Эрвин Шредингер (1887-1961) — австрийский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике (1933); профессор Берлинского, Оксфордского, Грацского и Гентского университетов. С 1939 г. — директор основанного им Institute for advanced studies в Дублине; иностранный член-корреспондент (1928) и иностранный почетный член (1934) АН СССР. Разработал (1926) квантовую механику и волновую теорию материи, 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).
Эрвин Шредингер родился 12 августа 1887 г., в Вене.
Детство, юность, учеба
Отец Эрвина, Рудольф Шредингер, получил по наследству небольшую фабрику клеенки, что обеспечивало его семью материально и оставляло ему возможности заниматься и естественными науками: он много лет был вице-президентом Венского ботанико-зоологического общества и выступал там с докладами. Эрвин Шредингер писал впоследствии, что отец был ему «другом, учителем и неутомимым собеседником». Мать Эрвина была чуткой, заботливой и жизнерадостной женщиной. Безоблачное детство Эрвина протекало в доме, где царили доброта, наука и искусство.
До одиннадцати лет ребенка учили дома, а в 1898 году, успешно выдержав вступительные экзамены, он поступил в Академическую гимназию, которую окончил в 1906 году. Эта гимназия пользовалась репутацией престижного учебного заведения, но, в основном, гуманитарного профиля. Тем не менее, после блестяще сданных выпускных экзаменов (Эрвин вообще неизменно был первым учеником в классе), когда пришла пора выбора дальнейшего пути, без колебаний предпочтение было отдано математике и физике.
Осенью 1906 г. Шредингер поступил в Венский университет, где еще недавно, до своей трагической гибели работал Людвиг Больцман. Но этот выбор Эрвина не сделал его узким специалистом. Круг его интересов всегда оставался удивительно широким. Он знал шесть иностранных языков, хорошо знал немецких поэтов, сам писал стихи.
Все же на первый план все определеннее выступали дисциплины физико-математического цикла. Во многом это было заслугой преподавателей, в частности Фрица Газенроля, о котором в 1929 г. в Нобелевской лекции Шредингер говорил: «Тогда (во время Первой мировой войны) погиб Газенроль, и чувство подсказывает мне, что, не случись этого, он стоял бы здесь вместо меня». Именно этот яркий человек помог второкурснику Шредингеру понять, что его призванием является теоретическая физика.
Для докторской диссертации (аналога теперешней дипломной работы) Шредингеру была предложена экспериментальная работа, которая была не только успешно защищена, но и удостоилась опубликования в «Докладах» Венской академии наук. После сдачи выпускных экзаменов двадцатитрехлетнему Эрвину Шредингеру была присуждена степень доктора философии.
Наиболее интересной для Шредингера областью стала термодинамика в вероятностной интерпретации, развитой Больцманом. «Круг этих идей, – говорил Э. Шредингер в 1929 г., – стал для меня как бы первой любовью в науке, ничто другое меня так не захватывало и, пожалуй, уже никогда не захватит». В качестве докторской диссертации Шредингер защищает экспериментальную работу по электрической проводимости на поверхности изоляторов во влажном воздухе, выполненную им в лаборатории Экснера.
Ассистент, доцент, офицер.
На юго-западном фронте.
Вскоре после окончания университета Шредингер получил место ассистента Экснера, во Втором физическом институте Венского университета. С 1914 г. – Шредингер становится приват-доцентом. С 1910 г. появляются первые публикации Шредингера, посвященные диэлектрикам, кинетической теории магнетизма, атмосферному электричеству (премия Гайтингера), теории аномальной электрической дисперсии, интерференционным явлениям, теории эффекта Дебая и др. Круг его интересов был весьма широк: радиоактивность в ее связи с атмосферным электричеством (за эти годы работы он был удостоен премии, учрежденной Австрийской академией наук), электротехника, акустика и оптика, в особенности теория цветов. Тогда же он впервые заинтересовался квантовой физикой.
Успешная работа молодого преподавателя была замечена, и 9 января 1914 г. он был утвержден министерством в звании доцента, что давало ему право читать лекции. Однако приват-доцентура не оплачивалась, так что материальное положение Шредингера не изменилось, и он по-прежнему жил с родителями в Вене и «залезал к ним в карман» ввиду скудности университетской заработной платы. Попытки изменить это положение были прерваны: началась война, и Эрвин Шредингер был мобилизован.
По тогдашним австрийским законам выпускник университета Эрвин Шредингер должен был год отслужить в армии. За несколько недель до начала Первой мировой войны Шредингера призывают в армию. В отличие от Ф. Газенорля, погибшего на фронте, Шредингеру повезло — его отправляют в качестве артиллерийского офицера на относительно спокойный участок Юго-Западного фронта (район Триеста). Там ему удается даже оставаться в курсе развития физики, в частности, познакомиться со статьями А. Эйнштейна по общей теории относительности и в 1918 г. опубликовать две статьи по этой теме.
«Академические годы странствий»
После окончания войны, в ноябре 1918 г. Э. Шредингер вернулся в Венский физический институт. Однако послевоенная жизнь в Австрии была трудна, перспектив улучшения не было, и поэтому, получив приглашение поработать в Йенском физическом институте у Макса Вина, Шредингер взял в Вене полугодовой отпуск и с молодой женой (он только что женился) в апреле 1920 г. поселился на новом месте.
В Германии тогда трудилась плеяда выдающихся физиков, среди которых прежде всего можно упомянуть Эйнштейна и Макса Планка, и возможность общения с ними была привлекательной. В Йене Шредингер проработал, однако, только четыре месяца. Он уже приобрел «имя», и приглашения на работу в различные научные центры начали поступать все чаще.
В начале 1921 г. университеты Киля, Бреслау, Гамбурга и его родной Вены обещали ему должность профессора теоретической физики. Поступило приглашение и из Штутгарта, Шредингер переехал туда и в начале 1921 г. приступил к чтению лекций. Но работа в Штутгарте продолжалась всего один семестр, и Шредингер перешел в университет в Бреслау. Однако несколько недель спустя он получил приглашение возглавить кафедру теоретической физики Политехникума в Цюрихе, которую до этого занимали ни больше ни меньше как Альберт Эйнштейн и Макс фон Лауэ. Это приглашение поднимало Шредингера на высшую ступень академической «табели о рангах». В 1921 году он перебрался в Цюрих.
Уравнение Шредингера
Уравнение Шредингера – основное уравнение нерелятивистской квантовой механики; позволяет определить возможные состояния системы, а также изменение состояния во времени. Сформулировано Э. Шредингером в 1926 г.
По складу ума Эрвин Шредингер, подобно Планку, Эйнштейну и ряду других физиков того времени, тяготел к классическим представлениям в физике и не принял копенгагенской вероятностной интерпретации корпускулярно-волнового дуализма. В 1925-1926 гг. Шредингером были выполнены работы, выдвинувшие его в первый ряд создателей волновой механики.
Наличие волновых свойств у электронов Шредингер принял как фундаментальный экспериментальный факт. Для физики волны далеко не были чем-то новым. Было хорошо известно, что в описании волн различной физической природы есть много общего — математически они описываются похожими методами (так называемыми волновыми дифференциальными уравнениями в частных производных). И здесь проявляется любопытнейшее обстоятельство, которое можно проиллюстрировать на примере звуковой волны в органной трубе.
Все величины, относящиеся к звуковой волне — и распределение плотностей, и давлений, и температур и так далее в такой «стоячей» волне являются обычными, описываемыми классической теорией, но в то же время существуют и определенные дискретные «резонансные» состояния: каждая из труб, в зависимости от ее длины, «настроена» на определенную частоту. Это наводит на мысль, что, например, и различные квантовые дискретные состояния электронов в атомах также имеют такую же «резонансную» природу. Таким образом, волны де Бройля становятся в ряд «обычных» классических волн, а квантовые дискретные состояния — в ряд «обычных» резонансных. Конечно, для описания электронных (и других подобных им) волн необходимо располагать уравнением, такой же степени общности, как и уравнения Исаака Ньютона в классической механике, и в 1926 г. Шредингер предложил такое уравнение, знаменитое уравнение Шредингера, явившееся математической основой волновой (по другой терминологии — квантовой) механики.
Эта серия работ была опубликована Эрвином Шредингером в 1926 году под общим названием «Квантование как задача о собственных значениях». Уравнение Шредингера заняло лидирующее место в квантовой теории и не утратило его и поныне.
Но предложенная Шредингером «классическая» интерпретация той величины, которая определяется этим уравнением — волновой функции — не удержалась. После напряженнейших дискуссий с датским физиком Нильсом Бором, доводивших Шредингера до изнеможения и до отчаяния, ему пришлось признать необходимость отказа от ее классического истолкования в пользу вероятностного. Это был тяжелый удар. Перед отъездом из Копенгагена от Бора Шредингер сказал ему: «Если мы собираемся сохранить эти проклятые квантовые скачки, то мне приходится пожалеть, что я вообще занялся квантовой теорией». Негативное отношение к «копенгагенской интерпретации» квантовой теории у Шредингера (как и у Эйнштейна, Планка, де Бройля, Лауэ) так и не изменилось до конца его дней.
В Берлинском университете
После ухода в почетную отставку Макса Планка кафедра теоретической физики в Берлинском университете оказалась незанятой, и вопрос о его приемнике должна была решить специально созданная комиссия. Она предложила список кандидатов, в котором на втором месте (после Арнольда Зоммерфельда) значилась фамилия Шредингера. Зоммерфельд отказался переехать в Берлин, и возможность занять весьма престижное место открылась перед Шредингером. Он колебался и, может быть, не покинул бы прекрасный Цюрих, если бы не узнал, что Планк «…был бы рад…» видеть его преемником.
Это решило дело, и в конце лета 1927 года Эрвин Шредингер переселился в Берлин. Тепло принятый новыми коллегами, он быстро освоился на новом месте, и годы жизни и продуктивной работы в Берлине он потом вспоминал как «прекрасные». На следующий год после переезда из Цюриха Шредингер был единогласно (что бывало чрезвычайно редко!) избран членом Берлинской академии наук. Но основным полем деятельности оставался университет. Хотя Шредингер был типичным «одиночкой» и не создал школы, его научный и нравственный авторитет играл важную роль.
Все рухнуло в 1933 году, когда к власти пришли фашисты. Началось массовое бегство из Германии лучших ученых. Даже отсутствия «гарантии, что человек безоговорочно примет национал-социалистический режим», было достаточно, чтобы подвергнуться преследованию. Шредингер также решил покинуть Германию. «Я терпеть не могу, когда меня донимают политикой» — это его слова. Под предлогом творческого отпуска он уехал в Южный Тироль, а оттуда в октябре 1933 года вместе с женой перебрался в Оксфорд. Вскоре Эрвин Шредингер получил известие, что он удостоен Нобелевской премии по физике за 1933 год.
Три года проработал Шредингер в Оксфорде исследователем-стипендиатом. Тоскуя по родине, он вернулся в Австрию; с октября 1936 г. Шредингер — ординарный профессор теоретической физики университета в Граце. Но в марте 1938 года после аншлюса немецкие порядки распространились и на Австрию, и 31 марта Эрвин Шредингер был из-за политической неблагонадежности вычеркнут из всех университетских списков Германии и Австрии.
Опять скитания. Переезд в Дублин
Через Италию, Швейцарию и Бельгию Шредингер в 1939 году опять вернулся в Англию, где он был защищен от непосредственной фашистской угрозы. В это время глава правительства Ирландии И. де Валера, математик по образованию, занимался организацией в Дублине института, подобного Принстонскому, и Шредингер стал его главой. Здесь он проработал 17 лет, активно занимаясь не только физикой, но и философией, поэзией и даже биологией.
В 1944 году вышла его известная книга «Что такое жизнь с точки зрения физики?», в 1949 году — сборник стихов, а в 1954 г. — книга «Природа и греки». Как физик, Эрвин Шредингер в эти годы много работал в области теории гравитации и, подобно Эйнштейну, прилагал большие усилия для построения единой теории поля.
После окончания войны Шредингер не раз получал приглашения вернуться в Австрию и в Германию. Но он полюбил Ирландию, и только поверив, что угрозы новых политических потрясений миновали, решился вернуться на родину. Его возвращение было триумфальным. Шредингер проработал в Венском университете два года и еще один «год почета». Последние годы его жизни прошли в живописной тирольской деревне Альпбах.
Эрвин Шредингер скончался 4 января 1961 г. в Вене.