薛丁格:另一個物理學天才

2021-01-21 愛芮小屋

就在矩陣力學誕生之初,其他物理學家們都不看好,他們希望能獲得一個原子結構形象化的理論,其中就包括了蘇黎世的薛丁格,他認為矩陣力學缺少圖像,滿是複雜的數學。在1925年聖誕節期間,他在奧地利提羅爾那座充滿浪漫情調的厄維奇旅舍包房裡,做出了一生中最重要的發現。

薛丁格方程的解是一種波,它以絕妙的方式描述系統的量子特性。這種波的物理解釋引發出量子力學的哲學問題。

周期函數的傅立葉分析

任何一個周期函數都可以分解為一系列簡諧函數值的和。

這樣一來,薛丁格方程的解(或系統的波函數)就由一個無限級數求和來代替,其中每一項是一個基本的單獨狀態,它們互相之間是自然調和的。這等於說,它們的頻率都是和整數之比聯繫在一起的(基頻和倍頻的關係)。薛丁格的不平常在於發現,以這些簡諧波代表量子體系中可以存在的單獨狀態,而(在級數中)它們的振幅描述每個單獨狀態對整個系統的重要性。

作為20世紀的一個最偉大成就,薛丁格方程被舉世公認。他不但能夠描述大多數的物理問題,甚至還囊括了全部化學。它很快被接受成為處理物質原子結構的威力無比的工具。

2.形象化的原子結構

薛丁格是用傅立葉展開的方法把原子中能態問題簡化為確定的反映振動系統本質的諧波(泛音或倍頻)問題。在一維情況下,這些固有頻率和駐波中節點數是形象化的。並且這種計算很容易推廣到二維系統。儘管對像氫原子那樣的三圍振動系統作形象化處理很困難,但是一維和二維的圖像仍然是具有啟發的。

薛丁格理論對氫原子譜線給出了一個完整的表述。此外,譜線在電磁場中的分裂也由波動方程導出。從三維波動方程解得到的三個整數(節點數)精確對應於舊量子論中那三個量子數:n,k和m。

儘管薛丁格在量子論的突破中有發明創造,但是他畢竟出自經典物理學,薛丁格並不喜歡玻爾提出的非連續的量子躍遷概念。此時的他完全能夠用自己的數學體系來解釋譜線,不需要勉強假定的量子躍遷。薛丁格企圖用他的新發現回歸到基於連續圖像的物理,他提出的物質波理論和力學在本質上是經典的。

薛丁格甚至想否定粒子的存在。他把所有粒子都描繪成波的疊加,但是洛侖茲並不贊成,他是一位臨終前還頭腦十分清楚的人,洛侖茲嚴厲地批評了薛丁格。很快就證明,隨著時間的增加,波函數的分布確實會散開。薛丁格錯了,洛侖茲對了。

粒子的波函數和粒子本身之間到底是什麼關係?在波動力學的發展中,這成為了最終要解決的問題。

3.兩種理論,一種解釋

薛丁格思考自己的波動力學和海森堡的矩陣力學之間是否有聯繫。一開始他覺得毫無聯繫,但在1926年2月最後一個禮拜,他發現自己的分析中出現了驚人的結果。

一個基於原子結構中一個清晰的概念化的波動模型,一個則聲稱這種模型毫無意義。但是二者結果一樣!雖然薛丁格十分痛恨矩陣力學中的代數,但是他卻發現兩者在數學上是完全等價的。

為紀念薛丁格誕辰100周年,奧地利1987年元旦的郵戳上印有薛丁格方程的最終形式。

相關焦點

  • 薛丁格從物理學探索人類生命奧秘
    藉由湯超從物理學和生物學結合的視角,我們可以一窺經典之堂奧,走進薛丁格的科學王國,探索人類生命的奧秘。  藉由湯超從物理學和生物學結合的視角,我們可以一窺經典之堂奧,走進薛丁格的科學王國,探索人類生命的奧秘。  1.什麼是物理學
  • 薛丁格首次使用「糾纏」一詞,量子物理學的發展,真的太艱難了!
    1935年奧地利量子理論家歐文·薛丁格首次使用「糾纏」一詞,描述兩個遙遠粒子的行動相互捆綁在一起令人費解的現象。糾纏是一種能讓薛丁格夜不能寐的東西,就像他的朋友阿爾伯特·愛因斯坦一樣,他認為這讓人們對量子力學能否成為對世界的可行描述產生了懷疑,這怎麼可能是真的呢?然而,不斷積累的證據表明量子糾纏是存在的。
  • 物理學上的四大神獸,除了薛丁格的貓,你知道其他三大神獸嗎?
    物理學可以說是人類科學的重要組成部分了,對物理學的追溯可以到幾千年前。從最早的阿基米德定律到牛頓的萬有引力定律,然後到愛因斯坦的相對論,最後到玻爾等人的量子力學,人類的物理學經過了幾千年的發現與發展。物理學界也湧現出了一大批的天才物理學家,他們也提出了很多顛覆性的開創性理論。
  • 除了「薛丁格的貓」,物理學四大神獸還有誰?
    來源丨量子學派(ID:quantumschool)作者| 李海芯視頻合作:天才簡史  引言神獸出沒的物理界物理學上有四大神獸,芝諾的烏龜、拉普拉斯獸、麥克斯韋妖、薛丁格的貓,分別對應著微積分、經典力學、熱力學第2定律和量子力學
  • 物理學「神獸」薛丁格的貓,到底代表了什麼?答案比你想像的複雜
    薛丁格這個名字相信很多人都聽說過,但是對他的了解可能並不多,大部分人都是因為「薛丁格的貓」這個有意思的實驗才知道了薛丁格的名字。他對量子力學的發展做出了很大的貢獻,是量子力學的奠基人之一,只不過因為量子力學的相關知識不符合大眾的思想,並且現在的量子力學也不完善,在日常生活中基本上用不到量子力學的相關知識,因此這位科學家的名聲不是那麼響亮。
  • 從薛丁格方程到薛丁格的貓,薛丁格的這兩件東西顛覆了整個世界
    量子講堂第十三期:從薛丁格方程到薛丁格的貓,薛丁格親手創建的這兩件東西,第一件東西顛覆了經典物理學,第二件東西則顛覆了整個宏觀世界說起薛丁格,可能大家第一時間想到的就是那隻讓整個世界都為之瘋狂的薛丁格的貓,但薛丁格的貓僅僅是一個思想實驗而已。
  • 物理學上的天才,讓你不再迷茫
    下面就集中表達我對物理學的熱愛和對物理學發展奇蹟的由衷感慨。康德的《宇宙發展史概論》、麥克萊倫的《世界科學技術通史》、《上帝擲骰子嗎》、愛因斯坦的《物理學發展綱要》、霍金的《時間簡史》等,很多都描述了物理學發展的歷程,從宏觀到微觀,從起源到結束。
  • 薛丁格:物理學和化學理論上能詮釋生命現象。如今兩者都已經實現
    薛丁格物理版的《生命是什麼?》在1943年,諾貝爾物理學獎得主,20世紀最偉大的物理學家之一,埃德溫薛丁格,在都柏林的聖三一學院進行了一場關於物理學與生命的演講,並且他將演講的內容整理成書,將其命名為生命是什麼,在1945年予以出版。
  • 薛丁格:物理學和化學理論上能詮釋生命現象。如今兩者都已經實現
    薛丁格物理版的《生命是什麼?》在1943年,諾貝爾物理學獎得主,20世紀最偉大的物理學家之一,埃德溫薛丁格,在都柏林的聖三一學院進行了一場關於物理學與生命的演講,並且他將演講的內容整理成書,將其命名為生命是什麼,在1945年予以出版。
  • 破解物理學四大神獸之薛丁格的貓悖論
    不信請看天才物理學家薛丁格在1935年提出的「薛丁格的貓」悖論。 設想在一個封閉的匣子裡,有一隻活貓及一瓶毒藥。 要破解薛丁格的貓,必須了解在微觀世界量子具有不確定性。
  • 天才的另一個名字叫孤獨
    原標題:天才的另一個名字叫孤獨曹驚喆提到愛因斯坦,你首先會想到什麼呢?他桀驁不馴的髮型?他天才的大腦?他那些高深的理論?我相信,大多數人都會想到這幾點,但讀完《愛因斯坦自述》(黑龍江教育出版社出版)這本書後,我對愛因斯坦這位科學巨匠的認識又加深了很多,他不僅僅是科學神壇上一個豐碑式的人物,他也是現實生活中一位孤獨的天才,他的獨立獨行,他的矛盾糾結,都讓他的個人形象更加鮮活,也能讓人們看到天才另一面的不尋常人生。「我們為這浩渺的神秘而生,在它面前,我們永遠是充滿好奇的孩子。」
  • 黑洞、薛丁格的貓與愛因斯坦:量子物理學顛覆的世界
    自中世紀以來,這裡曾走出過許許多多偉大的建築師,統稱為「科莫地方大師」(Maestri Comacini),而新時代的天才特拉尼(Giuseppe Terragni)也即將在這個地方留下他那些名垂青史的建築作品。除了藝術家之外,在科莫的地方志中我們還可以輕易地找到許多政治家、哲學家和歷史學家的名字,甚至還包括一位教皇(英諾森十一世),可謂是人傑地靈了。
  • 物理學上的四大「神獸」,除了薛丁格的貓,你還知道哪幾個?
    物理學是隨著人類社會實踐的發展而產生、形成和發展起來的,它經歷了漫長的發展過程。物理學起始於伽利略和牛頓的年代,現如今的物理學已經成為了一門有眾多分支的基礎科學。在物理學發展壯大的過程中,曾經出現過四大「神獸」,每一個神獸都對應著一個經典的物理學理論,分別為微積分,量子力學,經典力學與熱力學第二定律。
  • 【物理思辨】量子:生命的「原子核」——對話埃爾溫·薛丁格(諾貝爾獎物理學獎獲得者).
    你倒好,生命科學並非你的專業,而你不僅給400多位聽眾舉行公開演講,甚至還撰寫什麼《生命是什麼?》,闡述你關於生命科學的理論。常言道,尊貴者負重任,你就不怕誤人於歧途嗎?薛丁格: 物理學與生命科學表面上屬於兩個完全不同的領域,但是從宏觀視野來看,無論是物理學,還是生命科學、化學、地理學等等,都不過是自然科學的一個門類或其中幾個門類而已。
  • 薛丁格的貓這麼火,他本人比貓有趣多了
    學術上是全能天才薛丁格,生活中是風流浪子段正淳。點開這篇文章前,你永遠不知道看到的會是他的哪種狀態……即使是不了解量子力學的人,對薛丁格的貓也不會太陌生。這個物理學四大神獸之一,早已成了裝b神器,任何懸而未決的事情都用它來故作神秘地賣賣關子。但你真的了解著名悖論背後的這個男人嗎?薛丁格(E.Schrödinger)是奧地利著名物理學家、量子力學的創始人之一,曾獲1933年諾貝爾物理學獎。薛丁格方程,就是以他命名的,「薛丁格的貓」也是他建立的模型。
  • 天才的另一個名字叫孤獨|天才|名字叫|孤獨_網易新聞
    (原標題:天才的另一個名字叫孤獨)
  • 物理學「四大神獸」之薛丁格的貓
    談到不確定性和量子疊加態,薛丁格同愛因斯坦一樣持反對態度。科學的目的,就是要發現事物的運行規律,準確地把握事物的發展趨勢。量子力學卻搞出了一個「不確定性原理」,意味著科學家像牌桌上的賭徒,只能依靠擲骰子猜數字混日子了。受到原子核衰變的啟發,薛丁格設計了一套假想實驗來嘲笑哥本哈根解釋。
  • 薛丁格方程是需要在物理學基礎領域都已經具有定義後才能得到的
    回答問題之前,需要談談什麼是量子力學以及其對應的物理學基礎知識。量子力學已經很接近實際的理論,但是實際的應用是處於量子特性的量子力學基礎,量子特性本身是超出經典物理的認知的,超出後的量子物理已經不再是量子力學所闡述的那樣了。比如說弦理論是將經典力學自然的應用到弦,解釋量子問題,這也是現在弦理論熱的原因。而如果要應用於單個量子力學基礎,那只能用純物理的方法來解釋。
  • 薛丁格方程
    薛丁格方程可以分為「含時薛丁格方程」與「不含時薛丁格方程」兩種。含時薛丁格方程與時間有關,描述量子系統的波函數怎樣隨著時間而演化。不含時薛丁格方程則與時間無關,描述了定態量子系統的物理性質;該方程的解就是定態量子系統的波函數。量子事件發生的概率可以用波函數來計算,其概率幅的絕對值平方就是量子事件發生的概率密度。
  • 「薛丁格的鐘」
    圖片來源:Pixabay物理學家們描述了一種將量子理論和愛因斯坦狹義相對論結合的方法——甚至給出了實驗測量的方式,和「薛丁格的貓」類似,在某種程度上它可以被看做「薛丁格的鐘」。撰文 | 喬納森·奧卡拉漢(Jonathan O'Callaghan)翻譯 | 王昱阿爾伯特·愛因斯坦的雙生子佯謬(twin paradox)是物理學中最著名的思想實驗之一。