На волне Вселенной. Шрёдингер. Квантовые парадоксы

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.

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»[¹ Перевод 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.

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

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

1910 Получил 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.

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

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

1921 Назначен штатным преподавателем теоретической физики в Цюрихском университете.

1926 Сформулировал 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.

1927 Стал преемником Планка на кафедре теоретической физики в Берлинском университете.

1933 Оставил Германию из-за усиления влияния нацистов и начал работу исследователем-стипендиатом в в колледже святой Магдалины в Оксфорде. В ноябре этого же года узнал о присуждении ему Нобелевской премии по физике совместно с Полем Дираком.

1935 Опубликовал статью «Современное состояние квантовой механики», в которой представил парадокс кота и ввел термин «запутанность».

1936 Вернулся в Австрию, чтобы занять пост профессора в университете Граца.

1938 После аннексии Австрии Германией эмигрировал в Оксфорд.

1939 Переехал в Дублин. В следующем году начал работу в недавно созданном Дублинском институте высших исследований.

1944 Опубликовал одну из наиболее важных работ XX века в области популяризации науки — «Что такое жизнь?».

1956 Вернулся в Вену после почти 17 лет пребывания в Дублине.

1961 Умер в Вене в возрасте 73 лет. Это произошло 4 января.