В гиде On the Edge, который мы подготовили вместе с Отделом культуры и образования Посольства Великобритании в Москве, профессора из ведущих британских университетов объясняют 15 главных научных тем, которые должен понимать каждый образованный человек. Следите за новостями проекта и будьте на крае науки вместе с нами.

9 ноября 1933 года великий австрийский физик Эрвин Шрёдингер пришел в кабинет, где я сейчас работаю, — в кабинет президента Оксфордского колледжа Магдалины (Magdalen College). Шрёдингер был на Сольвеевском конгрессе в Брюсселе; он приехал сюда и в тот день был принят в число членов научного общества колледжа. На той церемонии использовались те же латинские фразы, что и сейчас. После церемонии в этой комнате зазвонил телефон: это была лондонская газета The Times, которая сообщила, что Шрёдингеру только что присудили Нобелевскую премию. Он услышал новость в этой самой комнате. На следующий день The Times и The Telegraph написали, что Шрёдингер из Оксфордского университета получил Нобелевскую премию, хотя раньше работал в Берлинском университете.

За что Шрёдингер получил Нобелевскую премию? За работу, написанную в 1926 году, где ввел свое знаменитое уравнение. До этого энергию электронов в атомах объясняла теория известного физика Нильса Бора. Она объясняла спектр атома водорода и предлагала формулы для его энергетических уровней. Но теория Бора плохо работала для других атомов и молекул, она не была всеобщей. Шрёдингер же предложил общее уравнение, которое работало для атома водорода, а также позволяло предсказать не только его энергетические уровни, но и интенсивность спектральных линий: он мог предсказать, насколько интенсивны будут эти линии. Это было что-то новое. Даже его коллеги или те, кто с ним соперничал, как Гейзенберг, не знали, как это сделать, а Шрёдингер добился этого своим уравнением.

Рекомендуем по этой теме:
18403
Сверхтекучесть и критерий Ландау

В том же году он понял, что может применить свое уравнение не только к энергетическим уровням атома водорода, но и к другим задачам. Например, к колебаниям гармонического осциллятора или вращению двухатомной молекулы можно применить то же уравнение и получить результаты, которые согласуются с экспериментальными данными. Затем Шрёдингер понял, что его уравнение можно адаптировать не только для простых процессов, но и для процессов, которые зависят от времени. На самом деле есть два уравнения Шрёдингера: так называемое стационарное уравнение и временно́е. Но это уравнение стало так важно, поскольку многие ученые по всему миру поняли, что оно работает не только для атома водорода — этот принцип работает для всех атомов и молекул. Это значит, что его можно было применять почти ко всему, к любым атомам и молекулам. Уравнение Шрёдингера можно использовать для вычисления всех их свойств. Если решить его без ошибок, вы получите правильный ответ. Так что это была мощная теория для всех атомов и молекул, основанная на великой работе Шрёдингера 1926 года.

Проблема в том, что это уравнение математически довольно сложное. Его трудно решить для более сложных объектов, чем атом водорода. Даже для атома гелия придется использовать довольно трудные приемы интегрирования и дифференцирования. Так что поначалу оно не сильно поменяло науку. Все изменилось, когда появились компьютеры: тогда стало возможно использовать их для вычисления результатов, и чем дальше, тем точнее они становились. Это значит, что уравнение Шрёдингера стало возможно применять к все более сложным системам и атомам, теперь даже к твердым веществам и биологическим задачам: вы можете применить уравнение Шрёдингера к белкам, энзимам, ДНК и так далее. В современном мире это очень мощная теория, которая лежит в основе всей химии и молекулярной биологии. В науке о материалах — понимании свойств материалов — вы тоже можете применить такие вычисления, и многие этим занимаются. Даже в геологии вы можете вычислить температуру центра Земли, используя вариант уравнения Шрёдингера.

В XXI веке это уравнение стало почти незаменимым в моделировании атомов и молекул. Предыдущий метод, который использовали до Шрёдингера, разработал Исаак Ньютон — это его законы. Вы можете моделировать атомы и молекулы при помощи законов Ньютона, но они не описывают эффекты квантовой механики, например туннельный эффект или квантовую вероятность. Эти законы на атомах и молекулах не работают, но уравнение Шрёдингера — да.

Шрёдингер приехал сюда в 1933 году, чтобы работать здесь, в Оксфорде. Он был сотрудником моего колледжа, читал лекции о квантовой теории в Оксфордском университете. Но он не был счастлив. У него была позиция вроде младшего научного сотрудника — и это после Берлинского университета, в котором он был важнейшим профессором. Его позицию обновляли каждый год, ее финансировала химическая компания ICI. Так что он не был счастлив. Он прожил здесь всего три года: скучал по своим берлинским друзьям. Был очень дружен с Максом Планком — человеком, который открыл квантовую теорию. Дружил с Эйнштейном, который в 1920-х годах тоже жил в Берлине. Он был несчастлив, так что три года спустя решил переехать в свою родную страну — Австрию, где ему предложили позиции в Грацском, а также Венском университете, куда Шрёдингер и отправился.

Рекомендуем по этой теме:
45050
Сверхпроводимость и магнетизм

Он покинул Берлин в 1933 году, поскольку его не устраивала тогдашняя политика Германии. Наука и политика в те дни были смешаны. Ему не нравилось, что творили нацисты, и он отправился в Оксфорд, но затем совершил ошибку: вернулся в Австрию. Он не знал, что там начнутся проблемы: войска Гитлера заняли ее в 1938 году. Шрёдингеру пришлось бежать. Некоторые даже переживали, что его могли арестовать, но он смог сбежать и уехал ненадолго в Ватикан, а затем с ним связался премьер-министр Ирландии де Валера, предложивший ему работать в Ирландии. Шрёдингер смог вернуться сюда, в Оксфордский колледж Магдалины, в 1938 году, а затем отправился в Ирландию и начал работать в Дублинском институте перспективных исследований, где написал еще одну важную работу./p>

Он размышлял об атомах и молекулах и понял, что фундаментальные принципы физики и химии, в том числе квантовую механику, можно применить и к биологическим молекулам, таким как ДНК и белки, которые в конце 1940-х только начинали изучать. Шрёдингер написал в Дублине небольшую книгу под названием «Что такое жизнь?», в которой говорилось, что базовые принципы физики и химии можно применить в биологии.

Сейчас все это знают: вся область молекулярной биологии объясняется этими базовыми принципами, но тогда об этом не задумывались. Некоторые молодые ученые того времени, например Уотсон и Крик, прочитали его книгу и подумали: стоит заняться молекулярной биологией. Так они и поступили, и в 1950-х произошли великие открытия — скажем, открытие Уотсоном и Криком структуры ДНК, а затем РНК и других биологических молекул. Все эти открытия были вдохновлены небольшой книгой Шрёдингера.

Так что он был выдающимся человеком, который создал базовую квантовую теорию, лежащую в основе всех свойств наблюдаемых нами атомов и молекул, а также начал революцию в молекулярной биологии, которая продолжается до сих пор. Он был крайне влиятельным человеком. Он не был популярным, один написал все свои работы. Сейчас ученые работают в больших исследовательских группах, но Шрёдингер все сделал сам. Он был индивидуалистом и никогда не был счастлив на одном месте. Он не был счастлив здесь, в Оксфордском колледже Магдалины. Свои классические работы написал в Цюрихе, где жил несколько лет в начале 1920-х годов, и в Ирландии тоже жил недолго.

Рекомендуем по этой теме:
128695
5 мифов о гравитации

После Второй мировой войны он решил вернуться в Австрию, где во времена Гитлера у него были проблемы. Но там его встретили как героя: его портрет печатали на банкнотах и марках, в его честь назвали кратер на Луне, и он стал одним из величайших людей Австрии того времени. Но мы все еще помним его здесь, в Оксфорде, и счастливы, что великий ученый Шрёдингер сюда приезжал.

Есть и другая точка зрения: темная материя может существовать не в виде отдельных частиц, а в форме волны, проходящей через Вселенную. В зависимости от того, какова плотность этой волны, получается какое-то количество темной материи. Некоторые ученые исследуют такую возможность.

Мои исследования связаны с квантовой химией, то есть решением уравнений Шрёдингера для атомов и молекул, в особенности для химических реакций. Так что он мой научный герой. Как президент колледжа Магдалины, я работаю в том же кабинете, где Шрёдингер услышал, что он получил Нобелевскую премию. Для меня это непередаваемые ощущения.