Происхождение и образование

Макс Борн

(нем. Max Born; 11 декабря 1882, Бреслау — 5 января 1970, Гёттинген) — немецкий и британскийфизик-теоретик и математик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1954). Член ряда научных обществ мира, в том числе иностранный член Академии наук СССР (1934).

Борн является автором фундаментальных результатов в квантовой теории: он стал одним из основоположников матричной механики, предложил вероятностную интерпретацию волновой функции Шрёдингера, внёс существенный вклад в квантовую теорию рассеяния (борновское приближение) и так далее. Занимался проблемами динамики кристаллических решёток, термодинамикой и кинетической теорией твёрдых тел, жидкостей и газов, теорией относительности, теорией упругости. Применял идеи квантовой механики к вопросам из различных разделов науки (строение атомов и молекул, физика твёрдого тела и другие), предпринял попытку построения нелинейной электродинамики (теория Борна — Инфельда). В Гёттингене и Эдинбурге Борн создал крупные научные школы, выступал с публикациями по философским и социальным проблемам науки. После Второй мировой войны стал одним из основателей и активных участников движения учёных за мир.

Происхождение и образование

Макс Борн родился в прусском городе Бреслау (ныне польский Вроцлав) в семье известного эмбриолога еврейского происхождения Густава Борна (англ. Gustav Jacob Born; 1850—1900), профессора анатомии Бреславльского университета. Предки Макса по отцовской линии носили фамилию Буттермилх (Buttermilch), пока в 1842 году не сменили её на менее заметную — Борн. Среди них были бизнесмен Давид Борн (David Born, 1817—1879), известный деятель рабочего движения Штефан Борн (англ. Stephan Born; 1824—1898) и врач Маркус Борн (Marcus Born, 1819—1874), дед будущего физика. Мать Макса, Маргарет Кауфман (Margarete Kaufmann, 1856—1886), была дочерью успешного силезского предпринимателя-текстильщика Саломона Кауфмана (Salomon Kaufmann, 1824—1900). Кауфманы увлекались музыкой, среди посетителей их дома были такие композиторы как Ференц Лист и Иоганнес Брамс.

После смерти матери, которая страдала от желчнокаменной болезни, Макс и его младшая сестра Кете (Käthe, 1884—1953) воспитывались гувернанткой, пока в 1892 году отец, Густав Борн, не женился вторично — на Берте Липштейн (Bertha Lipstein, 1866—1937), которая родила ему сына Вольфганга (Wolfgang Born, 1893—1949). Хотя между мачехой и приёмными детьми не возникло настоящей близости, домашняя атмосфера способствовала всестороннему развитию личности и способностей Макса; среди постоянных посетителей дома Борнов были изобретатель химиотерапии Пауль Эрлих и бактериолог Альберт Нейссер. Юный Макс не относился к лучшим ученикам гимназии кайзера Вильгельма, где преподавались главным образом традиционные гуманитарные дисциплины, одна его учителю физики доктору Машке (Maschke) удалось увлечь юного Борна своим предметом.

После окончания школы, следуя совету незадолго до этого скончавшегося отца, в 1901—1902 годах Макс Борн посещал в Бреславльском университете лекции по самым различным предметам (физика, химия, зоология, философия, логика, математика, астрономия) и в итоге остановил свой выбор на последних двух, решив стать астрономом. Однако вскоре он был разочарован низким уровнем университетского астрономического оборудования и необходимостью проводить большое количество однообразных вычислений. Следуя тогдашней традиции, Борн не оставался постоянно в Бреслау: летний семестр 1902 года он провёл в Гейдельбергском университете, где подружился с Джеймсом Франком, а летний семестр следующего года — в Цюрихском политехникуме, где слушал лекции известного математика Адольфа Гурвица. Узнав от своих университетских товарищей Отто Тёплица и Эрнста Хеллингера (англ. Ernst Hellinger) о гёттингенской математической школе, Борн отправился в этот город, где посещал лекции Давида Гильберта, Германа Минковского и Вольдемара Фойгта. Вскоре Гильберт избрал нового студента своим ассистентом с обязанностью вести записи лекций профессора. Однако гораздо более ценной для Борна оказалась возможность участвовать в дискуссиях Гильберта и Минковского, проходивших во время их прогулок по Гёттингену и окрестностям. Будущий учёный также принимал участие в работе нескольких семинаров. Один из них, семинар по электродинамике движущихся тел, привлёк его внимание к тематике специальной теории относительности (имя Эйнштейна тогда ещё не было известно). Работа над проблемами теории упругости, которые обсуждались на семинаре под руководством Феликса Клейна и Карла Рунге, оказалась столь плодотворной, что, по совету Клейна, Борн представил свои результаты на университетский конкурс и завоевал премию. Эта работа, посвящённая устойчивости упругой деформации, легла в основу докторской диссертации молодого физика. Впрочем, отношения с Клейном не были идеальными, поскольку Борн хотел заниматься теорией относительности и поначалу отказывался писать диссертацию по теории упругости. По этой причине в качестве устного экзамена на соискание степени он не рискнул выбрать геометрию, а предпочёл ей астрономию: его экзаменатором в этом случае становился директор Гёттингенской обсерватории Карл Шварцшильд, семинар которого по астрофизике он также посещал. Экзамен прошёл успешно в январе 1907 года.

Работы Макса Борна, посвящённые динамике кристаллических решёток, сыграли важную роль в построении теории твёрдого тела и ныне считаются классическими. Эти исследования были начаты совместно с Теодором фон Карманом под влиянием одной из ранних статей Эйнштейна (1907), в которой предпринималась попытка описания удельной теплоёмкости кристаллов с использованием квантовых соображений Планка. Борн и Карман задались целью объяснить свойства твёрдых тел, исходя из представления об их структуре. Уже в первой совместной работе (1912) содержатся основные идеи динамики кристаллической решётки: отождествление независимых степеней свободы кристалла с нормальными модами колебаний всего тела (именно к нормальным модам применялась формула Планка); периодические граничные условия (условия Борна — Кармана) для устранения поверхностных эффектов; анализ на основе трёхмерного преобразования Фурье и представление об акустической и оптической ветвях колебательного спектра. Также ими был продемонстрирован переход к модели сплошной среды в длинноволновом пределе. Следует отметить, что на момент появления этой статьи ещё не было экспериментальных свидетельств существования кристаллических решёток; эти свидетельства вскоре предоставили опыты Макса фон Лауэ и Уильяма Брэгга. Практически одновременно с Борном и Карманом сходные идеи высказал Петер Дебай, предложивший сравнительно простую квазинепрерывную модель твёрдого тела и успешно применивший её к задаче об удельной теплоёмкости. Эта модель привлекла большое внимание физиков, однако со временем стала очевидной её ограниченность по сравнению с более общей и сложной теорией Борна и Кармана.

В последующие годы Борном и его учениками было написано большое число работ, основанных на этих первоначальных идеях и применявшихся к различным конкретным проблемам. Так, в 1914 году учёный использовал идеи динамики решёток для описания термодинамических и упругих свойств кристаллов алмаза; в частности, полученные им соотношения для констант упругости алмаза были экспериментально подтверждены лишь много лет спустя. В другой статье (1915) он смог на базе своего подхода дать полное описание явления оптической активности кристаллов, связав этот эффект со структурами, обладающими определённой степенью симметрии. С этой работой связано изучение оптической активности жидкостей и газов, проведённое Борном в том же году. Ему удалось впервые показать, что молекулы вещества, обладающего оптической активностью, должны содержать как минимум четыре атома. Во время Первой мировой войны Борн совместно с Альфредом Ланде предпринял попытку вычислить постоянную решётки и коэффициент сжимаемости ионных кристаллов, взаимодействие между элементами которого должно отчасти носить электростатический характер. Это исследование, в котором ионы трактовались как атомы с электронами, вращающимися по боровским орбитам, не принесло желаемого результата. Для Борна это был толчок к пониманию необходимости построения новой квантовой механики, которая должна заменить противоречивую теорию Бора.

В 1919 году Борн сделал важный вклад в построение теоретической химии, впервые определив теплоту химической реакции исключительно на основании физических данных (потенциалов ионизации молекул и энергии кристаллической решётки). Этот метод был взят на вооружение знаменитым химиком Фрицем Габером и получил распространение среди специалистов по физической химии (так называемый цикл Борна — Габера (англ. Born–Haber cycle)). В других работах, написанных до создания квантовой механики, учёный занимался обобщением своего подхода, вводя в теорию конечность размеров кристалла и учитывая ангармоничность для колебаний большой амплитуды, вместе с Имре Броди (англ. Imre Bródy) развивал термодинамику кристаллов. Впоследствии Борн обращался к проблемам динамики решёток уже с позиций квантовой механики; это позволяло уточнить результаты и избавиться от ряда недостатков и дефектов ранних работ. Так, в 1932 году совместно с Джозефом Майером был получен потенциал взаимодействия для ионных кристаллов (потенциал Борна — Майера), позволивший вычислить значения ряда физических и химических параметров решётки. В эдинбургский период жизни учёного выходит ряд статей по физике твёрдых тел и жидкостей, написанных в одиночку или совместно с учениками и связанных с предыдущими работами Борна. В частности, целая серия публикаций была посвящена проблеме устойчивости кристаллической решётки. Другими областями приложения борновского подхода было исследование плавления, комбинационного рассеяния света, влияния теплового движения на рассеяние рентгеновских лучей кристаллами, пироэлектричества. В области молекулярной теории жидкостей Борн совместно с Гербертом Грином разработал статистический метод, имеющий целью обобщение кинетической теории на случай жидкостей

Работы Макса Борна, посвящённые динамике кристаллических решёток, сыграли важную роль в построении теории твёрдого тела и ныне считаются классическими. Эти исследования были начаты совместно с Теодором фон Карманом под влиянием одной из ранних статей Эйнштейна (1907), в которой предпринималась попытка описания удельной теплоёмкости кристаллов с использованием квантовых соображений Планка. Борн и Карман задались целью объяснить свойства твёрдых тел, исходя из представления об их структуре. Уже в первой совместной работе (1912) содержатся основные идеи динамики кристаллической решётки: отождествление независимых степеней свободы кристалла с нормальными модами колебаний всего тела (именно к нормальным модам применялась формула Планка); периодические граничные условия (условия Борна — Кармана) для устранения поверхностных эффектов; анализ на основе трёхмерного преобразования Фурье и представление об акустической и оптической ветвях колебательного спектра. Также ими был продемонстрирован переход к модели сплошной среды в длинноволновом пределе. Следует отметить, что на момент появления этой статьи ещё не было экспериментальных свидетельств существования кристаллических решёток; эти свидетельства вскоре предоставили опыты Макса фон Лауэ и Уильяма Брэгга. Практически одновременно с Борном и Карманом сходные идеи высказал Петер Дебай, предложивший сравнительно простую квазинепрерывную модель твёрдого тела и успешно применивший её к задаче об удельной теплоёмкости. Эта модель привлекла большое внимание физиков, однако со временем стала очевидной её ограниченность по сравнению с более общей и сложной теорией Борна и Кармана.

В последующие годы Борном и его учениками было написано большое число работ, основанных на этих первоначальных идеях и применявшихся к различным конкретным проблемам. Так, в 1914 году учёный использовал идеи динамики решёток для описания термодинамических и упругих свойств кристаллов алмаза; в частности, полученные им соотношения для констант упругости алмаза были экспериментально подтверждены лишь много лет спустя. В другой статье (1915) он смог на базе своего подхода дать полное описание явления оптической активности кристаллов, связав этот эффект со структурами, обладающими определённой степенью симметрии. С этой работой связано изучение оптической активности жидкостей и газов, проведённое Борном в том же году. Ему удалось впервые показать, что молекулы вещества, обладающего оптической активностью, должны содержать как минимум четыре атома. Во время Первой мировой войны Борн совместно с Альфредом Ланде предпринял попытку вычислить постоянную решётки и коэффициент сжимаемости ионных кристаллов, взаимодействие между элементами которого должно отчасти носить электростатический характер. Это исследование, в котором ионы трактовались как атомы с электронами, вращающимися по боровским орбитам, не принесло желаемого результата. Для Борна это был толчок к пониманию необходимости построения новой квантовой механики, которая должна заменить противоречивую теорию Бора.

В 1919 году Борн сделал важный вклад в построение теоретической химии, впервые определив теплоту химической реакции исключительно на основании физических данных (потенциалов ионизации молекул и энергии кристаллической решётки). Этот метод был взят на вооружение знаменитым химиком Фрицем Габером и получил распространение среди специалистов по физической химии (так называемый цикл Борна — Габера (англ. Born–Haber cycle)). В других работах, написанных до создания квантовой механики, учёный занимался обобщением своего подхода, вводя в теорию конечность размеров кристалла и учитывая ангармоничность для колебаний большой амплитуды, вместе с Имре Броди (англ. Imre Bródy) развивал термодинамику кристаллов. Впоследствии Борн обращался к проблемам динамики решёток уже с позиций квантовой механики; это позволяло уточнить результаты и избавиться от ряда недостатков и дефектов ранних работ. Так, в 1932 году совместно с Джозефом Майером был получен потенциал взаимодействия для ионных кристаллов (потенциал Борна — Майера), позволивший вычислить значения ряда физических и химических параметров решётки. В эдинбургский период жизни учёного выходит ряд статей по физике твёрдых тел и жидкостей, написанных в одиночку или совместно с учениками и связанных с предыдущими работами Борна. В частности, целая серия публикаций была посвящена проблеме устойчивости кристаллической решётки. Другими областями приложения борновского подхода было исследование плавления, комбинационного рассеяния света, влияния теплового движения на рассеяние рентгеновских лучей кристаллами, пироэлектричества. В области молекулярной теории жидкостей Борн совместно с Гербертом Грином разработал статистический метод, имеющий целью обобщение кинетической теории на случай жидкостей

Дата добавления: 2015-07-20