序
薛定諤的青少年時代
胡新和
中國科學院大學 教授
薛定諤(Erwin Schrödinger)1887年8月12日出生於奧地利首都維也納的一個手工業主家庭。他的父親具有良好的文化修養,受過相當廣泛的教育,起先在維也納工業學院學習化學,後來醉心於意大利繪畫的欣賞、研究和創作,此後又轉向植物學研究,並發表過一系列文章。
薛定諤的母親出身書香門第,和藹慈愛,性情快樂,溫文爾雅。薛定諤的外祖母是英國人,這使他從小就開始接觸和學習英語,以至於長大後應用英語的流利程度幾乎和母語———德語一樣,對他日後的研究、生活和交流研究成果具有非常重要的作用。
然而,在薛定諤的早期教育中,具有決定性的影響還是來自他父親。薛定諤幾乎沒有上過小學,在11歲以前,父親總是每周兩次把家庭教師請到家中給他上課。父親常常陪著薛定諤玩耍嬉戲,注意在滿足孩子的好奇心中開啟智力資源,培養孩子對大自然的廣泛興趣。父親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。薛定諤在獲諾貝爾獎的致辭中回憶說:“他(父親)是一個朋友,是一位老師,也是一名不知疲倦的談話討論的伙伴;他是一座陳列所有吸引我、令我著迷的事物的殿堂。”
父親對於薛定諤的關心和支持即使在薛定諤成年後仍一如既往。有這樣一個例子,第一次世界大戰結束後,經濟蕭條,百廢待興,大學教師的薪俸很低。當時,薛定諤正準備結婚,他擔心收入難以維持家庭生活費用,於是就問父親:“是否讓我也來參與你的生意?”風燭之年的父親斷然拒絕:“不,我親愛的孩子,你不應該幹這個,我不希望你從事這種營生。你要留在大學裡繼續你的學術生涯。”雖然這之後不到一年父親就告別人世,沒能親眼見到兒子在學術上的輝煌時刻,但正是這種對兒子的真正的愛,這種對於科學和文明的追求,這種普通人罕有的遠見卓識,使薛定諤得以全身心投入科學事業。
薛定諤在父母的精心培養下,度過了無憂無慮的童年時代,健康成長起來。1898年,在11歲時,他進入了維也納高等專科學校所屬預科學校,相當於現在大學的附屬中學。這種預科學校按照傳統,強調人文學科的教育,特別是拉丁文、希臘文等古典語言的教學,同時也開
設了優質的數理課程。薛定諤的天賦和學習能力在學校裡很快表現出來。他曾這樣總結自己的中學時代:“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嚴謹的邏輯。我討厭的只是死記硬背那些偶然的歷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,但是嫌惡對他們的作品做學究式的煩瑣分解與考證。”
他的中學同學海德納在回憶起他們的中學時代時,說薛定諤當時在學校裡總是名列前茅,特別給他留下深刻印象的是:“我不記得有任何一次我們中的這位佼佼者回答不了老師的課堂提問。我們都知道他確實在課堂上就掌握了老師講授的全部知識,他絕不是那種花上大量課餘時間悶頭苦學的人……特別是在物理學和數學中,薛定諤有一種理解才能,他能夠迅速甚至是立刻抓住老師講解的關鍵,並馬上完成老師布置的習題,不用等到回家去進一步求解。在三年級的最後,教我們這兩門課的紐曼教授常常會在講完當天的課程後,把薛定諤叫到黑板前,給他出一些問題,而薛定諤解答這些問題就跟玩兒似的輕松……確實,薛定諤總是把下午的富餘時間用於學習他歡喜的其他課程,而不必去刻苦地摳那些課上學的內容。他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裡是不教的。此外,他還熱衷於體育活動,花大量的時間參加許多運動,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鎮定。海德納說,有一次,已經是畢業班學生的薛定諤在課堂上偷偷地看別的課程內容,“突然哈伯爾教授問他一個關於古希臘歷史的問題,像閃電一樣,薛定諤很快讓自己的思緒回到課堂上,從容而正確地回答了這個提問”。
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,這使他對學校裡開設的希臘語和拉丁語課程也非常喜歡,並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,最早至少可以從一本題為“希臘研究備忘錄”的畢業筆記本中窺其一斑,在上面他簡要記敘了希臘哲學從米利都的泰利斯到柏拉圖的發展。這種興趣在他的一生中不時地縈繞在他的心中,吸引他不斷探討古希臘哲學與歐洲科學的起源之間的內在關係。
例如,當1948年5月他在倫敦國王學院作希爾曼系列演講時,致力於證明希臘哲學傳統在現代科學,包括在相對論和原子理論中的延續。他在開場白中解釋自己追溯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,並非出自自己近年來的嗜好,從(理論物理學的)專業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、特別是現代物理學。”
薛定諤課餘時間興趣廣泛,多才多藝。除了參加體育活動外,他最突出的是對藝術、文學和語言的愛好。他對繪畫具有超凡的鑒賞力,並且親自動手創作雕塑作品;他醉心於戲劇,看戲入迷,癮頭極大,是城市劇院的常客和忠實觀眾。在他保留的剪貼簿上,藏有他所看過的所有演出節目單,並對演員的表演做了認真的評論。
薛定諤的另一個愛好是詩歌,他不但閱讀欣賞德語作家,如席勒、海涅等人的詩作,而且閱讀欣賞不同語言和不同時代的詩歌。實際上,對詩歌的愛好,伴隨了他的一生。在緊張的學習和工作的間歇,他會把古希臘詩人荷馬的史詩譯成英文,或者把法國古代普羅旺斯語的
詩歌譯成現代德語,從中獲得精神上的享受和滿足,並讓大腦得到休息。正如著名物理學家玻恩後來所說,要對薛定諤的廣博知識和充沛的創造力加以概括是很困難的,“他熟悉人類思想和實踐的許多領域,他廣博的知識像他敏銳的思想和創造力一樣驚人”。“我沒有能力
描繪這位具有多方面才能的杰出人物的形象。他所涉足的許多領域我所知甚少———特別是在文學和詩歌方面” 。
最能代表薛定諤在文學、藝術方面的修養和創造性的,是後來(1949年)他出版的一本詩集,其中編入了他用德文和英文創作的詩歌。這些詩與當時德語詩壇的風格既有相似之處,但又別具一格。我們或許可以從下面這首詩中領略薛定諤的詩才於一斑:
葡萄飽含著汁液鮮美而香甜,
在那山前,它現出目光深沉的容顏。
太陽在八月蔚藍色的天空裡,
發熱、燃燒著,讓冷颼颼的山風消散。
紫色的果實把紅日引到身邊:
請嘗一嘗串串的果兒饋贈的香甜。
汁液沿太陽的血管緩緩流動,
它蘊藏著給你和他人的歡樂無限。
啊! 已臨近歲暮,那成熟之年,
夜晚降臨了,帶來的是凜冽嚴寒。
云兒在高空飄浮,在那日出之前,
寒霜覆蓋著網一般別致的蔓藤。
無論如何,在近現代科學史上,著名科學家兼具詩人氣質,這本身就是十分獨特而罕見的。偉大的科學家和偉大的詩人,他們在創作的衝動上是一樣的。與愛因斯坦不同,薛定諤從小就極善於演講。薛定諤對陳述自己的思想傾注了大量的精力,言辭中洋溢著藝術天賦;他以自己的明晰、智能和深入淺出的講解使聽眾折服,即使是外行也不難理解他所表述的問題。薛定諤的演講才能,在他成名之後更被發揮得淋漓盡致。他的演講主題不僅涉及科學,也涉及文學、歷史、哲學、藝術、道德、宗教、語言等方面,充分體現了他廣博的知識、寬闊的視野和深刻的理性思辨。在演講中,薛定諤常常旁征博引,能根據聽眾的不同而熟練地采用德、英、法、西班牙四種語言;當然,他的希臘文和拉丁文也不在話下。
但是,有趣的是,與對戲劇、詩歌和語言等的愛好和才能比,薛定諤對維也納文化生活中的另一傳統———音樂卻興趣不大。他出席音樂會,但並不著迷。他的夫人解釋說:“他能告訴你這音樂好聽還是不好聽,但不迷戀於此。”
1906年,薛定諤以優異的成績通過畢業考試,進入維也納大學,主修物理和數學。維也納大學是一所歷史悠久的高等學府,在薛定諤所處的時代,這所大學的師生享有很大自由,教學采用討論方法,廣開選修科目,自然科學、社會科學、人文學科有了很大發展。以物理學為例,自1850年之後,在維也納大學任教的具有國際聲譽的奧地利物理學家中,就有發現了著名的多普勒效應的多普勒,在數學和物理學領域同時都做出重要貢獻的馮·愛丁豪森,提出了熱輻射定律的斯忒藩,在實驗物理學、生理學和科學認識論上都有巨大貢獻的馬赫,統計物理學奠基人之一的玻爾茲曼,以及後來成為薛定諤老師的理論物理學家哈澤內爾和實驗物理學家埃克斯納等。如此雄厚的師資,濃郁的學術氣氛,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。
薛定諤在入學時,主修物理學和數學,輔修化學和天文學,沒有追隨他父親對於化學和生物學的愛好。這首先是由於在預科學校時以人文課程為主,理科課程很少。薛定諤基本沒有接觸過化學和生物學領域,而在物理和數學的學習中他已顯露出天賦和才華,培養起了興趣愛好,也增強了信心。另外,他對古老語法中嚴謹邏輯的喜愛,表現出他的邏輯思維能力,而對古希臘哲學的興趣則觸及一些深刻的哲學問題,這些無疑都更適宜於學習物理學和數學。
當薛定諤進入維也納大學時,正逢玻爾茲曼逝世,整個校園沉浸在一片悲哀的氣氛中。這位當時奧地利最杰出的理論物理學家,奠定了統計物理學的基礎,也奠定了維也納大學特殊的物理學傳統。斯人雖去,風範猶存。玻爾茲曼對學生要求嚴格,但從不以權威自居。他鼓勵學生充分討論並確定研究課題的教學方法,獨樹一幟,深受歡迎。他精心培養了一批像厄爾費斯脫、哈澤內爾、埃克斯納和後來發現了核裂變的L.邁特納這樣優秀的學生。他所奠定的科學傳統,通過他的學生,極大地影響了薛定諤的工作和思想。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,沒有別的東西曾使我如此狂喜,也不會再有什麼能使我這樣。”
薛定諤如饑似渴般地開始了大學學習,一頭扎進了課程堆裡,扎進了他所喜愛的數理知識的海洋。從他的筆記本看,僅數學課程,他所學習的就有微積分、概率理論、高等代數、函數理論、微分方程、數理統計、連續群理論、數論、三體問題以及微分幾何、解析幾何、球面三角幾何、旋轉幾何等。大量的數學知識使他的愛好得到極大滿足,也為他以後的發展打下了良好的基礎,提供了必要的工具。
在數學教師中,給他印象最深的是F.默頓和W.溫廷格,前者曾以提出關於素數分布的“默頓假說”而對數論做出貢獻,後者則被德國著名數學家F.克萊因稱為“奧地利數學界的希望”,發展了黎曼-克萊因的θ-函數理論,並在幾何、代數、數論、不變量理論、概率、相對性理論等方面做出過貢獻。薛定諤始終和溫廷格保持著通信聯系,在創立波動力學時還向他請教過一些數學問題。
薛定諤還選修過氣象學、天文學、無機化學、有機化學等課程,但他主要的精力還是在物理和數學上。他選修了哈澤內爾的幾乎所有的理論物理學課程,包括統計力學、哈密頓力學、連續介質力學、熱學、光學、電磁學和聲學。哈澤內爾對電磁波理論、黑體輻射、電子理論等做出了重要貢獻,他不但接任了導師玻爾茲曼的理論物理講座,也繼承了玻爾茲曼的學術傳統和教學風格,“在公眾場合總是愉快的、歡樂的,充滿了獨創性的幽默,即使在一些學生感到難堪或尷尬的場合也從不傷害他們的自尊心,總是充滿好意,樂於助人”。
薛定諤對哈澤內爾滿懷敬意,他正是從哈澤內爾的講授中掌握了以後工作的大部分基礎。薛定諤曾說,自己作為一名科學家的個性的形成,要歸功於哈澤內爾。1933年,他獲得諾貝爾物理學獎後發表獲獎演講時說:“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。”這或許並不僅僅是謙辭,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,卻在研究上遠遠走在他的前面。
天賦加勤奮,再加上名師指導,使薛定諤很快在大學校園裡嶄露頭角,為同學們所贊嘆。後來擔任維也納大學理論物理學教授的蒂林格這樣描述他與薛定諤的初次相遇:“那是1907—1908年度的冬季學期,當時我是剛剛入學的新生,常去數學講習班或圖書館看書。有一天,當一個淡黃色頭發的大學生走進屋裡時,旁邊的同學突然推了我一下,說‘這就是薛定諤!’我以前從未聽說過這個名字,但如此表達出的尊敬語氣和同學們的眼光給我留下了深刻的印象,並從一開始就產生了這樣的信念:他絕非碌碌之輩。這種信念隨著歲月流逝而日益堅定。”
蒂林格又接著說:“相識很快發展成為友誼,在這種友誼中,薛定諤總是幫助人的一方在復習功課準備考試時,在討論老師課堂上講的那些難以掌握的知識時,我的朋友薛定諤總是起著兄長般的作用,他優越的智力條件被毫無嫉妒地公認。遠在他獲得建立波動力學的成功之前,他的小圈子裡的朋友們就都深信他肯定會做出某些非常重要的貢獻。我們非常清楚他那種火一樣的工作激情,他用這種學術熱情去艱苦工作,尋求解釋,打破狹隘的特殊專業的界限,去開辟新的探索自然之路。”
薛定諤的這種聲譽逐漸不僅限於同學們之間,他也日益為教授們所重視和讚賞。有這麼一件事,大約發生在1910年夏季,即他快要畢業時。當時馬赫作為物理學界的老前輩,對物理學家格伯的一份手稿中提出的引力和電磁學之間的關係感興趣,但又得不出一個清楚的看法,因此要求大學裡另一位老資格的物理學家雅格研究一下這份手稿,而雅格把這個問題交給了搞理論物理的晚輩哈澤內爾。哈澤內爾大略看了看,認為值得注意,而當雅格征求玻爾茲曼的另一位學生、後來科學哲學維也納學派的主要成員弗蘭克的意見時,後者卻認為手稿中概念混淆,數學推導也不能令人滿意。馬赫又把它交給數學家溫廷格,堅持要他再作進一步推敲。而溫廷格後來在給馬赫的信中這樣報告:“我把格伯的論文交給了一位年輕的電學研究者,他在其他領域中也表現得相當出色,他提供了下述詳細的見解。”這位年輕的研究者就是薛定諤,他經過細心的研究,得出了與弗蘭克相似的結論,認為這篇論文的一些關鍵之處很不清楚。溫廷格感覺薛定諤的回答相當詳盡並具有很強的說服力。
所有這些,都足以顯示出薛定諤的理論才華,但他並沒有把自己局限於理論問題。他認真地出席埃克斯納的實驗物理講座,細心地進行各種實驗操作,並從中去體會物理學的特征和本質,去具體把握物理學的基本觀念及其與實驗觀察的關係。埃克斯納在薛定諤學生時代和工作初期都曾指導過他,給了他很大影響,埃克斯納對於因果性和偶然性的論述,也促使他日後許多科學觀念的萌芽。
薛定諤的博士論文,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”。這一選題,體現了維也納大學物理教學傳統中對於實驗的重視。事實上,當年哈澤內爾在學生時代盡管也偏愛數學和理論物理,並發表過一些有關文章,但他的博士論文也選的是實驗物理題目———“流體的介電常數與溫度的關係”,由已留校任教多年的埃克斯納具體指導。而薛定諤的論文題目,是當時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,而即使最好的絕緣體,如琥珀、石英玻璃、硫黃、石蠟、硬橡膠等也常常不能滿足要求,因為其表面由水、霧、雪、昆蟲分泌物而形成導電薄膜。當時主持大氣電學研究的馮·施維德勒具體指導了他的工作。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岀發,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、硫黃或石蠟等制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,棒表面成為導體。薛定諤特別測量了驗電器的充電速率,推導岀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。薛定諤把這一研究成果寫成論文,提交維也納大學的學位委員會評審,獲得了學位委員會的高度評價。他終於以優異的成績完成了學業,戴上了博士帽,從此正式邁入學術殿堂。
書摘/試閱
《生命是什麼》的影響
向義和
清華大學 教授
1943 年,薛定諤在給都柏林三一學院高年級學生做第一次講課時,他高瞻遠矚地向年輕的學子們提出了時代賦予的科學統一的任務。這也就是他在《生命是什麼》的序言中所說的話: “我們從先輩那裡繼承了對一種統一的、無所不包的知識的殷切追求。那些最高學府所被賦予的獨特名稱(即university)提醒著我們,自古以來的數個世紀當中,只有普遍的(universal)東西才能完全獲得承認。然而,在剛剛過去的百餘年裡,各個知識分支在廣度上和深度上的擴展,使我們面臨著一個奇怪的困境。我們清楚地感受到,直到現在我們才開始獲得能夠將以往所有的知識融合為一個整體的可靠材料;然而另一方面,一個人要想跨越他專攻的那一小塊領域以駕馭整個知識王國,已是幾乎不可能的了。”因此,薛定諤感到為了實現知識統一的目標,我們除了應當繼續堅持理論與實驗相結合,努力克服知識的局限性外,沒有別的出路。
薛定諤在用大量的篇幅對基因的性質進行了物理學分析,特別是用量子論分析後,他又在第6章中,從熱力學關於有序、無序和熵的觀點,來說明維持生命物質高度有序性的原因,首次提出了“生命賴負熵為生”的名言。他在“從環境中汲取‘有序’而得以維持的組織”一節中說: “ ‘它靠負熵生存’,它會向自身引入一連串的負熵,來抵償由生命活動帶來的熵增,從而使其自身維持在一個穩定而且相當低的熵值水平。”
全書快結束時,在第7章中,回答“生命是否基於物理定律?” 的問題時,薛定諤闡述了物理學和生物學的關係。他首先從有機物具有與無機物完全不同特征出發,指出雖然經典物理學在解釋生命現象時遇到了困難,但是這並不意味著它們對於解決生命問題沒有幫助。事實上,情況恰好相反,對生命的研究可能會展示出在純粹研究無機現象時無法發現的全新的自然界景觀,發現在生命物質中適用的新型的物理學定律。他在第7章的“新定律並不違背物理學”一節中指出: “所謂的新定律也是真正意義上的物理學定律: 我認為,它不過是再
次回歸到了量子論的原理罷了。”
在20 世紀40 年代和50 年代,薛定諤的生物學觀點具有很大的影響,尤其對年輕的物理學家影響更大,他將一些物理學家引到一個科學研究的新的前沿,推動他們轉入生物學的新領域,去探索物理學的新定律。薛定諤的《生命是什麼》一書自1944 年出版後,到1983 年的40年間,在西方世界各國出版了12 版之多。他的這本書成為當時分子遺傳學的“結構學派”(應用物理化學定律來研究生命物質的分子結構)的綱領,為DNA 雙螺旋結構的發現者們提供了強有力的思想武器。
DNA 雙螺旋結構的發現者之一、美國遺傳學家沃森在芝加哥大學讀書時,在讀了薛定諤的《生命是什麼》後,就被這本書吸引住了。後來他說,正是這部書引導他去“尋找基因的奧秘” 。一位采訪沃森的記者曾經向他提出問題: “薛定諤的波動方程使他成為有名的諾貝爾獎得主,作為物理學家,他試圖用量子論來談生命問題,這在當時是具有劃時代意義的事情吧?”他說: “那本書對‘生命是什麼’ 進行了提問,薛定諤對提問做出了回答。他敘述了生命的本質,人類、虎、鼠等所具有的特性,指出生命的特性是由染色體決定的。他還認為生命有說明書,說明書肯定存在於分子上。分子上有非常特別的構造,能利用某一方式將信息拷貝下來。”
DNA 雙螺旋結構的另一位發現者、英國生物物理學家克裡克曾於20 世紀30 年代後期在倫敦大學獲得物理學學位,後來又攻讀物理研究生,打算從事粒子物理研究。1946 年,他讀了薛定諤的《生命是什麼》一書後,受到了該書的啟發而想研究物理學在生物學中的應用。書中提出的“可以用精確的概念,即物理學和化學的概念,來考慮生物學的本質問題”給他留下了深刻的印象,他讀罷書後寫道: “偉大的事情就在角落裡。”他所說的偉大的事情指的是利用X 射線衍射法對蛋白質和核酸的研究。
發現DNA 雙螺旋結構的有三位諾貝爾獎得主,除了沃森、克裡克外,還有一位英國物理學家威爾金斯,他和富蘭克林都是倫敦金氏學院的研究員,通過攝制DNA 的X 射線衍射圖為這一結構提供了實驗證據。
威爾金斯也是在讀了薛定諤的《生命是什麼》一書後,轉入用X 射線衍射法研究DNA 的結構的。他們在思想上都受到了薛定諤的影響,所以,盡管他們原來的工作領域不同,但是他們仍然以相似的觀點和不同的方式來探討生物學問題。由於實現了生物學與物理學的結合,理論與實驗的結合,這個科學的交叉領域終於獲得了大突破,於1953 年發現了DNA 的雙螺旋結構,從而開創了生命科學的新紀元。
自從20 世紀50 年代生物物理學作為一門獨立學科誕生以來,它已在研究生命物質的各個方面取得了顯著的成就。今天由於物理實驗儀器和實驗技術已經達到納米水平或分子生物水平,人們對生物分子各方面的性能有更進一步的了解,未來科學上革命性的突破有可能在生物學和物理學的結合點上實現。又由於分子生物學的研究已經越來越接近生命的本原,生物學將變得越來越數學化,物理學也將會更接近生物學。無疑,我們正處在一個令人激動的科學時代裡。復雜的生物系統向物理學家展示出很多有意思的現象,提出了很多有趣的問題,值得物理學家去探索、研究、發現新的物理學規律,實現老一輩物理學家薛定諤的夢想: 物理學和生物學的統一。
