命體系中存在量子躍遷現(xiàn)象。生命及遺傳的穩(wěn)定性與輻射下的變異 (突變) 的不連續(xù)性 (jump-like mutations)，說明了生命遵循量子規(guī)律。
最后，薛定諤得出一個(gè)結(jié)論： 生命是非平衡系統(tǒng)，以負(fù)熵為生，從環(huán)境抽取“序”以維持其系統(tǒng)的組織。
根據(jù)熱力學(xué)第二定律，即“熵增定律”，在自然過程中，一個(gè)孤立系統(tǒng)的總混亂度（即“熵”）不會(huì)減小，因此只能從有序轉(zhuǎn)向無序，而不能從無序轉(zhuǎn)向有序。
那么薛定諤就認(rèn)為，一個(gè)生命有機(jī)體無時(shí)無刻不在生產(chǎn)或者增加著熵，同時(shí)它們不斷趨近熵的最大值。人類的衰亡就是熵不停增加的原因。而為了抑制或者消除熵的增加，生命有機(jī)體只能借助于外界的負(fù)熵（薛定諤提出的概念），從而保持自身在一個(gè)穩(wěn)定的水平上。
薛定諤《生命是什么？》一書的出版引發(fā)了一場(chǎng)跨學(xué)科的對(duì)話，打開了分子生物學(xué)新的發(fā)現(xiàn)之門，使得一批年輕有為的物理學(xué)家和化學(xué)家投身到生物學(xué)和遺傳學(xué)的研究洪流中。
就在薛定諤提出自己的構(gòu)想后的十年后，克里克（Francis Crick）、沃森（James Watson）以及威爾金斯（Maurice Wilkins）等人就發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。到了1961年，遺傳密碼也被破譯了。
薛定諤在書中的奇思妙想，讓他無愧于天才之名?！渡鞘裁矗俊芬呀?jīng)被奉為量子生物學(xué)的開山之作。在他的影響之下，越來越多的學(xué)者開始研究生命的量子現(xiàn)象。從酶催化效率到鳥類導(dǎo)航乃至人類意識(shí)，都可以發(fā)現(xiàn)量子現(xiàn)象。
1956年，69歲的薛定諤回到了闊別多年的家鄉(xiāng)奧地利，在維也納大學(xué)理論物理研究所教學(xué)直到去世。1961年1月4日，薛定諤因患肺結(jié)核病逝于維也納，這顆璀璨的科學(xué)之星離去了，但量子力學(xué)從此蓬勃發(fā)展。
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