ИНФОРМАЦИЯ
Фестиваль Кирхгоффа
200 лет назад 12 марта 1824 года родился великий физик, уроженец Кёнигсберга (ныне – Калининград), выпускник Кёнигсберского университета и член Петербургской академии наук Густав . Школьникам и студентам он известен как автор знаменитых законов Кирхгоффа для электрических цепей. Но более весомым его вкладом в мировую науку являются исследования по тепловому излучению, спектральному анализу, электромагнетизму, дифракции и механике упругих сред. Открытые Кирхгоффом законы теплового излучения стали фундаментом, на котором сформировались современные представления о квантовой природе излучения. Его пионерские исследования спектров излучения и поглощения легли в основу спектрального анализа, который важен своими приложениями в физике, химии и астрономии. Все великие открытия астрономии и космологии XX века так или иначе связаны с использованием спектрального анализа для определения состава звезд, межзвездного вещества, атмос-
1 В этой статье, как и в проекте «Фестиваль Кирхгоффа», используется написание фамилии великого физика с двумя буквами «ф» – в соответствии с написанием на немецком языке.
фер планет и скоростей движения звезд и разбегания галактик. Столь же весом вклад спектрального анализа в развитие атомной и молекулярной физики, химии и техники. Знаменательная дата, связанная с рождением Густава Кирхгоффа, послужила основанием проведения в Калининграде «Фестиваля Кирхгоффа». Главной задачей фестиваля стала популяризация научных открытий великого физика и их роли в последующем развитии науки. Одним из центральных мероприятий фестиваля, проводимого при поддержке Фонда президентских грантов, стала Мемориальная конференция, которая проходила в Балтийском федеральном университете имени Иммануила Канта 12 марта 2024 года. В ней приняли участие известные ученые из Российской академии наук и их коллеги из университетов Калининграда, представившие доклады, посвященные жизни и научному творчеству Густава Кирхгоффа. Вот наиболее важные выдержки из интервью с этими учеными. Борис Николаевич Четверушкин, академик РАН, научный руководитель Института прикладной математики имени М.В.Келдыша: «Имя Густава Кирхгоффа не так широко известно, как, например, Ньютона или Эйнштейна. В этом нет ничего удивительного. Для среднестатистического обывателя многие великие имена малознакомы. Например, когда в СССР создавался ракетно-ядерный щит, в про-
44
КВАН T 2024/№8
телем спектрального анализа. Это величайшее открытие. Они первыми разработали технику спектрального анализа и использовали его для изучения разных тел. Важным следствием открытия Густава Кирхгоффа стал вывод о том, что все элементы имеют свой специфичный спектр. Спустя годы математики обобщили это положение в спектральную теорию операторов в бесконечномерных пространствах, которая стала фундаментом квантовой механики. Густав Кирхгофф был многогранным человеком. Мне, как ученому, интересны те работы, которые не так признаны, как его работы по электрическим цепям, тепловому излучению и спектральному анализу. Я использую его труды, которые связаны с графами, применяю их в области искусственного интеллекта. Есть такое понятие – матрица Кирхгоффа. Это некая электрическая цепь, а в математическом представлении граф. Когда мы говорим о нейрообучении, мы, в общем-то, видим те же самые графы, которые были заложены Кирхгоффом. Пользуясь пребыванием в стенах Балтийского федерального университета, хочу выразить свое восхищение и отдать дань уважения математической школе «Альбертина» – университета, в котором учился Густав Кирхгофф. Просто удивительно, что в этом университете в то время одновременно трудились Фридрих Бессель, Франц Нейман, Карл Якоби и Фридрих Решело. Такая концентрация выдающихся ученых естественным образом породила синергетический эффект – появление новых научных светил, одним из которых стал Густав Кирхгофф». Анатолий Федорович Июдин, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией космической рентгеновской и гамма-астрономии МГУ: «Основная часть данных в астрофизике получается с помощью наблюдений небесных объектов в электромагнитных лучах. При этом используются электромагнитные лучи и спектры различных длин волн: инфракрасные, видимые глазом, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма. С каждым из этих диапа-
2 Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В.Скобельцина.
зонов волн связана соответствующая наблюдательная астрономия: инфракрасная, ультрафиолетовая, рентгеновская и гамма. С помощью инфракрасного излучения проводятся измерения температуры поверхности планет и экзопланет, определяется состав атмосфер планет и экзопланет, газопылевых комет и туманностей, ведется поиск внеземной жизни на других планетных системах, а также исследуются объекты ранней Вселенной. С помощью ультрафиолетового излучения проводятся исследования Солнца, звезд и межзвездного газа. Гамма-излучение используется для исследования сверхновых звезд, нейтронных звезд, ядер активных галактик, квазаров. Земная атмосфера сильно затрудняет наблюдения за небесными объектами из-за рассеяния и поглощения излучения, а для рентгеновского и гаммаизлучения она становится вовсе непрозрачной. По этой причине приходится использовать космические телескопы или целые обсерватории, например в рентгеновском излучении Chandra, XMM- Newton, а в гамма-излучении Fermi, вынесенные за пределы атмосферы. В настоящее время в космосе одновременно работают два уникальных космических телескопа: Хаббл (HST) и Уэбб (JWST). Первый из них работает в ближнем ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном спектре. Второй – в более низком диапазоне частот, от длинноволнового видимого света (красный) до среднего инфракрасного (0,6– 28,3 мкм). Благодаря использованию этих космических телескопов и спектрографов получены исключительно важные научные результаты о строении и физике самых удаленных и необычных астрономических объектов, находящихся на окраинах нашей Вселенной в пространстве и во времени, вплоть до «темных веков» эволюции Вселенной. Самое примечательное заключается в том, что у всех вышеназванных космических телескопов при анализе спектров излучения от точечных (отдельная звезда) до протяженных (галактика, туманность) астрофизических объектов используется тот же подход к определению тонкой структуры излучения изу-
45
И НФО РМ АЦ И Я
чаемых объектов, который был впервые разработан и использован Густавом Кирхгоффом. В этом и состоит универсальность и уникальность техники спектрального анализа, предложенная великим физиком». Владимир Георгиевич Сурдин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник МГУ: «Над теорией излучения и поглощения света нагретыми телами физики трудились с начала XIX века. И только Густаву Кирхгоффу принадлежит заслуга раскрыть тонкий и глубокий смысл, скрывавшийся за исходными представлениями. Его основополагающая работа «Об отношении между испускательной и поглощательной способностями тел для тепла и света» была опубликована в 1860 году. Основанием для этой статьи послужило открытие, сделанное за несколько месяцев перед этим самим Густавом Кирхгоффом вместе с Робертом Бунзеном. Они обнаружили, что фраунгоферовы линии поглощения в солнечном спектре, впервые замеченные еще в 1802–1814 годах Уильямом Волластоном и Йозефом Фраунгофером, совпадают с линиями испускания известных паров и газов. Так родился спектральный анализ. Значительно более важным для развития астрофизики оказалось обнаружение Кирхгоффом и Бунзеном линий излучения и поглощения в спектрах газообразных тел. Уже они сами отождествили некоторые сильные линии в спектре Солнца: в основном линии кальция и металлов. В 1860 году Густав Кирхгофф получил первый намек на истинную природу звезд, когда понял, что темные линии в спектре солнечного света вызваны различными элементами, поглощающими волны определенной длины. Астрономы проанализировали схожие характеристики в свете других ярких звезд и обнаружили, что они состоят из тех же веществ, что найдены на Земле, а не из какой-то загадочной квинтэссенции – пятой сущности, как полагали древние. Именно спектральный анализ, полу-
3 Государственный астрономический инсти-
тут имени П.К.Штернберга.
чивший надежную опору в виде квантовой механики, позволил астрономам разгадать природу, состав и движение звезд. Расшифровывая оптические спектры звезд, мы узнаем температуру их поверхности и определяем класс светимости, что позволяет с помощью диаграммы Герцшпрунга–Рассела («температура – светимость») определять эволюционный статус звезды. Систематическое измерение спектра позволяет, основываясь на эффекте Доплера, определять характер пространственного движения звезды и ее орбитальную скорость в двойных системах. А это единственный способ измерить массу звезды и выявить у нее невидимые спутники – экзопланеты, белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Невозможно перечислить все направления современной астрофизики и сделанные в этих областях открытия, где основную роль играют спектральные исследования. Жаль, что Густав Кирхгофф и его коллеги не узнали, какие невероятные возможности получила наука благодаря их открытиям. Природа и эволюция звезд, иные планетные системы, динамика галактик и Вселенной в целом, загадочное темное вещество и сверхмассивные черные дыры, темная энергия и много-много других удивительных явлений и объектов стали известны благодаря спектральному анализу излучения, родившемуся в маленьких лабораториях трудами нескольких любознательных энтузиастов второй половины XIX века». Высочайшая оценка научных открытий Густава Кирхгоффа и его вклада в развитие современной науки и техника была дана во всех докладах Мемориальной конференции. При этом лекторы не ограничивались рассмотрением только научных заслуг Густава Кирхгоффа. Многие из них, в частности А.И.Аптекарев, рассказали много интересного и нового о жизни великого физика, его детских и юношеских годах, времени учебы в Кёнигсбергском университете, работе в Гейдельбергском университете и плодотворной дружбе с другим выдающимся ученым Робертом Бунзеном. Свидетельством того, что Мемориальная конференция по-настоящему удалась, может служить следующий
46
КВАН T 2024/№8
Дирижер Михаил Кирхгофф и оркестранты симфонического оркестра Мемориального концерта Густава Кирхгоффа факт: почти все студенты, принимавшие в ней участие, остались в зале заседаний до последнего доклада. Настоящим украшением мемориальной недели Густава Кирхгоффа в Калининграде стал концерт Калининградского симфонического оркестра, дирижировал которым российский потомок Густава Кирхгоффа – Михаил Кирхгофф. Участие Михаила Кирхгоффа в юбилейных мероприятиях великого физика стала символом исторической связи разных эпох и народов, а сам концерт стал своеобразным мостом, объединяющим две столь разные эпохи. Помимо конференции и концерта в рамках проекта «Фестиваль Кирхгоффа» было прочитано более 70 научно-просветительских лекций в Калининграде и городах области на темы «Густав Кирхгофф – наш земляк» и «Вклад Густава Кирхгоффа в развитие современной науки и технологий». Также было проведено 5 культурно-просветительских
концертов в Калининграде и городах области, связанных с жизнью и научными достижениями Густава Кирхгоффа. Заключительным этапом «Фестиваля Кирхгоффа» станет выход сборника «По законам Кирхгоффа», в основу которого лягут доклады Мемориальной конференции. Сборник рассчитан на школьников и студентов, интересующихся физикой. «Фестиваль Кирхгоффа» не смог бы состояться в Калининграде, если бы его исполнитель – Калининградский инновационнотехнологический центр – не получил поддержку от Фонда президентских грантов, Математического отделения Российской академии наук и Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта. Публикацию подготовил М.Никитин