МАКСВЕЛЛ ДЖЕЙМС КЛЕРК (1831 г. – 1879 г.)

МАКСВЕЛЛ ДЖЕЙМС КЛЕРК

(1831 г. – 1879 г.)

«В истории человечества (если посмотреть на нее, скажем, через десять тысяч лет) самым значительным событием XIX 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».

Р. Ф. Фейнман[93]

Джеймс Клерк Максвелл родился 13 июня 1831 года в Эдинбурге. Его отец, Джон Клерк, был шотландским дворянином. В свое время он получил в наследство поместье жены одного своего родственника, которая в девичестве носила фамилию Максвелл. По распространенной тогда традиции Клерк вместе с поместьем принял и новую фамилию. После рождения Джеймса семья переехала в Южную Шотландию, где поселилась в своем поместье Гленлэр («Приют в долине»). Когда мальчику было 8 лет, его мать умерла. Первоначально родители, весьма, надо сказать, образованные люди, собирались обучать Джеймса дома, но затем отец был вынужден отказаться от этого намерения. В 1841 году Джеймс был отправлен в Эдинбург к тетушке, где начал учебу в школе, носившей гордое название «Эдинбургская академия».

Известно, что в первое время мальчик произвел на одноклассников отнюдь не блестящее впечатление: за застенчивость и некоторую медлительность он даже получил прозвище Тупица. Он не особо интересовался общением со сверстниками и проводил досуг в чтении, черчении каких-то графиков и изготовлении механических моделей. Но вскоре соученики Максвелла были удивлены далеко не средними математическими успехами Тупицы. Да и в других предметах Джеймс был одним из лучших. В неполные 15 лет он написал свою первую научную работу «О черчении эллипсов», в которой описал новый простой способ вычерчивания эллиптических фигур.

В 1847 году Максвелл поступил в Эдинбургский университет, но через три года перешел в кембриджский Тринити-колледж, который и окончил в 1854 году. Джеймс был одним из лучших студентов в обоих заведениях. По кембриджской традиции среди выпускников определяли Старшего Полемиста – студента, сдавшего лучше всех экзамен по математике. Максвелл был признан Вторым Полемистом, но с примечанием, что это звание, в данном случае, может быть приравнено и к Старшему Полемисту. В студенческие годы Джеймс написал несколько прекрасных работ по физике, математике, физиологии и физике цветного зрения.

Получив научную степень, Джеймс Максвелл первое время преподавал в Кембридже. Здесь он и положил начало своим важнейшим изысканиям. Еще студентом Джеймс заинтересовался «Экспериментальными исследованиями по электричеству» Майкла Фарадея. Позже Максвелл писал: «Прежде чем начать изучение электричества, я принял решение не читать никаких математических работ по этому предмету до тщательного прочтения “Экспериментальных исследований по электричеству” Фарадея. Я был осведомлен, что высказывалось мнение о различии между фарадеевским методом понимания явлений и методом математиков, так что ни Фарадей, ни математики не были удовлетворены языком друг друга».

Математики, упомянутые Максвеллом (прежде всего Ампер и Нейман), исходили из концепции дальнодействия, согласно которой взаимное действие тел передается мгновенно на любое расстояние. Это представление противоречило идеям Фарадея об электрическом и магнитном полях. Максвелл попытался преодолеть это противоречие. Результатом стала серия блестящих работ: «О Фарадеевых линиях сил» (1855–1856), «О физических силовых линиях» (1861–1862);

«Динамическая теория электромагнитного поля» (1864). В них молодой ученый пытался математически обосновать и развить идеи Фарадея. Он обобщил полученные эмпирическим путем законы электрических и магнитных явлений и создал теорию электромагнитного поля. Законы электромагнитного поля Максвелл выразил в знаменитых уравнениях, названных в его честь и ставших фундаментальными уравнениями классической электродинамики. Именно работы Джеймса Максвелла окончательно продемонстрировали неразрывную связь между электрическими и магнитными явлениями.

К современному виду – системе четырех дифференциальных уравнений – их независимо друг от друга привели ученые Оливер Хевисайд и Генрих Герц. Опираясь на свои уравнения, Максвелл предсказал существование электромагнитных волн, показал, что скорость их распространения в вакууме равна скорости света, и сделал вывод о том, что свет имеет электромагнитную природу. Эйнштейн так охарактеризовал роль работ Максвелла: «Тут произошел великий перелом, который навсегда связан с именами Фарадея, Максвелла, Герца. Львиная доля в этой революции принадлежит Максвеллу… После Максвелла физическая реальность мыслилась в виде непрерывных, не поддающихся механическому объяснению полей… Это изменение понятия реальности является наиболее глубоким и плодотворным из тех, которые испытала физика со времен Ньютона».

Но вернемся вновь к биографии Джеймса Максвелла. В 1856 году он получил известие о болезни отца, из-за чего ему пришлось покинуть Кембридж и искать новую работу поближе к дому. Он предложил свою кандидатуру на пост профессора физики в Маришал-колледже – одном из колледжей Абердинского университета. В конце апреля ходатайство Максвелла было удовлетворено. По злой иронии судьбы за месяц до этого его отец умер.

В Абердине изучение электромагнитных явлений временно отошло на второй план. Максвелл занимался широким кругом разнообразных научных вопросов, в частности, вернулся к вопросам оптики и физиологии зрения. В 1857 году одним из колледжей Кембриджа был объявлен конкурс на лучшее исследование колец Сатурна. Джеймс выиграл конкурс, написав превосходную работу, в которой, в частности, математически показал, что кольца могут быть устойчивы только в том случае, если они состоят из большого числа не связанных между собой тел.

В 1859 году Максвелл женился на Кэтрин Мэри Дьюар, дочери главы Маришал-колледжа. Сведений о личной жизни ученого сохранилось очень немного. Причиной тому, по большей части, является пожар, произошедший в Гленлэре в 1929 году – как полагают, в огне могли погибнуть материалы, содержащие сведения биографического характера. Кроме того, Максвелл всегда отличался скромностью и застенчивостью. Он вел уединенный образ жизни и не любил говорить о своей семье.

В 1860 году Маришал-колледж объединился с Королевским колледжем, и Максвелл временно остался без места. Но в этом же году он был принят в Лондонское королевское общество и получил приглашение возглавить кафедру физики в Королевском колледже Лондонского университета. Несмотря на то что преподавательская нагрузка на новом месте была значительно больше, чем в Абердине, шесть лет, проведенные Максвеллом в Лондонском университете, стали, пожалуй, самыми плодотворным периодом его жизни. Он занимался не только описанными выше исследованиями электрических и магнитных явлений. Ученый, например, продолжил свои оптические изыскания. В 1861 году Максвелл получил первое в мире цветное изображение, спроецировав на экран красный, зеленый и синий диапозитив. Тем самым была не только доказана трехкомпонентная гипотеза цветного зрения, но и заложена основа для создания в будущем цветной фотографии. Кроме того, ученый создал один из первых приборов для количественного измерения цвета – так называемый диск Максвелла.

Но, конечно же, наибольшее значение имеют работы английского ученого по кинетической теории газов, на которых и следует остановиться подробнее. Осенью 1859 года, еще будучи преподавателем Маришал-колледжа, Максвелл выступил с докладом «Пояснения к динамической теории газов». В нем он впервые привел названное позже его именем распределение молекул по скоростям, позволяющее «определить среднее число частиц, скорости которых лежат в определенных пределах». При этом Максвелл отказался от взглядов Даниила Бернулли и Рудольфа Клаузиуса, считавших, что скорости всех молекул газов при одной температуре одинаковы. Таким образом, Максвелл не только стал одним из основателей молекулярно-кинетической теории газов, но и первым ученым, который ввел в физические исследования элементы статистики. Кинетическая теория, можно сказать, развязала руки Максвеллу и другим физикам. На ее основании ученый объяснил закон Авогадро, рассчитал зависимость вязкости газа от скорости и длины свободного пробега молекул, определил средний размер молекул. В 1866 году Максвелл опубликовал работу «Динамическая теория газов», в которой обобщил свои открытия в данной области. Также важную роль сыграл знаменитый эксперимент с «демоном Максвелла». Находясь в перегородке, разделяющей на две части термически изолированный сосуд, «демон Максвелла» – гипотетическое устройство или существо – пропускает в одну из полостей быстрые или «горячие» молекулы и не пропускает медленные («холодные»). Таким образом, абстрактно можно представить себе условия, при которых ставится под сомнения второе начало термодинамики. В дальнейшем «демон Максвелла» привел Людвига Больцмана к выведению статистической интерпретации второго закона термодинамики.

К 1865 году здоровье Джеймса Максвелла сильно ухудшилось. В связи с этим он оставил кафедру в Лондоне и поселился в своем поместье. Здесь ученый работал над фундаментальным трудом «Трактат по электричеству и магнетизму», который был опубликован в 1873 году. В книге были собраны все сведения по этому вопросу, накопленные научным миром к тому моменту: от самых первых данных до преставлений самого Максвелла и его современников.

В 1871 году Кембриджский университет предложил Максвеллу возглавить кафедру экспериментальной физики. При ней ученый организовал великолепную лабораторию, названную в честь Генри Кавендиша[94] (деньги на строительство лаборатории выделил потомок Кавендиша). Лаборатория была официально открыта 16 июня 1874 года. После Максвелла в разные времена ее возглавляли знаменитейшие физики и химики: Рэлей, Томсон, Резерфорд и другие. В стенах основанной Максвеллом Кавендишской лаборатории было сделано громадное количество открытий мирового значения.

В 1874–1879 годах Джеймс Максвелл работал над рукописями Кавендиша – талантливейшего ученого-экспериментатора, который оставил около двадцати томов записок, опубликовав всего две статьи. Результатом этой работы стала книга «Электрические исследования Генри Кавендиша», которая не только позволила оценить вклад выдающегося ученого в развитие физики и химии, но и заполнила серьезный пробел в истории науки.

Немало сделал Джеймс Максвелл и как популяризатор науки. Его книги «Теория теплоты в элементарной обработке», «Материя и движение» и «Электричество в элементарном изложении» способствовали распространению физических знаний и новых научных идей не только в Англии, но и в других странах.

По свидетельствам студентов, в мае 1879 года Максвелл выглядел очень больным, но продолжал читать лекции. Лето он провел в Гленлэре вместе с супругой, здоровье которой также находилось не в лучшем состоянии. К началу октября ученый едва мог ходить, но, тем не менее, вернулся в Кембридж и продолжил преподавание. А 5 ноября Джеймс Максвелл умер. Причиной смерти стал рак. Несмотря на сильные боли, вызванные болезнью, Максвелл до конца своих дней сохранял удивительную бодрость духа. Его врач говорил: «Я никогда не видел человека, встретившего смерть так спокойно и рассудочно». Похоронен Максвелл рядом с церковью в деревушке неподалеку от Гленлэра.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.