Карл Шварцшильд

Карл Шварцшильд (нем. Karl Schwarzschild; 9 октября 1873, Франкфурт-на-Майне — 11 мая 1916, Потсдам) — немецкий физик-теоретик и астроном, один из основоположников современной астрофизики. Внёс фундаментальный вклад в теорию относительности, звёздную динамику и спектроскопию. Наиболее известен как автор первого точного решения уравнений общей теории относительности (решение Шварцшильда), описывающего гравитационное поле сферически-симметричного невращающегося тела, и как первооткрыватель понятия чёрной дыры (радиус Шварцшильда).

Биография

Ранние годы и образование

Карл Шварцшильд родился в еврейской семье во Франкфурте-на-Майне. Его отец, Мозес Шварцшильд, был коммерсантом, а мать, Генриетта Шварцшильд (урождённая Зальберг), происходила из семьи банкиров. С раннего возраста проявил интерес к астрономии и математике. В 1891 году, ещё будучи гимназистом, опубликовал свою первую научную работу по теории орбит двойных звёзд. После окончания гимназии в 1893 году поступил в Страсбургский университет, где изучал астрономию и математику. Позже продолжил обучение в Мюнхенском университете, который окончил в 1896 году, защитив диссертацию на тему «Применение теории Пуанкаре к небесной механике».

Научная карьера

В 1896 году Шварцшильд начал работать ассистентом в обсерватории Кюффнера в Вене, а затем перешёл в Мюнхенскую обсерваторию. В 1901 году он стал профессором астрономии и директором обсерватории в Гёттингенском университете. В Гёттингене он сотрудничал с выдающимися математиками, включая Давида Гильберта и Германа Минковского. В 1909 году Шварцшильд был назначен директором Астрофизического института в Потсдаме, что стало вершиной его академической карьеры.

Военная служба и смерть

С началом Первой мировой войны в 1914 году Шварцшильд добровольно вступил в немецкую армию, несмотря на возраст и научные заслуги. Служил на Восточном фронте, где занимался расчётами баллистики и артиллерийской стрельбы. В 1915 году, находясь на фронте, он написал три ключевых работы по общей теории относительности, включая знаменитое решение Шварцшильда. В 1916 году заболел пузырчаткой (аутоиммунное заболевание), предположительно вызванной воздействием отравляющих газов на фронте. Был демобилизован, но скончался 11 мая 1916 года в Потсдаме в возрасте 42 лет.

Научные достижения

Решение Шварцшильда и чёрные дыры

В 1915 году, через несколько месяцев после публикации Эйнштейном окончательной версии общей теории относительности (ОТО), Шварцшильд нашёл первое точное решение её уравнений. Решение описывает гравитационное поле вне сферически-симметричного невращающегося и незаряженного тела. Ключевым следствием этого решения стало существование гравитационного радиуса (радиуса Шварцшильда) — расстояния от центра массы, при котором метрика пространства-времени становится сингулярной. Если тело сжимается до размеров меньше своего радиуса Шварцшильда, оно коллапсирует в объект, из которого не может выйти ни свет, ни вещество — то есть в чёрную дыру. Сам термин «чёрная дыра» был введён Джоном Уилером лишь в 1967 году, но именно Шварцшильд заложил математическую основу для этого понятия.

Вклад в астрофизику

Шварцшильд внёс значительный вклад в теорию звёздных атмосфер и перенос излучения. Он разработал математическую модель равновесия звёзд (модель Шварцшильда), которая учитывает давление излучения и гравитацию. В 1906 году он ввёл понятие лучистого равновесия — состояния, при котором энергия внутри звезды переносится излучением, а не конвекцией. Эти работы стали основой современной теории звёздной эволюции.

Фотографическая фотометрия и спектроскопия

Шварцшильд внёс вклад в развитие методов фотографической фотометрии. Он разработал шкалу звёздных величин, основанную на логарифмической зависимости почернения фотопластинки от экспозиции (закон Шварцшильда). Этот закон используется в фотографии и астрономии до сих пор. Он также занимался спектроскопией звёзд и классификацией звёздных спектров.

Другие работы

• Теория относительности: Помимо решения Шварцшильда, он работал над теорией гравитационных волн и принципом Маха.
• Квантовая механика: В 1916 году, незадолго до смерти, опубликовал работу по теории атома водорода, предложив модель, предвосхитившую некоторые идеи квантовой механики (правило квантования Шварцшильда).
• Баллистика: Во время войны разработал математические методы расчёта траекторий снарядов, включая учёт сопротивления воздуха и вращения Земли.

Память

Научные объекты, названные в честь Шварцшильда

• Радиус Шварцшильда — гравитационный радиус, определяющий размер чёрной дыры.
• Метрика Шварцшильда — точное решение уравнений Эйнштейна, описывающее гравитационное поле сферически-симметричного тела.
• Кратер Шварцшильда — ударный кратер на обратной стороне Луны (диаметр 212 км).
• Астероид (837) Шварцшильда — открыт в 1916 году.
• Премия имени Карла Шварцшильда — высшая награда Немецкого астрономического общества, вручаемая с 1959 года.

В культуре

Образ Шварцшильда и его открытие чёрных дыр неоднократно упоминались в научно-популярной литературе, фильмах (например, «Интерстеллар») и компьютерных играх. Его имя стало символом связи между теоретической физикой и астрономией.

Критика и ограничения

Решение Шварцшильда имеет ограничения: оно описывает только невращающиеся и незаряженные чёрные дыры. В 1963 году Рой Керр нашёл решение для вращающейся чёрной дыры (метрика Керра), а в 1965 году Эзра Ньюмен обобщил его на случай электрического заряда (метрика Керра — Ньюмена). Тем не менее, решение Шварцшильда остаётся фундаментальным для понимания гравитационного коллапса и структуры пространства-времени.

Источники

• Schwarzschild, K. (1916). «Über das Gravitationsfeld eines Massenpunktes nach der Einsteinschen Theorie». Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften.
• Schwarzschild, K. (1906). «Über das Gleichgewicht der Sonnenatmosphäre». Nachrichten von der Königlichen Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen.
• Chandrasekhar, S. (1983). «The Mathematical Theory of Black Holes». Oxford University Press.
• Thorne, K. (1994). «Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy». W. W. Norton & Company.
• Новиков, И. Д., Фролов, В. П. (1986). «Физика чёрных дыр». Наука.