Максвелл - английский
физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников
статистической физики, организатор и первый директор (с 1871)
Кавендишской лаборатории. Джеймс Клерк Максвелл родился в Эдинбурге 13
июня 1831 года. Вскоре после рождения мальчика родители увезли его в
свое имение Гленлэр. С этого времени «берлога в узком ущелье» прочно
вошла в жизнь Максвелла. Здесь жили и умерли его родители, здесь подолгу
жил и похоронен он сам. Когда Джеймсу было восемь лет, в дом пришло
несчастье, тяжело заболела его мать и вскоре умерла. Теперь единственным
воспитателем Джеймса стал отец, к которому он на всю жизнь сохранил
чувство нежной привязанности и дружбы. Джон Максвелл был не только отцом
и воспитателем сына, но и его самым верным другом. Вскоре пришло время,
когда мальчику надо было начинать учиться. Сначала приглашали учителей
на дом. Но шотландские домашние учителя были такими же грубыми и
невежественными, как и их английские коллеги, с таким сарказмом и
ненавистью описанные Диккенсом. Поэтому решено было отдать Джеймса в
новую школу, носившую громкое название Эдинбургской академии. Мальчик
постепенно втянулся в школьную жизнь. Он стал с большим интересом
относиться к урокам. Особенно ему нравилась геометрия. Она на всю жизнь
осталась одним из сильнейших увлечений Максвелла. Геометрические образы
и модели сыграли огромную роль в его научном творчестве. С нее начался
научный путь Максвелла.
Максвелл закончил Академию в одном из первых выпусков. На прощанье с
полюбившейся школой он сочинил гимн Эдинбургской академии, который
дружно и с увлечением распевали ее воспитанники. Теперь перед ним
распахнулись двери Эдинбургского университета. Будучи студентом.
Максвелл выполнил серьезное исследование по теории упругости, получившее
высокую оценку специалистов. И теперь перед ним встал вопрос о
перспективе его дальнейшей учебы в Кембридже. Старейшим колледжем
Кембриджа был основанный в 1284 году колледж св. Петра (Питерхауз), а
наиболее знаменит - колледж св. Троицы (Тринити-Колледж), основанный в
1546 году. Славу этого колледжа создал его знаменитый питомец Исаак
Ньютон. Питерхауз и Тринити-Колледж и были последовательно местом
пребывания в Кембридже молодого Максвелла. После короткого пребывания в
Питерхаузе Максвелл перевелся в Тринити-Колледж. Объем знаний Максвелла,
мощь его интеллекта и самостоятельность мышления позволили ему добиться
высокого места в своем выпуске. Он занял второе место. Молодой бакалавр
был оставлен в Тринити-Колледже в качестве преподавателя. Но его
волновали научные проблемы. Помимо его старого увлечения геометрией и
проблемой цветов, которыми он начал заниматься еще в 1852 году. Максвелл
заинтересовался электричеством.
20 февраля 1854 года Максвелл сообщает Томсону о своем намерении
«атаковать электричество». Результатом «атаки» было сочинение «О
фарадеевых силовых линиях» - первое из трех основных трудов Максвелла,
посвященных изучению электромагнитного поля. Слово «поле» впервые
появилось в том самом письме Томсону, но ни в этом, ни в последующем
сочинении, посвященном силовым линиям. Максвелл его не употребляет. Это
понятие снова появится только в 1864 году в работе «Динамическая теория
электромагнитного поля». Осенью 1856 года Максвелл вступил в должность
профессора натуральной философии Маришаль-Колледжа в Абердине. Кафедра
натуральной философии, т. е. кафедра физики в Абердине, до Максвелла, по
сути дела, не существовала, и молодому профессору пришлось
организовывать учебную и научную работу по физике.
Пребывание в Абердине ознаменовалось важным событием и в личной жизни
Максвелла: он женился на дочери главы Маришаль-Колледжа Даниэля Дьюара
Кэтрин Мери Дьюар. Произошло это событие в 1858 году. С этого времени и
до конца жизни супруги Максвелл проходили свой жизненный путь рука об
руку.
В 1857-1859 годах ученый провел свои расчеты движения колец Сатурна. Он
показал, что жидкое кольцо при вращении разрушится возникающими в нем
волнами и разобьется на отдельные спутники. Максвелл рассматривал
движение конечного ряда таких спутников. Труднейшее математическое
исследование принесло ему премию Адамса и славу первоклассного
математика. Премированное сочинение было издано в 1859 году Кембриджским
университетом. От изучения колец Сатурна совершенно естественным был
переход к рассмотрению движений молекул газа. Абердинский период жизни
Максвелла закончился выступлением его на собрании Британской Ассоциации
1859 года с докладом «О динамической теории газов». Этот документ
положил начало многолетним и плодотворным исследованиям Максвелла в
области кинетической теории газов и статистической физики.
Так как кафедру, где работал Максвелл, закрыли, ученому пришлось
подыскивать новую работу. В 1860 году Максвелла избирают профессором
натуральной философии Кинг-Колледжа в Лондоне. Лондонский период
ознаменовался публикацией большой статьи «Пояснения к динамической
теории газов», которая была опубликована в ведущем английском физическом
журнале «Философский журнал» в 1860 году. Этой статьей Максвелл внес
огромный вклад в новую отрасль теоретической физики - статистическую
физику. Основателями статистической физики в ее классической форме
считаются Максвелл, Больцман и Гиббс.
Лето 1860 года перед началом осеннего семестра в Лондоне супруги
Максвелл провели в родовом имении Гленлэр. Однако отдохнуть и набраться
сил Максвеллу не удалось. Он заболел оспой в тяжелой форме. Врачи
опасались за его жизнь. Но необычайное мужество и терпение преданной ему
Кэтрин, которая делала все, чтобы выходить больного мужа, помогли им
одержать победу над страшной болезнью. Таким тяжелым испытанием началась
его лондонская жизнь. В этот период своей жизни Максвелл опубликовал
большую статью о цветах, а также работу «Пояснения к динамической теории
газов». Но главный труд его жизни был посвящен теории электричества.
Он публикует две основные работы по созданной им теории
электромагнитного поля: «О физических силовых линиях» (1861—1862) и
«Динамическая теория электромагнитного поля» (1864-1865). За десять лет
Максвелл вырос в крупнейшего ученого, творца фундаментальной теории
электромагнитных явлений, ставшей наряду с механикой, термодинамикой и
статистической физикой одним из устоев классической теоретической
физики. В этот же период жизни Максвелл начал работы по электрическим
измерениям. Он был особенно заинтересован в рациональной системе
электрических единиц, так как созданная им электромагнитная теория света
основывалась только на совпадении отношения электростатических и
электромагнитных единиц электричества со скоростью света. Вполне
естественно, что он стал одним из активных членов «Комиссии единиц»
Британской Ассоциации. Кроме того. Максвелл глубоко понимал тесную связь
науки и техники, важность этого союза как для прогресса науки, так и для
технического прогресса. Поэтому с шестидесятых годов и до конца жизни он
неустанно работал в области электрических измерений.
Напряженная лондонская жизнь плохо отразилась на здоровье Максвелла и
его жены, и они решили пожить в своем родовом имении Гленлэре. Это
решение стало неизбежным после тяжелого заболевания Максвелла в конце
летнего отдыха 1865 года, который он, как обычно, проводил в своем
имении. Максвелл оставил службу в Лондоне и пять лет (с 1866 по 1871
год) прожил в Гленлэре, выезжая изредка в Кембридж на экзамены, и лишь в
1867 году по совету врачей совершил путешествие в Италию.
Занимаясь в Гленлэре хозяйственными делами, Максвелл не оставлял научных
занятий. Он напряженно работал над главным трудом своей жизни «Трактатом
по электричеству и магнетизму», написал книгу «Теория теплоты», важную
работу о регуляторах, ряд статей по кинетической теории газов,
участвовал в собраниях Британской Ассоциации. Творческая жизнь Максвелла
в деревне продолжалась столь же интенсивно, как и в университетском
городе.
В 1871 году Максвелл издал в Лондоне книгу «Теория тепла». Этот учебник
пользовался большой популярностью. Ученый писал, что целью его книги
«Теория тепла» было изложение учения о теплоте «в той
последовательности, в которой оно развивалось». Вскоре после выхода
«Теории тепла» Максвелл получил предложение занять вновь организованную
кафедру экспериментальной физики в Кембридже, Он согласился и 8 марта
1871 года был назначен Кавендишским профессором Кембриджского
университета. В 1873 году выходят «Трактат по электричеству и
магнетизму» (в двух томах) и книга «Материя и движение». «Материя и
движение» - это небольшая книжка, посвященная изложению основ механики.
«Трактат по электричеству и магнетизму» - главный труд Максвелла -
вершина его научного творчества. В нем он подвел итоги многолетней
работы по электромагнетизму, начавшейся еще в начале 1854 года.
Предисловие к «Трактату» датировано 1 февраля 1873 года. Девятнадцать
лет работал Максвелл над своим основополагающим трудом.
Максвелл рассмотрел всю сумму знаний по электричеству и магнетизму
своего времени, начиная с основных фактов электростатики и кончая
созданной им электромагнитной теорией света. Он подвел итоги борьбы
теорий дальнодействия и близкодействия, начавшейся еще при жизни
Ньютона, посвятив последнюю главу своей книги рассмотрению теорий
действия на расстоянии. Максвелл не высказался открыто против
существовавших до него теорий электричества; он изложил фарадеевскую
концепцию как равноправную с господствующими теориями, но весь дух его
книги, его подход к анализу электромагнитных явлений были настолько новы
и необычны, что современники отказывались понять книгу.
В знаменитом предисловии к «Трактату» Максвелл так характеризует цель
своего труда: описать наиболее важные из электромагнитных явлений,
показать, как их можно измерить и «проследить математические соотношения
между измеряемыми величинами». Он указывает, что постарается «по
возможности осветить связь математической формы этой теории и общей
динамики, с тем чтобы в известной степени подготовиться к определению
тех динамических законов, среди которых нам следовало бы искать
иллюстрации или объяснения электромагнитных явлений».
Законы механики Максвелл считает основными законами природы. Не случайно
поэтому в качестве фундаментальной предпосылки к основным своим
уравнениям электромагнитной теории он излагает основные положения
динамики. Но вместе с тем Максвелл понимает, что теория электромагнитных
явлений - это качественно новая теория, не сводящаяся к механике, хотя
механика и облегчает проникновение в эту новую область явлений природы.
Главные выводы Максвелла сводятся к следующему: переменное магнитное
поле, возбуждаемое изменяющимся током, создает в окружающем пространстве
электрическое поле, которое в свою очередь возбуждает магнитное поле, и
т. д. Изменяющиеся электрические и магнитные поля, взаимно порождая друг
друга, образуют единое переменное электромагнитное поле -
электромагнитную волну. Он вывел уравнения, показывающие, что магнитное
поле, создаваемое источником тока, распространяется от него с постоянной
скоростью. Возникнув, электромагнитное поле распространяется в
пространстве со скоростью света 300 000 км/с, занимая все больший и
больший объем. Д Максвелл утверждал, что волны света имеют ту же
природу, что и волны, возникающие вокруг провода, в котором есть
переменный электрический ток. Они отличаются друг от друга только
длиной. Очень короткие волны и есть видимый свет.
В середине семидесятых была опубликована работа Максвелла «О
динамическом доказательстве молекулярного строения тел», представляющая
важное дополнение к его «Теории тепла» и его работам по кинетической
теории газов. В 1874 году он начинает большую историческую работу:
изучение научного наследия ученого XVIII века Генри Кавендиша и готовит
ее к печати. После исследований Максвелла стало ясно, что Кавендиш
задолго до Фарадея открыл влияние диэлектрика на величину электроемкости
и за 15 лет до Кулона открыл закон электрических взаимодействий. Работы
Кавендиша по электричеству с описанием экспериментов заняли большой том,
вышедший в 1879 году под названием «Статьи по электричеству
достопочтенного Генри Кавендиша». Это была последняя книга Максвелла,
выпущенная при его жизни.
5 ноября 1879 года в Кембридже он скончался. |