|
Шварцшильд, Карл
Карл Шва́рцшильд (нем. Karl Schwarzschild; 9 октября 1873[1][2][…], Франкфурт-на-Майне, Пруссия[3] — 11 мая 1916[1][2][…], Потсдам, Пруссия[3]) — немецкий астроном и физик, директор Астрофизической обсерватории в Потсдаме (1909—1914), академик Прусской академии наук (1912). Отец германо-американского астрофизика Мартина Шварцшильда. Шварцшильд, одна из ключевых фигур начального этапа развития теоретической астрофизики, отличался широтой научных интересов — оставил заметный след в фотографической фотометрии, теории звёздных атмосфер, общей теории относительности и старой квантовой механике. Его именем, помимо всего прочего, названо открытое им первое и до сих пор наиболее важное точное решение уравнений Эйнштейна, предсказывающее существование чёрных дыр — решение Шварцшильда. БиографияКарл Шварцшильд, родившийся во Франкфурте-на-Майне в еврейской семье (отец: Мозес Мартин Шварцшильд, мать: Генриетта Сабел), был старшим из шести детей[4]. Его сестра Клара (1887—1946) в 1907 году стала женой астрофизика Роберта Эмдена[5]. В окружении, где рос Шварцшильд, поощрялось многостороннее образование с упором на музыку и искусства; Карл был первым в семье, проявившим интерес к естественным наукам[4]. Посещал до 11-летнего возраста еврейскую начальную школу, затем Государственную гимназию им. Лессинга во Франкфурте, с этого времени проявлял интерес к астрономии, собирал карманные деньги для покупки линз и сооружения телескопа[4]. Этот интерес поощрялся другом его отца, профессором Эпштейном, владевшим собственной любительской обсерваторией[4]. Карл подружился с его сыном, Паулем Эпштейном[нем.], в будущем известным математиком[4]. Уже в возрасте 16 лет, будучи гимназистом, Шварцшильд опубликовал две небольшие статьи[6][7] об определении орбит планет и двойных звёзд[4]. Получив аттестат зрелости с отличием, в 1891—1893 годах изучал астрономию в Страсбургском университете[4]. Затем в 1893 году Карл перешёл в Мюнхенский университет и окончил его в 1896 году с большим отличием (summa cum laude), получив учёную степень доктора философии (тема диссертации: «К теории Пуанкаре фигур равновесия во вращающихся однородных жидких массах»[8], научный руководитель — Хуго фон Зеелигер)[4]. С октября 1896 года Шварцшильд работал 2 года ассистентом в обсерватории Куффнера[англ.] в Вене[4]. Там он занимался фотометрией звёзд, разработал формулу определения времени выдержки для астрономической фотометрии и обнаружил явление невзаимозаместимости в фотографии, позже названное его именем (эффект Шварцшильда)[4]. В 1899 году вернулся в Мюнхенский университет, где получил должность приват-доцента, защитив хабилитационную диссертацию об измерениях блеска звёзд[4]. В 1900 году, задолго до появления общей теории относительности, Шварцшильд исследовал возможность того, что пространство является неевклидовым, получив нижнее ограничение на радиус кривизны пространства 4 млн а.е. для случая эллиптической геометрии и 100 млн а.е. — для гиперболической геометрии[9][4][10]. В это время он также исследовал движение пылевых частиц в хвостах комет под действием лучевого давления и вывел из наблюдений размеры этих частиц[4]. В 1901 году Шварцшильд стал экстраординарным (через год, в возрасте 28 лет — ординарным, то есть полным) профессором в Гёттингенском университете и одновременно директором обсерватории[англ.][4]. Там он работал с такими личностями, как Давид Гильберт и Герман Минковский[4]. 11 июня 1909 года был избран в Королевское астрономическое общество (Лондон)[4]. Во время работы в Гёттингене Шварцшильд занимался электродинамикой и геометрической оптикой, выполнил большой обзор фотографических звёздных величин и установил различие между фотографическими и визуальными звёздными величинами, изучал перенос излучения в звёздах и фотосфере Солнца[4] и в 1906 году ввёл понятие лучистого равновесия[англ.], фундаментальное для моделирования звёздных атмосфер[11][12]. Участвовал в экспедиции в Алжир для наблюдения полного солнечного затмения 30 августа 1905 года[4][13]. 22 октября 1909 года Шварцшильд женился на Эльзе Розенбах, дочери профессора хирургии Гёттингенского университета[4]. У Карла и Эльзы было трое детей — Агата, Мартин (позже профессор астрономии в Принстоне) и Альфред[4].  В конце 1909 года Карл Шварцшильд стал директором Астрофизической обсерватории в Потсдаме (этот пост считался наиболее престижным для астронома в Германии), а в 1912 году был избран членом Прусской академии наук[4]. Опубликовал монографию «Aktinometrie» (1 ч. — 1910, 2 ч. — 1912)[4]. В этот период он интересовался спектрометрией, исследовал фотографии кометы Галлея, полученные во время её возвращения в 1910 году[4]. Летом 1910 года совершил поездку в США, посетив несколько американских обсерваторий. В 1914 году Шварцшильд пытался (безуспешно) обнаружить предсказанное теорией относительности гравитационное красное смещение в солнечных спектрах.  В начале Первой мировой войны (1914 год) пошёл добровольцем в немецкую армию, несмотря на то, что его возраст превышал 40 лет; служил сначала в Намюре (Бельгия) на военной метеорологической станции, затем, получив чин лейтенанта, был переведён в штаб дивизии дальнобойной артиллерии, дислоцированной сперва во Франции, а позже в России[4][12]. Шварцшильд занимался расчётами траекторий снарядов[4]; в 1915 году направил в Академию сообщение[14] о поправках на ветер и плотность воздуха к траекториям[12], опубликованное лишь в 1920 году, после рассекречивания. Был награждён Железным крестом[12]. 18 ноября 1915 года Шварцшильд, будучи в отпуске, присутствовал на лекции Эйнштейна перед Прусской академией наук в Берлине, на которой Эйнштейн представлял свою статью, объясняющую смещение перигелия Меркурия с помощью общей теории относительности[15]. На восточном фронте заболел аутоиммунной болезнью пузырчаткой, в то время неизлечимой[4]. Во фронтовом госпитале в России Шварцшильд написал две статьи[16][17] по общей теории относительности и фундаментальную работу по квантовой теории Бора — Зоммерфельда, содержащую теорию эффекта Штарка для атома водорода[4][18]. В марте 1916 года Шварцшильд был комиссован по болезни, вернулся в Германию и через два месяца умер[4]. Похоронен на Гёттингенском городском кладбище. Научные работы и достиженияШирота охвата тем физики, математики и астрономии в его работах привела к тому, что Эддингтон сравнивал Шварцшильда с Пуанкаре, только более практической направленности[12]. Сам Шварцшильд в своей вступительной речи в Берлинскую академию наук (1913) объяснял это так:
К основным достижениям Шварцшильда в практической астрономии относят работы по основам точной фотографической фотометрии, начатые в Гёттингене и продолженные затем в Потсдаме. Ещё на первом месте он разработал технику точной оценки блеска звезд по фотографиям и на практике определил закон связи почернения на фотопластинке со временем экспозиции и блеском звезды (закон Шварцшильда). Так как фотопластинки и глаз отличаются по чувствительности к различным длинам волн электромагнитного спектра, то визуальную и фотографическую шкалы блеска звёзд необходимо связать между собой, установив некое общее начало — нуль-пункт. Это также впервые проделал Шварцшильд[19]. Разность между визуальной и фотографической звёздной величиной может служить оценкой температуры звезды — и благодаря этому ещё в 1899 году Шварцшильд обнаружил колебания эффективной температуры цефеид[20]. В Потсдаме в 1910—1912 годах он составил точный каталог фотографических звездных величин 3500 звезд ярче 7,5m со склонениями в пределах от 0° до +20° (так называемая «Гёттингенская актинометрия»), который вместе с визуальными каталогами послужил основой важных статистических исследований по оценке температур звёзд и расстояний до них[19][13][12]. Изучение статистики собственных движений звёзд, толчком к которому послужила теория двух потоков Я. Каптейна, в 1907 году привело Шварцшильда к формулировке альтернативного закона эллипсоидального распределения скоростей звезд в Галактике, затем подтверждённого в рамках теории вращения Галактики. В 1910—1912 годах Шварцшильд разработал и решил в общем виде интегральные уравнения звездной статистики, связывающие абсолютные и видимые характеристики звезд с их пространственной плотностью[19]. В 1906 году Шварцшильд ввёл в теорию звёздных атмосфер концепцию лучистого равновесия, по которой перенос энергии в атмосфере осуществляется излучением, а конвективный перенос и теплопроводность пренебрежимо малы. На основе закона Вина он создал математическую теорию лучистого равновесия и разработал соответствующую модель строения звездной атмосферы, которая и сейчас лежит во основе неконвективных моделей звёздных оболочек[20][12]. Ряд работ Шварцшильда посвящён теории равновесия малых частиц в поле излучения звёзд и приложению этой теории к кометным хвостам[19][13], теории аберраций оптических инструментов[13][21], вариационному принципу в электродинамике электрона[21], теории прямого межчастичного электромагнитного взаимодействия[22], а его последняя работа посвящена теории эффекта Штарка для атома водорода в рамках боровской старой квантовой механики[23][13] — в ней Шварцшильд впервые ввёл переменные «действие — угол»[21], важные в теории консервативных гамильтоновых систем[24]. Его работы по теории относительности содержали первые точные решения полевых уравнений общей теории относительности со сферической симметрией — так называемое внутреннее решение Шварцшильда для невращающегося шарообразного тела из однородной жидкости[17] и внешнее решение Шварцшильда для статического пустого пространства вокруг сферически симметричного тела[16] (второе сейчас именуют обычно просто решением Шварцшильда). Решение Шварцшильда было первым точным решением уравнений Эйнштейна с классической чёрной дырой, поэтому несколько терминов из физики чёрных дыр получили его имя, например радиус Шварцшильда, шварцшильдовы координаты и так далее[20]. Известно, что первой реакцией Эйнштейна на работу Шварцшильда было неверие: Эйнштейн полагал, что найти точное внешнее решение для такой сложной системы уравнений, как возникающая в общей теории относительности, невозможно. Только проверив все выкладки самостоятельно, Эйнштейн убедился, что задача действительно решена, и заразился энтузиазмом. Кроме этого, на основании своего точного внешнего решения Шварцшильд вывел предсказываемую общей теорией относительности величину эффекта смещения перигелия орбиты Меркурия и отклонения света, подтвердив значения, найденные Эйнштейном ранее на основании приближённого решения уравнений[25][20]. На заседании Берлинской академии наук, посвящённом памяти Шварцшильда, Эйнштейн оценил эти его работы следующим образом:
Признание и память В честь Карла Шварцшильда в 1960 году была названа обсерватория в городе Таутенбурге в 10 км от Йены; в обсерватории находится крупнейший в Германии телескоп[27][4], а также открытый в 1916 году астероид (837) Шварцшильда, кратер на Луне, улицы в Гёттингене и других городах. Немецкое астрономическое общество (Astronomische Gesellschaft) с 1959 года ежегодно присуждает медаль Карла Шварцшильда, первым лауреатом которой стал его сын Мартин[4]. В науке имя Шварцшильда носят[21]:
БиблиографияПолная библиография работ Карла Шварцшильда была опубликована в 1917 году Отто Блюменталем[28]. В библиотеке Гёттингена хранится также коллекция его писем и записей, микрофильмированная в 1975 году для Центра истории физики Американского института физики[29]. Первое собрание сочинений Карла Шварцшшильда в трёх томах было напечатано издательством Springer в 1992 году[30]. Примечания
Литература
Ссылки
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
