Даниил Бернулли — биография физика

Мы живем в мире, полном парадоксов и противоречий. Миллионы людей летают по миру, не задумываясь о том, что теоретической основой принципа полета самолета мы обязаны гениальному швейцарскому ученому, который жил больше трёхсот лет назад — Даниилу Бернулли.

Детство и юность

Достоверная дата рождения Даниила Бернулли – 8 февраля 1700 года. Он родился в городе Гронинген в Нидерландах. Его родителями были Иоганн Бернулли и Доротея Фолкнер. Отец Иоганн (родом из Базеля) был квалифицированным врачом и блестящим математиком. Репутация Иоганна была настолько высока, что его называли «Архимедом своего времени». Неудивительно, что с таким отцом, как Иоганн, Даниил быстро прогрессировал в науке. Два брата Даниила тоже стали первоклассными математиками.

Семья Бернулли из Бельгии бежала в Швейцарию от преследования католиков. Глава семьи Николай (отец Иоганна, дед Даниила) нажил состояние на торговле пряностями. В 1705 году, когда Даниилу было пять лет, его семья переехала в Базель в Швейцарии (родной город его родителей), где его отец был назначен заведующим кафедрой математики в местном университете.

Даниил поступил в Базельский университет в возрасте 13 лет, чтобы изучать философию и логику. Он сдал экзамен на степень бакалавра в 1715 году и получил степень магистра в 1716 году. Несмотря на высокую репутацию, отца Даниила возмущала низкая зарплата, которую платили математикам. Поэтому он  выбрал для сына карьеру врача. Даниил изучал медицину в Гейдельберге в 1718 году и Страсбурге в 1719 году. Он вернулся в Базель в 1720 году и получил степень доктора медицины в 1721 году в возрасте 21 года, защитив диссертацию по механике дыхания. Бернулли надеялся получить место преподавателя в Базельском университете, но проиграл в процедуре жеребьёвки. Безуспешно пытаясь найти работу в Базеле, Даниил изучал математику.

Даниил Бернулли на портрете (1720-1725)

Основные моменты биографии

1. В 1723 году Бернулли переехал в Венецию (Италия), чтобы заниматься практической медициной. Он навещал пациентов и работал в больницах. Он также проводил время в опере, театре и маскарадных вечеринках.
2. Бернулли стремился разгадать тайны мироздания, следуя по стопам Галилея и Ньютона. Находясь в городе мореплавателей, Даниил узнал, что Парижская академия предлагает щедрый приз за лучший дизайн песочных часов для хронометража на море. Его ответом было создание часов, способных работать даже в ненастную погоду. За эту работу он был удостоен Гран-при от академии.
3. Однако он не мог отказаться от своей любви к математике, особенно к прикладной математике. Он опубликовал свою первую работу по этому вопросу в 1724 году. «Математические упражнения» (Exercitationes quaedam mathematicae) содержали некоторые мысли по проблеме давления, отчасти вдохновленные его медицинскими исследованиями.
4. На основании этой широко известной публикации Бернулли получил назначение в Санкт-Петербургскую Академию в России, где к нему присоединился его брат Николай (1695-1726). К сожалению, менее чем через год после приезда в Россию Николай умер от лихорадки. Несчастный Даниил остался один в чужой стране, и суровая русская погода не улучшила его настроения. Через некоторое время он написал трактат, объясняющий теорию приливов и отливов. Эта работа получила приз Французской академии в 1725 году.
5. Находясь в Санкт-Петербурге, Бернулли провел важные исследования в области теории вероятностей и начал переписку со своим выдающимся соотечественником Леонардом Эйлером (1707-1783). Хотя в более поздние годы Бернулли, как сообщалось, был спокойным и уравновешенным, но поначалу в Академии у него возникли ожесточенные разногласия с другими профессорами.
6. Без брата Даниил чувствовал себя все более несчастным в Санкт-Петербурге и стремился вернуться домой в Базель. Вместо этого его отец отправил одного из своих лучших учеников, Леонарда Эйлера в Россию, чтобы они могли там сотрудничать. Это породило успешное партнерство в теории вероятностей, в экономике и в исследованиях движения струн в музыкальных инструментах.
7. Эйлер, имя которого вскоре стало считаться одним из величайших среди математиков, прибыл в Санкт-Петербург в 1727 году. Он привез чай, кофе и бренди, которых так жаждал Бернулли, а вскоре они с радостью обменивались идеями, вдохновляя Бернулли сделать лучшую работу в своей карьере. Следует помнить, что Даниил Бернулли был гениален сам по себе, независимо от Эйлера.Он проявил особый гений в своей способности проводить значимые эксперименты и переводить свои наблюдения в физические законы и математику. Однако, Эйлер (более одаренный математик) помог усовершенствовать математику Бернулли.
8. К 1730 году Бернулли очень хотел вернуться в Базель, но, несмотря на многочисленные попытки, он снова проиграл в жеребьевке на академические должности до 1732 года. В начале 1730-х годов Бернулли написал статью в совершенно иной области. И снова ему потребовалось время до 1738 года, чтобы опубликовать — «Изложение новой теории измерения риска». Бернулли вывел среднее геометрическое для оценки риска; подсчитал, как минимизировать риск; описал ситуации, в которых риска лучше всего избегать. «Определение стоимости предмета должно основываться не на его цене, а на полезности, которую он приносит. Цена на вещь зависит только от самой вещи и одинакова для всех; полезность, однако, зависит от конкретных обстоятельств лица, производящего оценку. Таким образом, нет никаких сомнений в том, что прибыль в тысячу дукатов более значительна для бедняка, чем для богатого человека, хотя оба получают одинаковую сумму». В статье рассматривается разница между ценой и полезностью. Это повлияло на экономическую теорию, теорию портфеля, эволюционную биологию и поведенческую экологию.
9. После спора с отцом в 1734 году Даниил Бернулли потерял большую часть своего стремления изучать математику и обратил свое внимание на медицину и физиологию. Английский врач Уильям Харви, который первым заметил, что человеческое сердце работает как насос, заставляя кровь течь по артериям, чтобы она могла циркулировать по телу, призвал Даниила объединить любовь к математике с его медицинским образованием, чтобы открыть основные правила, регулирующие движение жидкостей. Однажды он провел важный эксперимент: проткнул стенку наполненной жидкостью трубы, другой маленькой тонкой трубочкой с открытым концом. Он заметил, что жидкость поднимается по тонкой трубке, а высота, на которую она поднимается, напрямую связана с давлением жидкости в трубе: чем выше давление, тем выше поднимается уровень жидкости в тонкой трубочке. Его метод вскоре был принят врачами по всей Европе, которые использовали его для измерения артериального давления пациентов, вставляя заостренные стеклянные трубки в артерии, пока (примерно 170 лет спустя) не был разработан менее болезненный метод.
10. Бернулли пошел дальше и применил это открытие к своей более ранней работе по сохранению энергии. Согласно законам движения Ньютона, движущееся тело преобразует кинетическую энергию в потенциальную, когда набирает высоту. Аналогичное явление происходит с движущейся жидкостью: она преобразует свою кинетическую энергию в давление.
11. Кульминацией исследований поведения жидкостей стал самый важный трактат Даниила «Гидродинамика» (Hydrodynamica), опубликованный в 1738 году после того, как он, наконец, вернулся домой в Базель. В  трактате, который во многом опередил свое время, содержится его знаменитое уравнение, описывающее потоки жидкостей с точки зрения скорости, давления и потенциальной энергии. Уравнение послужило основой для большинства современных технологий, особенно в области аэродинамики. Заинтересовавшись не только теорией, но и практическим применением, Бернулли провел ряд экспериментов, которые продемонстрировали предсказанные им эффекты. Он объяснил гидродинамическое давление и описал различные гидравлические машины. Он также заложил основу кинетической теории газов, применив эту концепцию как средство подтверждения закона Бойля об обратной зависимости давления и объема.
12. Возможно, «Гидродинамика» (предварительный отчет, о которой был завершен в 1734 году) была наиболее важной из всех работ, выполненных Бернулли в России. Окончательная версия появилась в 1738 году с фронтисписом – «Даниил Бернулли, сын Иоганна». Считается, что Даниил идентифицировал себя таким скромным образом в попытке уладить конфликт с отцом. «Гидродинамика» содержит много рассуждений о принципе сохранения энергии, который он изучал под руководством Иоганна. Кроме того в ней дается (хотя и не во всех подробностях), уравнение состояния, открытое Иоганнесом Ван дер Ваальсом столетие спустя.
13. Несмотря на успех Даниила, или, скорее, из-за него, его отношения с отцом продолжали ухудшаться, достигнув апогея в 1734 году, когда и Даниил, и Иоганн представили работы на Гран-при Парижской академии и были совместно удостоены награды. Ревнивый Иоганн был в ярости, изгнав сына из своего дома – «как смеет ученик считаться равным учителю!». Иоганн зашел так далеко, что опубликовал свою собственную книгу по гидродинамике в 1739 году (через год после опубликования работы сына, в которой он присвоил многие из открытий Даниила), но намеренно датированную задним числом 1732 года.
14. Бернулли стал профессором физиологии в 1743 году, а семь лет спустя был назначен профессором на кафедру естественной философии и физики в Базеле. Он оставался в этой должности до своего выхода на пенсию в 1776 году и в течение ряда лет продолжал развивать свои основополагающие идеи о кинетической энергии, которые затем назывались «жизненная сила» (vis viva). Он также продемонстрировал взаимосвязь между математикой и музыкой: провел ряд экспериментов, вычислив частоты звучания органных труб.
15. Одной из первых попыток Бернулли серьезно проанализировать статистические проблемы, связанные с цензурированными данными, был его анализ 1766 года эффективности вакцины против оспы. Он проанализировал число людей заболевших оспой и уровень их смертности, чтобы продемонстрировать эффективность вакцинации. Бернулли также провел обширное исследование упругости балок. Однако он потерял интерес к этой области из-за ссоры с отцом. Их отношения так и не оправились от оскорбления, и подавленный Даниил никогда не проявлял такого же энтузиазма к своим математическим занятиям после разрыва. Тем не менее, ученый продолжал вносить свой вклад в различные области науки до конца своей жизни. В 1750 году Даниил был избран членом Королевского общества и еще девять раз был лауреатом Гран-при Парижской академии. Бернулли умер в Базеле 17 марта 1782 года.

Даниил Бернулли

Личная жизнь

Ученый  жил своей работой, он никогда не был женат и не имел детей. Он думал о женитьбе, когда был моложе, но женщина, которую выбрал ему отец, оказалась очень жадной до денег, что его оттолкнуло.

Бернулли уважал простоту образа жизни и бережливость, но не подлость и не меркантильность. В конце концов, он слишком ценил свою свободу и тихий, мирный, академический образ жизни, чтобы жениться. Он любил свой дом и уединение и не хотел, чтобы кто-то нарушал его одиночество. По утрам он вставал рано, ехал в университет и после обеда возвращался домой к своим математическим исследованиям. Во второй половине дня он делал перерывы, чтобы почитать и немного поспать.

Только позднее Бернулли понял, как они ошибались. Он не был бы тем, кем он стал, если бы женился. Итак, он решил быть холостяком. Он был счастлив в своем уединении и занимался наукой до конца своих дней, чего в его возрасте вполне достаточно. В возрасте 82 лет он умер 17 марта 1782 года.

Даниил Бернулли на портрете (1776)

Наследие

Бернулли принадлежит к тому редкому высшему эшелону ученых, для которых различие между дисциплинами определяется в основном теоретическим характером. Врач и математик по образованию, он наиболее известен применением своих идей в физике, выраженных в принципе Бернулли, который заключается в обратной зависимости давления и скорости в жидкостях. Однако, сколь бы многочисленными и новаторскими не были его вклады в области гидродинамики, это был далеко не весь спектр открытий, сделанных гением, чьи исследования охватывали такие разные области, как теория вероятностей, медицина и музыка. Им восхищались во всей Европе, он читал лекции по физике, астрономии и ботанике.

Работы Даниила, отмеченные наградами, отразили его успехи на передовых рубежах науки и его способность ясно изложить перед заинтересованной публикой научные проблемы современности.

Даниил Бернулли

Между 1725 и 1749 годами Бернулли получил 10 премий Парижской академии наук за работы по астрономии, гравитации, приливам, магнетизму, океанским течениям и движению кораблей. Он также внес существенный вклад в теорию вероятностей. Даниил разделил премию 1735 года за работу над планетными орбитами со своим отцом, который выгнал его из дома, решив, что приз должен принадлежать только одному Иоганну.

Справедливо сказать, что нет никаких доказательств того, что Даниил был каким-либо образом виноват в разрыве отношений с отцом. Скорее наоборот, поскольку есть свидетельства того, что он пытался исправить отношения, именуя себя на фронтисписе «Hydrodynamica» как «Даниил Бернулли, сын Иоганна».

Бернулли удостоен большой чести при жизни. Ученый был избран в большинство ведущих научных обществ своего времени, в том числе в Болонье, Санкт-Петербурге, Берлине, Париже, Лондоне, Берне, Турине, Цюрихе и Мангейме.