埃尔温·薛定谔

埃尔温·薛定谔

1925年至1927年间，科学面临空前绝后的革命。当然，科学史上也有其他伟大的时刻，例如哥白尼、伽利略、牛顿、达尔文、爱因斯坦、康普顿·克里克及华生等人的新发现，从本质上改变我们对于这个世界的理解。但我认为，这些伟大天才们改变科学的深远程度都比不上量子力学。这个领域在几年的时间里发展起来，并且永远地改变我们对现实存在的看法。

我来简单介绍一下1920年代初期物理界的情况。当时已知所有的物质由原子组成，科学家们对于这些原子内部的构造以及其组成也已经有粗浅的了解。由于爱因斯坦的贡献，我们知道光既能够表现出粒子流的性质，也可以像蔓延开来的波，依所建立的实验装置是针对光的何种性质而定。同时也有愈来愈多证据显示，物质粒子（例如电子）同样可以呈现出这两种相互矛盾的性质，尽管非常怪异。

1916年，玻尔从曼彻斯特凯旋荣归，回到哥本哈根。他在曼城时曾协助欧内斯特·卢瑟福德建立一个原子内的电子如何环绕原子核运行的理论模型。几年之后，在嘉士伯啤酒商的赞助下，他在哥本哈根成立了一间新的研究机构。在获颁1922年诺贝尔物理学奖的殊荣之后，他开始找来一些当代最伟大的科学天才。这群“后起之秀”当中最有名的当属德国物理学家海森堡。 1925年夏天，海森堡在德国赫里戈兰岛治疗他的花粉症，逐渐康复的同时，他也在建构描述原子世界所需的新数学并取得重大进展。这是一种奇怪的数学，它所告诉我们关于原子的一切则显得更加不可思议。例如，海森堡认为不仅在不进行量测时，我们无法指出原子电子确切的位置，即便进行量测，电子本身也不会有一个明确的位置，而是一团难以掌握的模糊状态。

海森堡被迫得出这样的结论：原子世界是一个虚幻的半真实世界，只有当我们建立一套量测仪器去探测它时，才能将它转化为具体而清晰的存在。即使如此，仪器也只能显示量测所针对的性质。

在没有详述太多技术细节的前提下，测量电子位置的仪器确实会找出电子的位置，而另一套测量电子运动速度的仪器也会提供确切的答案，但却不可能在实验中同时测出电子的确切位置及其运动速度。这个想法即是著名的海森堡测不准原理（Heisenberg Uncertainty Principle），迄今仍然是科学上最重要的概念之一。 1926年1月，大约在海森堡发展这些构想的同时，薛定谔发表了一篇论文，提出另一种数学方法来描绘原子的不同图像。

他的原子理论表明，环绕原子核的电子并非位置模糊而不可测知，它其实像是原子核周围的一种能量波。电子之所以没有明确位置，是因为它并非是一个粒子，而是一种波动。薛定谔想要区分下面两者：电子看起来是一团模糊晕开的图像，与电子是一团清晰可辨的云雾。在这两种情况下，我们都无法指出电子的明确位置，但薛定谔倾向认为电子其实是散布开来的波，直到我们查看它为止。他的原子理论被称为“波动力学”，其著名的方程式用来描述这些波动如何随着时间以完全命定的方式演变。

时至今日，我们已经学会用这两种方式来看待量子世界——海森堡抽象的数学方法，以及薛定谔的波动方式。这两种表述方式都没有问题，学生也都会学到；量子物理学家则根据手边欲解决的问题形式，轻易地在这两种表述之间转换。而且，这两种理论都对这个世界的物理现象做出相同的预测，并与实验结果完美吻合。其他量子物理先驱如沃尔夫冈·泡利和保罗·狄拉克也曾在1920年代晚期指出，这两种理论在数学上是完全等价的，差别只在于用哪种理论描述原子所对应的特殊性质较方便而已。情况类似用两种不同的语言描述同一件事。

量子力学作为一种数学理论，尽管已经极为成功地诠释微观原子世界的结构，以及从电子、夸克、到微中子等构成物质的各种要素，它仍然有一些尚未解决的问题，包括我们应如何诠释数学，以及量子世界如何放大成为我们所熟悉及居住的巨观世界。后者正是薛定谔在他的悖论中凸显的问题。