Erwin Schrödinger – od kota w pudełku do równania falowego

Czy kot zamknięty w pudełku może być jednocześnie żywy i martwy? To pytanie, choć brzmi jak początek absurdalnego żartu, stało się jednym z najsłynniejszych paradoksów w historii nauki. Jego autorem był Erwin Schrödinger – austriacki fizyk teoretyczny, laureat nagrody Nobla i jeden z twórców mechaniki kwantowej. Jego odkrycie na zawsze zmieniło nasze postrzeganie rzeczywistości. Poznaj historię człowieka, którego myśl wykroczyła daleko poza skomplikowane wzory i na zawsze zmieniła nie tylko świat fizyki.

Kim był człowiek od paradoksalnego kota?

Erwin Schrödinger to postać absolutnie kluczowa dla fizyki XX wieku. Urodził się 12 sierpnia 1887 roku w Wiedniu, gdzie na tamtejszym uniwersytecie zdobył doktorat w 1910 roku. Jego kariera rozwijała się błyskawicznie na uczelniach w Niemczech, włączając w to krótki epizod na Uniwersytecie Wrocławskim. Jednak jego pryncypialny sprzeciw wobec nazizmu zmusił go do opuszczenia kraju w 1934 roku. Po latach tułaczki, w której towarzyszył mu nawet Albert Einstein, w 1940 roku osiadł w Dublinie. Odegrał tam kluczową rolę, tworząc Dublin Institute for Advanced Studies, gdzie przez wiele lat kierował Szkołą Fizyki Teoretycznej. To właśnie w Irlandii napisał swoje słynne dzieło filozoficzne i również autorem książki, o której za chwilę opowiem – „Czym jest życie?” („What is Life?”).

Czym jest równanie Schrödingera i dlaczego wstrząsnęło nauką?

Wyobraź sobie wzór, który dla świata cząstek jest tym, czym prawa Newtona dla obiektów makroskopowych. To właśnie równanie Schrödingera – matematyczne narzędzie, które stało się fundamentem mechaniki kwantowej i zrewolucjonizowało nasze postrzeganie materii na poziomie subatomowym. To odkrycie otworzyło drzwi do zrozumienia, jak zbudowany jest atom i co sprawia, że wiązania chemiczne w ogóle istnieją. Jego praca „Quantisierung als Eigenwertproblem” (Kwantowanie jako zagadnienie własne), opublikowany w 1926 roku, był momentem przełomowym. To w serii tych artykułów opisał swoje słynne równanie falowe, dając solidne podstawy matematyczne dla idei, że cząstki, takie jak elektrony, zachowują się jak fale. To miało podstawowe znaczenie dla całej nauki.

Jak to właściwie działa?

Nie martw się, nie potrzebujesz zaawansowanej matematyki, by pojąć sedno. Równanie Schrödingera opisuje, jak w czasie zmienia się tzw. funkcja falowa, która jest sercem układu kwantowego. Sama funkcja nie jest czymś, co możemy zmierzyć bezpośrednio. Jej kwadrat określa jednak samo prawdopodobieństwo znalezienia cząstki – na przykład elektronu – w konkretnym miejscu i czasie. Dzięki temu fizycy mogą przewidywać prawdopodobne stany i zachowania cząstek wewnątrz atomu, co wcześniej było absolutnie niemożliwe. W skrócie: równanie to przewiduje przyszłość cząstki, ale w kategoriach szans, a nie pewności.

Słynny eksperyment, który nigdy się nie odbył – paradoks kota Schrödingera

Kot Schrödingera to najsłynniejszy eksperyment myślowy w historii nauki. Ważne jest, by zrozumieć, że żaden kot nie ucierpiał – to była czysto teoretyczna prowokacja. Schrödinger użył jej, by w obrazowy sposób skrytykować dominującą wówczas kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwantowej. Chciał pokazać, jak dziwaczne i sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem stają się reguły kwantowe, gdy próbujemy przenieść je do naszego świata.

Na czym polegał ten myślowy eksperyment?

Schrödinger opisał scenariusz, w którym w szczelnie zamkniętym pudełku umieszczono kilka elementów. Układ ten, wykorzystywanym do zilustrowania problemu, zawierał:

• Żywego kota,
• Pojemnika z trującym gazem (np. cyjanowodorem) i młotkiem,
• Licznik Geigera,
• Pojedynczy atom promieniotwórczy.

Mechanizm jest prosty. Istnieje 50% szans, że w ciągu godziny atom ulegnie rozpadowi. Jeśli tak się stanie, licznik Geigera to wykryje i uruchomi młotek, który rozbije pojemnik z trucizną, uśmiercając kota. Zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, dopóki nie dokonamy pomiaru (czyli nie otworzymy pudełka), atom jest w stanie superpozycji – jest jednocześnie rozpadnięty i nierozpadnięty. A skoro los kota jest nierozerwalnie związany ze stanem atomu, to logicznie rzecz biorąc, kot również jest w superpozycji. Jest jednocześnie żywy i martwy. Dopiero akt obserwacji zmusza układ do „wybrania” jednego stanu. Ten eksperyment dowodzi absurdu wynikającego z przeniesienia reguł mikroświata do makroświata. To błyskotliwy opis, który stał się atrakcyjnym motywem w literaturze i kulturze, symbolizując sytuacje pełne niepewności.

Co jeszcze zawdzięczamy Schrödingerowi?

Chociaż najbardziej znany jest z równania i paradoksalnego kota, Erwin Schrödinger był myślicielem wszechstronnym. Jego wkład w naukę jest znacznie szerszy. Był autorem wielu prac, które miały ogromne znaczenie dla różnych dziedzin fizyki i nie tylko. Co ciekawe, stworzył podwaliny rachunku zaburzeń, zajmował się teorią barw, a także termodynamiką statystyczną (statistical thermodynamics).

Wyróżnienia i inne osiągnięcia

Jego przełomowe prace nie pozostały niezauważone. Oto kilka z jego najważniejszych osiągnięć:

• Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki: Otrzymał ją w 1933 roku, uhonorowany wraz z P.A.M. Diracem, za „odkrycie nowych, płodnych aspektów teorii atomów”.
• Książka „Czym jest życie?”: W tej książce z 1944 roku jako fizyk zadał fundamentalne pytania o biologię. Jego rozważania na temat przekazywania informacji biologicznej w „aperiodycznym krysztale” stały się bezpośrednią inspiracją dla Watsona i Cricka w ich drodze do odkrycia struktury DNA. Jego książka była iskrą zapalną dla rewolucji w biologii molekularnej.
• Wkład w termodynamikę: Jego prace pomogły ugruntować statystyczne podstawy drugiej zasady termodynamiki, budując most między światem mikro i makro. Był też członkiem Papieskiej Akademii Nauk, co świadczy o jego szerokich horyzontach, mimo że sam nie uważał się za osobę religijną, chociaż był wychowany jako katolik.

Dziedzictwo, które jest nadal żywe

Erwin Schrödinger nie był tylko genialnym naukowcem; był głębokim myślicielem, który nie bał się zadawać pytań wykraczających poza swoją dziedzinę. Jego równanie falowe jest podstawą technologii, od laserów po komputery kwantowe. Jego kot na zawsze zmienił popkulturę, a jego książka o życiu pchnęła na nowe tory całe nauki przyrodnicze. Zmarł w 1961 roku i został pochowany w Alpbach w Austrii, gdzie miejscowy kapłan odpowiedzialny za cmentarz zezwolił na jego pochówek mimo że nie był mieszkańcem, co było wyrazem szacunku dla jego wkładu. Jego dziedzictwo to dowód na to, jak wielka ciekawość jednego człowieka może zmienić nasze rozumienie całości – od najmniejszych cząstek po samo życie.

Erwin Schrödinger w pigułce