Дарвин, Чарльз Галтон

Чарльз Галтон Дарвин родился в Кембридже в научной династии: его отцом был известный математик и астроном Джордж Говард Дарвин, а дедом — знаменитый естествоиспытатель Чарлз Роберт Дарвин. Его мать, американка Мод дю Пюи (Maud du Puy), была дочерью филадельфийского инженера-изобретателя[8]. Его крёстными отцами были также заметные личности — основоположник евгеники Фрэнсис Гальтон и знаменитый физик лорд Кельвин. Юный Дарвин учился сначала в подготовительной школе Святой Веры (St. Faith’s), а затем получил классическое образование в школе Марлборо. С 16-летнего возраста он начал специализироваться в математике. В 1901 и 1906 годах для получения практики в немецком языке он посетил Германию, причём в свой второй приезд встретился в Гёттингене с известным математиком Карлом Рунге[9].

В 1906 году Дарвин поступил в Тринити-колледж Кембриджского университета, где изучал математику и математическую физику. Одним из преподавателей, оказавших влияние на будущего учёного, был Джозеф Лармор, в то время Лукасовский профессор математики в Кембридже; непосредственным наставником студента был Роберт Херман (Robert A. Herman). Дарвин окончил математический курс (Mathematical Tripos) пятым (fifth wrangler)[10]. После окончания обучения в 1910 году он начал работать в Манчестерском университете под руководством Эрнеста Резерфорда, получив должность Шустеровского лектора по математической физике (в основном Дарвин читал курсы термодинамики и кинетической теории газов). Первые работы Дарвина были посвящены некоторым вопросам физики атмосферы и радиоактивного распада тория (совместно с Эрнестом Марсденом). Вскоре он занялся проблемой поглощения и рассеяния альфа-частиц веществом. Его работа по этой тематике стала одним из первых теоретических исследований, в которых использовалось представление о ядерном строении атома, предложенное незадолго до этого Резерфордом[11]. Эта работа Дарвина была подвергнута критике Нильсом Бором и стала отправным пунктом, с которого последний начал свою деятельность в русле резерфордовских представлений, приведшую его к построению первой квантовой теории атома[12]. После приезда Бора в Манчестер Дарвин обсуждал с ним и Генри Мозли роль атомного номера в прояснении последовательности расположения элементов в периодической таблице Менделеева и возможность экспериментальной проверки этого предположения[13]. В 1913 году Дарвин отошёл от вопросов атомной физики, направив свои усилия на построение адекватной теории дифракции рентгеновских лучей.

После начала Первой мировой войны Дарвин, который прошёл обучение в Корпусе подготовки офицеров в Манчестерском университете, был отправлен во Францию в составе одного из первых британских подразделений. В течение примерно года он оставался в Булони, осуществляя функции цензуры и радиосвязи. Затем он присоединился к Корпусу королевских инженеров, где принимал участие в возглавляемых Уильямом Лоуренсом Брэггом работах по звуковой локации вражеских снарядов. В 1917 году Дарвин был награждён Военным крестом и отправлен в распоряжение Королевских военно-воздушных сил для исследования шумов, издаваемых самолётами[14].

В 1919 году Дарвин был избран членом колледжа Христа (Christ’s College) в Кембридже и до 1922 года читал лекции, а также исполнял функции консультанта по математике в Кавендишской лаборатории. Это время отмечено плодотворным сотрудничеством с Ральфом Фаулером, итогом которого стали значительные результаты в области статистической механики[15]. В 1922 году Дарвин получил должность приглашённого профессора в Калифорнийском технологическом институте, где провёл год. На родину он возвратился через Южную Америку, где побывал во многих местах, которые посетил его знаменитый предок во время путешествия на корабле «Бигль»[14].

В 1924 году Дарвин был приглашён на должность профессора натуральной философии (Tait Professor of Natural Philosophy) Эдинбургского университета. В следующем году он женился на Кэтрин Пембер (Katharine Pember), математике по профессии, дочери директора оксфордского Колледжа Всех Душ[15]. У них родилось пятеро детей[16]. Во время пребывания в Эдинбурге Дарвин внёс свой самый существенный вклад в прояснение некоторых вопросов квантовой теории.

В 1936 году Дарвин получил административный пост магистра колледжа Христа Кембриджского университета. В это время ему пришлось уделить много внимания проектам постройки новых зданий на территории колледжа. Через два года он был назначен директором Национальной физической лаборатории, сменив в этой должности Уильяма Брэгга. После начала Второй мировой войны Дарвин занялся реорганизацией лаборатории, направив усилия её сотрудников на военные проблемы, в частности на вопросы противовоздушной обороны и ранние радарные разработки. В 1941 году он был направлен в Вашингтон в качестве руководителя миссии, имевшей целью координацию деятельности британских, американских и канадских учёных, в том числе и в сфере разработки атомного вооружения. После возвращения в Англию он исполнял функции научного консультанта при Военном министерстве[17].

Лишь в конце войны Дарвин получил возможность вновь тесно заняться проблемами своей лаборатории. Он стал одним из инициаторов работ по развитию электронно-вычислительной техники в специально образованных подразделениях лаборатории, итогом которых стал один из первых британских компьютеров Pilot ACE. В 1949 году Дарвин вышел в отставку, хотя и оставался членом исполнительного комитета лаборатории с 1953 по 1959 год[18].

После выхода в отставку у Дарвина появилось время и возможность заняться общественной деятельностью, вопросами народонаселения и евгеники, которым он уделял большое внимание. Он являлся президентом Общества евгеники в 1953—1959 годах. В послевоенное время он много путешествовал, участвовал в научных конференциях, в составе государственных и общественных миссий посещал различные страны мира: Индию (1937/38, 1946/47, 1956), Ирак (1947) и Таиланд (1953) по линии ЮНЕСКО, Австралию и Новую Зеландию с лекциями (1956) и т. д. Он был членом британской делегации на заседаниях Комиссии ООН по атомной энергии, принимал участие в Пагуошском движении и праздновании в 1959 году юбилея своего деда, Чарлза Роберта Дарвина[19]. Дарвин являлся членом ряда общественных и государственных комитетов, в 1941—1944 годах он занимал пост президента Лондонского физического общества[20], в 1939 году избирался вице-президентом Лондонского королевского общества[16].

В 1913 году Дарвин совместно с Генри Мозли, используя методы Брэггов, начал цикл работ по изучению дифракции рентгеновских лучей. В первой статье (преимущественно экспериментальной) они измерили интенсивность отражённого кристаллом пучка рентгеновского излучения по вызываемой им ионизации вещества. В последующих двух работах, написанных им единолично и вышедших в феврале и апреле 1914 года, Дарвин заложил основы динамической теории дифракции рентгеновских лучей[14]. Его первые расчёты касались отражения лучей от идеального кристалла и дали значительно заниженную величину эффективности этого процесса по сравнению с результатами измерений Мозли. Дарвин пришёл к выводу, что это расхождение связано с несовершенством реальных кристаллов. Он учёл это несовершенство в своей мозаичной модели, предположив, что кристалл состоит из различно ориентированных блоков, расположенных на разных глубинах от поверхности образца. Излучение, отражённое каждым блоком, складывается и даёт искомое увеличение интенсивности отражённого пучка по сравнению с идеальным случаем[21]. В этих статьях и в статье 1922 года были также рассмотрены температурные эффекты и установлена связь с рассеянием излучения отдельными атомами. Работы Дарвина по дифракции рентгеновских лучей ныне считаются классическими[14]. По словам Уильяма Лоуренса Брэгга[14],

С тех пор формулы, установленные Дарвином, являлись основой для интерпретации количественных измерений… Рентгеновские кристаллографы всегда считали эту оригинальную и полную воображения работу Дарвина, проведённую на таком раннем этапе развития тематики, одним из лучших его вкладов в науку.

Оригинальный текст (англ.)[показатьскрыть]

The formulae which Darwin established have been the basis for interpreting quantitative measurements ever since... X-ray crystallographers have always regarded this imaginative and original work of Darwin, produced at such an early stage of the subject, as one of his finest contributions to science.

Основные работы:

• H. G. J. Moseley, C. G. Darwin. The reflexion of the X-rays // Philosophical Magazine Series 6. — 1913. — Vol. 26, № 151. — P. 210—232.
• C. G. Darwin. The theory of X-ray reflexion // Philosophical Magazine Series 6. — 1914. — Vol. 27, № 158. — P. 315—333.
• C. G. Darwin. The theory of X-ray reflexion. Part II // Philosophical Magazine Series 6. — 1914. — Vol. 27, № 160. — P. 675—690.
• C. G. Darwin. The reflexion of X-rays from imperfect crystals // Philosophical Magazine Series 6. — 1922. — Vol. 43, № 257. — P. 800—829.

В 1922 году Дарвин совместно с Ральфом Фаулером 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[22]. Они также показали, что обычная термодинамика может быть легко получена из данного статистического описания[15].

Основные работы:

• 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.

Работая в Манчестере, Дарвин был непосредственным свидетелем зарождения квантовой теории строения атома. К тому же он находился под большим впечатлением от идей Анри Пуанкаре, который указал, что идея квантов ведёт к отказу от классического детерминизма в пользу вероятностных представлений[23]. Однако первый серьёзный вклад в разработку квантовой тематики он внёс только после войны, в 1919 году. Он проверил проведённые Арнольдом Зоммерфельдом расчёты тонкой структуры водородного спектра и с целью более полного учёта релятивистских эффектов предложил использовать запаздывающий потенциал для описания взаимодействия электрона с ядром[24].

По-видимому, Дарвин одним из первых осознал необходимость дальнейшего отказа от классических представлений с целью построения последовательной квантовой теории. В неопубликованной статье 1919 года он писал[25]:

Я давно уже считал, что фундаментальные основы физики находятся в ужасном состоянии. Большие достижения квантовой теории всё время подчёркивали не только её значение, но и существенные противоречия, лежащие в её основе… Может случиться, что потребуется фундаментально изменить наши представления о времени и пространстве, либо отказаться от сохранения вещества и электричества, либо даже в качестве последней возможности приписать электрону свободу воли.

Эти рассуждения привели Дарвина к идее о трактовке закона сохранения энергии как статистического (а не точного) закона, которую он использовал в 1922 году для построения теории оптической дисперсии. Вскоре он встретился с серьёзными затруднениями на этом пути[26]. Хотя преодолеть их не удалось, он очень близко подошёл к осознанию ключевой роли корпускулярно-волнового дуализма и необходимости создания новой концептуальной схемы, которая объединила бы квантовые представления и волновое описание электромагнитной теории. Впрочем, его мысли в то время остались незамеченными научным сообществом[25].

После переезда в Эдинбург Дарвин занялся некоторыми вопросами магнитооптики, в частности теорией эффекта Зеемана, который он сначала трактовал с классических позиций, а затем с помощью дисперсионной теории Крамерса — Гейзенберга, основанной на принципе соответствия. После появления волновой механики он рассмотрел эффект Зеемана на основе уравнения Шрёдингера[27]. В той же работе 1927 года была построена математическая схема (одновременно с Вольфгангом Паули), позволившая ввести спин электрона в квантовую механику[28].

В том же 1927 году Дарвин предпринял попытку построить квантовомеханическую теорию электрона, представив последний в виде двухкомпонентной волны (своеобразного «вектора»). Он вывел соответствующие волновые уравнения и рассчитал на их основе спектр водорода, однако в дальнейшем возникли серьёзные проблемы с интерпретацией результатов из-за неинвариантности теории относительно поворота осей координат, в которых строятся «векторы». После появления в начале 1928 года статьи Поля Дирака с его релятивистским уравнением электрона, описываемого четырёхкомпонентной волновой функцией, выяснилось, что теория Дарвина является лишь некоторым приближением теории Дирака. Дарвин сразу же занялся получением следствий уравнения Дирака, переписав его на более понятном для остальных физиков языке дифференциальных уравнений[29]. Он показал, что это уравнение даёт верные результаты не только в первом, но и в высших приближениях[30], рассчитал тонкую структуру спектра водорода и вычислил магнитный момент электрона.

В ряде последующих работ Дарвин подробно и на примерах разъяснял новые идеи (в частности, соотношение неопределённостей и принцип дополнительности) и их следствия, что было особенно полезно для физиков-экспериментаторов[20]. Большую популярность приобрела его книга «Современное представление о материи» (The New Conceptions of Matter), написанная по итогам курса лекций, прочитанного в Америке[31]. В этой книге, написанной для неспециалистов, нашли отражение его философские взгляды по вопросам квантовой физики. Так, он отдавал предпочтение волновой механике перед матричной, поскольку, по его мнению, первая позволяет наглядно представлять физические процессы (в этом смысле она тесно связана с классическими волновыми теориями), тогда как вторая чересчур абстрактна. С этой позицией Дарвина связано то, что он отдавал онтологическое первенство волнам, а не частицам[32].

Основные работы:

• C. G. Darwin. The dynamical motions of charged particles // Philosophical Magazine Series 6. — 1920. — Vol. 39, № 233. — P. 537—551.
• C. G. Darwin. A Quantum Theory of Optical Dispersion // Nature. — 1922. — Vol. 110. — P. 841—842.
• C. G. Darwin. The Wave Theory and the Quantum Theory // Nature. — 1923. — Vol. 111. — P. 771—773.
• C. G. Darwin. The Zeeman Effect and Spherical Harmonics // Proc. R. Soc. Lond. A. — 1927. — Vol. 115. — P. 1—19.
• C. G. Darwin. The Electron as a Vector Wave // Proc. R. Soc. Lond. A. — 1927. — Vol. 116. — P. 227—253.
• C. G. Darwin. The Wave Equations of the Electron // Proc. R. Soc. Lond. A. — 1928. — Vol. 118. — P. 654—680.
• C. G. Darwin. The New Conceptions of Matter. — London: Bell & Sons, 1931. Советское издание: Ч. Г. Дарвин. Современное представление о материи. — М.; Л.: ОНТИ, 1937.

Помимо отмеченных выше, стоит кратко перечислить некоторые результаты Дарвина по ряду частных вопросов из различных областей физики. В 1914 году, перед самым началом войны, он рассмотрел проблему столкновения альфа-частиц с лёгкими атомами, находившуюся в русле исследований Резерфорда[14]. В 1924 году, оставаясь в рамках классической физики, он обратился к вопросу определения оптических свойств вещества по особенностям рассеянного излучения[15]. Несколько раз на протяжении своей жизни (в 1934 и 1943 годах) Дарвин возвращался к теме распространения радиоволн в ионосфере Земли, в частности он показал, что нет необходимости учитывать влияние так называемого лоренцевского локального поля на движение свободных электронов в ионосферной плазме[33]. Среди других тем, к которым он иногда обращался, — гидродинамика, земной магнетизм, общая теория относительности. Дарвин также написал ряд работ по чисто математическим вопросам (функция Вебера, конформные отображения, эллиптические функции)[18].

Некоторые статьи:

• C. G. Darwin. Collision of alpha-particles with light atoms // Philosophical Magazine Series 6. — 1914. — Vol. 27, № 159. — P. 499—506.
• C. G. Darwin. The optical constants of matter // Trans. Camb. Phil. Soc. — 1924. — Vol. 23. — P. 137—167.
• C. G. Darwin. The Refractive Index of an Ionized Medium. II // Proc. R. Soc. Lond. A. — 1943. — Vol. 182. — P. 152—166.
• C. G. Darwin. The Gravity Field of a Particle // Proc. R. Soc. Lond. A. — 1959. — Vol. 249. — P. 180—194.