薛定谔(1887~1961),奥地利物理学家,为发展量子力学作出了重大的贡献,因建立描述电子和其他亚原粒子的运动状态的波动方式,而与狄拉克共获1933年诺贝尔物理学奖。他是怎样创造出“奠定现代量子力学基础”的方程式的呢?在科技高度发展的现代,薛定谔仍是物理学出版刊物中出现频率颇高的学者,他推开了波动力学的大门。
薛氏1887年8月12日出生于维也纳一个手工业者家庭。老薛定谔是一个文质彬彬的绅士,他受过多种教育,热爱自然科学和艺术,有深厚的文化修养,幼年的薛定谔受到父亲的深刻影响。
薛定谔只进过一次小学的校门,时间不足两个月,他的启蒙教育主要是由家庭教师和父亲担任。儿童时代的薛定谔就能流畅地使用英语等多种语言,11岁时,薛定谔进入了维也纳高等专科学校的预科。这时的薛定谔已经偏重于发展对自然科学的兴趣与爱好,表面上他是一个各方面都无可挑剔的好学生,内心里却只偏爱数学和物理。最终,这名一直受到各科老师宠爱的学生,进入维也纳大学物理学院。在那里有著名的物理学家哈泽诺尔和实验物理学家埃克斯纳。
1910年,薛定谔在哈泽诺尔指导下,获得了博士学位。毕业后他幸运地留校担任埃克斯纳的助手。在这一时期,薛定谔受到了实验科学方面的严格训练,获得国家科学的大奖。哈泽诺尔和埃克斯纳终于把薛定谔铸造成了一位新的科学大师,就像他们的老师玻尔兹曼一样。
经过几次调动后,薛定谔最后落脚在瑞士风光美丽的旅游城市苏黎世,他的生命交响乐中最辉煌的主旋律开始了。但是温馨恬静的苏黎世,并没有成为科学家的世外桃源,物理学的黑色风暴开始席卷整个欧洲。
当卢瑟福发现原子结构以后,1913年他的学生玻尔把量子论与经典电磁理论结合,成功地提出了原子结构的量子理论,特别是用轨道量子化比较理想地解释了实验现象。
玻尔理论是量子理论发展的一座里程碑,后来,德国物理学家海森堡等人从原子光谱数据的内在联系出发,建立了描述微观粒子状态的矩阵力学,才突破了理论上的旧格局。
薛定谔主要是在第一次世界大战后开始关心原子结构问题的,他对玻尔的理论很不满意。他一方面应用玻尔量子论从事研究,一方面试图发展它、突破它。从1919~1923年,薛定谔涉足了原子结构的几乎所有领域,取得了一系列扫清外围障碍式的科研成果。他坚持认为,玻尔理论应作为某种本征值问题自然导出,但却苦于无法找到适当的突破口。
1924年,法国物理学家德布罗意的波粒二象理论,为薛定谔建立波动力学打开了第一扇大门。而爱因斯坦从德布罗意的理论中悟出了真理,并发表了关于理想气体量子统计的论文,这引起了薛定谔的注意。
从1926年1月26日到6月22日,薛定谔接连发表了6篇关于量子力学的论文,这些论文融玻尔理论、海森堡矩阵力学、哈密顿相似关系和德布罗意波理论为一炉,从而使波动力学成为一个有效的完整体系。
怎样描述原子内部电子运动的状况,从汤姆逊发现阴极射线粒子流即电子以后,一直困扰着物理学家。现在问题解决了,了解电子的运动状况,只要用薛定谔方程就可以解出。薛定谔方程对于核外电子的运动,如同牛顿三定律对于宏观物体的运动一样。这就是薛定谔方程的地位。
波动力学的问世,在物理学界引起了轰动,受到大多数物理学家的赞赏并得到广泛运用。它不像矩阵力学那样遭人冷遇,因为波动力学采用的是经典理论常用的偏微分方程描述方法和易于理解的概念,这是大多数物理学家所熟悉的。
薛定谔晚年一直致力于用量子力学来促使生物学和物理学的统一研究,用波动力学的最新成就和方法分析生命现象。1944年,薛定谔的《生命是什么》一书出版。这本不足100页的小册子在科学界再次引起了“薛定谔轰动”,极大地推动了量子生物学的发展。
《生命是什么》一书引起的轰动,不亚于18年前的波动力学方程的建立。作为量子力学创始人之一的薛定谔,提出用热力学和量子力学研究生命的本质,预告了生物学革命新时代的黎明。《生命是什么》的出版很快吸引了一大批年轻物理学家进入这个充满胜利希望的前沿阵地。
光散射效应的发现
水是无色透明的,大气也是无色透明的,但大海是蓝的,天也呈现蔚蓝色,这是什么原因呢?第一个对此给予正确解释的是拉曼。拉曼(1888~1970),印度物理学家,因发现光通过透明物质时波长发生一定变化,荣获1930年诺贝尔物理学奖。
拉曼1888年11月7日出生于印度南部的蒂鲁吉拉伯利,他的家庭属于印度婆罗门教。拉曼小时候是个神童,12岁就以优异成绩通过升学考试,进入马德拉斯大学的一所学院。
1904年,拉曼16岁时获得物理学学士学位,他的成绩在全体学生中名列第一,因此获得学校颁发的物理学金质奖章。三年后,他又顺利获得了数学硕士学位。1906年,拉曼在英国权威科学刊物上发表了第一篇有关数理方面的学术论文。
1917年的一天,加尔各答大学副校长穆柯伊爵士在一次集会上,结识了年轻的拉曼。他十分赏识拉曼的才华,当他了解拉曼在独立进行科学研究,已发表了三十余篇很有价值的研究论文时,更加赞叹不已,邀请拉曼到加尔各答就职。
在加尔各答大学,拉曼夜以继日地进行声学和光学的研究。很快,他取得了出色的研究成果,引起了英国科学界的注意。当时的印度属于英国的附属殖民地,拉曼心中燃烧着炽热的爱国主义情感,认为欧洲人能办到的事,印度人也能办到。1921年,拉曼代表加尔各答大学出席了在牛津召开的英国大学会议,会上他为皇家学会作了科研报告,备受人们的欢迎。
在取道地中海回国的途中,他偶然听到一对母子对话,这促成了他科学研究的新转折。轮船穿过直布罗陀海峡进入了一碧万顷的地中海,蔚蓝色的海面风平浪静,一位印度年轻母亲领着八九岁的小男孩,正在谈话——“妈妈,这个大海叫什么名字?”
“地中海!”
“为什么叫地中海?”
“因为它夹在欧亚大陆和非洲大陆之间。”显然,这个小男孩是聪明好学的,他引起了拉曼的注意。
“妈妈,大海为什么是蓝色的?”碧蓝的海水成了小男孩疑问的对象。慈爱的妈妈一时语塞,她只好向拉曼投去求援的目光。拉曼蹲下身来,亲切地牵着小男孩的手,说:“小朋友,海水之所以呈现蓝色,是因为它反射了天空的蓝色。”孩子的问题解决了,可是疑问却压在了拉曼的心头。刚刚回到加尔各答,拉曼立刻着手研究海水为什么呈现蓝色的课题。拉曼把这样一个日常生活中常见的问题作为光线散射与水分子关系的典型物理现象,通过大量的实验,他获得了成功。在1922年《英国皇家学会会报》上发表了论文,他用细致的分析证明了水分子对光线的散射使海水显出颜色的机理,它与大气分子散射太阳光而使天空呈现蓝色的机理完全相同。拉曼从研究海水蓝色的普通常识出发,进而深入到分子与光线散射相互作用的科学前沿。
拉曼运用爱因斯坦等人的涨落理论进行研究,观察光线穿过净水、冰块及其他材料时的散射现象,取得了充分的实验数据,最后他成了散射问题专家。
20世纪初,德国科学家普朗克提出了量子论,爱因斯坦继而提出光量子的概念,从这些理论研究的进展中,人们逐渐认识到光的粒子性。拉曼的伟大贡献,就是为科学界最后接受这一观念提供了强有力的证据。
拉曼从1919年开始研究散射问题,他取得的第一项重要成果,是形成海水颜色的分子散射理论。1923年4月,他与助手一起研究光被其他物质散射时,分别在固体、液体和气体中发现了一种普遍存在的光散射效应。后来人们为了纪念拉曼,把这种光散射效应称为“拉曼效应”。新发现很快传遍了世界各地,人们普遍认识到这一发现对量子力学和相对论的巨大意义。
拉曼效应的发现为研究物理结构提供了一种有效的手段,因而也为全世界的科学研究开辟了一条新的道路,拉曼因此在1930年荣获了诺贝尔物理学奖。
1970年10月,拉曼这位伟大的印度科学家与世长辞了,享年82岁。