正在阅读《第4章 驯服野兽》
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薛定谔博士

现在仍然有人不接受玻尔原子理论中的电子壳层和量子跃迁。这些理论没有解释为什么只存在特定的能量壳层,以及为什么其预测的数据并不总是与实验相符。

玻尔根据不同的理论把原子捣碎、揉在一起,就像一个玩洋娃娃的孩子强迫娃娃亲吻。他知道这不能一劳永逸,必须有一个更简洁、更优雅、没有人想过的理论。想出这个理论的人是埃尔温·薛定谔。相较于他的理论,薛定谔的个人生活更令全城人津津乐道。

薛定谔是个天才,他有些离经叛道,崇尚精神自由,喜欢打领结。在长达50年的职业生涯里,他就科学、艺术和哲学等主题撰写了大量文章。薛定谔是上流社会的弃儿,他与妻子安妮、情人希尔德的三角恋引发了不少流言蜚语。

尽管生活很有趣,但薛定谔的绯闻并不是他获得诺贝尔奖的原因(这本来可以当作获奖感言)。薛定谔获奖,是因为他有更好的方法解释原子。

骗子

薛定谔讨厌圣诞节。他反对带有宗教色彩的活动,这是人尽皆知的。所以,1925年12月,他决定搬到瑞士一座偏僻的别墅,从而远离一切庆祝活动。薛定谔的妻子留在家里,但“一位来自维也纳的旧情人”在避寒期间陪着他,这位女友的身份已不可考。[2]这段时间里薛定谔没有写日记,所以没有人知道他究竟做了什么,但我们知道他度假的行李箱中装着一个待解决的物理问题。

薛定谔一开始对量子论不感兴趣。他是个天才的物理学家,但专业领域是波的行为,而不是粒子。老实说,他对电子、光子和质子感到厌烦。当然,自从人们意识到有时需要把这些粒子看成波后,他就不这么觉得了。

如果把电子当成粒子,薛定谔知道很多方程来描述它的行为;但如果把它当成波,人们就束手无策了。他后来写道(转述自德语):“这种极端的想法可能是错的……换句话说,忽略波的相反观点导致了很大的困难,以至于似乎应该夸大另一种方法的重要性。”[3]

其他人都在用粒子物理来描述原子,但如果他能提出一种波动方程以达到同样的效果,也许会带来新的洞见。本质上,薛定谔是想表现得特立独行。不管怎样,考虑到他得到了异性的青睐,而且将诺贝尔奖章随意地摆在壁炉上,或许我们可以说他做到了。

薛定谔自己也承认,他对数学了解不多,想不出新的定律,[4]但在那个不可思议的冬天,他显然把自己吓了一跳,因为在新年伊始,他带来了每个人都在寻找的东西:一个能准确描述核外电子能量的方程。

薛定谔把波粒二象性如何成立的问题放在一边,只关注事物的波动性。他设想把原子表面的每一个电子拉伸,就像把一块黄油涂在烤面包上一样。这层电子膜可以缠绕原子核,并以特定的频率振动。

对于给定的输入值,比如质量或原子核的牵引力,薛定谔方程能准确地预测原子中的电子以三维方式振动的形状,他称之为“波函数”。

波函数是一种方程,你可以用它来生成电子在特定空间或特定时间的一系列属性:波高、波长、波速等。

薛定谔方程对波函数(波函数是薛定谔方程中的一个方程)进行计算,并预测了电子的性质和行为如何随时间变化。不仅如此,它最终解释了为什么只存在特定的能量壳层。

我们要去的地方不需要粒子

由于原子中的每个电子都被原子核所俘获,所以电子的行为受到限制。例如,一个波只能以完整的波形出现,如下两图所示。左图表示单波,右图表示双波。

你找不到四分之三波,因为它不适合出现在直线上。直线上只允许出现特定的形状。

允许出现的波叫作“谐波”。这个听起来很有音乐感的名称并非巧合。上图的形状相当于你演奏的弦乐器的音符,在空气中每个波形都产生不同的声音。

当你拨动吉他弦或班卓琴弦,它会以一种特定的能量振动。不同的音符代表不同的谐波(允许出现的波)。薛定谔方程表明,与原子核结合的电子具有相同的音乐感。

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