Франц Эрнст Нейман: Жизнь и научные труды

Введение

Немецкий физик и минералог (1798–1895)

Франц Эрнст Нейман (11 сентября 1798 – 23 мая 1895) — немецкий минералог и физик.

Биография

Нойманн родился в Йоахимстале, Марграфстве Бранденбург, близ Берлина. В 1815 году он прервал учёбу в Берлине, чтобы служить добровольцем в Стодневном походе против Наполеона, и был ранен в битве при Линьи. Впоследствии он поступил в Берлинский университет на теологический факультет, но вскоре переключился на естественные науки. Его ранние работы были посвящены в основном кристаллографии, и репутация, которую они принесли, привела к его назначению приват-доцентом в Кенигсбергском университете, где в 1828 году он стал экстраординарным, а в 1829 году – ординарным профессором минералогии и физики. Его исследование 1831 года, посвящённое теплоёмкостям соединений, содержало то, что теперь известно как закон Неймана: молекулярная теплоёмкость соединения равна сумме атомных теплоёмкостей его составляющих. Посвятив себя оптике, он опубликовал работы, которые обеспечили ему видное место среди первых исследователей истинной динамической теории света. В 1832 году, опираясь на определённую гипотезу о природе эфира, он посредством строгих динамических расчётов получил результаты, согласующиеся с результатами, полученными Огюстеном Луи Коши, и сумел вывести законы двойного лучепреломления, близкие к законам Огюстена Жана Френеля. При изучении двойного лучепреломления, с выводом упругих констант (от которых зависят оптические свойства), Нейманн использовал предположение, что симметрия упругого поведения кристалла соответствует симметрии его формы. Иными словами, он исходил из того, что величины компонентов физической величины в симметричных положениях эквивалентны. Это предположение существенно уменьшило число независимых констант и значительно упростило уравнения упругости. Однако четыре десятилетия спустя, в 1873 году, Нейманн разработал применение принципа симметрии в курсе по теории упругости. Этот принцип позднее был формализован его учеником Вольдемаром Войгтом (1850–1918) в 1885 году: «симметрия физического явления не ниже кристаллографической симметрии», что стало фундаментальным постулатом физики кристаллов, известным как принцип Нейманна. В 1900 году Войгт приписал этот принцип работе Нейманна 1832 года, хотя в этой работе содержалось, в лучшем случае, лишь неявное предположение о равенстве симметрии явления и симметрии кристалла. Бернхард Миннигероде (1837–1896), другой ученик Нейманна, впервые выразил эту связь в письменной форме в 1887 году в журнале Neues Jahrb. Mineral. Geol. Paläontol. (Т. 5, с. 145). В дальнейшем Нейманн занялся проблемой математического выражения условий, выполняющихся на границе раздела двух кристаллических сред, и теоретически вывел законы двойного лучепреломления в деформированных кристаллических телах. Он также внес важный вклад в математическую теорию электродинамики, и в статьях, опубликованных в 1845 и 1847 годах, математически установил законы электромагнитной индукции. Его последняя публикация, вышедшая в 1878 году, была посвящена сферическим гармоникам (Beiträge zur Theorie der Kugelfunctionen). Вместе с математиком Карлом Густавом Якоби он основал в 1834 году Математический физический семинар, который функционировал в двух секциях: математической и физико-математической. Не все студенты посещали обе секции. В своей секции физико-математических наук Нейманн преподавал математические методы, а также методы точной экспериментальной физики, основанные на типе прецизионных измерений, разработанном его коллегой-астрономом Фридрихом Вильгельмом Бесселем. Целью семинарских занятий было совершенствование умения проводить точные экспериментальные исследования, контролируя как систематические, так и случайные экспериментальные ошибки. Лишь немногие студенты проводили оригинальные исследования в рамках семинара; заметным исключением был Густав Роберт Кирхгоф, сформулировавший законы Кирхгофа на основе своих семинарских исследований. Этот семинар послужил образцом для многих других подобных семинаров, созданных после 1834 года, в том числе семинара Кирхгофа в Гейдельбергском университете. Нейманн ушёл в отставку с должности профессора в 1876 году и умер в Кенигсберге (ныне Калининград, Россия) в 1895 году в возрасте 96 лет. Его сын Карл Готфрид Нейманн стал в 1858 году приват-доцентом, а в 1863 году – экстраординарным профессором математики в Галле; его младший сын Франц Эрнст Кристиан Нейманн стал профессором медицины в Кенигсберге.

Neumann was born in Joachimsthal, Margraviate of Brandenburg, near Berlin. In 1815 he interrupted his studies at Berlin to serve as a volunteer in the Hundred Days against Napoleon, and was wounded in the Battle of Ligny. Subsequently, he entered Berlin University as a student of theology, but soon turned to scientific subjects. His earlier papers were mostly concerned with crystallography, and the reputation they gained him led to his appointment as Privatdozent at the University of Königsberg, where in 1828 he became extraordinary, and in 1829 ordinary, professor of mineralogy and physics. His 1831 study on the specific heats of compounds included what is now known as Neumann's Law: the molecular heat of a compound is equal to the sum of the atomic heats of its constituents. Devoting himself next to optics, he produced memoirs which earned him a high place among early searchers of a true dynamical theory of light. In 1832, by the aid of a particular hypothesis as to the constitution of the ether, he reached by a rigorous dynamical calculation results agreeing with those obtained by Augustin Louis Cauchy, and succeeded in deducing laws of double refraction closely resembling those of Augustin Jean Fresnel. In studying double refraction, with his deduction of the elastic constants (on which the optical properties depend) Neumann employed the assumption that the symmetry of the elastic behavior of a crystal was equal to that of its form. In other words, he assumed that the magnitudes of the components of a physical property in symmetric positions are equivalent. This assumption substantially reduced the number of independent constants and greatly simplified the elastic equations. However, four decades passed before Neumann elaborated his application of symmetry in a course on elasticity in 1873. This principle was later formalized by his student Woldemar Voigt (1850–1918) in 1885: "the symmetry of the physical phenomenon is at least as high as the crystallographic symmetry", which became a fundamental postulate of crystal physics known as Neumann’s principle. In 1900, Voigt attributed this principle to Neumann's 1832 paper even though, at most, all that was present in that work was an implicit assumption that the symmetry of the phenomenon was equal to that of the crystal. Bernhard Minnigerode (1837–1896), another student of Neumann, first expressed this relation in written form in 1887 in the journal Neues Jahrb. Mineral Geol. Paleontol. (Vol. 5, p. 145). Later, Neumann attacked the problem of giving mathematical expression to the conditions holding for a surface separating two crystalline media, and worked out from theory the laws of double refraction in strained crystalline bodies. He also made important contributions to the mathematical theory of electrodynamics, and in papers published in 1845 and 1847 established mathematically the laws of the induction of electric currents. His last publication, which appeared in 1878, was on spherical harmonics (Beiträge zur Theorie der Kugelfunctionen). With the mathematician Carl Gustav Jacobi, he founded in 1834 the Mathematisch physikalisches Seminar which operated in two sections for mathematics and for mathematical physics. Not every student took both sections. In his section on mathematical physics Neumann taught mathematical methods as well as the techniques of an exact experimental physics grounded in the type of precision measurement perfected by his astronomer colleague Friedrich Wilhelm Bessel. The objective of his seminar exercises was to perfect one's ability to practice an exact experimental physics through the control of both constant and random experimental errors. Only a few students actually produced original research in the seminar; a notable exception was Gustav Robert Kirchhoff who formulated Kirchhoff's Laws on the basis of his seminar research. This seminar was the model for many others of the same type established after 1834, including Kirchhoff's own at Heidelberg University. Neumann retired from his professorship in 1876, and died at Königsberg (now Kaliningrad, Russia) in 1895 at the age of 96. His son Carl Gottfried Neumann became in 1858 Privatdozent, and in 1863 extraordinary professor of mathematics at Halle; his younger son Franz Ernst Christian Neumann became professor of medicine in Königsberg.