На волне Вселенной. Шрёдингер. Квантовые парадоксы

Однако именно под духовным покровительством отца современной термодинамики Шрёдингер приобщился к физике. Больше всего в период обучения на юношу повлияли Фридрих Хазенёрль и Франц Экснер — бывшие ученики Больцмана, вынужденные волею судьбы распоряжаться его наследием. Это наследие коротко можно охарактеризовать так: «атомарные основы материи пронизывают физику своей статистической природой». Именно лекции Фридриха Хазенёрля, который заменил Больцмана на кафедре теоретической физики, укрепили растущий интерес Шрёдингера к этой науке.

Победа хаоса

Законы термодинамики устанавливались эмпирически, этот медленный и трудоемкий процесс занял весь XIX век. В это время были популярны опыты с шестернями, котлами и поршнями, а заголовки первых работ — такие как «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824) Сади Карно или «О движущей силе теплоты и о законах у которые можно отсюда получить для теории теплоты» (1850) Рудольфа Клаузиуса — подчеркивают царившее в те годы желание добиться от тепла максимальной промышленной эффективности. В эти годы инженеры регулярно публиковали свои теоретические размышления, патентуя открытия. Они не углублялись в три закона термодинамики, применявшиеся к системам гораздо более сложным, чем паровой двигатель, который служил инженерам источником вдохновения. Эта работа продемонстрировала, что можно анализировать очень сложные системы и формулировать законы, касающиеся их, не понимая внутренней структуры объекта. Для того чтобы изучать свойства воздушного или теплового потока, никто не прибегает к рентгенографии, позволяющей разглядеть эти явления во всех деталях.

Первоначально термодинамика ограничивалась изучением материи и ее свойств, не учитывая ее структуры. Постепенно она начала работать и с другими категориями — такими же понятными (объем), не наглядными, но интуитивными (температура или давление), отчасти метафизическими (тепло и энергия) или совсем уж загадочными (энтропия). Сади Карно даже описал цикл работы тепловых машин, не обращаясь к идее молекул и вообще исходя из соображений о том, что тепло есть невидимая жидкость.

Подвергнув термодинамику статистической интерпретации, Людвиг Больцман, Джеймс Клерк Максвелл и Джозайя Гиббс совершили переворот в науке. Основываясь на атомарной гипотезе, согласно которой материя состоит из бесчисленного количества частиц (атомов или молекул), подчиняющихся законам механики Ньютона, ученые успешно применили эту гипотезу к идеальному газу (газ, между молекулами которого не действуют силы притяжения или отталкивания). Законы вероятности могут дать весьма сомнительный результат, если применить их к ограниченному числу образцов, но они оказываются безошибочными в большом масштабе. А недостатка в объекте для исследований ученые не испытывали, поскольку материя содержит порядка 2 х 10¹⁹ молекул на кубический сантиметр воздуха. Благодаря трудам Больцмана, Максвелла и Гиббса был переброшен мост между физикой повседневной жизни и молекулярным уровнем, и все тайны и сомнения, окружавшие до сих пор теорию термодинамики, рассеялись. Давление теперь объяснялось столкновениями миллиардов молекул со стенками сосуда, а измеряемая температура — их средней скоростью движения... Известные соотношения, такие как обратная зависимость между объемом и давлением газа, продемонстрированная в лаборатории Роберта Бойля, наконец обрели смысл: чем меньше свободного пространства для молекул, тем чаще они наталкиваются на стенки. Этот успех привел к признанию молекулярной гипотезы. Совместно с физикой, статистика открывала возможности для проектов и экспериментов, ранее недоступных.

Эта область математики позволяла тестировать атомарные модели вещества, широко экстраполируя их характеристики и сравнивая прогнозы с наблюдениями. Прекрасным примером является проведенный Эйнштейном анализ хаотических траекторий крошечных частиц, взвешенных в жидкости (броуновского движения), которые таким образом реагируют на постоянные столкновения с миллионами молекул воды.

Больцман заново открыл классическую термодинамику, введя концепцию энтропии, — ее часто определяют как измерение уровня хаоса в системе. Положение и скорость триллионов молекул — частиц, составляющих газ или вещество, — могут индивидуально варьироваться без каких-либо изменений — с нашей точки зрения — общего состояния образуемой ими системы. Другими словами, бесконечное количество различных состояний на атомном уровне (в микроскопическом масштабе) неразличимо на нашем (в макроскопическом). В терминах термодинамики мы говорим о разных конфигурациях вещества, соответствующих одному и тому же состоянию. Молекулы, находящиеся в воздухе комнаты, постоянно меняют свое положение, хотя человек при этом не заметит никаких изменений температуры, давления или объема, занимаемого молекулами. Энтропия становится мерой микроскопических изменений, которые могут происходить в системе незаметно для нас.

Второй парадокс Шрёдингера