Довид Ласерна - На волне Вселенной. Шрёдингер. Квантовые парадоксы

• Название: На волне Вселенной. Шрёдингер. Квантовые парадоксы
• Автор: Довид Ласерна
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Научпоп
• Год: 2012
• ISBN: 2409-0069

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.

Прим. OCR: Врезки текста выделены жирным шрифтом. Символ "корень квадратный" заменен в тексте SQRT().

---

Хотя я был вынужден покинуть родную землю, но никогда не чувствовал себя чужаком в чужой стране.

Эрвин Шрёдингер

Благодаря академической карьере дед будущего ученого, Александр, входил в высшее венское общество и носил два важных титула: официально он был государственным советником (по-немецки этот титул звучит как «гофрат»), а неформально его считали настоящим светским львом; его благородные манеры вызывали восхищение. Александр приобрел пятиэтажное здание в одном из самых богатых районов города и жил там вплоть до своего отъезда из Вены в 1921 году, сдавая зятю в аренду верхний этаж. Эрвин, единственный ребенок в семье, вырос в оранжерейных условиях: у него было две личные комнаты с видом на внутренний двор, его окружали мать, тетушки Рода и Минни, а также целый батальон нянь и служанок.

Финансовое положение семьи позволило не отдавать Эрвина в обычную школу до 11 лет — вместо этого он занимался дома с учителем. Однако когда пришло время присоединиться к системе государственного образования, мальчик не испытал никаких трудностей, хотя был на год старше одноклассников. Осенью 1898 года он поступил в престижную Академическую гимназию, где получил хорошее гуманитарное образование и изучил древние языки. В более поздние годы Шрёдингер переводил Гомера с греческого на английский, а провансальских трубадуров — на немецкий. С первых месяцев обучения внимание одноклассников Эрвина привлекла его невероятная одаренность в области физики и математики. Один из его соучеников вспоминает:

«[...] его способность усваивать была такова, что, даже не работая дома, он понимал и применял на практике эти материалы сразу же, непосредственно в классе. Едва объяснив урок, господин Нейман, наш учитель, [...] мог вызвать Шрёдингера к доске и дать ему несколько упражнений, которые тот решал с обескураживающей легкостью. Для любого нормального ученика физика и математика были сущим кошмаром, но для него они стали любимыми предметами».

С раннего возраста Шрёдингер полюбил театр, а особенно — пьесы австрийского драматурга Франца Грильпарцера. Он хранил программки спектаклей, поля которых были исписаны впечатлениями от представления. Отец Эрвина хотя и не был убежден в правоте Дарвина, познакомил сына с эволюционной теорией — несмотря на то что ее преподавание в те годы было в школах запрещено. После того как мальчик проглотил тысячу или даже больше страниц «Происхождения видов», он объявил себя «приверженцем дарвинизма, разумеется».

В юности Шрёдингер проявил себя как настоящий Дон Жуан. Конечно, по числу побед он не мог угнаться за этим соблазнителем, но список покоренных женщин (а ученый вел его в течение всей своей жизни) по длине вполне может составить конкуренцию перечню его научных статей. Первой любовью Эрвина, о которой нам известно, была Лотта, сестра его лучшего друга по средней школе.

Осенью 1906 года Шрёдингер приступил к изучению физики в Венском университете, вновь привлекая внимание своими способностями. Другие студенты видели в нем «дух огня за работой, трудившийся с полной отдачей и разрушавший границы между отдельными областями, чтобы самостоятельно и по-новому поставить вопросы перед природой».

Больцман: Атом или жизнь

Людвиг Больцман (1844-1906) так же, как и Шрёдингер, увлекся естественными науками в раннем детстве и так же безгранично восхищался работой Чарльза Дарвина. Вот что он говорил об этом на одной из своих лекций в Берлинской академии наук в 1886 году: 

«Если вы спросите меня относительно моего убеждения, назовут ли нынешнюю эпоху железным веком или веком пара и электричества, я отвечу, не задумываясь, что она будет называться веком механического миропонимания природы — веком Дарвина».

Шрёдингер несколько расширил это определение, включив в него самого венского физика и сделав, таким образом, XIX век также веком Больцмана. Этот ученый стал одним из основателей статистической механики — науки, которая произвела революцию в термодинамике,— построив ее на предположении о том, что материя состоит из атомов. Кажущийся хаос, кишащий множеством молекул, проявляется мировым порядком, таким, каким мы его знаем, и подчиняется макроскопическим законам. Но самое главное, Больцман привнес в энтропию свою статистическую интерпретацию и заново сформулировал второй закон термодинамики, основываясь на механическом подходе. Уравнение, связывающее число возможных совместимых микроскопических конфигураций с макроскопическим состоянием, выгравировано на надгробии, которое установлено на могиле ученого в Вене.

Страсть к науке

Имя Больцмана связано с фундаментальными законами и константами, а также со многими другими понятиями, которые он разработал либо которые служили развитию квантовой механики. Больцман, рожденный в ночь с последнего дня Масленицы на первый день Великого поста, в шутку говорил, что в этом и состоит причина резких смен его настроения от чрезмерной радости до глубокой печали. Контраст между праздником в таверне на первом этаже и страданиями его матери во время родов навсегда сохранился в темпераменте ученого. Жизнь Больцмана также напоминает водоворот: в дополнение к колебаниям настроения от вершин эйфории до пучины отчаяния он постоянно менял место жительства и работы (Вена, Грац, проездом Хайдельберг и Берлин, возвращение в Вену, вновь Грац, некоторое время в Мюнхене, опять возвращение в Вену, Лейпциг и снова Вена — этот город он не уставал покидать). Всю свою жизнь Больцман вел яростные научные споры. Его позиции встречали сопротивление ведущих ученых, таких как Вильгельм Оствальд (нобелевский лауреат по химии) и Эрнст Мах, однако и сторонников у него хватало. Оппоненты Больцмана отрицали существование атомов — основу его теории, — считая, что это оставляет возможность для разного рода спекуляций и не может быть проверено экспериментально. Больцман чувствовал себя в ловушке — не столько из-за этого научного противостояния, сколько все же из-за психологических особенностей личности, и из-за этого впадал в отчаяние. В дополнение он часто страдал от мигреней и в конце концов потерял зрение — а вместе с ним и способность читать. Больцман уже совершал попытки самоубийства, но 5 сентября 1906 года довел начатое до конца: ученый повесился, пока его жена и дочь купались в заливе Триеста.

Лучшим другом Эрвина в университете был Франц Фриммель, студент-ботаник, с которым они исследовали самые глухие венские закоулки, до изнеможения рассуждая о смысле жизни, который исчезал, стоило повернуть за угол. Столица Австро-Венгерской империи в те годы была котлом, в котором бурлили самые разные страсти. Любители искусства могли здесь возмущаться обнаженными Климта и Шиле; меломаны — критиковать симфонии Малера или освистывать Шёнберга; а обычные граждане — требовать сноса кубистического дома Адольфа Лоза; и все они изгоняли своих демонов на кушетке Зигмунда Фрейда. Зажиточный класс с упоением отдавался богатой культурной жизни, блеск которой освещал и науку. В области физики наибольшее количество споров вызывал Людвиг Больцман. После выпускных экзаменов в гимназии Шрёдингер считал дни каникул, с нетерпением ожидая начала учебного года, чтобы попасть на занятия к Больцману. Он знал, что на его курсе философии зал был забит, зрители сидели даже на лестницах. Но встреча так и не состоялась: Больцман покончил с собой в начале сентября.

Ни один физик, включая Планка и Эйнштейна, не был наделен такой чувствительностью, как Больцман.

Эрвин Шрёдингер

Однако именно под духовным покровительством отца современной термодинамики Шрёдингер приобщился к физике. Больше всего в период обучения на юношу повлияли Фридрих Хазенёрль и Франц Экснер — бывшие ученики Больцмана, вынужденные волею судьбы распоряжаться его наследием. Это наследие коротко можно охарактеризовать так: «атомарные основы материи пронизывают физику своей статистической природой». Именно лекции Фридриха Хазенёрля, который заменил Больцмана на кафедре теоретической физики, укрепили растущий интерес Шрёдингера к этой науке.

Победа хаоса

Законы термодинамики устанавливались эмпирически, этот медленный и трудоемкий процесс занял весь XIX век. В это время были популярны опыты с шестернями, котлами и поршнями, а заголовки первых работ — такие как «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824) Сади Карно или «О движущей силе теплоты и о законах у которые можно отсюда получить для теории теплоты» (1850) Рудольфа Клаузиуса — подчеркивают царившее в те годы желание добиться от тепла максимальной промышленной эффективности. В эти годы инженеры регулярно публиковали свои теоретические размышления, патентуя открытия. Они не углублялись в три закона термодинамики, применявшиеся к системам гораздо более сложным, чем паровой двигатель, который служил инженерам источником вдохновения. Эта работа продемонстрировала, что можно анализировать очень сложные системы и формулировать законы, касающиеся их, не понимая внутренней структуры объекта. Для того чтобы изучать свойства воздушного или теплового потока, никто не прибегает к рентгенографии, позволяющей разглядеть эти явления во всех деталях.