Hver var Erwin Schrödinger og hvert var framlag hans til skammtafræðinnar?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hver var Erwin Schrödinger og hvert var framlag hans til skammtafræðinnar?
Austurríski eðlisfræðingurinn Erwin Schrödinger (f. 12.8. 1887 í Vín, d. þar 4.1. 1961) var einn af frumkvöðlum skammtafræðinnar og meðal merkustu vísindamanna tuttugustu aldar. Bylgjujafnan, sem hann setti fram árið 1926 og við hann er kennd, er lykillinn að skilningi nútímaeðlisfræði á gerð og hegðun frumeinda og sameinda. Hún er jafnframt ein helsta undirstaða þéttefnisfræði, efnafræði og sameindalíffræði.

Erwin Schrödinger nam eðlisfræði og stærðfræði við háskólann í Vín 1906-1910 og voru aðalkennarar hans Franz Exner (1849-1926) og Friedrich Hasenöhrl (1874-1915). Hann stundaði síðan rannsóknir í tilraunaeðlisfræði og kennilegri eðlisfræði í Vín, og eftir herþjónustu 1914-1918 gegndi hann háskólastöðum í Jena, Stuttgart og Breslau. Árið 1921 varð hann prófessor við háskólann í Zürich og starfaði þar þegar hann birti árið 1926 röð af fimm ritgerðum um skammtafræði sem ollu byltingu í eðlisfræði. Fyrir þetta afrek hlaut hann Nóbelsverðlaun árið 1933.

Skammtafræði á rætur að rekja til rannsókna á útgeislun ljóss frá heitum hlutum á síðari hluta nítjándu aldar. Það er alkunna, að járnstykki verður fyrst rauðglóandi og síðan hvítglóandi þegar það er hitað. Þessi litarbreyting er hins vegar með öllu óskiljanleg ef aðeins er beitt sígildri eðlisfræði. Árið 1900 sýndi þýski eðlisfræðingurinn Max Planck (1858-1947) hvernig skýra megi fyrirbærið ef gert er ráð fyrir því að orkuskipti milli frumeinda efnisins og geislunarinnar gerist ekki á samfelldan hátt heldur í skömmtum þar sem hver orkuskammtur er margfeldi af tíðni geislunarinnar og ákveðnum náttúrufasta. Þessi fasti er kallaður fasti Plancks og hann er agnarsmár á þá kvarða sem notaðir eru í daglegu lífi. Í heimi frumeinda og sameinda gegnir hann hins vegar lykilhlutverki.

Albert Einstein beitti hugmyndinni um orkuskömmtun árið 1905 til að útskýra ljósröfun, og Niels Bohr setti 1913 fram líkan af vetnisfrumeind þar sem skömmtun hverfiþunga rafeindar á hugsaðri braut um frumeindakjarnann er notuð til að skýra litrófslínur vetnis. Þessar hugmyndir voru útfærðar nánar á flóknari frumeindir og sameindir af ýmsum eðlisfræðingum næsta áratuginn, en þetta líkan var engu að síður langt frá því að veita fullnægjandi skilning á viðfangsefninu.

Árið 1925 kom Werner Heisenberg (1901-1976) fram með nýjar hugmyndir og lagði ásamt Max Born (1882-1970) og Pascual Jordan (1902-1980) grunninn að svonefndri fylkjaaflfræði, sem er alhæfing á sígildri aflfræði. Alhæfingin felst í því að mælistærðir hlíta öðrum reiknireglum en í sígildri aflfræði þannig að margfeldi tveggja slíkra stærða fer eftir því í hvaða röð þær eru margfaldaðar saman. Fasti Plancks tiltekur muninn á útkomunni þegar röðinni er víxlað. Þar sem fastinn er mjög lítill er munurinn hverfandi þegar um mælistærðir fyrir stórar agnir er að ræða, en hann skiptir hins vegar miklu máli í heimi smásærra agna. Með þessum nýju aðferðum mátti skýra fjölmörg fyrirbæri í eðlisfræði frumeinda sem höfðu verið óskiljanleg áður og fylkjaaflfræði hefur verið óaðskiljanlegur hluti af skammtafræði æ síðan.

Hugmyndir Schrödingers, sem hann setti fram í ritgerðaröðinni 1926 og áður var getið, áttu sér allt aðrar rætur. Franski eðlisfræðingurinn Louis de Broglie (1892-1987) hafði árið 1924 stungið upp á þeim möguleika að allar efnisagnir hefðu bylgjueiginleika þar sem bylgjulengdin er í öfugu hlutfalli við skriðþunga þeirra. Þessir bylgjueiginleikar koma meðal annars fram í bylgjuvíxlum þar sem tveir öldutoppar styrkja hver annan en öldudalur vegur upp öldutopp þar sem þeir mætast.

Eitt helsta afrek Schrödingers var að finna stærðfræðilega jöfnu sem lýsir því nákvæmlega hvernig bylgjur de Broglies hegða sér þegar kraftar verka á agnirnar sem þær lýsa. Sér í lagi tókst honum að reikna út bylgjurnar sem samsvara mismunandi hreyfingarástandi rafeindarinnar í vetnisfrumeind og ákvarða með því litróf frumeindarinnar. Það sem meira var, aðferðin var almenn og hægt að alhæfa hana á hvaða frumeindir og sameindir sem er. Með þessari aðferð birtist „skömmtun“ orkunnar í frumeindum sem eðlileg afleiðing þeirrar staðreyndar að standandi bylgjur geta ekki haft hvaða tíðni sem er heldur aðeins tiltekin teljanleg gildi.

Við fyrstu sýn virtust lítil tengsl milli bylgjuaflfræði Schrödingers annars vegar og fylkjaaflfræði Heisenbergs, Borns og Jordans hins vegar. Báðar aðferðir gáfu hins vegar sömu niðurstöður þegar þeim var beitt á sömu verkefnin. Schrödinger sýndi fram á að þetta var engin tilviljun: Stærðfræðilega eru báðar aðferðirnar jafngildar. Aðferð Schrödingers hefur meðal annars þann kost að hún gefur myndræna lýsingu á ýmsum fyrirbærum eins og dreifingu rafhleðslunnar í frumeindum og sameindum. Myndir af efnatengjum í kennslubókum í efnafræði eru oft í raun myndir af standandi bylgjum í skilningi Schrödingers. Fylkjaaflfræðin er sértækari þar sem hún byggist á reiknireglum sem eiga sér ekki alltaf myndræna samsvörun, en hefur oft aðra kosti. Í nútímaskammtafræði eru báðar aðferðir nú oftast notaðar jöfnum höndum.

Þótt skammtafræði væri í meginatriðum fullsköpuð á árunum 1925-1927 var túlkun hennar umdeild (og er það jafnvel enn í dag). Margir af fremstu eðlisfræðingum aldarinnar, ekki síst Niels Bohr og Albert Einstein, en einnig Schrödinger, reyndu að kryfja ráðgátur hennar til mergjar. Frægt framlag Schrödingers til þessarar umræðu var hugsuð tilraun sem kennd er við „kött Schrödingers” og hann lýsti árið 1935. Í þessari tilraun er sundrun frumeindakjarna í geislavirku efni látið koma af stað atburðarás sem endar með því að köttur lætur lífið af blásýrueitrun. Engin leið er hins vegar að segja til um, hvenær sundrunin verður og þessi óvissa veldur því að samkvæmt skammtafræði er kötturinn lengst af í eins konar millibilsástandi milli lífs og dauða. Schrödinger notaði þetta dæmi til að rökstyðja að viðtekin túlkun skammtafræði hefði mjög undarlegar afleiðingar þegar henni væri beitt á stór kerfi eins og ketti.

Ferli Schrödingers var hvergi nærri lokið eftir að hann setti fram bylgjujöfnuna árið 1926 þótt ekkert af síðari verkum hans jafnist á við þetta meistarastykki. Hann varð eftirmaður Max Planck í Berlín 1927 en ákvað að yfirgefa Þýskaland 1933 þegar nasistar komust þar til valda. Næstu sjö árin starfaði hann í mörgum löndum en árið 1940 bauð forseti Írlands honum að setjast að í Dublin og gegna forstöðu í nýrri vísindastofnun. Þar starfaði hann síðan til 1956 þegar hann þáði boð um að taka við sérstöku prófessorsembætti við háskólann í Vín. Hann andaðist þar í borg úr berklum árið 1961.

Schrödingar var mikill andans maður og áhugamál hans voru margvísleg utan eðlisfræðinnar. Hann var málamaður og ritsnjall á mörg tungumál. Meðal frægra rita hans fyrir almenna lesendur eru ritgerðirnar What is Life, Mind and Matter, My View of the World og Nature and the Greeks.

Frekara lesefni:

• Moore, Walter, Schrödinger, Life and Thought, Cambridge: Cambridge University Press, 1992.
• Gribbin, John, Schrödinger and the Quantum Revolution, Hoboken, NJ: Whiley, 2013.

Myndir:

• Find a Grave. Sótt 16.2.2011.
• Wikipedia.com - brjóstmynd af Erwin Schrödinger. Stendur við háskólann í Vín. Sótt 16.2.2011.

Hér er einnig svarað spurningu Magnúsar Heimis Jónassonar:

Út á hvað gengur kenningin um kött Schrödingers?

...