Фрэнсис Саймон или Франц Ойген Симон (, ; 2 июля 1893, Берлин — 31 октября 1956, Оксфорд) — немецкий и британский физик-экспериментатор. Член Лондонского королевского общества (1941). Научные труды посвящены в основном физике низких температур и высоких давлений, ядерной физике, магнетизму.
Биография Ранние годы. Служба в армии (1893—1919) Франц Ойген Симон родился в Берлине в семье богатого еврейского торговца. Среди его предков по материнской линии — известный философ Мозес Мендельсон. В 1903 году Симон поступил в гимназию кайзера Фридриха (Kaiser Friedrich Reform Gymnasium), где изучал латинский и греческий языки и другие предметы классического цикла, во время каникул посещал Великобританию, чтобы практиковаться в английском. Тем не менее он проявлял явную склонность к естественным наукам, что заметил друг семьи известный биохимик Леонор Михаэлис. Михаэлис уговорил родителей Симона позволить ему избрать физику своей профессией. В 1912 году Симон поступил в Берлинский университет, где собирался изучать физику, химию и математику. В то время среди студентов была распространена практика посещения других университетов в первые два года обучения (никаких экзаменов за это время не предусматривалось), поэтому Симон отправился сначала в Мюнхенский университет, где учился у Арнольда Зоммерфельда, а затем в Гёттингенский.
Осенью 1913 года Симон был призван на год на обязательную военную службу и к началу Первой мировой войны всё ещё находился в армии. Следующие четыре года он служил в полевой артиллерии (в звании лейтенанта) в основном на Западном фронте. Он получил отравление в одной из газовых атак, был дважды ранен. Второе ранение, полученное лишь за два дня до Компьенского перемирия, оказалось столь тяжелым, что он выписался из госпиталя лишь весной 1919 года. За личное мужество Симон был награждён Железным крестом 1-го класса, однако впоследствии не любил вспоминать об этой странице своей жизни.
Берлин (1919—1930) Весной 1919 года Симон возобновил свои занятия в Берлинском университете, посещая лекции Макса Планка, Макса фон Лауэ, Фрица Габера и Вальтера Нернста. Последний стал научным руководителем Симона, который в январе 1920 года начал работу над докторской диссертацией. Работа, посвящённая поведению удельной теплоёмкости веществ при низких температурах, была закончена через 18 месяцев. После получения в декабре 1921 года степени доктора философии Симон остался работать в университете. В 1922 году он был назначен ассистентом Нернста и в том же году женился на Шарлотте Мюнхгаузен (Charlotte Munchhausen), которая родила ему двух дочерей.
В это время Симон работал в университетском Физико-химическом институте, руководимом сначала Нернстом, а затем . В 1924 году Симон получил должность приват-доцента, а в 1927 — ассистента профессора (Außerordentliche professor). В течение 1920-х годов ему удалось создать в институте отдел физики низких температур, продолжавший плодотворную работу по изучению теплоёмкости тел, получению твердого гелия, исследованию адсорбции газов и структуры кристаллов. Для проведения всех этих работ было необходимо разрабатывать новое оборудование: по проекту Симона в институте был создан новый ожижитель водорода, копии которого были построены во многих лабораториях мира, и установка по ожижению гелия, четвёртая в мире на тот момент. К концу 1920-х годов Симон был уже широко известен в научных кругах, приглашался на различные конференции и встречи. В частности, летом 1930 года вместе с женой он посетил Советский Союз, побывав в Одессе, Москве и Ленинграде.
Бреслау (1931—1933) В начале 1931 года Симон переехал в Бреслау на должность профессора физической химии местного Технического университета (Technische Hochschule Breslau, ныне Вроцлавский технологический университет). Весенний семестр 1932 года он провел в Калифорнийском университете в Беркли, куда прибыл по приглашению Гилберта Льюиса. Здесь Симон реализовал идею ожижения гелия методом адиабатического расширения. По возвращении в Бреслау он был назначен деканом факультета химии и горного дела и погрузился в административные дела. В январе 1933 года, после прихода к власти в Германии нацистов, Симон осознал необходимость эмигрировать. Хотя антиеврейские законы в тот момент ещё не затрагивали его положение (участники мировой войны не изгонялись из университетов), он начал искать себе подходящую позицию за границей. В июне 1933 года он получил приглашение от , директора Оксфордского университета, и с радостью принял его.
Оксфорд (1933—1956)
В августе 1933 года Симон с семьёй прибыл в Оксфорд. Линдеману удалось выхлопотать исследовательские гранты компании Imperial Chemical Industries для Симона и трёх других беженцев из Германии (также специалистов по низкотемпературной физике и также из Бреслау) — Курта Мендельсона (двоюродного брата Симона), Николаса Курти и Хайнца Лондона. Симон захватил с собой из Германии некоторое оборудование и начал налаживать в Кларендонской лаборатории экспериментальную работу, развернув широкие исследования по магнитному охлаждению и другим темам. Тем не менее, Симон не был удовлетворен скромными возможностями лаборатории, он хотел большей самостоятельности и занимался поиском подходящей профессорской позиции. Эти поиски не увенчались успехом: получить место в Бирмингемском университете ему не удалось, а от предложений из Стамбула и Иерусалима он отказался сам. Из-за скромных возможностей в Оксфорде ему приходилось много путешествовать: он посещал Амстердам, где было оборудование для изучения свойств жидкостей при высоких давлениях, а работы по магнитному охлаждению привели его к тесному сотрудничеству (особенно в 1935—1938 годах) с парижской лабораторией , в которой были устройства для получения достаточно сильных магнитных полей. Хотя поначалу у Симона не было постоянной должности в университете, вскоре после приезда он получил степень магистра искусств и был допущен в профессорскую (Senior Common Room) колледжа Баллиоль, а в 1935 году стал читать лекции по термодинамике. В конце 1938 года Симон получил британское гражданство, и с этого времени всё более широкое распространение стал приобретать англоязычный вариант его имени — Фрэнсис Саймон.
После начала Второй мировой войны работы в лаборатории были остановлены, однако правительство ещё не решалось привлекать недавних иммигрантов к проблемам военного характера. Получив много свободного времени, Саймон и другие его коллеги-беженцы (в особенности Рудольф Пайерлс и Отто Фриш) начали активно разрабатывать новую тему атомной энергии. Только летом 1940 года работы по этой тематике были официально утверждены. Поскольку его жена и дети были эвакуированы в Канаду, Саймон смог полностью сосредоточиться на работе в рамках британского атомного проекта, занимаясь в основном вопросом разделения изотопов. За участие в этом проекте в 1946 году он был награждён Орденом Британской империи. Годом ранее Саймон получил должность сотрудника (Student) колледжа Крайст-Чёрч, а затем звание профессора и руководство специально для него организованной кафедрой термодинамики.
В послевоенное время Саймон много внимания уделял общественно-политическим вопросам, в 1948—1951 годах являлся научным корреспондентом газеты The Financial Times, сотрудничал с , был членом исследовательского совета и совета Лондонского королевского общества, занимал должность председателя комиссии по очень низким температурам Международного союза чистой и прикладной физики. Одновременно он налаживал активную работу по низкотемпературной физике в Кларендонской лаборатории, расширяя штат и оборудование своего отдела.
В 1956 году Саймон был избран преемником Линдемана (в то время уже лорда Черуэлла) в должности профессора экспериментальной философии (Dr. Lee’s Professor of Experimental Philosophy) и директора Кларендонской лаборатории. Летом он слёг из-за обострения коронарной болезни сердца, от которой стал постепенно поправляться. 1 октября 1956 года Саймон вступил в должность директора лаборатории, однако в конце октября произошёл рецидив болезни, и 31 октября он умер.
Научная деятельность Теплоёмкость и третье начало термодинамики Первые работы Саймона (начала 1920-х годов) были посвящены изучению поведения удельной теплоёмкости веществ при низких температурах. Эта тематика тесно связана с обоснованием третьего начала термодинамики, которое было сформулировано ранее руководителем Саймона Вальтером Нернстом в форме так называемой тепловой теоремы. Внимание Саймона привлекали в первую очередь различные аномалии (аномалии лямбда-типа, аномалии Шоттки и другие), которые, казалось, нарушают требуемое по мере приближения к абсолютному нулю стремление энтропии к одному и тому же пределу независимо от фазового состояния вещества. Саймон указал, что во всех подобных случаях система не находится в состоянии внутреннего равновесия, и потому обычные термодинамические представления к ней неприменимы. Такая ситуация возникает в случае аморфных веществ, различных смесей и сплавов, находящихся в так называемых метастабильных состояниях. Проведённая работа позволила Саймону дать новую формулировку третьего начала термодинамикиОб изменениях, внесённых Саймоном в формулировку, см.: и, как отмечает Николас Курти,
Тот факт, что тепловая теорема Нернста в наше время рассматривается как третье начало термодинамики, имеющее то же фундаментальное значение, что первое и второе начала, во многом обусловлено работой и влиянием Саймона.
Результаты Саймона в этой области нашли и практическое применение: проведённый им анализ равновесия графит/алмаз был использован фирмой General Electric для успешного получения искусственных алмазов. Тем не менее, Саймон предсказывал существование и реальных фундаментальных аномалий в поведении теплоёмкости, связанных с квантовыми эффектами. Первая такая аномалия была обнаружена в 1929 году в твердом водороде и связана с существованием двух его модификаций — пара- и орто-водорода (последний характеризуется вырождением основного состояния). В 1950-е годы Саймон возвращался к изучению свойств орто-пара-систем.
Криогеника и сопряжённые исследования В 1926 году Саймон разработал метод адиабатической десорбции для получения жидкого гелия: из сосуда с гелием, адсорбированным углём при температуре жидкого водорода, откачивается газ, что позволяет резко понизить температуру ниже критической. В 1932 году он предложил новый метод ожижения гелия — так называемый экспансионный метод на основе его изоэнтропийного расширенияО методе Саймона см., например, ; . Этот подход оказался относительно простым и дешёвым и позволил интенсифицировать проведение низкотемпературных исследований в Кларендонской лаборатории и других научных центрах.
Разработанные методики охлаждения активно применялись Саймоном к исследованию свойств веществ при экстремально низких температурах. В начале 1930-х годов он начал цикл исследований свойств жидкого и твердого гелия, продолженный в послевоенные годы. В частности были изучены кривые плавления гелия, продемонстрирована роль поверхностной плёнки жидкого гелия в тепловом отклике резервуара с этой жидкостью, исследованы процессы теплопередачи в жидком гелии при температурах ниже 1 К и так далее.
Ещё в Берлине Саймон начал работу по исследованию кривых плавления таких веществ, как гелий, при изменении давления. В результате данной работы удалось показать справедливость закона соответственных состояний в этом случае и получить полуэмпирическое выражение для давления плавления, которое могло применяться к другим, недоступным в то время для изучения веществам. В послевоенное время кривая плавления гелия была прослежена вплоть до давлений в 7300 атмосфер, что соответствует температуре плавления 50 К. При этом не было обнаружено никаких свидетельств существования критической точки для перехода твердое тело — жидкость.