薛定谔的创新之路—胡新和

薛定谔的创新之路——一位哲人科学家的精神追求与浪漫人生胡新和中国科学院研究生院引言一选题1，创新人才的案例研究2，理论创新不仅仅需要专业知识3，纪念波动力学创立80周年引言二哲人科学家（philosopher-scientist）李醒民：“在科学发展史和人类思想发展史上，我们可以发现这样一些一身二任式的人物：他们主要是具有开创性科学贡献的第一流的科学家，同时也是对人类思想和文化具有深刻影响的哲学家或思想家，即集伟大的科学家和哲学家（或思想家）于一身。我愿称这样的科学伟人为‘哲人科学家’。牛顿、爱因斯坦、弗洛伊德、彭加勒、玻尔、普里戈金等是其中的佼佼者。”哲人科学家的特征从小就对科学和哲学怀有浓厚的兴趣，喜欢沉思一些带根本性的科学问题和哲学问题；不拘泥于一种认识论体系，善于在对立的两极中保持必要的张力；不空洞地带着沉重的哲学偏见寻求答案，而是面向科学中的现实提出问题和寻求答案；不自诩为哲学家，不企图构造庞大的哲学体系，但却见解深邃而辽远，可列之于人类思想宝库地位和作用是科学的人文主义者，具有自觉的人文主义思想和精神是沟通科学和哲学的桥梁，自觉实践着科学文化与人文文化的交融是人类思想史上路标的设置者在科学和人文精神上，都是我们学习敬仰的榜样薛定谔就是这样的一位哲人科学家主题薛定谔的创新何以能够走向成功？薛定谔何以能称之为哲人科学家？提纲一、ErwinSchrödinger与波动力学二、科学与哲学三、科学与人文四、科学与情欲一、薛定谔与波动力学的建立1887.8.12维也纳——1961.1.4维也纳1906——1920维也纳大学上学，助教，一次大战后，回校教书1920——1921耶拿大学，斯图加特大学，布累斯劳大学1921——1927苏黎世大学理论物理学教授，建立波动力学1927——1933柏林大学物理学教授1933——1936牛津大学研究员，获得诺贝尔物理学奖1936——1938格拉茨大学教授1939——1956都柏林高等研究院理论物理部主任，写作《生命是什么？》1956——维也纳大学理论物理学荣誉教授至去世波动方程—微观物理学基础爱因斯坦在给薛定谔的信中评论：“你的文章的思想表现出真正的独创性”;普朗克认为薛定谔方程“奠定了现代量子力学的基础，就像牛顿、拉格朗日和哈密顿创立的方程式在经典力学中所起的作用一样。”斯莱特把波动力学称为与牛顿力学和麦克斯韦电磁理论同样卓越的理论综合；M.玻恩感叹：“在理论物理学中，还有什么比他在波动力学方面的最初六篇论文更为壮观呢？”“他熟悉人类思想和实践的许多领域，他的广博的知识、敏锐的思想和创造力都是惊人的。……他的名字是物理学出版物中出现最多的。我们中谁没有把薛定谔方程或薛定谔函数写过无数次呢？也许以后几代人也将这么做，并生动地记住他的名字。”——M.Born影响据薛定谔传记作者W.Moore统计，至1960年，基于薛定谔方程的研究论文已达到10万篇薛定谔方程构成量子力学过程的基础，除了用于描述原子和亚原子过程外，对于量子测量，量子化学如分子键的形成，化学药品在分子水平上的反应，超导和超流现象等研究中都可应用在技术应用上，晶体管、微处理器、激光和光纤电缆等都与它分不开为什么薛定谔的理论如此令人振奋,受到如此的欢迎？薛定谔又是如何走向成功的呢？1，量子理论的三部曲1900年普朗克的量子假说1905年爱因斯坦的光量子假说1913年玻尔的原子结构的量子论1915年索末菲的椭圆轨道和相对论效应1925年海森伯的矩阵力学1926年薛定谔的波动力学玻尔理论的成就基于原子稳定性和光谱学公式这两个经验事实三个基本假设：量子化圆轨道（角动量为普朗克常数的整数倍）；轨道电子处于稳态；量子跃迁发生辐射或吸收。“已表明应用这些假设于卢瑟福原子模型，就可能说明连接元素线光谱中不同谱线的巴耳末和里德伯定律。再进一步，元素的原子结构理论和化学结合的分子形成理论的轮廓也已经给出。它们在几个地方证明与实验近似一致。”玻尔理论的不足缺乏概念的自洽和逻辑一贯性，严格说来它不过“是一些互不相干的假设、原理、定理和计算方法凑起来的大杂烩”。特设性假说如量子化条件和稳态电子等不能普遍地解释和演绎对最简单的多体问题He原子能级的计算、反常塞曼效应、史特恩—盖拉赫效应、电子间的相互作用等不能提供满意的结果只是一个半经典半量子化的过渡性理论海森伯矩阵力学1925年，海森伯以实验中可观察的光谱线的频率和强度等物理量为基础，寻求它们之间的关系，得出了一种量子力学运动方程——矩阵力学用于处理原子过程由于数学上极其复杂和物理意义不清而影响不大，难以为人们所接受波动力学的优势采用的是经典的偏微分方程描述方法和易于理解的概念，形式上保留了时空描述的有效性，整个框架具有简洁明晰的数学美；六篇论文不仅形式上推导出波动方程，把人们不接受的量子化能级作为本征值求解出得出氢原子能级还得出一维谐振子、定轴和非定轴转子、双原子分子和斯塔克效应等与实验相符的理论解矩阵力学被证明与波动力学在数学上等价；使波动力学成为集前人成果之大成、理论上比较严谨自洽、实际运用更为广泛有效的完整体系特点科技创新，年轻人有优势以量子理论史上著名人物为例，第一篇成名作发表时，爱因斯坦26岁，玻尔28岁，海森伯24岁，泡利25岁，狄拉克24岁，约当23岁1926年的薛定谔已39岁，何以能大器晚成?薛定谔的创新条件天资聪颖;知识广博，数学功底扎实;外部环境，情趣相投的数学家H·外尔和物理学家P·德拜;德布罗意理论的激发;“薛定谔式的创新”：敏锐地抓住一些始作甬者的创新性观念，利用自身的知识优势，加以系统的构建和发挥，从而构成第一流的理论22220,meEKr评价M.雅麦尔：“薛定谔的光辉论文无疑是科学史上最有影响的贡献之一。它深化了我们对原子物理现象的理解，成为用数学求解原子物理、固体物理、及某种程度上核物理问题的便利基础，最终打开了新的思路。事实上，非相对论量子力学以后的发展很大程度上仅仅是薛定谔工作的加工和运用。”22220,meEKr2228hhiUtm22220,meEKr2228hhiUtm22220,meEKr2228hhiUtm22220,meEKr22220,meEKr22220,meEKr22220,meEKr获奖从1927年就被提名诺贝尔奖，提名者为斯坦福大学校长，鱼类学家乔丹，结果授予A。H。康普顿；1933年，“因为发现原子结构的新的富有成效的形式”，而与狄拉克一起被授予诺贝尔物理学奖。32年获奖的海森伯一起受奖二、科学与哲学理论创新不仅仅需要科学之内的资源爱因斯坦：“如果把哲学理解为在最普遍和最广泛的形式中对知识的追求，那么，显然，哲学就可以被认为是全部科学研究之母。”科学的尽头是哲学，哲学的尽头是宗教（杨振宁）。中国科学家缺少原始性创新的重要原因是理论思维不足。（周光召）喜爱文学和戏剧，不仅欣赏，还自己创作，曾出版过一本诗集哲学兴趣如此浓厚，以至于他所写的哲学类著作比他的科学著作还要多，其中包括《科学与人文主义》（1951），《自然与希腊人》（1954），《科学理论与人》（1957），《心与物》（1958），《我的世界观》（1961）和他去世后出版的论文集《自然规律是什么》（1962）斯宾诺莎、叔本华、马赫、西蒙和阿芬那留斯等人的哲学，古印度的吠檀多哲学西蒙尼甚至认为薛定谔“是我们世纪的物理学家中最为引人注目的哲学家”。我们是谁？我们从何处来？我们向何处去？“我对科学作用的看法是：它是人类为掌握自身命运所作努力的一个重要组成部分。”“我认为，科学是我们回答一个包容了所有其他问题的重大哲学问题，即我们是谁的努力整体中的一部分。不仅于此，我认为这不仅是科学的任务之一，而且是科学唯一真正值得重视的任务。”哲学在科学认识中的作用“形象地说，当我们在知识的道路上迈进的时候，我们必须借助形而上学的无形之手引导我们走出迷雾，但同时也必须时刻保持警惕，以防它温柔的诱惑把我们引离正路而坠入深渊。或者换种说法，在探求知识的道路上迈进的大军中，形而上学是一支先遣队，它深入到情况不明的敌方境内布下前哨。我们不能没有这些前哨，但我们也知道这些前哨最容易遭到狙击。再打个比方，形而上学并非知识大厦的一部分，而只是建造大厦不可或缺的脚手架。或许我们甚至可以说形而上学在其发展过程中可以转变为物理学（形而下学）。”给波函数以一种真实的物理波的解释——把波函数理解为描述了空间中实在的物理过程，即其电动力学解释当波恩的几率解释，海森伯不确定性原理和玻尔的互补原理构成的哥本哈根解释占了上风，成为正统解释，而按这种解释，似乎要求放弃自然的客观描述时，薛定谔感到犹豫和痛苦在一次演讲中，认为这是“……我们在关于真理和明晰性要求上的一个痛苦的退缩，即我们与其相关的符号、公式和图像并没有表征一个独立于观察者的客体，而仅仅表征了主客体之间的关系。但是这种关系是否就是严格说来我们所知的实在？即使发现它为固定的、清楚的和完全独特的表述，这难道就足够了吗？”EPR论证与猫悖论Ψ=½Φl+½Φd“哲学与自然科学之间的旧的同盟正在更新……自然科学越是进展，它就越少不了哲学的批评。”三、科学与人文“我们的文明形成一个有机整体。那些有幸献身于科学研究事业的人并不像情况可能的那样，仅仅是植物学家、物理学家或化学家。他们是人，他们是时代的孩子。当科学家进入实验室或登上演讲厅的讲坛时，他并不能摆脱世俗的圈子。早上在课堂上或在实验室里，他的主要兴趣可能是他的研究；但是下午和晚上他干些什么呢？他像其他人一样出席公众集会，或者从报纸上阅读它们。有些科学家是音乐爱好者，有些阅读小说和诗歌，另一些则经常去剧院。而如果任何科学家认为他确实能摆脱电影的影响，因为他不热心于它，他就完全错了。因为他甚至不能沿街行走而不注意到影星的照片和广告牌。一句话，我们都是我们的文化环境的成员。从所有这些可得出结论：人们的兴趣上为某个主题或某个方向所吸引，必然要受到环境，亦可称为文化背景或我们生活其中的时代精神的影响。在我们的文明的所有分支中，有一种总的世界观占支配地位，并有大量吸引人的专业活动领域，因为它们是时代的风尚，不管是在政治、艺术还是在科学中。这些在’精密的’物理科学中也可以被感觉到。那么，我们怎么才能在实际工作中察觉和指出这样的主观影响呢？如果我们把自己局限于当代的观点，这将是不容易的，因为在同样的文化背景中不存在这样的参照坐标，可用来表明个别的方向多大程度上为整个背景精神所影响。目前，一种文化实际上跨越整个世界，因此不同国家中科学和艺术的发展很大程度上为同一种总的时代趋势所影响。由于这个原因，最好采用历史上的例子来说明我前面的意思。”（“科学是时代的风尚吗？”）科学的统一科学是时代的风尚，或正成为时代的风尚。但科学也不能不受其它时代的风尚，即所谓时代的总趋势，或所谓文化或人文思想的影响。这种风尚，或者时代趋势之一，就是对于科学统一性的追求这种追求既是时尚，也是传统，尤其是在德语国家，所谓理性的传统从康德，谢林到奥斯特发现电流的磁效应，再到爱因斯坦爱因斯坦“十分有力地吸引我的特殊目标，是物理学领域中的逻辑的统一。开头使我烦恼的是电动力学必须挑选一种比别种运动状态都优越的运动状态，而这种优先选择在实验上却没有任何根据。这样就出现了狭义相对论；而且，它还把电场和磁场融合成一个可以理解的统一体，对于质量和能量，以及动量和能量也都如此。后来，由于力求理解惯性和引力的统一性质而产生了广义相对论，它也避免了那些在表述基本定律的过程中由于使用了特殊坐标系而隐蔽着的暗含的公理。”（《文集》一卷，第299页）科学的统一，