Фаулер, Ральф Говард

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Ральф Говард Фаулер
Sir Ralph Howard Fowler
Ralph Howard Fowler.jpg
Дата рождения:

17 января 1889({{padleft:1889|4|0}}-{{padleft:1|2|0}}-{{padleft:17|2|0}})

Место рождения:

Ройдон, Великобритания

Дата смерти:

28 июля 1944({{padleft:1944|4|0}}-{{padleft:7|2|0}}-{{padleft:28|2|0}}) (55 лет)

Место смерти:

Кембридж, Великобритания

Страна:

ВеликобританияFlag of the United Kingdom.svg Великобритания

Научная сфера:

теоретическая физика

Место работы:

Кембриджский университет

Альма-матер:

Кембриджский университет

Научный руководитель:

Арчибалд Хилл

Известные ученики:

Хоми Баба
Гаррет Биркхоф
Поль Дирак
Джон Э. Леннард-Джонс
Уильям Маккри
Невилл Мотт
Гарри Мэсси
Рудольф Пайерлс
Люэлин Томас
Субраманьян Чандрасекар
Дуглас Хартри

Известен как:

один из пионеров теоретической астрофизики

Награды и премии


Кавалер ордена Британской империи

Ральф Говард Фаулер (англ. Sir Ralph Howard Fowler; 17 января 1889, Ройдон, Великобритания — 28 июля 1944, Кембридж, Великобритания) — английский физик-теоретик, астрофизик и математик, член Лондонского королевского общества (1925). Научные труды Фаулера посвящены в основном вопросам статистической механики и термодинамики, квантовой теории, астрофизики, теории дифференциальных уравнений. Среди достижений учёного: статистический метод Дарвина — Фаулера и его последующие применения для описания термодинамических свойств вещества; одно из основных уравнений теории автоэлектронной эмиссии; метод анализа звёздных спектров и первая реалистичная оценка давления в атмосфере звёзд; одно из первых применений квантовых законов к задачам астрофизики, позволившее заложить основы современной теории белых карликов.

Биография[править | править вики-текст]

Происхождение и образование[править | править вики-текст]

Ральф Говард Фаулер родился в Ройдоне (графство Эссекс, Великобритания). Его отец, бизнесмен Говард Фаулер, был в своё время видным спортсменом, выступал за сборную Англии по регби; мать, Фрэнсис Ева, была дочерью манчестерского торговца хлопком Джорджа Дьюхёрста (George Dewhurst). Сын унаследовал атлетизм отца, став впоследствии заметным участником школьных и университетских соревнований по футболу, гольфу и крикету. Ральф был старшим из трёх детей в семье. Его младшая сестра Дороти ещё более ярко проявила себя на спортивном поприще, выиграв в 1925 году женский чемпионат Англии по гольфу. Младший брат Кристофер, перед самым началом Первой мировой войны поступивший в Оксфордский университет, был отправлен на фронт и погиб в апреле 1917 года во время битвы на Сомме. Его смерть стала серьёзным ударом для Ральфа[1].

До 10-летнего возраста Ральф получал образование дома под присмотром гувернантки, а затем поступил в подготовительную школу в Хоррис Хилл (Horris Hill School). В 1902—1908 годах он обучался в Винчестерской школе (англ. Winchester College), где завоевал несколько призов по математике и естественным наукам и стал старостой школы (Prefect of Hall). В декабре 1906 года Фаулер стал обладателем стипендии Тринити-колледжа Кембриджского университета, куда отправился в 1908 году и где изучал математику, в 1911 году получив степень бакалавра искусств. В 1913 году он был удостоен премии Рэлея по математике, в октябре 1914 года избран членом Тринити-колледжа, а в 1915 году получил степень магистра искусств. Одновременно он выступал за команду Кембриджского университета в соревнованиях по гольфу. В это время его исследования были посвящены «чистой» математике, в частности, особенностям поведения решений некоторых дифференциальных уравнений второго порядка[2].

Война. Начало работы в физике[править | править вики-текст]

После начала Первой мировой войны Фаулер служил в Королевской морской артиллерии (Royal Marine Artillery), участвовал в качестве артиллерийского офицера в сражении при Галлиполи и был тяжело ранен в плечо. После отправки в тыл и выздоровления он присоединился к группе Арчибальда Хилла, работавшей над созданием и испытанием нового прибора для наблюдения за полётом аэропланов — зеркального пеленгатора (mirror position finder). С осени 1916 года Фаулер был заместителем Хилла в специальном экспериментальном подразделении, располагавшемся в Портсмуте и проводившем расчёты аэродинамики снарядов и разработку противовоздушных звуковых локаторов. За эти работы по военной тематике в 1918 году он был награждён орденом Британской империи и получил звание капитана. Ряд результатов, сыгравших большую роль в развитии баллистики, был опубликован после войны в научных журналах[3].

После окончания войны, в апреле 1919 года, Фаулер вернулся в Кембридж, где вновь стал членом Тринити-колледжа и читал лекции по математике. У него появилось время завершить крупную работу, посвящённую геометрии плоских кривых, начатую ещё до войны. Впрочем, работа под руководством Хилла сместила область его интересов от чистой математики к физическим приложениям, поэтому он активно взялся за изучение трудов по теории газов и теории относительности, начал интересоваться развитием квантовой теории. Примерно в это же время знаменитую Кавендишскую лабораторию возглавил Эрнест Резерфорд, вскоре ставший близким другом Фаулера. С этого момента началось долгое плодотворное сотрудничество Фаулера с резерфордовской лабораторией, в которой он числился консультантом по математическим вопросам[4]. В 1921 году он женился на единственной дочери Резерфорда Эйлин Мэри (1901—1930), которая умерла вскоре после рождения их четвёртого ребенка[5]. Старший сын, Питер Фаулер (англ. Peter Fowler), тоже стал известным физиком, специалистом по физике космических лучей[6].

Зрелые годы. Научная школа[править | править вики-текст]

Ральф Фаулер. Лондон, 1934

В 1922 году Фаулер был назначен надзирателем (проктором) Кембриджского университета[5]. В январе 1932 года он был избран на новообразованный пост профессора теоретического отдела Кавендишской лаборатории (Plummer Professor of Theoretical Physics). В 1938 году его назначили директором Национальной физической лаборатории (англ. National Physical Laboratory), однако из-за тяжёлой болезни он был вынужден отказаться от этой должности и вернуться на своё прежнее место[7]. После начала Второй мировой войны учёный восстановил сотрудничество с Артиллерийским управлением (Board of Ordnance), а вскоре был отправлен за океан для установления научных контактов с учёными Канады и США по военным вопросам (в частности, для налаживания совместной работы по проблеме радара)[8]. Эта деятельность была весьма успешной и была отмечена в 1942 году возведением Фаулера в рыцарское звание. После возвращения в Англию, несмотря на подорванное болезнью здоровье, Фаулер продолжал активно сотрудничать с Адмиралтейством и Артиллерийским управлением по вопросам баллистики. Эта работа продолжалась до его последних дней[7].

Фаулер руководил работой большого числа студентов, аспирантов и сотрудников, в число его учеников входят нобелевские лауреаты Поль Дирак, Невилл Мотт и Субраманьян Чандрасекар, а также известные физики и математики Джон Эдвард Леннард-Джонс, Рудольф Пайерлс, Дуглас Хартри, Хоми Баба, Гарри Мэсси, Гаррет Биркхоф, Уильям Маккри, Люэлин Томас[9][10]. Ученик Резерфорда Марк Олифант вспоминал[11]:

Именно стараниями Фаулера и благодаря его влиянию на молодых математиков в Кембридже выросла школа теоретической физики; хотя сам Фаулер не находился в первых рядах тех учёных, которые создавали теоретическую физику, он обладал великолепными математическими способностями, которые добродушно и щедро предоставлял к услугам экспериментаторов. Я сам многим обязан ему за терпеливое внимание к моим тривиальным затруднениям.

По словам Невилла Мотта, Фаулер не был действительно выдающимся учёным («дираком»), однако был достаточно проницательным, чтобы понять значение тех или иных работ и результатов. Так, он одним из первых в Великобритании оценил значение пионерских работ по квантовой механике, выполнявшихся в середине 1920-х годов в Германии и Дании, и способствовал обращению своих учеников к этой тематике. Мотт оставил следующую характеристику своего учителя[12]:

Он был очень плохим лектором. Хуже быть не могло. Не продумывал лекции до конца, быстро проходил тему. У него было очень мощное телосложение, как у самого Резерфорда. Грубоватый и громкий голос. Энергичный, необычайно энергичный… [Он мог бы сказать]: «Да, я не понимаю этого. Плохо написано. Думаю, вам следует поступать таким-то образом, но в действительности, полагаю, вам лучше обратиться к Дираку». Очень откровенный, осознающий свои пределы… Я думаю о нём скорее как о человеке с портретов Генриха VIII, которые вы можете видеть в Тринити-колледже. Очень широкий и мускулистый, с громким голосом, в полной мере наслаждающийся жизнью. Конечно, у него был удар из-за переутомления, но это иногда случается с полнокровными людьми такого типа. После этого он был только половиной человека, но даже половина Фаулера была весьма славным малым.

Научная деятельность[править | править вики-текст]

Статистическая механика и термодинамика[править | править вики-текст]

В 1922 году Фаулер совместно с Чарльзом Галтоном Дарвином рассмотрел классическую статистику невзаимодействующих частиц и показал, что состояние газа удобнее описывать в терминах средних (а не наиболее вероятных) величин. Это приводит к необходимости вычисления статистических интегралов, которые могут быть представлены в виде контурных интегралов и оценены с помощью метода перевала. Разработанный подход к вычислению статистических интегралов известен ныне как метод Дарвина — Фаулера[13][14]. Воспользовавшись адиабатической гипотезой Эренфеста, они приписали определённые веса квантовым состояниям системы, построили соответствующую статистическую сумму, рассмотрели конкретные случаи (планковские осцилляторы, излучение в полости) и показали, как совершить переход к классической статистической механике. В дальнейшем Фаулер применил разработанную методику к задаче расчёта равновесных состояний как при химической диссоциации, так и для случая ионизации газа при высоких температурах. Таким образом, экстремальные состояния вещества оказалось возможным исследовать при помощи методов статистической механики, что привело его к вопросу о состоянии ионизированного газа в атмосферах звёзд[15]. Другой областью, в которой Фаулер применил свои методы статистической механики, была теория сильных электролитов, тема, лежащая на границе между физикой и химией[16].

В 1931 году Фаулер сформулировал так называемое нулевое начало термодинамики[17]. В 1932 году совместно с Джоном Берналом он рассмотрел молекулярную структуру воды. В их классической работе была продемонстрирована принципиальная роль водородных связей (этот термин ещё не использовался) между тетраэдрически расположенными молекулами воды, что позволило объяснить многие свойства жидкой воды и льда. Кроме того, в статье содержались расчёты термодинамических свойств ионных растворов и, в частности, подвижности ионов в воде[18].

Большое влияние на формирование новых поколений физиков имели монографии Фаулера. На основе своего трактата, удостоенного в 1924 году премии Адамса Кембриджского университета, учёный написал книгу «Статистическая механика», выдержавшую при жизни автора два издания (в 1929 и 1936 годах). Помимо систематического рассмотрения основ предмета, в книге большое внимание уделялось многочисленным приложениям статистической механики. В 1939 году вышел учебник «Статистическая термодинамика», написанный в соавторстве с Эдвардом Гуггенхаймом (англ. Edward A. Guggenheim) и рассчитанный на менее подготовленного математически читателя[19].

Квантовая теория[править | править вики-текст]

Участники Сольвеевского конгресса 1927 года, на котором обсуждались проблемы квантовой механики. Фаулер стоит второй справа

С начала 1920-х годов Фаулер активно поддерживал развитие квантовой теории и её приложение к таким вопросам, как построение обобщённой статистической механики и объяснение химической связи. Он пропагандировал квантовые идеи в Великобритании, помог перевести на английский язык ряд основополагающих статей, опубликованных в немецких журналах, по его приглашению Кембридж посещали известные зарубежные физики (такие как Гейзенберг и Крониг)[20]. Более того, деятельность Фаулера способствовала формированию самостоятельной британской школы квантовой химии, для которой характерным был взгляд на стоящие перед дисциплиной проблемы с позиций прикладной математики. Такие ученики Фаулера, как Леннард-Джонс и Хартри, принадлежат к числу основоположников квантовой химии[21].

Ряд работ Фаулера посвящён теории фазовых переходов и коллективных эффектов в магнитах, сплавах и растворах, правилам сумм для интенсивностей спектральных линий, некоторым вопросам ядерной физики (поглощение гамма-лучей тяжёлыми элементами, разделение изотопов водорода электролитическими методами)[7]. Совместно с Фрэнсисом Астоном он развил теорию фокусировки заряженных частиц при помощи масс-спектрографа[5]. В 1928 году совместно с Лотаром Нордгеймом (англ. Lothar Wolfgang Nordheim) Фаулер использовал идею о подбарьерном туннелировании электронов для объяснения явления испускания электронов телами под действием внешнего электрического поля — автоэлектронной эмиссии (уравнение Фаулера — Нордгейма)[22].

Астрофизика[править | править вики-текст]

В 1923—1924 годах Фаулер совместно с Эдвардом Артуром Милном рассмотрел поведение интенсивности линий поглощения в спектрах звёзд. Опираясь на уравнение Саха, им удалось связать значение максимума интенсивности линий, возникающего за счёт сочетания эффектов возбуждения и ионизации, с величиной давления и температуры в «обратном слое» атмосферы звезды, в котором формируются спектры поглощения. Это позволило впервые получить правильный порядок величины давления газа в звёздных атмосферах. «Метод максимумов», разработанный Фаулером и Милном, стал основным средством анализа звёздных спектров в 1920-е годы, чему способствовало успешное сравнение с наблюдательными данными, проведённое Дональдом Мензелом и Сесилией Пейн. В нескольких последующих работах, написанных в соавторстве с Гуггенхаймом, Фаулер развил некоторые подходы к анализу сложной проблемы физического состояния звёздного вещества с учётом отклонений от законов идеального газа, процессов ионизации и т. д.[23][24][25]

В 1926 году Фаулер показал, что белые карлики должны состоять из практически полностью ионизированных атомов, сжатых до высокой плотности, и вырожденного электронного газа («подобного гигантской молекуле в низшем состоянии»), подчиняющегося незадолго до этого открытой статистике Ферми — Дирака[26]. Результаты Фаулера, которые были одним из первых приложений новой квантовой статистики, позволили избавиться от парадокса, который не мог быть объяснён в рамках классического подхода: согласно классической статистике, материя белого карлика должна была содержать много меньше энергии, чем обычное вещество, так что она не могла возвратиться к обычному состоянию даже после удаления из окрестности такой звезды[24]. Более яркая формулировка Артура Эддингтона гласит, что классическая звезда не может остыть: при потере энергии давление газа, составляющего звезду, должно уменьшаться, что приведёт к гравитационному сжатию, а, следовательно, к росту давления и температуры. Работа Фаулера давала разрешение этого парадокса: электронный газ может остыть до абсолютного нуля и оказаться в наинизшем возможном квантовом состоянии, разрешённом принципом Паули, причём давление такого вырожденного газа достаточно велико, чтобы скомпенсировать гравитационное сжатие[27][Комм 1]. Таким образом, статья Фаулера «О плотной материи» (англ. On dense matter) заложила основы современной теории белых карликов[Комм 2].

Математика[править | править вики-текст]

Математические интересы Фаулера касались в первую очередь поведения решений некоторых дифференциальных уравнений второго порядка. В своих ранних исследованиях он рассмотрел кубические преобразования P-функций Римана. Впоследствии, в связи с астрофизическими вопросами, он обратился к особенностям уравнения Эмдена (англ. Lane–Emden equation), описывающего равновесное состояние звезды, и дал классификацию решений этого уравнения для различных граничных условий и показателей политропы[29]. Эти результаты оказались весьма ценными при рассмотрении различных моделей звёзд[24]. В 1920 году Фаулер опубликовал трактат по дифференциальной геометрии плоских кривых, который выдержал несколько изданий[29].

Награды и память[править | править вики-текст]

Публикации[править | править вики-текст]

Книги
  • Fowler R. H. The elementary differential geometry of plane curves // Cambridge Tracts on Mathematics. — Cambridge: University Press, 1920. — Т. 20.
  • Fowler R. H. Statistical mechanics. The theory of the properties of matter in equilibrium. — Cambridge: University Press, 1929. Рецензия А. Я. Хинчина в журнале УФН (1930).
  • Fowler R. H., Guggenheim E. A. Statistical thermodynamics. — Cambridge: University Press, 1939. — 693 p. Перевод на русский язык: Р. Фаулер, Э. Гуггенгейм. Статистическая термодинамика. — М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1949.
Основные статьи

Фаулер является автором около 80 научных статей, из которых можно выделить следующие:

Некоторые статьи на русском языке

Комментарии[править | править вики-текст]

  1. Как показал в 1928 году Арнольд Зоммерфельд, представление о вырожденном электронном газе позволяет объяснить многие свойства гораздо более привычного объекта, чем белый карлик, — металла. Фаулер впоследствии сожалел, что не смог первым увидеть эту возможность[28].
  2. Развитие теории белых карликов в исторической последовательности проследил ученик Фаулера Субраманьян Чандрасекар в своей нобелевской лекции: Чандрасекхар С. О звездах, их эволюции и устойчивости // УФН. — 1985. — В. 3. — Т. 145. — С. 489—506.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Milne (ON), 1945, p. 61
  2. Milne (ON), 1945, pp. 62—63
  3. Milne (ON), 1945, pp. 65—67
  4. Milne (ON), 1945, p. 68
  5. 1 2 3 Milne (ON), 1945, p. 69
  6. Sion, 2007
  7. 1 2 3 Milne (ON), 1945, pp. 73—74
  8. Avery D. The science of war: Canadian scientists and allied military technology. — University of Toronto Press, 1998. — P. 55.
  9. Ralph Howard Fowler (англ.). Mathematics Genealogy Project. — Список учеников Фаулера. Проверено 19 марта 2010. Архивировано из первоисточника 14 апреля 2012.
  10. Храмов, 1983, с. 272
  11. Олифант М. Дни Кембриджа // Резерфорд - ученый и учитель (К 100-летию со дня рождения) / Под ред. П. Л. Капицы. — М.: Наука, 1973. — С. 129.
  12. Kuhn T. S. Interview with Sir Nevill Mott (англ.). American Institute of Physics (1963). Проверено 18 мая 2014.
  13. Зубарев Д. Н. Метод Дарвина — Фаулера // Физическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 558.
  14. Thomson G. P. Charles Galton Darwin (1887—1962) // Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society. — 1963. — Vol. 9. — P. 73. — DOI:10.1098/rsbm.1963.0004
  15. Milne (ON), 1945, pp. 69—70
  16. Gavroglu and Simoes, 2002, p. 191
  17. Mortimer R. G. Physical chemistry. — Elsevier Academic Press, 2008. — P. 111.
  18. Hodgkin D.M.C. John Desmond Bernal // Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society. — 1980. — Vol. 26. — P. 50—51. — DOI:10.1098/rsbm.1980.0002
  19. Gavroglu and Simoes, 2002, p. 194
  20. Gavroglu and Simoes, 2002, pp. 191—194
  21. Gavroglu and Simoes, 2002, pp. 195—196
  22. Шредник В. Н. Автоэлектронная эмиссия // Физическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 21.
  23. Milne (ON), 1945, p. 70—71
  24. 1 2 3 Chandrasekhar, 1945
  25. Hearnshaw, 2014, pp. 137—139
  26. Milne (ON), 1945, p. 72
  27. Shaviv, 2009, pp. 215—217
  28. Milne (ON), 1945, pp. 72—73
  29. 1 2 Milne (ON), 1945, pp. 63—64
  30. Селенографические координаты (-145°, +43°). См.: И. Г. Колчинский, А. А. Корсунь, М. Г. Родригес. Астрономы: Биографический справочник. — Киев: Наукова думка, 1977. — С. 387.

Литература[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]