Сэр Джордж Бидделл Эйри, KCB FRS ( / ˈ ɛər i / ; 27 июля 1801 — 2 января 1892) — английский математик и астроном , а также профессор математики Лукаса с 1826 по 1828 год и седьмой королевский астроном с 1835 по 1881 год. Среди его многочисленных достижений — работа над планетарными орбитами , измерение средней плотности Земли, метод решения двумерных задач в механике твёрдого тела и, в качестве королевского астронома, установление Гринвича в качестве местоположения нулевого меридиана .
Эйри родился в Алнвике в Нортумберленде , он был одним из длинной линии Эйри, которая прослеживала свое происхождение от семьи с таким же именем, проживавшей в Кентмере , в Вестморленде , в 14 веке. Ветвь, к которой он принадлежал, пострадавшая в Английской гражданской войне , переехала в Линкольншир и стала фермерами. Эйри сначала получил образование в начальной школе в Херефорде , а затем в Королевской гимназии Колчестера . [1] Будучи замкнутым ребенком, Эйри завоевал популярность среди своих одноклассников благодаря своему большому мастерству в изготовлении горохострелов. [2]
С 13 лет Эйри часто гостил у своего дяди Артура Бидделла в Плейфорде , графство Саффолк . Бидделл познакомил Эйри со своим другом Томасом Кларксоном , сторонником отмены работорговли, который жил в Плейфорд-холле . Кларксон имел степень магистра математики в Кембридже и экзаменовал Эйри по классике, а затем впоследствии организовал для него экзамен на знание математики членом Тринити-колледжа в Кембридже . [3] [4] В результате он поступил в Тринити в 1819 году в качестве сизара , что означало, что он платил сниженную плату, но по сути работал слугой, чтобы компенсировать скидку. [5] Здесь он сделал блестящую карьеру и, похоже, был почти сразу признан ведущим человеком своего года. В 1822 году он был избран стипендиатом Тринити, а в следующем году окончил учёбу в качестве старшего посредника и получил первую премию Смита . 1 октября 1824 года он был избран членом Тринити, а в декабре 1826 года был назначен Лукасианским профессором математики в качестве преемника Томаса Тертона . Эту кафедру он занимал чуть больше года, будучи избранным в феврале 1828 года Плюмианским профессором астрономии и директором новой Кембриджской обсерватории . [1] В 1836 году он был избран членом Королевского общества , а в 1840 году — иностранным членом Королевской шведской академии наук . В 1859 году он стал иностранным членом Королевской нидерландской академии искусств и наук . [6]
Некоторое представление о его деятельности как писателя по математическим и физическим предметам в эти ранние годы можно получить из того факта, что до этого назначения он внес три важных мемуара в Philosophical Transactions of the Royal Society и восемь в Cambridge Philosophical Society . В Кембриджской обсерватории Эйри вскоре проявил свои организаторские способности. Единственным телескопом в учреждении, когда он взялся за дело, был пассажный инструмент , и ему он энергично посвятил себя. Приняв регулярную систему работы и тщательный план редукции, он смог поддерживать свои наблюдения в актуальном состоянии и ежегодно публиковать их с пунктуальностью, которая удивляла его современников. Вскоре был установлен настенный круг , и в 1833 году с его помощью были начаты регулярные наблюдения. В том же году герцог Нортумберлендский подарил Кембриджской обсерватории прекрасный объектив с 12-дюймовой апертурой, который был установлен по чертежам Эйри и под его руководством, хотя строительство было завершено только после его переезда в Гринвич в 1835 году. [1]
Труды Эйри в этот период делятся на математическую физику и астрономию. Первые в основном касаются вопросов, связанных с теорией света, вытекающих из его профессорских лекций, среди которых можно особо отметить его статью « О дифракции предметного стекла с круговой апертурой» и его изложение полной теории радуги . [ требуется ссылка ] В 1831 году за эти исследования ему была присуждена медаль Копли Королевского общества. Из его астрономических трудов в этот период наиболее важными являются его исследование массы Юпитера , его отчет Британской ассоциации о прогрессе астрономии в 19 веке и его работа «О неравенстве большого периода в движениях Земли и Венеры » . [7]
Один из разделов его талантливого и поучительного доклада был посвящен "Сравнению прогресса астрономии в Англии с прогрессом в других странах", что было весьма невыгодно для Англии. Этот упрек впоследствии был в значительной степени снят его собственными трудами. [8]
Одним из самых замечательных исследований Эйри было определение средней плотности Земли . В 1826 году ему пришла в голову идея заняться этой проблемой с помощью экспериментов с маятником наверху и внизу глубокой шахты . Его первая попытка, предпринятая в том же году на шахте Долкот в Корнуолле, потерпела неудачу из-за аварии с одним из маятников . Вторая попытка в 1828 году была сорвана затоплением шахты, и прошло много лет, прежде чем представилась другая возможность. Эксперименты в конечном итоге состоялись на шахте Хартон около Саут-Шилдс в северной Англии в 1854 году. Их непосредственным результатом было показать, что сила тяжести на дне шахты превышала силу тяжести наверху на 1/19286 ее величины, глубина составляла 383 м (1257 футов). Из этого он пришел к окончательному значению удельной плотности Земли , равному 6,566. [9] Это значение, хотя и значительно превышающее ранее найденное другими методами, по мнению Эйри, исходя из тщательности и полноты, с которой проводились и обсуждались наблюдения, «имеет право конкурировать с другими, по крайней мере, на равных условиях». [8] В настоящее время принятое значение плотности Земли составляет 5,5153 г/см3 . [ требуется ссылка ]
В 1830 году Эйри вычислил длины полярного радиуса и экваториального радиуса Земли, используя измерения, проведенные в Великобритании. Хотя его измерения были заменены более точными значениями радиуса (такими, как те, которые использовались для GRS 80 и WGS84 ), его геоид Эйри (строго референц-эллипсоид, OSGB36) до сих пор используется британским Управлением картографирования для картографирования Англии, Шотландии и Уэльса, поскольку он лучше соответствует местному уровню моря (примерно на 80 см ниже среднего мирового уровня). [10] [11]
Открытие Эри нового неравенства в движениях Венеры и Земли является в некоторых отношениях его самым замечательным достижением. При исправлении элементов солнечных таблиц Деламбра он пришел к подозрению о неравенстве, упущенном из виду их создателем. Причину этого он долго и тщетно искал; тринадцать раз среднее движение Венеры настолько близко к восьми разам Земли, что разница составляет лишь малую часть среднего движения Земли, и из того факта, что член, зависящий от этой разницы, хотя сам по себе очень мал, получает при интегрировании дифференциальных уравнений множитель около 2 200 000, Эри пришел к выводу о существовании разумного неравенства, продолжающегося более 240 лет ( Phil. Trans. cxxii. 67). Исследование было, вероятно, самым трудоемким из всех, что были сделаны до времени Эри в планетарной теории, и представляло собой первое конкретное улучшение солнечных таблиц, осуществленное в Англии с момента создания теории гравитации . В знак признания этой работы в 1833 году ему была присуждена Золотая медаль Королевского астрономического общества [8] (он снова выиграл ее в 1846 году).
Разрешение оптических устройств ограничено дифракцией . Поэтому даже самая совершенная линза не может полностью сгенерировать точечное изображение в фокусе , но вместо этого есть яркий центральный рисунок, который теперь называется диском Эйри , окруженный концентрическими кольцами, составляющими рисунок Эйри. Размер диска Эйри зависит от длины волны света и размера апертуры. Джон Гершель ранее описал это явление, [12] но Эйри был первым, кто объяснил его теоретически. [13]
Это был ключевой аргумент в опровержении одного из последних оставшихся аргументов в пользу абсолютного геоцентризма : аргумента гигантской звезды . Тихо Браге и Джованни Баттиста Риччоли указали, что отсутствие обнаруживаемого в то время звездного параллакса подразумевало, что звезды находились на огромном расстоянии. Но невооруженный глаз и первые телескопы с малыми апертурами, казалось, показывали, что звезды были дисками определенного размера. Это означало бы, что звезды были во много раз больше Солнца (они не знали о сверхгигантах или гипергигантах , но некоторые из них были рассчитаны как даже больше, чем размер всей Вселенной, оцененный в то время). Однако дисковые проявления звезд были ложными: они на самом деле видели не звездные изображения, а диски Эйри. С современными телескопами, даже с теми, которые имеют наибольшее увеличение, изображения почти всех звезд правильно выглядят как простые точки света.
В июне 1835 года Эйри был назначен Королевским астрономом в качестве преемника Джона Понда и начал свою долгую карьеру в национальной обсерватории, которая является его главным титулом на славу. Состояние обсерватории во время его назначения было таково, что лорд Окленд , первый лорд Адмиралтейства , считал, что «ее следует очистить», в то время как Эйри признал, что «она была в странном состоянии». С присущей ему энергией он сразу же принялся за работу по реорганизации всего управления. Он переделал тома наблюдений, поставил библиотеку на надлежащую основу, установил новый ( Шипшэнкс ) экваториал и организовал новую магнитную обсерваторию. В 1847 году был возведен альтазимут , спроектированный Эйри, чтобы можно было проводить наблюдения за Луной не только на меридиане , но и в любое время, когда она может быть видна. [14] В 1848 году Эйри изобрел рефлекторную зенитную трубу, чтобы заменить ранее использовавшийся зенитный сектор . В конце 1850 года был возведен большой транзитный круг с апертурой 203 мм (8,0 дюймов) и фокусным расстоянием 3,5 метра (11 футов 6 дюймов) , который до сих пор является главным инструментом своего класса в обсерватории. Установка в 1859 году экваториальной апертуры с апертурой 330 мм (13 дюймов) вызвала комментарий в его журнале за тот год: «Сейчас в обсерватории нет ни одного работающего человека или используемого инструмента, которые были там во времена мистера Понда»; и преобразование было завершено открытием спектроскопических работ в 1868 году и фотографической регистрации солнечных пятен в 1873 году. [8]
Грозное начинание по сокращению накопленных планетарных наблюдений, сделанных в Гринвиче с 1750 по 1830 год, уже было в процессе под руководством Эйри, когда он стал Королевским астрономом. Вскоре после этого он взялся за дальнейшую трудоемкую задачу по сокращению огромной массы наблюдений Луны, сделанных в Гринвиче в тот же период под руководством последовательно Джеймса Брэдли , Натаниэля Блисса , Невила Маскелина и Джона Понда, на покрытие расходов по которым Казначейством была выделена крупная сумма денег. В результате не менее 8000 лунных наблюдений были спасены от забвения и в 1846 году были предоставлены в распоряжение астрономов в такой форме, что их можно было использовать непосредственно для сравнения с теорией и для улучшения таблиц движения Луны. [8]
За эту работу Эйри получил в 1848 году рекомендацию от Королевского астрономического общества , и это сразу же привело к открытию Петером Андреасом Хансеном двух новых неравенств в движении Луны. После завершения этих сокращений, Эйри навел справки, прежде чем заняться какими-либо теоретическими исследованиями в связи с ними, не занимается ли этим предметом какой-либо другой математик, и узнав, что Хансен взялся за него под покровительством короля Дании , но что из-за смерти короля и последующей нехватки средств существует опасность, что он будет вынужден отказаться от него, он обратился в адмиралтейство от имени Хансена за необходимой суммой. Его просьба была немедленно удовлетворена, и таким образом получилось, что знаменитые Таблицы Луны Хансена были посвящены Высокой Любви ее Величества Королевы Великой Бретани и Ирландии . [8]
В 1851 году Эйри установил новый нулевой меридиан в Гринвиче. Эта линия, четвертый «Гринвичский меридиан», стала окончательной международно признанной линией в 1884 году. [15] [16] В 1984 году ее заменил Референтный меридиан IERS , который проходит примерно в 102 метрах к востоку.
В июне 1846 года Эйри начал переписываться с французским астрономом Урбеном Леверье по поводу предсказания последнего, что нерегулярности в движении Урана были вызваны до сих пор не наблюдаемым телом. Зная, что кембриджский астроном Джон Кауч Адамс предположил, что он сделал похожие предсказания, 9 июля Эйри призвал Джеймса Чаллиса предпринять систематические поиски в надежде обеспечить триумф открытия для Британии. В конечном итоге, конкурирующий поиск в Берлине Иоганна Готфрида Галле , спровоцированный Леверье, выиграл гонку за приоритет. [17] Хотя Эйри «был жестоко оскорблен как англичанами, так и французами» [18] за его неспособность действовать по предложениям Адамса более оперативно, также были заявления о том, что сообщения Адамса были неопределенными и медлительными [17] и, кроме того, что поиск новой планеты не был обязанностью Королевского астронома. [19]
Используя заполненный водой телескоп , в 1871 году Эйри искал изменение в звездной аберрации через преломляющую воду из-за гипотезы о торможении эфира . [20] Как и все другие попытки обнаружить дрейф или торможение эфира, Эйри получил отрицательный результат. Джордж Бидделл Эйри не ставил перед собой задачу обнаружить ни неподвижный, ни движущийся эфир. Он также не ставил перед собой задачу доказать, что сама Земля либо неподвижна, либо движется. Простое прочтение его статьи подтверждает эти факты. Эксперимент Эйри был мотивирован исключительно тем, что он описывает как обсуждение в Continental Publications (на которое он ссылается в первом абзаце своей статьи) относительно света, подвергающегося относительному увеличению рефракции при прохождении через преломляющую среду, имеющую поступательную скорость. Гипотеза об увеличении рефракции при движении преломляющей среды была предложена Френелем2,3 в 1818 году и экспериментально подтверждена Физо4 в 1851 году. Это подтверждение было повторено и остается актуальным и по сей день, несмотря на непопулярность теоретического объяснения Френеля о частичном увлечении эфира, ответственного за это явление.
В 1872 году у Эйри возникла идея по-новому рассмотреть лунную теорию , и в возрасте семидесяти одного года он приступил к колоссальному труду, который подразумевала эта схема. Общее описание его метода можно найти в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society , т. xxxiv, № 3. Он состоял в основном в принятии окончательных числовых выражений Шарля-Эжена Делоне для долготы , широты и параллакса , с символическим термином, прикрепленным к каждому числу, значение которого должно было определяться путем подстановки в уравнения движения. [8]
При таком подходе к рассмотрению вопроса порядок терминов является числовым, и хотя объем работы таков, что мог бы отпугнуть молодого человека, все же детали были просты, и большую часть их можно было бы доверить «простому компьютеру » . [8] [a]
Работа была опубликована в 1886 году, когда ее автору было восемьдесят пять лет. Некоторое время назад его терзало подозрение, что в вычисления закрались определенные ошибки, и поэтому он занялся задачей пересмотра. Но его силы уже не были такими, как прежде, и он так и не смог в достаточной степени разобраться в этом вопросе. В 1890 году он рассказывает нам, как на одном из первых шагов была допущена серьезная ошибка, и патетически добавляет: «Мой дух в работе был сломлен, и с тех пор я никогда не продолжал ее с энтузиазмом». [8]
В 1862 году Эйри представил новый метод определения поля деформации и напряжения внутри балки . [21] Этот метод, иногда называемый методом функции напряжения Эйри, может быть использован для поиска решений многих двумерных задач в механике твердого тела (см. Wikiversity). Например, он был использован Х. М. Вестергаардом [22] для определения поля напряжения и деформации вокруг вершины трещины, и тем самым этот метод способствовал развитию механики разрушения .
С Эйри консультировались по поводу скорости ветра и давления, которые, вероятно, возникнут на предлагаемом подвесном мосту Форт, спроектированном Томасом Боучем для Северной Британской железной дороги в конце 1870-х годов. Он считал, что можно ожидать давления не более 10 фунтов на квадратный фут (500 паскалей), комментарий, который Боуч воспринял как относящийся также к первому железнодорожному мосту Тэй, который тогда строился. Однако в сильные штормы можно ожидать гораздо большего давления. Эйри вызвали для дачи показаний перед официальным расследованием катастрофы моста Тэй , и его раскритиковали за его советы. Однако мало что было известно о проблемах сопротивления ветру крупных конструкций, и Королевской комиссии по давлению ветра было поручено провести исследование этой проблемы. [23]
В некрологе, опубликованном Королевским обществом, Эйри был описан как «жесткий противник», и сохранились истории о различных разногласиях и конфликтах с другими учеными. Фрэнсис Рональдс обнаружил, что Эйри был его врагом, когда он был первым почетным директором обсерватории Кью , которую Эйри считал конкурентом Гринвичской. [24] [25] Другие хорошо задокументированные конфликты были с Чарльзом Бэббиджем и сэром Джеймсом Саутом . [26] [27]
В июле 1824 года Эйри встретил Ричарду Смит (1804–1875), «великую красавицу», во время пешей прогулки по Дербиширу . Позже он писал: «Наши глаза встретились... и моя судьба была решена... Я непреодолимо чувствовал, что мы должны быть едины», и Эйри сделал предложение два дня спустя. Отец Ричарды, преподобный Ричард Смит, считал, что Эйри не хватает финансовых ресурсов, чтобы жениться на его дочери. Только в 1830 году, когда Эйри утвердился на своей должности в Кембридже, было получено разрешение на брак. [17] [28] [29]
У семьи Эйри было девять детей, первые трое из которых умерли в раннем возрасте.
17 июня 1872 года Эйри был посвящён в рыцари. [34]
Эйри вышел на пенсию в 1881 году, проживая со своими двумя незамужними дочерьми в Крумс-Хилл недалеко от Гринвича. В 1891 году он упал и получил внутреннюю травму. Он пережил последующую операцию всего несколько дней. Его состояние на момент смерти составляло 27 713 фунтов стерлингов, что эквивалентно 3 746 548,49 фунтов стерлингов в 2021 году. [35] Эйри, его жена и трое ранее умерших детей похоронены в церкви Святой Марии в Плейфорде, графство Саффолк . [17] Коттедж, принадлежавший Эйри, все еще стоит рядом с церковью и теперь находится в частных руках. [36]
Сэр Патрик Мур утверждал в своей автобиографии, что призрак Эйри был замечен в Королевской Гринвичской обсерватории после наступления темноты. (стр. 178)
Список работ Джорджа Бидделла Эйри (с цифровыми копиями) см. в Викитеке.
Полный список 518 печатных работ Эйри можно найти в Airy (1896). Среди наиболее важных:
Эдвард Маундер астроном.
Эдвард Маундер астроном.