薛定諤
20世紀之初的物理學界，是一個群星璀璨的世界，一大批巨星級的科學家相繼開辟了人類從未涉及的新世界。隨著量子力學的建立，一係列物理學的分支學科——原子物理、固體物理、核物理、粒子物理具備了建立的基礎。人們把20世紀稱為“量子世紀”，人們更把各種榮譽直至科學中的最高勳章——諾貝爾物理學獎奉獻給那些為量子力學的建立作出卓越貢獻、立下顯赫戰功的功臣，物理學史上也永遠銘刻著這些人的名字：愛因斯坦、玻爾、玻恩……
在這個偉人行列中，本書的主人公無疑同樣占有一席之地。這不僅因為他獨自一人幾乎一口氣連續發表六篇論文，完整地構造起量子力學中的波動力學體係，波動力學時至今日仍是人們解決量子力學及相關問題最方便有效的工具；更因為那個用他名字命名的數學關係式——薛定諤方程式。這是20世紀科學文獻中最常用、最具代表性的方程，是描述所有微觀客體的運動規律的基本方程，它不僅僅是一種數學關係式，而是一種完備的描述原子、分子、亞原子粒子的數學和物理的方式。
這個方程從提出到完成幾乎完全歸功於薛定諤。他是奧地利本世紀最著名的、最偉大的科學家之一。除了量子力學外，他還在統計力學、廣義相對論和宇宙學、統一場論等幾乎所有當代理論物理學前沿都頗有造詣並作出貢獻，甚至在生物學、生理學和氣象學方麵也產生過重要影響，被譽為百科全書式的博學才子；同時薛定諤又是一位哲人科學家，一生對哲學抱有濃厚的興趣，撰寫了許多哲學論著，反映出他深邃的內心世界。薛定諤一生都在為人類對自然和自我的理解而奮鬥，他的足跡給後人留下一座座路標，使後來者從中獲得激勵和啟示。
一、校園驕子
埃爾文·薛定諤於1887年8月12日出生於奧地利首都維也納。維也納是舉世聞名的“世界音樂之都”，也正如後來薛定諤在接受諾貝爾獎時的簡短致詞中所說，維也納是一座“生氣勃勃的和自由自在的城市”，其悠久的文化傳統和生活方式給薛定諤以深刻的影響，他在維也納完成了學業，也從這兒開始了他的研究生涯，盡管成年後他長期在異國他鄉生活和工作，但他對家鄉的眷戀之情無時無刻不使他夢魂縈繞。正因為如此，他在生命的旅途最後幾年，重返故鄉，安度晚年，在故鄉的懷抱中度過了一位科學巨人偉大的一生。
與愛因斯坦和發現X射線的倫琴一樣，薛定諤也出生於一個手工業主的家庭。他的父親魯道夫·薛定諤繼承了家族的油氈工廠，生意相當不錯，足以保證全家無經濟窘迫使薛定諤從小生活在比較優裕的家庭環境中。
薛定諤的早期教育中，具有決定性的影響來自他的父親常常陪他玩耍嬉戲，注意保持和滿足孩子的好奇心，開他的智力潛能，培養他對大自然中萬事萬物的廣泛興趣。父親充分地利用了自己的良好教育和修養，耐心地在對話中誘導，在遊戲中啟發，與小薛定諤一起分享活潑有趣的精神生活，為小薛定諤的思想品格發展付出了無限愛心。薛定諤回憶他的父親時說：“對於他的成長中的兒子來說，他是一個朋友，是一位老師，也是一名不知疲倦的談話討論的夥伴，他是一個陳列著所有吸引著我、令我著迷的事物的殿堂。”薛定諤的父親對於兒子的關心和支持即使在薛定諤成年後仍一如既往。當一次大戰結束後，大學裏任教得到的薪水很低，薛定諤擔心任職學術性職位難以維持家庭生活費用時，於是問父親：“是否讓我也來參與你的生意？”已近風燭殘年的老薛定諤斷然回答：“不，親愛的孩子，你不應當來幹這個，我不希望你從事這種工作，你要留在大學裏繼續你的學術生涯。”之後不到一年，這位可敬的老人就告別了人世，沒能親眼看到兒子在學術上的輝煌業績，但正是這種對兒子真正的父愛，這種對於科學和文化的追求和推崇，這種對薛定諤的鼓勵和支持，使薛定諤得以全身心地投入研究，並在以後的六七年中，做出了他對學乃至於對於全部人類文明的重大貢獻。
薛定諤度過了無憂無慮的童年，健康成長起來。1898他11歲時，進入了維也納高等專科學校所屬預科學校，當於現代的中學。薛定諤的天賦和學習能力很快在學校中表現出來。他曾這樣總結自己的中學生活：“我是一個好學生，我並不注重主課，卻喜歡數學和物理，但也同樣喜歡古老語法的嚴謹的邏輯。我討厭的隻是死記硬背那些偶然的曆史事件和人物傳記中的年代等各種數據。”他說：“我喜歡德國的詩人和作家，尤其是劇作家，但是厭惡對他們的作品做學究式的繁瑣分解和考證。”他的一位中學同學後來回憶他們的中學時代，說薛定諤當時在學校裏總是名列前茅，給這位同學印象最深的是這位佼佼者沒有任何一次回答不了老師講授的全部知識，而且，“他不是那種花上大量課餘時間悶頭苦學的人，特別在數學和物理學中，薛定諤發展起一種理解才能，能夠迅速、甚至是立即抓住老師講解的關鍵，並馬上做出布置的習題，不用等到回家去進一步求解，在最後三年級中，教我們這兩門課的教授常常會在講完當天的課程後把薛定諤叫到黑板前，給他出一些練習，而薛定諤解答這些問題就跟玩遊戲似的輕鬆。確實，他總是把下午富裕的時間用來學習他喜歡的課程，而不必去刻苦地摳課程裏所學的那些內容。他特別是花了大量時間去學習英語，而英語和法語在當時奧地利的預科學校裏是不教的。此外，他還熱衷於體育活動，花大量的參加許多運動，特別熱衷於徒步旅行和登山運動。”
中學時代的薛定諤，常表現出其非凡的敏捷和沉著一次，已經是畢業班學生的薛定諤在課堂上偷偷看別的課程，突然教授問了他一個古希臘曆史的問題，像閃電一樣，薛定諤很快讓自己的思維回到課堂上，從容而正確地回答出提問。
然而薛定諤對於數學和物理的喜愛並不是偏愛，他並不排斥其他課程的學習。他興趣廣泛，特別愛好文學，這使他對學校裏連續開設的希臘語、拉丁語課也非常喜歡，由此得以接觸燦爛的古希臘文學、文化特別是哲學。他對於古希臘哲學的強烈興趣，最早至少有一本畢業班時期的題為“希臘研究備忘錄”的筆記本中能反映出來，在上麵，薛定諤簡要記敘了希臘哲學從米利都的泰利斯到柏拉圖的發展。這種興趣在他一生中不時地回蕩在心懷，他的哲人科學家的氣質使他為古希臘哲學與歐洲科學的起源之間的內在關係所吸引。當1948年5月他在倫敦國王學院作係列演講時，致力於證明希臘哲學傳統在現代科學、包括在相對論中和原子理論中的延續，在開場白中，他解釋自己回到古希臘思想的動機時說：“對古希臘思想家的敘述和對他們觀點的評論，並非出於自己近年來的嗜好，從理論物理學專業的角度看也不是一種茶餘飯後的閑暇中的消磨時光，而是希冀這有助於理解現代科學，特別是物理學。”這些演講經過修改補充後發表時的書名叫《大與希臘人》。
薛定諤課餘時間興趣廣泛，多才多藝。除了參加體育活動，他還醉心於戲劇演出，看戲入迷，是城市劇院的常客和忠實觀眾。他對文學的另一個愛好是詩歌，不僅限於閱讀，還自己動手創作，1949年還出版過一本個人詩集。緊張的學習工作之餘，他還會把古希臘詩人荷馬的著名史詩譯成英文，或把法國古普羅旺斯的詩歌譯成德文作為休息和消遣。這當然得益於他的語言天賦，他能說許多種語言，在演講中能根據不同國籍的聽眾用德、英、法、西四種不同語言來表達。
但是，同他對戲劇、詩歌和語言等的愛好與才能相比，薛定諤對維也納人文生活中的優秀傳統——音樂卻興趣不大。他也出席音樂會，但並不著迷。他的母親非常喜歡音樂，想讓他學些樂器，一位音樂教師曾讓他在自己演奏鋼琴時跟著唱出曲調，而薛定諤說：“我又不是鋼琴，我不唱。”不過，他卻繼承了父親對藝術的愛好——具有對古老的和現代的繪畫的鑒賞力，並在閑暇時從事雕塑創作，作為藝術享受。薛定諤的天分之高和興趣之廣，使他輕鬆愉快地完成了中學學業並奠定了以後發展的根基。
1906年，薛定諤以首屈一指的成績通過畢業考試，進入維也納大學，主修他喜愛的物理和數學。
維也納大學是一所曆史悠久的高等學府，那裏人才薈萃。就以物理學為例，有眾多具有國際聲譽的奧地利物理學家先後在大學中任教，包括發現了著名的“多普勒效應”的J·多普勒，在許多數學和物理領域作出重要貢獻的A·馮·愛丁豪森，提出了有名的“斯忒藩——玻爾茲曼熱輻射定律”的J·斯忒藩，還有實驗物理學、生物學和科學認識論上的巨大貢獻者E·馬赫，統計物理學奠基人之一L·玻爾茲曼，以及後來成為薛定諤老師的理論物理學家F·哈澤內爾和實驗物理學家F·埃克斯納等，他們中的大多數人本身也畢業於維也納大學。如此雄厚的師資，濃鬱的學術氣氛，加上豐富的藏書，悠久的傳統，為新生們提供了優越的環境、充分的知識和成長發展的廣闊空間。
當薛定諤進入大學時，正逢玻爾茲曼逝世，整個校園沉浸在一片悲哀的氣氛中。這位當時奧地利最傑出的理論物理學家所奠定的科學傳統和哲學傾向，無疑直接地、或通過他的學生，極大地影響了薛定諤一生的工作和思想，薛定諤曾深情地說：“玻爾茲曼的思想路線可以稱為我在科學上的第一次熱戀，沒有別的東西曾如此使我狂喜，也不會再有什麼能使我這樣。”
薛定諤如饑似渴地開始了大學學習，紮進了他所喜愛的數理知識的海洋。大量的數學知識使他的愛好得到了滿足，也為他以後的發展打下了良好的基礎。薛定諤把主要精力用於選修哈澤內爾的幾乎所有理論物理學課程，他對哈澤內爾滿懷敬意，正是從哈澤內爾的講授中，他掌握了以後工作和研究的大部分基礎，因為薛定諤自己說課堂上的學習對他來說更為重要，他不太善於從書本文獻中去掌握領會。後來，薛定諤在1929年曾說，他作為一名科學家個性的形成，要歸功於哈澤內爾；當他1933年獲得諾貝爾獎，發表獲獎演說時，他說：“假如哈澤內爾沒有去世的話，那麼他現在當然會站在我的位置上。”這或許不僅僅是謙詞，而說明薛定諤認為哈澤內爾與他有相同的知識結構、思想傾向和氣質，而無疑在研究上遠遠走在自己的前頭。
天賦加勤奮，使薛定諤很快在大學校園裏嶄露頭角，到1910年夏天即他快畢業時，薛定諤的理論才華已經顯示得相當充分。他的博士論文，是於1910年在埃克斯納主持的第二物理研究所完成的。這是一項實驗性的研究，也是他獨立從事的第一次科學研究，主題是：“潮濕空氣中絕緣體的導電性”。在當時，薛定諤的這一題目是第二研究所正從事的大氣電學研究中的一個難題，因為大氣電流的測量必須保持必要的絕緣，即使最好的絕緣體如琥珀、石蠟、硬橡膠等也常常不能滿足要求，因為通常在其表麵由水、霧、雪、昆蟲分泌物而形成導電膜。薛定諤說：“我從眾所周知的靜電實驗在潮濕空氣中很難成功這一事實出發，去研究濕氣對實驗室中常用的絕緣材料的影響。”他把硬橡膠、玻璃、摩擦過的琥珀、硫磺或石蠟等製成的棒一端用錫箔包好，與蓄電池連接，另一端接上驗電器。在幹燥的空氣中，驗電器沒有顯示，而在濕氣影響下則被充電，棒表麵成為導體。薛定諤特別測量了驗電器的充電速率，推導出材料的電阻是濕度的函數的結論。他發現對於大氣電流測量，玻璃是最差的絕緣體而石蠟是最好的。他把這一研究成果寫成論文，提交維也納大學的學位評審委員會。同時，他於同年5月按時通過了獲取博士學位必需的物理、數學和哲學考試，終於以優異的成績完成了學業，戴上了博士帽。
二、鋒芒初露
薛定諤於1910年從維也納大學畢業，同年秋季按規定服兵役一年，次年秋天回到維也納大學，開始了他的研究生涯。此後的十年時間，他潛心研究，努力鑽研，盡管中間曾被第一次世界大戰所打斷，但他堅持不懈，先後就一係列眾所矚目的課題發表了許多論文，範圍幾乎包括物理學界當時關注的所有熱門課題，也涉及一些不被人們所看重的冷僻領域。所有這些，都給他帶來了很大聲望，初步確立了他作為國際知名的理論物理學家的地位。
從1910年到1914年不到四年的時間裏，薛定諤作為埃克斯納的助手，先後發表10篇論文和一篇為物理學手冊撰寫的關於電介質的評論，1914年1月，他獲得了大學教師資格認可，這也是他在科學生涯中的第一次晉升。
維也納大學第二物理研究所，是當時奧地利物理學人才基地，薛定諤是在這裏完成其博士論文的，當他重返這個充滿朝氣、自信和動力的學術集體，無疑已站到了一條新的起跑線上。這期間，他主要從事理論工作。他的第一篇論文是關於磁的運動學理論，用理論方法分析金屬的抗磁性質，盡管問題的最終解決有待於量子統計的發展，但這篇文章在數學方法和理論的明晰上都是成功的。緊接著，他又試圖把這種運動學理論推廣到電介質以至一般固體，並分析評論了荷蘭著名物理學家德拜幾個月以前發表的“絕緣體的運動學理論的若幹結果”。關於物質的介電性質他還發表過另外兩篇文章，一篇是為慕尼黑大學主編的5卷本《物理學手冊》撰寫的長達75頁的“電介質”，另一篇是關於反常電散射理論的一個簡短筆記。針對當時新近發現並討論熱烈的貫穿輻射現象，他向帝國科學院提交了“貫穿大氣輻射的高度分布理論”。分析了輻射源的三種可能：地表放射性物質；大氣中懸浮的放射性物質；星際輻射源假說。他重點分析了第二種可能，並推導出了高度分布方程以與實驗探測數據對照。他的這一理論分析對於宇宙射線的發現具有重要的參照作用。
晶體點陣動力學和固體的原子結構，是當時國際物理學界研究的熱點，也是薛定諤研究工作的又一領域。薛定諤先後發表了題為“論X射線產生的幹涉圖象的明晰性”、“論德拜效應理論”和“論彈性耦合點係統的動力學”三篇論文，分別討論了勞厄的X射線幹涉圖象和晶體點陣動力學。在第一篇文章裏，通過一係列的分析和計算，得出溫度與輻射強度等的簡單函數關係式；在第二篇文章中，他為回答別人的質疑，作了進一步的澄清，而第三篇論文，他則基於固體原子結構的發現和原子論立場，以一維點陣模型為例嚐試建立固體運動學理論，並證明其原子結構，獲得了相當的成功。
綜觀這一時期薛定諤的工作，表現出紮實的理論功底和年輕人特有的敏銳和激情。這一時期的薛定諤確實春風得意，少年得誌，在物理學集體中如魚得水，揮灑自如，在剛剛起步不到三年中發表了十餘篇論文並緊盯最新發展，使他在學術界嶄露頭角，小有名氣。而在生活上，經朋友介紹認識了後來成為薛定諤夫人的安妮瑪麗·貝特爾小姐，開始了甜蜜的戀愛。六年之後，他把一篇發表了的論文寄給他的媒人，並在獻辭中風趣地寫道：“1919年10月1日附錄：如我所知，1913年夏季澤海姆的大氣中，除了Ra—A、B、C外，肯定還有一些其他東西，而我的測電器卻沒能指示其蹤跡。這是由於它發現了薩爾茨堡的貝特爾小姐，她吸引了作者的全部注意力。”而後來薛定諤夫人回憶他們的初次相識時說：“他給我很深的印象，首先因為他非常英俊，他有一張很吸引人的臉，……而在這之前我對他印象就不錯，因為科爾勞施已向我介紹過他。”
事業一帆風順，生活甜蜜幸福，所有這些顯示出薛定諤前途遠大，未來光明。但突然間，一切被戰爭所淹沒了。
當時的歐洲大陸，普遍實行征兵製，所有適齡健康的青壯年都必須在戰時服兵役，因此薛定諤也在戰爭一開始，就應征入伍，成為奧匈帝國的一名炮兵軍官。他後來把這段曆史用寥寥數語作了概括：“接著戰爭開始了，那時我作為一名炮兵軍官駐紮在東南前線，沒有受傷，沒有生病，也沒有獲得什麼榮譽。”在殘酷的戰爭麵前，他感到了甜美生活的難得，在戰爭所帶來的時間荒廢中，他也更領會到了生命和時光的可貴。
薛定諤冷靜下來，開始厭倦和譴責這場給人類帶來巨大災難的戰爭，開始想念他的科學工作。而最令他震驚和悲痛的是一大批極富才華和創造性的學者在戰爭中陣亡，其中，尤其是他的敬愛的導師哈澤內爾的死。哈澤內爾是在1915年10月率隊衝鋒時陣亡的，這使得奧地利失去了一位正值創造性高峰的傑出物理學家，這種慘痛的損失是無法挽回和彌補的。
幾經轉戰，戰爭後半期薛定諤的軍旅生活是在後方度過的，這也是為了保護科學人才而采取的措施。這樣，薛定諤又可以發揮他的專長了，在距維也納3o公裏的小鎮，他給一批批即將赴任的防空部隊軍官講授氣象學的基本概念和事實，例如大氣的構成，太陽輻射，大氣的分布和每天、每年的變化；氣壓，高、低壓區，大氣環流特別是大洋、大陸和山區的風，氣候分界線，風暴，雲層結構，天氣圖的解釋等。這些課程盡管不過是重複他在大學學過的課程，但畢竟使他有時間坐下來閱讀資料，重續科學研究的舊夢，並煥發出創造性的活力。他很快又向《物理學期刊》寄出了一篇題為“論大氣聲學”的論文，討論了大氣中聲波的傳播方程。與此同時，他還關注著廣義相對論、量子統計和漲落理論、原子物理學等領域的最新進展，為戰後迅速恢複研究工作作好了充分的準備。
盡管這裏遠離前線，條件優裕，工作順心，但薛定諤無法壓抑對戰局的憂慮，企盼戰爭早日結束。在一首抒懷小詩中，他向自己，也向每一個追求真理、正義與和平的人發問：
“兩支大軍在1914年踏上征程，
其中一支至今鏖戰不停。
另一支隊伍的戰士們秘密地為和平而努力，
請選擇，你將為哪一方驅使效命？”
終於，1918年11月，給人民帶來深重災難的第一次世界大戰結束，奧匈帝國總崩潰，昔日的強國地位一落千丈，這無疑給整個民族及其生活留下深深的痕跡。而對薛定諤個人來說，大戰的結束和帝國的瓦解也使他的生活發生了戲劇性的影響。
戰爭的結束，阻止了他在講課之餘獻身哲學的計劃，保證了他日後在物理學上的發展。這個一度縈繞於懷的計劃本身，也來源於戰爭中的現實狀況激發了薛定諤原有的哲學興趣，促使他去思考一係列哲學問題。
首先是時間概念的基本哲學意義，正是在戰爭前線靠回憶度日的歲月裏，薛定諤對時間概念進行了哲學和心理學分析。在戰爭臨近結束時的一篇手稿中，他又討論了因果性問題，至少在師從埃克斯納之後他就已經開始思考這個物理學和哲學中的基本原理。薛定諤是幸運的，命運女神使他在人生選擇的十字路口沒按初衷去充分發揮他的哲學愛好，而哲學女神對他的垂青又使他具有哲人氣質，常常對一些哲學的本質問題進行思考，這對於他畢生的科學工作和研究方向具有決定性的影響。
戰後，薛定諤重返第二物理研究所，全力以赴從事理論物理學研究。由於戰爭後期的大量信息和思考的儲備，他一連發表了好幾篇論文。其中關於廣義相對論的兩篇題為“引力場的能量分量”和“廣義協變引力場方程的解係統”都引起了愛因斯坦的極大關注，並分別撰文討論和回答。而薛定諤同時還寫了三本未發表的關於能量分析和應用的筆記。
量子統計和漲落理論，是薛定諤的又一工作重點。他繼承了玻爾茲曼的方法論原則，發表了三篇論文。他的工作還包括一個驗證光量子理論的實驗，這也是他所做的最後一個認真的物理實驗。他對於愛因斯坦的光的本性理論發生了興趣，因此他設計出一個實驗，通過同一光源發出兩束大角度的光，觀察是否有相幹性和幹涉現象來驗證光量子理論。
盡管薛定諤在近兩年的工作中一切順利，在國際物理學界知名度大增，但他已無法再在第二物理研究所繼續呆下去了。戰爭帶來了巨大的災難，作為戰敗國，賠款壓得人喘不過氣來，教育經費極度緊張，教師生計難以維持，更何況他又籌劃著結婚，要考慮婚後生活的開銷。他開始考慮要找一個比較寬裕穩定的生活和工作環境。
1920年4月6日，薛定諤與貝特爾小姐結婚。此後，他離開了他的母校和故鄉，先是移居德國耶拿，此後又在斯圖加特工學院任副教授一個學期。這期間他收到來自基爾大學、布累斯勞大學和母校維也納大學的三份正教授聘書，無疑，回返母校，繼承哈澤內爾的事業對他有極大的吸引力；但當時奧地利學術界的經濟條件和工作狀況實在糟糕，使他忍痛放棄了這項選擇。薛定諤夫婦去了布累斯勞，在那數周後，薛定諤又收到並接受了蘇黎世大學理論物理學教授的職務聘書。他一生中最輝煌的一章開始了。