12 августа исполняется 125 лет со дня рождения выдающегося физика, одного из «отцов» квантовой механики Эрвина Шредингера. Уже несколько десятилетий «уравнение Шредингера» – одно из базовых понятий атомной физики. Стоит заметить, что настоящую известность Шредингеру принесло совсем не уравнение, а придуманный им мысленный эксперимент с откровенно нефизическим названием «Кот Шредингера». Кот – макроскопический объект, который не может быть одновременно и живым и мертвым – олицетворял несогласие Шредингера с копенгагенской интерпретацией квантовой механики (и лично с Нильсом Бором).
Страницы биографии
Эрвин Шредингер родился в Вене; его отец – владелец фабрики по производству клеенки – был одновременно уважаемым ученым – любителем и занимал пост президента Венского ботанико-зоологического общества. Дедом Шредингера по линии матери был Александр Бауэр, известный химик.
Окончив в 1906 году престижную Академическую гимназию (ориентированную прежде всего на изучение латыни и греческого), Шредингер поступает в Венский университет. Биографы Шредингера замечают, что изучение древних языков, способствуя развитию логики и аналитических способностей, помогло Шредингеру легко освоить университетские курсы физики и математики. Владея латынью и древнегреческим, он читал великие произведения мировой литературы на языке оригинала, при этом его английский был практически свободным, и, кроме того, он владел французским, испанским и итальянским языками.
Его первые научные исследования относились к сфере экспериментальной физики. Так, в своей выпускной работе Шредингер изучал влияние влажности на электропроводность стекла, эбонита и янтаря. После окончания университета Шредингер год служит в армии, после чего начинает работать в alma mater в должности ассистента физического практикума. В 1913 году Шредингер занимается изучением радиоактивности атмосферы и атмосферного электричества. За эти исследования Австрийская Академия наук присудит ему спустя семь лет премию Хайтингера.
В 1921-ом Шредингер стал профессором теоретической физики в Цюрихском университете, где и создает прославившую его волновую механику. В 1927 г. Шредингер принимает предложение возглавить кафедру теоретической физики Берлинского университета (после ухода на пенсию руководившего кафедрой Макса Планка). Берлин 20-х годов был интеллектуальным центром мировой физики – статус, который он безвозвратно утратил после прихода к власти нацистов в 1933 году. Антисемитские законы, принятые нацистами, не затрагивали ни самого Шредингера, ни членов его семьи. Однако, он покидает Германию, формально связав отъезд из немецкой столицы с уходом в творческий отпуск. Впрочем, подоплека «творческого отпуска» профессора Шредингера для власти была очевидна. Сам же он комментировал свой отъезд предельно лаконично: «Я терпеть не могу, когда меня донимают политикой».
В октябре 1933 года Шредингер начинает работать в Оксфордском университете. В том же году ему и Полю Дираку присуждается Нобелевская премия по физике за 1933 год «в знак признания заслуг в разработке и развитии новых плодотворных формулировок атомной теории». За год до начала второй мировой войны Шредингер принимает предложение премьер-министра Ирландии переехать в Дублин. Де Валера – глава ирландского правительства, математик по образованию – организовывает в Дублине Институт высших исследований, и одним из первых его сотрудников становится нобелевский лауреат Эрвин Шредингер.
Дублин Шредингер покидает только в 1956 году. После вывода оккупационных войск из Австрии и заключения Государственного договора он возвращается в Вену, где ему предоставляется персональная должность профессора Венского университета. В 1957-ом он уходит в отставку и живет в своем доме в Тироле. Эрвин Шредингер умер 4 января 1961 года.
Волновая механика Эрвина Шредингера
Еще в 1913 году – Шредингер тогда изучал радиоактивность атмосферы Земли – журнал Philosophical Magazine опубликовал серию статей Нильса Бора «О строении атома и молекул». Именно в этих статьях была представлена теория водородоподобного атома, основанная на знаменитых «постулатах Бора». Согласно одному постулату, атом излучал энергию только при переходе между стационарными состояниями; согласно другому постулату, находившийся на стационарной орбите электрон энергию не излучал. Постулаты Бора противоречили основным положениям электродинамики Максвелла. Будучи убежденным сторонником классической физики, Шредингер весьма настороженно воспринял идеи Бора, заметив, в частности: «я не могу представить себе, что электрон прыгает как блоха».
Собственный путь в квантовой физике Шредингеру помог найти французский физик Луи де Бройль, в диссертации которого была в 1924 году впервые сформулирована идея волновой природы материи. Согласно этой идее, получившей высокую оценку самого Альберта Эйнштейна, каждый материальный объект можно охарактеризовать определенной длиной волны. В серии статей Шредингера, опубликованных в 1926 году, идеи де Бройля были использованы для разработки волновой механики, в основу которой было положено «уравнение Шредингера» – дифференциальное уравнение второго порядка, записанное для так называемой «волновой функции». Квантовые физики получили, таким образом, возможность решать интересующие их задачи на привычном для них языке дифференциальных уравнений. При этом в вопросе интерпретации волновой функции обозначились серьезные расхождения между Шредингером и Бором. Сторонник наглядности, Шредингер полагал, что волновая функция описывает волнообразное распространение отрицательного электрического заряда электрона. Позиция Бора и его сторонников была представлена Максом Борном с его статистической интерпретацией волновой функции. По Борну, квадрат модуля волновой функции определял вероятность того, что описываемая этой функцией микрочастица находится в данной точке пространства. Именно такой взгляд на волновую функцию стал частью так называемой копенгагенской интерпретации квантовой механики (напомним, что Нильс Бор жил и работал в Копенгагене). Копенгагенская интерпретация считала неотъемлемой частью квантовой механики понятия вероятности и индетерминизма и большинство физиков копенгагенская интерпретация вполне устраивала. Шредингер, однако, до конца своих дней оставался ее непримиримым противником.
Мысленный эксперимент «Кот Шредингера»
Мысленный эксперимент, в котором «действующими лицами» являются микроскопические объекты (радиоактивные атомы) и вполне макроскопический объект – живой кот – Шредингер придумал, чтобы максимально наглядно продемонстрировать уязвимость копенгагенской интерпретации квантовой механики. Сам эксперимент Шредингер описал в статье, опубликованной в 1935 году журналом я «Naturwissenshaften». Суть мысленного эксперимента состоит в следующем. Пусть в закрытом ящике находится кот. Кроме него в ящике имеется некоторое количество радиоактивных ядер, а также сосуд, содержащий ядовитый газ. По условиям эксперимента атомное ядро в течение одного часа с вероятностью ½ распадается. Если распад произошел, то под действием излучения приводится в действие некий механизм, разбивающий сосуд. В этом случае кот вдыхает ядовитый газ и погибает. Если следовать позиции Нильса Бора и его сторонников, то, согласно квантовой механике, о ненаблюдаемом радиоактивном ядре невозможно сказать, распалось оно или нет. В ситуации рассматриваемого нами мысленного эксперимента отсюда следует, что – если ящик не открыт и на кота никто не смотрит – он одновременно и жив, и мертв. Появление кота – вне всякого сомнения, макроскопического объекта – это ключевая деталь мысленного эксперимента Эрвина Шредингера. Дело в том, что в отношении атомного ядра – являющегося микроскопическим объектом – Нильс Бор и его сторонники допускают возможность существования смешанного состояния (на языке квантовой механики – суперпозицию двух состояний ядра). Применительно же к кошке такое понятие явно нельзя применить поскольку состояния, промежуточного между жизнью и смертью, не существует. Из всего этого следует, что и атомное ядро должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся. Что, вообще говоря, противоречит тем утверждениям Нильса Бора (в отношении ненаблюдаемого ядра нельзя сказать, распалось оно или не распалось), против которых выступал Шредингер.
Комментируя этот мысленный эксперимент, Альберт Эйнштейн в одном из своих писем Шредингеру заметил: «Имеется также мистик (Бор), который вообще запрещает как не научный вопрос о чем-то существующем независимо от наблюдателя, т.е. вопрос о том – жива или нет кошка в данный момент, до наблюдения… Как и прежде, я убежден, что эта диковинная ситуация возникает от того, что мы еще не достигли полного описания положения вещей».
Шредингер как популяризатор науки
Будучи знаменитым физиком, Эрвин Шредингер внес заметный вклад в популяризацию молекулярной биологии. Цикл лекций, посвященный новому для того времени направлению биологических исследований, Шредингер прочел в Дублине зимой 1943 года. Лекции стали основой книги «Что такое жизнь? С точки зрения физики», вышедшей в свет в 1944 году. Интерес к этой теме возник у Шредингера под влиянием прочитанной им статьио генетических мутациях под воздействием рентгеновского и гамма излучения. Авторами статьи были три специалиста по радиобиологии: Николай Тимофеев–Ресовский, Макс Дельбрюк (впоследствии лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине) и Карл Циммер. «Биологическая» книга знаменитого физика многократно переиздавалась и способствовала тому, что многие физики «переключились» на исследования в области молекулярной биологии.
Весьма необычен доклад Шредингера «Обусловлено ли естествознание окружающей средой?»¸ сделанный им в феврале 1932 года на заседании физико-математического отделения Прусской Академии наук (под окружающей средой он подразумевает общество, культуру и искусство).
Самый неожиданный раздел доклада – параллели, которые Шредингер проводит между «массовым управлением» и методами математического анализа. «Массовое управление» по Шредингеру – это прежде всего способ управления большим количеством объектов, например, людьми и книгами. Книгами «управляют картотеки и каталоги»; а, к примеру, поведение служащих регулируют «законы и служебными предписаниями». Естественнонаучный аналог методов массового управления – каталогов и законов – Шредингер видит в методах математического анализа. Используя их, ученые достигают экономии труда, производя затраты «раз и навсегда», Так, решая задачи гидродинамики, физик получает возможность проследить путь отдельной частички жидкости. В связи с этим Шредингер пишет: «Древний эллин не поверил бы, что ограниченный человеческий ум может дать решение столь запутанной задачи… а ведь сегодня это просто классная работа на один час».
