Эрвин Шрёдингер

Эрвин Шрёдингер — австрийский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике 1933 года (совместно с Полем Дираком). Наиболее известен разработкой волнового уравнения (уравнения Шрёдингера), которое описывает изменение во времени состояния квантовых систем, а также мысленным экспериментом «Кот Шрёдингера», иллюстрирующим парадоксальность квантовой суперпозиции. Внёс также вклад в статистическую физику, термодинамику, теорию цвета и общую теорию относительности.

Биография

Ранние годы и образование

Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шрёдингер родился 12 августа 1887 года в Вене, в семье владельца фабрики по производству клеёнки и линолеума Рудольфа Шрёдингера и его жены Георгины Эмилии Бренды. Отец был химиком и ботаником-любителем, что с детства привило Эрвину интерес к естественным наукам. С 1898 по 1906 год учился в престижной венской Академической гимназии, где проявил способности к математике и физике.

В 1906 году поступил в Венский университет, где изучал физику под руководством Фридриха Хазенёрля и Франца-Серафина Экснера. В 1910 году защитил докторскую диссертацию по теме «О проводимости влажного воздуха на твёрдых изоляторах». После защиты работал ассистентом в Физическом институте Венского университета.

Начало научной карьеры

В 1914 году Шрёдингер получил право на чтение лекций (габилитацию) и начал преподавать в Венском университете. С началом Первой мировой войны был призван в армию, служил офицером в артиллерийских частях на юго-западном фронте. После войны вернулся к научной работе.

В 1920 году женился на Аннемари Бертель. В том же году переехал в Йену, где работал ассистентом у Макса Вина, затем в Штутгарте (профессор экстраординариус), Бреслау (современный Вроцлав) и, наконец, в 1921 году — в Цюрихском университете, где занял должность профессора теоретической физики. В Цюрихе он провёл шесть плодотворных лет, в течение которых были заложены основы его главных открытий.

Создание волновой механики

Поворотным моментом в карьере Шрёдингера стал 1925 год. Ознакомившись с работами Луи де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме, он предпринял попытку построить волновую теорию, описывающую движение частиц. В начале 1926 года в серии из четырёх статей, опубликованных в журнале Annalen der Physik, он сформулировал знаменитое волновое уравнение (теперь известное как уравнение Шрёдингера) и развил основы волновой механики.

В этих работах он показал, что квантовые состояния атома водорода можно описать как собственные значения волнового уравнения, что дало правильные значения энергетических уровней. Вскоре он доказал математическую эквивалентность своей волновой механики и матричной механики Вернера Гейзенберга, Макса Борна и Паскуаля Йордана, что объединило два подхода в единую квантовую механику.

Переезд в Берлин и Нобелевская премия

В 1927 году, после смерти Макса Планка, Шрёдингер был приглашён на пост профессора теоретической физики Берлинского университета имени Фридриха Вильгельма. Он стал преемником Планка и работал в тесном контакте с Альбертом Эйнштейном и Максом фон Лауэ. В 1933 году, после прихода к власти национал-социалистов, Шрёдингер, не разделявший идеи нацизма, принял решение покинуть Германию. Он переехал в Оксфорд, где получил стипендию в колледже Магдалины.

В том же 1933 году ему была присуждена Нобелевская премия по физике «за открытие новых продуктивных форм атомной теории» (совместно с Полем Дираком). В своей нобелевской лекции он подробно изложил основные идеи волновой механики.

Поздние годы

В 1936 году Шрёдингер вернулся в Австрию, в Грац, но после аншлюса Австрии нацистской Германией в 1938 году он был вынужден снова эмигрировать из-за политических преследований. Он переехал в Ирландию, где по приглашению премьер-министра Имона де Валера стал директором Школы теоретической физики в только что созданном Дублинском институте перспективных исследований. В Дублине он проработал до 1956 года, занимаясь исследованиями в области общей теории относительности, единой теории поля и статистической физики.

В 1944 году опубликовал книгу «Что такое жизнь? С точки зрения физика», в которой предпринял попытку объяснить наследственность и генетику с позиций квантовой физики. Эта книга оказала значительное влияние на молодых учёных, в том числе на Фрэнсиса Крика и Джеймса Уотсона, будущих открывателей структуры ДНК.

В 1956 году, после выхода на пенсию, Шрёдингер вернулся в Вену, где получил звание профессора Венского университета. Он скончался 4 января 1961 года в Вене от туберкулёза.

Научные достижения

Уравнение Шрёдингера

Основным вкладом Шрёдингера в физику является волновое уравнение, которое в нерелятивистской квантовой механике играет ту же роль, что второй закон Ньютона в классической механике. Уравнение имеет вид:

\[ i\hbar\frac{\partial}{\partial t}\Psi(\mathbf{r}, t) = \hat{H}\Psi(\mathbf{r}, t) \]

где \(\Psi\) — волновая функция, описывающая состояние квантовой системы, \(\hat{H}\) — оператор Гамильтона (энергии), \(\hbar\) — редуцированная постоянная Планка. Уравнение позволяет вычислить волновую функцию в любой момент времени, если она известна в начальный момент.

Кот Шрёдингера

В 1935 году в статье «Современное состояние квантовой механики» Шрёдингер предложил мысленный эксперимент, известный как «Кот Шрёдингера». Эксперимент иллюстрирует проблему интерпретации квантовой механики, в частности принцип суперпозиции. В ящик помещается кот, ампула с ядом и радиоактивный источник. Если атом распадается, ампула разбивается, и кот погибает; если не распадается — кот остаётся жив. Согласно квантовой механике, до открытия ящика атом находится в суперпозиции состояний «распался» и «не распался», а значит, и кот находится в суперпозиции «жив» и «мёртв». Шрёдингер использовал этот парадокс, чтобы показать, что копенгагенская интерпретация квантовой механики приводит к неинтуитивным выводам при переходе к макроскопическим объектам.

Другие работы

• Статистическая физика: В 1912 году разработал теорию теплоёмкости твёрдых тел, основанную на квантовании колебаний решётки (модель Эйнштейна — Шрёдингера). В 1940-х годах внёс вклад в теорию фазовых переходов.
• Теория цвета: В 1920 году опубликовал работу «Теория цветового зрения», в которой предложил математическую модель цветового восприятия, основанную на трёх типах колбочек в сетчатке глаза.
• Общая теория относительности: В 1950-х годах работал над созданием единой теории поля, пытаясь объединить гравитацию и электромагнетизм. Эти попытки не увенчались успехом, но стимулировали развитие альтернативных подходов.
• Философия науки: Шрёдингер был автором нескольких философских эссе, в которых обсуждал проблемы детерминизма, свободы воли и связи науки с восточной философией (индуизмом, буддизмом).

Личная жизнь и взгляды

Шрёдингер был известен своим независимым и неортодоксальным образом жизни. Он придерживался либеральных взглядов, был противником национализма и милитаризма. В 1930-х годах он открыто критиковал нацистский режим, что привело к его эмиграции. В личной жизни он имел сложные отношения с несколькими женщинами, что иногда вызывало скандалы в академической среде. Он увлекался философией, особенно работами Артура Шопенгауэра и древнеиндийскими текстами Упанишад.

Память

• Именем Шрёдингера названы кратер на Луне и астероид (13092) Шрёдингер.
• В 1987 году, к 100-летию со дня рождения, в Австрии была выпущена памятная монета достоинством 20 шиллингов.
• Уравнение Шрёдингера является одним из центральных уравнений современной физики, изучается во всех университетах мира.
• Мысленный эксперимент «Кот Шрёдингера» стал широко известен в популярной культуре, упоминается в литературе, кино и компьютерных играх.

Источники

• Moore, W. (1989). Schrödinger: Life and Thought. Cambridge University Press.
• Schrödinger, E. (1926). «Quantisierung als Eigenwertproblem» (Annalen der Physik, 79, 361–376).
• Schrödinger, E. (1935). «Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik» (Naturwissenschaften, 23, 807–812).
• Нобелевский комитет. Erwin Schrödinger – Biographical. NobelPrize.org.
• Физическая энциклопедия. Том 5. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998.