Эрвин Шредингер (1887-1961) - австрийский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике (1933); профессор Берлинского, Оксфордского, Градского и Гент-ского университетов. С 1939 г. - директор основанного им Institute for advanced studies в Дублине; иностранный член-корреспондент (1928) и иностранный почетный член (1934) АН СССР. Разработал (1926) квантовую механику и волновую теорию материи, сформулировал ее основное уравнение (уравнение Шредингера), доказал ее идентичность матричному варианту квантовой механики. Труды по кристаллографии, математической физике, теории относительности, биофизике. Нобелевская премия (1933, совместно с П. А. М. Дираком).
Отец Эрвина, Рудольф Шредингер, получил по наследству небольшую фабрику клеенки, 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 Шредингер 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 ребенка учили дома, а в 1898 году, успешно выдержав вступительные экзамены, он поступил в Академическую гимназию, которую окончил в 1906 году. Эта гимназия пользовалась репутацией престижного учебного заведения, но, в основном, гуманитарного профиля. Тем не менее, после блестяще сданных выпускных экзаменов (Эрвин вообще неизменно был первым учеником в классе), когда пришла пора выбора дальнейшего пути, без колебаний предпочтение было отдано математике и физике.
Осенью 1906 г. Шредингер поступил в Венский университет, где еще недавно, до своей трагической гибели работал Людвиг Больцман. 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.
Все же на первый план все определеннее выступали дисциплины физико-математического цикла. Во многом это было заслугой преподавателей, в частности Фрица Газенроля, о котором в 1929 г. в Нобелевской лекции Шредингер 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 Шредингеру понять, что его призванием является теоретическая физика.
Для докторской диссертации (аналога теперешней дипломной работы) Шредингеру была предложена экспериментальная работа, которая была не только успешно защищена, но и удостоилась опубликования в «Докладах» Венской академии наук. После сдачи выпускных экзаменов двадцатитрехлетнему Эрвину Шредингеру была присуждена степень доктора философии.
Наиболее интересной для Шредингера областью стала термодинамика в вероятностной интерпретации, развитой Больцманом. «Круг этих идей, - говорил Э. Шредингер в 1929 г., - стал для меня как бы первой любовью в науке, ничто другое меня так не захватывало и, пожалуй, уже никогда не захватит». В качестве докторской диссертации Шредингер защищает экспериментальную работу по электрической проводимости на поверхности изоляторов во влажном воздухе, выполненную им в лаборатории Экснера.
Ассистент, доцент, офицер. На юго-западном фронте.
Вскоре после окончания университета Шредингер получил место ассистента Экснера, во Втором физическом институте Венского университета. С 1914 г. - Шредингер становится приват-доцентом. С 1910 г. появляются первые публикации Шредингера, посвященные диэлектрикам, кинетической теории магнетизма, атмосферному электричеству (премия Гайтингера), теории аномальной электрической дисперсии, интерференционным явлениям, теории эффекта Дебая и др. Круг его интересов был весьма широк: радиоактивность в ее связи с атмосферным электричеством (за эти годы работы он был удостоен премии, учрежденной 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 г. он был утвержден министерством в звании доцента, что давало ему право читать лекции. Однако приват-доцентура не оплачивалась, так что материальное положение Шредингера 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 Шредингер был мобилизован.
По тогдашним австрийским законам выпускник университета Эрвин Шредингер должен был год отслужить в армии. За несколько недель до начала Первой мировой войны Шредингера призывают в армию. В отличие от Ф. Газенорля, погибшего на фронте, Шредингеру повезло - его отправляют в качестве артиллерийского офицера на относительно спокойный участок Юго-Западного фронта (район Триеста). Там ему удается даже оставаться в курсе развития физики, в частности, познакомиться со статьями А. Эйнштейна по общей теории относительности и в 1918 г. опубликовать две статьи по этой теме.
«Академические годы странствий»
После окончания войны, в ноябре 1918 г. Э. Шредингер вернулся в Венский физический институт. Однако послевоенная жизнь в Австрии была трудна, перспектив улучшения не было, и поэтому, получив приглашение поработать в Иенском физическом институте у Макса Вина, Шредингер взял в Вене полугодовой отпуск и с молодой женой (он только что женился) в апреле 1920 г. 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. В Иене Шредингер проработал, однако, только четыре месяца. Он уже приобрел «имя», и приглашения на работу в различные научные центры начали поступать все чаще.
В начале 1921 г. университеты Киля, Бреслау, Гамбурга и его родной Вены обещали ему должность профессора теоретической физики. Поступило приглашение и из Штутгарта, Шредингер переехал туда и в начале 1921 г. приступил к чтению лекций. Но работа в Штутгарте продолжалась всего один семестр, и Шредингер перешел 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 Шредингера на высшую ступень академической «табели о рангах». В 1921 году он перебрался в Цюрих.
Уравнение Шредингера
Уравнение Шредингера - основное уравнение нерелятивистской квантовой механики; позволяет определить возможные состояния системы, а также изменение состояния во времени. Сформулировано Э. Шредингером в 1926 г.
По складу ума Эрвин Шредингер, 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 19251926 гг. Шредингером были выполнены работы, выдвинувшие его в первый ряд создателей волновой механики.
Наличие волновых свойств у электронов Шредингер 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 определенные дискретные «резонансные» состояния: каждая из труб, в зависимости от ее длины, «настроена» на определенную 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 г. Шредингер предложил такое уравнение, знаменитое уравнение Шредингера, явившееся математической основой волновой (по другой терминологии - квантовой) механики.
Но предложенная Шредингером «классическая» интерпретация той величины, которая определяется этим уравнением - волновой функции - не удержалась. После напряженнейших дискуссий с датским физиком Нильсом Бором, доводивших Шредингера до изнеможения и до отчаяния, ему пришлось признать необходимость отказа от ее классического истолкования в пользу вероятностного. Это был тяжелый удар. Перед отъездом из Копенгагена от Бора Шредингер 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 Шредингера (как и у Эйнштейна, Планка, де Бройля, Лауэ) так и не изменилось до конца его дней.
В Берлинском университете
После ухода в почетную 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 Шредингера. Зоммерфельд отказался переехать в Берлин, и возможность занять весьма престижное место открылась перед Шредингером. 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 Шредингер 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 Шредингер был единогласно (что бывало чрезвычайно редко!) избран членом Берлинской академии наук. Но основным полем деятельности оставался университет. Хотя Шредингер был типичным «одиночкой» и не создал школы, его научный и нравственный авторитет играл важную роль.
Все рухнуло в 1933 году, когда к власти пришли фашисты. Началось массовое бегство из Германии лучших ученых. Даже отсутствия «гарантии, что человек безоговорочно примет национал-социалистический режим», было достаточно, чтобы подвергнуться преследованию. Шредингер 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 Шредингер получил известие, что он удостоен Нобелевской премии по физике за 1933 год.
Три года проработал Шредингер в Оксфорде исследователем-стипендиатом. Тоскуя по родине, он вернулся в Австрию; с октября 1936 г. Шредингер - ординарный профессор теоретической физики университета в Граце. Но в марте 1938 года после аншлюса немецкие порядки распространились и на Австрию, и 31 марта Эрвин Шредингер был из-за политической неблагонадежности вычеркнут из всех университетских списков Германии и Австрии.
Опять скитания. Переезд в Дублин
Через Италию, Швейцарию и Бельгию Шредингер в 1939 году опять вернулся в Англию, где он был защищен от непосредственной фашистской угрозы. В это время глава правительства Ирландии И. де Валера, математик по образованию, занимался организацией в Дублине института, подобного Прин-стонскому, и Шредингер 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 физики?», в 1949 году - сборник стихов, а в 1954 г. - книга «Природа и греки». Как физик, Эрвин Шредингер в эти годы много работал в области теории гравитации и, подобно Эйнштейну, прилагал большие усилия для построения единой теории поля.
После окончания войны Шредингер не раз получал приглашения вернуться в Австрию и в Германию. Но он полюбил Ирландию, и только поверив, что угрозы новых политических потрясений миновали, решился вернуться на родину. Его возвращение было триумфальным. Шредингер проработал в Венском университете два года и еще один «год почета». Последние годы его жизни прошли в живописной тирольской деревне Альпбах.
Эрвин Шредингер
Квантовый кот вселенной
Предисловие
Один из самых знаменитых физиков ХХ века Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шредингер (нем. Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger) родился 12 августа 1887 года в Вене и умер там же 4 января 1961 года. При этом Шредингер отнюдь не был домоседом, его жизнь годами была кочевой и беспокойной. Он работал в Цюрихе, Штутгарте, Берлине, Оксфорде и Дублине. Покинув Вену вскоре после окончания Первой мировой войны, Шредингер вернулся в родной город только в 1956 году, в зените славы.
Шредингер был одним из создателей квантовой механики. Он получил Нобелевскую премию по физике в 1933 году. Был членом ряда академий наук мира, в том числе Академии наук СССР (1934).
Шредингеру принадлежит ряд фундаментальных достижений в области квантовой теории, которые легли в основу волновой механики: он сформулировал волновые уравнения (стационарное и зависящее от времени уравнения Шредингера), показал тождественность развитого им формализма и матричной механики, разработал волновомеханическую теорию возмущений. Шредингер предложил оригинальную трактовку физического смысла волновой функции. Кроме того, он является автором множества работ в различных областях физики: статистической механике и термодинамике, физике диэлектриков, теории цвета, электродинамике, общей теории относительности и космологии; он предпринял несколько попыток построения единой теории поля.
Причем научные интересы Шредингера не ограничивались только физикой. В книге «Что такое жизнь?», представленной в нашем издании, Шредингер обратился к проблемам генетики, взглянув на феномен жизни с точки зрения физики. Также он уделял большое внимание философским аспектам науки, античным и восточным философским концепциям, вопросам этики и религии.
Книга «Что такое жизнь?» (1944) основана на лекциях, которые были прочитаны в дублинском Тринити-колледже в феврале 1943 года. Эти лекции и книга были созданы под впечатлением от статьи Николая Тимофеева-Ресовского, Карла Циммера и Макса Дельбрюка, опубликованной в 1935 году и переданной Шредингеру Паулем Эвальдом в начале 1940-х годов. Статья посвящена изучению генетических мутаций, которые возникают под действием рентгеновского и гамма-излучений и для объяснения которых авторами была развита теория мишеней. Хотя в то время еще не была известна природа генов наследственности, взгляд на проблему мутагенеза с точки зрения атомной физики позволил выявить некоторые общие закономерности этого процесса. Работа Тимофеева – Циммера – Дельбрюка была положена Шредингером в основу его книги, которая привлекла широкое внимание молодых физиков. Некоторые из них под ее влиянием решили заняться молекулярной биологией.
Также Шредингер интересовался философией. Однако только после приезда в Дублин он смог уделить философским вопросам достаточно внимания. Из-под его пера вышел ряд работ не только по философским проблемам науки, но и общефилософского характера – «Наука и гуманизм» (1952), «Природа и греки» (1954), «Разум и материя» (1958) и «Мой взгляд на мир», сочинение, законченное им незадолго до смерти «Мой взгляд на мир» представлен в данном издании. Особое внимание Шредингер уделял античной философии, которая привлекала его своим единством и тем значением, которое она могла сыграть для решения проблем современности. Также Шредингер обращался к наследию индийской и китайской философии. Он хотел с единых позиций взглянуть на науку и религию, человеческое общество и проблемы этики; проблема единства представляла один из основных мотивов его философского творчества. В работах, которые можно отнести к философии науки, он указывал на тесную связь науки с развитием общества и культуры в целом, обсуждал проблемы теории познания, участвовал в дискуссиях по проблеме причинности и модификации этого понятия в свете новой физики. В своих работах Шредингер последовательно отстаивал возможность объективного изучения природы.
Но больше всего Шредингер прославился своим мысленным экспериментом, получившим имя ученого – «Кот Шредингера». В статье Шредингера «Текущая ситуация в квантовой механике» (1935) эксперимент описан так:
«Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счетчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдет. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мертвого кота (простите за выражение) в равных долях.
Типичным в подобных случаях является то, что неопределенность, первоначально ограниченная атомным миром, преобразуется в макроскопическую неопределенность, которая может быть устранена путем прямого наблюдения. Это мешает нам наивно принять “модель размытия” как отражающую действительность. Само по себе это не означает ничего неясного или противоречивого. Есть разница между нечетким или расфокусированным фото и снимком облаков или тумана».
Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдение, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний – распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мертв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние – «ядро распалось, кот мертв» или «ядро не распалось, кот жив».
Вопрос стоит так: когда система перестает существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель эксперимента – показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции, и кот либо становится мертвым, либо остается живым, но перестает быть смешением того и другого.
Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мертвым (не существует состояния, сочетающего жизнь и смерть), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся.
Проще говоря: согласно квантовой механике, если над ядром атома не производится наблюдение, то его состояние описывается смешением двух состояний – распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике и олицетворяющий ядро атома, и жив, и мертв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние – «ядро распалось, кот мертв» или «ядро не распалось, кот жив». Эксперимент Шредингера показал, что с точки зрения квантовой механики кот одновременно и жив, и мертв, чего быть не может. Следовательно, квантовая механика имеет существенные изъяны. Вопрос стоит так: когда система перестает существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель эксперимента – показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции, и кот либо становится мертвым, либо остается живым, но перестает быть смешением того и другого. Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мертвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся
В этой книге мы приводим две этапные работы Шредингера: «Что такое жизнь?» (1944) и «Мой взгляд на мир» (1961).
Что такое жизнь?
Вступление
Человек свободный ни о чем так мало не думает, как о смерти, и его мудрость состоит в размышлении не о смерти, а о жизни.
Спиноза, Этика, ч. IV, теор. 67
Обычно принято думать, что ученый должен в совершенстве знать определенную область науки из первых рук, и поэтому считают, что ему не следует писать по таким вопросам, в которых он не является знатоком. Это рассматривается, как вопрос noblesse oblige. Однако для достижения моей цели я хочу отказаться от noblesse и прошу, в связи с этим, освободить меня от вытекающих отсюда обязательств. Мои извинения заключаются в следующем.
Мы унаследовали от наших предков острое стремление к объединенному, всеохватывающему знанию. Самое название, данное высочайшим институтам познания – университетам, – напоминает нам, что с древности и в продолжение многих столетий универсальный характер знаний был единственным, к чему могло быть полное доверие. Но расширение и углубление разнообразных отраслей знания в течение последних ста замечательных лет поставило нас перед странной дилеммой. Мы ясно чувствуем, что только теперь начинаем приобретать надежный материал для того, чтобы объединить в одно целое все, что нам известно; но с другой стороны, становится почти невозможным для одного ума полностью овладеть более чем какой-либо одной небольшой специальной частью науки.
В книге «Избранные труды по квантовой механике» помещены основные работы Эрвина Шретингера по квантовой механике и связанным с ней вопросам.
Книга рассчитана на физиков — научных работников, аспирантов, студентов, а также химиков, историков науки и других специалистов, интересующихся проблемами теоретической физики.
Квантовый кот вселенной
Эту книгу называют философским завещанием Эрвина Шредингера. В ней изложено мировоззрение ученого-естественника, который оказал значительное влияние на развитие современной физики.
Все возможно ровно до тех пор, пока не сделан выбор.
Представьте, что у вас есть ящик с радиоактивным ядром и емкостью с ядовитым газом. Вероятность того, что ядро распадется и приведет в действие механизм, открывающий емкость, составляет 50 %. Если в этот ящик поместить кота и закрыть его, возникнет парадокс Шредингера. Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдения, то его состояние описывается смешением двух состояний — распавшегося и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мертв одновременно.
Для тех, кто хочет знать больше, для тех, кто осмелится выяснить, в чем именно заключается парадокс теории Шредингера, для тех, кто хочет узнать, что такое жизнь с точки зрения физики, великий ученый написал свое последнее и лучшее произведение.
Лекции по физике
В книге представлены лекции крупнейшего физика Э. Шредингера по статистической термодинамике и квантовой механике, также включена нобелевская лекция.
Мой взгляд на мир
Эту книгу называют философским завещанием Эрвина Шредингера.
В ней изложено мировоззрение ученого-естественника, который оказал значительное влияние на развитие современной физики. Мы имеем дело с довольно редким случаем, когда один из крупнейших естествоиспытателей углубляется в философские проблемы, не связанные с современным естествознанием. Шредингер ясно показывает, что в современной картине мира унаследованные от прошлого представления и оценки должны быть пересмотрены и приведены в соответствие с новыми данными. Он подвергает также критике и учения западных мыслителей: Эпикура, Спинозы, Шопенгауэра, Геккеля и Бертрана Рассела.
На волне Вселенной. Квантовые парадоксы
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 в котом, одновременно живым и мертвым.
Шрёдингер выиграл эту битву, но его имя навсегда внесено золотыми буквами в историю науки благодаря волновому уравнению — главному инструменту для описания физического мира в атомном масштабе.
Наука и гуманизм
Автор книги — один из создателей квантовой механики и лауреат Нобелевской премии по физике 1933 г. — затрагивает вопросы о роли науки в жизни человека, ценности научного знания и этики преподавателя; вопросы отношения разума и материи, формы и содержания, отличий представлений современной физики от представлений «доквантовой физики».
Книга адресована широкому кругу читателей, интересующихся глобальными проблемами науки и философии.
Природа и греки
Автор книги - один из создателей квантовой механики, лауреат нобелевской премии по физике обращает внимание на необходимость изучения научной мысли древних греков, образующей фундамент современного научного знания и обладающей целостностью, которой последнему не хватает.
Пространственно-временная структура Вселенной
Книга представляет собой перевод двух известных книг — курсов лекций одного из крупнейших физиков XXвека Э. Шредингера (1887-1961) -«Структура пространства-времени» (1950 г.) и «Расширяющиеся вселенные» (1956 г.).
Ранее эти книги на русский язык не переводились. Содержит краткий очерк аксиоматического построения римановой геометрии четырехмерного пространства-времени. В дополнение к традиционному материалу детально рассматриваются: законы сохранения в общей теории относительности, обобщения этой теории на случаи несимметричной связности и метрики и т.д.
Приведены решения де Ситтера космологических уравнений Эйнштейна. С большим изяществом рассмотрены геометрия и физика вселенных де Ситтера.
Для научных работников, аспирантов и студентов, специализирующихся в области теоретической физики и астрофизики.
Разум и материя
В этой книге крупнейший австрийский физик Э. Шредингер рассматривает такие вопросы, которые традиционно считаются прерогативой философов, теологов, психоаналитиков и политиков: являются ли разум и материя, субъект и объект, внутреннее я и внешний мир совершенно разными вещами или это одно и то же, какое место занимает сознание в процессе эволюции жизни, что лежит в основе морали, можно ли все еще ожидать биологического развития современного человека и как будет происходить его интеллектуальное развитие.
Что такое жизнь с точки зрения физики?
Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шредингер - австрийский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике.
Один из разработчиков квантовой механики и волновой теории материи. В 1945 г. Шредингер пишет книгу «Что такое жизнь с точки зрения физики?», оказавшую существенное влияние на развитие биофизики и молекулярной биологии.
В этой книге внимательно рассмотрено несколько важнейших проблем. Основополагающим является вопрос: «Как могут физика и химия объяснить те явления в пространстве и времени, которые имеют место внутри живого организма?». Прочтение этой книги даст не только обширный теоретический материал, но и заставит задуматься над тем, что же в сущности есть жизнь?
Что такое жизнь?
В этой небольшой, но содержательной книге, в основу которой легли публичные лекции автора, знаменитый австрийский физик Эрвин Шредингер рассмотрел конкретные вопросы применения физических идей в биологии. С позиции теоретической физики Шредингер обсуждаетобщие проблемы физического подхода к различным явлениям жизни, причины макроскопичности, многоатомности организма, механизма наследственности и мутаций.
1 2 августа исполнилось 126 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, 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.
Об ученом-одиночке, о его коте, который на самом деле не кот, и об интересах богатых в конце XIX века рассказывает наш очередной выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».
Несколько дней назад физики из Китая и Австрии квантово-защищенной информацией при помощи запущенного в 2016 году спутника «Мо-Цзы». Из китайской обсерватории Синлун в австрийский Грац отправили закодированное изображение философа Мо-Цзы, в честь которого космический аппарат и получил свое название, а обратно передали фотографию Эрвина Шредингера, одного из основоположников квантовой механики. О нем и пойдет речь в новом выпуске рубрики «Как получить Нобелевку».
Шредингер в молодости
Wikimedia Commons
Эрвин Шредингер
Нобелевская премия по физике 1933 года (1/2 премии, совместно с Полем Дираком). Формулировка Нобелевского комитета: «За открытие новых продуктивных форм атомной теории» (for the discovery of new productive forms of atomic theory).
Наш герой родился в то время и в том обществе, когда богатым и образованным людям было модно увлекаться и заниматься наукой. Эрвин Шредингер был единственным сыном Рудольфа Шредингера, который представлял третье или четвертое поколение выходцев из Баварии (впрочем, сам Рудольф отрицал свое происхождение). В 1886 году Рудольф полюбил дочь своего учителя, профессора высшей технической школы в Вене, химика Александра Бауэра - Георгину Эмилию Бренду. Отец Шредингера, несмотря на то, что он был преуспевающим предпринимателем, владел фабрикой по производству клеенки и линолеума, всегда находил время для саморазвития и науки. Об этом говорит хотя бы то, что долгое время именно Шредингер-старший был главой Венского ботанико-зоологического общества, и отнюдь не «свадебным генералом»: он был автором нескольких статей по генетике растений.
Как писал сам будущий нобелевский лауреат, «моему отцу я обязан гораздо большим, чем только материальной обеспеченностью нашей жизни, я обязан ему своим прекрасным воспитанием и образованием, осуществляемым им с немалым тактом и талантом». А еще Шредингер-старший дал своему сыну пример постоянного оптимизма, что было тоже немаловажно.
О своем раннем образовании Эрвин написал в «Автобиографии»: «До 11 лет я брал частные уроки у школьного преподавателя. Затем - хорошая государственная гимназия с греческим языком и латынью. Количество часов, отведенных в расписании точным дисциплинам, в значительной мере уступало гуманитарным, но преподавание их было превосходным. Я был хорошим учеником по всем предметам, любил математику и физику, а также строгую логику старых грамматик, ненавидел только заучивание "знаменательных" исторических и биографических дат и событий. Я любил немецких поэтов, особенно драматургов, но не любил разбор их произведений в школьном классе».
Фриц Хазенерль
Wikimedia Commons
Дальше последовал Венский университет (1906-1910). В год поступления в университете произошли трагические события. Профессор теоретической физики и профессор натурфилософии Венского университета, основатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории Людвиг Больцман 5 сентября 1906 года повесился в гостиничном номере в итальянском Дуино. От депрессии не спасла победа над соперником Эрнстом Махом…
Кафедру отдали молодому Фрицу Хазенерлю, который оказал большое влияние на молодого Шредингера. Во-первых, он был блестящим лектором и читал огромный курс лекций: восемь семестров, пять часов в неделю. Кто знает, быть может, без этого курса и не было бы того Шредингера, которого мы знаем: будущий великий физик терпеть не мог учиться по книгам. А во-вторых, спустя десять лет после окончания университета именно Хазенерль внушил своему ученику мысль, что пришло его время сказать свое слово в теоретической физике.
Впрочем, сначала пришлось поработать руками. Еще во время университетской жизни он начал научную работу под руководством Франца Эхнера. Год службы в австрийской армии и четыре года работы ассистентом-практикантом Эхнера показали, что экспериментатор из Шредингера не очень. Может быть, поэтому, а может, из патриотизма, Шредингер отслужил всю Первую мировую на передовой артиллеристом (наверняка родители могли избавить его от фронта, но мысли об этом не возникло). Отслужил весь срок «без ранений и заболеваний и с немногими отличиями», фронт был спокойным.
Франц Эхнер
Wikimedia Commons
Кстати, забавный факт: Эрвин Шредингер мог стать звездой украинской физики. В 1918 году ему предложили занять кафедру Черновицкого университета. Шредингер предложение принял, но сразу же пришло известие о том, что Буковина вместе с Черновцами отходит к Румынии... А то бы мы имели первого украинского (по современной аффилиации) Нобелевского лауреата. А так пришлось ехать в Йену по приглашению двоюродного брата нобелевского лауреата Вильгельма Вина, Макса Вина. Впрочем, достаточно быстро Шредингер обосновался в Цюрихском университете, где он и создал главную свою тетралогию.
Во вступлении к своей Нобелевской лекции Шредингер очень четко сформулировал свое место в науке и свой путь: «В моих научных трудах, как и в жизни вообще, я не придерживался какой-то главной линии или программы, заданной на длительное время. Хотя, к сожалению, мне тяжело работать в каком-то коллективе, а также с учениками. Но все-таки моя работа не является совершенно изолированной, так как мои интересы всегда основывались на тех или иных возникших проблемах, которые интересовали и других ученых. Мое слово редко бывает первым, но часто вторым. Я побуждаюсь желанием способствовать уточнению, разумному смысловому развитию при выявлении возникших противоречий, которые служат только как привязки к дальнейшим разработкам». Именно так австриец и ворвался в создание квантовой механики.
Удивительное время было в начале 1920-х (недаром Поль Дирак назовет его необычайной эпохой): за два года помощник Макса Борна, вчерашний студент Вернер Гейзенберг и мало кому известный Эрвин Шредингер дважды заложили основы квантовой механики. Если Гейзенберг, однажды осененный на острове Гельголанд в Северном море, куда он сбежал от сенной лихорадки, изложил свои уравнения в матричной форме, то чуть позже Эрвин Шредингер изложил то же самое в формате волновых уравнений.
Еще одна интересная рифма истории: Вильгельм Вин, едва не поставивший крест на карьере Гейзенберга, горячо поддержал идеи Шредингера.
Нужно сказать, что работа над созданием квантовой механики у Шредингера началась не с Гейзенберга. Да, он сказал второе слово после немца, но вслед за другим великим физиком, Луи де Бройлем. В ноябре 1925 года он познакомился с его диссертацией, в которой говорилось о волновых свойствах вещества.
В первые шесть месяцев 1926 года редакция журнала Annalen der Physik получила четыре части знаменитой работы Шредингера «Квантование как задача о собственных значениях». Как потом признавался ученый, эти статьи, принесшие ему Нобелевскую премию (точнее, половину ее, вторую половину получил Поль Дирак, сделавший потрясающей глубины выводы из работ и Шредингера, и Гейзенберга), были наполовину написаны в один присест в Цюрихе.
27 января, 23 февраля, 10 мая и 21 июня 1926 года стали важнейшими датами в истории современной физики. Судя по всему, именно из-за того, что в своих первых знакомствах с теориями друг друга Гейзенберг и Шредингер восприняли работы конкурента не очень гладко, во всем Нобелевском выступлении Шредингера ни разу не упоминался Гейзенберг, уже получивший к тому времени Нобелевскую премию, только де Бройль.
Конечно, говоря о Шредингере, нельзя не вспомнить про его кота, тем более в нашей стране, где это животное стало названием успешного научно-популярного журнала. Мне часто приходится слышать, что именно за него великий австриец получил Нобелевскую премию. Увы, свой мысленный эксперимент Эрвин Шредингер поставил в ответ на другой знаменитый опыт - опыт Эйнштейна - Подольского - Розена. И был этот эксперимент отчасти даже троллингом и Гейзенберга, и современного состояния квантовой механики. Давайте прочитаем, как писал об этом эксперименте сам Шредингер:
Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счетчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдет. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мертвого кота (простите за выражение) в равных долях.
