Джон Мичелл

Джон Мичелл — английский естествоиспытатель, геолог, астроном и священник, живший в XVIII веке. Наиболее известен своими пионерскими работами в области сейсмологии (создание теории землетрясений), а также предсказанием существования чёрных дыр и разработкой метода измерения гравитационной постоянной. Мичелл считается одним из основоположников научной сейсмологии и первым, кто применил математические методы к изучению гравитационных явлений на космологических масштабах.

Биография

Ранние годы и образование

Джон Мичелл родился 25 декабря 1724 года в Ивере (графство Ноттингемшир, Англия) в семье священника. Его отец, также Джон Мичелл, был настоятелем местного прихода. Образование получил в колледже Куинз (Кембриджский университет), где изучал математику, классические языки и теологию. В 1749 году получил степень магистра искусств, а в 1752 году — степень бакалавра богословия.

Карьера

После окончания университета Мичелл принял сан священника и служил в различных приходах. В 1767 году он был назначен ректором (настоятелем) церкви Святого Михаила в Торнхилле (Йоркшир), где провёл большую часть своей жизни. Несмотря на духовный сан, Мичелл активно занимался наукой, публикуя статьи в трудах Лондонского королевского общества (британской академии наук), членом которого он стал в 1760 году.

Научная деятельность

Сейсмология: теория землетрясений

Главный вклад Мичелла в науку — создание первой научной теории землетрясений. В 1760 году, после Лиссабонского землетрясения 1755 года (одного из самых разрушительных в истории Европы), он опубликовал работу «Conjectures concerning the Cause, and Observations upon the Phaenomena of Earthquakes» («Предположения о причинах и наблюдения над явлениями землетрясений»). В этой статье Мичелл:

• Установил связь землетрясений с движением геологических пластов. Он предположил, что подземные толчки возникают из-за внезапного смещения горных пород вдоль разломов (что за 150 лет предвосхитило современную теорию тектоники плит).
• Описал распространение сейсмических волн. Мичелл впервые объяснил, что землетрясение порождает два типа волн: продольные (P-волны) и поперечные (S-волны), которые распространяются с разной скоростью. Он также указал, что эпицентр (точка на поверхности над очагом) может быть определён по разнице во времени прихода этих волн.
• Связал землетрясения с цунами. Мичелл отметил, что подводные толчки могут вызывать гигантские волны, и описал механизм их образования.

Эта работа считается основополагающей для сейсмологии. Мичелл первым применил к землетрясениям физические и математические методы, а не мистические или религиозные объяснения.

Астрономия: предсказание чёрных дыр

В 1783 году Мичелл опубликовал в «Philosophical Transactions of the Royal Society» статью, в которой впервые в истории выдвинул идею объектов, которые сегодня называются чёрными дырами. Его рассуждения основывались на корпускулярной теории света Исаака Ньютона (свет рассматривался как поток частиц — корпускул) и законе всемирного тяготения.

Мичелл рассуждал следующим образом: если свет — это частицы, то они должны испытывать гравитационное притяжение. Чем массивнее звезда, тем больше скорость, необходимая для преодоления её притяжения (скорость убегания). Если масса звезды настолько велика, что скорость убегания превышает скорость света (около 300 000 км/с), то свет не сможет покинуть её поверхность. Такая звезда будет невидимой — «тёмной звездой».

Мичелл даже рассчитал, какой радиус должна иметь звезда с массой, равной массе Солнца, чтобы стать невидимой: около 3 километров (что близко к современному понятию радиуса Шварцшильда). Он также предположил, что такие объекты можно обнаружить по гравитационному воздействию на видимые звёзды-компаньоны в двойных системах.

Эта идея оставалась чисто теоретической и была забыта на полтора века, пока в 1916 году Карл Шварцшильд не получил точное решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна, описывающее гравитационный коллапс. Однако именно Мичелл, а не Шварцшильд, первым выдвинул концепцию объекта, гравитация которого не выпускает свет.

Гравиметрия: крутильные весы

Мичелл также известен разработкой прибора для измерения силы гравитации между небольшими массами в лабораторных условиях. Он спроектировал крутильные весы — устройство, в котором гравитационное притяжение между свинцовыми шарами измеряется по углу закручивания тонкой нити. Мичелл построил прототип, но не успел провести эксперименты из-за смерти в 1793 году.

После его смерти прибор перешёл к Генри Кавендишу, который в 1797–1798 годах провёл знаменитый эксперимент, названный экспериментом Кавендиша. С помощью весов Мичелла Кавендиш впервые измерил гравитационную постоянную (G) и вычислил среднюю плотность Земли. Таким образом, Мичелл внёс косвенный, но решающий вклад в одно из важнейших измерений в физике.

Геология и минералогия

Мичелл занимался также геологическими исследованиями. Он составил одну из первых геологических карт Англии (для графства Кембриджшир), изучал стратиграфию (последовательность залегания горных пород) и классифицировал минералы. Его работы в этой области, хотя и менее известны, также были новаторскими для своего времени.

Наследие и признание

При жизни Мичелл не получил широкой известности. Его работы были опубликованы в узкоспециализированных научных журналах, а многие идеи (особенно о чёрных дырах) опередили своё время. После смерти его имя было почти забыто.

Возрождение интереса к Мичеллу произошло в XX веке. В 1970-х годах историки науки, в частности Рассел Маккормак, обратили внимание на его предсказание «тёмных звёзд». Сегодня Мичелл признаётся:

• Основоположником сейсмологии как научной дисциплины.
• Первым, кто предсказал существование чёрных дыр (за 200 лет до их экспериментального открытия).
• Изобретателем крутильных весов, которые позволили измерить гравитационную постоянную.

В его честь названы кратер на Луне (Мичелл) и астероид (5230 Мичелл).

Интересные факты

• Мичелл был не только учёным, но и священником. Он никогда не видел противоречия между наукой и религией, считая, что изучение природы — это познание творения Божьего.
• Его статья о «тёмных звёздах» была написана на английском языке (а не на латыни, как было принято в науке того времени), что сделало её доступной для широкой аудитории.
• Идея Мичелла о чёрных дырах была независимо переоткрыта французским математиком Пьером-Симоном Лапласом в 1796 году, но Лаплас удалил её из второго издания своей книги после того, как волновая теория света вытеснила корпускулярную.

Критика и ограничения

Теория Мичелла о землетрясениях, хотя и была революционной, содержала неточности. Он считал, что причиной толчков является подземное расширение паров воды под воздействием тепла (ближе к вулканической модели), а не движение тектонических плит, которое было неизвестно в его время. Его предсказание чёрных дыр основывалось на ньютоновской физике, которая неверна для описания сильных гравитационных полей (требуется общая теория относительности). Тем не менее, качественный вывод Мичелла оказался верным.

Источники

• McConnell, A. (1999). «John Michell (1724–1793): A Neglected Genius». Notes and Records of the Royal Society of London.
• Schaffer, S. (1979). «John Michell and Black Holes». Journal for the History of Astronomy.
• Michell, J. (1760). «Conjectures concerning the Cause, and Observations upon the Phaenomena of Earthquakes». Philosophical Transactions of the Royal Society.
• Michell, J. (1784). «On the Means of Discovering the Distance, Magnitude, &c. of the Fixed Stars». Philosophical Transactions of the Royal Society.
• Британская энциклопедия (Encyclopædia Britannica), статья «John Michell».