بیوگرافی اروین شرودینگر؛ نابغه‌ای فراتر از فیزیک

چه کسی فکرش را می‌کرد که فیزیکدانی اتریشی بتواند با گربه‌ای خیالی، دنیای علم را به لرزه درآورد؟ اروین شرودینگر که نامش با مفاهیم پیچیده و جذاب مکانیک کوانتومی گره خورده است، بسیاری از مفاهیم اساسی فیزیک کوانتوم را با فرمول‌های خود پایه‌گذاری کرد.

شرودینگر، مردی با علاقه‌های متنوع، از نقاشی و گیاه‌شناسی تا فیزیک، زندگی پرماجرایی را پشتِ سر گذاشت. از حضور در جبهه‌های جنگ جهانی اول تا دانشگاه‌های معتبر اروپا، این فیزیکدان همیشه در جست‌وجوی کشف حقایق جدید بود؛ اما آنچه او را به شهرت جهانی رساند، معادله‌ی مشهورش به نام معادله‌ی شرودینگر و البته آزمایش فکری «گربه‌ شرودینگر» بود.

شرودینگر با کشف معادله‌ی موج که به معادله‌ی شرودینگر نیز معروف است، مفاهیم مکانیک موجی را تدوین کرد. علاوه بر آن، او مفاهیمی از مکانیک ماتریسی را مورد مطالعه قرار داد که در نهایت به تعریف فیزیکی کامل معادله‌ی موج منجر شد. معادله‌ای که شرودینگر برای نخستین بار به‌دست آورد با آنچه امروزه از آن استفاده می‌کنیم کمی متفاوت است. او برای به‌دست آوردن معادله‌اش از بخش‌های مختلف انرژی و «اصل پایستگی انرژی» استفاده و برای به‌دست آوردن معادله‌ی معروفش از معادله‌ی موج الکترومغناطیسی در فیزیک کلاسیک شروع کرد.

آنچه ما به‌عنوان اجسام مادی و نیروها مشاهده می‌کنیم چیزی جز شکل‌ها و تغییرات در ساختار فضا نیست

- اروین شرودینگر

این دانشمند بزرگ علاوه بر فیزیک کوانتوم و مکانیک موجی، در زمینه‌های دیگر علم فیزیک نیز تألیفاتی دارد. استاتیک، ترمودینامیک، فیزیک دی‌الکتریک‌ها، تئوری رنگ، الکترودینامیک، نظریه‌ی نسبیت عام و کیهان‌شناسی، از زمینه‌های علمی‌ای هستند که شرودینگر تحقیقات و تألیفات گسترده‌ای در آن‌ها انجام داده است.

یکی از فعالیت‌های جدی شرودینگر در تحقیقات علمی مربوط به نظریه‌ی میدان یکپارچه است که دانشمندان متعددی از ماکسول و فارادی تا آلبرت اینشتین، تحقیقاتی پیرامون آن داشته‌اند. شرودینگر از فیزیکدانانی بود که علاقه‌ی زیادی به علم ژنتیک، فلسفه، اخلاق و مذاهب داشت. در این مطلب، با سرگذشت این فیزیکدان مشهور، معادله‌ی معروفش و آزمایش فکری گربه‌ای در جعبه‌ی دربسته آشنا می‌شوید.

اروین شرودینگر (با نام کامل اروین رودولف جوزف الکساندر شرودینگر) در ۱۲ آگوست ۱۸۸۷ در شهر ادربرگ در اتریش متولد شد. پدر او رودولف شرودینگر، گیاه‌شناس و مادرش جورجینا امیلیا شرودینگر، پروفسور شیمی و استاد دانشگاه صنعتی وین و اروین، تنها فرزند آن‌ها بود. اگرچه این فیزیکدان تحت حمایت مادری با مذهب لوتری (شاخه‌ی پروتستان) و پدری کاتولیک بزرگ شد، خود علاقه‌ی زیادی به ادیان شرقی و فلسفه‌ی وحدت وجود (Pantheism) داشت. پیروان این فلسفه، خدا را مرکب از کلیه‌ی نیروها و پدیده‌های طبیعی می‌دانند.

مادربزرگ مادری اروین اهل بریتانیا بود و او به‌ همین دلیل در سنین کودکی زبان انگلیسی را به‌خوبی آموخت. علاوه بر آن، او زبان فرانسه را نیز در اوقات‌فراغت خود فرا گرفت و همیشه به‌عنوان دانش‌آموزی ممتاز در مدرسه شناخته می‌شد.

علاقه‌های گسترده‌ی اروین از دوران تحصیلش در دبیرستان آغاز شد. او فردی چندبعدی بود که نه‌تنها به علوم علاقه‌ی زیادی داشت، بلکه به ادبیات و زبان‌شناسی نیز اهمیت زیادی می‌داد. این کودک نابغه، از حفظ کردن اطلاعات بدون دانستن معنای آن‌ها گریزان و به‌دنبال درک عمیق مفاهیم بود. این خصوصیت، سال‌ها بعد تأثیر شگرفی بر نگرش اروین شرودینگر به علم و پژوهش گذاشت.

شرودینگر سال ۱۹۰۶ وارد دانشگاه وین شد و تحت سرپرستی اساتید معتبری همچون فرانز اس اکسنر و فریدریش هازنواورل که جانشین بولتزمن بود، به تحصیلات خود ادامه داد. شرودینگر در این دوران به مسائل مقدار ویژه در فیزیکِ محیط‌های پیوسته، مسلط شد و بعدها در کارهای مهمش از این موضوع استفاده کرد.

شرودینگر پس از فارغ‌التحصیلی و کسب مدرک دکتری در سال ۱۹۱۰، به‌عنوان دستیار فرانز اکسنر، در کنار دوستش فریدریش کلراوش، آزمایش‌های عملی را در زمینه‌ی فیزیک برای دانشجویان اجرا کرد؛ هرچند خودش علاقه‌ای به انجام آزمایش‌ها نداشت.

جهان تنها یک بار به من داده شده است، نه یک بار به‌عنوان موجودیت و یک بار به‌عنوان ادراک. سوژه و شیء یکی هستند. نمی‌توان گفت که مرز بین آن‌ها به دلیل تجربیات اخیر در علوم فیزیکی فرو ریخته است، زیرا چنین مرزی وجود ندارد.

- اروین شرودینگر

در سال ۱۹۱۲، به درخواست مؤلفان کتاب «The Handbook of Electricity and Magnetism»، شرودینگر مقاله‌ای تحت عنوان Dieelectrism منتشر کرد. مطالعات این دانشمند در زمینه‌ی تشعشعات رادیواکتیو نیز همزمان با فعالیت‌های دیگر با قدرت ادامه داشتند. او در سال ۱۹۱۲ نتیجه‌گیری نظری خود در مورد ارتفاع نسبی تشعشعات مواد رایواکتیو را مطرح کرد و سال‌ها بعد نیز آزمایش‌هایی را در ارتباط با آن انجام داد. هدف اصلی این آزمایش‌ها، تخمین رادیواکتیویته‌ی اتمسفر بود. با آغاز جنگ جهانی اول در سال ۱۹۱۴، شرودینگر به‌عنوان افسر توپخانه مشغول ِخدمت شد.

اولین تحقیقات شرودینگر پس از فارغ التحصیلی از دانشگاه، بررسی فرمول‌هایی برای تخمین فشار مویرگی در حباب‌های گازی و مطالعه‌ی ویژگی‌های تشعشعات مختلف بود. اروین شرودینگر در سال ۱۹۱۴، درجه‌ی ممتاز علمی Habilitation را دریافت کرد. آخرین آزمایش‌های شرودینگر روی نورهای منسجم در سل ۱۹۱۹ انجام شد و پس از آن، او به مطالعه‌ی نظری صرف پرداخت.

شرودینگر بین سال‌های ۱۹۲۰ تا ۱۹۲۶ در دانشگاه‌های مختلف آلمان و سوئیس به تدریس و تحقیق مشغول بود. پس از اتمام جنگ، اروین به‌عنوان دستیار مکس وین، دانشمند آلمانی در شهر ینا مشغول به کار شد. در سال ۱۹۲۰، با کسب کرسی استادیاری از دانشگاه اشتوتگارت، شرودینگر رسماً وارد عرصه‌ی آکادمیک شد. سپس، در دانشگاه برسلاو و پس از آن، به مدت شش سال در دانشگاه زوریخ به تدریس و پژوهش پرداخت. شش سال حضور در زوریخ، فصل مهمی را در زندگی علمی او رقم زد.

شرودینگر سال‌ها بعد با یادآوری خاطرات خود در زوریخ، از آن دوران به‌عنوان سال‌های طلایی زندگی علمی خود یاد کرد. او در زوریخ دوستان و همکاران خوبی مانند هرمان ویل و پیتر دبای یافت و از معاشرت با آن‌ها لذت بسیاری برد. علاقه‌مندی‌های علمی شرودینگر در این دوره بسیار گسترده بود. او مسائل مختلفی را مانند گرمای ویژه جامدات، ترمودینامیک، طیف‌های اتمی و حتی فیزیولوژی رنگ بررسی کرد. این موضوع نشان‌دهنده‌ی ذهن کنجکاو و علاقه‌مندی شرودینگر به حوزه‌های مختلف علمی است.

در همان سال‌ها، اولین تحقیقات شرودینگر پیرامون نظریه‌های کوانتومی شکل گرفتند. نظریه‌هایی که ابتدا توسط اینشتین، مکس پلانک، نیلز بور و دیگر دانشمندان تدوین شدند. مطالعه‌ی نظریه‌های دیگر دانشمندان، دیدی کلی نسبت به فیزیک مدرن به شرودینگر داد؛ اما او هنوز آمادگی لازم برای مقابله و زیر سوال بردن مفاهیم فیزیک کلاسیک را نداشت. به‌هرحال آزمایش‌ها و تحقیقات بعدی او حول همین موارد ادامه پیدا کرد تا در نهایت توانست چالش‌هایی اساسی در فیزیک کلاسیک و مدرن وارد کند.

اولین مقالات شرودینگر در زمینه‌ی نظریه‌ی طیفی، پس از آشنایی شخصی او با سامرفلد و ولفگانگ پائولی شکل گرفتند. اولین مقاله‌ی او نیز پس از مدت کوتاهی در این زمینه منتشر شد. این مقاله به بررسی اثر مشهور بور-سامرفلد می‌پرداخت و در سال ۱۹۲۱ چاپ شد.

اثرگذاری معادله‌ی شرودینگر بر جامعه‌ی علمی آن زمان، فراتر از تصور بود و انقلابی در فیزیک و شیمی ایجاد کرد. بسیاری از دانشمندان، این دستاورد را یکی از مهم‌ترین اکتشافات قرن بیستم می‌دانستند و می‌دانند. اهمیت معادله‌ی شرودینگر به حدی بود که هفت سال پس از انتشار آن و در سال ۱۹۳۳، شرودینگر به همراه پائول دیراک، به دلیل سهم برجسته‌شان در توسعه‌ی مکانیک کوانتومی، موفق به دریافت جایزه‌ی نوبل فیزیک شدند.

چارچوب ریاضی نظریه‌ی کوانتومی آزمایش‌های بی‌شمار را با موفقیت‌ پشت سر گذاشته و اکنون به‌طور جهانی به‌عنوان یک توصیف سازگار و دقیق از تمام پدیده‌های اتمی پذیرفته شده است.

- اروین شرودینگر

با روی کار آمدن حزب نازی در سال ۱۹۳۴ در آلمان، آرامش علمی شرودینگر به‌هم خورد. بنابراین، او با ترک آلمان، در دانشکده‌ی مگ‌دالن دانشگاه آکسفورد مشغول به تدریس شد. زندگی و موقعیت کاری شرودینگر در دانشگاه آکسفورد خوب پیش نرفت و این دانشمند اتریشی پس از رد دعوت دانشگاه پرینستون و همچنین تلاش ناموفق برای حضور در دانشگاه ادینبورگ، در سال ۱۹۳۶ به دانشگاه گراتز در اتریش رفت. او علاوه بر تدریس، در آن زمان کرسی مدیریت دپارتمان فیزیک دانشگاه اله‌آباد هند را نیز پذیرفت.

در همین سال‌ها بود که شرودینگر با مکاتبات متعدد با آلبرت انیشتین، آزمایش فکری معروف به گربه‌ی شرودینگر را تدوین کرد. در ادامه، با این آزمایش و مفهوم آن بیشتر آشنا می‌شویم.

در سال ۱۹۳۸ و پس از واقعه‌ی آنشلوس (پیوستن اتریش به امپراتوری آلمان)، شرودینگر به‌خاطر اعتقادات ضدنازی با مشکلات متعددی روبه‌رو شد. دانشگاه گراتز او را از کار اخراج کرد و حتی نامه‌ی پشیمانی از اظهارنظرهای ضدنازی نیز کمکی به این دانشمند نکرد. علاوه بر آن، شرودینگر مورد آزار و اذیت‌های متعددی از طرف دولت قرار گرفت و به او اعلام شد که نباید کشور را ترک کند. در نهایت اروین به همراه همسرش به ایتالیا فرار کرد.

پس از پناه بردن به ایتالیا، کرسی‌های نظارتی در دانشگاه آکسفورد و گِنت در هلند به شرودینگر پیشنهاد شدند. علاوه بر آن، رئیس دولت وقت ایرلند یعنی ایمون دو والرا به شرودینگر پیشنهاد داد که در تأسیس مؤسسه‌ی تحقیقات پیشرفته در دوبلین با دولت همکاری کند.

مطالعات شرودینگر روی نظریه‌ی میدان یکپارچه در دهه‌ی ۱۹۵۰ قوت گرفت. او با همکاری اینشتین و در نظر گرفتن استانداردهای نسبیت عام، تصمیم داشت تا نیروهای گرانش، الکترومغناطیس و نیروهای هسته‌ای را در ساختاری یکپارچه تعریف کند. در سال ۱۹۴۷ او نتیجه‌ی تحقیقات خود را با عنوان Affine Field Theory در سخنرانی آکادمی سلطنتی ایرلند اعلام کرد. آلبرت اینشتین نتایج شرودینگر را مورد انتقاد قرار داد و آن‌ها را مقدماتی و ناکامل خواند. به‌هرحال این اتفاقات باعث شد تا شرودینگر مطالعه روی این مبحث را کنار بگذارد و به موضوعات دیگر در فیزیک بپردازد.

شرودینگر تا زمان بازنشستگی در سال ۱۹۵۵ در دوبلین ماند. او در سال ۱۹۵۶ به وین بازگشت. یکی از اتفاقات مهم آن سال‌ها، شرکت کردن او در کنفرانس جهانی انرژی بود. شرودینگر در این کنفرانس از صحبت کردن در مورد انرژی هسته‌ای خودداری کرد و سخنرانی خود را به مقاله‌ای فلسفی اختصاص داد. این داشمند بزرگ همیشه با شک و تردید به انرژی هسته‌ای نگاه می‌کرد.

ششم آوریل سال ۱۹۲۰، روزی بود که اروین شرودینگر، فیزیکدان نامدار، زندگی مشترک خود را با آنی برتل آغاز کرد. اما سایه‌ی بیماری سل همواره بر زندگی این زوج جوان سنگینی می‌کرد. شرودینگر بارها و بارها به دلیل عود این بیماری، در بیمارستان‌های شهر اروزا بستری شد.

علاوه بر مبارزه با بیماری، زندگی شخصی شرودینگر نیز پیچیدگی‌های خاص خود را داشت. در کنار زندگی مشترک با آنی، او به روابط عاطفی دیگری نیز مشغول بود. این روابط خارج از چارچوب، تیره‌وتار بودن برخی از سال‌های زندگی شخصی این دانشمند بزرگ را نشان می‌دهد.

از میان نوه‌های شرودینگر، نام پروفسور تری رالف بیش از دیگران می‌درخشد. تری رالف، که حاصل یکی از ازدواج‌های متعدد شرودینگر است، به وضوح تحت‌تأثیر پدربزرگش قرار گرفته و راه او را در دنیای فیزیک ادامه داده است. او هم‌اکنون به‌عنوان استاد فیزیک کوانتوم در دانشکده‌ی سلطنتی لندن مشغول به پژوهش و تدریس است.

سرانجام در چهارم ژانویه‌ی ۱۹۶۱، شرودینگر در اثر ابتلا به بیماری سل در سن ۷۳ سالگی در وین از دنیا رفت. جسد او در منطقه‌ی الپباخ اتریش در یک گورستان کاتولیک دفن شد.

گربه‌ی‌ شرودینگر یک آزمایشی واقعی و حتی بخشی از هیچ نظریه‌ی علمی نیست، بنابراین از نظر علمی چیزی را ثابت نمی‌کند. این آزمایش فکری صرفاً یک ابزار آموزشی بود که شرودینگر برای نشان دادن سوءتفاهم برخی افراد درباره‌ی فیزیک کوانتوم استفاده کرد. شرودینگر این آزمایش خیالی را طراحی کرد تا نشان دهد که تفاسیر اشتباه از فیزیک کوانتوم می‌تواند به نتایج پوچی منجر شود که با دنیای واقعی مطابقت ندارند.

متأسفانه، بسیاری از افراد، به‌خصوص در حوزه‌ی محبوب‌سازی علم، این آزمایش فکری را به‌عنوان یک واقعیت علمی پذیرفته‌اند و از آن برای توضیح دنیای واقعی استفاده می‌کنند. این سوءتفاهم باعث شده است که بسیاری از مردم درک نادرستی از نظریه‌ی کوانتوم داشته باشند.

ما به این دنیای مادی که علم تعریف می‌کند، تعلق نداریم. ما در اینجا حضور نداریم و تنها نمود فیزیکی ما در آن موجود است.

- اروین شرودینگر

در نظریه‌ی کوانتوم، ذرات کوانتومی همزمان می‌توانند برهم‌نهی حالت‌های مختلفی باشند و با برهم‌کنش با ذرات دیگر به یک حالت واحد فروپاشیده می‌شوند. برخی از دانشمندان در زمان توسعه‌ی نظریه‌ی کوانتوم (دهه‌ی ۳۰ میلادی) از علم به قلمرو فلسفه حرکت و بیان کردند که ذرات کوانتومی تنها زمانی به یک حالت واحد فروپاشیده می‌شوند که ناظری آگاه آن‌ها را مشاهده کند. به بیان دیگر، تا زمانی که موجودی آگاه به ذره نگاه نکند، آن ذره در حالت برهم نهی باقی می‌ماند.

شرودینگر آزمایش فکری معروف خود را مطرح کرد تا نشان دهد چگونه تفسیر کپنهاگی مکانیک کوانتومی می‌تواند به نتایج غیرمنطقی و عجیبی منجر شود. این آزمایش برای نقد و روشن کردن چالش‌های مفهومی نظریه‌های کوانتومی به کار رفت. او با طرح این آزمایش قصد داشت نشان دهد که ایده‌هایی مانند برهم‌نهی حالت‌های مختلف (زنده و مرده بودن گربه به‌صورت همزمان) تا زمان مشاهده، در دنیای واقعی و روزمره‌ی ما بی‌معنی و نامعقول به‌نظر می‌رسند.

وظیفه‌ی ما دیدن مواردی که دیده نشدند، نیست. وظیفه‌ی اصلی، تفکر متفاوت نسبت به مواردی است که تا به امروز می‌دیدیم.

- اروین شرودینگر

شرودینگر با مکاتبات متعدد با آلبرت انیشتین، آزمایش فکری خود را به اشکال متفاوتی تدوین کرد. در تعریف ساده، آزمایش گربه‌ی شرودینگر نشان می‌دهد که پیش‌بینی نتایج نظریه‌های کوانتومی، تنها با اندازه‌‌گیری کامل قابل دستیابی خواهند بود.

در این آزمایش فکری، گربه‌ی کوچکی را به‌همراه ماده‌ای پرتوزا یا رادیواکتیو داخل جعبه‌ای قرار می‌دهیم. با فعال شدن ماده‌ی رادیواکتیو، شمارنده‌ای به نام شمارنده‌ی گایگر نیز فعال و به آزاد شدن ماده‌ی سمی و کشته شدن گربه منجر می‌شود. در این حالت، قوانین مکانیک کوانتومی فعال شدن ماده‌ی پرتوزا را کنترل می‌کنند. این بدان معنا است که ماده‌ی پرتوزا در ابتدا در حالت برهم‌نهی «فعال شدن پرتوزایی» و «فعال نشدن پرتوزایی» قرار دارد.

ازآنجاکه جعبه مهروموم شده است، هیچ ناظری نمی‌تواند داخل آن را مشاهده کند، درنتیجه، کل، سیستم به‌صورت ترکیب دو حالت باقی می‌ماند و گربه همزمان هم مرده است و هم زنده. مرده و زنده بودن گربه به‌صورت همزمان، غیرمنطقی و پوچ به‌نظر می‌رسد و در دنیای واقعی رخ نمی‌دهد؛ بنابراین، این آزمایش فکری نشان می‌دهد که فروپاشی تابع موج به ناظری آگاه نیاز ندارد.

اینشتین نیز با ایده‌ی برخی دانشمندان مبنی بر اینکه آگاهی یک ناظر برای فروپاشی حالت کوانتومی ضروری است، موافق نبود. او از آزمایش فکری شرودینگر به‌عنوان مثالی بسیار هوشمندانه برای نشان دادن پوچی این ایده استفاده کرد. اگرچه گربه‌ی شرودینگر به منظور پیدا کردن ایرادات و نقص‌های فیزیک کوانتوم طراحی شده بود، امروزه این مثال به‌عنوان نمادی از فیزیک کوانتوم شناخته می‌شود.

کتاب «حیات چیست؟» (?What Is Life) نوشته‌ی اروین شرودینگر، اثری مهم در تاریخ علم است. اگرچه نویسنده‌ی آن یک فیزیکدان بود، این کتاب به سؤالات بنیادین در زیست‌شناسی می‌پردازد. شرودینگر در این کتاب تلاش می‌کند با استفاده از مفاهیم فیزیک و شیمی، پدیده‌های پیچیده‌ی زندگی را توضیح دهد. ایده‌های او بسیار تأثیرگذار بودند و یکی از منابع الهام‌بخش برای کشف ساختار مارپیچی DNA بود که جیمز دی‌واتسون و فرانسیس کریک از آن استفاده کردند.

این کتاب نشان می‌دهد که مرزهای بین علوم مختلف، مانند فیزیک و زیست‌شناسی، در حال محو شدن هستند و برای درک کامل پدیده‌های طبیعی، به رویکرد بین‌رشته‌ای نیاز داریم.

اروین شرودینگر، فیزیکدان اتریشی، با ابداع معادله‌ی معروفش، نقش مهمی در توسعه‌ی مکانیک کوانتومی ایفا کرد. این معادله، که توصیف دقیقی از رفتار ذرات در مقیاس اتمی ارائه می‌دهد، سنگ بنای بسیاری از پیشرفت‌های بعدی در فیزیک و شیمی شد. با وجود موفقیت‌های این فیزیک‌دان در عرصه‌ی علم، زندگی شخصی او با فراز و نشیب‌هایی همراه بود.

شرودینگر در طول جنگ جهانی دوم مجبور به ترک اتریش و پناهندگی در ایرلند شد. در این دوران، او به مطالعه‌ی مسائل فلسفی و زیست‌شناسی پرداخت. پس از جنگ، به وین بازگشت و تا پایان عمر به تحقیقات علمی ادامه داد. شرودینگر در سال ۱۹۶۱ در وین درگذشت، اما میراث علمی او همچنان در تحقیقات مدرن زنده و نام او با مفاهیم بنیادی مانند برهم‌‌نهی و گربه‌ی شرودینگر عجین شده است.