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第4章 驯服野兽（第1页）

第4章　驯服野兽

薛定谔博士

现在仍然有人不接受玻尔原子理论中的电子壳层和量子跃迁。这些理论没有解释为什么只存在特定的能量壳层，以及为什么其预测的数据并不总是与实验相符。

玻尔根据不同的理论把原子捣碎、揉在一起，就像一个玩洋娃娃的孩子强迫娃娃亲吻。他知道这不能一劳永逸，必须有一个更简洁、更优雅、没有人想过的理论。想出这个理论的人是埃尔温·薛定谔。相较于他的理论，薛定谔的个人生活更令全城人津津乐道。

薛定谔是个天才，他有些离经叛道，崇尚精神自由，喜欢打领结。在长达50年的职业生涯里，他就科学、艺术和哲学等主题撰写了大量文章。薛定谔是上流社会的弃儿，他与妻子安妮、情人希尔德的三角恋引发了不少流言蜚语。

尽管生活很有趣，但薛定谔的绯闻并不是他获得诺贝尔奖的原因（这本来可以当作获奖感言）。薛定谔获奖，是因为他有更好的方法解释原子。

骗子

薛定谔讨厌圣诞节。他反对带有宗教色彩的活动，这是人尽皆知的。所以，1925年12月，他决定搬到瑞士一座偏僻的别墅，从而远离一切庆祝活动。薛定谔的妻子留在家里，但“一位来自维也纳的旧情人”在避寒期间陪着他，这位女友的身份已不可考。[2]这段时间里薛定谔没有写日记，所以没有人知道他究竟做了什么，但我们知道他度假的行李箱中装着一个待解决的物理问题。

薛定谔一开始对量子论不感兴趣。他是个天才的物理学家，但专业领域是波的行为，而不是粒子。老实说，他对电子、光子和质子感到厌烦。当然，自从人们意识到有时需要把这些粒子看成波后，他就不这么觉得了。

如果把电子当成粒子，薛定谔知道很多方程来描述它的行为；但如果把它当成波，人们就束手无策了。他后来写道（转述自德语）：“这种极端的想法可能是错的……换句话说，忽略波的相反观点导致了很大的困难，以至于似乎应该夸大另一种方法的重要性。”[3]

其他人都在用粒子物理来描述原子，但如果他能提出一种波动方程以达到同样的效果，也许会带来新的洞见。本质上，薛定谔是想表现得特立独行。不管怎样，考虑到他得到了异性的青睐，而且将诺贝尔奖章随意地摆在壁炉上，或许我们可以说他做到了。

薛定谔自己也承认，他对数学了解不多，想不出新的定律，[4]但在那个不可思议的冬天，他显然把自己吓了一跳，因为在新年伊始，他带来了每个人都在寻找的东西：一个能准确描述核外电子能量的方程。

薛定谔把波粒二象性如何成立的问题放在一边，只关注事物的波动性。他设想把原子表面的每一个电子拉伸，就像把一块黄油涂在烤面包上一样。这层电子膜可以缠绕原子核，并以特定的频率振动。

对于给定的输入值，比如质量或原子核的牵引力，薛定谔方程能准确地预测原子中的电子以三维方式振动的形状，他称之为“波函数”。

波函数是一种方程，你可以用它来生成电子在特定空间或特定时间的一系列属性：波高、波长、波速等。

薛定谔方程对波函数（波函数是薛定谔方程中的一个方程）进行计算，并预测了电子的性质和行为如何随时间变化。不仅如此，它最终解释了为什么只存在特定的能量壳层。

我们要去的地方不需要粒子

由于原子中的每个电子都被原子核所俘获，所以电子的行为受到限制。例如，一个波只能以完整的波形出现，如下两图所示。左图表示单波，右图表示双波。

你找不到四分之三波，因为它不适合出现在直线上。直线上只允许出现特定的形状。

允许出现的波叫作“谐波”。这个听起来很有音乐感的名称并非巧合。上图的形状相当于你演奏的弦乐器的音符，在空气中每个波形都产生不同的声音。

当你拨动吉他弦或班卓琴弦，它会以一种特定的能量振动。不同的音符代表不同的谐波（允许出现的波）。薛定谔方程表明，与原子核结合的电子具有相同的音乐感。

当然，我们必须进入更高的维度，因为原子并不是直线。但如果能计算出三维振动的谐波，你就可以得到电子波的形状。很难想象该如何计算（这超出了薛定谔的才能），但幸运的是，不久后，其他数学家给出了答案。

第一个电子谐波呈球形（如下图左）；第二个电子谐波看起来像两个相互挤压的气球，一前一后（如下图右）。

这些球形和哑铃形告诉我们要去哪里寻找电子波。电子并不是像小球一样绕着原子核的，我们应该把电子想象成以原子核为中心的球状振动面。随着能量增加，其形状变得越发复杂（太难了，我画不出来……凭我的艺术修养画不出这些草图，但如果你感兴趣，可以在网页上搜索“s形”“p形”“d形”“f形”）（1）。

原子核周围电子振动的区域不再被认为是“轨道”，所以我们称之为“原子轨道”。当然，“薛定谔轨道”听起来更好。

这最终解释了能量量子化的由来。原子核周围只适合特定的电子谐波，因此特定的原子只能有特定的能量值。在玻尔的壳层理论中，能量层级是一种不知道从哪里冒出来的东西，而在薛定谔更高级的波函数理论中，能量层级是可以预测的。

更妙的是，薛定谔方程告诉我们，这些原子轨道只能以特定的角度结合，而整个化学学科证实了这一预测。