Довид Ласерна - На волне Вселенной. Шрёдингер. Квантовые парадоксы

В 39 лет, сам того не ожидая (да и никто этого не ожидал), он создал свое самое значительное творение — волновую механику. Произошло это после периода затишья, к тому же в возрасте, когда творческие способности многих ученых уже угасают. Уравнение Шрёдингера возникло в тот момент, когда физики-теоретики стояли перед целым клубком экспериментальных результатов, никак не могли его распутать и испытывали по этому поводу огромную растерянность. Австриец Вольфганг Паули в 1925 году сетовал: «Сейчас физика слишком непонятна. Во всяком случае, она слишком трудна для меня, и я предпочел больше никогда не слышать о ней». Однако Шрёдингер не пал жертвой этой растерянности, а поместил привычное уравнение классической физики в самый центр негостеприимной квантовой механики.

Его волновая механика родилась как реакция на требование Вернера Карла Гейзенберга уничтожить любое интуитивное видение в области атомов. Шрёдингер стремился сохранить классический дух, создавая новую фантазию, основанную на волнах вместо частиц: «Целью исследований атомов является внедрение экспериментов, проистекающих из нашего повседневного образа мыслей». В своих поисках он потерпел поражение, и его реакция на то, что вся работа в области квантовых сущностей не дала никаких результатов, вошла в историю: «Я простить себе не могу, что вообще связался с квантовой теорией!» Однако Нильс Бор совсем не считал проделанную работу напрасной: «Мы все чрезвычайно благодарны вам, — говорил он коллеге. — Ваша волновая механика принесла с собой такую математическую ясность и простоту, что явилась гигантским шагом вперед». Шрёдингер не только посвятил огромное количество времени безнадежному, как он посчитал, делу — параллельно он сформулировал то, что станет ключом к современной физике, — волновое уравнение, маяк в сердце тьмы, каким ранее стало выражение F= m x а Ньютона.

Рождение квантовой механики вызвало напряженность в научном мире, поскольку открытие противоречило привычным подходам. Однако благодаря коллективной работе ряда известных ученых, трудившихся в двух научно-исследовательских центрах — Копенгагене и Гёттингене,— квантовая механика получила признание. В число ее адептов вошли Нильс Бор, Вернер Карл Гейзенберг, Макс Борн, Вольфганг Паули и Паскуаль Йордан. К ним также можно добавить Поля Дирака из Кембриджа. В отличие от этой плеяды, Шрёдингер, как и Эйнштейн, работал в одиночестве:

«В научной деятельности, как и вообще в жизни, я никогда не придерживался какой-либо генеральной линии, не следовал руководящей программе, рассчитанной на длительные сроки. Хотя я очень плохо умею работать в коллективе, в том числе, к сожалению, с учениками, мои труды никогда не были совершенно самостоятельными, поскольку мой интерес к какому-либо вопросу всегда зависит от интереса, проявляемого к этому же вопросу другими»[ 1Перевод А. С. Доброславского.].

Хотя Шрёдингер не основал ни одной школы и не собрал вокруг себя последователей, он написал одно из самых вдохновляющих научных произведений XX века — сборник «Что такое жизнь?», куда вошел цикл его лекций, прочитанных в Тринити-колледже в Дублине в 1943 году. Эта книга убедила целое поколение ученых в том, что физика содержит уникальные возможности для изучения живых существ. Шрёдингер предвидел структурные особенности, выражающиеся в том, что наследственность связана с хромосомами, и вывел современную концепцию генетического кода.

Одна из наиболее выдающихся частей наследия Шрёдингера имеет отношение к его языку, к его способности находить для описания экспериментальных ситуаций яркие образы, которые сразу же подхватывают даже его научные оппоненты. Например, все знают о коте, который носит имя ученого и стал символом загадок квантовой механики. Судьба животного, запертого в стальной камере, зависит от ядерного распада. Когда ядро расщепляется, высвобождается токсичный газ, убивающий кота. Зафиксировать этот момент, по законам физики, нельзя, возможно лишь дать вероятностное описание эксперимента. Пока камера не открыта, распад одновременно происходит и не происходит. Кот, подвешенный в этом невероятном состоянии между жизнью и смертью, является вызовом, испытанием, которое должна пройти каждая интерпретация теории. Шрёдингер также способствовал расширению научного лексикона, введя термин «запутанность» для обозначения, вероятно, наиболее загадочного явления квантовой механики.

Он сам лучше, чем кто-либо, в нескольких словах изложил достоинства и недостатки своей работы: «Я пропустил красоту вперед науки». Эта эстетическая концепция — один из самых пленительных и ярких образов, связанных с областью атомов. Поль Дирак говорил, что испытывает ту же слабость: «Из всех физиков, которых я знаю, мне кажется, Шрёдингер больше всего похож на меня [...]. Думаю, это потому, что мы оба безнадежно увлечены математической красотой, которая и определяет нашу работу».

Технически квантовая механика является одной из самых продуктивных научных теорий. В каждом устройстве с интегральной схемой, будь то компьютер, сотовый телефон или МРЗ-плеер, бьется квантовое сердце. Это же справедливо для магнитного резонанса, сверхпроводников, лазеров и электронных микроскопов. Гейзенберг, Борн, Йордан и Шрёдингер завершили математическую модель теории в 1920-е годы, однако ее влияние на наше понимание мира обсуждается до сих пор. Многие ученые, привыкшие к большей конкретности, считают, что философские вопросы как минимум второстепенны, но их оппоненты видят в таком подходе немалую привлекательность. Маловероятно, что разногласия в интерпретации теории можно преодолеть, но сами поиски красоты в построении научных теорий, свойственные Шрёдингеру, будут вдохновлять следующие поколения физиков.

1887Родился Эрвин Шрёдингер, единственный сын Рудольфа Шрёдингера и Георгины Бауэр. Это произошло в Вене 12 августа.

1898Поступил в академическую гимназию Вены, где получил хорошее гуманитарное образование.

1910Получил степень доктора в Венском университете, защитив диссертацию на тему «Электрическая проводимость на поверхности изоляторов во влажном воздухе». Целью работы было улучшение изоляции научного оборудования, подвергающегося воздействию коррозии.

1914-1918Участвовал в Первой мировой войне в звании лейтенанта артиллерии на итальянском фронте.

1920Вступил в брак с Аннемари Бертель. Покинул Вену, чтобы занять пост ассистента в Йенском университете.

1921Назначен штатным преподавателем теоретической физики в Цюрихском университете.

1926Сформулировал знаменитое уравнение, носящее его имя, и обосновал свою волновую версию квантовой механики в шести статьях. В них ученый также продемонстрировал математическую эквивалентность своего подхода и матричной механики Гейзенберга.