 |
|
Эрвин
Шрёдингер
|
12 августа 1887 года родился австрийский физик Эрвин Шрёдингер. В массовой культуре его имя неотделимо от словосочетания «Кот Шрёдингера», но мы попробуем вспомнить, чем он еще известен: центральным уравнением квантовой теории, мечтами о единой теории поля и первыми предсказаниями молекулярной структуры ДНК.
Первая мировая застала Шрёдингера в самом начале его научной карьеры: в 1910 году он закончил Венский университет, потом несколько лет работал экспериментатором в группе своего наставника Франца Экснера и в 1914 году только получил должность приват-доцента в университете. Шрёдингеру повезло: его определили в артиллеристы и отправили на относительно спокойный участок Юго-Западного фронта Австро-Венгрии, где физику даже удавалось заниматься наукой.
Как это у него получалось — загадка. Работал ли он по ночам или днем — в тревожном мареве неопределенности ждущих боя солдат — об этом нет никаких точных свидетельств, но зато кое-что мы знаем наверняка: за годы войны Шрёдингер так хорошо изучил свежие работы Альберта Эйнштейна по общей теории относительности, что уже в 1918 году опубликовал две собственные статьи по этой теме — кажется, Шрёдингер мог работать почти в любых условиях, и дальше ему это очень пригодилось.
Первая мировая застала Шрёдингера в самом начале его научной карьеры: в 1910 году он закончил Венский университет, потом несколько лет работал экспериментатором в группе своего наставника Франца Экснера и в 1914 году только получил должность приват-доцента в университете. Шрёдингеру повезло: его определили в артиллеристы и отправили на относительно спокойный участок Юго-Западного фронта Австро-Венгрии, где физику даже удавалось заниматься наукой.
Как это у него получалось — загадка. Работал ли он по ночам или днем — в тревожном мареве неопределенности ждущих боя солдат — об этом нет никаких точных свидетельств, но зато кое-что мы знаем наверняка: за годы войны Шрёдингер так хорошо изучил свежие работы Альберта Эйнштейна по общей теории относительности, что уже в 1918 году опубликовал две собственные статьи по этой теме — кажется, Шрёдингер мог работать почти в любых условиях, и дальше ему это очень пригодилось.
В полной неопределенности
После войны жизнь австрийского физика не стала многим спокойнее. Во-первых, переезды и смены работы — вещь обычная для многих ученых, но все-таки аномально частая в случае Шрёдингера. Вена, Йена, Штутгарт, Бреслау, Цюрих, Берлин, Оксфорд, Грац, Гент, Дублин и наконец снова Вена — вот список основных локаций. В одних местах Шрёдингер проводит всего несколько месяцев, в других — несколько лет, а потом срывается и едет дальше.
Вторая неопределенность — на личном фронте. Ни Эрвин Шрёдингер, ни его жена Аннемари Бертель никогда об этом открыто не говорили, но они скорей были полиаморами, чем строили традиционные моногамные отношения. У каждого из них было немало открытых любовников, а у Эрвина — даже несколько внебрачных детей. Кажется, что оба супруга воспринимали такой брак абсолютно естественным — во всяком случае, они оставались в браке до самой смерти Шредингера.
Окружающим все это нравилось куда меньше. Например, из Оксфорда (туда, кстати, австрийский физик пристроил своего коллегу Артура Маха, жена которого была любовницей Шрёдингера) Эрвин в конечном счете уехал под давлением Клайва Стейплза Льюиса и других местных ученых, возмущенных его личной жизнью.
И наконец, неопределенность третья, общая для всех европейцев того времени — предчувствие следующей войны. Шрёдингера тоже это коснулось: в 1927 году он получил чрезвычайно престижное место профессора в Берлинском университете, где, наверное, мог бы проработать всю жизнь, но уже в 1933 году — вскоре после прихода к власти Гитлера — Шрёдингер, не желавший сотрудничать с режимом, эмигрировал в Оксфорд.
А через несколько лет история повторилась в зеркальном отражении. В 1936 году Шрёдингер уезжает из Оксфорда в австрийский Грац, через два года Австрия становится частью гитлеровской Германии и Эрвин идет на сделку. Он публикует публичное покаянное письмо, которое, впрочем, не помогает ему удержать новое место — через несколько месяцев Шрёдингера увольняют.
Вторая неопределенность — на личном фронте. Ни Эрвин Шрёдингер, ни его жена Аннемари Бертель никогда об этом открыто не говорили, но они скорей были полиаморами, чем строили традиционные моногамные отношения. У каждого из них было немало открытых любовников, а у Эрвина — даже несколько внебрачных детей. Кажется, что оба супруга воспринимали такой брак абсолютно естественным — во всяком случае, они оставались в браке до самой смерти Шредингера.
Окружающим все это нравилось куда меньше. Например, из Оксфорда (туда, кстати, австрийский физик пристроил своего коллегу Артура Маха, жена которого была любовницей Шрёдингера) Эрвин в конечном счете уехал под давлением Клайва Стейплза Льюиса и других местных ученых, возмущенных его личной жизнью.
И наконец, неопределенность третья, общая для всех европейцев того времени — предчувствие следующей войны. Шрёдингера тоже это коснулось: в 1927 году он получил чрезвычайно престижное место профессора в Берлинском университете, где, наверное, мог бы проработать всю жизнь, но уже в 1933 году — вскоре после прихода к власти Гитлера — Шрёдингер, не желавший сотрудничать с режимом, эмигрировал в Оксфорд.
А через несколько лет история повторилась в зеркальном отражении. В 1936 году Шрёдингер уезжает из Оксфорда в австрийский Грац, через два года Австрия становится частью гитлеровской Германии и Эрвин идет на сделку. Он публикует публичное покаянное письмо, которое, впрочем, не помогает ему удержать новое место — через несколько месяцев Шрёдингера увольняют.
За волной волна
Постоянство и гармонию Шрёдингер искал в науке, и поэтому неудивительно, что квантовая физика начала 20-х годов прошлого века сильна его смущала. Тогда там все было очень смутно: становилось понятно, что на микроскопическом уровне материя описывается совершенно другими, незнакомыми законами физики, но какими именно — никто окончательно объяснить не мог.
Типичный пример — атом водорода. Данные экспериментов показывали, что электрон в нем может находиться только строго в определенных состояниях, то есть обладать строго определенными энергиями, и разные ученые объясняли такую дискретность по-разному. Одни шли от законов классической механики — вводили искусственные ограничения, например, на импульсы микрочастиц, другие — использовали сложный математический аппарат матричных вычислений, а Шрёдингер выбрал третий путь.
В 1923 году французский физик Луи де Бройль показал, что все частицы могут быть одновременно волнами, а волны, наоборот, — частицами, и Эрвин зацепился за эту идею, но, если можно так сказать, только частично. От самого ключевого, то есть дуализма, он в своей теории как раз хотел избавиться. Шрёдингер считал, что вся материя — волны, которые, с одной стороны, при взаимодействии друг с другом «сгущаются» в отдельные частицы, а с другой — колеблются таким образом, что из этих движений автоматически получается дискретный характер состояний микрочастиц.
Типичный пример — атом водорода. Данные экспериментов показывали, что электрон в нем может находиться только строго в определенных состояниях, то есть обладать строго определенными энергиями, и разные ученые объясняли такую дискретность по-разному. Одни шли от законов классической механики — вводили искусственные ограничения, например, на импульсы микрочастиц, другие — использовали сложный математический аппарат матричных вычислений, а Шрёдингер выбрал третий путь.
В 1923 году французский физик Луи де Бройль показал, что все частицы могут быть одновременно волнами, а волны, наоборот, — частицами, и Эрвин зацепился за эту идею, но, если можно так сказать, только частично. От самого ключевого, то есть дуализма, он в своей теории как раз хотел избавиться. Шрёдингер считал, что вся материя — волны, которые, с одной стороны, при взаимодействии друг с другом «сгущаются» в отдельные частицы, а с другой — колеблются таким образом, что из этих движений автоматически получается дискретный характер состояний микрочастиц.
 |
|
Портрет Шрёдингера на австрийской
банкноте в 1000 шиллингов, бывшей в употреблении до прихода евро. Это была
вторая по номиналу банкнота Австрии — больше только 5000 шиллингов, на
которых был изображен Моцарт. Фото: Wikimedia Commons / Public Domain
|
В поисках математической начинки такого гармоничного мира (ведь как все красиво и стройно: никакой двойственности материи или искусственных ограничений на свойства частиц) Шрёдингер сначала удалился в швейцарскую Арозу, а потом, по возвращению в Цюрих, долгие часы проводил в купальнях на Цюрихском озере. Идиллия волн материи и волн озера сработала: в 1926 году Шрёдингер разразился серией статей, в которой сформулировал свою волновую квантовую механику.
Главные результаты этой теории — волновые уравнения (теперь они известны как стационарное и нестационарное уравнения Шрёдингера). По форме они напоминали уравнения гидродинамики или других волновых процессов, но из них можно было сравнительно простыми вычислениями получить, например, те самые энергетические уровни электронов в атоме водорода. А сами уравнения описывали, как во времени и пространстве меняется волновая функция — некоторая величина, описывающая состояние микроскопической системы.
И хотя сам Шрёдингер так и не нашел четкой физической интерпретации для волновой функции, с этими работами он стал настоящей звездой квантового мира. Новый математический аппарат был гораздо удобнее матричных вычислений (позже Шрёдингер покажет, что эти описания идентичны) и давал настолько точные результаты, что уже в 1933 году австрийский физик получил Нобелевскую премию по физике, а уравнения Шредингера для квантовой механики стали такими же важными, как законы Ньютона для механики классической.
Главные результаты этой теории — волновые уравнения (теперь они известны как стационарное и нестационарное уравнения Шрёдингера). По форме они напоминали уравнения гидродинамики или других волновых процессов, но из них можно было сравнительно простыми вычислениями получить, например, те самые энергетические уровни электронов в атоме водорода. А сами уравнения описывали, как во времени и пространстве меняется волновая функция — некоторая величина, описывающая состояние микроскопической системы.
И хотя сам Шрёдингер так и не нашел четкой физической интерпретации для волновой функции, с этими работами он стал настоящей звездой квантового мира. Новый математический аппарат был гораздо удобнее матричных вычислений (позже Шрёдингер покажет, что эти описания идентичны) и давал настолько точные результаты, что уже в 1933 году австрийский физик получил Нобелевскую премию по физике, а уравнения Шредингера для квантовой механики стали такими же важными, как законы Ньютона для механики классической.
Квантовый Леонардо
Шрёдингер был разносторонним человеком: он говорил на шести языках, занимался теорией цвета, писал стихи (в 1949 году даже опубликовал сборник) и любил философию — настолько, что одно время мечтал ради философии бросить занятия физикой.
Из этой затеи ничего не вышло: физика осталась с австрийцем на всю жизнь, но и здесь отразилось его непостоянство, волновые колебания интересов и любовей. Кроме квантовой теории Шрёдингер вложился во множество разных областей: он занимался вопросами общей теории относительности, гравитации, космологии, нежно любил статистическую физику. «Круг этих идей, — вспоминал Шрёдингер свою учебу в Венском университете, — стал для меня как бы первой любовью в науке, ничто другое меня так не захватывало и, пожалуй, уже никогда не захватит».
С такой коллекцией интересов он мечтал построить «теорию всего» — единую теорию поля, которая бы в одних уравнениях описывала все известные тогда физические взаимодействия и включала бы общую теорию относительности как частный случай.
Из этой затеи ничего не вышло: физика осталась с австрийцем на всю жизнь, но и здесь отразилось его непостоянство, волновые колебания интересов и любовей. Кроме квантовой теории Шрёдингер вложился во множество разных областей: он занимался вопросами общей теории относительности, гравитации, космологии, нежно любил статистическую физику. «Круг этих идей, — вспоминал Шрёдингер свою учебу в Венском университете, — стал для меня как бы первой любовью в науке, ничто другое меня так не захватывало и, пожалуй, уже никогда не захватит».
С такой коллекцией интересов он мечтал построить «теорию всего» — единую теорию поля, которая бы в одних уравнениях описывала все известные тогда физические взаимодействия и включала бы общую теорию относительности как частный случай.
 |
|
Форзац книги Шредингера «Что такое
жизнь с точки зрения физики». Изображение: Wikimedia Commons
|
Над этой идеей Шрёдингер работал в Дублине, но несколько лет труда не увенчались успехом. Что неудивительно — такая теория не создана до сих пор. Вместо этого Дублинский период Шрёдингера украсила одна небольшая, но очень важная для многих последующих ученых книжка почти научно-популярного содержания — «Что такое жизнь с точки зрения физики».
К тому времени у биологов было уже очень много информации о наследственности, но генетика находилось в зачаточном положении. Были строгие законы Менделя, которые описывали, как наследуются гены, а вместе с ними и фенотип. Были экспериментальные работы, показывавшие, что мутации в генах можно спровоцировать рентгеновским или гамма-излучением. Наконец, было понимание, что гены собраны в хромосомах — неких структурах в ядрах клеток, но что именно хранит наследственную информацию и составляет эти гены и как она передается от организма к организму, никто не знал.
Гены были для многих биологов такими априорными объектами, внутрь которых заглядывать казалось абсолютно бесполезным, — нечто вроде неделимых электронов для физиков. Шрёдингер очень заинтересовался этой областью, неуловимо похожей на квантовый мир (например, все та же дискретность: у гороха в экспериментах Менделя были только белые или пурпурные цветы и никаких промежуточных состояний) и обобщил все имеющиеся данные в своей книге, а потом сделал смелое предположение. Генетическая информация, по его мысли, должна была храниться в молекулярном апериодическом кристалле — некой материальной структуре, не подверженной тепловым флуктуациям (и поэтому способной передавать генетическую информацию из поколения в поколение), в которой одни и те же части повторяются в пространстве.
Да, формулировка достаточно пространная и неясная — почти на уровне той же волновой функции, и некоторые критики говорят, что уже тогда эта мысль была не нова. Но есть и другие голоса: Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, первооткрыватели структуры ДНК, вспоминают, что маленькая книга Шрёдингера стала для них важной отправной точкой. Волной из мира физики, сгустившейся в нечто совершенно новое — молекулярную биологию.
К тому времени у биологов было уже очень много информации о наследственности, но генетика находилось в зачаточном положении. Были строгие законы Менделя, которые описывали, как наследуются гены, а вместе с ними и фенотип. Были экспериментальные работы, показывавшие, что мутации в генах можно спровоцировать рентгеновским или гамма-излучением. Наконец, было понимание, что гены собраны в хромосомах — неких структурах в ядрах клеток, но что именно хранит наследственную информацию и составляет эти гены и как она передается от организма к организму, никто не знал.
Гены были для многих биологов такими априорными объектами, внутрь которых заглядывать казалось абсолютно бесполезным, — нечто вроде неделимых электронов для физиков. Шрёдингер очень заинтересовался этой областью, неуловимо похожей на квантовый мир (например, все та же дискретность: у гороха в экспериментах Менделя были только белые или пурпурные цветы и никаких промежуточных состояний) и обобщил все имеющиеся данные в своей книге, а потом сделал смелое предположение. Генетическая информация, по его мысли, должна была храниться в молекулярном апериодическом кристалле — некой материальной структуре, не подверженной тепловым флуктуациям (и поэтому способной передавать генетическую информацию из поколения в поколение), в которой одни и те же части повторяются в пространстве.
Да, формулировка достаточно пространная и неясная — почти на уровне той же волновой функции, и некоторые критики говорят, что уже тогда эта мысль была не нова. Но есть и другие голоса: Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, первооткрыватели структуры ДНК, вспоминают, что маленькая книга Шрёдингера стала для них важной отправной точкой. Волной из мира физики, сгустившейся в нечто совершенно новое — молекулярную биологию.
Михаил Петров