第三章

這個理論是沿著德布羅意的思路向下延續的。當薛定諤看到了愛因斯坦對德布羅意的評價時,得知了“物質波”的概念,他當時正在研究熱力學中的統計問題,馬上認識到物質波的觀點,並且認為粒子就像波動輻射上的泡沫。他基於波動的基礎認識波粒二象性。著手研究宏觀世界的力學與微觀世界的力學。他認為德布羅意尚未指出普遍規律。

後來,德國物理學家德拜指出,要是電子是波的話,應該滿足一個關係式,即波動方程。薛定諤開始深入思考方程問題。1925年的時候,薛定諤推出了一個相對論的波動方程,但是與實驗結果相比有一定出入。

1926年,薛定諤發表了《量子化作為本征值問題》,提出了氫原子波函數所遵循的著名方程,以微分方程的形式表現出來,人們稱為薛定諤方程。薛定諤在這一時期共發表了6篇論文,奠定了波動力學的基礎,宣告了量子力學中波動一支的誕生。

薛定諤方程進一步解決了玻爾原子說中的困難,對氫原子的能級也給出了正確的結果。

電子看起來更像脈動的雲而不是沿軌道運行的小行星。從數學上看,波動力學的薛定諤方程與海森堡提出的矩陣力學方程等價。

這一點在1926年被薛定諤認識到,也因此使得量子力學兩種形式得以貫通。現在的人們根據實際情況選擇應該使用的方程。

薛定諤是一個什麼樣的人呢?

學生們回憶說:他的文學修養很高,是一個真正的哲學家。他語言雅致、概念清晰,有很大的數學天賦。

薛定諤的課程,可以讓人從凳子上跳起來拍手稱妙、靈光忽現。他經常提出和普通人相反的觀點。當時柏林的教授很嚴肅古板,但是薛定諤卻有時穿著網球鞋去上課。

薛定諤的方程對認識和計算原子中的電子狀態起了重大作用。他提出無須像玻爾那樣假設一係列條件,而根據波動方程處理一些定態問題即可收到良好效果。

薛定諤創建了波動力學,其目的如他自己所說:

“在用波動力學描述代替通常的力學描述時,我們的目的是要得到這樣一種理論,它既能處理量子條件在其中不起顯著作用的力學現象,也能處理典型的量子現象……因此,在用波動力學代替通常力學時,我們可以一方麵把通常力學作為一種近似保留下來,它隻對於粗略的‘宏觀力學’現象才是有效的。而另一方麵,又有那些精細的‘微觀力學’現象(原子中電子的運動),關於這種現象通常的力學完全不能給出任何知識……”

薛定諤方程是波動力學的核心,是反映低速微觀物理現象的波動力學的最為基本的方程。

這個方程提供了處理原子結構問題上的係統和定量方法。量子力學是從研究原子結構而引發的,自從盧瑟福——玻爾模型以來,人們不斷修正模型並且發展玻爾的量子力學觀點,從而形成第一個量子力學係統理論——波動理論。

波動力學方程的地位就好比牛頓運動方程在經典力學中的地位。

1933年,薛定諤獲諾貝爾獎。

他後來通過量子力學研究生物學與物理學,使得這一方向上的分子生物學誕生很多人才,1953年DNA雙螺旋結構的提出,誕生了真正意義的分子生物學。李四光

1889年10月26日,李四光出生於湖北省黃岡縣一個貧苦的農民家庭。父親是一個教書先生,收入微薄,不得不在教書之餘種些田地。他為人耿直,樂於助人,他的這種性格給了李四光有益的影響。

李四光的母親是父親的後妻,粗通文墨。從四五歲起,李四光就跟著母親打柴、推磨、擔水,從小就養成了吃苦耐勞的習慣。1895年,中日甲午戰爭以中國失敗而告終,6歲的李四光就立下了發奮學習為國爭光的誌向。小學時期,李四光讀書勤奮,肯動腦筋,學習成績一直名列前茅。

1904年,求知心切的李四光便向父母提出去武昌求學的要求。

1904年7月,李四光以優異成績被選送到日本留學,先在弘文學院普通班學習,後入大阪高等工業學校船用機械專科學習。

1910年7月,李四光學成歸國但在戰火連綿的舊中國,他難以找到施展才華的機會,於是憤悶之餘,李四光決定再次出國,到英國留學。

1917年,李四光獲得學士學位。一年後,即1918年5月,李四光憑借《中國之地質》的長篇論文獲得自然科學碩士學位。

1920年5月,李四光婉言謝絕了恩師的挽留和一家印度礦山公司的高薪聘請,毅然回到了祖國,就任北京大學地質係教授。

1931年和1932年的夏天,李四光兩次到廬山考察,又發現了一些冰川U形穀和冰川泥礫堆積物。他將野外資料分析整理後,提出廬山在第四紀地質時期,至少經過兩次冰期。中國第四紀冰川主要是山穀冰。1936年8月,李四光又帶著助手第四次赴廬山考察,獲得大量證據:在白石嘴發現了第四紀冰川的確鑿證據——冰溜條痕石。1937年李四光將在廬山考察所得寫成專著《冰期之廬山》,為我國第四紀冰川地質的研究打開了大門。

另外,在研究地殼的起源問題時,李四光不畏國外權威的說教,終於以幾十年艱苦的探索研究,創立了一門新學說——地質力學,從而使李四光成為我國地質學家以創造性思想登上國際地質論壇的第一人。

1952年,地質部成立,李四光被任命為部長。從此,李四光便開始為新中國地質事業忘我的工作了。

毛主席、周總理等中央同誌就石油遠景問題詢問李四光時,李四光肯定地說:“找油的關鍵不在於‘陸相’、‘海相’,而在於有沒有生油和儲油的條件。我國有大麵積的沉降帶,都有良好的儲油條件,肯定能找到石油。”

國家按照李四光的理論,立即開展尋找石油大會戰。終於在東北、華北、中原一帶發現了儲量豐富的石油。

地震能不能預報?這是地質力學理論麵臨的又一個嚴峻問題。

1966年,河北邢台地區發生了強烈地震,給國家和人民造成重大的損失。周總理多次召集科學家商討對策。李四光認為地震和任何事物一樣,不是偶然的,也是有一個過程的,並且是可以預報的。從此以後,他便投入了探索地震預測的工作。

李四光是我國卓越的自然科學家,世界當代最傑出的地質學家之一。他打開了中國第四紀冰川地質研究的大門,創立了地質力學。他把畢生的精力都獻給了祖國和人民,他的精神永遠鼓舞著中國人民。竺可楨

竺可楨,著名科學家,中國現代氣象學的開拓者。一生發表了近300篇論著,寫了800萬字極有價值的日記。在台風、季風、中國區域氣候、物候學、氣候變遷等眾多領域都取得了重大成果,堪稱氣象學的一代宗師。

竺可楨於1890年3月7日出生於浙江紹興東關鎮。小時候的竺可楨受到了良好的家庭教育。1910年,竺可楨以優異的成績取得了赴美留學的資格。在選擇專業時,他考慮到農業的重要性,選擇在伊利諾斯州立大學農學院學習農業。

在學習過程中,他覺得氣象學對農業的發展影響極大,而在當時的中國,氣象學還是空白,因此在農學院畢業以後,他又來到哈佛大學專攻氣象學。

竺可楨在美國期間,學習非常刻苦,同時十分關心祖國的情況。報刊上有關祖國的報道,他都認真閱讀,並將氣象和自然災害方麵的內容一一記錄下來。當他看到台風、幹旱和雨澇不斷給祖國人民帶來巨大損失時,他感到非常難過,同時感到自己肩負的責任十分重大。他決心以中國的雨量和風暴作為自己的研究專題,認真收集和整理相關的資料,並進行深入的分析和思考。1916年,他發表了自己的第一篇氣象學論文:《中國之雨量及風暴說》。1918年,竺可楨又以《台風中心的若幹新事實》的論文,獲得哈佛大學的博士學位。

獲得博士學位以後,竺可楨滿懷希望回到了祖國。然而迎接他的卻是軍閥混戰的衰敗局麵,氣象事業幾乎為零。麵對困難,竺可楨並不氣餒。1921年,他在東南大學任教,帶領學生在校園東南角建立了中國的第一個氣象站。隨後,他又以不畏艱難的闖勁,在全國各地建立了四十多個氣象站和一百多個雨量觀測點,組建起粗具規模的氣象觀測網,奠定了我國現代氣象事業的基礎。

1925年,竺可楨擔任了全國氣象研究所所長。當時的氣象研究所設在南京市的北極閣,條件非常簡陋。竺可楨來到這裏後,親自動手修建了一座氣象台。不論嚴寒酷暑、刮風下雨,他始終堅持在第一線進行實地觀測,並進行數據記錄。

此外,竺可楨還一百六十多次放飛高空氣球進行觀測,終於掌握了南京地區天氣的一些規律,寫出了《南京三千米高空之風向與天氣預測》的論文。

竺可楨還十分注意物候的觀察和研究。在長期觀察中,他發現南京的桃李開花在3月31日左右,而北京的桃李要到4月19日才露出花瓣,南北相差近20天,但是到了5月下旬以後,南京和北京的物候現象相差就沒有幾天了。這是什麼原因呢?竺可楨從氣候上進行了分析。他認為中國是典型的大陸型氣候,冬末春初,南北溫差相當大,而初夏後南北溫差比較小。例如:南京和北京,3月份溫差達到4攝氏度,而到了5月份,就幾乎沒有明顯差別了。

後來,竺可楨將他幾十年對物候現象的觀察和研究結果寫成了一本專著《物候學》,這也是對我國氣象學的一大貢獻。竺可楨不僅為我們留下了大量的科學著作和論文,還留下了800萬字的日記,從1936年到1974年2月6日,共計38年37天,幾乎一天也未間斷,而1936年以前的日記則在搬家過程中散落了。竺可楨的日記,內容極其豐富,文采亦很好。很多日記,隻要稍加整理便是一篇精彩的科技文章。

竺可楨有一個習慣,就是隨身攜帶兩件寶:氣溫表和高度表。每到一處,就利用這兩件寶貝進行觀測,並用筆和本子記下來,這成了他日記的重要內容。他那幾十年如一日的嚴謹治學精神,是許多人所缺乏的,也是我們需要學習的。

1974年2月6日,身患重病的竺可楨躺在了床上。當他從昏迷中醒來時,正聽到收音機裏廣播北京地區天氣預報,他用顫抖的手在日記本上寫下了人生的最後一篇日記:“氣溫,最高零下1攝氏度,最低零下7攝氏度。東風一至二級。晴轉多雲……”諾伯特·維納

機器、生物、社會,這些在常人看來毫無共同之處的東西,都被維納以他所創立的控製論聯係到了一起。20世紀中葉,科學和社會的發展出現了對這種聯係的需要並為這種需要的實現提供了可能。機器人、自動化、經濟及社會控製均由此而出,控製論的創立開辟了科學史上的新時代。

“控製論之父”諾伯特·維納,1894年生於美國哥倫比亞城,父親是哈佛大學斯拉夫語教授。小維納是遠近聞名的神童。他11歲上大學,18歲獲哈佛博士學位。他通曉10國語言,曾先後做過教授、工程師和新聞記者,是個才華橫溢、豐產多收的科學大師。

科學經過世紀之交危機、革命、振興的痛苦而又亢奮的過程之後,到20世紀中葉便出現了綜合發展的趨勢。這時,科學各領域的獨立發展均已達到碩果累累的相對穩定的階段,到了利用相鄰學科彌補自己在對世界整體性把握上的不足並在相鄰領域為自己學科成果尋找意義的階段。正如維納所說,屆時,“科學的發展史上,可以得到最大收獲的領域是各種已經建立起來的部門之間被人忽視的無人區”。正是維納等人所開始的對從前人類不曾涉足過的科學荒地的開發,才催生出20世紀中後期新興交叉科學群。

由於涉足領域的寬泛和成果範圍的廣博,對維納一生科學思想和事業選擇起過作用的人很多,但其中重要的有4人:他的父親裏奧·維納;英國大數學家、大哲學家羅素;20世紀數學巨人、德國大數學家希爾伯特,以及維納的好朋友、科學夥伴羅森勃呂特。

維納上大學前的所有學業都是在家中在其父親的督導和教育下完成的。父親的廣博學識和嚴謹作風,幫維納為以後學業的進一步發展和才能的進一步施展打下了基礎。這位哈佛教授從兒子一出生的那天起,就承擔起了對兒子的教育職責。早期開發的得法,使維納智力的進步非常迅速。他3歲就開始看書,而且鑽進去就忘記一切。隻要能拿到手的書,他就會無所不讀,連神學書、漢語詞典、出土文物報告他都興趣盎然地翻閱。廣泛地閱讀奠定了維納寬廣的知識結構,開闊了視野,也為他以後多樣性興趣發展及多學科的綜合能力打下了基礎。

從這個角度看,裏奧是個寬容的父親,他使維納逃脫了學校古板教學模式對人的想像力、創造性等天賦的束縛,使他在最易廣泛接受新事物,最能養成良好思維習慣的時候得到了輕鬆、和諧而又極富感染力的環境。

然而,從另一個角度來說,裏奧又是個嚴厲的父親,他對維納管束和引導極有條理,要求也極嚴格,常常為一點兒小事兒就大發雷霆,隨口罵出“蠢驢”、笨蛋”、“畜生”之類的粗話。致使40年後維納回憶當時的情景仍然心有餘悸。但是,裏奧對維納的管束絕不是毫無道理的,他懂得如何為兒子培養出出類拔萃的素質。

寬容和嚴厲並重的督導原則最大限度地開發了維納的智力。他不滿7歲的時候就已經學完了初等數學到解析幾何的全部中學數學教材。學了物理、化學,學了法文、德文、拉丁文。閱讀了從達爾文進化論到精神病學,從凡爾納科學幻想小說到18、19世紀世界文學名著等等許多人一生都讀不完的書。這是他成年後超群智慧之泉的源頭。

除了早期教育之外,裏奧所做的影響維納一生的決斷是讓兒子的大學就讀於塔夫茨學院。這是哈佛附近的一所小型理工學院。為什麼放著堂堂哈佛不讀卻選擇了這樣一所小型學院呢?裏奧不想讓哈佛緊張的考試摧毀了兒子的健康心態,也不想讓一個11歲入大學的孩子引起哈佛的轟動。他要讓兒子專心學習數學。可是數學卻拴不住小維納的心。他的興趣一轉再轉,飄浮不定。這雖然違背了裏奧的初衷,但也確實是父親為他安排的這個氣氛相對寬鬆、自由的小學院成了維納原本豐富多彩的知識結構和思維優勢得以進一步生長的肥沃土壤。

進入大學之後,維納的興趣就沒穩定過。第一年,他對物理和化學產生了旺盛的熱情,常常自己偷偷溜進實驗室去做化學實驗或去進行電學的課外冒險,且常常自己構思出一個實驗,再想辦法去實施。這時,還不知自謙的小維納對同學們稱讚他從數學神童變成了工程學神童很得意。當然,由於他數學起點高,本專業課程也根本不在話下。

第二年,維納的興趣又從工程學轉向了哲學。他為斯賓諾莎對倫理學的精確見解和萊布尼茲的多才多藝所傾倒。他貪婪地閱讀大部頭的哲學書籍,從中吸收智慧的營養。哲學,這些人類精神的精華,使他的小腦袋更豐富,更深刻,也更想入非非了。正是這種深厚的哲學基礎,使他後來能深刻領會羅素思想底蘊,受到獲益終生的啟蒙。

第三年,他的興趣又轉向了生物學。這一次他似乎真的鑽進去了,他認定自己應該成為一個生物學家。他常常偷偷跟著生物係的學生外出采集標本,自己博取生物係實驗室看門老頭的好感和信任,以便經常溜進去看人家做實驗,要不是後來闖了一次禍,他這種小灶也許一直可以開到畢業。

一次,他企圖自己做一次解剖實驗。便約了兩個同學,從那位善良的看門人手中要來了一隻豚鼠,溜到實驗室中解剖起來。但由於他們行動遠沒有思想跑得快,顯得手忙腳亂,結果不但忘了用麻藥,結紮動脈時也沒有正確地將動脈與連在一起的靜脈及神經分開,致使手術還沒有做完,那頭可憐的豚鼠就活活疼死了。這下闖了大禍,生物係的教授金斯氣衝衝地闖了進來,大發雷霆。因為在那裏,如此不人道的活體解剖是犯法的,很可能使實驗室被取消解剖權。

這件事情發生後,維納受到了多方的衝擊,不得不把神蕩不已的心再重新收回數學上來。直至18歲那年以一篇有關數理邏輯的論文在哈佛大學取得博士學位。

拿到博士學位後,維納來到英國的劍橋深造。在這裏,他所師從的是他的第一個啟蒙導師、大哲學家、大數學家羅素。脫離父親的直接管束及劍橋清新的學術氛圍,使維納感到心清氣爽,神采飛揚。富有英國貴族氣派的羅素的非凡氣度、聰慧頭腦、傑出思想,以及優雅流暢的語言陳述,都使維納如癡如醉地歎服。第一次與第一流學者探討交流,又使他倍感莊嚴和神聖。可是沒多久,羅素便憑他敏銳的洞察力,發現了維納不是那種專心於數學而不渝的人。於是,羅素因材施教,對他進行哲學啟蒙。在羅素的啟發下,維納把以前零散的哲學知識變成了思維工具,懂得了建立學科間關係的意義。這裏所得的教益,是維納最終選擇交叉學科作為研究方向的最早萌芽。

一年後,由於羅素外出講學,維納轉投到德國哥廷根大學希爾伯特門下。希爾伯特是人類有史以來所出現過的最偉大的數學神才,幾乎可以說是世界上惟一一個真正通曉一切現代數學領域的數學家。來到哥廷根大學後,希爾伯特思想之深刻,視野之廣闊,知識之淵博,簡直使維納為之震驚。把數學作為一種打開自然之謎的工具和技術,這與當時把數學作為純粹形式係統不同的深邃見解影響了維納,使他能最後以數學統一物理、工程、神經生理等領域。隻有在這裏,他才真正讀懂了數學,愛上了數學。原來,數學與他那萬花筒般的幻想世界是一致的。

創立控製論,這是一項需要有廣博知識、敏銳洞察力,並且在科學、哲學、技術各部門有濃厚功底的工作。非維納這類人才所不能為。所幸的是恰好在社會需要這個人物之前,出現了裏奧、羅素、希爾伯特、塔夫茨等人。這是維納的幸運,也是曆史的幸運。

對維納的工作起直接刺激作用的是兩次世界大戰。

一戰爆發後,維納充軍報國。作為數學家他在阿伯丁兵器實驗廠參加編製高炮射程表的工作。由於這時飛機速度已很快,射程表編製程序繁難冗雜。維納應用其數學理論出色地完成了很多工作。這裏他第一次接觸防空火炮係統,第一次感到高速計算的重要性,也是他第一次出色地以數學理論解決物理學問題。

戰後,他選擇了把數學和物理學結合在一起的工作,這是真正能發揮其蓄存已久的優勢的工作。他四麵出擊,幾乎到處成功。他拋棄了那種從純形式體係研究數學的理論傲慢,認為“一個有用的數學家必須是改變現實的有力因素”。’在數學和物理結合的道路上取得初步成功後,他開拓了數學與工程技術及其他學科結合的新路子並且依然是捷報頻傳。為此,1933年,39歲的維納被選為美國科學院院士。

幾年後,新的世界大戰又一次席卷了歐洲。作為盟國,美國也參與了戰爭。維納參加了防空火炮裝置的設計工作。由於德國占有空中優勢,盟軍處於守勢,防禦成了大問題。

這時的飛機飛得更快了,已經與追打它的炮彈的速度相差無幾。火炮不能直瞄飛機,必須給出提前量——打飛機下一時刻可能到的位置——讓炮彈與飛機同時到達空間的某一點。這時,人的眼力、心力和體力已跟不上飛機速度方向的變換,提高命中率的出路隻能在機器了。然而,飛機在空中三維空間,加速、減速、拔高、俯衝、轉向、翻滾自由度很大,機器如何判斷飛機下一時刻的動作呢?