薛丁格的貢獻

2021-03-05 08:00:06 字數 4504 閱讀 2136

1樓:匿名使用者

埃爾溫·薛丁格是奧地利物理學家,2023年生於維也納。薛丁格從德布羅意思想中得到啟發:既然電子既是粒子,又是波,那麼原子世界必定服從乙個既能描述粒子運動,又能描述波的運動的方程式,它深刻反映出原子世界的運動規律,人們稱之為「薛丁格方程」。

有了薛丁格方程,玻爾理論中解釋不清的現象——電子的運動軌跡得到了合理解釋。電子並不是只能呆在某些軌道上。在薛丁格方程中,電子能呆在原子世界內任何地方,只是出現在軌道上的可能性要大得多。

這樣一來,電子不像繞太陽運轉的行星,而是像環繞在高山頂尖四周的一片雲彩。「電子雲」較密的地方就是電子容易出現的地方……

薛丁格方程是世界原子物理學文獻中應用最廣泛、影響最大的公式。由於對量子力學的傑出貢獻,薛丁格獲得2023年諾貝爾物理獎。

2樓:披衣起坐數寒星

薛丁格不僅是偉大的物理學家,薛丁格方程,薛丁格的貓,這些都是大家耳熟能詳的。樓上幾位已經有一些介紹,我不詳述。

需要補充的是,薛丁格對生物學的發展也作出重大貢獻。下面轉一篇文章,希望能對全面了解薛丁格的貢獻,尤其是在我們所容易忽略的生物學領域的貢獻,有所裨益:

薛丁格——賦予生命科學以革命性契機的理論物理學家

薛丁格(erwin schrdinger, 1887~1961),奧地利理論物理學家。2023年至2023年在維也納大學物理系學習。2023年獲博士學位後,在維也納大學第二物理研究所工作。

2023年至2023年在瑞士蘇黎士大學任數學物理教授,2023年接替蒲朗克到柏林大學擔任理論物理學教授。出於對納粹政權的憤慨,2023年移居英國牛津。2023年轉到愛爾蘭,在都柏林高階研究所工作了17年,直到2023年返回奧地利。

2023年元月在奧地利阿爾卑**山村病逝。

薛丁格最傑出的貢獻是在2023年底至2023年初提出了用波動力學方程來處理電子運動問題,得到了與實驗資料相符合的結果,這一方程以後被稱為薛丁格方程。他還證明了波動力學和矩陣力學在數學上是等價的,是量子力學的兩種形式。為此,薛丁格榮獲2023年的諾貝爾物理學獎。

以後,他致力於研究有關波動力學的應用和統計詮釋,以及廣義相對論和統一場論問題。

2023年,薛丁格發表《生命是什麼》一書。在書中,他試圖用熱力學、量子力學等理論來解釋生命現象,引入了負熵、遺傳密碼、量子躍遷式的突變等概念,這些概念至今仍有著廣泛的影響。他是公認的分子生物學的先驅。

物理學家們如何看待生命的本質

生命究竟是什麼?生命運動有沒有規律?多少年來,人們都在積極思考這些問題。

20世紀以來,隨著物理學和生物學的發展,物理學不可避免地向生物學滲透。早在20世紀初,美國遺傳學家摩爾根的一位小有名氣的同學洛布就提出,生命運動的規律同一般的物理學和化學的規律是完全一致的。所以要理解生命現象,就必須用物理學、化學的觀點,用實驗、定量的方法來研究生物學。

物理學家們也饒有興趣地議論生物學的問題。30年代,丹麥著名的物理學家、量子論的奠基人玻爾對於生命問題發表了非常有意義的見解。2023年他在題為「生命和光」的演講中指出,試圖把有機體簡單地還原為化學的相互作用來回答「生命是什麼?

」的問題,就如同試圖畫出每個電子的位置來描述原子一樣困難。簡單地將生物體分解為其組成部分的化學系統,那樣機體就不能活了,就成為另外的不同系統了。在生物學裡承認生命的存在是乙個給定的基本事實。

舊的概念,即機械論對此不可能作出滿意的結論。生物學也必須像物理學那樣,當它運用新的概念和新的研究方法時,就能上公升到新的認識水平。玻爾天才地預示了物理學與生物學或許也是互補的,這兩者相結合將對生命現象作出滿意的解釋。

玻爾的思想啟發了他的學生德爾布呂克。德爾布呂克20年代到玻爾的理論物理所工作過兩年。30年代他到美國的加州理工學院,與摩爾根等遺傳學家交往甚密,興趣轉到了生物學上。

德爾布呂克認為,經典物理學和化學不能為基因如何體現其功能提供充分的描述,某些其他的方法比舊式的機械論更能說明問題。他在美國建立了著名的噬菌體小組,以噬菌體為物件研究起基因來。他的小組作出的傑出貢獻是確立了主管遺傳的不是蛋白質,而是dna(脫氧核糖核酸)。

關於生命是什麼的物理學新觀念

使現代物理學與生物學實現「互補」並取得卓越成就的,是薛丁格。薛丁格是量子力學的奠基人之一。他建立了描述微觀粒子的運動方程——薛丁格方程,奠定了波動力學的基礎,為此榮獲了2023年的諾貝爾物理學獎。

薛丁格與玻爾交往很深,與德爾布呂克也是好友,他充分了解德爾布呂克關於遺傳方面的研究。薛丁格出於對科學統一的信念,以及對奇妙的生命現象,如遺傳性狀的不變性和新陳代謝等的深入思考,運用現代物理學的理論和方法剖析生命現象,提出了一系列有價值的見解。2023年,反映他主要思想的名著《生命是什麼》問世。

薛丁格認為,複雜的生命現象是無法歸結為物理學的普通定律的。我們不必為此感到沮喪,因為這是預料之中的事情。這不是因為生命體中有一種「新的力量」在起作用,而是因為生命體的構造同在物理實驗室裡實驗過的任何東西都不一樣。

他說,要發現在生命物質中佔支配地位的新定律,這些定律既非超物理學定律,也不能稱為非物理學定律,而是迄今為止已確立的「物理學定律」,以及迄今還不了解的「物理學的其他定律」。

薛丁格在前人把新陳代謝解釋為物質交換和能量交換的基礎上,參照熱力學定律,引入了「負熵」的概念。由熱力學第二定律可知,孤立系統中不可逆的過程,其熵值總是趨向增加,系統趨於機率增大的無序狀態,直至達到熱力學平衡。而生命卻是物質有秩序、有規律的行為,生命有機體作為巨集觀系統能保持自身的高度有序狀態和不可幾狀態,避免很快衰退到平衡態,並不斷向有組織性的方向進化。

應當怎樣解釋生命物質的這種功能呢?薛丁格認為:「乙個生命有機體要活著,唯一的辦法就是從環境中不斷地汲取負熵。

……有機體就是依賴負熵為生的,或者更確切地說,新陳代謝中本質的東西,乃是使有機體成功地消除了當它活著時不得不產生的全部的熵。」他以高等動物為例,認為它們正是從極有秩序的作為食物的、複雜程度不同的有機物中不斷吸取秩序,維持自身組織的高度有序水平的。

決定生物性狀的遺傳密碼的設想

薛丁格在《生命是什麼》這部著作裡,對於染色體如何決定生物體的遺傳性狀作了最初的設想。他發揮了德爾布呂克的思想。德爾布呂克曾猜想過,基因在世代相傳中之所以保持其結構不變,是因為染色體(基因是它的一部分)是像非週期性晶體那樣構造的。

薛丁格提出了基因大分子是一種由同分異構元素連續組成的非週期晶體,像穩固的晶體結構一樣,它的穩定是由於原子間的海特勒—倫敦鍵(一種化學上的共價鍵)的作用。他指出,染色體是以遺傳密碼的形式來決定生物體的遺傳性狀以及生物體未來發育的模式的。可是在微小的遺傳物質中,怎麼能包含那麼多性狀的密碼呢?

他說,就是這種同分異構的非週期晶體結構,「提供了各種可能的(異構的)排列,在它的乙個很小的空間範圍內,足以體現出乙個複雜的『決定』系統。真的,在這種結構裡,不必有大量的原子就可以產生出幾乎是無限的可能排列」。他天才地預示,莫爾斯電報密碼只用點與划兩種符號,如果每一組合用的符號不超過4個,就可編成30種不同的代號;如果在點與劃之外再加上第3種符號,每一組合用的符號不超過10個,就可以編出88572個不同的字母。

因此「就基因分子的圖式來說,微型密碼絲毫不錯地對應於乙個高度複雜的特定的發育計畫,幷包含了使密碼發生作用的手段,這一點已經是不再難以想象的了」。

薛丁格第一次把量子力學中的「躍遷」概念用來解釋基因突變的原因。他說:「突變實際上是由於基因分子中的量子躍遷所引起的,這種變化在於原子的重新排列並導致了一種同分異構的分子。

」對比原子的平均熱能,這種構型變化的閾能很高,以致變化的機率極低,這種罕見的變化就是自發突變,它們成為自然選擇的基礎。

現代生物學革命的契機

薛丁格在《生命是什麼》一書裡,倡導從分子水平來探索遺傳機制和生命本質,引入了「負熵」、「遺傳密碼」等一系列新概念。在方**上,他強調以物理學和化學的理論、方法和實驗手段來研究生物學,並率先在這方面做了大膽的嘗試。《生命是什麼》在西方科學界產生了深刻的影響。

第二次世界大戰結束期間,許多物理學家面臨著職業選擇。原子戰爭的恐怖和物理學可能導致的毀滅作用,使許多物理學家,尤其是年輕的物理學家重新考慮他們的工作能否給人類帶來幸福。一些人感到量子理論的大發展時期已經過去,他們所能做的工作或許僅僅是完善理論的內容或改正某些細節而已。

薛丁格在此時提出用熱力學和量子力學來研究生命的本質,並認為新的物理學定律將在這種研究中被揭示出來,這對一批年輕的物理學家有著極大的**力,吸引他們投身於這個充滿希望的領域。2023年諾貝爾生理學獎的獲得者沃森、克里克和威爾金斯,都是受薛丁格思想的影響從物理學領域轉到分子生物學研究上來的年輕學者。戰後,正是受《生命是什麼》的影響,克里克放棄了研究基本粒子的計畫,選擇了「原來根本不打算涉獵的生物學」,而部分由於原子彈對物理學失去興趣的威爾金斯,「為控制生命的高度複雜的分子結構所打動」,「第一次對生物學問題發生了濃厚的興趣」。

沃森則是在大學期間讀了《生命是什麼》而「深為發現基因的奧秘所吸引」。他們三人因在2023年發現dna的雙螺旋結構而榮獲諾貝爾獎。

威爾金斯認為儘管薛丁格不是乙個純粹的生物學家和化學家,但他的著作之所以有影響,其中乙個原因就恰恰是因為「他是作為乙個物理學家來寫作的,如果他作為乙個正式的大分子化學家來寫,或許就不會有同樣的功效」。正是從乙個理論物理學家的角度,薛丁格對生命物質和遺傳機制的研究開闢了一種全新的途徑,促成了現代生物學從定性描述到定量研究,從強調整體到重視具體機制,從強調生命與非生命的差別轉到強調兩者之間的統一性,從單科研究轉到多學科綜合研究的重大轉折;同時促進了分子生物學的誕生。日本遺傳學家近藤原平評價說:

「給予生物學界以革命契機的是一本叫做《生命是什麼》的小冊子。它所起的作用正像《黑奴籲天錄》這本書成為奴隸解放的南北戰爭的契機一樣。」

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