【诺贝尔物理学奖】薛定谔:量子之谜与不凡人生

埃尔温·薛定谔,奥地利物理学家,量子力学奠基人之一,分子生物学的先驱,维也纳大学哲学博士、苏黎世大学、柏林大学、格拉茨大学教授,在都柏林高级研究所理论物理学研究组中工作了17年,因发展了原子理论,和狄拉克共获1933年诺贝尔物理学奖,又于1937年荣获马克斯·普朗克奖章。


薛定谔


可以打赌的是当听到“薛定谔”这个词时你立马想到的肯定是薛定谔的猫,但你真的了解这个著名悖论背后的这个男人吗?

今天这篇文章就带你一起来认识这位猫比人还出名的鬼才科学家。

薛定谔于1887年8月12日出生于维也纳,该家庭的几代人都定居在维也纳。他是一位才华横溢、受过广泛教育的人,完成化学学习后,他多年来致力于意大利绘画。此后,他开始研究植物学,发表了一系列有关植物系统发育的论文。

薛定谔的广泛兴趣可以追溯到他在文理中学的学生时代,在那里他不仅喜欢科学学科,而且欣赏古代语法的严格逻辑和德国诗歌的美丽。

他说他讨厌的是死记硬背数据和从书本上学习。


费利克斯·布洛赫 、普朗克、薛定谔

1906年至1910年,他在维也纳大学学习,期间受到玻尔兹曼的继任者弗里茨·哈森诺尔的强烈影响,正是在这些年里薛定谔掌握了连续介质物理学中的特征值问题,从而为他未来的伟大工作奠定了基础。此后,作为弗兰兹·埃克斯纳的助手,他与他的朋友一起为学生进行了实践工作。正如他所说,他自己没有学习什么是实验。

第一次世界大战期间,他担任炮兵军官。在大学教育期间他孜孜不倦地阅读印度神秘作家以及叔本华和斯宾诺莎等欧洲哲学家的著作。

1920年,他担任马克斯·维恩的助理,担任学术职务,随后在斯图加特布雷斯劳和苏黎世大学担任职务,并在那里定居了六年。在后来的几年里薛定谔非常高兴地回顾他的苏黎世时期,正是在这里,他与许多同事进行了接触和友谊。其中包括赫尔曼·韦尔和彼得·德拜,这也是他最富有成效的时期,积极从事理论物理的各种学科。他当时的论文涉及固体比热,热力学问题和原子光谱问题。他对玻尔兹曼的概率论非常感兴趣,此外由于他与科尔劳施和埃克斯纳的接触以及亥姆霍兹的讲座,他还沉迷于颜色的生理学研究。

他的伟大发现——薛定谔波动方程,就是在1926 年上半年做出的。当时的物理学界信奉的是牛顿经典力学,对微观世界的探秘研究甚少,而量子革命逐渐在普朗克、爱因斯坦、玻尔的理论激辩中慢慢揭开了神秘的面纱。

1926年1月他39岁,薛定谔在《物理年鉴》发表文章《以特征值问题处理量子化理论》来处理波动力学,并引入了现在称之为的薛定谔方程,本文被视为二十世纪最重要的成就之一,创造出量子力学的革命,并延伸到物理及化学的各个领域。

随后,薛定谔在几个月内连续发表了多篇重要文章,这些文章在物理界被公认为意义重大,奠定了薛定谔在量子力学上泰斗的地位。


薛定谔方程

薛定谔本人并不太喜欢量子理论,他说:我不喜欢它,对于我得引入它我感到抱歉。这是由于他对玻尔轨道理论中的量子条件的不满,以及他认为原子光谱实际上应该由某种特征值问题决定的结果,由于这项工作他与狄拉克共同获得1933 年诺贝尔物理学奖,他在量子力学中的地位相当于牛顿在经典力学中的地位。

1927年,薛定谔搬到柏林,在那里与现代物理学的其他伟大人物一起工作,如爱因斯坦、普朗克、冯·劳厄和恩斯特·马赫,随后成为普朗克的继任者。普朗克是诺贝尔物理学奖的首位获得者之一,提出了普朗克辐射定律,这是描述黑体辐射的一个公式,为量子力学的发展奠定了基础。

在1900年时普朗克就提出了能量的量子化概念,即能量不是连续的,而是以不可分割的小固定单位(即量子)进行传播,这一理论为后来量子力学的建立打下了基础。

德国首都当时是伟大科学活动的中心,薛定谔热情地参加每周一次的同事们的座谈会,其中许多人“在年龄和声誉上都超过了他”。然而,随着希特勒1933 年上台,薛定谔决定他不能继续留在德国。于是他来到英国并在牛津大学,获得了一段时间的奖学金。

1934年,他受邀到美国普林斯顿大学讲学,并获得了那里的永久职位,但他没有接受。

1935年他48岁,提出了著名的“薛定谔的猫”的思想实验。


“”薛定谔的猫 “思想实验

首先把一只猫放进封闭不透明的盒子里,然后放进一个微观的放射性原子,一个可以检测原子衰变的装置和一个毒气释放装置,它半衰期是一个小时,一个小时内可以产生一个粒子也可能不产生。假如一个粒子产生,装置检测到原子衰变,触发毒气释放猫就死了,那么一个小时后这只猫是死是活呢?如果不打开盖子,猫的状态可能死、可能活,处于生存与死亡的叠加态,直到打开盖子,观察者介入,猫的状态才得以确认。

微观的量子力学要如何诠释宏观的生死状态,薛定谔提出了一个很尖锐的物理问题,这就是著名的 “薛定谔的猫”,这个思想实验成为量子力学最经典的问题,也是量子理论的试金石。

1936年,奥地利的格拉茨大学向他提供了一个职位,他经过深思熟虑才接受了这个职位,因为他对祖国的渴望超过了他的谨慎。

1938年奥地利被德国吞并后,他立即陷入了困境,因为他在1933年离开德国,被认为是不友好的行为。不久之后,他设法逃到意大利,从那里他前往牛津,然后又到比利时的根特大学,短暂停留后,他搬到爱尔兰首都都柏林新成立的高级研究所,担任理论物理学院院长。

他在那里工作了17年直到1955年退休,在此期间薛定谔继续他的研究,并发表了50余本著作,涉及到各种主题的论文。包括统一引力和电磁学的问题,这个问题也吸引了爱因斯坦,但仍未解决。主要著作有《波动力学四讲》、《统计热力学》等。

在都柏林期间,他进行了一系列公开讲座,其中他选择从理论物理学的角度讨论生命现象。1944年,这些会议催生了《 生命是什么》一书,由于薛定谔在几年前的1933年获得了诺贝尔奖,因此该作品引起了广泛关注。他将量子力学在生物科学领域进行了深入研究,他成为蓬勃发展的分子生物学的先驱,后来发现DNA双螺旋的科学家表示,深受薛定谔的启发和影响。


《生命是什么》

通过这部简短的著作,薛定谔试图帮助理解遗传物质的物理性质,即包含有机体发育所必需的遗传信息的物质。在此之前,性状的遗传首先是用经典遗传学和细胞学的方法来研究的。基因,即那些能够被后代遗传并能够确定性状的离散实体已知位于染色体上。

人们知道体内的每个细胞都有一整套染色体,这些染色体在正常细胞增殖(有丝分裂)和性过程(减数分裂)期间复制,通过在两个子细胞之间等量划分来减半。

人们还知道蛋白质和DNA都存在于染色体中,但人们普遍认为遗传信息是由蛋白质的20种氨基酸的组合编码的,而不是由DNA的4种核苷酸及其双螺旋结构编码的。在那些年里人们对突变现象进行了重要的实验,即对个体出生时偶尔出现的角色的新变体进行研究。

薛定谔的推测尤其受到德耳布吕克关于辐射诱发突变的一些著作的影响,他在物理学随着量子物理学的发展加深物质结构的时期详细阐述了它们。

在那些年里,物理学家、天文学家、哲学家和一些生物学家都在讨论最新科学进步所产生的一般性问题,讨论最多的问题之一是经典物理定律和量子物理定律之间的区别。

他对原子物理学的基础仍然非常感兴趣。薛定谔不喜欢普遍接受的波和粒子的双重描述以及对波的统计解释,并试图建立一个仅用波的理论,这也导致他与其他领先物理学家发生争议。


晚年生活

退休后,他回到维也纳享有崇高的地位,他在长期患病后于1961年1月4日去世,享年73 岁。

薛定谔的一生见证了科学的飞速发展,他也亲历了两次世界大战,他以坚定的信念和智慧,在变幻莫测的岁月里,为人类的知识进步贡献了不可磨灭的足迹。他所开辟的道路引领我们

更深入地探索微观世界,感受自然界的奥秘与美妙。

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