第20章 化學大發現(3)(2 / 3)

在萊比錫大學時期,奧斯特瓦爾德在物理化學建設方麵做了大量細致的工作。首先是教科書的建設。他編著的《電化學:它的曆史和學說》,是一本長達1100頁的巨著。《實用物理化學測量手冊》則為人們提供了方便實用的實驗工具書。其次是物理化學研究機構的建設。奧斯特瓦爾德除擔任專門的化學聯合會的領導之外,還創立了德國電化學學會,並出任第一屆主席。

1906年夏天,53歲的奧斯特瓦爾德提前退休了。奧斯特瓦爾德年老時還致力於研究顏色學,這使他成為20世紀起主導作用的顏色學研究者之一。1932年4月4日,奧斯特瓦爾德卒於萊比錫。

奧斯特瓦爾德將物理化學建成化學的一個獨立分支,他是物理化學的奠基人,他所開創的物理化學領域,正日新月異地向前發展。

薛定諤方程的發現

和20世紀來臨相伴隨的是一場深刻的物理學革命。從此,古典物理學讓位於現代物理學。現代物理學的基礎和框架是什麼呢?是量子力學。量子力學發端於愛因斯坦的相對論和普朗克的量子論,繼之以玻爾的原子結構論,完成於20年代中期的薛定諤方程。普朗克稱薛定諤方程“奠定了現代量子力學的基礎”。

薛定諤(1887~1961),奧地利物理學家,為發展量子力學作出了重大的貢獻,因建立描述電子和其他亞原粒子的運動狀態的波動方式,而與狄拉克共獲1933年諾貝爾物理學獎。他是怎樣創造出“奠定現代量子力學基礎”的方程式的呢?在科技高度發展的現代,薛定諤仍是物理學出版刊物中出現頻率頗高的學者,他推開了波動力學的大門。

薛氏1887年8月12日出生於維也納一個手工業者家庭。老薛定諤是一個文質彬彬的紳士,他受過多種教育,熱愛自然科學和藝術,有深厚的文化修養,幼年的薛定諤受到父親的深刻影響。

薛定諤隻進過一次小學的校門,時間不足兩個月,他的啟蒙教育主要是由家庭教師和父親擔任。兒童時代的薛定諤就能流暢地使用英語等多種語言,11歲時,薛定諤進入了維也納高等專科學校的預科。這時的薛定諤已經偏重於發展對自然科學的興趣與愛好,表麵上他是一個各方麵都無可挑剔的好學生,內心裏卻隻偏愛數學和物理。最終,這名一直受到各科老師寵愛的學生,進入維也納大學物理學院。在那裏有著名的物理學家哈澤諾爾和實驗物理學家埃克斯納。

1910年,薛定諤在哈澤諾爾指導下,獲得了博士學位。畢業後他幸運地留校擔任埃克斯納的助手。在這一時期,薛定諤受到了實驗科學方麵的嚴格訓練,獲得國家科學的大獎。哈澤諾爾和埃克斯納終於把薛定諤鑄造成了一位新的科學大師,就像他們的老師玻爾茲曼一樣。

經過幾次調動後,薛定諤最後落腳在瑞士風光美麗的旅遊城市蘇黎世,他的生命交響樂中最輝煌的主旋律開始了。但是溫馨恬靜的蘇黎世,並沒有成為科學家的世外桃源,物理學的黑色風暴開始席卷整個歐洲。

當盧瑟福發現原子結構以後,1913年他的學生玻爾把量子論與經典電磁理論結合,成功地提出了原子結構的量子理論,特別是用軌道量子化比較理想地解釋了實驗現象。

“玻爾理論是量子理論發展的一座裏程碑,後來,德國物理學家海森堡等人從原子光譜數據的內在聯係出發,建立了描述微觀粒子狀態的矩陣力學,才突破了理論上的舊格局。

薛定諤主要是在第一次世界大戰後開始關心原子結構問題的,他對玻爾的理論很不滿意。他一方麵應用玻爾量子論從事研究,一方麵試圖發展它、突破它。從1919~1923年,薛定諤涉足了原子結構的幾乎所有領域,取得了一係列掃清外圍障礙式的科研成果。他堅持認為,玻爾理論應作為某種本征值問題自然導出,但卻苦於無法找到適當的突破口。

1924年,法國物理學家德布羅意的波粒二象理論,為薛定諤建立波動力學打開了第一扇大門。而愛因斯坦從德布羅意的理論中悟出了真理,並發表了關於理想氣體量子統計的論文,這引起了薛定諤的注意。

從1926年1月26日到6月22日,薛定諤接連發表了6篇關於量子力學的論文,這些論文融玻爾理論、海森堡矩陣力學、哈密頓相似關係和德布羅意波理論為一爐,從而使波動力學成為一個有效的完整體係。

怎樣描述原子內部電子運動的狀況,從湯姆遜發現陰極射線粒子流即電子以後,一直困擾著物理學家。現在問題解決了,了解電子的運動狀況,隻要用薛定諤方程就可以解出。薛定諤方程對於核外電子的運動,如同牛頓三定律對於宏觀物體的運動一樣。這就是薛定諤方程的地位。

波動力學的問世,在物理學界引起了轟動,受到大多數物理學家的讚賞並得到廣泛運用。它不像矩陣力學那樣遭人冷遇,因為波動力學采用的是經典理論常用的偏微分方程描述方法和易於理解的概念,這是大多數物理學家所熟悉的。