اروین شرودینگر کیست؟ مروری بر زندگی‌ فیزیک‌دان برجسته قرن بیستم

میان نام‌های آشنای فیزیک‌دانان قرن بیستم که هریک در دوران خود به پیشرفت چشمگیر این رشته کمک کردند، نام «اروین شرودینگر» می‌درخشد. شرودینگر در مطالعات خود توانست فرمول‌بندی خاصی از مکانیک کوانتومی را ارایٔه کند که امروزه از مشهورترین نظریه‌هاست. در این مقاله قصد داریم زندگینامه این دانشمند برجسته را مرور کنیم.

اروین شرودینگر کیست؟

«اروین رودولف الکساندر شرودینگر» ۱۲ آگوست ۱۸۸۷ در وین، پایتخت کشور اتریش، متولد شد. پدرش «رودولف شرودینگر»، گیاه‌شناس و استاد دانشگاه بود. مادر او نیز، «جورجین بایٔر»، فرزند یکی از استادهای شیمی بود.

اروین تنها فرزند این زوج بود. او دانش‌آموز تیزهوشی بود و علاوه‌براین، به‌دنیاآمدن در خانواده‌ای علمی به او کمک کرده بود استعدادهایش را بهتر بشناسد و شکوفا کند. اروین به ریاضی و فیزیک علاقه وافری داشت و آن‌طور که نقل شده، به‌راحتی بر مباحث جدید مسلط می‌شد. همچنین به درس زبان‌های باستانی و مدرن و شعر علاقه داشت.

اروین سال ۱۹۰۶، پس از آنکه دبیرستان خود را در مدرسه‌ای در وین با نمرات عالی به پایان رساند، وارد دانشگاه وین شد و سال ۱۹۱۰ دکترایش را گرفت. موضوع پایان‌نامه او «رسانش الکتریسیته روی سطح عایق‌ها در هوای مرطوب» بود.

مسیر شغلی اروین شرودینگر

پس از کسب مدرک دکتری، اروین به‌عنوان دستیار «فرانتس اکسنر»، از اساتید آن دانشگاه، کار تحقیقاتی خود را آغاز کرد. او در این دوره بیشتر روی مرور کارهای علمی سایر دانشجویان متمرکز بود و همین مسیٔله باعث شد نگاه جامع و گسترده‌ای به زیرشاخه‌های مختلف علم داشته باشد.

با شروع جنگ جهانی اول، اروین شرودینگر ناچار شد سمت علمی خود به‌عنوان دستیار را در دانشگاه وین ترک کند و در مقام افسر اول توپخانه وارد ارتش شد.

چند سال بعد، حدود سال ۱۹۲۰، اروین پیش از پذیرش کرسی استادیاری در «اشتوتگارت»، به‌عنوان دستیار «ماکس وین» در «Jena» به دنیای علم بازگشت اما عمر این همکاری چندان طولانی نبود و شرودینگر پس از یک سال بر کرسی استادیاری نشست. البته این موقعیت نیز دوامی نداشت و ناچار شد کمتر از یک سال پس از انتصابش به این سمت، آنجا را به مقصد دانشگاه زوریخ ترک کند.

اروین حدود 6 سال در دانشگاه زوریخ ماند و از زمان ورود خود به این دانشگاه -سال ۱۹۲۱- مشغول مطالعه ساختار اتمی شد. سال ۱۹۲۴، به‌طور ویژه در زمینه آمار کوانتومی پژوهش کرد و از اینجا بود که موفق شد معادلات موجی را که در مکانیک کوانتومی نقش اصلی و گسترده دارند، بنویسد. در ادامه، مهم‌ترین معادله او را که نقش اساسی در علم مکانیک کوانتومی دارد، مرور می‌کنیم. او فقط در چند ماه توانست مکانیک موجی را توسعه دهد و در 4 مقاله آن را به‌شکل نهایی برساند.

سال ۱۹۲۶، پس از آنکه فیزیک‌دان، «ماکس پلانک»، از دانشگاه برلین بازنشسته شد، شرودینگر به‌جای او بر کرسی استادی نشست. او و دوستان فیزیکدانش ازجمله «آلبرت اینشتین»، پلانک و «فون لایٔو» مکانیک موجی را به‌صورت پیوسته مطالعه می‌کردند؛ به‌این‌ترتیب جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۳۳ به شرودینگر اهدا شد.

سال ۱۹۴۰، شرودینگر از وزیر وقت دعوت‌نامه‌ای دریافت کرد تا به راه‌اندازی مؤسسه مطالعات پیشرفته دوبلین ایرلند کمک کند. همان سال به دوبلین مهاجرت کرد و کارش را در جایگاه مدیر مدرسه فیزیک نظری آغاز کرد. مدتی که او در این مرکز مشغول به کار بود، بیش از ۵۰ مقاله در موضوعات مختلف ازجمله زیست‌شناسی و تاریخ علم نوشت. از میان این مقالات، می‌توان به کاوش‌ها و مطالعات او در زمینه «نظریه همه‌چیز» اشاره کرد که می‌کوشد نیروهای اساسی عالم را متحد کند. کتاب «?What Is Life» یا «زندگی چیست؟» که سال ۱۹۴۴ منتشر شد، از دیگر نوشته‌های ارزشمند او در این سال‌هاست. در این کتاب نشان می‌دهد چطور می‌توان از فیزیک کوانتومی در تفسیر پایداری ساختارهای ژنتیکی استفاده کرد.

سال ۱۹۵۵ شرودینگر از این مرکز بازنشسته شد و سال بعد به وین، زادگاه خود، بازگشت و تا آخرین لحظات زندگی خود به مطالعه در زمینه نسبیت عام، ریاضیات، عرفان و ادبیات پرداخت.

اروین شرودینگر؛ بنیانگذار فیزیک کوانتوم

مطالعات شرودینگر در زمینه‌های ترمودینامیک و مکانیک آماری به او کمک کرد سال ۱۹۲۶ یکی از پایه‌های مکانیک کوانتومی را ایجاد کند. او در این سال یک معادله دیفرانسیل نوشت که کاربرد گسترده‌ای در این شاخه از فیزیک دارد. امروزه در فیزیک این معادله را با نام «معادله شرودینگر» می‌شناسیم. این معادله دیفرانسیلی برای توصیف چگونگی تغییر حالت کوانتومی سیستم فیزیکی طی زمان کاربرد دارد. در تصویر زیر، ساختار ظاهری این معادله را مشاهده می‌کنیم.

آنچه مشاهده کردید، درحقیقت معادله شرودینگر یک‌بعدی برای یک ذره آزاد است. بااینکه نمی‌توان معادله شرودینگر را از دیگر اصول اساسی فیزیک استخراج کرد، مشخص شده است این معادله در پیش‌بینی آزمایش‌ها بسیار دقیق و موفق بوده است؛ به‌عبارت‌دیگر، می‌توان گفت این معادله خود از اصول اساسی علم فیزیک است.

شرودینگر در استخراج این معادله، نظریه فیزیک‌دانی به نام «لویٔی دوبروی» را پذیرفته که می‌گوید ذرات بنیادی در عالم -مانند الکترون، پروتون، فوتون و غیره- ماهیت دوگانه دارند و در برخی مواقع رفتاری مانند ذره یا موج از خود نشان می‌دهند. آنچه شرودینگر در این معادله بر آن تمرکز کرده، رفتار موجی ذرات است. جواب‌های این معادله دیفرانسیلی از مفهومی به نام «احتمال» صحبت می‌کنند. جالب است بدانید برخی منتقدین علم باور دارند این معادله از مهم‌ترین دستاوردهای علمی بشر در قرن بیستم است.

مفهوم احتمال در معادله شرودینگر

برای آنکه درک بهتری از مفهوم احتمال داشته باشیم، باید نظریه معادله شرودینگر را با معادلات نیوتن قیاس کنیم. در معادلات نیوتن، همواره با دانستن سرعت و جرم جسم (ذره) می‌توان جایگاه آن برای لحظات بعدی را محاسبه کرد؛ برای مثال، می‌توان گفت اگر ذره‌ای با سرعت و جرم مشخص در نقطه فرضی x باشد، 5 ثانیه بعد کجا خواهد بود اما در مکانیک کوانتومی که معادله شرودینگر یکی از معادلات اساسی آن است، هیچ‌گاه نمی‌توان موقعیت یک ذره را با این قطعیت و دقیق مشخص کرد؛ به‌عبارت‌دیگر، با حل این معادلات درمی‌یابیم احتمال حضور ذره در موقعیت فرضی x چقدر است. این مفهوم انتزاعی‌تر از آن چیزی است که در فیزیک کلاسیک با آن سروکار داریم؛ مکانیک کوانتومی با وقوع احتمالی رویدادهای فیزیکی مرتبط است.

نظریه میدان کوانتومی

شرودینگر پس از کار روی نظریه مکانیک کوانتومی، زمان ویژه‌ای را صرف کار روی نظریه میدان کوانتومی کرد تا گرانش، الکترومغناطیس و نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف را در چارچوب اساسی نسبیت عام با یکدیگر متحد کند، نظریه‌ای که آلبرت اینشتین نیز سال‌های زیادی روی آن کار کرد. این نظریه که امروزه آن را با نام «نظریه وحدت» می‌شناسیم، هنوز ساختار جامعی که موردقبول دانشمندان باشد، به خود نگرفته است.

شرودینگر پس از شکست‌های متعدد در طرح این نظریه، این مسیٔله را رها کرد و به بررسی موضوعات دیگر روی آورد.

فراتر از فیزیک

شرودینگر به‌دلیل تطبیق‌پذیری فکری فوق‌العاده‌اش میان تمام فیزیک‌دانان نسل خود برجسته و سرشناس بود. او به فلسفه و ادبیات غرب نیز علاقه داشت. بااینکه زبان مادری‌ای اتریشی بود، بیشتر نوشته‌هایش به زبان انگلیسی هستند؛ زبانی که در کودکی آموخته بود. مطالعات او درباره علم و فلسفه یونان باستان که سال ۱۹۵۴ در کتاب «طبیعت و یونانیان» منتشر شد، دیدگاه‌های یونانیان را در علم تحسین می‌کند.

از سوی دیگر، کتاب «دیدگاه من از جهان» نوشته اروین شرودینگر که سال ۱۹۶۱ چاپ شده است، نگرش او از متافیزیک و عرفان را بیان می‌کند.

شرودینگر همچنین علاقه خاصی به روانشناسی داشت و مقالات متعددی در این زمینه نوشت.

او همچنین مقالات فلسفی را با پشتکار بالایی دنبال می‌کرد و تفکرات خود را تحت‌تأثیر آثار «آرتور شوپنهاور» و «باروخ اسپینوزا» می‌دانست. او در سخنرانی سال ۱۹۵۶ با عنوان «ذهن و ماده» گفت جهان گسترده شده در فضا و زمان فقط نمایی از ماست. این نظریه در حقیقت تعبیر متفاوتی از باورها و جملات شوپنهاور است که شرودینگر در سخنرانی خود مطرح کرده است.

شرودینگر به‌دلیل استعدادهای فوق‌العاده‌اش توانست تقریباً در همه شاخه‌های علم و فلسفه سهم‌ قابل‌توجهی داشته باشد. در زمانی که گرایش عموم به سمت افزایش تخصص فنی در علم بود، دستاوردهای او منحصربه‌‌فرد بودند. شهرت علمی وی سبب شد ۱۵ سال تصویر او روی اسکناس‌های اتریشی چاپ شود و یک دهانه روی ماه به نام او نامگذاری شود.

اروین شرودینگر ۴ ژانویه ۱۹۶۱ در ۷۳ سالگی بر اثر بیماری سل در وین اتریش، زادگاه خود، درگذشت. پیکر او در شهر «آلپباخ» به خاک سپرده شده است.

جمع‌بندی

اروین شرودینگر فیزیک‌دان اتریشی است که سال ۱۹۳۳ برنده جایزه نوبل فیزیک شد. شرودینگر را می‌توان یکی از برجسته‌ترین شخصیت‌های قرن بیستم دانست. او به‌خاطر توسعه معادله‌ای که امروزه معادله شرودینگر شناخته می‌شود، به شهرت رسید. معادله شرودینگر راهی برای محاسبه تابع موج یک سیستم و چگونگی تغییر آن به‌صورت پویا در زمان را فراهم می‌کند. شرودینگر همچنین مفهوم درهم‌تنیدگی کوانتومی را نیز مطرح کرد.

سؤالات رایج