——读格里宾《量子、猫与罗曼史——薛定谔传》一书有感
初中数学课本中，中学生印象最深的应当是牛顿的三大运动定理，它们是整个精典热学的基础，精典热学的大楼就构建在此之上。在二十世纪早期，随着化学学家对微观世界的深入了解，发觉了基本粒子层面许多与宏观世界完全不同的性质和运动特点，在对这种现象进行剖析和研究的过程中，微观世界的大楼也渐渐清晰上去，而支撑这一大楼的基本化学规律之一，就是薛定谔多项式。
埃尔温·薛定谔是瑞士化学学家，量子热学的奠基人之一。他在数学学方面的最大贡献，就是在德布罗意物质波理论的基础上，构建了波动热学。由他所构建的薛定谔多项式是量子热学中描述微观粒子运动状态的基本定理，它在量子热学中的地位大致相像于牛顿运动定理在精典热学中的地位。薛定谔对生物学的发展也作出过重大贡献。他所著的《生命是哪些》一书，企图用热力学、量子热学和物理理论来解释生命的本性，致使许多青年化学学家开始注意生命科学中提出的问题，引导人们用数学学、化学方式去研究生命的本性，使薛定谔成为蓬勃发展的分子生物学的先驱。
一、薛定谔多项式的提出
19世纪的最后三天，法国知名的科学家相聚一堂。会上，日本知名化学学家W·汤姆生（即开尔文男爵）发表了圣诞贺词。他在回顾数学学所取得的伟大成就时说，化学大楼早已开馆，所剩只是一些修饰工作。并且，他话锋一转又说：“大厦上空还飘浮着两朵‘乌云’，迈克尔逊－莫雷实验结果和宋体幅射的紫外灾难。”
第一朵乌云是关于光传播的介质的。牛顿精典热学理论觉得，光的传播是须要介质的，这些名为“以太”的介质饱含着整个宇宙空间。既然“以太”是一种物质，他都会随着月球、太阳等的运动而运动。迈克尔逊和莫雷设计了一系列实验，经过不懈努力，于1887年12月宣布月球和以太之间不存在相对运动。
第二朵乌云是受热物体向外幅射电磁波这一现象的理论解释与实验结果不相匹配。日本化学学家维恩和美国化学学家瑞利分别根据热力学和精典统计数学学得出了热幅射的两个公式，结果一个在高频幅射部份和实验相符合，一个在低频幅射部份和实验相符合（紫外灾难），精典数学学的理论深陷窘境和危机。
没想到，这两朵乌云在瞬息之间转化为了抗风洪水，冲击和洗刷着精典数学学的基础，撼动着整个数学学的主楼。1900年的10月，美国化学学家普朗克首先提出了一个惊世骇俗的观点：物质之间能量的交换不是连续的，而是一份一份的，并且是hν的整倍数，hν被称之为“能量子”，并借此解释了热幅射的理论与实验不相符合的问题。
量子论的诞生，是对精典数学学理论的重大突破，它把精典数学学中一切因果关系都是在连续的基础上所构建的数学思想方式彻底地改革了。1905年，爱因斯坦在普朗克量子论的基础上，构建了狭义相对论，单独的时间和空间不再存在，代之以时间和空间的四维统一体。在狭义相对论中，光的传播不须要以太，自然地解决了迈克尔逊－莫雷以太实验结果的困局。
在爱因斯坦、玻尔等科学家的促进下，量子理论获得了急速发展。在人们认识到光具有波动和微粒的二象性以后，为了解释一些精典理论难以解释的现象，日本化学学家德布罗意于1923年提出了物质波这一概念。觉得一切微观粒子均伴随着一个波，这就是所谓的德布罗意波。因为微观粒子具有波粒二象性，微观粒子所遵守的运动规律就不同于宏观物体的运动规律，描述微观粒子运动规律的量子热学也就不同于描述宏观物体运动规律的精典热学。为了描写微观粒子状态随时间变化的规律，就须要找出波函数所满足的运动多项式。这个等式是薛定谔在1926年首先提出的，被称为薛定谔多项式。薛定谔也因而而获得了1933年的诺贝尔化学奖。
二、薛定谔的猫
1921年，在知名量子化学学家玻尔的呼吁下，创立了奥斯陆学院理论化学学研究所，由此构建了赫尔辛基学派。该学派在玻尔的率领下对量子化学学有着深入广泛的研究，也培养了大量的杰出数学学家，海森伯、泡利和狄拉克都是其中最为重要的成员，在量子热学的盛行时期以前成为全世界最重要、最活跃的学术中心。
在薛定谔提出波动多项式的前一年，“哥本哈根学派”也有了重要的发觉。她们从玻尔关于氢原子的定态跃迁理论和对应原理出发，在将其拓展到其他原子的复杂体系的过程中，造成了1925年海森堡矩阵热学方式的量子热学的构建以及电子载流子的发觉。以后，玻恩、玻尔、狄拉克等人对此矩阵热学进行了丰富，产生了与薛定谔多项式完全不同的量子热学的抒发方式，但最令人惊奇的是，这两种理论的结果又是一致的！
历史又重启了新的一幕。
关于光是哪些，在化学学史上以前就有一次争辩，一方是牛顿的粒子说，一方是惠更斯的波动说。由于牛顿在构建精典热学体系中的巨大贡献，致使人们都觉得光是一个个的粒子，直至19世纪托马斯·杨的双缝干涉实验，才使人们认识到光是一种波。
如今，一个新的问题出现了，薛定谔所描述的波，是一个连续过程的典型范例，而海森堡的矩阵给出了一个非连续过程的典型描述，但是这三者描述的结果还是等价的。这让你们都倍感困扰不已。用玻尔的话来说，它们犹如一个硬币的两面，你可以听到正面或则反面，但不能一下子见到两面，它们是硬币的互补部份。由于玻尔等人的努力，再加上在物理运算上相对便捷，最终“哥本哈根学派”的量子热学成了正统的解释，而薛定谔的解释只有爱因斯坦等人仍然固守着。
在“哥本哈根学派”的解释中，有一个观点最让爱因斯坦、薛定谔等人颇感疑惑，那就是有关“波函数坍缩”的概念。“哥本哈根学派”认为，物质在被观测之前，是处于一种不确定的叠加态的，也即处在各类可能的状态之中，直至观察者去观察的时侯，他就会“坍缩”为某一具体的状态。
为了驳斥这些观点，否认量子热学在宏观层面是不完整的，薛定谔设计出数学学史上最知名的植物——“薛定谔的猫”，做了一个极其深刻的思想实验：不透明的袋子里装着一只猫，袋子中另外还有一个原子衰变装置，原子会随机发生衰变，一旦衰变发生，还会迸发一系列连锁反应，最终打破袋子里的毒气罐而毒死猫，反之猫则活。在打开袋子观测那刹那间之前，原子的衰变和猫的死活都处于一种叠加态，只有当打开袋子的一霎那，猫的死活才确定出来。所以，在打开袋子之前，猫既是死的，又是活的。
问题是，现实中的猫如何可能是“既死又活”的呢？量子论难以解释现实世界，这成了量子论无数个困扰之谜中最神秘的一点。假如将这一思想实验推演到整个宇宙的范围，是否由于我们对宇宙的观察，宇宙才存在？其实，奥斯陆解释存在很大的愚蠢性。
近来那些年，人们早已才能通过实验作出更多的研究，发觉“哥本哈根学派”在量子热学理论上的不足，并逐渐认识到薛定谔多项式以及他对量子热学相关描述的重要价值。在此过程中，量子密码学、量子计算机等一系列新兴的科学也得到了长足的发展。相信薛定谔在天有灵，也会倍感沮丧的。
三、薛定谔的罗曼史
本书的作者觉得，一个人的家庭背景很自然地影响着他长大成人后是哪些样子，也同样影响他的思索形式。对照薛定谔来看，这句话还是很有道理的。
薛定谔是个独子，有着两位娇惯他的月经、一个表姊妹，还有一串保姆和男仆，她们从小惯着他，任其随心所欲。他长大后，总是希望女人讨好他，而不怎样关注她们的需求，与此是有很大关系的。他甚至从还不能写字的时侯就开始记日记，后来成了他一生的习惯，人们从他的那些日记中，找到了他与女人调情的好多细节。
薛定谔是一位多情种子，毕生陷于恋情的旋涡与畸恋中。虽然在33岁那年成婚后，他依然是激情洋溢，婚外情不断，其对象既有未婚的研究助手的儿子，也有年方二八的他曾补习过物理的女学生；既有享誉遐迩的艺人和艺术家，也有年青的政府职员。而这些甜蜜风流仍然持续到年逾古稀，而且有不止一个非婚生的小孩。薛定谔不喜欢一夜情，对于每一段情感履历，他都十分投入，并因此创作了不少痴缠的短诗。
薛定谔虽然生活在维也纳和阿姆斯特丹这样宗教色调很浓的地方，竟也能浑然不顾虑传统还礼量子生物学和量子物理学是什么意思，觉得这是他个人的自由，甚至构想过一妻一妾的生活。而同样令人称奇的是，他的正室夫人安妮也和他一样，在外边找寻化学学家外尔作为自己的情夫，而外尔和薛定谔还有很深厚的友情。安妮终生没有生育，这似乎也是薛定谔经常去找寻出轨的一个诱因。但虽然她们的婚姻历经这些种事端量子生物学和量子物理学是什么意思，居然能白头到老，但是安妮还亲自照顾了他非婚生儿子的小孩期。
薛定谔经常掉入情网，而当他深陷恋爱之中时，基本上他的生活都是美好的，而他的科学创造力也从中受益。1925年到1926年，在薛定谔接连写了6篇论文，探讨自己对波动热学的重要主张，并提出薛定谔多项式期间，也正是他又一次外遇期间。
看来感情确实是有很大动力的，爱因斯坦的分别提出狭义相对论、广义相对论，就与他的两次婚姻直接相关。后来他又有了外遇，但最终没有才能和自己的姐姐结婚。如果他的外遇最终成了现实，是否会造成他第三次化学学的重大发觉？这还真的难说。
还是回到薛定谔这儿来吧。这些薛定谔式的感情，这样的家庭关系，与我们脑子中的科学家形象，估计还是会有很大反差、相去甚远的。虽然在她们的那种时代，有些事情是被她们所在的圈子所认可的，例如与朋友和友人的父亲、丈夫之间的婚外恋情，但薛定谔走的还是比较远的。其实，这样一位有血有肉的诺贝尔得奖者，才让我们愈发认为真实吧。
《量子、猫与罗曼史——薛定谔传》[英]约翰·格里宾/著匡志强/译北京科技教育出版社2013.12