Франц Эрнст Нейман

Франц Эрнст Нейман (нем. Franz Ernst Neumann; 11 сентября 1798, Йоахимсталь, Бранденбург — 23 мая 1895, Кёнигсберг, Восточная Пруссия) — немецкий физик, математик и минералог, один из основоположников теоретической физики как самостоятельной дисциплины. Наиболее известен трудами в области электродинамики, кристаллофизики и термодинамики. Ввёл понятие потенциала в электромагнетизме, сформулировал закон электромагнитной индукции для движущихся проводников (закон Неймана) и развил теорию двойного лучепреломления в кристаллах.

Биография

Ранние годы и образование

Франц Эрнст Нейман родился в семье чиновника. После смерти отца в 1813 году он был вынужден прервать учёбу и поступил на военную службу в прусскую армию, участвовал в кампаниях 1813–1815 годов против Наполеона. В 1817 году демобилизовался и начал изучать теологию в Берлинском университете, однако под влиянием лекций Фридриха Шлейермахера и математика Августа Леопольда Крелле заинтересовался естественными науками. В 1819 году перевёлся в Йенский университет, где изучал минералогию и физику.

Научная карьера

В 1826 году Нейман защитил докторскую диссертацию по минералогии в Кёнигсбергском университете. С 1828 года — экстраординарный, а с 1831 года — ординарный профессор физики и минералогии в Кёнигсберге. В 1834 году основал при университете Физический кабинет (позже — Физический институт), который стал одним из первых в Германии специализированных научно-исследовательских центров по физике. Нейман воспитал плеяду выдающихся учеников, среди которых Густав Кирхгоф, Генрих Герц, Вольдемар Фойгт, Эрнст Аббе и другие.

В 1845 году был избран членом-корреспондентом Прусской академии наук, в 1858 году — иностранным членом Лондонского королевского общества. В 1860 году вышел в отставку с должности профессора, но продолжал научную работу до глубокой старости. Умер в Кёнигсберге в возрасте 96 лет.

Научные достижения

Электродинамика и закон Неймана

Основной вклад Неймана в электродинамику относится к 1845–1847 годам, когда он независимо от Майкла Фарадея и Джеймса Клерка Максвелла разработал математическую теорию электромагнитной индукции. Он ввёл понятие векторного потенциала (в современной терминологии — магнитный векторный потенциал A) и сформулировал закон, согласно которому электродвижущая сила в замкнутом контуре равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. В отличие от Фарадея, Нейман дал строгое аналитическое выражение для случая движущихся проводников в постоянном магнитном поле — так называемый закон Неймана:

\[ \mathcal{E} = -\frac{d\Phi}{dt} \]

где \(\mathcal{E}\) — электродвижущая сила, \(\Phi\) — магнитный поток. Этот закон стал основой для последующей формулировки уравнений Максвелла.

Нейман также разработал теорию взаимной индукции и вычислил коэффициент взаимной индукции для двух круговых контуров (формула Неймана).

Кристаллофизика

В области минералогии и физики кристаллов Нейман выполнил фундаментальные исследования теплового расширения и упругости кристаллов. В 1830-х годах он экспериментально измерил коэффициенты теплового расширения для многих кристаллических веществ и установил, что они зависят от кристаллографического направления. В 1841 году опубликовал работу «О двойном лучепреломлении света в кристаллах», в которой объяснил это явление на основе анизотропии упругих свойств кристаллической решётки.

Нейман ввёл понятие тензора (хотя термин появился позже) для описания физических свойств кристаллов, предвосхитив тем самым тензорное исчисление в физике. Он также сформулировал принцип Неймана: симметрия физических свойств кристалла не может быть ниже симметрии его кристаллической решётки. Этот принцип стал одним из фундаментальных в кристаллофизике.

Термодинамика и математическая физика

В 1840-х годах Нейман занимался теорией теплоты. Он вывел уравнение теплопроводности для анизотропных сред и применил методы математической физики к решению краевых задач. Совместно с учениками разработал методы расчёта температурных полей в неоднородных телах.

Нейман внёс вклад в развитие теории потенциала, применив её к задачам электростатики и магнитостатики. Его работы по математической физике, в частности по теории дифференциальных уравнений в частных производных, оказали влияние на развитие всего направления.

Педагогическая деятельность

Нейман был одним из создателей Кёнигсбергской физико-математической школы, которая на протяжении нескольких десятилетий была ведущим центром подготовки физиков в Германии. Его семинары и лекции отличались строгостью и систематичностью. Он активно внедрял экспериментальные методы в учебный процесс, что было редкостью для того времени. Среди его учеников — Густав Кирхгоф (законы Кирхгофа), Генрих Герц (экспериментальное подтверждение электромагнитных волн), Вольдемар Фойгт (тензорная теория упругости), Эрнст Аббе (теория микроскопа) и другие.

Основные труды

• «О двойном лучепреломлении света в кристаллах» (1841)
• «Математические основы теории электромагнитной индукции» (1845)
• «Теория теплопроводности в кристаллах» (1850)
• «Лекции по математической физике» (опубликованы посмертно, 1896)

Память

• Именем Неймана назван кратер на Луне (Neumann).
• В Кёнигсберге (ныне Калининград) в 1898 году был установлен памятник учёному (утрачен после Второй мировой войны).
• В честь Франца Эрнста Неймана названа медаль Неймана, присуждаемая Немецким минералогическим обществом за выдающиеся достижения в области кристаллофизики.
• Его имя носит одна из улиц в Берлине.

Интересные факты

• Нейман прожил 96 лет и сохранял научную активность до конца жизни. Последнюю научную статью он опубликовал в возрасте 90 лет.
• Он был учителем Густава Кирхгофа, который впоследствии стал одним из крупнейших физиков XIX века.
• Нейман никогда не использовал векторную нотацию, предпочитая компонентную запись, что делало его работы громоздкими, но точными.
• В 1858 году он был избран иностранным членом Лондонского королевского общества, но так и не посетил Англию.

Источники

• Franz Neumann: Gesammelte Werke (Собрание сочинений), 3 тома, 1906–1912.
• E. T. Whittaker: A History of the Theories of Aether and Electricity, 1910.
• H. von Helmholtz: Gedächtnisrede auf Franz Neumann, 1895.
• Биографический словарь физиков, под ред. А. И. Ахиезера, 1983.
• Статья «Franz Ernst Neumann» в Encyclopaedia Britannica, 11-е издание, 1911.