Ервин Шрьодингер (Erwin Schrodinger)
12 август 1887 г. – 4 януари 1961 г.
Нобелова награда за физика, 1933 г. (заедно с Пол Ейдриън Морис Дирак)
(За откриването на нови продуктивни форми на атомната теория.)
Австрийският физик Ервин Шрьодингер е роден във Виена. Баща му, Рудолф Шрьодингер, е собственик на фабрика за производство на мушама, увлича се от живопис и има силен интерес към ботаниката. Единствено дете в семейството, Ервин получава начално образование у дома. Първи негов учител е баща му, за когото Шрьодингер по-късно си спомня като за "приятел, учител и незнаещ умора събеседник". През 1898 г. Шрьодингер постъпва в Академическата гимназия, където е първи ученик по гръцки език, латински език, класическа литература, математика и физика. В гимназиалните години у Шрьодингер се заражда любов към театъра.
През 1906 г. той постъпва във Виенския университет и на следващата година започва да посещава лекциите по физика на Фридрих Хазенерл, чиито блестящи идеи правят на Ервин силно впечатление. Като защитава през 1910 г. докторска дисертация, Шрьодингер става асистент на физика експериментатор Франц Екснер във 2-рия физически институт към Виенския университет. На тази длъжност той остава до началото на Първата световна война. През 1913 г. Шрьодингер и К. В. Ф. Колрауш получават премията Хайтингер на Имперската академия на науките за експериментални изследвания на радия.
По време на войната Шрьодингер служи като офицер артилерист в затънтен гарнизон, разположен в планината, далече от линията на франта. Използвайки продуктивно свободното си време, той изучава общата теория за относителността на Алберт Айнщайн. След края на войната се връща във 2-рия физически институт във Виена, където продължава своите изследвания, свързани с общата теория на относителността, със статистическата механика (занимаваща се с изучаване на системите, състоящи се от много голям брой взаимодействащи си обекти, например молекулите на газа) и с дифракцията на рентгеновото излъчване. По това време Шрьодингер провежда обширни експериментални и теоретически изследвания по теорията на цвета и възприемането на цвета.
През 1920 година Шрьодингер заминава за Германия, където става асистент на Макс Вин в Йенския университет, но след четири месеца става адюнкт-професор в Щутгартския университет. След удин семестър напуска Щутгарт и за кратко време заема поста на професор в Бреслау (днес Вроцлав, Полша). След това Шрьодингер се премества в Швейцария и става там професор, а също така премник на Айнщайн и Макс фон Лауе в катедрата по физика към Цюрихския университет. В Цюрих, където остава от 1921 до 1927 г., Шрьодингер се занимава основно с термодинамика и статистическа механика и тяхното използване за обяснението на природата на газовете и твърдете тела. Интересувайки се от широк кръг физически проблеми, той следи успехите на квантовата теория, но не съсредоточава вниманието си в тази област до 1925 г., когато се появява благоприятният отзив на Айнщайн за вълновата теория на материята на Луи дьо Бройл.
Квантовата теория се появява през 1900 г., когато Макс Планк предлага теоретичен извод за съотношението между температурата на телата и изпусканите от тези тела излъчвания, извод, който дълго време се изплъзва на другите учени. Както и неговите предшественици, Планк предполага, че излъчването се изпуска от атомни осцилатори, но при това смята, че енергията на осцилаторите (и следователно на изпусканото от тях излъчване) съществува във вид на малки дискретни порции, които Айнщайн нарича кванти. Енергията на всеки квант е пропорционална на честотата на излъчването. Макар че изведената от Планк формула предизвиква всеобщо възхищение, приетите от него допускания са неразбираеми, защото противоречат на класическата физика. През 1905 г. Айнщайн използва квантовата теория, за да обясни някои аспекти на фотоелектрическия ефект - изпускане на електрони от повърхността на метал, върху който пада ултравиолетово излъчване. Пътьом Айнщайн отбелязва един явен парадокс: светлината, за която две столетия е известно, че се разпространява като непрекъснати вълни, при определени обстоятелства може да има поведението на поток от частици.
След около осем години Нилс Бор разпространява квантовата теория върху атома и обяснява честотата на вълните, изпускани от атомите, когато са възбудени в пламък или в електрически заряд. Ърнест Ръдърфорд доказва, че масата на атома е съсредоточена почти изцяло в ядрото, носещо положителен електронен заряд и обиколено на сравнително големи разстояния от електрони, носещи отрицателен заряд, в резултат от което атомът като цяло е електрически неутрален.
Бор предположил, че електроните могат да се намират само на определени дискретни орбити, съответстващи на различни енергетични равнища, и че "прескачането" на електроните от една орбита на друга, с по-малка енергия, се съпровожда с изпускане на фотони, чиято енергия е равна на разликата на енергиите на двете орбити. Честотата според теорията на Планк е пропорционална на енергията на фотона. Така моделът на атома на Бор установява връзка между различните линии на спектъра, характерен за изпускащото излъчване вещество, и атомната структура. Въпреки първоначалния си успех, моделът на атома на Бор скоро трябва да бъде модифициран, за да се избегне разминаването между теория и експеримент. Освен това квантовата теория на този стадий още не дава систематична процедура за решаване на много квантови задачи.
Нова съществена особеност на квантовата теория се проявява през 1924 г., когато дьо Бройл предлага радикална хипотеза за вълновия характер на материята: ако електромагнитните вълни, например светлината, понякога имат характер на частици (което е доказано от Айнщайн), тогава частиците, например електроните при определени обстоятелства, могат да имат характер на вълни. Във формулировката на дьо Бройл честотата, съответстваща на частицата, е свързана с нейната енергия, както в случая с фотона (частицата светлина), но предложеният от дьо Бройл математически израз е еквивалентен на съотношението между дължината на вълната, масата на частицата и нейната скорост (импулс). Съществуването на електронни вълни е доказано експериментално през 1927 г. от Клинтън Дж. Девисън и Лестър Х. Джермър в Съединените щати и Дж. П. Томсън в Англия.
На свой ред това откритие довело до създаването през 1933 г. на електронния микроскоп от Ърнест Руск.
Впечатлен от коментарите на Айнщайн за идеите на дьо Бройл, Шрьодингер прави опит да приложи вълновото описание на електроните за изграждането на последователна квантова теория, която да не е свързана с неадекватния модел на атома на Бор. В известен смисъл той има намерение да сближи квантовата теория и класическата физика, която е натрупала не малко примери за математическо описание на вълните. Първият опит, предприет от Шрьодингер през 1925 г., завършва с неуспех. Скоростите на електроните в теорията на Шрьодингер са близки до скоростта на светлината, което изисква да се включи в нея специалната теория за относителността на Айнщайн и да се вземе предвид предсказваното от нея значително увеличение на масата на електрона при много големи скорости.
Една от причините за неуспеха на Шрьодингер е това, че не взема предвид наличието на едно специфично свойство на електрона, известно днес под названието спин (въртенето на електрона около собствената си ос като пумпал), за което по това време се знае малко. Следващия опит Шрьодингер предприема през 1926 г. Този път той избира толкова малки скорости на електроните, че необходимостта да се използва теорията за относителността отпаднала сама по себе си. Вторият опит се увенчава с извеждането на вълновото уравнение на Шрьодингер, даващо математическо описание на материята по отношение на вълновата функция. Шрьодингер нарича своята теория вълнова механика. Решенията на вълновото уравнение се съгласуват с експерименталните наблюдения и оказват силно влияние върху по-нататъшното развитие на квантовата теория.
Малко преди това Вернер Хайзенберг, Макс Борн и Паскуал Йордан публикуват друг вариант на квантовата теория, получила названието матрична механика, която описва квантовите явления с помощта на таблици на наблюдавани величини. Тези таблици представляват подредени по определен начин математически множества, наречени матрици, с които по известни правила могат да се извършват различни математически операции. Матричната механика също така позволява да се постигне съгласие с наблюдаваните експериментални данни, но за разлика от вълновата механика не съдържа никакви конкретни позовавания на пространствените координати или времето. Хайзенберг особено настоява за отказ от каквито и да е прости нагледни представи или модели в полза само на такива свойства, които могат да бъдат определени експериментално.
Шрьодингер доказва, че вълновата механика и матричната механика са математически еквивалентни. Известни днес под общото название квантова механика, тези две теории дават дългоочакваната обща основа за описание на квантовите явления. Много физици по онова време обаче предпочитат вълновата механика, защото нейният математически апарат им е по-познат, а нейните понятия изглеждат "по-физически", докато операциите с матриците са по-тромави.
Скоро след като Хайзенберг и Шрьодингер разработват квантовата механика, П. Е. М. Дирак предлага по-обща теория, в която елементите на специалната теория за относителността на Айнщайн се съчетават с вълновите уравнения. Уравнението на Дирак е приложимо към частиците, движещи се с произволни скорости. Спинът и магнитните свойства на електрона следват от теорията на Дирак без каквито и да било допълнителни предположения. Освен това теорията на Дирак предсказва съществуването на античастици, такива като позитрона и антипротона - двойници на частиците с противоположни по знак електрически заряди.
Физическият смисъл на вълновото уравнение на Шрьодингер не е непосредствено очевиден. Вълновата функция приема преди всичко комплексни значения, съдържащи квадратен корен от -1. Шрьодингер първоначално описва вълновата функция като вълнообразно разпространение на отрицателния електрически заряд на електрона. За да избегне комплексните решения, той въвежда квадратната функция (функция, умножена на себе си). По-късно Борн идентифицира абсолютната квадратна величина на вълновата функция в дадена точка като величина, пропорционална на вероятността да се намери частица в дадена точка с помощта на експериментално наблюдение. Шрьодингер не харесва интерпретацията на Борн, защото тя изключва определени твърдения за положението и скоростта на частицата.
Наред с Айнщайн и дьо Бройл Шрьодингер е сред противниците на копенхагенската интерпретация на квантовата механика (наречена така като признание за заслугите на Нилс Бор, направил много за формирането на квантовата механика; Бор живее и работи в Копенхаген), защото го не му харесва отсъствието на детерминизъм в нея. В основата на копенхагенската интерпретация е поставено съотношението на неопределеността на Хайзенберг, според което положението и скоростта на частицата не могат да бъдат точно известни едновременно. Колкото по-точно е измерено положението на частицата, толкова по-неопределена е скоростта и обратно. Субатомните събития могат да бъдат предсказани само като вероятности на различни изходи от експерименталните измерения. Шрьодингер отрича копенхагенския възглед за вълновия и корпускулярния модел и продължава да търси описание на поведението на материята по отношение само на вълните. Но по този път той претърпява неуспех и копенхагенската интерпретация става доминираща.
През 1927 г. по покана на Планк Шрьодингер става негов приемник в катедрата по теоретична физика на Берлинския университет. Той напуска катедрата през 1933 г., след като нацистите идват на власт, в знак на протест срещу преследването на инакомислещите и по-специално срещу нападението на улицата на един от неговите асистенти, евреин по националност. От Германия Шрьодингер отива като поканен професор в Оксфорд, където скоро след пристигането му идва известието, че е получил Нобелова награда.
През 1936 г., въпреки лошото предчувствие за своето бъдеще, Шрьодингер приема предложението да стане професор в Грацкия университет в Австрия, но през 1938 г., след анексията на Австрия от Германия, е принуден да остави този пост и да избяга в Италия. Отново по покана заминава за Ирландия, където става професор по теоретична физика в Дъблинския институт за фундаментални изследвания и остава на поста седемнадесет години, занимавайки се с изследвания по вълнова механика, статистика, статистическа термодинамика, теория на полето и особено обща теория на отностелността.
След войната австрийското правителство се опитва да склони Шрьодингер да се върне в Австрия, докато страната е окупирана от съветските войски. През 1956 г. той поема катедрата по теоретична физика във Виенския университет. Това е последният пост, който заема през живота си.
През 1920 г. Шрьодингер се жени за Анемария Бертел; семейството няма деца. През целия си живот той е любител на природата и страстен турист. Сред своите колеги Шрьодингер е известен като човек затворен, чудноват и имащ малко единомишленици. Дирак описва така идването му на Солвеевския конгрес в Брюксел: "Всичките му неща бяха събрани в една раница. Изглеждаше като бродяга и трябваше доста дълго да убеждаваме портиера, преди да пусне Шрьодингер в хотелската му стая".
Шрьодингер се интересува задълбочено не само от научните, но и от философските аспекти на физиката и пише в Дъблин няколко философски изследвания. Размишлявайки над проблемите за прилагането на физиката към биологията, той предлага идеята за молекулярен подход към изучаване на гените, описвайки я в книгата "Какво е животът? Физически аспекти на живата клетка" ("What is Life? The Physical Aspects of a Living Cell"), която оказва влияние върху някои биолози, след които Франсис Крик и Морис Уилкинсън. Шрьодингер публикува също така книга със стихове. Излиза в оставка през 1958 г., когато е на седемдесет и една години и умира след три години във Виена.
Освен Нобелова награда
Шрьодингер е удостоен с много награди и отличия, сред които медала Матеучи
на Италианската национална академия на науките, медала Макс Планк
на Германското физическо дружество, награден е от правителството на ФРГ с
с ордена "За заслуги". Шрьодингер е почетен доктор на университетите
в Гент, Дъблин и Единбург, член е на Папската академия на науките,
Лондонското кралско дружество, Берлинската академия на науките, Академията
на науките на СССР, Дъблинската академия на науките и Мадридската академия
на науките.
Превод от руски: Павел Б. Николов
