Сегодня мы постоянно обращаемся к уравнению Шрёдингера и упоминаем его, когда речь заходит о квантовой физике и частицах. Это буквально база для всей физики. Но оказывается изначально с ним было настолько много проблем, что учёный чуть было не бросил работу по его созданию. Как появилось самое интригующее и известное уравнение квантовой физики?
Началось всё не очень гладко. Первая попытка Эрвина Шрёдингера записать своё знаменитое квантовое уравнение обернулась математической катастрофой. Чтобы исправить её, ему пришлось полностью отказаться от теории относительности Альберта Эйнштейна. Да, именно так. И возможно уже тогда становилось понятным, что квантовая физика не подружатся с теорией относительности. Всё тогда сводилось к тому, что математика просто не выполняется и получается, что теория относительности, которая тогда господствовала, просто не работает.
В 1925 году физик Луи де Бройль предположил, что материя, подобно электронам, ведет себя как волны.
Шрёдингер поставил перед собой задачу найти математическое уравнение, которое описывало бы эти «волны материи». Он сформулировал релятивистское волновое уравнение и применил его к атому водорода, ожидая, что оно точно предскажет поведение атома. Однако результаты совершенно не совпали с экспериментальными наблюдениями спектра водорода.
Математические расчеты не дали результата, поскольку спин электрона еще не был полностью установлен в физике. Релятивистское уравнение, не учитывающее спин, приводит к неверной тонкой структуре водорода.
Потерпев поражение из-за полученных данных, Шрёдингер отказался от своего релятивистского подхода. Отброшенное им уравнение впоследствии было успешно сформулировано другими исследователями и теперь известно как уравнение Клейна-Гордона.
Во время рождественских каникул 1925 года Шрёдингер отправляется на отдых в хижину в заснеженном альпийском курортном городке Ароза в Швейцарии. В этой уединенной обстановке он обратился к классической ньютоновской физике, чтобы создать более простое, нерелятивистское волновое уравнение. Этот подход сработал идеально, точно совпав с известными энергетическими уровнями Бора атома водорода.
Но наличие правильных математических расчетов создало новую проблему - интерпретацию волновой функции.
Первоначально Шрёдингер считал, что его математические вычисления представляют собой физическую плотность заряда электрона, распределенную в пространстве. То есть никаких там странных вероятностей и невидимых единорогов. Это просто распределение заряда электрона.
Шрёдингер не смог полностью решить эту концептуальную проблему самостоятельно, поэтому опубликовал свои математические вычисления в 1926 году исключительно как задачу на собственные значения.
Вскоре после этого физик Макс Борн предложил общепринятую статистическую интерпретацию, согласно которой волна представляет собой вероятность обнаружения частицы в данном месте.
Шрёдингеру настолько не нравилась эта вероятностная интерпретация его собственного уравнения, что он посвятил остаток своей карьеры борьбе с ней. В конечном итоге так появился знаменитый мысленный эксперимент «кот Шрёдингера», чтобы подчеркнуть кажущуюся абсурдность квантовых вероятностей.
Интересное дело получается. Пожалуй, самое известное уравнение квантовой физики, которое описывает почти всё, что мы сегодня знаем о частице такого типа, изначально было получено из волновой модели Ньютона и классической физики. А что именно можно было по нему посчитать изначально не понимал даже Шрёдингер. Но только позже на это математически верное решение наложилась логика вероятности.
Где-то тут и была получена вечная путаница с волной и с вероятностью. Это важно концептуально, потому что до сих пор не многие знают, что уравнение Шрёдингера описывает волновые свойства, а не вероятности существования. Эти вещи жёстко связаны, но не одинаковые в физическом смысле. И по сути легендарная волновая функция - это перелопаченная физика Ньютона. Окончательное разделение произошло позже. Зато вот с теорией относительности ничего не получилось сразу.
Не забывайте ставить лайки статье и подписываться! Это очень важно для развития проекта, а вы будете видеть ещё больше интересных статей в ленте! На канале есть премиум, где много интересного.