Ральф Говард Фаулер

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.

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. ), 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.

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.

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. В 1921 году он женился на единственной дочери Резерфорда Эйлин Мэри (1901-1930), которая умерла вскоре после рождения их четвертого ребенка.

Зрелые годы. Научная школа

В 1922 году Фаулер был назначен надзирателем (проктором) Кембриджского университета. 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. После начала Второй мировой войны он восстановил сотрудничество с Артиллерийским управлением (см. ), 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 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.

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.). Ученик Резерфорда Марк Олифант вспоминал:

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. Они также показали, что обычная термодинамика может быть легко получена из данного статистического описания.

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.

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. 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.

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, 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.

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). Совместно с Фрэнсисом Астоном он развил теорию фокусировки заряженных частиц при помощи масс-спектрографа. 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). В 1931 году он сформулировал 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 между молекулами воды, приводящая к ее квазикристаллическому строению.

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. ). Впоследствии, в связи с астрофизическими вопросами, он обратился к особенностям уравнения Эмдена (см. ), 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 звезд. В 1920 году Фаулер опубликовал трактат по дифференциальной геометрии плоских кривых, который выдержал несколько изданий.

Награды

• Офицер Ордена Британской империи (1918)
• Премия Дж. Адамса (1924)
• Королевская медаль (1936)
• Рыцарство (1942)

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.
• 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. 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. 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