Чарлз Га́лтон Да́рвін (; 18 грудня 1887, Кембридж — 31 грудня 1962, Кембридж) — британський фізик-теоретик і математик. Член Лондонського королівського товариства (1922). Відомий своїми працями з теорії дифракції рентгенівських променів, статистичної механіки (метод Дарвіна — Фаулера), квантової фізики (квантовомеханічна теорія ефекту Зеемана, теорія електрона діраківського типу тощо). Як громадський діяч увагу приділяв проблемам народонаселення та євгеніки.
Біографія
Походження. Початок наукової кар'єри Чарлз Галтон Дарвін родився у Кембриджі у науковій династії: його батьком був відомий математик і астроном Джордж Говард Дарвін, а дідом — знаменитий природодослідник Чарлз Роберт Дарвін. Його мати, американка Мод дю Пюї (Maud du Puy), була донькою філадельфійського інженера-винахідникаBlaney, 2004. Його хрещеними батьками були також помітні особи — основоположник євгеніки Френсіс Гальтон і знаменитий фізик лорд Кельвін. Юний Дарвін навчався спочатку у підготовчій школі Святої Віри (St. Faith's), а потім отримав класичну освіту в школі Марлборо. З 16-річного віку він став спеціалізуватись на математиці. У 1901 і 1906 роках для отримання практики з німецької мови він відвідав Німеччину, причому у свій другий приїзд мав зустріч у Геттінгені з відомим математиком Карлом Рунге.
У 1906 році Дарвін вступив д Триніті-коледжу Кембриджського університету, де вивчав математику і математичну фізику. Одним з викладачів, що вплинули на долю майбутнього вченого, був Джозеф Лармор, на той час Лукасівський професор математики у Кембриджі; безпосереднім наставником студента був . Дарвін закінчив математичний курс () п'ятим (). Після закінчення навчання у 1910 році він почав працювати у Манчестерському університеті під керівництвом Ернеста Резерфорда, отримавши посаду Шустерівського лектора з математичної фізики (в основному Дарвін читав курси термодинаміки та кінетичної теорії газів). Перші наукові праці Дарвіна були присвячені окремим питанням фізики атмосфери і радіоактивного розпаду торію (разом з Ернестом Марсденом). Згодом він зайнявся проблемою поглинання та розсіювання речовиною альфа-частинок. Його робота на цю тематику стала одним з перших теоретичних досліджень, у яких використовувалось уявлення про ядерну будову атома, запропоновану незадовго перед цим РезерфордомThomson, 1963, С.70. Ця робота Дарвіна була піддана критиці Нільсом Бором і стала відправним пунктом, з якого останній розпочав свою діяльність у руслі резерфордівських уявлень, що привела його до побудови першої квантової теорії атомаЕльяшевич М. А. Развитие Нильсом Бором квантовой теории атома и принципа соответствия (Работы Н. Бора 1912—1923 гг. по атомной физике и их значение) // УФН. — 1985. — Т. 147, № 10. — С. 261—262. Після приїзду Бора до Манчестера Дарвін обговорював з ним та Генрі Мозлі роль атомного номера у поясненні послідовності розташування хімічних елементів у періодичній системі та можливість експериментальної перевірки цього допущенняБор Н. Воспоминания об Э. Резерфорде — основоположнике науки о ядре. Дальнейшее развитие его работ (The Rutherford Memorial Lecture 1958. Reminiscences of the Founder of Nuclear Science and of some Developments Based on his Work) // УФН/ Пер. В. А. Угарова. — 1963. — Т. 80, № 2. — С. 226. Див. також: . У 1913 році Дарвін відійшов від питань атомної фізики, спрямувавши свої зусилля на побудову адекватної теорії дифракції рентгенівських променів.
Війна. Робота у Кембриджі та Единбурзі Після початку Першої світової війни Дарвін, який пройшов навчання в в Манчестерському університеті, був відправлений у Францію в складі одного з перших британських підрозділів. Протягом приблизно року він перебував у Булоні, забезпечуючи функції цензури і радіозв'язку. Потім він приєднався до Корпусу королівських інженерів, де брав участь в очолюваних Вільямом Лоренсом Бреггом роботах зі звукової локації ворожих снарядів. У 1917 році Дарвін був нагороджений Воєнним Хрестом і направлений у розпорядження Королівських військово-повітряних сил для проведення досліджень шумів, що видаються літакамиThomson, 1963, С. 71-72.
У 1919 році Дарвін був обраний членом Коледжу Христа () у Кембриджі і до 1922 року читав лекції, а також виконував функції консультанта з математики у Кавендіській лабораторії. Цей період відзначається плідною співпрацею з Ральфом Фаулером, підсумком якої стали значимі результати в галузі статистичної механікиThomson, 1963, С.73. У 1922 році Дарвін отримав посаду запрошеного професора у Каліфорнійському технологічному інституті, де провів рік. На батьківщину він повернувся через Південну Америку, де побував у багатьох місцях, які свого часу відвідав його знаменитий предок під час подорожі на кораблі «Бігль».
У 1924 році Дарвін був запрошений на посаду професора натурфілософії () Единбурзького університету.
У наступному році він одружився з Кетрін Пембер (), яка була математиком за професією, дочкою директора оксфордського Коледжу Усіх Душ. У них було п'ятеро дітейThomson, 1963, С.83. За час перебування в Единбурзі Дарвін зробив свій найсуттєвіший внесок у прояснення окремих питань квантової теорії.
Адміністративна діяльність. Останні роки У 1936 році Дарвін отримав адміністративну посаду магістра Коледжу Христа Кембриджського університету. В цей час йому довелося приділити багато уваги проектам спорудження нових будівель на території коледжу. Через два роки його було призначено директором Національної фізичної лабораторії, він змінив на цій посаді Вільяма Брегга. Після початку Другої світової війни Дарвін зайнявся реорганізацією лабораторії, спрямувавши зусилля її співробітників на вирішення військових проблем, зокрема на питання протиповітряної оборони та ранні радарні розробки. У 1941 році у він був направлений до Вашингтона як керівник місії, що мала на меті координацію діяльності британських, американських і канадських вчених, в тому числі й у сфері розробки атомного озброєння. Після повернення до Великої Британії він виконував функції наукового консультанта при Військовому міністерствіThomson, 1963, С.77.
Лише наприкінці війни Дарвін отримав можливість знову тісно зайнятися проблемами своєї лабораторії. Він став одним з ініціаторів робіт по розвитку електронно-обчислювальної техніки у спеціально створених підрозділах лабораторії, підсумком яких став один з перших британських комп'ютерів Pilot ACE. У 1949 Дарвін пішов у відставку, хоча й залишався членом виконавчого комітету лабораторії з 1953 до 1959 рокуThomson, 1963, С.78.
Після виходу у відставку у Дарвіна з'явились час і можливість зайнятися громадською діяльністю, питаннями народонаселення та євгеніки, яким він приділяв велику увагу. Він був президентом Товариства євгеніки у 1953—1959 роках. У повоєнний час він багато подорожував, брав участь в наукових конференціях, у складі державних і громадських місій відвідував різні країни світу: Індію (1937/38, 1946/47, 1956), Ірак (1947) і Таїланд (1953) по лінії ЮНЕСКО, Австралію і Нову Зеландію з лекціями (1956) тощо. Він був членом британської делегації на засіданнях Комісії ООН з атомної енергії, брав участь у Пагвоському русі та відзначенні у 1959 році у ювілею свого діда, Чарлза Роберта Дарвіна. Дарвін був членом низки громадських та державних комітетів, у 1941—1944 роках він обіймав пост президента Лондонського фізичного товаристваThomson, 1963, С.81, у 1939 році обирався віце-президентом Лондонського королівського товариства.
Наукова діяльність Дарвін є автором понад 90 наукових публікацій, присвячених в основному оптиці рентгенівських променів, статистичній механіці, квантовій теорії. Для характеристики Дарвіна як ученого можна навести слова нобелівського лауреата Джорджа Паджета Томсона:
Він поділяв національну особливість британської науки — мислити, виходячи з конкретних проблем, і доходити до широких теорій швидше за індукцією, ніж за допомогою деякого апріорного міркування. Все своє життя Дарвін був скоріше математиком-прикладником, ніж фізиком-теоретиком. Його ідеї були отримані з експериментів або з роботи інших людей. Він використовував свої математичні здібності радше для роботи над цими ідеями, ніж для їх висунення
Далі охарактеризовані основні напрями наукової діяльності та найважливіші результати досліджень Дарвіна.
Дифракція рентгенівських променів У 1913 році Дарвін разом з Генрі Мозлі, використовуючи методи Бреггів, розпочав цикл робіт з вивчення дифракції рентгенівських променів. У першій статті (переважно експериментальній) вони виміряли інтенсивність відбитого кристалом пучка рентгенівського випромінювання за іонізацією речовини, що викликалася ним. У наступних двох роботах, написаних Дарвіном одноособово і опублікованих у лютому та квітні 1914 року, він заклав основи динамічної теорії дифракції рентгенівських променів. Його перші розрахунки стосувалися відбиття променів від ідеального кристала і дали значно занижену величину ефективності цього процесу у порівнянні з результатами вимірювань Мозлі. Дарвін прийшов до висновку, що ця розбіжність пов'язана з недосконалістю реальних кристалів. Він врахував цю недосконалість в своїй мозаїчної моделі, припустивши, що кристал складається з по різному зорієнтованих блоків, розташованих на різних глибинах від поверхні зразка. Випромінювання, відбите кожним блоком, додається і дає шукане збільшення інтенсивності відбитого пучка порівняно з ідеальним випадком. У цих статтях та у статті від 1922 року були також розглянуті температурні ефекти й встановлено зв'язок з розсіюванням випромінювання окремими атомами. Праці Дарвіна з дифракції рентгенівських променів тепер вважаються класичними. За словами Вільяма Лоуренса Брегга,
З тих пір формули, встановлені Дарвіном, були основою для інтерпретації кількісних вимірювань … Рентгенівські кристалографи завжди вважали цю оригінальну і повну уяви роботу Дарвіна, проведену на такому ранньому етапі розвитку тематики, одним з кращих його внесків у науку.
Основні наукові праці за напрямом:
Статистична механіка У 1922 році Дарвін разом з Ральфом Фаулером розглянув класичну статистику невзаємодіючих частинок і показав, що стан газу зручніше описувати у термінах середніх (а не найімовірніших) величин. Це приводить до необхідності обчислення статистичних інтегралів, які можуть бути представлені у вигляді контурних інтегралів й оцінені за допомогою методу перевалу. Розроблений підхід до обчислення статистичних інтегралів відомий тепер як метод Дарвіна — Фаулера. Вони також показали, що основні положення класичної термодинаміки можуть бути легко отримані з даного статистичного опису.
Основні наукові праці за напрямом:
Квантова теорія Під час роботи у Манчестері, Дарвін був безпосереднім свідком зародження квантової теорії будови атома. До того ж він перебував під значним враженням від ідей Анрі Пуанкаре, котрий вказав, що ідея квантів веде до відмови від класичного детермінізму на користь ймовірнісних представлень. Однак перший серйозний внесок у розроблення квантової тематики він зробив лише після війни, у 1919. Він перевірив проведені Арнольдом Зоммерфельдом розрахунки тонкої структури водневого спектра і з метою повнішого врахування релятівістських ефектів запропонував використовувати потенціали, що запізнюються, для опису взаємодії електрона з ядром.
Мабуть, Дарвін одним з перших усвідомив необхідність подальшої відмови від класичних уявлень з метою побудови послідовної квантової теорії. У неопублікованій статті 1919 року він писавДжеммер, 1985, С. 173—174:
Я давно уже вважав, що фундаментальні основи фізики знаходяться в жахливому стані. Значні досягнення квантової теорії весь час підкреслювали не лише її значення, а й суттєві суперечності, що лежать в її основі … Може статися, що буде потрібно фундаментально змінити наші уявлення про час і простір, або відмовитися від збереження речовини і електрики, або навіть як остання можливість приписати електрону свободу волі.