Эрвин Шредингер - австрийский физик-теоретик, один из основателей квантовой механики. Он автор знаменитого уравнения Шредингера и придумал мысленный эксперимент с котом, который иллюстрирует один из ключевых парадоксов квантовой физики. Давайте разберемся, кто он такой, что придумал и почему его идеи до сих пор актуальны.
Биография Эрвина Шредингера
Эрвин Шредингер родился 12 августа 1887 года в Вене. Его отец был ботаником, а мать - дочерью химика. С детства Эрвин увлекался естественными науками и философией.
В 1906 году Шредингер поступил в Венский университет, где изучал физику. Уже в 1911 году он защитил докторскую диссертацию и начал преподавать в Венском университете.
В 1920 году Шредингер сформулировал одно из важнейших уравнений квантовой механики, которое теперь носит его имя - уравнение Шредингера.
Это уравнение описывает поведение квантовых частиц и лежит в основе всей квантовой теории. За разработку квантовой механики Шредингер получил Нобелевскую премию по физике в 1933 году.
В 1920-1930-х годах Шредингер работал в разных университетах Германии и Швейцарии. В 1938 году он эмигрировал из нацистской Германии и переехал работать в Дублинский институт перспективных исследований в Ирландии.
Эрвин Шредингер скончался 4 января 1961 года в Вене в возрасте 73 лет.
Основы теории Шредингера
Квантовая теория Шредингера основана на нескольких ключевых постулатах:
- Состояние квантовой системы полностью описывается волновой функцией.
- Волновая функция удовлетворяет уравнению Шредингера.
- При измерении физических величин происходит "коллапс" волновой функции.
Уравнение Шредингера имеет следующий вид:
Оно описывает эволюцию квантовой системы во времени. Решением этого уравнения является волновая функция ψ, которая несет всю информацию о состоянии системы.
Согласно принципу неопределенности Гейзенберга-Шредингера, нельзя одновременно точно измерить координату и импульс частицы. Чем точнее известно положение, тем больше неопределенность импульса и наоборот.
Теория Шредингера первоначально вступала в противоречие с теорией относительности Эйнштейна, поскольку была неинвариантна относительно преобразований Лоренца. Но впоследствии удалось примирить эти две теории.
"Кот Шредингера" простыми словами
Чтобы объяснить квантовую теорию простыми словами, Шредингер придумал простую аналогию с котом в коробке. Этот образ наглядно демонстрирует один из главных парадоксов квантовой физики:
- По квантовой механике, кот может находиться одновременно в состоянии живого и мертвого, пока коробка закрыта.
- Но в реальности кот, конечно же, не может быть живым и мертвым одновременно.
- Значит, теория неполна и требуются дополнительные правила.
Этот мысленный эксперимент простыми словами демонстрирует сложность описания перехода от квантового микромира к классическому макромиру. Поэтому образ кота Шредера до сих пор так популярен.
Мысленный эксперимент "Кот Шредингера"
В 1935 году Шредингер предложил знаменитый мысленный эксперимент с котом, чтобы продемонстрировать один из парадоксов квантовой механики.
Он рассматривал ситуацию, когда кот находится в закрытой коробке вместе с радиоактивным веществом. Если происходит распад ядра атома, то механизм разбивает колбу с ядом и кот погибает. Если распада нет, кот остается жив.
С точки зрения квантовой теории, пока коробка закрыта, состояние системы описывается суперпозицией состояний "распавшееся ядро и мертвый кот" и "нераспавшееся ядро и живой кот". То есть кот как бы находится одновременно в состояниях живого и мертвого, что абсурдно.
Целью эксперимента было показать, что теория неполна без правил коллапса волновой функции. Как только мы открываем коробку и делаем наблюдение, система переходит в одно конкретное состояние - либо живой, либо мертвый кот.
Существует несколько интерпретаций этого эксперимента. Сам Шредингер считал, что для макросистем типа кота суперпозиция состояний невозможна. Другие полагают, что наблюдение происходит при взаимодействии частицы с детектором. Эксперимент иллюстрирует один из фундаментальных вопросов квантовой механики о соотношении микромира и макромира.
Были предложены различные вариации мысленного эксперимента, например, с участием самого наблюдателя в коробке или с "другом Вигнера", который еще не знает результата эксперимента. Этот знаменитый парадокс Шредингера по-прежнему активно обсуждается в науке и философии.
Применение идей Шредингера
Квантовая теория Шредингера широко используется в самых разных областях науки и техники. Вот лишь несколько примеров:
- Квантовые компьютеры и криптография основаны на явлениях квантовой суперпозиции и запутанности.
- В нанотехнологиях приходится учитывать квантовые эффекты, поскольку размеры сравнимы с длиной волны.
- В медицине применяется ядерный магнитный резонанс, описываемый уравнением Шредингера.
- В астрофизике уравнение Шредингера используется для описания поведения звезд и черных дыр.
Уравнение Шредингера позволяет рассчитывать уровни энергии атомов, молекул, твердых тел. Оно лежит в основе всей квантовой химии и квантовой теории твердого тела.
Таким образом, идеи Шредингера применяются во многих областях естествознания и будут востребованы еще долгое время.
Влияние идей Шредингера на культуру
Концепции и образы, предложенные Шредингером, оказали заметное влияние на культуру и искусство XX века.
В литературе мысленный эксперимент с котом упоминается во многих произведениях научной фантастики, например в романах Роберта Хайнлайна и Филипа Дика. Этот сюжет также вдохновил писателей-фантастов на создание историй о параллельных вселенных и возможностях путешествий между ними.
В кинематографе идеи множественности реальностей и их взаимопроникновения легли в основу таких фильмов, как "Матрица", "Интерстеллар", "Между мирами". Образ кота Шредингера появляется в сериале "Теория Большого Взрыва".
Критика копенгагенской интерпретации
Сам Шредингер был противником так называемой "копенгагенской интерпретации" квантовой механики, предложенной Нильсом Бором. Эта интерпретация делала акцент на роли наблюдателя в "коллапсе" волновой функции.
Шредингер считал, что волновая функция имеет объективное физическое значение, а не просто отражает наше знание о системе. По его мнению, требовалось найти механизм коллапса волновой функции без привлечения наблюдателя и сознания.
Мысленный эксперимент с котом как раз и демонстрирует неполноту копенгагенской интерпретации, поскольку не определяет, когда именно происходит коллапс волновой функции.
Поиски объединенной теории
На протяжении всей жизни Шредингер пытался создать теорию, которая объединила бы квантовую механику и общую теорию относительности Эйнштейна. Однако полное объединение этих двух революционных теорий до сих пор не достигнуто.
Современные физики работают над созданием "теории всего" на основе струн, петлевой квантовой гравитации, M-теории. Но пока ни один из этих подходов не дал емкой и экспериментально подтвержденной картины мира, объединяющей все фундаментальные взаимодействия.
