薛定谔的原子

1921年，在丹麦的哥本哈根大学里，建立了一个理论物理研究所，所长就是玻尔。玻尔因为解开了氢原子光谱线之谜，成了举世闻名的原子物理学权威，并荣获1922年度的诺贝尔物理学奖。来自欧美的许多优秀的年轻物理学家集合在玻尔周围，他们后来形成了一个哥本哈根学派。

玻尔的理论虽然取得了极大的成功，但也有不尽人意的地方。特别是他硬性“规定”电子只能在一些轨道上运动，不能在其他轨道上运动，显得毫无道理。电子为什么不能在其他地方运动？他周围的那些年青人常常这样问他，玻尔总是微笑着仔细倾听他们的意见，并且坦率地告诉大家他也回答不上来，答案只能从新的探索中去寻找。

奥地利物理学家薛定谔早在青年时期就对玻尔的原子理论有了看法，他也认为“规定”电子只能在某些轨道上运动是不合理的。造成这种问题的根源在于玻尔的理论并不是彻底的原子理论，而是旧的经典物理学和新的量子理论之间妥协的结果。因为轨道运动这是牛顿力学中用来描述星球运动的方法，牛顿自己不就是根据万有引力定律来解释地球绕太阳的轨道运动的吗？把宏观世界的一套搬到微观世界中来能完全适用吗？薛定谔决心寻找新的规律。

在此之前，法国青年历史学家、后来改行学物理的德布罗意提出了一个崭新的观点：电子不仅是一个粒子，也是一种波，它还有“波长”。他的这一观点后来为美国物理学家戴维孙和革末所证实，他们在一次意外的实验事故中发现了电子产生的衍射，而衍射是典型的波动特性。

薛定谔从德布罗意的思想中得到启发：既然电子既是粒子，又是波动，那么，原子世界必定服从一个既能描述粒子运动，又能描述波的运动的方程式。

经过一段时期的冥思苦想，薛定谔终于找到一个新的方程式，它深刻地反映出原子世界的运动规律，后来人们把它称为“薛定谔方程”。

有了薛定谔方程，玻尔理论中的那些怪现象一扫而光。首先，电子的古怪行为得到了合理的解释。电子并不是只能呆在某些轨道上，而别的地方不能去的。在薛定谔方程中，电子能呆在原子世界内的任何地方，只是它们出现在玻尔所说的轨道上的可能性大得多。这样一来，电子不像绕太阳运转的行星，而是像环绕在高山顶尖四周的一片云彩了。“电子云”较稠密的地方，就是电子较容易出现的地方；反之，“电子云”很稀薄（因而看上去是透明的）地方，就是电子很少光顾的地方。右面这张图里就有9种电子云的图样，它们是根据薛定谔方程的结果画出来的。

经过几代科学家近半个世纪的努力，人们终于看清楚原子世界的真相了。在这个神秘的微观世界里，占统治地位的是带正电的原子核。它占了原子质量的99%以上，却只占有原子体积的万分之一还不到。如果把原子放大到24层高的大厦那般大，原子核只有一粒黄豆那么一点，可见原子里面是多么“空旷”。带负电的轻巧的电子就在这个黑洞洞的空间中，疯狂地围绕着原子核旋转。它们是那样地“循规蹈矩”，从不去占据别人的位置，更不会跨越原子王国的“雷池”一步。“原子王国”里的“规矩”在常人看来是那样的不可思议，但这正是大自然的精心安排。

对原子世界的探索大大丰富了人类的知识宝库，也把物理学推向“量子力学”（薛定谔方程就是它的重要基础）的新阶段。但是对原子世界的探索就此结束了吗？