От Архимеда до Хокинга: Эрвин Шрёдингер

Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шрёдингер – австрийский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики, иностранный член-корреспондент (1928) и иностранный почётный член (1934) АН СССР, лауреат Нобелевской премии по физике (1933, совместно с П. А. М. Дираком). Разработал так называемую волновую механику (1926), сформулировал её основное уравнение (уравнение Шрёдингера), доказал её идентичность матричному варианту квантовой механики.

Родился в Вене 12 августа 1887 года. Его отец, Рудольф Шрёдингер, получил по наследству небольшую фабрику клеёнки, что обеспечивало его семью материально и оставляло ему возможности заниматься и естественными науками: он много лет был вице-президентом Венского ботанико-зоологического общества и выступал там с докладами. Эрвин Шрёдингер писал впоследствии, что отец был ему «другом, учителем и неутомимым собеседником». Мать Эрвина была чуткой, заботливой и жизнерадостной женщиной. Безоблачное детство Эрвина протекало в доме, где царили доброта, наука и искусство.                              

До одиннадцати лет ребёнка учили дома, а в 1898 году, успешно выдержав вступительные экзамены, поступил в Академическую гимназию, которую окончил в 1906 году. Эта гимназия пользовалась репутацией престижного учебного заведения. После блестяще сданных выпускных экзаменов, когда пришла пора выбора дальнейшего пути, без колебаний предпочтение было отдано математике и физике.

Осенью 1906 Шрёдингер поступил в Венский университет, где ещё недавно, до своей трагической гибели работал Людвиг Больцман (австрийский физик-теоретик, основатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории). Но этот выбор Эрвина не сделал его узким специалистом. Круг его интересов всегда оставался удивительно широким. Он знал шесть иностранных языков, хорошо знал немецких поэтов, сам писал стихи.                Всё же, на первый план всё отчётливее выступали дисциплины физико-математического цикла. Во многом, это было заслугой преподавателей, в частности, Фрица Газенроля, о котором в 1929 году в Нобелевской лекции Шрёдингер говорил: «Тогда (во время Первой мировой войны) погиб Газенроль, и чувство подсказывает мне, что не случись этого, он стоял бы здесь вместо меня». Именно этот яркий человек помог второкурснику Шрёдингеру понять, что его призванием является теоретическая физика.

Однако, для докторской диссертации Шрёдингеру была предложена экспериментальная работа, которая была не только успешно защищена, но и удостоилась опубликования в «Докладах» Венской академии наук. После сдачи выпускных экзаменов, двадцатитрёхлетнему Эрвину Шрёдингеру была присуждена степень доктора философии.

По тогдашним австрийским законам выпускник университета Эрвин Шрёдингер должен был год отслужить в армии. После этого он получил место ассистента физического практикума во Втором физическом институте Венского университета. Круг его научных интересов был весьма широк: радиоактивность в её связи с атмосферным электричеством (за эти годы работы он был удостоен премии, учреждённой Австрийской академией наук), электротехника, акустика и оптика, в особенности, теория цветов. Тогда же он впервые заинтересовался квантовой физикой.                                                                                                                                                                                                 

Успешная работа молодого преподавателя была замечена, и 9 января 1914 года он был утверждён министерством в звании доцента, что давало ему право читать лекции. Однако, приват-доцентура не оплачивалась, так что материальное положение Шрёдингера не изменилось, и он по-прежнему жил с родителями в Вене и «залезал к ним в карман» ввиду скудности университетской заработной платы. Попытки изменить это положение были прерваны: началась война, и Эрвин Шрёдингер был мобилизован. Но ему ещё повезло: его часть находилась на сравнительно тихом участке, так что можно было даже иногда выкроить время для чтения физической литературы. Именно тогда Шрёдингер познакомился с только что появившимися работами Альберта Эйнштейна по основам общей теории относительности.

После окончания войны, в ноябре 1918 года Шрёдингер вернулся в Венский физический институт. Однако, послевоенная жизнь в Австрии была трудна, перспектив улучшения не было, и поэтому, получив приглашение поработать в Йенском физическом институте у Макса Вина, Эрвин взял в Вене полугодовой отпуск и с молодой женой в апреле 1920 года поселился на новом месте.

В Германии тогда трудилась плеяда выдающихся физиков, среди которых прежде всего можно упомянуть Эйнштейна и Макса Планка, и возможность общения с ними была привлекательной. Однако, в Йене Шрёдингер проработал только четыре месяца. Он уже приобрёл «имя», и приглашения на работу в различные научные центры начали поступать всё чаще.

В начале 1921 года университеты Киля, Бреслау, Гамбурга и его родной Вены обещали ему должность профессора теоретической физики. Поступило приглашение и из Штутгарта, и Шрёдингер сразу же переехал туда и приступил к чтению лекций. Но работа в Штутгарте продолжалась всего один семестр, и Шрёдингер перешёл в университет в Бреслау. Однако, несколько недель спустя, он получил приглашение возглавить кафедру теоретической физики Политехникума в Цюрихе, которую до этого занимали ни больше ни меньше как Альберт Эйнштейн и Макс фон Лауэ. Это приглашение поднимало Шрёдингера на высшую ступень академической «табели о рангах». В том же году он перебрался в Цюрих.

По складу ума Эрвин Шрёдингер, подобно Планку, Эйнштейну и ряду других физиков того времени, тяготел к классическим представлениям в физике и не принял копенгагенской вероятностной интерпретации корпускулярно-волнового дуализма. В 1925-1926 гг. Шрёдингером были выполнены работы, выдвинувшие его в первый ряд создателей волновой механики.

Наличие волновых свойств у электронов Шрёдингер принял как фундаментальный экспериментальный факт. Для физики волны далеко не были чем-то новым. Было хорошо известно, что в описании волн различной физической природы есть много общего – математически они описываются похожими методами (так называемыми волновыми дифференциальными уравнениями в частных производных). И здесь проявляется любопытнейшее обстоятельство, которое можно проиллюстрировать на примере звуковой волны в органной трубе.

Все величины, относящиеся к звуковой волне – и распределение плотностей, и давлений, и температур и так далее в такой «стоячей» волне являются обычными, описываемыми классической теорией, но, в то же время, существуют и определённые дискретные «резонансные» состояния: каждая из труб, в зависимости от её длины «настроена» на определённую частоту. Это наводит на мысль, что, например, и различные квантовые дискретные состояния электронов в атомах также имеют такую же «резонансную» природу. Таким образом, волны де Бройля становятся в ряд «обычных» классических волн, а квантовые дискретные состояния – в ряд «обычных» резонансных. Конечно, для описания электронных (и других подобных им) волн необходимо располагать уравнением, такой же степени общности, как и уравнения Исаака Ньютона в классической механике, и в 1926 году Шрёдингер предложил такое уравнение: знаменитое уравнение Шрёдингера, явившееся математической основой волновой (по другой терминологии – квантовой) механики.

Эта серия работ была опубликована Эрвином Шрёдингером в 1926 году под общим названием «Квантование как задача о собственных значениях». Уравнение Шрёдингера заняло лидирующее место в квантовой теории, и не утратило его и поныне. Уравнение Шрёдингера – основное уравнение нерелятивистской квантовой механики, оно позволяет определить возможные состояния системы, а также изменение состояния во времени.

Но предложенная Шрёдингером «классическая» интерпретация той величины, которая определяется этим уравнением – волновой функции – не удержалась. После напряжённейших дискуссий с датским физиком Нильсом Бором, доводивших Шрёдингера до изнеможения и до отчаяния, ему пришлось признать необходимость отказа от её классического истолкования в пользу вероятностного. Это был тяжёлый удар. Перед отъездом из Копенгагена от Бора Шрёдингер сказал ему: «Если мы собираемся сохранить эти проклятые квантовые скачки, то мне приходится пожалеть, что я вообще занялся квантовой теорией». Негативное отношение к «копенгагенской интерпретации» квантовой теории у Шрёдингера (как и у Эйнштейна, Планка, де Бройля, Лауэ) так и не изменилось до конца его дней.                                                                                                                                                                                   

После ухода в почётную отставку Макса Планка кафедра теоретической физики в Берлинском университете оказалась незанятой, и вопрос о его приемнике должна была решить специально созданная комиссия. Она предложила список кандидатов, в котором на втором месте (после Арнольда Зоммерфельда) значилась фамилия Шрёдингера. Зоммерфельд отказался переехать в Берлин, и возможность занять весьма престижное место открылась перед Шрёдингером. Он колебался и, может быть, не покинул бы прекрасный Цюрих, если бы не узнал, что Планк «был бы рад» видеть его преемником.

Это решило дело, и в конце лета 1927 года Эрвин Шрёдингер переселился в Берлин. Тепло принятый новыми коллегами, он быстро освоился на новом месте, и годы жизни и продуктивной работы в Берлине он потом вспоминал как «прекрасные». На следующий год после переезда из Цюриха Шрёдингер был единогласно (что бывало чрезвычайно редко) избран членом Берлинской академии наук. Но основным полем деятельности оставался университет. Хотя Шрёдингер был типичным «одиночкой» и не создал школы, его научный и нравственный авторитет играл важную роль.

Всё рухнуло в 1933 году, когда к власти пришли фашисты. Началось массовое бегство из Германии лучших учёных. Даже отсутствия «гарантии, что человек безоговорочно примет национал-социалистический режим» было достаточно, чтобы подвергнуться преследованию. Шрёдингер также решил покинуть Германию. «Я терпеть не могу, когда меня донимают политикой» – это его слова. Под предлогом творческого отпуска он уехал в Южный Тироль, а оттуда в октябре 1933 года вместе с женой перебрался в Оксфорд. Вскоре Эрвин Шрёдингер получил известие, что он удостоен Нобелевской премии по физике за 1933 год.

Три года проработал Шрёдингер в Оксфорде исследователем-стипендиатом. Тоскуя по родине, он вернулся в Австрию. С октября 1936 года Шрёдингер – ординарный профессор теоретической физики университета в Граце. Но в марте 1938 года после аншлюса немецкие порядки распространились и на Австрию, и 31 марта Эрвин Шрёдингер был из-за политической неблагонадёжности вычеркнут из всех университетских списков Германии и Австрии.

Через Италию, Швейцарию и Бельгию Шрёдингер в 1939 году опять вернулся в Англию, где он был защищён от непосредственной фашистской угрозы. В это время глава правительства Ирландии, Имон де Валера, математик по образованию, занимался организацией в Дублине института, подобного Принстонскому, и Шрёдингер стал его главой. Здесь он проработал 17 лет, активно занимаясь не только физикой, но и философией, поэзией и даже биологией.

В 1944 году вышла его известная книга «Что такое жизнь? с точки зрения физика», в 1949 году – сборник стихов, а в 1954 – книга «Природа и греки». Как физик, Эрвин Шрёдингер в эти годы много работал в области теории гравитации и, подобно Эйнштейну, прилагал большие усилия для построения единой теории поля. 

После окончания войны Шрёдингер не раз получал приглашения вернуться в Австрию и в Германию. Но он полюбил Ирландию, и только поверив, что угрозы новых политических потрясений миновали, решил вернуться на родину. Его возвращение было триумфальным. Шрёдингер проработал в Венском университете два года и ещё один «год почёта». Последние годы его жизни прошли в живописной тирольской деревне Альпбах.

Скончался великий учёный 4 января 1961 года в Вене.

«Кот Шрёдингера»

В 1935 году Эрвином Шрёдингером был разработан знаменитый мысленный эксперимент, известный под названием «Кот Шрёдингера». Так как эксперимент мысленный, то естественно живых котов для него не использовали, а, следовательно, никакого ущерба животным не наносили. Итак, в чём же суть эксперимента и для чего вообще он был нужен? Представьте себе металлический ящик с толстыми звуконепроницаемыми стенками. Внутри находится кот. Пока ящик закрыт, внешний наблюдатель не может знать, что происходит с котом. В этом же ящике находится хитроумный механизм, который автор назвал «адская машинка». Он содержит капсулу со смертельным ядом и одно ядро вымышленного радиоактивного элемента, период полураспада которого составляет 1 час.

Закрываем ящик ровно на 1 час. Если за время эксперимента атом распадётся, то механизм сработает, и кот погибнет. При этом вероятность такого исхода составляет ровно 50%. Узнать результат эксперимента можно, только открыв контейнер. Но в каком состоянии находится кот перед самым открытием? Согласно формальной логике, состояние кота полностью соответствует состоянию ядра. Ядро целое – кот Шрёдингера жив, ядро распалось – кот погиб.

Квантовая механика утверждает, что нестабильное ядро пребывает в суперпозиции – одновременно является и целым, и распавшимся. Но тогда получается, что кот тоже одновременно и жив, и мёртв. И из состояния неопределённости его выводит учёный, открывающий ящик через час после начала эксперимента.

Существует распространённое заблуждение, что Эрвин Шрёдингер придумал данный эксперимент, чтобы объяснить простыми словами основы квантовой механики. Однако ему было важно показать, что один из ключевых принципов общепринятой интерпретации квантовой механики теряет смысл при взаимодействии квантового мира с макрообъектами. Именно поэтому в эксперименте фигурирует нестабильное атомное ядро.

Учёный показательно связал состояния субатомного объекта, пребывающего в состоянии квантовой неопределённости, и объекта макромира, хорошо знакомого и привычного каждому из нас.

Шрёдингер посвятил значительную часть жизни теоретическим исследованиям в области квантовой механики, поэтому точно не был её противником или критиком. Учёного не устраивала копенгагенская интерпретация, которую его коллеги приняли как наиболее обоснованную. Доводя один из ключевых тезисов квантовой механики до абсурда, он не пытался его опровергнуть, а лишь обращал внимание на неполноту общепринятой интерпретации.

Если рассматривать эксперимент Шрёдингера в рамках копенгагенской интерпретации, то кот становится живым или мёртвым лишь тогда, когда учёный открывает ящик, а вовсе не в момент срабатывания «адской машинки». Учёный не оспаривал существование суперпозиции и принципа неопределённости в квантовом мире. Он оспаривал так называемый «парадокс наблюдателя», согласно которому именно наблюдатель в момент наблюдения выводит систему из состояния суперпозиции.

Существует известная шутка Альберта Эйнштейна о парадоксе наблюдателя: «Неужели вы думаете, что Луна существует только тогда, когда вы на неё смотрите?». При этом он не был противником квантовой механики, а лишь указывал коллегам на серьёзную брешь в этой фундаментальной области знаний.

Шрёдингер поставил перед собой такую же задачу. Он решил доказать всем, что не наблюдатель определяет состояние системы, и судьба кота определяется отнюдь не в тот момент, когда открывается коробка.

Материал подготовлен отделом производственной литературы

Цикл От Архимеда до Хокинга

г. Владимир, ул. Дзержинского, д. 3
E-mail: otl@lib33.ru

Тел. (4922) 32-32-02 (доб. 260)