Ученый шредингер. Как мысленный эксперимент довел до телепортации и квантовой связи. Награды и членства

Об ученом-одиночке, о его коте, который на самом деле не кот, и об интересах богатых в конце XIX века рассказывает наш очередной выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».

Несколько дней назад физики из Китая и Австрии квантово-защищенной информацией при помощи запущенного в 2016 году спутника «Мо-Цзы». Из китайской обсерватории Синлун в австрийский Грац отправили закодированное изображение философа Мо-Цзы, в честь которого космический аппарат и получил свое название, а обратно передали фотографию Эрвина Шредингера, одного из основоположников квантовой механики. О нем и пойдет речь в новом выпуске рубрики «Как получить Нобелевку».

Шредингер в молодости

Wikimedia Commons

Эрвин Шредингер

Нобелевская премия по физике 1933 года (1/2 премии, совместно с Полем Дираком). Формулировка Нобелевского комитета: «За открытие новых продуктивных форм атомной теории» (for the discovery of new productive forms of atomic theory).

Наш герой родился в то время и в том обществе, когда богатым и образованным людям было модно увлекаться и заниматься наукой. Эрвин Шредингер был единственным сыном Рудольфа Шредингера, который представлял третье или четвертое поколение выходцев из Баварии (впрочем, сам Рудольф отрицал свое происхождение). В 1886 году Рудольф полюбил дочь своего учителя, профессора высшей технической школы в Вене, химика Александра Бауэра - Георгину Эмилию Бренду. Отец Шредингера, несмотря на то, что он был преуспевающим предпринимателем, владел фабрикой по производству клеенки и линолеума, всегда находил время для саморазвития и науки. Об этом говорит хотя бы то, что долгое время именно Шредингер-старший был главой Венского ботанико-зоологического общества, и отнюдь не «свадебным генералом»: он был автором нескольких статей по генетике растений.

Как писал сам будущий нобелевский лауреат, «моему отцу я обязан гораздо большим, чем только материальной обеспеченностью нашей жизни, я обязан ему своим прекрасным воспитанием и образованием, осуществляемым им с немалым тактом и талантом». А еще Шредингер-старший дал своему сыну пример постоянного оптимизма, что было тоже немаловажно.

О своем раннем образовании Эрвин написал в «Автобиографии»: «До 11 лет я брал частные уроки у школьного преподавателя. Затем - хорошая государственная гимназия с греческим языком и латынью. Количество часов, отведенных в расписании точным дисциплинам, в значительной мере уступало гуманитарным, но преподавание их было превосходным. Я был хорошим учеником по всем предметам, любил математику и физику, а также строгую логику старых грамматик, ненавидел только заучивание "знаменательных" исторических и биографических дат и событий. Я любил немецких поэтов, особенно драматургов, но не любил разбор их произведений в школьном классе».

Фриц Хазенерль

Wikimedia Commons

Дальше последовал Венский университет (1906-1910). В год поступления в университете произошли трагические события. Профессор теоретической физики и профессор натурфилософии Венского университета, основатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории Людвиг Больцман 5 сентября 1906 года повесился в гостиничном номере в итальянском Дуино. От депрессии не спасла победа над соперником Эрнстом Махом…

Кафедру отдали молодому Фрицу Хазенерлю, который оказал большое влияние на молодого Шредингера. Во-первых, он был блестящим лектором и читал огромный курс лекций: восемь семестров, пять часов в неделю. Кто знает, быть может, без этого курса и не было бы того Шредингера, которого мы знаем: будущий великий физик терпеть не мог учиться по книгам. А во-вторых, спустя десять лет после окончания университета именно Хазенерль внушил своему ученику мысль, что пришло его время сказать свое слово в теоретической физике.

Впрочем, сначала пришлось поработать руками. Еще во время университетской жизни он начал научную работу под руководством Франца Эхнера. Год службы в австрийской армии и четыре года работы ассистентом-практикантом Эхнера показали, что экспериментатор из Шредингера не очень. Может быть, поэтому, а может, из патриотизма, Шредингер отслужил всю Первую мировую на передовой артиллеристом (наверняка родители могли избавить его от фронта, но мысли об этом не возникло). Отслужил весь срок «без ранений и заболеваний и с немногими отличиями», фронт был спокойным.

Франц Эхнер

Wikimedia Commons

Кстати, забавный факт: Эрвин Шредингер мог стать звездой украинской физики. В 1918 году ему предложили занять кафедру Черновицкого университета. Шредингер предложение принял, но сразу же пришло известие о том, что Буковина вместе с Черновцами отходит к Румынии... А то бы мы имели первого украинского (по современной аффилиации) Нобелевского лауреата. А так пришлось ехать в Йену по приглашению двоюродного брата нобелевского лауреата Вильгельма Вина, Макса Вина. Впрочем, достаточно быстро Шредингер обосновался в Цюрихском университете, где он и создал главную свою тетралогию.

Во вступлении к своей Нобелевской лекции Шредингер очень четко сформулировал свое место в науке и свой путь: «В моих научных трудах, как и в жизни вообще, я не придерживался какой-то главной линии или программы, заданной на длительное время. Хотя, к сожалению, мне тяжело работать в каком-то коллективе, а также с учениками. Но все-таки моя работа не является совершенно изолированной, так как мои интересы всегда основывались на тех или иных возникших проблемах, которые интересовали и других ученых. Мое слово редко бывает первым, но часто вторым. Я побуждаюсь желанием способствовать уточнению, разумному смысловому развитию при выявлении возникших противоречий, которые служат только как привязки к дальнейшим разработкам». Именно так австриец и ворвался в создание квантовой механики.

Удивительное время было в начале 1920-х (недаром Поль Дирак назовет его необычайной эпохой): за два года помощник Макса Борна, вчерашний студент Вернер Гейзенберг и мало кому известный Эрвин Шредингер дважды заложили основы квантовой механики. Если Гейзенберг, однажды осененный на острове Гельголанд в Северном море, куда он сбежал от сенной лихорадки, изложил свои уравнения в матричной форме, то чуть позже Эрвин Шредингер изложил то же самое в формате волновых уравнений.

Еще одна интересная рифма истории: Вильгельм Вин, едва не поставивший крест на карьере Гейзенберга, горячо поддержал идеи Шредингера.

Нужно сказать, что работа над созданием квантовой механики у Шредингера началась не с Гейзенберга. Да, он сказал второе слово после немца, но вслед за другим великим физиком, Луи де Бройлем. В ноябре 1925 года он познакомился с его диссертацией, в которой говорилось о волновых свойствах вещества.

В первые шесть месяцев 1926 года редакция журнала Annalen der Physik получила четыре части знаменитой работы Шредингера «Квантование как задача о собственных значениях». Как потом признавался ученый, эти статьи, принесшие ему Нобелевскую премию (точнее, половину ее, вторую половину получил Поль Дирак, сделавший потрясающей глубины выводы из работ и Шредингера, и Гейзенберга), были наполовину написаны в один присест в Цюрихе.

27 января, 23 февраля, 10 мая и 21 июня 1926 года стали важнейшими датами в истории современной физики. Судя по всему, именно из-за того, что в своих первых знакомствах с теориями друг друга Гейзенберг и Шредингер восприняли работы конкурента не очень гладко, во всем Нобелевском выступлении Шредингера ни разу не упоминался Гейзенберг, уже получивший к тому времени Нобелевскую премию, только де Бройль.

Конечно, говоря о Шредингере, нельзя не вспомнить про его кота, тем более в нашей стране, где это животное стало названием успешного научно-популярного журнала. Мне часто приходится слышать, что именно за него великий австриец получил Нобелевскую премию. Увы, свой мысленный эксперимент Эрвин Шредингер поставил в ответ на другой знаменитый опыт - опыт Эйнштейна - Подольского - Розена. И был этот эксперимент отчасти даже троллингом и Гейзенберга, и современного состояния квантовой механики. Давайте прочитаем, как писал об этом эксперименте сам Шредингер:

Можно построить и случаи, в которых довольно бурлеска. Некий кот заперт в стальной камере вместе со следующей адской машиной (которая должна быть защищена от прямого вмешательства кота): внутри счетчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. Если на час предоставить всю эту систему самой себе, то можно сказать, что кот будет жив по истечении этого времени, коль скоро распада атома не произойдет. Первый же распад атома отравил бы кота. Пси-функция системы в целом будет выражать это, смешивая в себе или размазывая живого и мертвого кота (простите за выражение) в равных долях.

Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шредингер - австрийский физиктеоретик, лауреат Нобелевской премии по физике . Один из разработчиков квантовой механики и волновой теории материи. В 1945 г. Шредингер пишет книгу «Что такое жизнь с точки зрения физики?», оказавшую существенное влияние на развитие биофизики и молекулярной биологии. В этой книге внимательно рассмотрено несколько важнейших проблем. Основополагающим является вопрос: «Как могут физика и химия объяснить те явления в пространстве и времени, которые имеют место внутри живого организма?». Текст и рисунки восстановлены по книге, вышедшей в 1947 г. в издательстве Иностранной литературы.

Э. Шредингер. Что такое жизнь с точки зрения физики? – М.: РИМИС, 2009. – 176 с.

Скачать краткий конспект в формате или

Глава I. Подход классического физика к предмету

Наиболее существенная часть живой клетки - хромосомная нить - может быть названа апериодическим кристаллом. В физике мы до сих пор имели дело только с периодическими кристаллами. Поэтому не очень удивительно, что химик-органик уже сделал большой и важный взнос в разрешение проблемы жизни, в то время как физик не внес почти ничего.

Почему атомы так малы? Было предложено много примеров, чтобы уяснить этот факт широкой публике, но не было ни одного более выразительного примера, чем тот, который привел когда-то лорд Кельвин: предположите, что вы можете поставить метки на все молекулы в стакане воды; после этого вы выльете содержимое стакана в океан и тщательно перемешаете океан так, чтобы распределить отмеченные молекулы равномерно во всех морях мира; если вы далее возьмете стакан воды где угодно, в любом месте океана, - вы найдете в этом стакане около сотни ваших отмеченных молекул.

Все наши органы чувств, составленные из неисчислимых атомов, оказываются слишком грубыми, чтобы воспринимать удары отдельного атома. Мы не можем ни видеть, ни слышать, ни чувствовать отдельных атомов. Обязательно ли должно быть так? Если бы дело обстояло не так, если бы человеческий организм был столь чувствителен, что несколько атомов или даже отдельный атом мог бы произвести заметное впечатление на наши органы чувств, на что была бы похожа жизнь!

Имеется только одна и единственная вещь, представляющая особый интерес для нас в нас самих, - это то, что мы можем чувствовать, думать и понимать. В отношении тех физиологических процессов, которые ответственны за наши мысли и чувства, все другие процессы в организме играют вспомогательную роль, по крайней мере, с человеческой точки зрения.

Все атомы все время проделывают совершенно беспорядочные тепловые движения. Только в соединении огромного количества атомов статистические законы начинают действовать и контролировать поведение этих объединений с точностью, возрастающей с увеличением числа атомов, вовлеченных в процесс. Именно этим путем события приобретают действительно закономерные черты. Точность физических законов основана на большом количестве участвующих атомов.

Степень неточности, которую надо ожидать в любом физическом законе – . Если некоторый газ при определенном давлении и температуре имеет определенную же плотность, то я могу сказать, что внутри какого-то объема имеется n молекул газа. Если в какой-то момент времени вы сможете проверить мое утверждение, то вы найдете его неточным, и отклонение будет порядка . Следовательно, если n = 100, вы нашли бы отклонение равным приблизительно 10. Таким образом, относительная ошибка здесь равна 10%. Но если n = 1 миллиону, вы бы, вероятно, нашли отклонение равным примерно 1000, и таким образом относительная ошибка равняется 0,1%.

Организм должен иметь сравнительно массивную структуру для того, чтобы наслаждаться благоденствием вполне точных законов как в своей внутренней жизни, так и при взаимодействии с внешним миром. Иначе количество участвующих частиц было бы слишком мало и «закон» слишком неточен.

Глава II. Механизм наследственности

Выше мы пришли к заключению, что организмы со всеми протекающими в них биологическими процессами должны иметь весьма «многоатомную» структуру, и для них необходимо, чтобы случайные «одноатомные» явления не играли в них слишком большой роли. Теперь мы знаем, что такая точка зрения не всегда верна.

Разрешите мне воспользоваться словом «план» (pattern) организма, обозначая этим не только структуру и функционирование организма во взрослом состоянии или на любой другой определенной стадии, но организм в его онтогенетическом развитии, от оплодотворенной яйцеклетки до стадии зрелости, когда он начинает размножаться. Теперь известно, что весь этот целостный план в четырех измерениях (пространство + время) определяется структурой всего одной клетки, а именно - оплодотворенного яйца. Более того, ее ядром, а еще точнее – парой хромосом: один набор приходит от матери (яйцевая клетка) и один - от отца (оплодотворяющий сперматозоид). Каждый полный набор хромосом содержит весь шифр, хранящийся в оплодотворенной яйцеклетке, которая представляет самую раннюю стадию будущего индивидуума.

Но термин шифровальный код, конечно, слишком узок. Хромосомные структуры служат в то же время и инструментом, осуществляющим развитие, которое они же предвещают. Они являются и кодексом законов и исполнительной властью или, употребляя другое сравнение, они являются и планом архитектора и силами строителя в одно и то же время.

Как хромосомы ведут себя в онтогенезе? Рост организма осуществляется последовательными клеточными делениями. Такое клеточное деление называется митозом. В среднем достаточно 50 или 60 последовательных делений, чтобы произвести количество клеток, имеющихся у взрослого человека.

Как ведут себя хромосомы в митозе? Они удваиваются, удваиваются оба набора, обе копии шифра. Каждая, даже наименее важная отдельная клетка обязательно обладает полной (двойной) копией шифровального кода. Существует единственное исключение из этого правила – редукционное деление или мейоз (рис. 1; автор немного упростил описание, чтобы сделать его более доступным).

Один набор хромосом происходит от отца, один - от матери. Ни случайность, ни судьба не могут помешать этому. Но когда вы проследите происхождение вашей наследственности вплоть до ваших дедов и бабок, то дело оказывается иным. Например, набор хромосом, пришедших ко мне от отца, в частности хромосома № 5. Это будет точная копия или того № 5, который мой отец получил от своего отца, или того № 5, который он получил от своей матери. Исход дела был решен (с вероятностью 50:50 шансов). Точно та же история могла бы быть повторена относительно хромосом № 1, 2, 3… 24 моего отцовского набора и относительно каждой из моих материнских хромосом.

Но роль случайности в смешении дедушкиной и бабушкиной наследственности у потомков еще больше, чем это могло показаться из предыдущего описания, в котором молчаливо предполагалось или даже прямо утверждалось, что определенные хромосомы пришли как целое или от бабушки, или от дедушки; другими словами, что единичные хромосомы пришли неразделенными. В действительности это не так или не всегда так. Перед тем как разойтись в редукционном делении, скажем в том, которое происходило в отцовском теле, каждые две «гомологичные» хромосомы приходят в тесный контакт одна с другой и иногда обмениваются друг с другом значительными своими частями (рис. 2). Явление кроссинговера, будучи не слишком редким, но и не слишком частым, обеспечивает нас ценнейшей информацией о расположении свойств в хромосомах.

Рис. 2. Кроссинговер. Слева - две гомологичные хромосомы в контакте; справа - после обмена и разделения.

Максимальный размер гена. Ген – материальный носитель определенной наследственной особенности – равен кубу со стороной в 300 . 300 - это только около 100 или 150 атомных расстояний, так что ген содержит не более миллиона или нескольких миллионов атомов. Согласно статистической физике такое число слишком мало (с точки зрения ), чтобы обусловить упорядоченное и закономерное поведение.

Глава III. Мутации

Мы теперь определенно знаем, что Дарвин ошибался, когда считал, что материалом, на основе которого действует естественный отбор, служат малые, непрерывные, случайные изменения, обязательно встречающиеся даже в наиболее однородной популяции. Потому что было доказано, что эти изменения не наследственны. Если вы возьмете урожай чистосортного ячменя и измерите у каждого колоса длину остей, а затем вычертите результат вашей статистики, вы получите колоколообразную кривую (рис. 3). На этом рисунке количество колосьев с определенной длиной остей отложено против соответствующей длины остей. Другими словами, преобладает известная средняя длина остей, а отклонения в том и другом направлении встречаются с определенными частотами. Теперь выберите группу колосьев, обозначенную черным, с остями, заметно превосходящими среднюю длину, но группу достаточно многочисленную, чтобы при посеве в поле она дала новый урожай. Проделывая подобный статистический опыт, Дарвин ожидал бы, что для нового урожая кривая сдвинется вправо. Другими словами, он ожидал бы, что отбор произведет увеличение средней величины остей. Однако на деле этого не случится.

Рис. 3. Статистика длины остей в чистосортном ячмене. Черная группа должна быть отобрана для посева

Отбор не дает результата, потому что малые, непрерывные различия не наследуются. Они, очевидно, не обусловлены строением наследственного вещества, они случайны. Голландец Хуго де-Фриз открыл, что в потомстве даже совершенно чистосортных линий появляется очень небольшое число особей - скажем, две или три на десятки тысяч – с малыми, но «скачкообразными» изменениями. Выражение «скачкообразные» означает здесь не то, что изменения очень значительны, а только факт прерывистости, так как между неизмененными особями и немногими измененными нет промежуточных форм. Де-Фриз назвал это мутацией . Существенной чертой тут является именно прерывистость. Физику она напоминает квантовую теорию - там тоже не наблюдается промежуточных ступеней между двумя соседними энергетическими уровнями.

Мутации наследуются так же хорошо, как первоначальные неизмененные признаки. Мутация определенно является изменением в наследственном багаже и должна обусловливаться каким-то изменением наследственной субстанции. В силу их свойства действительно передаваться потомкам, мутации служат также подходящим материалом и для естественного отбора, который может работать над ними и производить виды, как это описано Дарвином, элиминируя неприспособленных и сохраняя наиболее приспособленных.

Определенная мутация вызывается изменением в определенной области одной из хромосом. Мы твердо знаем, что это изменение происходит только в одной хромосоме и не возникает одновременно в соответствующем «локусе» гомологичной хромосомы (рис. 4). У мутантной особи две «копии шифровального кода» больше уже не одинаковы; они представляют два различных «толкования» или две «версии».

Рис. 4. Гетерозиготный мутант. Крестом отмечен мутировавший ген

Версия, которой следует особь, называется доминантной, противоположная - рецессивной; другими словами, мутация называется доминантной или рецессивной в зависимости от того, проявляет ли она свой эффект сразу или нет. Рецессивные мутации даже более часты, чем доминантные, и бывают весьма важными, хотя они не сразу обнаруживаются. Чтобы изменить свойства организма, они должны присутствовать в обеих хромосомах (рис. 5).

Рис. 5. Гомозиготный мутант, полученный в одной четверти потомства при самооплодотворении гетерозиготных мутантов (см. рис. 4) или при скрещивании их между собой

Версия шифровального кода - будь она первоначальной или мутантной, - принято обозначать термином аллель . Когда версии различны, как это показано на рис. 4, особь называется гетерозиготной в отношении этого локуса. Когда они одинаковы, как, например, в немутировавших особях или в случае, изображенном на рис. 5, они называются гомозиготными. Таким образом, рецессивные аллели влияют на признаки только в гомозиготном состоянии, тогда как доминантные аллели производят один и тот же признак как в гомозиготном, так и в гетерозиготном состоянии.

Особи могут быть совершенно подобны по внешности и, однако, различаться наследственно. Генетик говорит, что у особей один и тот же фенотип, но различный генотип. Содержание предыдущих параграфов может быть, таким образом, суммировано в кратком, но высоко техническом выражении: рецессивная аллель влияет на фенотип, только когда генотип гомозиготен.

Процент мутаций в потомстве - так называемый темп мутирования - можно увеличить во много раз по сравнению с естественным мутационным темпом, если освещать родителей х -лучами или γ -лучами. Мутации, вызванные таким путем, ничем (за исключением большей частоты) не отличаются от возникающих самопроизвольно.

Глава IV. Данные квантовой механики

В свете современного знания механизм наследственности тесно связан с основой квантовой теории. Величайшим открытием квантовой теории были черты дискретности. Первый случай этого рода касался энергии. Тело большого масштаба изменяет свою энергию непрерывно. Например, начавший качаться маятник постепенно замедляется вследствие сопротивления воздуха. Хотя это довольно странно, но приходится принять, что система, имеющая размер атомного порядка, ведет себя иначе. Малая система по самому своему существу может находиться в состояниях, отличающихся только дискретными количествами энергии, называемыми ее специфическими энергетическими уровнями. Переход от одного состояния к другому представляет собой несколько таинственное явление, обычно называемое «квантовым скачком».

Среди прерывистой серии состояний системы атомов необязательно, но все же может существовать наиболее низкий уровень, предполагающий тесное сближение ядер друг с другом. Атомы в таком состоянии образуют молекулу. Молекула будет иметь известную устойчивость; конфигурация ее не может изменяться, по крайней мере до тех пор, пока она не будет снабжена извне разностью энергий, необходимой, чтобы «поднять» молекулу на ближайший, более высокий уровень. Таким образом, эта разница уровней, представляющая собой совершенно определенную величину, характеризует количественно степень устойчивости молекулы.

При всякой температуре (выше абсолютного нуля) имеется определенная, большая или меньшая, вероятность подъема на новый уровень, причем эта вероятность, конечно, увеличивается с повышением температуры. Наилучший способ выразить эту вероятность - это указать среднее время, которое следует выждать, пока не произойдет подъем, то есть указать «время ожидания». Время ожидания зависит от отношения двух энергий: энергетической разности, какая необходима для подъема (W), и интенсивности теплового движения при данной температуре (обозначим через Т абсолютную температуру и через kТ эту характеристику; k – постоянная Больцмана ; 3/2kT представляет собой среднюю кинетическую энергию атома газа при температуре Т).

Удивительно, насколько сильно время ожидания зависит от сравнительно малых изменений отношения W:kT. Например, для W, которое в 30 раз больше, чем kТ, время ожидания будет всего 1/10 секунды, но оно повышается до 16 месяцев, когда W в 50 раз больше kТ, и до 30 000 лет, когда W в 60 раз больше kТ.

Причина чувствительности в том, что время ожидания, назовем его t, зависит от отношения W:kТ как степенная функция, то есть

τ - некоторая малая константа порядка 10 –13 или 10 –14 секунды. Этот множитель имеет физический смысл. Его величина соответствует порядку периода колебаний, все время происходящих в системе. Вы могли бы, вообще говоря, сказать: этот множитель обозначает, что вероятность накопления требуемой величины W, хотя и очень мала, повторяется снова и снова «при каждой вибрации», т.е. около 10 13 или 10 14 раз в течение каждой секунды.

Степенная функция не случайная особенность. Она снова и снова повторяется в статистической теории тепла, образуя как бы ее спинной хребет. Это - мера невероятности того, что количество энергии, равное W, может случайно собраться в некоторой определенной части системы, и именно эта невероятность возрастает так сильно, когда требуется многократное превышение средней энергии kТ для того, чтобы преодолеть порог W.

Предлагая эти соображения как теорию устойчивости молекул, мы молчаливо приняли, что квантовый скачок, называемый нами «подъемом», ведет если не к полной дезинтеграции, то, по крайней мере, к существенно иной конфигурации тех же самых атомов - к изомерной молекуле, как сказал бы химик, то есть к молекуле, состоящей из тех же самых атомов, но в другом расположении (в приложении к биологии это может представлять новую «аллель» того же самого «локуса», а квантовый скачок будет соответствовать мутации).

Химику известно, что одна и та же группа атомов при образовании молекул может объединиться более чем одним способом. Такие молекулы называются изомерными, т.е., состоящими из тех же частей (рис. 6).

Замечателен тот факт, что обе молекулы весьма устойчивы, - обе ведут себя так, как если бы они были «нижним уровнем». Самопроизвольных переходов от одного состояния к другому не бывает. В применении к биологии нас будут интересовать переходы только такого «изомерного» типа, когда энергия, необходимая для перехода (величина, обозначаемая W), в действительности является не разностью уровней, а ступенькой от исходного уровня до порога (см. стрелки на рис. 7). Переходы без порога между исходным и конечным состояниями совершенно не представляют интереса, и не только применительно к биологии. Они действительно ничего не меняют в химической устойчивости молекул. Почему? Они не дают продолжительного эффекта и остаются незамеченными. Ибо когда они происходят, то за ними почти немедленно следует возвращение в исходное состояние, поскольку ничто не препятствует такому возвращению.

Рис. 7. Энергетический порог 3 между изомерными уровнями 1 и 2. Стрелки указывают минимум энергии, требующейся для перехода.

Глава V. Обсуждение и проверка модели Дельбрюка

Мы примем, что по своей структуре ген является гигантской молекулой, которая способна только к прерывистым изменениям, сводящимся к перестановке атомов с образованием изомерной молекулы (для удобства я продолжаю называть это изомерным переходом, хотя было бы нелепостью исключать возможность какого-либо обмена с окружающей средой). Энергетические пороги, отделяющие данную конфигурацию от любых возможных изомерных, должны быть достаточно высоки (сравнительно со средней тепловой энергией атома), чтобы сделать переходы редкими событиями. Эти редкие события мы будем отождествлять со спонтанными мутациями.

Часто спрашивали, как такая крошечная частичка вещества - ядро оплодотворенного яйца - может вместить сложный шифровальный код, включающий в себя все будущее развитие организма? Хорошо упорядоченное объединение атомов, наделенное достаточной устойчивостью для длительного сохранения своей упорядоченности, представляется единственно мыслимой материальной структурой, в которой разнообразие возможных («изомерных») комбинаций достаточно велико, чтобы заключать в себе сложную систему «детерминаций» в пределах минимального пространства.

Глава VI. Упорядоченность, неупорядоченность и энтропия

Из общей картины наследственного вещества, нарисованной в модели Дельбрюка, следует, что живая материя, хотя и не избегает действия «законов физики», установленных к настоящему времени, по-видимому, заключает в себе до сих пор неизвестные «другие законы физики». Попробуем разобраться с этим. В первой главе было объяснено, что законы физики, как мы их знаем, это статистические законы. Они связаны с естественной тенденцией вещей переходить к неупорядоченности.

Но для того, чтобы примирить высокую устойчивость носителей наследственности с их малыми размерами и обойти тенденцию к неупорядоченности, нам пришлось «изобрести молекулу», необычно большую молекулу, которая должна быть шедевром высоко дифференцированной упорядоченности, охраняемой волшебной палочкой квантовой теории. Законы случайности не обесцениваются этим «изобретением», но изменяется их проявление. Жизнь представляет собой упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но частично и на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время.

Что является характерной чертой жизни? Когда мы говорим про кусок материи, что он живой? Когда он продолжает «делать что-либо», двигаться, обмениваться веществами с окружающей средой и т.д., - и все это в течение более долгого времени, чем по нашим ожиданиям мог бы делать неодушевленный кусок материи при подобных же условиях. Если неживую систему изолировать или поместить в однородные условия, всякое движение, обычно, очень скоро прекращается в результате различного рода трений; разности электрических или химических потенциалов выравниваются, вещества, которые имеют тенденцию образовывать химические соединения, образуют их, температура становится однообразной благодаря теплопроводности. После этого система в целом угасает, превращается в мертвую инертную массу материи. Достигнуто неизменное состояние, в котором не возникает никаких заметных событий. Физик называет это состоянием термодинамического равновесия или «максимальной энтропии».

Именно в силу того, что организм избегает бы строго перехода в инертное состояние «равновесия», он и кажется столь загадочным: настолько загадочным, что с древнейших времен человеческая мысль допускала, будто в организме действует какая-то специальная, не физическая, сверхъестественная сила.

Как же живой организм избегает перехода к равновесию? Ответ прост: благодаря еде, питью, дыханию и (в случае растений) ассимиляции. Это выражается специальным термином-метаболизм (от греческого – перемена или обмен). Обмен чего? Первоначально, без сомнения, подразумевался обмен веществ. Но представляется нелепостью, чтобы существенным был именно обмен веществ. Любой атом азота, кислорода, серы и т.д. так же хорош, как любой другой того же рода. Что могло бы быть достигнуто их обменом? Что же тогда составляет то драгоценное нечто, содержащееся в нашей пище, что предохраняет нас от смерти?

Каждый процесс, явление, событие, все, что происходит в природе, означает увеличение энтропии в той части мира, где это происходит. Так и живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию - или, говоря иначе, производит положительную энтропию и таким образом приближается к опасному состоянию максимальной энтропии, которое представляет собою смерть. Он может избегнуть этого состояния, то есть оставаться живым, только путем постоянного извлечения из окружающей его среды отрицательной энтропии. Отрицательная энтропия - вот то, чем организм питается. Или, чтобы выразить это менее парадоксально, существенно в метаболизме то, что организму удается освобождать себя от всей той энтропии, которую он вынужден производить, пока он жив.

Что такое энтропия? Это не туманное представление или идея, а измеримая физическая величина. При абсолютном нуле температуры (около –273°С) энтропия любого вещества равна нулю. Если вы переводите вещество в любое другое состояние, то энтропия возрастает на величину, вычисляемую путем деления каждой малой порции тепла, затрачиваемой во время этой процедуры, на абсолютную температуру, при которой это тепло затрачено. Например, когда вы расплавляете твердое тело, то энтропия возрастает на величину теплоты плавления, деленной на температуру при точке плавления. Вы видите из этого, что единица, которой измеряется энтропия, есть кал/°С. Гораздо более важна для нас связь энтропии со статистической концепцией упорядоченности и неупорядоченности, связь, открытая исследованиями Больцмана и Гиббса по статистической физике. Она также является точной количественной связью и выражается

энтропия = k log D

где k - постоянна Больцмана и D - количественная мера атомной неупорядоченности в рассматриваемом теле.

Если D есть мера неупорядоченности, то обратная величина 1/D может рассматриваться как мера упорядоченности. Поскольку логарифм 1/D есть то же, что отрицательный логарифм D, мы можем написать уравнение Больцмана таким образом:

– (энтропия) = k log (1/D)

Теперь неуклюжее выражение «отрицательная энтропия» может быть заменено лучшим: энтропия, взятая с отрицательным знаком, есть сама по себе мера упорядоченности. Cредство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (= достаточно низкому уровню энтропии), в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды (для растений собственным мощным источником «отрицательной энтропии» служит, конечно, солнечный свет).

Глава VIII. Основана ли жизнь на законах физики?

Все известное нам о структуре живого вещества заставляет ожидать, что деятельность живого вещества нельзя свести к обычным законам физики. И не потому, что имеется какая-нибудь «новая сила» или что-либо еще, управляющее поведением отдельных атомов внутри живого организма, но потому, что его структура отличается от всего изученного нами до сих пор.

Физикой управляют статистические законы. В биологии мы встречаемся с совершенно иным положением. Единичная группа атомов, существующая только в одном экземпляре, производит закономерные явления, чудесно настроенные одно в отношении другого и в отношении внешней среды, согласно чрезвычайно тонким законам.

Мы здесь встречаемся с явлениями, регулярное и закономерное развертывание которых определяется «механизмом», полностью отличающимся от «механизма вероятности» физики. В каждой клетке руководящее начало заключено в единичной атомной ассоциации, существующей только в одной копии, и оно направляет события, служащие образцом упорядоченности. Подобное не наблюдается нигде за исключением живого вещества. Физик и химик, исследуя неодушевленную материю, никогда не встречали феноменов, которые им приходилось бы интерпретировать подобным образом. Такой случай еще не возникал, и поэтому теория не покрывает его – наша прекрасная статистическая теория.

Упорядоченность, наблюдаемая в развертывании жизненного процесса, возникает из иного источника. Оказывается, есть два различных «механизма», которые могут производить упорядоченные явления: «статистический механизм», создающий «порядок из беспорядка», и новый механизм, производящий «порядок из порядка».

Для объяснения этого мы должны пойти несколько дальше и ввести уточнение, чтобы не сказать улучшение, в наше прежнее утверждение, что все физические законы основаны на статистике. Это утверждение, повторявшееся снова и снова, не могло не привести к противоречию. Ибо действительно имеются явления, отличительные черты которых явно основаны на принципе «порядок из порядка» и ничего, кажется, не имеют общего со статистикой или молекулярной неупорядоченностью.

Когда же физическая система обнаруживает «динамический закон» или «черты часового механизма»? Квантовая теория дает на этот вопрос краткий ответ, а именно - при абсолютном нуле температуры. При приближении к температуре нуль молекулярная неупорядоченность перестает влиять на физические явления. Это - знаменитая «тепловая теорема» Вальтера Нернста , которой иногда, и не без основания, присваивают громкое название «Третьего Закона Термодинамики» (первый - это принцип сохранения энергии, второй - принцип энтропии). Не следует думать, что это должна быть всегда очень низкая температура. Даже при комнатной температуре энтропия играет удивительно незначительную роль во многих химических реакциях.

Для маятниковых часов комнатная температура практически эквивалентна нулю. Это - причина того, что они работают «динамически». Часы способны функционировать «динамически», так как они построены из твердых тел, чтобы избежать нарушающего действия теплового движения при обычной температуре.

Теперь, я думаю, надо немного слов, чтобы сформулировать сходство между часовым механизмом и организмом. Оно просто и исключительно сводится к тому, что последний также построен вокруг твердого тела - апериодического кристалла, образующего наследственное вещество, не подверженное в основном воздействию беспорядочного теплового движения.

Эпилог. О детерминизме и свободе воли

Из того, что было изложено выше, ясно, что протекающие в теле живого существа пространственно-временные процессы, которые соответствуют его мышлению, самосознанию или любой другой деятельности, если не вполне строго детерминированы, то во всяком случае статистически детерминированы. Это неприятное чувство возникает потому, что принято думать, будто такое представление находится в противоречии со свободой воли, существование которой подтверждается прямым самонаблюдением. Поэтому посмотрим, не сможем ли мы получить правильное и непротиворечивое заключение, исходя из следующих двух предпосылок:

Мое тело функционирует как чистый механизм, подчиняясь всеобщим законам природы.
Однако из неопровержимого, непосредственного опыта я знаю, что я управляю действиями своего тела и предвижу результаты этих действий. Эти результаты могут иметь огромное значение в определении моей судьбы, и в таком случае я чувствую и сознательно беру на себя полную ответственность за свои действия.

Автор здесь выражается неточно, говоря о расположении в хромосоме «свойств» или «признаков». Как он сам далее указывает, в хромосоме расположены не сами свойства, а лишь определенные материальные структуры (гены), различия в которых приводят к видоизменениям определенных свойств всего организма в целом. Это надо постоянно иметь в виду, ибо Шредингер все время пользуется кратким выражением «свойства». - Прим. пер.

Я не вполне понял этот пассаж Шредингера. Замечу, что в послесловии, написанном переводчиком в 1947 г., философия Шредингера подвергается критике с позиций марксизма-ленинизма… 🙂 Прим. Багузина

Его первым учителем был отец, о котором впоследствии Ш. отзывался как о «друге, учителе и не ведающем усталости собеседнике». В 1898 г. Ш. поступил в Академическую гимназию, где был первым учеником по греческому языку, латыни, классической литературе, математике и физике. В гимназические годы у Ш. возникла любовь к театру.

В 1906 г. он поступил в Венский университет и на следующий год начал посещать лекции по физике Фридриха Газенерля. чьи блестящие идеи произвели на Эрвина глубокое впечатление. Защитив в 1910 г. докторскую диссертацию, Ш. становится ассистентом физика-экспериментатора Франца Экснера во 2-м физическом институте при Венском университете. В этой должности он пребывал вплоть до начала первой мировой войны. В 1913 г. Ш. и К.В. Ф. Кольрауш получают премию Хайтингера Императорской академии наук за экспериментальные исследования радия.

Во время войны Ш. служил офицером-артиллеристом в захолустном гарнизоне, расположенном в горах, вдали от линии фронта. Продуктивно используя свободное время, он изучал общую теорию относительности Альберта Эйнштейна. По окончании войны он возвращается во 2-й физический институт в Вене, где продолжает свои исследования по общей теории относительности, статистической механике (занимающейся изучением систем, состоящих из очень большого числа взаимодействующих объектов, например молекул газа) и дифракции рентгеновского излучения. Тогда же Ш. проводит обширные экспериментальные и теоретические исследования по теории цвета и восприятию цвета.

В 1920 г. Ш. отправился в Германию, где стал ассистентом Макса Вина в Иенском университете, но через четыре месяца становится адъюнкт-профессором Штутгартского технического университета. Через один семестр он покидает Штутгарт и на короткое время занимает пост профессора в Бреслау (ныне Вроцлав, Польша). Затем Ш. переезжает в Швейцарию и становится там полным профессором, а также преемником Эйнштейна и Макса фон Лауэ на кафедре физики Цюрихского университета. В Цюрихе, где Ш. остается с 1921 по 1927 г., он занимается в основном термодинамикой и статистической механикой и их применением для объяснения природы газов и твердых тел. Интересуясь широким кругом физических проблем, он следит и за успехами квантовой теории, но не сосредоточивает свое внимание на этой области вплоть до 1925 г., когда появился благоприятный отзыв Эйнштейна по поводу волновой теории материи Луи де Бройля.

Квантовая теория родилась в 1900 г., когда Макс Планк предложил теоретический вывод о соотношении между температурой тела и испускаемым этим телом излучением, вывод, который долгое время ускользал от других ученых, Как и его предшественники, Планк предположил, что излучение испускают атомные осцилляторы, но при этом считал, что энергия осцилляторов (и, следовательно, испускаемого ими излучения) существует в виде небольших дискретных порций, которые Эйнштейн назвал квантами. Энергия каждого кванта пропорциональна частоте излучения. Хотя выведенная Планком формула вызвала всеобщее восхищение, принятые им допущения оставались непонятными, так как противоречили классической физике. В 1905 г. Эйнштейн воспользовался квантовой теорией для объяснения некоторых аспектов фотоэлектрического эффекта – испускания электронов поверхностью металла, на которую падает ультрафиолетовое излучение. Попутно Эйнштейн отметил кажущийся парадокс: свет, о котором на протяжении двух столетий было известно, что он распространяется как непрерывные волны, при определенных обстоятельствах может вести себя и как поток частиц.

Примерно через восемь лет Нильс Бор распространил квантовую теорию на атом и объяснил частоты волн, испускаемых атомами, возбужденными в пламени или в электрическом заряде. Эрнест Резерфорд показал, что масса атома почти целиком сосредоточена в центральном ядре, несущем положительный электрический заряд и окруженном на сравнительно больших расстояниях электронами, несущими отрицательный заряд, вследствие чего атом в целом электрически нейтрален.

Бор предположил, что электроны могут находиться только на определенных дискретных орбитах, соответствующих различным энергетическим уровням, и что «перескок» электрона с одной орбиты на другую, с меньшей энергией, сопровождается испусканием фотона, энергия которого равна разности энергий двух орбит. Частота, по теории Планка, пропорциональна энергии фотона. Таким образом, модель атома Бора установила связь между различными линиями спектров, характерными для испускающего излучение вещества, и атомной структурой. Несмотря на первоначальный успех, модель атома Бора вскоре потребовала модификаций, чтобы избавиться от расхождений между теорией и экспериментом. Кроме того, квантовая теория на той стадии еще не давала систематической процедуры решения многих квантовых задач.

Новая существенная особенность квантовой теории проявилась в 1924 г., когда де Бройль выдвинул радикальную гипотезу о волновом характере материи: если электромагнитные волны, например свет, иногда ведут себя как частицы (что показал Эйнштейн), то частицы, например электрон при определенных обстоятельствах, могут вести себя как волны. В формулировке де Бройля частота, соответствующая частице, связана с ее энергией, как в случае фотона (частицы света), но предложенное де Бройлем математическое выражение было эквивалентным соотношением между длиной волны, массой частицы и ее скоростью (импульсом). Существование электронных волн было экспериментально доказано в 1927 г. Клинтоном Дж. Дэвиссоном и Лестером Г. Джермером в Соединенных Штатах и Дж. П. Томсоном в Англии.

В свою очередь это открытие привело к созданию в 1933 г. Эрнестом Руской электронного микроскопа.

Под впечатлением от комментариев Эйнштейна по поводу идей де Бройля Ш. предпринял попытку применить волновое описание электронов к построению последовательной квантовой теории, не связанной с неадекватной моделью атома Бора. В известном смысле он намеревался сблизить квантовую теорию с классической физикой, которая накопила немало примеров математического описания волн. Первая попытка, предпринятая Ш. в 1925 г., закончилась неудачей. Скорости электронов в теории III. были близки к скорости света, что требовало включения в нее специальной теории относительности Эйнштейна и учета предсказываемого ею значительного увеличения массы электрона при очень больших скоростях.

Одной из причин постигшей Ш. неудачи было то, что он не учел наличия специфического свойства электрона, известного ныне под названием спина (вращение электрона вокруг собственной оси наподобие волчка), о котором в то время было мало известно. Следующую попытку Ш. предпринял в 1926 г. Скорости электронов на этот раз были выбраны им настолько малыми, что необходимость в привлечении теории относительности отпадала сама собой. Вторая попытка увенчалась выводом волнового уравнения Шредингера, дающего математическое описание материи в терминах волновой функции. Ш. назвал свою теорию волновой механикой. Решения волнового уравнения находились в согласии с экспериментальными наблюдениями и оказали глубокое влияние на последующее развитие квантовой теории.

Незадолго до того Вернер Гейзенберг, Макс Борн и Паскуаль Иордан опубликовали другой вариант квантовой теории, получивший название матричной механики, которая описывала квантовые явления с помощью таблиц наблюдаемых величин. Эти таблицы представляют собой определенным образом упорядоченные математические множества, называемые матрицами, над которыми по известным правилам можно производить различные математические операции. Матричная механика также позволяла достичь согласия с наблюдаемыми экспериментальными данными, но в отличие от волновой механики не содержала никаких конкретных ссылок на пространственные координаты или время. Гейзенберг особенно настаивал на отказе от каких-либо простых наглядных представлений или моделей в пользу только таких свойств, которые могли быть определены из эксперимента.

Ш. показал, что волновая механика и матричная механика математически эквивалентны. Известные ныне под общим названием квантовой механики, эти две теории дали долгожданную общую основу описания квантовых явлений. Многие физики отдавали предпочтение волновой механике, поскольку ее математический аппарат был им более знаком, а ее понятия казались более «физическими»; операции же над матрицами – более громоздкими.

Вскоре после того, как Гейзенберг и Ш. разработали квантовую механику, П.А. М. Дирак предложил более общую теорию, в которой элементы специальной теории относительности Эйнштейна сочетались с волновым уравнением. Уравнение Дирака применимо к частицам, движущимся с произвольными скоростями. Спин и магнитные свойства электрона следовали из теории Дирака без каких бы то ни было дополнительных предположений. Кроме того, теория Дирака предсказывала существование античастиц, таких, как позитрон и антипротон, – двойников частиц с противоположными по знаку электрическими зарядами.

В 1933 г. Ш. и Дирак были удостоены Нобелевской премии по физике «за открытие новых продуктивных форм атомной теории». В том же году Гейзенбергу была присуждена Нобелевская премия по физике за 1932 г. На церемонии презентации Ганс Плейель, член Шведской королевской академии наук воздал должное Ш. за «создание новой системы механики, которая справедлива для движения внутри атомов и молекул». По словам Плейеля, волновая механика дает не только «решение ряда проблем в атомной физике, но и простой и удобный метод исследования свойств атомов и молекул и стала мощным стимулом развития физики».

Физический смысл волнового уравнения Шредингера не является непосредственно очевидным. Прежде всего, волновая функция принимает комплексные значения, содержащие квадратный корень из –1. Ш. первоначально описывал волновую функцию как волнообразное распространение отрицательного электрического заряда электрона. Во избежание комплексных решений он ввел квадрат функции (функцию, умноженную на себя). Позднее Борн идентифицировал квадрат абсолютной величины волновой функции в данной точке как величину, пропорциональную вероятности найти частицу в указанной точке с помощью экспериментального наблюдения. Ш. не нравилась интерпретация Борна, так как она исключала определенные утверждения о положении и скорости частицы.

Наряду с Эйнштейном и де Бройлем Ш. был среди противников копенгагенской интерпретации квантовой механики (названной так в знак признания заслуг Нильса Бора, много сделавшего для становления квантовой механики; Бор жил и работал в Копенгагене), поскольку его отталкивало отсутствие в ней детерминизма. В основу копенгагенской интерпретации положено соотношение неопределенности Гейзенберга, согласно которому положение и скорость частицы не могут быть точно известны одновременно. Чем точнее измерено положение частицы, тем неопределеннее скорость, и наоборот. Субатомные события могут быть предсказаны лишь как вероятности различных исходов экспериментальных измерений. Ш. отрицал копенгагенский взгляд на волновую и корпускулярную модели как на «дополнительные», сосуществующие с картиной реальности и продолжал поиски описания поведения материи в терминах одних лишь волн. Однако на этом пути он потерпел неудачу, и копенгагенская интерпретация стала доминирующей.

В 1927 г. Ш. по приглашению Планка стал его преемником на кафедре теоретической физики Берлинского университета. Он оставил кафедру в 1933 г., после прихода к власти нацистов, в знак протеста против преследования инакомыслящих и, в частности, против нападения на улице на одного из его ассистентов, еврея по национальности. Из Германии Ш, отправился в качестве приглашенного профессора в Оксфорд, куда вскоре после его прибытия пришла весть о присуждении ему Нобелевской премии.

В 1936 г., несмотря на дурные предчувствия относительно своего будущего, Ш. принял предложение и стал профессором Грацкого университета в Австрии, но в 1938 г., после аннексии Австрии Германией, вынужден был оставить и этот пост, бежав в Италию. Приняв приглашение, он переехал затем в Ирландию, где стал профессором теоретической физики Дублинского института фундаментальных исследований и оставался на этом посту семнадцать лет, занимаясь исследованиями по волновой механике, статистике, статистической термодинамике, теории поля и особенно по общей теории относительности.

После войны австрийское правительство пыталось склонить Ш. вернуться в Австрию, но он отказывался, пока страна была оккупирована советскими войсками. В 1956 г. он принял кафедру теоретической физики Венского университета. Это был последний пост, который он занимал в своей жизни.

В 1920 г. Ш. вступил в брак с Аннемарией Бертель; детей у супругов не было. Всю жизнь он был любителем природы и страстным туристом. Среди своих коллег Ш. был известен как человек замкнутый, чудаковатый, имевший мало единомышленников, Дирак так описывает прибытие Ш. на престижный Сольвеевский конгресс в Брюсселе: «Весь его скарб умещался в рюкзаке. Он выглядел как бродяга, и понадобилось довольно долго убеждать портье, прежде чем тот отвел Ш. номер в гостинице».

Ш. глубоко интересовался не только научными, но и философскими аспектами физики, написал в Дублине несколько философских исследований. Размышляя над проблемами приложения физики к биологии, он выдвинул идею молекулярного подхода к изучению генов, изложив ее в книге «Что такое жизнь? Физические аспекты живой клетки» («What is Life? The Physical Aspects of a Living Cell», 1944), оказавшей влияние на некоторых биологов, в том числе Фрэнсиса Крика и Мориса Уилкинса. Ш. опубликовал также томик стихов. Он вышел в отставку в 1958 г., когда ему исполнился семьдесят один год, и умер через три года в Вене.

Кроме Нобелевской премии, Ш. был удостоен многих наград и почестей, в том числе золотой медали Маттеуччи Итальянской национальной академии наук, медали Макса Планка Германского физического общества, и награжден правительством ФРГ орденом «За заслуги». III. был почетным доктором университетов Гента, Дублина и Эдинбурга, состоял членом Папской академии наук, Лондонского королевского общества, Берлинской академии наук, Академии наук СССР, Дублинской академии наук и Мадридской академии наук.

1 2 августа исполнилось 126 лет со дня рождения выдающегося физика, одного из «отцов» квантовой механики Эрвина Шредингера . Уже несколько десятилетий «уравнение Шредингера» – одно из базовых понятий атомной физики. Стоит заметить, что настоящую известность Шредингеру принесло совсем не уравнение, а придуманный им мысленный эксперимент с откровенно нефизическим названием «Кот Шредингера». Кот – макроскопический объект, который не может быть одновременно и живым и мертвым – олицетворял несогласие Шредингера с копенгагенской интерпретацией квантовой механики (и лично с Нильсом Бором).

Страницы биографии

Эрвин Шредингер родился в Вене; его отец – владелец фабрики по производству клеенки – был одновременно уважаемым ученым – любителем и занимал пост президента Венского ботанико-зоологического общества. Дедом Шредингера по линии матери был Александр Бауэр, известный химик.

Окончив в 1906 году престижную Академическую гимназию (ориентированную прежде всего на изучение латыни и греческого), Шредингер поступает в Венский университет. Биографы Шредингера замечают, что изучение древних языков, способствуя развитию логики и аналитических способностей, помогло Шредингеру легко освоить университетские курсы физики и математики. Владея латынью и древнегреческим, он читал великие произведения мировой литературы на языке оригинала, при этом его английский был практически свободным, и, кроме того, он владел французским, испанским и итальянским языками.

Его первые научные исследования относились к сфере экспериментальной физики. Так, в своей выпускной работе Шредингер изучал влияние влажности на электропроводность стекла, эбонита и янтаря. После окончания университета Шредингер год служит в армии, после чего начинает работать в alma mater в должности ассистента физического практикума. В 1913 году Шредингер занимается изучением радиоактивности атмосферы и атмосферного электричества. За эти исследования Австрийская Академия наук присудит ему спустя семь лет премию Хайтингера.

В 1921-ом Шредингер стал профессором теоретической физики в Цюрихском университете, где и создает прославившую его волновую механику. В 1927 г. Шредингер принимает предложение возглавить кафедру теоретической физики Берлинского университета (после ухода на пенсию руководившего кафедрой Макса Планка). Берлин 20-х годов был интеллектуальным центром мировой физики – статус, который он безвозвратно утратил после прихода к власти нацистов в 1933 году. Антисемитские законы, принятые нацистами, не затрагивали ни самого Шредингера, ни членов его семьи. Однако, он покидает Германию, формально связав отъезд из немецкой столицы с уходом в творческий отпуск. Впрочем, подоплека «творческого отпуска» профессора Шредингера для власти была очевидна. Сам же он комментировал свой отъезд предельно лаконично: «Я терпеть не могу, когда меня донимают политикой».

В октябре 1933 года Шредингер начинает работать в Оксфордском университете. В том же году ему и Полю Дираку присуждается Нобелевская премия по физике за 1933 год «в знак признания заслуг в разработке и развитии новых плодотворных формулировок атомной теории». За год до начала второй мировой войны Шредингер принимает предложение премьер-министра Ирландии переехать в Дублин. Де Валера – глава ирландского правительства, математик по образованию – организовывает в Дублине Институт высших исследований, и одним из первых его сотрудников становится нобелевский лауреат Эрвин Шредингер.

Дублин Шредингер покидает только в 1956 году. После вывода оккупационных войск из Австрии и заключения Государственного договора он возвращается в Вену, где ему предоставляется персональная должность профессора Венского университета. В 1957-ом он уходит в отставку и живет в своем доме в Тироле. Эрвин Шредингер умер 4 января 1961 года.

Волновая механика Эрвина Шредингера

Еще в 1913 году – Шредингер тогда изучал радиоактивность атмосферы Земли – журнал Philosophical Magazine опубликовал серию статей Нильса Бора «О строении атома и молекул». Именно в этих статьях была представлена теория водородоподобного атома, основанная на знаменитых «постулатах Бора». Согласно одному постулату, атом излучал энергию только при переходе между стационарными состояниями; согласно другому постулату, находившийся на стационарной орбите электрон энергию не излучал. Постулаты Бора противоречили основным положениям электродинамики Максвелла. Будучи убежденным сторонником классической физики, Шредингер весьма настороженно воспринял идеи Бора, заметив, в частности: «я не могу представить себе, что электрон прыгает как блоха».

Собственный путь в квантовой физике Шредингеру помог найти французский физик Луи де Бройль, в диссертации которого была в 1924 году впервые сформулирована идея волновой природы материи. Согласно этой идее, получившей высокую оценку самого Альберта Эйнштейна, каждый материальный объект можно охарактеризовать определенной длиной волны. В серии статей Шредингера, опубликованных в 1926 году, идеи де Бройля были использованы для разработки волновой механики, в основу которой было положено «уравнение Шредингера» – дифференциальное уравнение второго порядка, записанное для так называемой «волновой функции». Квантовые физики получили, таким образом, возможность решать интересующие их задачи на привычном для них языке дифференциальных уравнений. При этом в вопросе интерпретации волновой функции обозначились серьезные расхождения между Шредингером и Бором. Сторонник наглядности, Шредингер полагал, что волновая функция описывает волнообразное распространение отрицательного электрического заряда электрона. Позиция Бора и его сторонников была представлена Максом Борном с его статистической интерпретацией волновой функции. По Борну, квадрат модуля волновой функции определял вероятность того, что описываемая этой функцией микрочастица находится в данной точке пространства. Именно такой взгляд на волновую функцию стал частью так называемой копенгагенской интерпретации квантовой механики (напомним, что Нильс Бор жил и работал в Копенгагене). Копенгагенская интерпретация считала неотъемлемой частью квантовой механики понятия вероятности и индетерминизма и большинство физиков копенгагенская интерпретация вполне устраивала. Шредингер, однако, до конца своих дней оставался ее непримиримым противником.

Мысленный эксперимент, в котором «действующими лицами» являются микроскопические объекты (радиоактивные атомы) и вполне макроскопический объект – живой кот – Шредингер придумал, чтобы максимально наглядно продемонстрировать уязвимость копенгагенской интерпретации квантовой механики. Сам эксперимент Шредингер описал в статье, опубликованной в 1935 году журналом я «Naturwissenshaften». Суть мысленного эксперимента состоит в следующем. Пусть в закрытом ящике находится кот. Кроме него в ящике имеется некоторое количество радиоактивных ядер, а также сосуд, содержащий ядовитый газ. По условиям эксперимента атомное ядро в течение одного часа с вероятностью ½ распадается. Если распад произошел, то под действием излучения приводится в действие некий механизм, разбивающий сосуд. В этом случае кот вдыхает ядовитый газ и погибает. Если следовать позиции Нильса Бора и его сторонников, то, согласно квантовой механике, о ненаблюдаемом радиоактивном ядре невозможно сказать, распалось оно или нет. В ситуации рассматриваемого нами мысленного эксперимента отсюда следует, что – если ящик не открыт и на кота никто не смотрит – он одновременно и жив, и мертв. Появление кота – вне всякого сомнения, макроскопического объекта – это ключевая деталь мысленного эксперимента Эрвина Шредингера. Дело в том, что в отношении атомного ядра – являющегося микроскопическим объектом – Нильс Бор и его сторонники допускают возможность существования смешанного состояния (на языке квантовой механики – суперпозицию двух состояний ядра). Применительно же к кошке такое понятие явно нельзя применить поскольку состояния, промежуточного между жизнью и смертью, не существует. Из всего этого следует, что и атомное ядро должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся. Что, вообще говоря, противоречит тем утверждениям Нильса Бора (в отношении ненаблюдаемого ядра нельзя сказать, распалось оно или не распалось), против которых выступал Шредингер.

Эрвин Шрёдингер

Шрёдингер (Schrodinger) Эрвин (1887-1961), австрийский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики, иностранный член-корреспондент (1928) и иностранный почетный член (1934) АН СССР. Разработал (1926) т. н. волновую механику, сформулировал ее основное уравнение (уравнение Шредингера), доказал ее идентичность матричному варианту квантовой механики. Труды по кристаллографии, математической физике, теории относительности, биофизике. Нобелевская премия (1933, совместно с П. А. М. Дираком).

Шредингер Эрвин (1887-1961) - австрийский физик, иностранный член АН СССР (с 1934), один из создателей квантовой механики. В 1926 открыл основное (так называемое волновое) уравнение квантовой механики. Ведущей физической идеей Шредингера была идея о волнах материи. В единой теории поля и обобщенной теории тяготения он пытался доказать, что корпускулярное строение материи, ее прерывность производны от ее волновой структуры, от непрерывности. Одна из важнейших заслуг Шредингера - попытка (в противовес витализму) материалистической интерпретации явлений жизни с точки зрения физики. Эти идеи Шредингера получили плодотворное развитие в современной молекулярной биологии.

Философский словарь. Под ред. И.Т. Фролова. М., 1991, с. 528.

Шредингер (Schrodinger) Эрвин (12 августа 1887, Вена - 4 января 1961, там же) - австрийский физик, один из создателей квантовой механики. Окончил Венский университет (1910). С 1911 работал в Венском университете. В 1914-18 воевал на Южном фронте (в районе Триеста). В 1920-21 - профессор Высшей технической школы в Штутгарте и университете Бреслау, профессор Цюрихского университета (1921-27), Берлинского университета (1927-33). В 1933 эмигрировал в Великобританию, где был профессором Колледжа св. Магдалены в Оксфорде (1933-36). В 1936 вернулся на

родину, был профессором Грацкого университета (1936-38). После аншлюса Австрии Германией был уволен в марте 1938 за политическую неблагонадежность. С 1938 вновь в эмиграции; с октября 1938 в Дублине, в 1941-55 - директор Института высших исследований в Дублине, с 1956 - профессор Венского университета. Член-корреспондент АН СССР (1928), почетный член (1934).

Основные работы в области статистической физики, термодинамики, квантовой механики, общей теории относительности, биофизики. Разработал волновую механику (1926) - одну из форм квантовой механики (Нобелевская премия, 1933), в 1926 показал ее эквивалентность матричной механике В. Гейзенберга, М. Борна, П. Йордана. При построении волновой механики Шредингер ввел понятие волновой функции (пси-функции) - фундаментальное понятие квантовой механики, описывающее состояние микрочастицы, и открыл волновое уравнение (уравнение Шредингера) - фундаментальное уравнение нерелятивистской квантовой механики. Шредингер не принял индетерминистскую интерпретацию квантовой механики и, как и Эйнштейн, считал квантовую механику неполной теорией. Критикуя копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, он воплотил ее суть в парадоксальной форме «кота Шредингера», который одновременно является, согласно квантово-механическому описанию, с определенной вероятностью и живым, и мертвым. После эмиграции в Ирландию Шредингер активно работал в области теории гравитации, теории мезонов, термодинамики, нелинейной электродинамики Борна-Инфельда, пытался создать единую теорию поля.

В научных исследованиях Шредингер руководствовался идеей единства физической картины мира, что проявилось и в построении волновой механики, в рамках которой Шредингер надеялся преодолеть дуализм волна-частица на основе волнового описания, и в более поздних исследованиях по единой теории поля. Шредингер был не только крупнейшим физиком-теоретиком, но и неординарным мыслителем. В греческой, китайской и индийской философии он пытался «отыскать утерянные крупицы мудрости», которые помогли бы преодолеть кризис понятийного аппарата фундаментальных наук и раскол современного знания на множество отдельных дисциплин. В 1944 Шредингер публикует оригинальное исследование на стыке физики и биологии «Что такое жизнь с точки зрения физики?». В 1948 читает в Лондонском университетском колледже курс лекций по греческой философии, легший в основу его книги «Природа и греки» (1954). Его волнует проблема взаимоотношения бытия и сознания («Дух и материя», 1958), науки и общества (доклад в Прусской академии наук «Обусловлено ли естествознание окружающей средой?», 1932; книга «Наука и гуманизм», 1952). Шредингер обсуждал также проблемы причинности и законов природы («Теория науки и человек», 1957; «Что такое закон природы?», 1962). В 1949 вышел сборник его стихов.

Вя. П. Визгин, К. А. Томилин

Новая философская энциклопедия. В четырех томах. / Ин-т философии РАН. Научно-ред. совет: В.С. Степин, А.А. Гусейнов, Г.Ю. Семигин. М., Мысль, 2010, т. IV, с. 395-396.

Шрёдингер, Эрвин (Schradinger, Erwin) (1887-1961), австрийский физик, создатель волновой механики, лауреат Нобелевской премии по физике 1933 (совместно с П.Дираком). Родился 12 августа 1887 в Вене. В 1910 окончил Венский университет, но его карьера физика началась лишь по окончании воинской службы в 1920. Работал в Венском и Йенском университетах, в 1920-1921 - профессор Высшей технической школы в Штутгарте и Бреслау (ныне Вроцлав), в 1921 - Высшей технической школы в Цюрихе. В 1927 после ухода в отставку М.Планка получил кафедру теоретической физики в Берлинском университете. В 1933, после прихода к власти Гитлера, оставил кафедру. В 1933-1935 - профессор Оксфордского университета, в 1936-1938 - университета в Граце, в 1940 - профессор Королевской академии в Дублине, затем директор основанного им Института высших исследований. В 1956 вернулся в Австрию и до конца жизни оставался профессором Венского университета.

Основные работы Шрёдингера относятся к области статистической физики, квантовой теории, квантовой механики, биофизики. Исходя из гипотезы Л.де Бройля о волнах материи и принципа Гамильтона, разработал теорию движения субатомных частиц - волновую механику, введя для описания состояния этих частиц волновую функцию (Y-функцию). Вывел основное уравнение нерелятивистской квантовой механики (уравнение Шрёдингера) и дал его решение для частых случаев. Установил связь волновой механики с матричной механикой Гейзенберга и доказал их физическую тождественность.

Однако Шрёдингер, как и Эйнштейн, не считал квантовую теорию завершенной. Его не удовлетворяло двойственное описание субатомных объектов как волн и частиц и вероятностный характер всех предсказаний квантовой механики, и он пытался построить теорию исключительно в терминах волн. Широко известен мысленный эксперимент Шрёдингера, который он предложил, чтобы проиллюстрировать свои сомнения по поводу чисто вероятностного характера квантовомеханической теории. Допустим, что кошка сидит в герметичном ящике, где установлено некое смертоносное устройство. Кошка погибает или остается живой в зависимости от того, испускает ли в определенный момент времени капсула с радиоактивным веществом частицу, которая приводит устройство в действие. Спустя заданное время кошка на самом деле будет либо мертва, либо жива. Следовательно, квантовомеханические предсказания должны представлять собой нечто большее, чем «вероятность наблюдения» соответствующих событий.

Дальнейшие исследования Шрёдингера были посвящены теории мезонов, термодинамике, общей теории относительности. Он неоднократно пытался построить единую теорию поля. Большой интерес проявлял Шрёдингер и к биологии. В 1943 была опубликована его известная популярная книга Что такое жизнь? (What is Life? ). В ней он пытался использовать физические подходы и концепции к решению проблем живого, в частности к установлению природы генов. Эта книга оказала заметное влияние на послевоенное поколение молекулярных биологов и биофизиков, среди которых были Дж.Уотсон и Ф.Крик, создатели модели ДНК - двойной спирали.

Использованы материалы энциклопедии "Мир вокруг нас".

Шрёдингер Эрвин

Австрийский физик Эрвин Шрёдингер родился 12 августа 1887 года в Вене. Его отец, Рудольф Шрёдингер, был владельцем фабрики по производству клеенки. Эрвин получил начальное образование дома. В 1898 году Шрёдингер поступил в Академическую гимназию. В 1906 году он поступил в Венский университет. Защитив в 1910 году докторскую диссертацию, Шрёдингер становится ассистентом физика-экспериментатора Франца Экснера во 2-м физическом институте при Венском университете. В 1913 году Шрёдингер и К.В.Ф. Кольрауш получают премию Хайтингера Императорской академии наук за экспериментальные исследования радия.

В 1920 году Шрёдингер отправился в Германию, где становится адъюнкт-профессором Штутгартского технического университета. Через один семестр он покидает Штутгарт и на короткое время занимает пост профессора в Бреслау (ныне Вроцлав, Польша). Затем Шрёдингер переезжает в Швейцарию и становится там полным профессором. Он предпринял попытку применить волновое описание электронов к построению последовательной квантовой теории, не связанной с неадекватной моделью атома Бора. Он намеревался сблизить квантовую теорию с классической физикой, которая накопила немало примеров математического описания волн. Первая попытка, предпринятая Шрёдингером в 1925 году, закончилась неудачей. Следующую попытку Шрёдингер предпринял в 1926 году. Она увенчалась выводом волнового уравнения Шрёдингера, дающего математическое описание материи в терминах волновой функции. Шрёдингер назвал свою теорию волновой механикой. Решения волнового уравнения находились в согласии с экспериментальными наблюдениями.

Шрёдингер показал, что волновая механика и матричная механика математически эквивалентны. Известные ныне под общим названием квантовой механики, эти две теории дали общую основу описания квантовых явлений. В 1927 году Шрёдингер по приглашению Планка стал его преемником на кафедре теоретической физики Берлинского университета.

В 1933 году Шрёдингер и Дирак были удостоены Нобелевской премии по физике. Наряду с Эйнштейном и де Бройлем Шрёдингер был среди противников копенгагенской интерпретации квантовой механики, поскольку его отталкивало отсутствие в ней детерминизма. В основу копенгагенской интерпретации положено соотношение неопределенности Гейзенберга, согласно которому положение и скорость частицы не могут быть точно известны одновременно.

В 1933 году ученый оставил кафедру теоретической физики Берлин-ского университета. Из Германии Шрёдингер отправился в Оксфорд.

В 1936 году Шрёдингер принял предложение и стал профессором Грацкого университета в Австрии, но в 1938 году, после аннексии Австрии Германией, вынужден был оставить и этот пост, бежав в Италию. Затем переехал в Ирландию, где стал профессором теоретической физики Дублинского института фундаментальных исследований и оставался на этом посту семнадцать лет. Шрёдингер написал в Дублине несколько философских исследований. Размышляя над проблемами приложения физики к биологии, он выдвинул идею молекулярного подхода к изучению генов, изложив ее в книге "Что такое жизнь? Физические аспекты живой клетки" (1944). Шрёдингер опубликовал также томик своих стихов.

В 1956 году он принял кафедру теоретической физики Венского университета. Он вышел в отставку в 1958 году, когда ему исполнился семьдесят один год, и умер через три года, 4 января 1961 года, в Вене.

Шрёдингер был удостоен золотой медали Маттеуччи Итальянской национальной академии наук, медали Макса Планка Германского физического общества, и награжден правительством ФРГ орденом "За заслуги". Шрёдингер был почетным доктором университетов Гента, Дублина и Эдинбурга, состоял членом Папской академии наук, Лондонского королевского общества, Берлинской академии наук, Академии наук СССР, Дублинской академии наук и Мадридской академии наук.

Использован материал сайта http://100top.ru/encyclopedia/