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 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

Происхождение и образование

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 .

До 10-летнего возраста Ральф получал образование дома под присмотром гувернантки, а затем поступил в подготовительную школу в Хоррис Хилл ( ). В 1902—1908 годах он обучался в ( англ. ), 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 .

Война. Начало работы в физике

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 .

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 . В 1921 году он женился на единственной дочери Резерфорда Эйлин Мэри (1901—1930), которая умерла вскоре после рождения их четвёртого ребёнка . Старший сын, ( англ. ), тоже стал известным физиком, специалистом по физике космических лучей .

Зрелые годы. Научная школа

В 1922 году Фаулер был назначен надзирателем (проктором) Кембриджского университета . 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 , однако из-за тяжёлой болезни он был вынужден отказаться от этой должности и вернуться на своё прежнее место . После начала Второй мировой войны учёный восстановил сотрудничество с Артиллерийским управлением ( ), 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 ) . 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 .

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 . Ученик Резерфорда Марк Олифант вспоминал :

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 :

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.

Оригинальный текст (англ.)

He was a very bad lecturer. Couldn't be worse. Didn’t think it out; went quickly. He had a very powerful physique, like Rutherford himself. Bluff and loud voice. Vigorous, immensely vigorous... [He would say]: "Yes, I don't understand this bit. It's badly written. I think you should do it this way but really, I suppose you better go and ask Dirac." Very forthright, knowing his limitations... I think of him rather as a man like the portraits of Henry the VIII you can see in Trinity. Very broad and muscular with a loud voice, enjoying life to the fullest. Of course, he had a stroke through overwork; but that kind of full blooded man sometimes does. But then he was only half the man after that, but even half of Fowler was quite a chap.

Научная деятельность

Статистическая механика и термодинамика

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 . 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 . Другой областью, в которой Фаулер применил свои методы статистической механики, была теория сильных электролитов , тема, лежащая на границе между физикой и химией .

В 1931 году Фаулер сформулировал так называемое нулевое начало термодинамики . 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 .

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 ( англ. ) и рассчитанный на менее подготовленного математически читателя .

Квантовая теория

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 ) . 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 .

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) . Совместно с Фрэнсисом Астоном он развил теорию фокусировки заряженных частиц при помощи масс-спектрографа . В 1928 году совместно с Фаулер использовал идею о подбарьерном туннелировании электронов для объяснения явления испускания электронов телами под действием внешнего электрического поля — автоэлектронной эмиссии ( уравнение Фаулера — Нордгейма ) .

Астрофизика

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.

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 . 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 . 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 . Таким образом, статья Фаулера «О плотной материи» ( англ. On dense matter ) заложила основы современной теории белых карликов .

Математика

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 , описывающего равновесное состояние звезды, и дал классификацию решений этого уравнения для различных граничных условий и показателей политропы . Эти результаты оказались весьма ценными при рассмотрении различных моделей звёзд . В 1920 году Фаулер опубликовал трактат по дифференциальной геометрии плоских кривых , который выдержал несколько изданий .

Награды и память

• Офицер Ордена Британской империи (1918)
• Премия Адамса ( , 1924)
• Кельвиновская лекция (1930)
• Бейкеровская лекция (1935)
• Королевская медаль (1936)
• Рыцарство (1942)
• Именем Фаулера назван кратер на обратной стороне Луны .
• Имя Фаулера носит группа островов у берегов Антарктиды ( ).

Публикации

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. 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:

• Fowler R. H., Gallop E. G., Lock C. N. H., Richmond H. W. The aerodynamics of a spinning shell // Philosophical Transactions of the Royal Society of London A . — 1921. — Vol. 221. — P. 295—387. — doi : .
• Darwin C. G. , Fowler R. H. On the partition of energy // Philosophical Magazine . — 1922. — Vol. 44. — P. 450—479. — doi : .
• Darwin C. G., Fowler R. H. On the partition of energy. Part II. Statistical principles and thermodynamics // Philosophical Magazine. — 1922. — Vol. 44. — P. 823—842. — doi : .
• Fowler R. H., Milne E. A. The intensities of absorption lines in stellar spectra, and the temperatures and pressures in the reversing layers of stars (англ.) // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . — Oxford University Press , 1923. — Vol. 83 . — P. 403—424 . — doi : .
• Fowler R. H. On dense matter (англ.) // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . — Oxford University Press , 1926. — Vol. 87 . — P. 114—122 . — doi : .
• Fowler R. H., Electron emission in intense electric fields // Proceedings of the Royal Society of London A. — 1928. — Vol. 119. — P. 173—181. — doi : .
• Fowler R. H. The solutions of Emden's and similar differential equations (англ.) // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . — Oxford University Press , 1930. — Vol. 91 . — P. 63—92 . — doi : .
• Bernal J. D. , Fowler R. H. // Journal of Chemical Physics . — 1933. — Vol. 1. — P. 515—548. — doi : .

Некоторые статьи на русском языке

• Фаулер Р. (рус.) // Успехи физических наук . — Российская академия наук , 1930. — Т. 10 , вып. 1 . — С. 135—148 .
• Фаулер Р. (рус.) // Успехи физических наук . — Российская академия наук , 1931. — Т. 11 , вып. 1 . — С. 103—123 .
• Резерфорд Э. , Чадвик Дж. , , Фаулер Р., , Мотт Н. Ф. (рус.) // Успехи физических наук . — Российская академия наук , 1932. — Т. 12 , вып. 5—6 . — С. 525—556 .
• Фаулер Р. (рус.) // Успехи физических наук . — Российская академия наук , 1933. — Т. 13 , вып. 1 . — С. 37—45 .
• Берналь Дж. , Фаулер Р. (рус.) // Успехи физических наук . — Российская академия наук , 1934. — Т. 14 , вып. 5 . — С. 586—644 .

Примечания

Комментарии

Источники

Литература

• (англ.) // The Times . — Sept. 12, 1944.
• Milne E. A. (англ.) // (англ.) ( . — 1944. — Vol. 65 . — P. 245—246 .
• Chandrasekhar S. (англ.) // The Astrophysical Journal . — IOP Publishing , 1945. — Vol. 101 . — P. 1—5 .
• Milne E. A. (англ.) // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . — Oxford University Press , 1945. — Vol. 105 . — P. 80—87 .
• Milne E. A. Ralph Howard Fowler (1889—1944) // Obituary Notices of the Royal Society. — 1945. — Vol. 5. — P. 60—78. — doi : .
• Храмов Ю. А. Фаулер Ральф Говард (Fowler Ralph Howard) // Физики : Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера . — Изд. 2-е, испр. и доп. — М. : Наука , 1983. — С. 272. — 400 с. — 200 000 экз.
• Gavroglu K., Simoes A. Preparing the ground for quantum chemistry in Great Britain: the work of the physicist R. H. Fowler and the chemist N. V. Sidgwick // The British Journal for the History of Science. — 2002. — Vol. 35, № 2 . — P. 187—212. — doi : .
• Sion E. Ralph Howard Fowler // The Biographical Encyclopedia of Astronomers / Ed. T. Hockey. — Springer, 2007. — P. 381—382.
• Shaviv G. The Life of Stars: The Controversial Inception and Emergence of the Theory of Stellar Structure. — Springer, 2009.
• Hearnshaw J. B. The Analysis of Starlight: Two Centuries of Astronomical Spectroscopy. — 2nd ed.. — Cambridge University Press, 2014.

Ссылки

• Durham I. T. (англ.) . MacTutor Biography . University of St Andrews (2001). Дата обращения: 19 марта 2010. 14 апреля 2012 года.