Текст книги "На волне Вселенной. Шрёдингер. Квантовые парадоксы"

Автор книги: Довид Ласерна

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 10 страниц)

Наука. Величайшие теории. Выпуск 5. На волне Вселенной.
Шрёдингер. Квантовые парадоксы

Наука. Величайшие теории Выпуск № 5, 2015 Еженедельное издание

ООО «Де Агостини», Россия

© David Blanco Laserna, 2012 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2012

© ООО “Де Агостини”, 2014-2015

ISSN 2409-0069

Наука. Величайшие теории: выпуск 5: На волне Вселенной. Шрёдингер. Квантовые парадоксы. / Пер. с франц. – М.: Де Агостини, 2015. – 168 с.

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.

Иллюстрации предоставлены:

Archives RBA: 116; Bibliotheque centrale de physique de Vienne: 47ag, 47ad, 47bg, 47bd, 55a, 55b, 75a, 75b, 107ag, 107ad; Getty Images: 107b; Universite de Monterrey: 25; Universite de Vienne: 21; akg/Science Photo Library.

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.

Глава 1
Свет и материя

В конце XIX века физика развивалась вокруг двух революционных теорий: механической и статической интерпретации термодинамики и электродинамики Максвелла. С помощью этих двух теорий ученые попытались решить новую задачу: объяснить связь между светом и материей.

Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шрёдингер родился 12 августа 1887 года в Вене. В эпоху Возрождения биографии обычно начинались с описания положения звезд в момент рождения, но в случае Шрёдингера нет нужды выискивать на небосклоне благоприятные знаки. Можно сказать, что сама наука склонилась над колыбелью мальчика. Дед Шрёдингера, Александр Бауэр, преподавал химию в университете, и только потеря глаза во время эксперимента положила конец его исследовательской деятельности. Однако наука стала причиной встречи будущих родителей ученого: его отец, Рудольф Шрёдингер, студент Александра в Высшей технической школе в Вене (ныне Технический университет), ухаживал за одной из его дочерей, Георгиной Бауэр. Пара поженится в 1886 году. Наверняка ни отец, ни дед Эрвина не могли и мечтать о том, что их отпрыск с помощью одного уравнения объяснит всю известную им химию.

Рудольф унаследовал небольшое семейное предприятие – фабрику по производству клеенки, что обеспечивало семье безбедное существование вплоть до поражения Австро-Венгрии в Первой мировой войне и последовавшего банкротства. Впрочем, это наследство таило в себе толику яда, потому что ради того, чтобы возглавить предприятие, Рудольф отказался от своих настоящих интересов – итальянской живописи, воеточной керамики и изучения филогенеза. Шрёдингер утверждал, что его родители стояли у истоков двух величайших страстей в его жизни – тяги к знаниям и к красоте, которую воплощал мир женщин:

«Для растущего сына [мой отец] был другом, учителем и неутомимым собеседником, третейским судьей по любому вопросу, достойному внимания [...]. Помимо этого, я думаю, что [своей матери] я обязан уважением к женщинам».

Его бабушка по материнской линии носила фамилию Рассел и имела англосаксонские корни. Минни, одна из теток Шрё– дингера, считала своим долгом сохранить британские гены даже на территории Австрии. Так, она учила племянника языку Шекспира, читая ему книги с библейскими историями, – и это еще до того, как он научился писать по-немецки. Не отставала от сестры и мать: Георгина установила особые дни, когда сын должен был разговаривать исключительно по-английски. Все эти знания очень пригодились Эрвину спустя несколько десятилетий, когда нацистская волна обрушилась на его родину.

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.