主题：【史话】决战紫禁之巅之爱玻之战（5-4）（5-5） -- jlanu

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第六章 大一统

一

当年轻气盛的海森堡在哥廷根披荆斩棘的时候，埃尔文•薛定谔（Erwin

Schrodinger）已经是瑞士苏黎世大学的一位有名望的教授。当然，相比海森堡来说，薛

定谔只能算是大器晚成。这位出生于维也纳的奥地利人并没有海森堡那么好的运气，在一

个充满了顶尖精英人物的环境里求学，而几次在战争中的服役也阻碍了他的学术研究。但

不管怎样，薛定谔的物理天才仍然得到了很好的展现，他在光学、电磁学、分子运动理论

、固体和晶体的动力学方面都作出过突出的贡献，这一切使得苏黎世大学于1921年提供给

他一份合同，聘其为物理教授。而从1924年起，薛定谔开始对量子力学和统计理论感到兴

趣，从而把研究方向转到这上面来。

和玻尔还有海森堡他们不同，薛定谔并不想在原子那极为复杂的谱线迷宫里奋力冲突，撞

得头破血流。他的灵感，直接来自于德布罗意那巧妙绝伦的工作。我们还记得，1923年，

德布罗意的研究揭示出，伴随着每一个运动的电子，总是有一个如影随形的“相波”。这

一方面为物质的本性究竟是粒子还是波蒙上了更为神秘莫测的面纱，但同时也已经提供通

往最终答案的道路。

薛定谔还是从爱因斯坦的文章中得知德布罗意的工作的。他在1925年11月3日写给爱因斯

坦的信中说：“几天前我怀着最大的兴趣阅读了德布罗意富有独创性的论文，并最终掌握

了它。我是从你那关于简并气体的第二篇论文的第8节中第一次了解它的。”把每一个粒

子都看作是类波的思想对薛定谔来说极为迷人，他很快就在气体统计力学中应用这一理论

，并发表了一篇题为《论爱因斯坦的气体理论》的论文。这是他创立波动力学前的最后一

篇论文，当时距离那个伟大的时刻已经只有一个月。从中可以看出，德布罗意的思想已经

最大程度地获取了薛定谔的信任，他开始相信，只有通过这种波的办法，才能够到达人们

所苦苦追寻的那个目标。

1925年的圣诞很快到来了，美丽的阿尔卑斯山上白雪皑皑，吸引了各地的旅游度假者。薛

定谔一如既往地来到了他以前常去的那个地方：海拔1700米高的阿罗萨（Arosa）。自从

他和安妮玛丽•伯特尔（Annemarie Bertel）在1920年结婚后，两人就经常来这里

度假。薛定谔的生活有着近乎刻板的规律，他从来不让任何事情干扰他的假期。而每次夫

妇俩来到阿罗萨的时候，总是住在赫维格别墅，这是一幢有着尖顶的，四层楼的小屋。

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。si

n(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。”埃仑费斯特说：“我为您的理论和其带来的全新观念所着迷。在过去的两个

礼拜里，我们的小组每天都要在黑板前花上几个小时，试图从一切角度去理解它。”薛定

谔的方程通俗形象，简明易懂，当人们从矩阵那陌生的迷宫里抬起头来，再次看到自己熟

悉的以微分方程所表达的系统时，他们都像闻到了故乡泥土的芬芳，有一种热泪盈眶的冲

动。但是，这种新体系显然也已经引起了矩阵方面的注意，哥廷根和哥本哈根的那些人，

特别是海森堡本人，显然对这种“通俗”的解释是不满意的。

海森堡在写给泡利的信中说：

“我越是思考薛定谔理论的物理意义，就越感到厌恶。薛定谔对于他那理论的形象化的描

述是毫无意义的，换一种说法，那纯粹是一个Mist。”Mist这个德文，基本上相当于英语

里的bullshit或者crap。

薛定谔也毫不客气，在论文中他说：

“我的理论是从德布罗意那里获得灵感的……我不知道它和海森堡有任何继承上的关系。

我当然知道海森堡的理论，它是一种缺乏形象化的，极为困难的超级代数方法。我即使不

完全排斥这种理论，至少也对此感到沮丧。”

矩阵力学，还是波动力学？全新的量子论诞生不到一年，很快已经面临内战。

二

回顾一下量子论在发展过程中所经历的两条迥异的道路是饶有趣味的。第一种办法的思路

是直接从观测到的原子谱线出发，引入矩阵的数学工具，用这种奇异的方块去建立起整个

新力学的大厦来。它强调观测到的分立性，跳跃性，同时又坚持以数学为唯一导向，不为

日常生活的直观经验所迷惑。但是，如果追究根本的话，它所强调的光谱线及其非连续性

的一面，始终可以看到微粒势力那隐约的身影。这个理论的核心人物自然是海森堡，波恩

，约尔当，而他们背后的精神力量，那位幕后的“教皇”，则无疑是哥本哈根的那位伟大

的尼尔斯•玻尔。这些关系密切的科学家们集中资源和火力，组成一个坚强的战斗

集体，在短时间内取得突破，从而建立起矩阵力学这一壮观的堡垒来。

而沿着另一条道路前进的人们在组织上显然松散许多。大致说来，这是以德布罗意的理论

为切入点，以薛定谔为主将的一个派别。而在波动力学的创建过程中起到关键的指导作用

的爱因斯坦，则是他们背后的精神领袖。但是这个理论的政治观点也是很明确的：它强调

电子作为波的连续性一面，以波动方程来描述它的行为。它热情地拥抱直观的解释，试图

恢复经典力学那种形象化的优良传统，有一种强烈的复古倾向，但革命情绪不如对手那样

高涨。打个不太恰当的比方，矩阵方面提倡彻底的激进的改革，摒弃旧理论的直观性，以

数学为唯一基础，是革命的左派。而波动方面相对保守，它强调继承性和古典观念，重视

理论的形象化和物理意义，是革命的右派。这两派的大战将交织在之后量子论发展的每一

步中，从而为人类的整个自然哲学带来极为深远的影响。

在上一节中，我们已经提到，海森堡和薛定谔互相对对方的理论表达出毫不掩饰的厌恶（

当然，他们私人之间是无怨无仇的）。他们各自认定，自己的那套方法才是唯一正确的。

这是自然的现象，因为矩阵力学和波动力学看上去是那样地不同，而两人的性格又都以好

胜和骄傲闻名。当衰败的玻尔理论退出历史舞台，留下一个权力真空的时候，无疑每个人

都想占有那一份无上的光荣。不过到了1926年4月份，这种对峙至少在表面上有了缓和，

薛定谔，泡利，约尔当都各自证明了，两种力学在数学上来说是完全等价的！事实上，我

们追寻它们各自的家族史，发现它们都是从经典的哈密顿函数而来，只不过一个是从粒子

的运动方程出发，一个是从波动方程出发罢了。而光学和运动学，早就已经在哈密顿本人

的努力下被联系在了一起，这当真叫做“本是同根生”了。很快人们已经知道，从矩阵出

发，可以推导出波动函数的表达形式来，而反过来，从波函数也可以导出我们的矩阵。19

30年，狄拉克出版了那本经典的量子力学教材，两种力学被完美地统一起来，作为一个理

论的不同表达形式出现在读者面前。

但是，如果谁以为从此就天下太平，万事大吉，那可就大错特错了。虽然两种体系在形式

上已经归于统一，但从内心深处的意识形态来说，它们之间的分歧却越来越大，很快就形

成了不可逾越的鸿沟。数学上的一致并不能阻止人们对它进行不同的诠释，就矩阵方面来

说，它的本意是粒子性和不连续性。而波动方面却始终在谈论波动性和连续性。波粒战争

现在到达了最高潮，双方分别找到了各自可以依赖的政府，并把这场战争再次升级到对整

个物理规律的解释这一层次上去。

“波，只有波才是唯一的实在。”薛定谔肯定地说，“不管是电子也好，光子也好，或者

任何粒子也好，都只是波动表面的泡沫。它们本质上都是波，都可以用波动方程来表达基

本的运动方式。”

“绝对不敢苟同。”海森堡反驳道，“物理世界的基本现象是离散性，或者说不连续性。

大量的实验事实证明了这一点：从原子的光谱，到康普顿的实验，从光电现象，到原子中

电子在能级间的跳跃，都无可辩驳地显示出大自然是不连续的。你那波动方程当然在数学

上是一个可喜的成就，但我们必须认识到，我们不能按照传统的那种方式去认识它――它

不是那个意思。”

“恰恰相反。”薛定谔说，“它就是那个意思。波函数ψ（读作psai）在各个方向上都是

连续的，它可以看成是某种振动。事实上，我们必须把电子想象成一种驻在的本征振动，

所谓电子的“跃迁”，只不过是它振动方式的改变而已。没有什么‘轨道’，也没有什么

‘能级’，只有波。”

“哈哈。”海森堡嘲笑说，“你恐怕对你自己的ψ是个什么东西都没有搞懂吧？它只是在

某个虚拟的空间里虚拟出来的函数，而你硬要把它想象成一种实在的波。事实上，我们绝

不能被日常的形象化的东西所误导，再怎么说，电子作为经典粒子的行为你是不能否认的

。”

“没错。”薛定谔还是不肯示弱，“我不否认它的确展示出类似质点的行为。但是，就像

一个椰子一样，如果你敲开它那粒子的坚硬的外壳，你会发现那里面还是波动的柔软的汁

水。电子无疑是由正弦波组成的，但这种波在各个尺度上伸展都不大，可以看成一个‘波

包’。当这种波包作为一个整体前进时，它看起来就像是一个粒子。可是，本质上，它还

是波，粒子只不过是波的一种衍生物而已。”

正如大家都已经猜到的那样，两人谁也无法说服对方。1926年7月，薛定谔应邀到慕尼黑

大学讲授他的新力学，海森堡就坐在下面，他站起来激烈地批评薛定谔的解释，结果悲哀

地发现在场的听众都对他持有反对态度。早些时候，玻尔原来的助手克莱默接受了乌特勒

支（Utrecht）大学的聘书而离开哥本哈根，于是海森堡成了这个位置的继任者――现在

他可以如梦想的那样在玻尔的身边工作了。玻尔也对薛定谔那种回归经典传统的理论观感

到不安，为了解决这个问题，他邀请薛定谔到哥本哈根进行一次学术访问，争取在交流中

达成某种一致意见。

9月底，薛定谔抵达哥本哈根，玻尔到火车站去接他。争论从那一刻便已经展开，日日夜

夜，无休无止，一直到薛定谔最终离开哥本哈根为止。海森堡后来在他的《部分与整体》

一书中回忆了这次碰面，他说，虽然平日里玻尔是那样一个和蔼可亲的人，但一旦他卷入

这种物理争论，他看起来就像一个偏执的狂热者，决不肯妥协一步。争论当然是物理上的

问题，但在很大程度上已经变成了哲学之争。薛定谔就是不能相信，一种“无法想象”的

理论有什么实际意义。而玻尔则坚持认为，图像化的概念是不可能用在量子过程中的，它

无法用日常语言来描述。他们激烈地从白天吵到晚上，最后薛定谔筋疲力尽，他很快病倒

了，不得不躺到床上，由玻尔的妻子玛格丽特来照顾。即使这样，玻尔仍然不依不饶，他

冲进病房，站在薛定谔的床头继续与之辩论。当然，最后一切都是徒劳，谁也没有被对方

说服。

物理学界的空气业已变得非常火热。经典理论已经倒塌了，现在矩阵力学和波动力学两座

大厦拔地而起，它们之间以某种天桥互相联系，从理论上说要算是一体。可是，这两座大

厦的地基却仍然互不关联，这使得表面上的亲善未免有那么一些口是心非的味道。而且，

波动和微粒，这两个300年来的宿敌还在苦苦交战，不肯从自己的领土上后退一步。双方

都依旧宣称自己对于光、电，还有种种物理现象拥有一切主权，而对手是非法武装势力，

是反政府组织。现在薛定谔加入波动的阵营，他甚至为波动提供了一部完整的宪法，也就

是他的波动方程。在薛定谔看来，波动代表了从惠更斯，杨一直到麦克斯韦的旧日帝国的

光荣，而这种贵族的传统必须在新的国家得到保留和发扬。薛定谔相信，波动这一简明形

象的概念将再次统治物理世界，从而把一切都归结到一个统一的图像里去。

不幸的是，薛定谔猜错了。波动方面很快就要发现，他们的宪法原来有着更为深长的意味

。从字里行间，我们可以读出一些隐藏的意思来，它说，天下为公，哪一方也不能独占，

双方必须和谈，然后组成一个联合政府来进行统治。它还披露了更为惊人的秘密：双方原

来在血缘上有着密不可分的关系。最后，就像阿尔忒弥斯庙里的祭司所作出的神喻，它预

言在这种联合统治下，物理学将会变得极为不同：更为奇妙，更为神秘，更为繁荣。

好一个精彩的预言。

*********

饭后闲话：薛定谔的女朋友

2001年11月，剧作家Matthew Wells的新作《薛定谔的女朋友》（Schrodinger’s

Girfriend）在旧金山著名的Fort Mason Center首演。这出喜剧以1926年薛定谔在阿罗萨

那位神秘女友的陪伴下创立波动力学这一历史为背景，探讨了爱情、性，还有量子物理的

关系，受到了评论家的普遍好评。今年（2003年）初，这个剧本搬到东岸演出，同样受到

欢迎。近年来形成了一股以科学人物和科学史为题材的话剧创作风气，除了这出《薛定谔

的女朋友》之外，恐怕更有名的就是那个东尼奖得主，Michael Frayn的《哥本哈根》了

。

不过，要数清薛定谔到底有几个女朋友，还当真是一件难事。这位物理大师的道德观显然

和常人有着一定的距离，他的古怪行为一直为人们所排斥。1912年，他差点为了喜欢的一

个女孩而放弃学术，改行经营自己的家庭公司（当时在大学教书不怎么赚钱），到他遇上

安妮玛丽之前，薛定谔总共爱上过4个年轻女孩，而且主要是一种精神上的恋爱关系。对

此，薛定谔的主要传记作者之一，Walter Moore辩解说，不能把它简单地看成一种放纵行

为。

如果以上都还算正常，婚后的薛定谔就有点不拘礼法的狂放味道了。他和安妮的婚姻之路

从来不曾安定和谐，两人终生也没有孩子。而在外沾花惹草的事，薛定谔恐怕没有少做，

他对太太也不隐瞒这一点。安妮，反过来，也和薛定谔最好的朋友之一，赫尔曼•

威尔（Hermann Weyl）保持着暧昧的关系（威尔自己的老婆却又迷上了另一个人，真是天

昏地暗）。两人讨论过离婚，但安妮的天主教信仰和昂贵的手续费事实上阻止了这件事的

发生。《薛定谔的女朋友》一剧中调笑说：“到底是波-粒子的二象性难一点呢，还是老

婆-情人的二象性更难？”

薛定谔，按照某种流行的说法，属于那种“多情种子”。他邀请别人来做他的助手，其实

却是看上了他的老婆。这个女人（Hilde March）后来为他生了一个女儿，令人惊奇的是

，安妮却十分乐意地照顾这个婴儿。薛定谔和这两个女子公开同居，事实上过着一种一妻

一妾的生活（这个妾还是别人的合法妻子），这过于惊世骇俗，结果在牛津和普林斯顿都

站不住脚，只好走人。他的风流史还可以开出一长串，其中有女学生、演员、OL，留下了

若干私生子。但薛定谔却不是单纯的欲望的发泄，他的内心有着强烈的罗曼蒂克式的冲动

，按照段正淳的说法，和每个女子在一起时，却都是死心塌地，恨不得把心掏出来，为之

谱写了大量的情诗。我希望大家不要认为我过于八卦，事实上对情史的分析是薛定谔研究

中的重要内容，它有助于我们理解这位科学家极为复杂的内在心理和带有个人色彩的独特

性格。

最最叫人惊讶的是，这样一个薛定谔的婚姻后来却几乎得到了完美的结局。尽管经历了种

种风浪，穿越重重险滩，他和安妮却最终白头到老，真正像在誓言中所说的那样：to

have and to hold, in sickness and in health, till death parts us。在薛定谔生命

的最后时期，两人早已达成了谅解，安妮说：“在过去41年里的喜怒哀乐把我们紧紧结合

在一起，这最后几年我们也不想分开了。”薛定谔临终时，安妮守在他的床前握住他的手

，薛定谔说：“现在我又拥有了你，一切又都好起来了。”

薛定谔死后葬在Alpbach，他的墓地不久就被皑皑白雪所覆盖。四年后，安妮玛丽•

薛定谔也停止了呼吸