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第17部分(第1/4 页)

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不过1925年,来的却只有薛定谔一个人,安妮留在了苏黎世。当时他们的关系显然极为紧张,不止一次地谈论着分手以及离婚的事宜。薛定谔写信给维也纳的一位“旧日的女朋友”,让她来阿罗萨陪伴自己。这位神秘女郎的身份始终是个谜题,二战后无论是科学史专家还是八卦新闻记者,都曾经竭尽所能地去求证她的真面目,却都没有成功。薛定谔当时的日记已经遗失了,而从留下的蛛丝马迹来看,她又不像任何一位已知的薛定谔的情人。

但有一件事是肯定的:这位神秘女郎极大地激发了薛定谔的灵感,使得他在接下来的12个月里令人惊异地始终维持着一种极富创造力和洞察力的状态,并接连不断地发表了六篇关于量子力学的主要论文。薛定谔的同事在回忆的时候总是说,薛定谔的伟大工作是在他生命中一段情欲旺盛的时期做出的。从某种程度上来说,科学还要小小地感谢一下这位不知名的女郎。

回到比较严肃的话题上来。在咀嚼了德布罗意的思想后,薛定谔决定把它用到原子体系的描述中去。我们都已经知道,原子中电子的能量不是连续的,它由原子的分立谱线而充分地证实。为了描述这一现象,玻尔强加了一个“分立能级”的假设,海森堡则运用他那庞大的矩阵,经过复杂的运算后导出了这一结果。现在轮到薛定谔了,他说,不用那么复杂,也不用引入外部的假设,只要把我们的电子看成德布罗意波,用一个波动方程去表示它,那就行了。

薛定谔一开始想从建立在相对论基础上的德布罗意方程出发,将其推广到束缚粒子中去。

为此他得出了一个方程,不过不太令人满意,因为没有考虑到电子自旋的情况。当时自旋刚刚发现不久,薛定谔还对其一知半解。于是,他回过头来,从经典力学的哈密顿…雅可比方程出发,利用变分法和德布罗意公式,最后求出了一个非相对论的波动方程,用希腊字母ψ来代表波的函数,最终形式是这样的:

△ψ'8(π^2)m/h^2'(e…v)ψ=0

这便是名震整部20世纪物理史的薛定谔波函数。当然对于一般的读者来说并没有必要去探讨数学上的详细意义,我们只要知道一些符号的含义就可以了。三角△叫做“拉普拉斯算符”,代表了某种微分运算。h是我们熟知的普朗克常数。e是体系总能量,v是势能,在原子里也就是…e^2/r。在边界条件确定的情况下求解这个方程,我们可以算出e的解来。

如果我们求解方程sin(x)=0,答案将会是一组数值,x可以是0,π,2π,或者是nπ。

sin(x)的函数是连续的,但方程的解却是不连续的,依赖于整数n。同样,我们求解薛定谔方程中的e,也将得到一组分立的答案,其中包含了量子化的特征:整数n。我们的解精确地吻合于实验,原子的神秘光谱不再为矩阵力学所专美,它同样可以从波动方程中被自然地推导出来。

现在,我们能够非常形象地理解为什么电子只能在某些特定的能级上运行了。电子有着一个内在的波动频率,我们想象一下吉他上一根弦的情况:当它被拨动时,它便振动起来。

但因为吉他弦的两头是固定的,所以它只能形成整数个波节。如果一个波长是20厘米,那么弦的长度显然只能是20厘米、40厘米、60厘米……而不可以是50厘米。因为那就包含了半个波,从而和它被固定的两头互相矛盾。假如我们的弦形成了某种圆形的轨道,就像电子轨道那样,那么这种“轨道”的大小显然也只能是某些特定值。如果一个波长20厘米,轨道的周长也就只能是20厘米的整数倍,不然就无法头尾互相衔接了。

从数学上来说,这个函数叫做“本征函数”(eigenfunction),求出的分立的解叫做“本征值”(eigenvalue)。所以薛定谔的论文叫做《量子化是本征值问题》,从1926年1月起到6月,他一连发了四篇以此为题的论文,从而彻底地建立了另一种全新的力学体系——波动力学。在这四篇论文中间,他还写了一篇《从微观力学到宏观力学的连续过渡》的论文,证明古老的经典力学只是新生的波动力学的一种特殊表现,它完全地被包容在波动力学内部。

薛定谔的方程一出台,几乎全世界的物理学家都为之欢呼。普朗克称其为“划时代的工作”,爱因斯坦说:“……您的想法源自于真正的天才。”“您的量子方程已经迈出了决定性的一步。”埃仑费斯特

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