Фаулер, Ральф Говард

В Википедии есть статьи о других людях с такой фамилией, см. Фаулер.

Ральф Говард Фаулер
Sir Ralph Howard Fowler
Дата рождения:	17 января 1889(1889-01-17)
Место рождения:	Ройдон, Великобритания
Дата смерти:	28 июля 1944(1944-07-28) (55 лет)
Место смерти:	Кембридж, Великобритания
Страна:	Великобритания
Научная сфера:	теоретическая физика
Место работы:	Кембриджский университет
Альма-матер:	Кембриджский университет
Известные ученики:	П.А.М. Дирак Дж.Э. Леннард-Джонс Р. Пайерлс Д. Хартри С. Чандрасекар Х. Баба Г. Мэсси
Известен как:	один из пионеров теоретической астрофизики
Награды и премии

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 посвящены в основном вопросам статистической механики, термодинамики, квантовой теории, астрофизики, теории дифференциальных уравнений. Является одним из пионеров теоретической астрофизики.

Биография

Происхождение и образование

Ральф Говард Фаулер родился в Ройдоне (графство Эссекс, Великобритания). Его отец, бизнесмен Говард Фаулер, был в свое время видным спортсменом, выступал за сборную Англии по регби. Сын унаследовал его атлетизм, став впоследствии заметным участником школьных и университетских соревнований по футболу, гольфу и крикету. Ральф был старшим из трех 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. В 1902—1908 годах он обучался в школе Винчестера (см. Winchester College), где завоевал несколько призов по математике и естественным наукам и стал главой школы (Prefect of Hall). В декабре 1906 года Фаулер получил стипендию Тринити-колледжа Кембриджского университета, куда отправился в 1908 году. Там он 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

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 полетом аэропланов — зеркального пеленгатора (mirror position finder). С осени 1916 года Фаулер был заместителем Хилла в специальном экспериментальном подразделении, располагавшемся в Портсмуте и проводившем расчеты аэродинамики снарядов и разработку противовоздушных звуковых локаторов. За эти работы по военной тематике в 1918 году он был награжден Орденом Британской империи. Некоторые результаты были опубликованы 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, посвященную 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 качестве консультанта по математическим вопросам^[4]. В 1921 году он женился на единственной дочери Резерфорда Эйлин Мэри (1901-1930), которая умерла вскоре после рождения их четвертого ребенка^[5].

Зрелые годы. Научная школа

В 1922 году Фаулер был назначен надзирателем (проктором) Кембриджского университета^[5]. В январе 1932 году 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 тяжелой болезни он был вынужден отказаться от этой должности и вернуться на свое прежнее место^[6]. После начала Второй мировой войны он восстановил сотрудничество с Артиллерийским управлением (см. 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)^[7]. Эта деятельность была весьма успешной и была отмечена его посвящением в рыцари в 1942 году. 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^[6].

Фаулер руководил работой большого числа студентов, аспирантов и сотрудников, многие из которых стали известными физиками (П.А.М. Дирак, Дж.Э. Леннард-Джонс, Р. Пайерлс, Д. Хартри, С. Чандрасекар, Х. Баба, Г. Мэсси и др.)^[8][9]. 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 ученых, 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.^[10]

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 метод Дарвина — Фаулера^[11]. Они также показали, что обычная термодинамика может быть легко получена из данного статистического описания^[5][12].

Фаулер применил разработанную методику к задаче расчета 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 звезд^[13].

Астрофизика

В 1923—1924 годах Фаулер совместно с Эдвардом Артуром Милном рассмотрел поведение интенсивности линий поглощения в спектрах звезд. Им удалось связать значение максимума линий с величиной давления и температуры в «обратном слое» атмосферы звезды, в котором формируются спектры поглощения^[14]. Это позволило впервые получить правильный порядок величины электронного давления в звездных атмосферах. «Метод максимумов», разработанный Фаулером и Милном, стал основным средством анализа звездных спектров в 1920-е годы. В нескольких последующих работах, написанных в соавторстве с Э. Гуггенхаймом, Фаулер развил некоторые подходы к анализу сложной проблемы физического состояния звездного вещества с учетом отклонений от законов идеального газа, процессов ионизации и т.д.^[15]

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^[16]. Результаты Фаулера, которые, по-видимому, были первым приложением новой квантовой статистики, позволили избавиться от парадокса, который не мог быть объяснен в рамках классического подхода: согласно классической статистике, материя белого карлика содержала много меньше энергии, чем обычное вещество, так что она не могла возвратиться к обычному состоянию даже после удаления из окрестности такой звезды. Эта работа Фаулера заложила основы современной теории белых карликов^[15][17].

Другие работы

Ряд работ Фаулера посвящен теории фазовых переходов и коллективных эффектов в магнитах, сплавах и растворах, статистической теории сильных электролитов, правилам сумм для интенсивностей спектральных линий, некоторым вопросам ядерной физики (поглощение гамма-лучей тяжелыми элементами, разделение изотопов водорода электролитическими методами)^[6]. Совместно с Фрэнсисом Астоном он развил теорию фокусировки заряженных частиц при помощи масс-спектрографа^[5]. В 1928 году совместно с Лотаром Нордгеймом Фаулер использовал идею о подбарьерном туннелировании электронов для объяснения явления испускания электронов телами под действием внешнего электрического поля — автоэлектронной эмиссии (уравнение Фаулера — Нордгейма)^[18]. В 1931 году он сформулировал нулевое начало термодинамики.^[19] В 1932 году совместно с Джоном Берналом он рассмотрел молекулярную структуру воды. В их классической работе была продемонстрирована принципиальная роль водородных связей между молекулами воды, приводящая к ее квазикристаллическому строению.^[20]

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 (см. Riemann P-function). Впоследствии, в связи с астрофизическими вопросами, он обратился к особенностям уравнения Эмдена (см. Lane–Emden equation), описывающего равновесное состояние звезды, и дал классификацию решений этого уравнения для различных граничных условий и показателей политропы^[21]. Эти результаты оказались весьма ценными при рассмотрении различных моделей звезд^[15]. В 1920 году Фаулер опубликовал трактат по дифференциальной геометрии плоских кривых, который выдержал несколько изданий^[21].

Награды

• Офицер Ордена Британской империи (1918)
• Премия Дж. Адамса (1924)
• Королевская медаль (1936)
• Рыцарство (1942)
• Именем Фаулера назван кратер на обратной стороне Луны.^[22]

Публикации

Книги

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

Основные статьи

Фаулер является автором около 80 статей, из которых (довольно субъективно) можно выделить:

• R. H. Fowler, E. G. Gallop, C. N. H. Lock, H. W. Richmond. The Aerodynamics of a Spinning Shell // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. — 1921. — В. 1. — Vol. 221. — P. 295—387.
• C. G. Darwin, R. H. Fowler. On the partition of energy // Philosophical Magazine Series 6. — 1922. — Vol. 44. — № 261. — P. 450—479.
• C. G. Darwin, R. H. Fowler. On the partition of energy. Part II. Statistical principles and thermodynamics // Philosophical Magazine Series 6. — 1922. — Vol. 44. — № 261. — P. 823—842.
• R. H. Fowler, E. A. Milne. The intensities of lines in stellar spectra // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. — 1923. — Vol. 83. — P. 403.
• R. H. Fowler. On dense matter // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. — 1926. — Vol. 87. — P. 114.
• R. H. Fowler, L. Nordheim. Electron Emission in Intense Electric Fields // Proc. R. Soc. Lond. A. — 1928. — Vol. 119. — P. 173—181.
• R. H. Fowler. Emden's and similar differential equations // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. — 1930. — Vol. 91. — № 1. — P. 63.
• J. D. Bernal, R. H. Fowler. A Theory of Water and Ionic Solution, with Particular Reference to Hydrogen and Hydroxyl Ions // J. Chem. Phys. — 1933. — Vol. 1. — № 8. — P. 515-548.

Некоторые статьи на русском языке

• Р. Фаулер. Прохождение электронов через поверхность и поверхностные слои // УФН. — 1930. — В. 1. — Т. 10. — С. 135-148.
• Р. Фаулер. Электронная теория металлов // УФН. — 1931. — В. 1. — Т. 11. — С. 103-123.
• Э. Резерфорд, Дж. Чадвик, Ч.Д. Эллис, Р. Фаулер, Дж. Мак-Леннан, Н.Ф. Мотт. Дискуссия о структуре атомного ядра // УФН. — 1932. — В. 5-6. — Т. 12. — С. 525-556.
• Р. Фаулер. Новейшие достижения в области изучения атомных ядер // УФН. — 1933. — В. 1. — Т. 13. — С. 37-45.
• Дж. Берналь, Р. Фаулер. Структура воды и ионных растворов // УФН. — 1934. — В. 5. — Т. 14. — С. 586-644.

Примечания

1. ↑ E. A. Milne. Ralph Howard Fowler (1889—1944) // Obituary Notices of the Royal Society. — 1945. — Vol. 5. — P. 61.
2. ↑ E. A. Milne. Ralph Howard Fowler // Obituary Notices. — P. 62—63.
3. ↑ E. A. Milne. Ralph Howard Fowler // Obituary Notices. — P. 65—67.
4. ↑ E. A. Milne. Ralph Howard Fowler // Obituary Notices. — P. 68.
5. ↑ ^{1 2 3 4} E. A. Milne. Ralph Howard Fowler // Obituary Notices. — P. 69.
6. ↑ ^{1 2 3} E. A. Milne. Ralph Howard Fowler // Obituary Notices. — P. 73—74.
7. ↑ D. Avery. The science of war: Canadian scientists and allied military technology. — University of Toronto Press, 1998. — P. 55.
8. ↑ Ralph Howard Fowler  (англ.). Mathematics Genealogy Project. — Список учеников Фаулера. Архивировано из первоисточника 14 апреля 2012. Проверено 19 марта 2010.
9. ↑ Фаулер, Ральф Говард // Ю.А. Храмов. Физики: Биографический справочник. — М.: Наука, 1983. — С. 272.
10. ↑ М. Олифант. Дни Кембриджа // Резерфорд - ученый и учитель (К 100-летию со дня рождения) / Под ред. П. Л. Капицы. — М.: Наука, 1973.
11. ↑ Д. Н. Зубарев. Метод Дарвина — Фаулера // Физическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 558.
12. ↑ G. P. Thomson. Charles Galton Darwin (1887—1962) // Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society. — 1963. — Vol. 9. — P. 73.
13. ↑ E. A. Milne. Ralph Howard Fowler // Obituary Notices. — P. 70.
14. ↑ E. A. Milne. Ralph Howard Fowler // Obituary Notices. — P. 71.
15. ↑ ^{1 2 3} S. Chandrasekhar. Ralph Howard Fowler // Astrophysical Journal. — 1945. — Vol. 101. — № 1. — P. 1—5.
16. ↑ E. A. Milne. Ralph Howard Fowler // Obituary Notices. — P. 72.
17. ↑ Развитие теории белых карликов в исторической последовательности проследил Субраманьян Чандрасекар в своей Нобелевской лекции, см. С. Чандрасекхар. О звездах, их эволюции и устойчивости // УФН. — 1985. — В. 3. — Т. 145. — С. 489-506.
18. ↑ В. Н. Шредник. Автоэлектронная эмиссия // Физическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 21.
19. ↑ R. G. Mortimer. Physical chemistry. — Elsevier Academic Press, 2008. — P. 111.
20. ↑ А. Маккей. Джон Бернал и его лаборатория // Химия и жизнь. — 2002. — № 1. — С. 51.
21. ↑ ^{1 2} E. A. Milne. Ralph Howard Fowler // Obituary Notices. — P. 63—64.
22. ↑ Селенографические координаты (-145°, +43°). См.: И.Г. Колчинский, А.А. Корсунь, М.Г. Родригес. Астрономы: Биографический справочник. — Киев: Наукова думка, 1977. — С. 387.

Литература

• Professor Sir Ralph Fowler, F. R. S.: Eminent Mathematical Physicist // The Times. — Sept. 12, 1944.
• E. A. Milne. Ralph Howard Fowler // The Observatory. — 1944. — Vol. 65. — P. 245—246.
• S. Chandrasekhar. Ralph Howard Fowler // Astrophysical Journal. — 1945. — Vol. 101. — № 1. — P. 1—5.
• E. A. Milne. Ralph Howard Fowler // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. — 1945. — Vol. 105. — P. 80—87.
• E. A. Milne. Ralph Howard Fowler (1889—1944) // Obituary Notices of the Royal Society. — 1945. — Vol. 5. — P. 60—78.
• Фаулер, Ральф Говард // Ю.А. Храмов. Физики: Биографический справочник. — М.: Наука, 1983. — С. 272.
• K. Gavroglu, A. Simoes. 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.

Ссылки

• Ian T Durham Ralph Fowler  (англ.). MacTutor History of Mathematics archive. Архивировано из первоисточника 14 апреля 2012. Проверено 19 марта 2010.
• Ralph Howard Fowler  (англ.). Mathematics Genealogy Project. — Список учеников Фаулера. Архивировано из первоисточника 14 апреля 2012. Проверено 19 марта 2010.