薛定谔的创新之路胡新和.ppt

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1、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,

2、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

3、纲,一、Erwin Schrdinger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 19061920 维也纳大学上学，助教，一次大战后，回校教书 19201921 耶拿大学，斯图加特大学，布累斯劳大学 19211927 苏黎世大学理论物理学教授，建立波动力学 19271933 柏林大学物理学教授 19331936 牛津大学研究员，获得诺贝尔物理学奖 19361938 格拉茨大学教授 19391956 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

4、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.

5、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

6、 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

7、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

8、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

9、的理论,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。”,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

10、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

11、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

12、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

13、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, = l + d “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

14、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

15、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，

16、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，是薛定谔毕生的信念和追求。在物理学中，他曾致力于光学与力学的统一，相对论与量子论的统一（大获

17、成功），也曾试图建立综合各种相互作用的统一场论，即引力、电磁力和核力的统一等等（成也萧何，败也萧何?） 同时，薛定谔寻求统一的目光更加开阔和深刻，转而对物理学的基础、它对其他自然科学（尤其是生物学）的影响、它的发展与认识论的关系等问题进行探索，做出了可贵的贡献（东方不亮西方亮，失之东隅，得之桑榆?）,生命是什么?,出于“从祖先那里继承了对统一的无所不包的知识的强烈渴望”，“想把所有已知的知识综合成一个整体”; 出于对奇妙的生命现象，特别是对遗传性状的不变性和新陈代谢等的物理思考,宁愿放弃已取得的名望，“敢于承担使我们成为蠢人的风险”，敢于着手去综合不同学科的实验事实和理论知识，运用物理学的最新

18、成就和方法剖析生命现象，提出了一些很有价值的见解 生命是什么？发表于1944年，这本不到100页的小书在西方科学界产生了极大的影响,生命是什么？倡导统一为何成功？,恰逢其时 1，物理学家的痛苦 二次大战的反思； 理论物理学相对平静; 量子力学创立者之一的薛定谔的倡导和预言 2，生物学家的机遇 沃森和克里克在威尔金斯的X射线衍射资料基础上发现了DNA的双螺旋结构,获生理学诺贝尔奖 1969年获诺贝尔奖的鲁里亚及查尔加夫、本泽等著名分子生物学家也为生命是什么？所影响,观念创新 “是作为一个物理学家写作的效应” 薛定谔发挥了德尔布吕克（M. Delbruck）的思想，提出基因大分子的稳定是由于原子间

19、的海特勒-伦敦键使它们结合。这些元素的排列浓缩了涉及有机体未来发育的精确计划的 “遗传密码”，在很小的空间范围内体现出复杂的决定系统 基因的“突变实际上是由于基因分子中的量子跃迁所引起的”，“这种变化在于原子的重新排列并导致了一种同分异构的分子”。而比之于原子的平均热能，这种构型变化的阈能之高使这种变化的几率极低，这种罕见的变化即自发突变，它们成为自然选择的基础,唯一动机是揭示“生命物质在服从迄今为止已确立的物理学定律的同时，可能涉及到迄今还不了解的物理学的新定律。” 引入 “负熵” 的概念说明热力学第二定律与生命有机体的高度有序状态和不可几状态之间的矛盾. “一个生命有机体在不断地增加它的熵

20、，要摆脱死亡，就是说要活着，唯一的办法就是从环境里不断地汲取负熵。有机体就是依赖负熵为生的。” 负熵 = Klog（1/D）（D为无序状态的量度） 举动物为例，指出生命物质具有从外界环境中汲取负熵以维护自身和产生有序事件的自组织能力，对普利高津的耗散结构理论和贝塔朗菲的生命系统论有影响,学科交叉,除了观念创新之外,还在于提出了这一重大问题：“在一个生命有机体的空间范围内，在空间和时间中发生着的事件，如何用物理学和化学来解释？” 以及他的初步答案：“当前物理学和化学在解释这些事件时明显的无能为力，决不能成为怀疑这些事件可以用物理学和化学来解释的理由。” 他提倡用物理学和化学的理论、方法和实验手段

21、研究生物学，并且身体力行地在这方面有所建树，这正是薛定谔对生物学的主要贡献。,量子力学的诞生，为从分子水平说明生命现象提供了很有帮助的理论工具，而X射线衍射技术等也为探测生命物质的结构提供了有效的实验手段。引进精密科学的概念和方法，将使发展较慢的生物学经历重大的变革，从定性到定量科学，以较准确地把握不同层次上生物的结构和功能。 由于薛定谔本人的声望，他提出问题的明确性和时机，他对回答这问题的有成效的尝试，使他给物理学和生物学的结合以极大的推动，成为探索两者统一的先驱，促成了分子生物学的诞生 日本遗传学家近藤原平评价说：“给予生物学界以革命的契机的是叫做生命是什么？的一本小册子。它所起的作用正像

22、黑奴吁天录这本书成为奴隶解放的南北战争的契机一样。”,四、情欲与科学,最近,科涅库娃后裔提交的曝光爱因斯坦与苏联女间谍玛格丽达科涅库娃在二战期间的旷世之恋的九封情书，以爱因斯坦姓名的第一个字母，和科涅库娃姓名的最后一个字母组成的“情书专用爱称”签名，经俄、美两方安全部门共同鉴定，正以九十万美元的天价出现在美国著名的索斯比拍卖行。科涅库娃不仅从爱因斯坦处获取了有关美国原子弹制造的有关情报，而且安排了他与前苏联的副领事的多次会面。（2006。9。19扬子晚报）,情感生活,薛定谔的情感生活，包括婚外情尽管没有那么政治上的轰动效应，但也同样令人为之侧目 薛定谔是一位多情种子。从大学时代起，他就有一本“

23、猎艳日记”，记载着他的每一次艳遇的日期，名字及评论。同当时的先锋派艺术家克里姆特一样，他始终追求着“俘获女性的感受”。 他具有某种诗人拜伦的风格，刻意表现出的服装与外貌上的随意，仔细梳理的头发，高高的额头，深情凝视时的眼睛，满腹经纶，对当时的女性有极大的吸引力,1920年，与其夫人安妮贝特尔结婚，婚后一年激情消退。其后两人处于一种奇特的关系中。安妮不能生育更使非常希望有孩子的薛定谔极为失望，婚姻关系乌云密布 安妮尽管对薛定谔的外貌和才华十分崇拜，但智力上的兴趣有限。这使得二人一方面无法摆脱婚姻关系，依然像朋友般互相关心，另一方面却各寻所爱。安妮的对此的评论是：“你知道，跟一只金丝雀住在一起要比

24、跟一匹赛马住在一起容易，但是我宁愿选择赛马。” 薛定谔有着多段婚外情恋,据穆尔的传记看来，薛定谔毕生陷于恋情的漩涡与纠葛中 即使在33岁那年成婚后，他仍然是激情充溢，外遇不断 已婚的研究助手的妻子 年方二八的他曾辅导过数学的女中学生 闻名遐迩的演员和艺术家 年轻的政府职员持续到年逾花甲， 有了不止一个非婚生的孩子 情感投入，情诗缠绵 甚至设想过一妻一妾的生活 与其元配安妮白头到老 安妮还亲自照料了他非婚生孩子的婴儿期 薛定谔式的爱情与传统的科学家形象,玻恩曾经回忆说：,“我们建立起密切的个人关系是在我被迫到剑桥、他自愿到牛津之后。我们经常互访，写了无数的信。他在牛津受到高度的尊敬，但他对清心寡

25、欲的学院生活感到不满。异性是他社交的一个重要部分。当然这是小心地暗中进行的。不止一次他对我半开玩笑地说：如果他把自己在这方面的看法以薛定谔式的坦率告诉他的同事，而这个同事却装得像前总理这类大人物一样的一本正经，那他就会感到非常尴尬。”,情欲与科学创造,“他在生命中的一次姗姗来迟的情欲大爆发中，完成了他的伟大工作。” 1925年的圣诞节，他建立波动力学的关键时刻,这位38岁的物理学家正在与从前的一位女友一起，在瑞士达沃斯附近的滑雪胜地阿罗萨度假。他们之间的激情，催化了长达一年之久的创造性活动爆发。 虽然薛定谔夫人对此并非一无所知，但就像那位激发了莎士比亚写那些十四行诗的黑女士一样，这位女友的名字

26、一直是一个谜。 也许我们应当把一些了不起的事实归功于这位身份不明的女士，那就是她使得后者把一些显然没有联系的研究线索结合了起来，从而就此发明了以他的名字命名的那一个伟大方程。（Arthur I. Miller: “情欲、审美观和薛定谔方程”，天地有大美现代科学之伟大方程，上海科技教育出版社，2006）,结论,1，科学创新需要数学和科学理论功底； 2，哲学观念和思想对于在面临重大创新时所需要的开阔的视野和启发是有必要，至少是有帮助的； 3，人文理念，统一性追求和艺术修养等也有助于科学创新； 4，丰富的情感生活对于科技创新并非必然是障碍，甚至于是有促进作用的，至少对于薛定谔的案例是如此。当然这并非是提倡以婚外恋的形式。,谢谢。,