На волне Вселенной. Шрёдингер. Квантовые парадоксы - Довид Ласерна

Наука. Величайшие теории. Выпуск 5. На волне Вселенной.

Шрёдингер. Квантовые парадоксы

Наука. Величайшие теории Выпуск № 5, 2015 Еженедельное издание

ООО «Де Агостини», Россия

© David Blanco Laserna, 2012 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2012

© ООО “Де Агостини”, 2014-2015

ISSN 2409-0069

Наука. Величайшие теории: выпуск 5: На волне Вселенной. Шрёдингер. Квантовые парадоксы. / Пер. с франц. — М.: Де Агостини, 2015. — 168 с.

Эрвин Шрёдингер сформулировал знаменитый мысленный эксперимент, чтобы продемонстрировать абсурдность физической интерпретации квантовой теории, за которую выступали такие его современники, как Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. Кот Шрёдингера, находящийся между жизнью и смертью, ждет наблюдателя, который решит его судьбу. Этот яркий образ сразу стал символом квантовой механики, которая противоречит интуиции точно так же, как не поддается осмыслению и ситуация с котом, одновременно живым и мертвым. Шрёдингер проиграл эту битву, но его имя навсегда внесено золотыми буквами в историю науки благодаря волновому уравнению — главному инструменту для описания физического мира в атомном масштабе.

Иллюстрации предоставлены:

Archives RBA: 116; Bibliotheque centrale de physique de Vienne: 47ag, 47ad, 47bg, 47bd, 55a, 55b, 75a, 75b, 107ag, 107ad; Getty Images: 107b; Universite de Monterrey: 25; Universite de Vienne: 21; akg/Science Photo Library.

Введение

Эрвин Шрёдингер — видный представитель исчезнувшего сегодня вида. Он носитель великой культуры Центральной Европы, которая долгое время развивалась на берегах Дуная и была рассеяна в результате мировых войн и деятельности политических экстремистов прошедшего века. Ученый жил и работал в те же годы, что и Фрейд, Климт, Шёнберг, Витгенштейн — в Вене, а Манн, Гросс и Брехт — в Берлине. Он словно впитывал в себя яркий свет современников, оставаясь в их тени. Шрёдингер участвовал в Первой мировой войне в звании лейтенанта артиллерии, знал нищету и невзгоды послевоенного времени, своими глазами видел, как изгоняли евреев, и дважды становился эмигрантом: сначала — когда Гитлер пришел к власти в Германии, а затем — после аннексии Австрии. Он наблюдал закат двух великих эпох, сформировавших его, — исторической и научной (эпохи классической физики).

Единственный сын в богатой семье, он получил образование и с детства мог воспользоваться всеми преимуществами, которые дают человеку деньги и просвещенное окружение. Однако первоначальный комфорт сменили значительные трудности, в которых Шрёдингер проявил себя как страстная, увлеченная личность, не чуждая и противоречий. Мятежный характер ученого помог ему строить семейную жизнь, отойдя от лекал традиционного буржуазного брака, однако в области политики и особенно науки он проявил себя как убежденный консерватор.

Увлечение Шрёдингера индуизмом и восточной философией носило скорее чисто эстетический интерес, поскольку аскеза ученого уж точно никак не привлекала. При этом философия веданты, открытая в трудах Шопенгауэра, хотя и не слишком повлияла на научную работу исследователя, но в значительной степени определила его мировоззрение. Если вспомнить о множестве увлечений и талантов, которые Шрёдингер развивал на протяжении всей своей жизни, ученый предстает перед потомками в образе четырехрукого Вишну. Круг его интересов был ошеломляюще широким, и любопытство, двигавшее им, выходило далеко за пределы одной только науки. В своей статье о квантовой механике Шрёдингер легко переходит от «Математических начал натуральной философии» Ньютона к путешествию Дарвина на борту «Бигля», а по пути с легкостью анализирует поэзию Луиса де Гонгора-и-Арготе. Он полюбил театр еще в раннем детстве, был увлеченным читателем, в свободное время рисовал, увлекался лепкой и ткал гобелены. Шрёдингер готов был оставить науку, чтобы посвятить себя философии, а однажды признался, что первым его увлечением была поэзия. Впрочем, писатель Стефан Цвейг полагал, что литература в лице Шрёдингера потеряла немного и даже насмешливо замечал: «Надеюсь, его физика лучше, чем его поэзия». Единственным заметным пробелом среди интересов Шрёдингера была музыка, любовь к которой его, в отличие от большинства физиков-теоретиков того времени, не затронула.

Образ ученого окружен романтическим ореолом, он, как герои картин Каспара Давида Фридриха, стоит на краю пропасти и смотрит вдаль. Его оригинальность проявлялась и в выборе одежды: на множестве фотографий Шрёдингера можно увидеть то в образе путешественника в светлой куртке и мешковатых штанах, то представителем богемы в элегантной бабочке, то грозным ритором в костюме и темном галстуке. В отношениях с окружающими ученый проявлял себя как опытный обольститель; это в равной степени справедливо и для женщин, и для студенческой аудитории, и для слушателей его докладов на конференциях. Однако обаяние ученого порой приносило ему одни только неприятности, и его бурная личная жизнь иногда становилась уж слишком наэлектризованной. Известно, что у Шрёдингера было три внебрачные дочери от трех разных женщин и при этом один брак на всю жизнь. Однажды он приехал в Оксфорд сразу с двумя партнершами, и это событие вызвало настоящий скандал. И все же, несмотря на весь свой авантюризм и настойчивые ухаживания за некоторыми женщинами, Шрёдингер вовсе не был Дон Жуаном. Он просто любил саму любовь, для него эта вспышка страсти была главной движущей силой, которая стимулировала его прогресс в исследованиях, — по крайней мере, так считал сам ученый. И действительно, его постоянство в непостоянстве наложило отпечаток и на научную карьеру: исследователь все время стремился к новым горизонтам.

Широта интересов Шрёдингера действительно поражает. Он изучал диэлектрические материалы, магнетизм, элементарные частицы, термодинамику, спектроскопию, квантовую механику, общую теорию относительности, удельную теплоемкость, единые геометризованные теории поля, радиоактивность, космические лучи, поверхностное натяжение, акустику, сверхпроводимость и проблемы учения о цвете. Ученый реализовал множество экспериментов и, кажется, полжизни провел в лаборатории.

Ранние работы Шрёдингера во многом были определены интересами его венских наставников. Пока ученый не предложил свой собственный взгляд, он занимался в основном исправлением ошибок старших коллег. Многие свои статьи исследователь начинал с обзора предшествующих подходов, подробно подчеркивая каждую неточность, а затем предлагал свое объяснение. Шрёдингер напоминал талантливого ученика, который, впрочем, еще не нашел своего места и не понял, в чем его собственная сила. Первое расхождение с традицией наметилось в его статьях об общей теории относительности, с которой ученый познакомился на военной службе в годы Первой мировой войны. На фронте он написал статью, касающуюся одного из самых сложных аспектов теории — неоднозначности в определении гравитационной энергии (восхищение Эйнштейном Шрёдингер сохранил на всю жизнь).

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.