——讀格里賓《量子、貓與羅曼史——薛定諤傳》一書有感
初中數(shù)學課本中，中學生印象最深的應當是牛頓的三大運動定理，它們是整個精典熱學的基礎，精典熱學的大樓就構建在此之上。在二十世紀早期，隨著化學學家對微觀世界的深入了解，發(fā)覺了基本粒子層面許多與宏觀世界完全不同的性質和運動特點，在對這種現(xiàn)象進行剖析和研究的過程中，微觀世界的大樓也漸漸清晰上去，而支撐這一大樓的基本化學規(guī)律之一，就是薛定諤多項式。
埃爾溫·薛定諤是瑞士化學學家，量子熱學的奠基人之一。他在數(shù)學學方面的最大貢獻，就是在德布羅意物質波理論的基礎上，構建了波動熱學。由他所構建的薛定諤多項式是量子熱學中描述微觀粒子運動狀態(tài)的基本定理，它在量子熱學中的地位大致相像于牛頓運動定理在精典熱學中的地位。薛定諤對生物學的發(fā)展也作出過重大貢獻。他所著的《生命是哪些》一書，企圖用熱力學、量子熱學和物理理論來解釋生命的本性，致使許多青年化學學家開始注意生命科學中提出的問題，引導人們用數(shù)學學、化學方式去研究生命的本性，使薛定諤成為蓬勃發(fā)展的分子生物學的先驅。
一、薛定諤多項式的提出
19世紀的最后三天，法國知名的科學家相聚一堂。會上，日本知名化學學家W·湯姆生（即開爾文男爵）發(fā)表了圣誕賀詞。他在回顧數(shù)學學所取得的偉大成就時說，化學大樓早已開館，所剩只是一些修飾工作。并且，他話鋒一轉又說：“大廈上空還飄浮著兩朵‘烏云’，邁克爾遜－莫雷實驗結果和宋體幅射的紫外災難?！?span style="display:none">iwp物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
第一朵烏云是關于光傳播的介質的。牛頓精典熱學理論覺得，光的傳播是須要介質的，這些名為“以太”的介質飽含著整個宇宙空間。既然“以太”是一種物質，他都會隨著月球、太陽等的運動而運動。邁克爾遜和莫雷設計了一系列實驗，經(jīng)過不懈努力，于1887年12月宣布月球和以太之間不存在相對運動。
第二朵烏云是受熱物體向外幅射電磁波這一現(xiàn)象的理論解釋與實驗結果不相匹配。日本化學學家維恩和美國化學學家瑞利分別根據(jù)熱力學和精典統(tǒng)計數(shù)學學得出了熱幅射的兩個公式，結果一個在高頻幅射部份和實驗相符合，一個在低頻幅射部份和實驗相符合（紫外災難），精典數(shù)學學的理論深陷窘境和危機。
沒想到，這兩朵烏云在瞬息之間轉化為了抗風洪水，沖擊和洗刷著精典數(shù)學學的基礎，撼動著整個數(shù)學學的主樓。1900年的10月，美國化學學家普朗克首先提出了一個驚世駭俗的觀點：物質之間能量的交換不是連續(xù)的，而是一份一份的，并且是hν的整倍數(shù)，hν被稱之為“能量子”，并借此解釋了熱幅射的理論與實驗不相符合的問題。
量子論的誕生，是對精典數(shù)學學理論的重大突破，它把精典數(shù)學學中一切因果關系都是在連續(xù)的基礎上所構建的數(shù)學思想方式徹底地改革了。1905年，愛因斯坦在普朗克量子論的基礎上，構建了狹義相對論，單獨的時間和空間不再存在，代之以時間和空間的四維統(tǒng)一體。在狹義相對論中，光的傳播不須要以太，自然地解決了邁克爾遜－莫雷以太實驗結果的困局。
在愛因斯坦、玻爾等科學家的促進下，量子理論獲得了急速發(fā)展。在人們認識到光具有波動和微粒的二象性以后，為了解釋一些精典理論難以解釋的現(xiàn)象，日本化學學家德布羅意于1923年提出了物質波這一概念。覺得一切微觀粒子均伴隨著一個波，這就是所謂的德布羅意波。因為微觀粒子具有波粒二象性，微觀粒子所遵守的運動規(guī)律就不同于宏觀物體的運動規(guī)律，描述微觀粒子運動規(guī)律的量子熱學也就不同于描述宏觀物體運動規(guī)律的精典熱學。為了描寫微觀粒子狀態(tài)隨時間變化的規(guī)律，就須要找出波函數(shù)所滿足的運動多項式。這個等式是薛定諤在1926年首先提出的，被稱為薛定諤多項式。薛定諤也因而而獲得了1933年的諾貝爾化學獎。
二、薛定諤的貓
1921年，在知名量子化學學家玻爾的呼吁下，創(chuàng)立了奧斯陸學院理論化學學研究所，由此構建了赫爾辛基學派。該學派在玻爾的率領下對量子化學學有著深入廣泛的研究，也培養(yǎng)了大量的杰出數(shù)學學家，海森伯、泡利和狄拉克都是其中最為重要的成員，在量子熱學的盛行時期以前成為全世界最重要、最活躍的學術中心。
在薛定諤提出波動多項式的前一年，“哥本哈根學派”也有了重要的發(fā)覺。她們從玻爾關于氫原子的定態(tài)躍遷理論和對應原理出發(fā)，在將其拓展到其他原子的復雜體系的過程中，造成了1925年海森堡矩陣熱學方式的量子熱學的構建以及電子載流子的發(fā)覺。以后，玻恩、玻爾、狄拉克等人對此矩陣熱學進行了豐富，產(chǎn)生了與薛定諤多項式完全不同的量子熱學的抒發(fā)方式，但最令人驚奇的是，這兩種理論的結果又是一致的！
歷史又重啟了新的一幕。
關于光是哪些，在化學學史上以前就有一次爭辯，一方是牛頓的粒子說，一方是惠更斯的波動說。由于牛頓在構建精典熱學體系中的巨大貢獻，致使人們都覺得光是一個個的粒子，直至19世紀托馬斯·楊的雙縫干涉實驗，才使人們認識到光是一種波。
如今，一個新的問題出現(xiàn)了，薛定諤所描述的波，是一個連續(xù)過程的典型范例，而海森堡的矩陣給出了一個非連續(xù)過程的典型描述，但是這三者描述的結果還是等價的。這讓你們都倍感困擾不已。用玻爾的話來說，它們猶如一個硬幣的兩面，你可以聽到正面或則反面，但不能一下子見到兩面，它們是硬幣的互補部份。由于玻爾等人的努力，再加上在物理運算上相對便捷，最終“哥本哈根學派”的量子熱學成了正統(tǒng)的解釋，而薛定諤的解釋只有愛因斯坦等人仍然固守著。
在“哥本哈根學派”的解釋中，有一個觀點最讓愛因斯坦、薛定諤等人頗感疑惑，那就是有關“波函數(shù)坍縮”的概念。“哥本哈根學派”認為，物質在被觀測之前，是處于一種不確定的疊加態(tài)的，也即處在各類可能的狀態(tài)之中，直至觀察者去觀察的時侯，他就會“坍縮”為某一具體的狀態(tài)。
為了駁斥這些觀點，否認量子熱學在宏觀層面是不完整的，薛定諤設計出數(shù)學學史上最知名的植物——“薛定諤的貓”，做了一個極其深刻的思想實驗：不透明的袋子里裝著一只貓，袋子中另外還有一個原子衰變裝置，原子會隨機發(fā)生衰變，一旦衰變發(fā)生，還會迸發(fā)一系列連鎖反應，最終打破袋子里的毒氣罐而毒死貓，反之貓則活。在打開袋子觀測那剎那間之前，原子的衰變和貓的死活都處于一種疊加態(tài)，只有當打開袋子的一霎那，貓的死活才確定出來。所以，在打開袋子之前，貓既是死的，又是活的。
問題是，現(xiàn)實中的貓如何可能是“既死又活”的呢？量子論難以解釋現(xiàn)實世界，這成了量子論無數(shù)個困擾之謎中最神秘的一點。假如將這一思想實驗推演到整個宇宙的范圍，是否由于我們對宇宙的觀察，宇宙才存在？其實，奧斯陸解釋存在很大的愚蠢性。
近來那些年，人們早已才能通過實驗作出更多的研究，發(fā)覺“哥本哈根學派”在量子熱學理論上的不足，并逐漸認識到薛定諤多項式以及他對量子熱學相關描述的重要價值。在此過程中，量子密碼學、量子計算機等一系列新興的科學也得到了長足的發(fā)展。相信薛定諤在天有靈，也會倍感沮喪的。
三、薛定諤的羅曼史
本書的作者覺得，一個人的家庭背景很自然地影響著他長大成人后是哪些樣子，也同樣影響他的思索形式。對照薛定諤來看，這句話還是很有道理的。
薛定諤是個獨子，有著兩位嬌慣他的月經(jīng)、一個表姊妹，還有一串保姆和男仆，她們從小慣著他，任其隨心所欲。他長大后，總是希望女人討好他，而不怎樣關注她們的需求，與此是有很大關系的。他甚至從還不能寫字的時侯就開始記日記，后來成了他一生的習慣，人們從他的那些日記中，找到了他與女人調情的好多細節(jié)。
薛定諤是一位多情種子，畢生陷于戀情的旋渦與畸戀中。雖然在33歲那年成婚后，他依然是激情洋溢，婚外情不斷，其對象既有未婚的研究助手的兒子，也有年方二八的他曾補習過物理的女學生；既有享譽遐邇的藝人和藝術家，也有年青的政府職員。而這些甜蜜風流仍然持續(xù)到年逾古稀，而且有不止一個非婚生的小孩。薛定諤不喜歡一夜情，對于每一段情感履歷，他都十分投入，并因此創(chuàng)作了不少癡纏的短詩。
薛定諤雖然生活在維也納和阿姆斯特丹這樣宗教色調很濃的地方，竟也能渾然不顧慮傳統(tǒng)還禮量子生物學和量子物理學是什么意思，覺得這是他個人的自由，甚至構想過一妻一妾的生活。而同樣令人稱奇的是，他的正室夫人安妮也和他一樣，在外邊找尋化學學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。安妮終生沒有生育，這似乎也是薛定諤經(jīng)常去找尋出軌的一個誘因。但雖然她們的婚姻歷經(jīng)這些種事端量子生物學和量子物理學是什么意思，居然能白頭到老，但是安妮還親自照顧了他非婚生兒子的小孩期。
薛定諤經(jīng)常掉入情網(wǎng)，而當他深陷戀愛之中時，基本上他的生活都是美好的，而他的科學創(chuàng)造力也從中受益。1925年到1926年，在薛定諤接連寫了6篇論文，探討自己對波動熱學的重要主張，并提出薛定諤多項式期間，也正是他又一次外遇期間。
看來感情確實是有很大動力的，愛因斯坦的分別提出狹義相對論、廣義相對論，就與他的兩次婚姻直接相關。后來他又有了外遇，但最終沒有才能和自己的姐姐結婚。如果他的外遇最終成了現(xiàn)實，是否會造成他第三次化學學的重大發(fā)覺？這還真的難說。
還是回到薛定諤這兒來吧。這些薛定諤式的感情，這樣的家庭關系，與我們腦子中的科學家形象，估計還是會有很大反差、相去甚遠的。雖然在她們的那種時代，有些事情是被她們所在的圈子所認可的，例如與朋友和友人的父親、丈夫之間的婚外戀情，但薛定諤走的還是比較遠的。其實，這樣一位有血有肉的諾貝爾得獎者，才讓我們愈發(fā)認為真實吧。
《量子、貓與羅曼史——薛定諤傳》[英]約翰·格里賓/著匡志強/譯北京科技教育出版社2013.12