Максвелл Джеймс
Джеймс Клерк МАКСВЕЛЛ (англ. James Clerk Maxwell)
(13.06.1831, Эдинбург, - 5.11.1879, Кембридж)
Джеймс Клерк Максвелл - английский физик, создатель классической электродинамики, один из основателей статистической физики, организатор и первый директор (с 1871) Кавендишской лаборатории. Как и многие другие значительные английские естествоиспытатели XVIII...XIX веков, например крупные геологи Джеймс Хаттон и Чарлз Лайель, Джеймс Клерк Максвелл был шотландцем.
Он родился 13 июня 1831 года в Эдинбурге в семье помещика и дворянина. Происходил из знатной шотландской фамилии Клерков Пеникуик. Отец его, юрист по образованию, приняв фамилию Максвелл, жил в своем имении в Гленлэре, где и протекло детство Джеймса. Среди его предков можно найти политических деятелей, поэтов, музыкантов и ученых.
Отец Максвелла был глубоко образованным человеком с разносторонними интересами. Он редко покидал свое имение и профессиональной деятельностью (в качестве советника юстиции) занимался лишь от случая к случаю. Он принимал живое участие в индустриальном развитии страны, и, кроме того, его постоянным занятием были различные небольшие технические изобретения. После ранней смерти матери (она умерла, когда Джеймсу было 8 лет) отец заботливо воспитывал мальчика. На первом плане стояли занятия естественными науками. У Джеймса очень рано пробудился интерес к технике и развились практические навыки.
В согласии с национальными традициями и общественными условиями большое место в воспитании отводилось религиозным наставлениям в духе английского протестантизма. Детским годам был обязан Максвелл и своим удивительным знанием текста Библии и стихов из «Потерянного рая» Мильтона. В остальном маленький Джеймс рос и развивался среди детей служащих поместья и мелких крестьян, но, как подчеркивает биограф, «с духовными запросами члена правящего класса».
Первый опыт уроков на дому не привел к ожидаемому успеху. На жесткие воспитательные меры домашнего учителя мальчик отвечал упрямством и замкнутостью. В аристократической школе, которую он посещал впоследствии, Джеймс обратил на себя внимание благодаря большим математическим способностям. Особенно любил он геометрию. Об Эйнштейне вспоминают, что в 12 лет он восторгался «священной книжечкой по геометрии». Максвелл также слыл человеком не от мира сего. Он не мог наладить правильные отношения со своими школьными товарищами. Они дразнили его и давали ему прозвища. Не последнюю роль играла при этом одежда, которую его отец – он во многом был чудаком – заказывал для мальчика.
В 1841 г. Джеймс Максвелл отдан был в гимназию в Эдинбурге; к 1846 г. относится первая его ученая работа. В 14 лет Максвелл был награжден медалью за блестящие успехи в математике. Годом позже старший Максвелл представил Эдинбургской Академии наук, в заседаниях которой он иногда принимал участие в качестве гостя, первое научное произведение своего сына, после того как один знакомый ученый придал работе школьника соответствующую академическую форму. В сочинении рассматривался новый, ранее неизвестный математикам метод вычерчивания эллиптических фигур. Работа называлась «О черчении овалов и об овалах со многими фокусами» (1846, опубликована в 1851).
Перейдя в 1847 г. в эдинбургский университет, Максвелл, под руководством Келланда, Форбса и др., с жаром принялся за изучение физики и математики; его работы, относящиеся к этому времени, указывают уже на необыкновенные его способности. До этого он много занимался вопросами оптики, особенно поляризацией света и кольцами Ньютона. Им в основном руководил физик Вильям Николь, имя которого осталось жить в истории науки в названии призмы, данном в его честь.
В областях, не имеющих отношения к его предмету, Максвелл также старался получить прочные знания. Позднее, требуя, чтобы образование молодых естествоиспытателей не ограничивалось каким-либо специальным предметом, он опирался на собственный опыт. Для углубленного понимания проблем естествознания он считал необходимым изучение философии, истории науки и эстетики.
В 1850г. Максвелл поступил в Кембридж, где некогда работал Ньютон, а в 1854 году с академической степенью закончил его. После этого по совету Вильяма Томсона он начал вести частные исследования в области электричества.
В 1855 Максвелл стал членом совета Тринити-колледжа.
Первая большая работа Максвелла – «О фарадеевых силовых линиях» – появилась в 1855 году. Больцман, через 14 лет издавший это сочинение на немецком языке в «Оствальдовских классиках», подчеркнул в своих примечаниях, что уже эта первая статья Максвелла поразительно глубока по содержанию и дает представление о том, как планомерно подходил к работе молодой физик.
Больцман считал, что в области гносеологических вопросов естествознания влияние Максвелла было столь же определяющим, как и в теоретической физике. Все тенденции развития физики в последующие десятилетия были уже ясно обозначены в первой статье Максвелла и часто даже наглядно пояснялись теми же сравнениями. Они во многом совпадали со сформировавшимися позднее воззрениями Кирхгофа, Маха и Герца.
Уже в работе 1855 года Максвелл высказал мысль, которую он повторил в более поздних работах: силовые линии Фарадея следует представлять как тонкие трубочки с переменным сечением, по которым струится несжимаемая жидкость. Эту гидродинамическую модель электрического тока, исходящую из представлений Фарадея, Максвелл не считал, однако, отражением действительности, она должна была служить вспомогательным средством и облегчать новый подход к электродинамике путем применения механической аналогии.
Наряду
с изучением электродинамики молодой ученый занимался также экспериментальными
исследованиями физиологии цветового зрения. Одними из первых его исследований
были работы по физиологии и физике цветного зрения и колориметрии (1852-72). В
1861 году Максвелл впервые демонстрировал цветное изображение, полученное от
одновременного проецирования на экран красного, зелёного и синего диапозитивов,
доказав этим справедливость трёхкомпонентной теории цветного зрения и
одновременно наметив пути создания цветной фотографии. Он создал один из первых
приборов для количественного измерения цвета, получившего название диска
Максвелла.
Независимо от Гельмгольца, который в том же году в Кенигсберге сделал свой ставший знаменитым доклад «О зрении человека», Максвелл, который был моложе на десять лет, искал ответ на те же вопросы и пришел к сходным результатам. В бытность членом совета Тринити-колледжа занимался экспериментами по теории цветов, выступая как продолжатель теории Юнга и теории трех 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 — желтым, он казался оранжевым; смешивание синего и желтого создавало впечатление зеленого. В 1860 за работы по восприятию цвета и оптике Максвелл был награжден медалью Румфорда.
Его цветной волчок вскоре уже использовался Гельмгольцем при исследовании дальтоников, в ходе которых подтвердилась правильность взглядов Максвелла.
Чтобы показать противникам теории близкодействия, что он знаком с учением о силах дальнодействия и математически владеет им, Максвелл исследовал особенно трудный случай притяжения масс – загадку колец Сатурна.
В 1857 Кембриджский университет объявил конкурс на лучшую работу об устойчивости колец Сатурна. Эти образования были открыты Галилеем в начале 17 в. Он наблюдал их в расплывчатой форме, но только Гюйгенс описал их действительный вид. Они представляли удивительную загадку природы: планета казалась окруженной тремя сплошными концентрическими кольцами, состоящими из вещества неизвестной природы. Эти кольца были предметом спора исследователей; одни считали их твердыми, другие – жидкими. Лаплас доказал, что они не могут быть твердыми. Проведя математический анализ, Максвелл убедился, что они не могут быть и жидкими, и пришел к заключению, что 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. За эту работу Максвелл получил премию Дж. Адамса. Позднее спектроскопические исследования подтвердили это толкование.
Одной из первых работ Максвелла стала его кинетическая теория газов. В 1859 ученый выступил на заседании Британской ассоциации с докладом, в котором привел распределение молекул по скоростям (максвелловское распределение). Максвелл развил представления своего предшественника в разработке кинетической теории газов Р. Клаузиуса, который ввел 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, т. е. 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 26 лет способный молодой исследователь получил приглашение на должность профессора физики в колледж в Абердине. Там он преподавал три года. Он не был безукоризненным академическим преподавателем, видимо, поэтому в 1860 году, когда маленькая высшая школа объединилась с другой, от его дальнейших услуг отказались. Заявление в университет Эдинбурга было отклонено на аналогичных основаниях. И здесь опытного учителя предпочли творчески мыслящему исследователю. Максвелл некоторое время провел в своем имении, но в том же году принял приглашение в Лондон.
По окончании университета Максвелл решил посвятить себя науке и переехал в 1860 г. в Кембридж в Тринити колледж, где в продолжение 4 лет неустанно работал, изучая любимые науки; внимательное изучение работ Фарадея дало направление всей его деятельности.
Развивая идеи М. Фарадея, Максвелл создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла).
Пять лондонских лет (1860...1865) были самыми продуктивными в жизни ученого. Максвелл работал как экспериментатор и как теоретик одновременно во многих областях. В учении о физиологии цвета он иногда экспериментировал вместе с Гельмгольцем, с которым он познакомился во время его поездки в Англию в 1864 году. «С одним старым берлинским другом, – писал Гельмгольц своей жене, – я поехал в Кенсингтон к профессору Максвеллу, физику Королевского колледжа, очень острому математическому уму, который показал мне прекрасные аппараты для исследований в области учения о цвете, отрасли, в которой я сам раньше работал; он пригласил коллегу-дальтоника, над которым мы проделали эксперименты».
