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().

---

Шрёдингер об атмосфере толерантности, которая царила в Ирландии

Вот уже семь долгих лет Шрёдингер наслаждался спокойствием в Дублине: «То, что в 53 года иностранное правительство позволяет мне вновь почувствовать себя в полной безопасности, наполняет меня... вечной признательностью к этой стране». Корреспондент журнала Time так описал эту идиллию:

«Его манера говорить, пленительная и вдохновляющая, и его особая улыбка неотразимы. Жители Дублина гордятся тем, что живут рядом с лауреатом Нобелевской премии». Таким образом, Шрёдингер чувствовал себя в новом пристанище довольно уютно.

Ирландия была нейтральной страной, так что раскаты Второй мировой войны сюда почти не доносились. Шрёдингер пользовался заслуженным авторитетом в недавно открытом институте. Благодаря его способности привлекать к себе людей вскоре в Дублин на научные встречи стали приезжать Эддингтон, Дирак, Паули и Борн. Жители Дублина привыкли к тому, что ученый каждый день независимо от погоды — и в дождь, и в солнце — совершал по городу велосипедные прогулки. Его дом стал центром бурлящей общественной жизни.

Шрёдингер с удовольствием выступал на открытых конференциях, запланированных в Тринити-колледже. В феврале 1943 года он без подготовки показал три эксперимента, пояснявших его оригинальное видение, основанное на законах физики и материальных принципах. Интерес к конференциям превзошел все предположения, и от него ждали новых выступлений. Через год ученый объединил все свои доклады в сборнике под названием «Что такое жизнь?», в котором выдвинул ряд фундаментальных идей. Вообще деятельность Шрёдингера на стыке физики и биологии вызывала немалый интерес, тем более что ему удалось предвосхитить некоторые важные направления биологии. В это время уже существовало представление о том, что гены человека имеют вид больших молекул. Шрёдингер предположил, что молекула, несущая наследственную информацию, должна иметь структуру, характеризующуюся некоторой закономерностью, но без точных повторений — ученый назвал эту структуру апериодическим кристаллом. Повторяющиеся структуры в такой наследственной молекуле напоминают своего рода алфавит — код, который несет генетическую информацию. В целом термин «апериодический кристалл» вполне можно принять в качестве описания двойной спирали. Конфигурация молекулы включала не только сами инструкции для организма, программу жизни, но и способствовала исполнению этой программы: «Это одновременно и проект архитектора, и рабочие руки строителя».

Честь открытия структуры ДНК принадлежит Розалинде Франклин, Морису Уилкинсу, Джеймсу Уотсону и Фрэнсису Крику. Половина этих ученых были физиками, откликнувшимися на призыв биологов после прочтения книги Шрёдингера. Джеймс Уотсон планировал посвятить себя орнитологии, однако в его руки попал экземпляр сборника «Что такое жизнь?». «Мне понравилась идея, согласно которой жизнь могла продолжаться благодаря учебнику с инструкциями, записанными в виде секретного кода».

В Дублине Шрёдингер посвятил себя еще одной большой научной работе, связанной с объединением гравитации и электромагнетизма. Проект отнял восемь лет, с 1943 по 1951 год.

Отправной точкой была основная теория относительности Эйнштейна. Идея работы состояла в том, чтобы геометризовать электрические и магнитные поля, что было возможным с математической точки зрения. Однако все сформулированные в этой сфере теории либо не описывали природу, либо не соответствовали наблюдаемым феноменам. Эйнштейн начиная с 1920-х годов вел аналогичный поиск, так что они со Шрёдингером обсуждали свои достижения в активной переписке. Оба ученых в значительной степени отказались принимать во внимание 20-летний прогресс в ядерной физике, который привел к открытию новых фундаментальных взаимодействий, сильных и слабых.

В своем возрасте я уже отбросил всякую надежду на то, чтобы заложить новый краеугольный камень в здание науки.

Речь Шрёдингера о его намерении объединить гравитацию и электромагнетизм

Осторожность ученых, безусловно, была пропорциональна степени их упорства, но Шрёдингер, который приближался к 60-летию, грешил избытком уверенности. Он пригласил прессу и объявил о создании единой теории, в которой релятивизм Эйнштейна сводился к «простому частному случаю». Он осознавал, как высоки ставки: «Если я ошибся, то стану посмешищем». Эйнштейн был ошеломлен новостью. Когда редактор научной колонки New York Times спросил его мнение, он резко раскритиковал Шрёдингера. В их отношениях наступило внезапное охлаждение. Все их прежнее научное сотрудничество превратилось в дым и развеялось на ветру, как, впрочем, и их надежды на единую теорию. Эта цель оказалась не по силам не только Эйнштейну и Шрёдингеру, но и другим ученым, которые пришли им на смену, захваченные тем же желанием объединить все известные теории в одну. В результате этой ссоры

Шрёдингер решил осуществить свою давнюю мечту и посвятить больше времени двум своим еще юношеским увлечениям — философии и поэзии.

Шрёдингер не страдал от отсутствия источников поэтического вдохновения, так как, несмотря на возраст, его чувственный пыл не угас. Ученый снял квартиру в центре города для встреч — с актрисой и активистской Шейлой Мэй, а также неизвестной молодой ирландкой. Через положенное время у него родились еще две внебрачные дочери. Хильда решила, что пришло время вернуться в Инсбрук.

Шрёдингер провел под небом Дублина около 17 лет. Наконец, в 1956 году пришло время помириться с Австрией. Возвращение ученого сопровождалось всенародными торжествами. Ученому предоставили персональную должность профессора теоретической физики в Венском университете. Наконец-то он мог насладиться почетом и уважением на родине, но губительное время потихоньку делало свое дело. В легких ученого прослушивались хрипы, Шрёдингер страдал от одышки и аритмии, и обследование показало, что в его альвеолах затаился застарелый туберкулез, подхваченный после войны. Болезнь, усугубленная постоянным курением трубки, ждала, когда ученый постареет и уже не сможет сопротивляться.

На протяжении совместной жизни Эрвин и Аннемари повстречали на своем пути многих людей, но к ее концу оказалось, что главными действующими лицами друг для друга были они сами. Теперь, расставаясь даже ненадолго, супруги обменивались любовными письмами, которые были очень похожи на те, что они писали в молодости, в самом начале отношений. Шрёдингер — любитель парадоксов, авантюрист и консерватор, завершил карьеру Дон Жуана ухаживаниями за собственной женой.

В первую неделю января 1961 года его сердце и его легкие начали отказывать. Шрёдингер не хотел умирать в больнице. Он говорил: «Я родился в своем доме и там умру, даже если от этого моя жизнь будет короче». Его последние слова были обращены к супруге: «Аннемари, любовь моя, останься со мной, пока я не умру».

На краю реальности

Мы проделали долгий путь и за это время отвергли некоторые модели атома (представляющие собой Солнечную систему в миниатюре), чтобы заменить их более совершенными (электронные облака и орбитали). Нам осталось преодолеть последний этап. «Видя» электроны, которые занимали орбитали s, р или d, мы предполагаем, что знаем заранее, каково энергетическое состояние атома. Речь идет о мысленном построении, ведь в лаборатории перед началом опыта исследователь не знает, возбужден электрон или находится в своем фундаментальном состоянии.

Возьмем атом водорода с одиноким электроном. В его распоряжении находятся все орбитали, как если бы он был постояльцем отеля с бесконечным множеством свободных номеров. Волновая функция скажет нам о вероятности зафиксировать частицу в какой-то точке пространства, в фундаментальном состоянии и с минимальной энергией Е1; волновая функция ψ2 покажет вероятность найти его в состоянии энергии Е2 и так далее. Но прежде чем зафиксировать излучаемую им энергию и переход между уровнями, как мы узнаем, в какую энергетическую комнату он вернулся? Вероятность того, что он находится в какой-то точке (какой бы ни была его энергия), можно представить более сложной волновой функцией, получаемой при сложении функций, описывающих каждое отдельное состояние. С технической точки зрения сложение функций Ψа и Vb образует новую функцию, которая также является решением уравнения Шрёдингера. Как следствие, в случае с атомом водорода мы можем включить все состояния:

Ψ = a1Ψ1 + а2Ψ2 + а3Ψ3 + а4Ψ4 + а5Ψ5 + ... +аnΨn

Функция ψ, которую мы получили, нанизывая друг на друга решения для каждого конкретного уровня, является решением уравнения Шрёдингера, которое предполагает все энергетические состояния. Чему соответствует это сложение в физическом смысле? Это электрон перед измерением; в этот момент он характеризуется таким свойством, как наложение состояний (суперпозиция). По отношению к различным возможностям ψ всегда предпочитает соединительный союз «и» разъединительному союзу «или», таким образом, электрон одновременно находится во всех состояниях и ни в одном из них. Мы имеем дело с соединением в один момент времени всех возможных состояний. Шрёдингер говорил о функции ψ как о списке ожиданий. Функция показывает все возможные состояния и определяет, какова вероятность того, что при произведенном измерении каждое из них воплотится.