5 ноября 1879 года умер британский физик, математик и механик Джеймс Клерк Максвелл. Ему было 48 лет. За свою жизнь он стал автором множества открытий. Мы вспомнили самые интересные из них.
1. Метод рисования овала. Это открытие Максвелл сделал, еще будучи школьником. Он учился в Эдинбургской академии. Поначалу учеба мало интересовала Джеймса, но позже он стал проявлять к ней интерес. Больше всего мальчик увлекся геометрией. Его понимание красоты геометрических образов возросло после лекции художника Дэвида Рамзая Хея об искусстве этрусков. Размышления над этой темой привели Максвелла к изобретению способа рисования овалов. Метод восходил еще к работам Рене Декарта и состоял в использовании булавок-фокусов, нитей и карандаша, что позволяло строить окружности (один фокус), эллипсы (два фокуса) и более сложные овальные фигуры (большее количество фокусов). Надо сказать, что результаты работы школьника не остались незамеченными и были доложены профессором Джеймсом Форбсом на заседании Эдинбургского королевского общества и затем опубликованы в его «Трудах».
2. Теория цветов. После учебы в Кембридже Максвелл готовился к профессорскому званию. В это время главным научным интересом молодого человека становится работа по теории цветов. Она берет начало в творчестве Исаака Ньютона, который придерживался идеи о семи основных цветах. Максвелл был продолжателем теории Томаса Юнга, выдвинувшего идею трех основных цветов и связавшего их с физиологическими процессами в организме человека. Джеймс использовал уже придуманный ранее «цветовой волчок», диск которого был разделен на окрашенные в разные цвета секторы, а также «цветовой ящик», разработанную им самим оптическую систему, позволявшую смешивать эталонные цвета. Однако ему впервые удалось получить с их помощью количественные результаты и довольно точно предсказывать возникающие в результате смешения цвета. Например, если раньше считалось, что белый цвет можно получить смешением синего, красного и желтого, то Максвелл опроверг это. Его опыты показали, что смешение синего и желтого цветов дает не зеленый, как часто полагали, а розоватый оттенок. Также он выяснил, что основными цветами являются красный, зеленый и синий.
3. Устойчивость колец Сатурна . В Абердине Максвелл женился и занимался преподавательской работой, однако наука все еще отнимала значительную часть его времени. Большее внимание Максвелла в это время привлекало исследование природы колец Сатурна, предложенное в 1855 году Кембриджским университетом на соискание премии Адамса (работу требовалось завершить за два года). Кольца были открыты Галилео Галилеем еще в начале XVII века и долгое время были загадкой природы. Природу вещества, из которого были кольца Сатурна, пытались определить многие ученые. Уильям Гершель считал их сплошными твёрдыми объектами. Пьер Симон Лаплас доказывал, что твёрдые кольца должны быть неоднородными, очень узкими и обязательно должны вращаться. Максвелл провел исследования - математический анализ различных вариантов строения колец - и убедился, что они не могут быть ни твёрдыми, ни жидкими. Выво ученого был таким: подобная структура может быть устойчивой только в том случае, если состоит из роя не связанных между собой метеоритов. Устойчивость колец обеспечивается их притяжением к Сатурну и взаимным движением планеты и метеоритов. При помощи Фурье -анализа Максвелл изучил распространение волн в таком кольце и показал, что при определенных условиях метеориты не сталкиваются между собой. Для случая двух колец он определил, при каких соотношениях их радиусов наступает состояние неустойчивости. Получив за работу премию Адамса и собрав восторженные отзывы коллег, Максвелл продолжил опыты. Его работа получила признание в научных кругах. Королевский астроном Джордж Эйри объявил ее самым блестящим применением математики к физике, которое он когда-либо видел.
4. Первая цветная фотография. Это открытие было сделано в Лондоне . Сначала, в 1860 году, Максвелл выступил с докладом на съезде Британской ассоциации в Оксфорде Максвелл о своих результатах в области теории цветов, подкрепив их экспериментальными демонстрациями с помощью цветового ящика. Год спустя во время лекции в Королевском институте Джеймс представил коллегам первую в мире цветную фотографию, идея которой возникла у него ещё в 1855 году. Она была изготовлена вместе с фотографом Томасом Саттоном. Сперва было получено три негатива цветной ленты на стекле, покрытом фотографической эмульсией (коллодий). Негативы сняли через зелёный, красный и синий фильтры (растворы солей различных металлов). Затем негативы освещали через те же фильтры, после чего удалось получить цветное изображение. Кстати, опыт Максвелла воссоздали спустя почти сто лет назад сотрудники фирмы «Кодак». Принцип ученого использовали еще долгие годы.
МАКСВЕЛЛ (Maxwell ) Джеймс Клерк (Clerk ) (1831-79), английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики, организатор и первый директор (с 1871) Кавендишской лаборатории. Развивая идеи М. Фарадея, создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла); ввел понятие о токе смещения, предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул идею электромагнитной природы света. Установил статистическое распределение, названное его именем. Исследовал вязкость, диффузию и теплопроводность газов. Показал, что кольца Сатурна состоят из отдельных тел. Труды по цветному зрению и колориметрии (диск Максвелла), оптике (эффект Максвелла), теории упругости (теорема Максвелла, диаграмма Максвелла - Кремоны), термодинамике, истории физики и др.
МАКСВЕЛЛ (Maxwell ) Джеймс Клерк (13 июня 1831, Эдинбург, - 5 ноября 1879, Кембридж), английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики, основатель одного из крупнейших мировых научных центров конца 19 - нач. 20 вв. - Кавендишской лаборатории; создал теорию электромагнитного поля, предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул идею электромагнитной природы света, установил первый статистический закон - закон распределения молекул по скоростям, названный его именем.
Семья. Годы учения
Максвелл был единственным сыном шотландского дворянина и адвоката Джона Клерка, который, получив в наследство поместье жены родственника, урожденной Максвелл, прибавил это имя к своей фамилии. После рождения сына семья переехала в Южную Шотландию, в собственное поместье Гленлэр ("Приют в долине"), где и прошло детство мальчика. В 1841 отец отправил Джеймса в школу, которая называлась "Эдинбургская академия". Здесь в 15 лет Максвелл написал свою первую научную статью "О черчении овалов". В 1847 он поступил в Эдинбургский университет, где проучился три года, и в 1850 перешел в Кембриджский университет, который окончил в 1854. К этому времени Максвелл был первоклассным математиком с великолепно развитой интуицией физика.
Создание Кавендишской лаборатории. Преподавательская работа
По окончании университета Максвелл был оставлен в Кембридже для педагогической работы. В 1856 он получил место профессора Маришал-колледжа в Абердинском университете (Шотландия). В 1860 избран членом Лондонского королевского общества. В том же году переехал в Лондон, приняв предложение занять пост руководителя кафедры физики в Кинг-колледже Лондонского университета, где работал до 1865.
Вернувшись в 1871 в Кембриджский университет, Максвелл организовал и возглавил первую в Великобритании специально оборудованную лабораторию для физических экспериментов, известную как Кавендишская лаборатория (по имени английского ученого Г. Кавендиша). Становлению этой лаборатории, которая на рубеже 19-20 вв. превратилась в один из крупнейших центров мировой науки, Максвелл посвятил последние годы своей жизни.
Фактов из жизни Максвелла известно немного. Застенчивый, скромный, он стремился жить уединенно; дневников не вел. В 1858 Максвелл женился, но семейная жизнь, видимо, сложилась неудачно, обострила его нелюдимость, отдалила от прежних друзей. Существует предположение, что многие важные материалы о жизни Максвелла погибли во время пожара 1929 в его гленлэрском доме, через 50 лет после его смерти. Он умер от рака в возрасте 48 лет.
Научная деятельность
Необычайно широкая сфера научных интересов Максвелла охватывала теорию электромагнитных явлений, кинетическую теорию газов, оптику, теорию упругости и многое другое. Одними из первых его работ были исследования по физиологии и физике цветного зрения и колориметрии, начатые в 1852. В 1861 Максвелл впервые получил цветное изображение, спроецировав на экран одновременно красный, зеленый и синий диапозитивы. Этим была доказана справедливость трехкомпонентной теории зрения и намечены пути создания цветной фотографии. В работах 1857-59 Максвелл теоретически исследовал устойчивость колец Сатурна и показал, что кольца Сатурна могут быть устойчивы лишь в том случае, если состоят из не связанных между собой частиц (тел).
В 1855 Максвелл приступил к циклу своих основных работ по электродинамике. Были опубликованы статьи "О фарадеевых силовых линиях" (1855-56), "О физических силовых линиях" (1861-62), "Динамическая теория электромагнитного поля" (1869). Исследования были завершены выходом в свет двухтомной монографии "Трактат об электричестве и магнетизме" (1873).
Создание теории электромагнитного поля
Когда Максвелл в 1855 начал исследования электрических и магнитных явлений, многие из них уже были хорошо изучены: в частности, установлены законы взаимодействия неподвижных электрических зарядов (закон Кулона) и токов (закон Ампера); доказано, что магнитные взаимодействия есть взаимодействия движущихся электрических зарядов. Большинство ученых того времени считало, что взаимодействие передается мгновенно, непосредственно через пустоту (теория дальнодействия).
Решительный поворот к теории близкодействия был сделан М. Фарадеем в 30-е гг. 19 в. Согласно идеям Фарадея, электрический заряд создает в окружающем пространстве электрическое поле. Поле одного заряда действует на другой, и наоборот. Взаимодействие токов осуществляется посредством магнитного поля. Распределение электрических и магнитных полей в пространстве Фарадей описывал с помощью силовых линий, которые по его представлению напоминают обычные упругие линии в гипотетической среде - мировом эфире.
Максвелл полностью воспринял идеи Фарадея о существовании электромагнитного поля, то есть о реальности процессов в пространстве возле зарядов и токов. Он считал, что тело не может действовать там, где его нет.
Первое, что сделал Максвелл - придал идеям Фарадея строгую математическую форму, столь необходимую в физике. Выяснилось, что с введением понятия поля законы Кулона и Ампера стали выражаться наиболее полно, глубоко и изящно. В явлении электромагнитной индукции Максвелл усмотрел новое свойство полей: переменное магнитное поле порождает в пустом пространстве электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (так называемое вихревое электрическое поле).
Следующий, и последний, шаг в открытии основных свойств электромагнитного поля был сделан Максвеллом без какой-либо опоры на эксперимент. Им была высказана гениальная догадка о том, что переменное электрическое поле порождает магнитное поле, как и обычный электрический ток (гипотеза о токе смещения). К 1869 все основные закономерности поведения электромагнитного поля были установлены и сформулированы в виде системы четырех уравнений, получивших название Максвелла уравнений.
Из уравнений Максвелла следовал фундаментальный вывод: конечность скорости распространения электромагнитных взаимодействий. Это главное, что отличает теорию близкодействия от теории дальнодействия. Скорость оказалась равной скорости света в вакууме: 300000 км/с. Отсюда Максвелл сделал заключение, что свет есть форма электромагнитных волн.
Работы по молекулярно-кинетической теории газов
Чрезвычайно велика роль Максвелла в разработке и становлении молекулярно-кинетической теории (современное название - статистическая механика). Максвелл первым высказал утверждение о статистическом характере законов природы. В 1866 им открыт первый статистический закон - закон распределения молекул по скоростям (Максвелла распределение). Кроме того, он рассчитал значения вязкости газов в зависимости от скоростей и длины свободного пробега молекул, вывел ряд соотношений термодинамики.
Максвелл был блестящим популяризатором науки. Он написал ряд статей для Британской энциклопедии и популярные книги: "Теория теплоты" (1870), "Материя и движение" (1873), "Электричество в элементарном изложении" (1881), которые были переведены на русский язык; читал лекции и доклады на физические темы для широкой аудитории. Максвелл проявлял также большой интерес к истории науки. В 1879 он опубликовал труды Г. Кавендиша по электричеству, снабдив их обширными комментариями.
Оценка работ Максвелла
Работы ученого не были по достоинству оценены его современниками. Идеи о существовании электромагнитного поля казались произвольными и неплодотворными. Только после того, как Г. Герц в 1886-89 экспериментально доказал существование электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом, его теория получила всеобщее признание. Произошло это спустя десять лет после смерти Максвелла.
После экспериментального подтверждения реальности электромагнитного поля было сделано фундаментальное научное открытие: существуют различные виды материи, и каждому из них присущи свои законы, не сводимые к законам механики Ньютона. Впрочем, сам Максвелл вряд ли отчетливо это сознавал и первое время пытался строить механические модели электромагнитных явлений.
О роли Максвелла в развитии науки превосходно сказал американский физик Р. Фейнман: "В истории человечества (если посмотреть на нее, скажем, через десять тысяч лет) самым значительным событием 19 столетия, несомненно, будет открытие Максвеллом законов электродинамики. На фоне этого важного научного открытия гражданская война в Америке в том же десятилетии будет выглядеть провинциальным происшествием".
Максвелл похоронен не в усыпальнице великих людей Англии - Вестминстерском аббатстве, - а в скромной могиле рядом с его любимой церковью в шотландской деревушке, недалеко от родового поместья.
Джеймс Максвелл - физик, который первым сформулировал основы классической электродинамики. Их применяют до сих пор. Известно знаменитое уравнение Максвелла, именно он ввел в эту науку такие понятия, как ток смещения, электромагнитное поле, предсказал электромагнитные волны, природу и давление света, сделал множество других важных открытий.
Детство физика
Физик Максвелл родился в XIX веке, в 1831 году. Он появился на свет в шотландском Эдинбурге. Герой нашей статьи происходил из рода Клерков, его отец владел фамильным имением в Южной Шотландии. В 1826 году он нашел себе супругу по имени Фрэнсис Кей, они сыграли свадьбу, а через 5 лет у них родился Джеймс.
В младенчестве Максвелл с родителями переехал в имение Миддлби, здесь он и провел детство, которое было сильно омрачено смертью матери от рака. Еще в первые годы жизни он активно интересовался окружающим миром, увлекался поэзией, его окружали так называемые "научные игрушки". Например, предшественник кинематографа "магический диск".
В 10-летнем возрасте он начал заниматься с домашним учителем, но это оказалось неэффективным, тогда в 1841 году он переехал в Эдинбург к своей тете. Здесь он начал посещать Эдинбургскую академию, в которой упор делался на классическое образование.
Учеба в Эдинбургском университете
В 1847 году будущий физик Джеймс Максвелл начинает учиться в Тут он изучал труды по физике, магнетизму и философии, ставил многочисленные лабораторные опыты. Больше всего его интересовали механические свойства материалов. Он их исследовал с помощью поляризованного света. Такая возможность у физика Максвелла появилась после того, как его коллега Уильям Николь подарил ему два собственноручно собранных поляризационных прибора.
В то время он изготавливал большое количество моделей из желатина, подвергал их деформациям, следил за цветными картинами в поляризованном свете. Сравнивая свои опыты с теоретическими изысканиями, Максвелл вывел много новых закономерностей и проверил старые. В то время результаты этой работы были чрезвычайно важны для строительной механики.
Максвелл в Кембридже
В 1850 году Максвелл желает продолжить образование, хотя отец и не в восторге от этой затеи. Ученый отправляется в Кембридж. Там он поступает в недорогой колледж Питерхаус. Имевшаяся там учебная программа не удовлетворяла Джеймса, к тому же учеба в Питерхаусе не давала никаких перспектив.
Только в конце первого семестра ему удалось убедить отца и перевестись в более престижный Тринити-колледж. Через два года он становится стипендиатом, получает отдельную комнату.
При этом Максвелл практически не занимается научной деятельностью, больше читает и посещает лекции видных ученых своего времени, пишет стихи, участвует в интеллектуальной жизни университета. Герой нашей статьи много общается с новыми людьми, за счет этого компенсирует природную застенчивость.
Интересным был распорядок дня Максвелла. С 7 утра до 5 вечера он трудился, затем засыпал. Снова вставал в 21.30, читал, а с двух до полтретьего ночи занимался бегом прямо в коридорах общежития. После этого снова ложился, чтобы проспать до самого утра.
Работы по электричеству
Во время пребывания в Кембридже физик Максвелл всерьез увлекается проблемами электричества. Он исследует магнитных и электрических эффектов.
К тому времени Майкл Фарадей выдвинул теорию электромагнитной индукции, силовых линий, способных соединять отрицательный и положительный электрические заряды. Однако такая концепция действия на расстоянии не нравилась Максвелла, интуиция ему подсказывала, что где-то есть противоречия. Поэтому он решил построить математическую теорию, которая объединила бы результаты, полученные сторонниками дальнодействия, и представление Фарадея. Он использовал метод аналогии и применил результаты, которых ранее добился Уильямом Томсоном при анализе процессов теплопередачи в твердом теле. Так он впервые дал аргументированное математическое обоснование тому, как идет передача электрического действия в определенной среде.
Цветные снимки
В 1856 году Максвелл отправляется в Абердин, где вскоре женится. В июне 1860 году на съезде Британской ассоциации, который проходит в Оксфорде, герой нашей статьи делает важный доклад о своих исследования в области теории цветов, подкрепляя их конкретными экспериментами с помощью цветового ящика. В том же году его награждают медалью за работу над соединением оптики и цветов.
В 1861 году он предоставляет в Королевском институте неопровержимые доказательства верности своей теории - это цветная фотография, над которой он работал еще с 1855 года. Такого в мире еще никто не делал. Негативы он снял через несколько фильтров - синий, зеленый и красный. Освещая негативы через те же фильтры, ему удается получить цветное изображение.
Уравнение Максвелла
Сильное влияние в биографии Джеймса Клерка Максвелла на него оказали и Томсон. В результате он приходит к заключению, что магнетизм обладает вихревой природой, а электрический ток - поступательной. Он создает механическую модель, чтобы наглядно все продемонстрировать.
В результате ток смещения привел к знаменитому уравнению непрерывности, которое до сих пор используется для электрического заряда. По мнению современников, это открытие стало самым значимым вкладом Максвелла в современную физику.
Последние годы жизни
Последние годы своей жизни Максвелл провел в Кембридже на различных административных должностях, становился президентом философского общества. Вместе с учениками исследовал распространение волн в кристаллах.
Сотрудники, которые с ним работали, неоднократно отмечали, что он был максимально прост в общении, всецело отдавался исследованиям, имел уникальную способность проникать в суть самой проблемы, был очень проницательным, при этом адекватно реагировал на критику, никогда не стремился стать знаменитым, но в то же время был способен на весьма утонченный сарказм.
Первые симптомы серьезного заболевания у него проявились в 1877 году, когда Максвеллу исполнилось всего 46 лет. Он все чаще стал задыхаться, ему трудно было есть и проглатывать пищу, возникали сильные боли.
Уже через два года ему было совсем тяжело читать лекции, выступать на публике, он очень быстро уставал. Врачи отмечали, что его состояние постоянно ухудшалось. Диагноз медиков был неутешителен - рак брюшной полости. В конце года, окончательно ослабев, он вернулся из Гленлэра в Кембридж. Облегчить его страдания пытался доктор Джеймс Паджет, известный в то время.
В ноябре 1879 году Максвелл умер. Гроб с его телом перевезли из Кембриджа в фамильное имение, похоронив рядом с родителями на небольшом деревенском кладбище в Партоне.
Олимпиада в честь Максвелла
Память о Максвелле сохранилась в названиях улиц, зданий, астрономических объектов, наград и благотворительных фондов. Также ежегодно в Москве проходит олимпиада по физике имени Максвелла.
Она проходит для учеников с 7 по 11 классы включительно. Для школьников 7-8 классов результаты олимпиады Максвелла по физике являются заменой регионального и Всероссийского этапа олимпиады школьников по физике.
Чтобы участвовать в региональном этапе, нужно получить достаточное количество баллов на предварительном отборе. Региональный и финальный этапы олимпиады Максвелла по физике проходят в два этапа. Один из них теоретический, а второй - экспериментальный.
Интересно, что задания олимпиады Максвелла по физике на всех этапах совпадают по уровню сложности с испытаниями финальных этапов Всероссийской олимпиады школьников.
Биография
Родился в семье шотландского дворянина из знатного рода Клерков (Clerks).
Учился сначала в Эдинбургской академии, Эдинбургском университете (1847-1850), затем в Кембриджском (1850-1854) университете (Питерхауз и Тринити-колледж).
Научная деятельность
Свою первую научную работу Максвелл выполнил ещё в школе, придумав простой способ вычерчивания овальных фигур. Эта работа была доложена на заседании Королевского общества и даже опубликована в его «Трудах». В бытность членом совета Тринити-колледжа занимался экспериментами по теории цветов , выступая как продолжатель теории Юнга и теории трёх основных цветов Гельмгольца . В экспериментах по смешиванию цветов Максвелл применил особый волчок, диск которого был разделен на секторы, окрашенные в разные цвета (диск Максвелла). При быстром вращении волчка цвета сливались: если диск был закрашен так, как расположены цвета спектра, он казался белым; если одну его половину закрашивали красным, а другую - жёлтым, он казался оранжевым; смешивание синего и жёлтого создавало впечатление зелёного. В 1860 году за работы по восприятию цвета и оптике Максвелл был награждён медалью Румфорда.
Одной из первых работ Максвелла стала его кинетическая теория газов . В 1859 году учёный выступил на заседании Британской ассоциации с докладом, в котором привёл распределение молекул по скоростям (максвелловское распределение). Максвелл развил представления своего предшественника в разработке кинетической теории газов Р. Клаузиуса , который ввёл понятие «средней длины свободного пробега». Максвелл исходил из представления о газе как об ансамбле множества идеально упругих шариков, хаотически движущихся в замкнутом пространстве. Шарики (молекулы) можно разделить на группы по скоростям, при этом в стационарном состоянии число молекул в каждой группе остается постоянным, хотя они могут выходить из групп и входить в них. Из такого рассмотрения следовало, что «частицы распределяются по скоростям по такому же закону, по какому распределяются ошибки наблюдений в теории метода наименьших квадратов, то есть в соответствии со статистикой Гаусса». В рамках своей теории Максвелл объяснил закон Авогадро , диффузию , теплопроводность , внутреннее трение (теория переноса). В 1867 показал статистическую природу второго начала термодинамики («демон Максвелла »).
В 1831, в год рождения Максвелла, М. Фарадей проводил классические эксперименты, которые привели его к открытию электромагнитной индукции . Максвелл приступил к исследованию электричества и магнетизма примерно 20 лет спустя, когда существовали два взгляда на природу электрических и магнитных эффектов. Такие учёные, как А. М. Ампер и Ф. Нейман, придерживались концепции дальнодействия , рассматривая электромагнитные силы как аналог гравитационного притяжения между двумя массами. Фарадей был приверженцем идеи силовых линий , которые соединяют положительный и отрицательный электрические заряды или северный и южный полюсы магнита. Силовые линии заполняют все окружающее пространство (поле , по терминологии Фарадея) и обусловливают электрические и магнитные взаимодействия. Следуя Фарадею, Максвелл разработал гидродинамическую модель силовых линий и выразил известные тогда соотношения электродинамики на математическом языке, соответствующем механическим моделям Фарадея. Основные результаты этого исследования отражены в работе «Фарадеевы силовые линии» (Faraday’s Lines of Force , 1857). В 1860-1865 Максвелл создал теорию электромагнитного поля, которую сформулировал в виде системы уравнений (уравнения Максвелла), описывающих основные закономерности электромагнитных явлений: 1-е уравнение выражало электромагнитную индукцию Фарадея; 2-е - магнитоэлектрическую индукцию, открытую Максвеллом и основанную на представлениях о токах смещения; 3-е - закон сохранения количества электричества; 4-е - вихревой характер магнитного поля.
Продолжая развивать эти идеи, Максвелл пришёл к выводу, что любые изменения электрического и магнитного полей должны вызывать изменения в силовых линиях, пронизывающих окружающее пространство, то есть должны существовать импульсы (или волны), распространяющиеся в среде. Скорость распространения этих волн (электромагнитного возмущения) зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости среды и равна отношению электромагнитной единицы к электростатической. По данным Максвелла и других исследователей, это отношение составляет 3,4*10 10 см/с, что близко к скорости света , измеренной семью годами ранее французским физиком А. Физо . В октябре 1861 Максвелл сообщил Фарадею о своём открытии: свет - это электромагнитное возмущение, распространяющееся в непроводящей среде, то есть разновидность электромагнитных волн . Этот завершающий этап исследований изложен в работе Максвелла Динамическая теория электромагнитного поля (Treatise on Electricity and Magnetism, 1864), а итог его работ по электродинамике подвёл знаменитый Трактат об электричестве и магнетизме (1873).
Теория электромагнитного поля и, в особенности, следующий из неё вывод о существовании электромагнитных волн при жизни Максвелла оставались чисто теоретическими положениями, не имевшими никакого экспериментального подтверждения, и современниками зачастую воспринимались как «игра ума». В 1887г. немецкий физик Генрих Герц поставил эксперимент, полностью подтвердивший теоретические выводы Максвелла.
Последние годы жизни Максвелл занимался подготовкой к печати и изданием рукописного наследия Кавендиша. Два больших тома вышли в октябре 1879.
13 июня 1831 года в Эдинбурге, в семье аристократа из старинного рода Клерков родился мальчик, названный Джеймсом. Отец его, Джон Клерк Максвелл, член адвокатской коллегии, имел университетское образование, но профессию свою не любил и увлекался в свободные часы техникой и наукой. Мать Джеймса, Фрэнсис Кей, была дочерью судьи. После рождения мальчика семья переехала в Миддлби, фамильное имение Максвеллов на юге Шотландии. Вскоре Джон построил там новый дом, получивший имя Гленлэр.
Детство будущего великого физика омрачилось лишь слишком ранней кончиной матери. Джеймс рос любознательным мальчиком и благодаря отцовским увлечениям был с детства окружен «техническими» игрушками, такими, как модель небесной сферы и «магический диск», предшественник кинематографа. Тем не менее, интересовался он и поэзией и даже сам писал стихи, кстати, не оставив это занятие до конца своих дней. Начальное образование дал Джеймсу отец - первого домашнего учителя наняли, только когда Джеймсу исполнилось десять лет. Правда, отец быстро понял, что подобное обучение вовсе неэффективно, и отправил сына в Эдинбург, к своей сестре Изабелле. Здесь Джеймс поступил в Эдинбургскую Академию, в которой детям давали чисто классическое образование - латынь, греческий, античная литература, Священное Писание и немножко математики. Учиться мальчику понравилось не сразу, но постепенно он стал лучшим в классе учеником и заинтересовался в первую очередь геометрией. В это время он изобрел собственный способ рисования овалов.
В шестнадцать лет Джеймс Максвелл закончил академию и поступил в университет Эдинбурга. Здесь он окончательно увлекся точными науками, и уже в 1850 году Эдинбургское королевское общество признало серьезными его труды по теории упругости. В этом же году отец Джеймса согласился, что сыну необходимо более престижное образование, и Джеймс уехал в Кембридж, где сначала учился в колледже Питерхаус, а на втором семестре перевелся в Тринити-колледж. Два года спустя Максвелл получил за свои успехи университетскую стипендию. Впрочем, в Кембридже он занимался наукой очень мало - больше читал, заводил новые знакомства и активно вращался в среде университетских интеллектуалов. В это время сформировались и его религиозные взгляды - безусловная вера в Бога и скептичность по отношению к теологии, которую Джеймс Максвелл ставил на последнее место среди прочих наук. В студенческие годы он стал также приверженцем так называемого «христианского социализма» и принял участие в работе «Рабочего колледжа», читая там популярные лекции.
В двадцать три года Джеймс сдал итоговый экзамен по математике, заняв в студенческом списке второе место. Получив степень бакалавра, он принял решение остаться в университете и готовиться к званию профессора. Он преподавал, продолжал сотрудничать с Рабочим колледжем и начал книгу об оптике, которую, правда, так и не закончил. Тогда же Максвелл создал экспериментальное шуточное исследование, вошедшее в фольклор Кембриджа. Целью этого исследования было «котоверчение» - Максвелл определял минимальную высоту, с которой кошка, падая, встает на лапки. Но основным интересом Джеймса была тогда теория цвета, взявшая начало от идеи Ньютона о существовании семи основных цветов. К тому же времени относится и его серьезное увлечение электричеством. Сразу после получения степени бакалавра Максвелл начал исследовать электричество и магнетизм. В вопросе о природе магнитных и электрических эффектов он принял позицию Майкла Фарадея, согласно которой силовые линии соединяют отрицательный и положительный заряды и заполняют окружающее пространство. Но были получены верные результаты и уже оформившейся и строгой наукой электродинамикой, а потому Максвелл задался вопросом построения теории, включавшей и представления Фарадея, и результаты электродинамики. Максвеллом была разработана гидродинамическая модель силовых линий, и ему же удалось впервые выразить на языке математики закономерности, открытые Фарадеем - в виде дифференциальных уравнений.
Осенью 1855 года Джеймс Максвелл, успешно сдав необходимый экзамен, стал членом университетского совета, что, кстати, подразумевало в то время принятие обета безбрачия. С началом нового семестра он приступил к чтению в колледже лекций по оптике и гидростатике. Однако зимой ему пришлось поехать в родное имение, чтобы перевезти в Эдинбург тяжело заболевшего отца. Вернувшись в Англию, Джеймс узнал, что в Абердинском Маришаль-колледже свободна вакансия преподавателя натуральной философии. Это место давало ему возможность быть ближе к отцу, да и перспектив в Кембридже Максвелл для себя не видел. В середине весны 1856 года он стал профессором в Абердине, но Джон Клерк Максвелл умер еще до назначения сына. Джеймс провел в родовом имении лето и в октябре уехал в Абердин.
Абердин был главным портом Шотландии, но вот многие кафедры его университета пребывали в печальной заброшенности. В первые же дни своей профессорской деятельности Джеймс Максвелл принялся исправлять это положение хотя бы на своей кафедре. Он работал над новыми методиками обучения и пытался заинтересовать студентов научной работой, но не преуспел в этом начинании. Лекции нового профессора, полные юмора и игры слов, касались весьма сложных вещей, и сей факт отпугивал большинство учеников, привыкших к популярности изложения, отсутствию демонстраций и пренебрежению математикой. Из восьми десятков студентов Максвелл сумел научить лишь несколько человек, действительно хотевших учиться.
В Абердине Максвелл устроил и свою личную жизнь - летом 1858 года он женился на младшей дочери директора колледжа Маришаль, Кэтрин Дьюар. Немедленно после венчания Джеймса исключили из совета Тринити-колледжа, как нарушившего обет безбрачия.
Еще в 1855 году Кембридж предложил на соискание престижной премии Адамса работу по исследованию колец Сатурна, и именно Джеймс Максвелл в 1857 стал обладателем премии. Но премией он не удовольствовался и продолжал разрабатывать тему, в итоге издав в 1859 году трактат «On the stability of the motion of Saturn’s rings», мгновенно получивший признание среди ученых. О трактате сказали, что это - самое блестящее из существующих применение математики к физике. Во время профессорства в Абердинском колледже Максвелл занимался также темой преломления света, геометрической оптикой и, главное, кинетической теорией газов. В 1860 году им была построена первая статистическая модель микропроцессов, ставшая основой для развития статистической механики.
Профессорская должность в Абердинском университете вполне устраивала Максвелла - колледж требовал его присутствия лишь с октября до мая, а остальное время ученого было совершенно свободно. В колледже царила атмосфера свободы, профессора не имели жестких обязанностей, а кроме того, каждую неделю Максвелл читал в научной школе Абердина платные лекции для механиков и ремесленников, обучением которых всегда интересовался. Это замечательное положение дел изменилось в 1859 году, когда постановили объединить два колледжа университета, и должность профессора кафедры натуральной философии была упразднена. Максвелл попытался получить ту же должность в Эдинбургском университете, но пост достался по конкурсу его старому другу Питеру Тэту. В июне 1860 года Джеймсу предложили профессорство на кафедре натуральной философии в столичном Кингз-колледже. В том же месяце он сделал доклад о своих исследованиях теории цвета и вскоре был награжден медалью Румфорда за работы в области оптики и смешения цветов. Однако все оставшееся время до начала семестра он провел в Гленлэре, родовом имении - и не в научных занятиях, а тяжело болея оспой.
Быть профессором в Лондоне оказалось куда менее приятно, чем в Абердине. В Кингз-колледже были великолепно оснащенный физические лаборатории и почиталась экспериментальная наука, но и студентов обучалось гораздо больше. Работа оставляла Максвеллу время лишь на домашние эксперименты. Тем не менее, в 1861 году его включили в Комитет по эталонам, перед которым стояла задача определения основных единиц электричества. Два года спустя были опубликованы итоги тщательных измерений, в 1881 году послужившие основанием для принятия вольта, ампера и ома. Продолжал Максвелл и работы по теории упругости, создал теорему Максвелла, рассматривающую напряжение в фермах методами графостатики, занимался анализом условий равновесия у сферических оболочек. За эти и другие работы, имевшие существенное практическое значение, он получил премию Кейта от королевского общества Эдинбурга. В мае 1861 года, читая лекцию о теории цвета, Максвелл представил весьма убедительное доказательство своей правоты. Это была первая в мире цветная фотография.
Но самым великим вкладом Джеймса Максвелла в физику явилось открытие тока. Придя к выводу, что электрический ток имеет поступательную природу, а магнетизм - вихревую, Максвелл создал новую модель - чисто механическую, согласно которой «молекулярные вихри производят», вращаясь, магнитное поле, а «холостые передаточные колеса» обеспечивают их одностороннее вращение. Формирование электрического тока обеспечивалось поступательным движением передаточных колес (по Максвеллу - «частичек электричества»), а магнитное поле, будучи направленным вдоль оси вихревого вращения, оказывалось перпендикулярно направлению тока. Это выразилось в «правиле буравчика», которое обосновал Максвелл. Благодаря своей модели он сумел не только наглядно проиллюстрировать явление электромагнитной индукции и вихревой характер поля, которое порождает ток, но и доказать, что изменения в электрическом поле, названные током смещения, приводят к возникновению поля магнитного. Ну а ток смещения дал представление о существовании незамкнутых токов. В своей статье «On physical lines of force» (1861-1862 гг.) Максвелл изложил данные результаты, а также отметил сходство свойств вихревой среды со свойствами светоносного эфира - и это был серьезный шаг к возникновению электромагнитной теории света.
Статья Максвелла о динамической теории электромагнитного поля вышла в 1864 году, и в ней механическую модель сменили «уравнения Максвелла» - математическая формулировка уравнений поля - а само поле впервые трактовалось в качестве реальной физически системы, имеющей определенную энергию. В этой статье он предсказал и существование не только магнитных, но и электромагнитных волн. Параллельно изучению электромагнетизма Максвелл провел несколько экспериментов, проверяя свои результаты в кинетической теории. Сконструировав прибор, определяющий вязкость воздуха, он убедился, что коэффициент внутреннего трения действительно не зависит от плотности.
В 1865 году Максвелл окончательно устал от своей педагогической деятельности. Неудивительно - лекции его были слишком сложны, чтобы еще и поддерживать на них дисциплину, да и научная работа, в отличие от преподавания, занимала все его мысли. Решение было принято, и ученый переехал в родной Гленлэр. Почти сразу после переезда он получил травму на конной прогулке и заболел рожистым воспалением. Выздоровев, Джеймс активно взялся за хозяйство, перестраивая и расширяя свое имение. Однако и о студентах не забывал - регулярно ездил в Лондон и в Кембридж принимать экзамены. Именно он добился введения в экзамены вопросов и задач прикладного характера. В начале 1867 года врач посоветовал часто болевшей жене Максвелла лечение в Италии, и всю весну Максвеллы провели во Флоренции и Риме. Здесь ученый встречался с профессором Маттеучи, итальянским физиком, и практиковался в иностранных языках. Кстати, Максвелл неплохо владел латинским, итальянским, греческим, немецким и французским. На родину Максвеллы возвращались через Германию, Голландию и Францию.
В том же году Максвелл сочинил стихотворение, посвященное Питеру Тэту. Шуточная ода называлась «Главному музыканту по игре на набла» и оказалась настолько успешной, что закрепила в науке новый термин «набла», произошедший от названия древнеассирийского музыкального инструмента и обозначающий символ векторного дифференциального оператора. Заметим, что своему другу Тэту, представившему вместе с Томсоном второе начало термодинамики как JCM = dp/dt, Максвелл обязан собственным псевдонимом, которым подписывал стихи и письма. Левая часть формулы совпала с инициалами Джеймса, а потому он решил использовать в качестве подписи правую - dp/dt.
В 1868 году Максвеллу предложили пост ректора в университете Сент-Эндрюс, но ученый отказался, не желая менять свой уединенный образ жизни в Гленлэре. Лишь через три года он после длительных раздумий возглавил только что открывшуюся в Кембридже физическую лабораторию и, соответственно, стал профессором экспериментальной физики. Согласившись на этот пост, Максвелл сразу принялся налаживать строительные работы и оснащать лабораторию (сначала собственными приборами). В Кембридже он стал читать курсы электричества, теплоты и магнетизма.
В том же 1871 году был опубликован учебник Максвелла «Theory of Heat» («Теория теплоты»), впоследствии неоднократно переизданный. В последней главе книги содержались основные постулаты молекулярно-кинетической теории и статистические идеи Максвелла. Здесь же он опроверг второе начало термодинамики, сформулированное Клаузиусом и Томсоном. В этой формулировке предсказывалась «тепловая смерть Вселенной» - чисто механическая точка зрения. Максвелл утверждал статистический характер пресловутого «второго начала», которое по его убеждению может нарушаться лишь отдельными молекулами, оставаясь справедливым в случае больших совокупностей. Это положение он проиллюстрировал парадоксом, названным «демоном Максвелла». Парадокс заключается в способности «демона» (управляющей системы) уменьшать энтропию этой системы, не затрачивая работу. Парадокс этот разрешили в двадцатом веке, указав на роль, которую играют в управляющем элементе флуктуации, и доказав, что когда «демон» получает информацию о молекулах, это повышает энтропию, а потому нарушения второго начала термодинамики не происходит.
Два года спустя увидел свет двухтомник Максвелла, названный «Трактат о магнетизме и электричестве». В нем содержались уравнения Максвелла, следствием которых стало открытие Герцем электромагнитных волн (1887 год). В трактате также была доказана электромагнитная природа света и предсказан эффект давления света. На основе этой теории Максвелл объяснил и влияние магнитного поля на распространение света. Однако сей фундаментальный труд весьма прохладно приняли корифеи науки - Стокс, Томсон, Эйри, Тэт. Особенно сложной для понимания оказалась концепция пресловутого тока смещения, существующего по Максвеллу даже в эфире, то есть в отсутствие материи. Кроме того, сильно мешал восприятию и стиль Максвелла, порой очень сумбурный в изложении.
Лаборатория в Кембридже, названная в честь Генри Кавендиша, открылась в июне 1874 года, и герцог Девонширский торжественно передал Джеймсу Максвеллу рукописи Кавендиша. В течение пяти лет Максвелл изучал наследие этого ученого, воспроизводил в лаборатории его опыты и в 1879 году выпустил под своей редакцией собрание сочинений Кавендиша, состоявшее из двух томов.
Около десяти последних лет своей жизни Максвелл занимался популяризацией науки. В своих книгах, написанных именно с этой целью, он более свободно излагал свои идеи и взгляды, делился с читателем сомнениями и говорил о проблемах, в то время еще не разрешимых. В Кавендишской лаборатории он продолжал разрабатывать совершенно конкретные вопросы, касающиеся молекулярной физики. Две его последние работы вышли в 1879 году - о теории разреженных неоднородных газов и о распределении газа под воздействием центробежных сил. Множество обязанностей он исполнял и в университете - состоял в совете университетского сената, в комиссии по реформированию математического экзамена, побывал на посту президента философского общества. В семидесятые годы у него появились ученики, среди которых были будущие известные ученые Джордж Кристалл, Артур Шустер, Ричард Глэйзбург, Джон Пойнтинг, Амброз Флеминг. И ученики, и сотрудники Максвелла отмечали его сосредоточенность, простоту общения, проницательность, утонченный сарказм и полное отсутствие честолюбия.
Зимой 1877 года у Максвелла появились первые симптомы погубившей его болезни, и через два года врачи определили у него рак. Великий ученый скончался в Кембридже 5 ноября 1879 года, в возрасте сорока восьми лет. Тело Максвелла перевезли в Гленлэр и похоронили неподалеку от имения, на скромном кладбище в деревушке Партон.
Роль Джеймса Клерка Максвелла в науке не сумели оценить по достоинству его современники, но важность его работ оказалась несомненной для следующего века. Ричард Фейман, американский физик, сказал, что открытие законов электродинамики - самое значительное событие девятнадцатого столетия, на фоне которого меркнет гражданская война в Соединенных Штатах, произошедшая в то же время…
