Джеймс Максвелл

Джеймс Максвелл

Биография

Эдинбург. 1831−1850…3

Детство и школьные годы

Первое открытие

Эдинбургский университет …4

Оптико-механические исследования

Кембридж. 1850−1856…5

Занятия электричеством

Абердин. 1856−1860…7 Трактат о кольцах Сатурна

Лондон — Гленлейр. 1860−1871…9

Первая цветная фотография

Теория вероятностей

Механическая модель Максвелла

Электромагнитные волны и электромагнитная теория света

Кембридж 1871−1879…11

Кавендишская лаборатория

Мировое признание

Список использованной литературы…13

Эдинбург. 1831−1850

Детство и школьные годы

13 июня 1831 г. в Эдинбурге в доме номер 14 по улице Индии Франсез Кей, дочь эдинбургского судьи, после замужества — миссис Клерк Максвелл, родила сына Джеймса. В этот день во всем мире не произошло ничего сколько-нибудь значительного, еще не свершилось главное событие 1831 года. Но уже одиннадцать лет гениальный Фарадей пытается постичь тайны электромагнетизма, и лишь сейчас, летом 1831 года, он напал на след ускользающей электромагнитной индукции, и Джеймсу будет всего лишь четыре месяца, когда Фарадей подведет итог своему эксперименту «по получению электричества из магнетизма». И тем самым откроет новую эпоху — эпоху электричества. Эпоху, для которой предстоит жить и творить маленькому Джеймсу, потомку славных родов шотландских Клерков и Максвеллов.

Отец Джеймса, Джон Клерк Максвелл, адвокат по профессии, ненавидел юриспруденцию и питал неприязнь, как сам он говорил, к «грязным адвокатским делишкам». Как только случалась возможность, Джон прекращал бесконечное шарканье по мраморным вестибюлям Эдинбургского суда и посвящал себя научным экспериментам, которыми он между делом, по-любительски занимался. Он был дилетантом, сознавал это и тяжело переживал. Джон был влюблен в науку, в ученых, в людей практической сметки, в своего ученого деда Джорджа. Именно опыты сконструировать воздуходувные мехи, которые проводились совместно с братом Франсез Кей, свели его с будущей женой; свадьба состоялась 4 октября 1826 года. Воздуходувные мехи так никогда и не заработали, зато на свет появился сын Джеймс.

Когда Джеймсу было восемь, скончалась его мать, и он остался жить с отцом. Его детство заполнено природой, общением с отцом, книгами, рассказами о родных, «научными игрушками», первыми «открытиями». Родных Джеймса беспокоило то, что он не получает систематического образования: случайное чтение всего того, что есть в доме, уроки астрономии на крыльце дома и в гостиной, где Джеймс вместе с отцом построил «небесный глобус». После неудачной попытки обучения у частного преподавателя, от которого Джеймс часто сбегал к более увлекательным занятиям, было решено отправить его учиться в Эдинбург.

Несмотря на домашнее образование, Джеймс удовлетворял высоким требованиям Эдинбургской академии и был зачислен туда в ноябре 1841 года. Его успехи в классе были далеко не блестящи. Он легко мог бы выполнять задания лучше, но дух соревнования в малоприятных занятиях был для него глубоко чуждым. После первого же школьного дня он не сошелся с одноклассниками, и, поэтому, больше всего на свете Джеймс любил бывать один и рассматривать окружающие предметы. Одним из самых ярких событий, несомненно, скрасившее унылые школьные дни, было посещение вместе с отцом Эдинбургского королевского общества, где были выставлены первые «электромагнетические машины».

Эдинбургское королевское общество изменило жизнь Джеймса: именно там он получил первые понятия о пирамиде, кубе, других правильных многогранниках. Совершенство симметрии, закономерные превращения геометрических тел изменили понятие Джеймса об учении — он увидел в учении зерно красоты и совершенства. Когда пришло время экзаменов, ученики академии поразились — «Дуралей», как они называли Максвелла, стал одним из первых.

Первое открытие

Если раньше отец изредка брал Джеймса на свое любимое развлечение — заседания Эдинбургского королевского общества, то теперь посещения этого общества, а также Эдинбургского общества искусств вместе с Джеймсом стали для него регулярными и обязательными. В заседаниях Общества искусств самым известным, собирающим толпы людей лектором был мистер Д. Р. Хей, художник-декоратор. Именно его лекции натолкнули Джеймса на его первое серьезное открытие — простой инструмент для рисования овалов. Джеймс нашел оригинальный и в тоже время очень простой способ, а главное, абсолютно новый. Принцип своего метода он описал в коротенькой «статье», которая была прочитана в Эдинбургском королевском обществе — честь, которой добивались многие, а удостоился четырнадцатилетний школьник.

Эдинбургский университет

Оптико-механические исследования

В 1847 году обучение в Эдинбургской академии заканчивается, Джеймс — один из первых, забыты обиды и треволнения первых лет.

После окончания академии Джеймс поступает в Эдинбургский университет. В это же время он всерьез начинает интересоваться оптическими исследованиями. Утверждения Брюстера натолкнули Джеймса на мысль, что изучение пути лучей можно использовать для определения упругости среды в разных направлениях, для обнаружения напряжений в прозрачных материалах. Таким образом,

Рис. 1 картина напряжений в стелянном треугольнике, полученная Джеймсом при помощи поляризованного света.

исследование механических напряжений можно свести к оптическому исследованию. Два луча, разделившиеся в напряженном прозрачном материале, будут взаимодействовать, рождая характерные красочные картины. Джеймс показал, что цветные картины носят вполне закономерный характер и могут быть использованы для расчетов, для проверки выведенных ранее формул, для выведения новых. Оказалось, что некоторые формулы неверны, или неточны, или нуждаются в поправках.

Более того, Джеймсу удалось вскрыть закономерности в тех случаях, где раньше не удавалось ничего сделать из-за математических трудностей. Прозрачный и нагруженный треугольник из неотпущенного стекла (рис.1) дал Джеймсу возможность исследовать напряжения и в этом, неподдавашемся расчету случае.

Девятнадцатилетний Джеймс Клерк Максвелл впервые поднялся на трибуну Эдинбургского королевского общества. Его доклад не мог остаться незамеченным: слишком много нового и оригинального содержал он.

1850−1856 Кембридж

Занятия электричеством

Теперь уже никто не ставил под сомнение одаренность Джеймса. Он явно перерос уже Эдинбургский университет и, поэтому, осенью 1850 года поступил в Кембридж. В январе 1854 года Джеймс заканчивает с отличием университет со степнью бакалавра. Он решает остаться в Кембридже для подготовки к профессорскому званию. Теперь, когда не нужно готовиться к экзаменам, он получает долгожданную возможность тратить все свое время на эксперименты, продолжает свои исследования в области оптики. Особенно его интересует вопрос об основных цветах. Первая статья Максвелла называлась «Теория цветов в связи с цветовой слепотой» и была даже собственно не статьей, а письмом. Максвелл отправил его доктору Вильсону, а тот счел письмо настолько интересным, что позаботился об его публикации: поместил его целиком в свою книгу, посвященную цветовой слепоте. И все же Джеймса безотчетно влекут к себе тайны более глубокие, вещи куда более неочевидные, чем смешение цветов. Именно электричество в силу его интригующей непонятности, неизбежно, рано или поздно, должно было привлечь энергию его молодого ума. Джеймс довольно легко воспринял фундаментальные принципы напряженного электричества. Изучив теорию дальнодействия Ампера, он, несмотря на ее видимую неопровержимость, позволил себе в ней усомниться. Теория дальнодействия казалась несомненно справедливой, т.к. подтверждалась формальным сходством законов, математических выражений для, казалось бы, разных явлений — гравитационного и электрического взаимодействия. Но эта теория более математическая, нежели физическая, не убедила Джеймса, он все больше склонялся к фарадеевскому восприятию действием через посредство магнитных силовых линий, заполняющих пространство, к теории близкодействия.

Пытаясь создать теорию, Максвелл решил использовать для исследования метод физических аналогий. Прежде всего, нужно было найти правильную аналогию. Максвелл всегда восхищался, тогда еще только замеченной, аналогией существующей между вопросами притяжения электрически заряженных тел и вопросами установившейся теплопередачи. Это, а также фарадеевские идеи близкодействия, амперовское магнитное действие замкнутых проводников, Джеймс постепенно выстраивал в новую теорию, неожиданную и смелую.

В Кембридже Джеймса назначают читать труднейшие главы курсов гидростатики и оптики наиболее способным студентам. Кроме того, от электрических теорий его отвлекает работа над книгой по оптике. Максвелл скоро приходит к выводу, что оптика больше не интересует его, как раньше, а лишь отвлекает от изучения электромагнитных явлений.

Продолжая искать аналогию, Джеймс сравнивает силовые линии с течением какой-то несжимаемой жидкости. Теория трубок из гидродинамики позволила заменить силовые линии силовыми трубками, которые легко объясняли опыт Фарадея. В рамки теории Максвелла легко и просто укладывались понятия о сопротивлении, явления электростатики, магнитостатики и электрического тока. Но в эту теорию пока никак не укладывалось открытое Фарадеем явление электромагнитной индукции.

Джеймсу пришлось на некоторое время забросить свою теорию в связи с ухудшением состояния отца, требовавшего ухода. Когда же после смерти отца Джеймс вернулся в Кембридж, он из-за вероисповедания, не смог получить более высокую степень магистра. Поэтому в октябре 1856 года Джеймс Максвелл заступает на кафедру в Абердине.

Абердин 1856−1860

Трактат о кольцах Сатурна

Именно в Абердине была написана первая работа по электричеству — статья «О фарадеевских линиях силы», которая привела к обмену мнениями об электромагнитных явлениях с самим Фарадеем.

Когда Джеймс приступил к занятиям в Абердине, у него в голове уже созрела новая задача, которую пока никто не мог решить, новое явление, которое подлежало объяснению. Это были Сатурновы кольца. Определить их физическую природу, определить за миллионы километров, без каких бы то ни было приборов, пользуясь только бумагой и пером, — это была задача как будто для него. Гипотеза твердого жесткого кольца отпала сразу. Жидкое кольцо распалось бы под влиянием возникших бы в нем гигантских волн — и в результате, по мысли Джеймса Клерка Максвелла, вокруг Сатурна скорее всего витает сонм мелких спутников — «кирпичных обломков», по его восприятию. За трактат, посвященный кольцам Сатурна, в 1857 году Джеймсу была присуждена премия Адамса, а сам он признан одним из самых авторитетных английских физиков-теоретиков.

Рис. 2 Сатурн. Фотография, сделанная с помощью 36-дюймового рефрактора в Ликской обсерватории.

Рис. 3 Механические модели, иллюстрирующие движение колец Сатурна. Рисунки из эссе Максвелла «О стабильности вращения колец Сатурна»

Лондон — Гленлейр 1860−1871

Первая цветная фотография

В 1860 году начинается новый этап в жизни Максвелла. Он назначен на должность профессора кафедры натуральной философии в Кингс-колледж в Лондоне. Кингс-колледж по оснащенности своих физических лабораторий был впереди многих университетов мира. Здесь Максвелл не просто в 1864—1865 годах читал курс прикладной физики, здесь он пытался организовать учебный процесс по-новому. Студенты учились в процессе экспериментов. В Лондоне Джеймс Клерк Максвелл впервые вкусил плоды своего признания в качестве крупного ученого. За исследования по смешению цветов и оптике Королевское общество наградило Максвелла медалью Румфорда. 17 мая 1861 года Максвеллу была предложена высокая честь — прочесть лекцию перед Королевским институтом. Тема лекции — «О теории трех основных цветов». На этой лекции, в качестве доказательства этой теории, миру впервые была продемонстрирована цветная фотография!

Теория вероятностей

В конце абердинского периода и в начале лондонского, у Максвелла появилось наряду с оптикой и электричеством новое увлечение — теория газов. Работая над этой теорией, Максвелл вводит в физику такие понятия как «вероятно», «это событие может произойти с большей степенью вероятности».

В физике произошла революция, а многие слушатели докладов Максвелла на ежегодных встречах Британской ассоциации этого даже не заметили. С другой стороны Максвелл подошел к границам механического понимания материи. И переступил их. Вывод Максвелла о господстве в мире молекул законов теории вероятностей затрагивал самые фундаментальные основы мировоззрения. Заявление о том, что в мире молекул «господствует случай», было по своей смелости одним из величайших подвигов в науке.

Механическая модель Максвелла

Работа в Кингс-колледже требовала уже куда больше времени, чем в Абердине, — лекционный курс продолжался девять месяцев в году. Тем не менее, в это время тридцатилетний Джеймс Клерк Максвелл набрасывает план своей будущей книги по электричеству. Это зародыш будущего «Трактата». Первые главы его он посвящает своим предшественникам: Эрстеду, Амперу, Фарадею. Пытаясь объяснить Фарадеевскую теорию силовых линий, индукцию электрических токов и Эрстедовскую теорию вихреобразности характера магнитных явлений Максвелл создает свою механическую модель (рис.5).

Модель представляла собой ряды молекулярных вихрей, вращающихся в одном направлении, между которыми помещен слой мельчайших шарообразных частичек, способных к вращению. Несмотря на свою громоздкость, модель объясняла многие электромагнитные явления, в том числе электромагнитную индукцию. Сенсационность модели была в том, что она объясняла теорию о действии магнитного поля под прямым углом по отношению к направлению тока, сформулированную Максвеллом («правило буравчика»).

Рис. 4 Максвелл устраняет взаимодействие вращающихся в одну сторону соседних вихрей, А и В, вводя между ними «холостые шестеренки»

Рис. 5 Механическая модель Максвелла для объяснения электромагнитных явлений.

Электромагнитные волны и электромагнитная теория света

Продолжая опыты с электромагнитами, Максвелл приблизился к теории о том, что любые изменения электрической и магнитной силы посылают волны, распространяющиеся в пространстве.

После серии статей «О физических линиях» у Максвелла был уже, по сути дела, весь материал для построения новой теории электромагнетизма. Теперь уже для теории электромагнитного поля. Начисто исчезли шестеренки, вихри. Уравнения поля были для Максвелла ничуть не менее реальны и ощутимы, чем результаты лабораторных опытов. Теперь и электромагнитная индукция Фарадея, и ток смещения Максвелла выводились не с помощью механических моделей, а с помощью математических операций.

По Фарадею изменение магнитного поля приводит к появлению электрического поля. Всплеск магнитного поля вызывает всплеск электрического поля.

Всплеск электрической волны рождает всплеск волны магнитной, так впервые из-под пера тридцатитрехлетнего пророка появились в 1864 году электромагнитные волны, но еще не в том виде, в котором мы их понимаем сейчас. Максвелл говорил в статье 1864 года только о магнитных волнах. Электромагнитная волна в полном смысле этого слова, включающая одновременно электрическое и магнитное возмущения, появилась у Максвелла позже, в его статье, в 1868 году.

В другой статье Максвелла — «Динамической теории электромагнитного поля» — приобрела чёткие очертания и доказательность намеченная еще раньше электромагнитная теория света. На основе собственных исследований и опыта других ученых (и в наибольшей степени Фарадея) Максвелл делает вывод, что оптические свойства среды связаны с ее электромагнитными свойствами, и свет представляет собой не что иное, как электромагнитные волны.

В 1865 году Максвелл решает оставить Кингс-колледж. Он поселяется в своем родовом поместье Гленмейр, где занимается основными трудами жизни — «Теорией теплоты» и «Трактатом об электричестве и магнетизме». Им посвящается все время. Это были годы отшельничества, годы полной отрешенности от суеты, служения одной только науке, годы наиболее плодотворные, светлые, творческие. Тем не менее, Максвелла вновь тянет работать при университете, и он принимает предложение, сделанное ему Кембриджским университетом.

Кембридж 1871−1879

Кавендишская лаборатория

В 1870 году герцог Девонширский заявил сенату университета о своем желании построить и оснастить физическую лабораторию. И возглавить ее должен был ученый с мировым именем. Этим ученым стал Джеймс Клерк Максвелл. В1871 году он начинает работу по оснащению знаменитой Кавендишской лаборатории. В эти годы наконец издается его «Трактат об электричестве и магнетизме». Более тысячи страниц, где Максвелл дает описание научных опытов, обзор всех, до тех пор созданных теорий электричества и магнетизма, а также «Основные уравнения электромагнитного поля». В целом в Англии не приняли основных идей «Трактата», даже друзья не поняли его. Идеи Максвелла подхватили молодые. Большое впечатление теория Максвелла произвела на русских ученых. Всем известна роль Умова, Столетова, Лебедева в развитии и укреплении Максвелловой теории.

16 июня 1874 года — день торжественного открытия Кавендишской лаборатории. Последующие годы ознаменовались се растущим признанием.

Мировое признание

В 1870 году Максвелл избран почетным доктором литературы Эдинбургского университета, в 1874 году — иностранным почетным членом Американской академии искусств и наук в Бостоне, в 1875 году — членом Американского философского общества в Филадельфии, а также становится почетным членом академий Нью-Йорка, Амстердама, Вены. Последующие пять лет Максвелл занимается редактированием и подготовкой к изданию двадцати пакетов манускриптов Генри Кавендиша.

В 1877 году Максвелл почувствовал первые признаки болезни, а в мае 1879 года прочел своим студентам последнюю лекцию.

«Жизнь замечательных людей»

Вл. Карцев «Максвелл»

Изд. Москва, «Молодая гвардия», 1974 г.