Кавендишская лаборатория положила в Англии начало традиции исследований в области экспериментальной физики. Это имело большое значение для дальнейшего развития международной экспериментальной физики, и особенно для подготовки атомного века. После Максвелла ею руководили такие исследователи, как Рэлей, Дж. Дж. Томсон и Резерфорд, укрепившие и умножившие ее славу. Многие физики-атомщики в молодые годы совершенствовали в Кавендишской лаборатории свое образование, в их числе Макс Борн, Нильс Бор, П.Л. Капица.
За время своей профессуры в Кембридже Максвелл опубликовал немало значительных работ. В 1871 году появилась «Теория теплоты», в 1873 году вышел фундаментальный двухтомный учебник – «Трактат по электричеству и магнетизму». В этом труде Максвелл собрал и обобщил результаты своих исследований электромагнетизма. В маленькой работе «Субстанция и движение» (1876), которая была задумана как введение в изучение физической науки, он в простейшей форме, не прибегая к высшей математике, сообщает читателю основы классической физики.
Начиная с 1875 года Максвелл много времени и сил потратил на расшифровку и издание оставшихся рукописей Генри Кавендиша. Работам по теории электричества он уделял при этом особое внимание.
Благодаря его склонности к занятиям историей естествознания по крайней мере часть научного архива великого английского естествоиспытателя второй половины XVIII века, который сам опубликовал лишь немногое, стала достоянием потомства.
В отличие от Фарадея, который скептически относился к теории атома и искал способ обойтись без помощи представления об атоме, Максвелл был открытым сторонником атомизма. Одним из первых он предположил, что созданный Бунзеном и Кирхгофом спектральный анализ поможет сделать более точное заключение о внутреннем строении атома – предсказание, оказавшееся верным.
Жизнь этого необычайно плодотворного исследователя, объединившего в себе гениального теоретика и изобретательного экспериментатора, оборвалась неожиданно быстро. Ученый не придавал значения небольшому расстройству пищеварения, приведшему к серьезному заболеванию, от которого он скончался 5 ноября 1879 года на 49-м году жизни.
Планк говорил о том, что имя Максвелла «блещет на вратах классической физики». Максвелл действительно был блистательным явлением среди физиков нового времени. Своими научными трудами, особенно великолепной системой формул электродинамики, он заложил важнейшие основы физики атомного века.
Его теория электричества и света настолько опередила свое время и была так законченна, что полвека спустя Эйнштейн мог почти без изменений включить ее в свою теорию относительности.
Подобных примеров в мировой истории науки немного.
Работы Максвелла посвящены электродинамике, молекулярной физике, общей статистике, оптике, механике, теории упругости. Наиболее весомый вклад Максвелл сделал в молекулярную физику и электродинамику. В кинетической теории газов, одним из основателей которой он является, установил в 1859 году статистический закон, описывающий распределение молекул газа по скоростям (распределение Максвелла). В 1866 году он дал новый вывод функции распределения молекул по скоростям, основанный на рассмотрении прямых и обратных столкновений, развил теорию переноса в общем виде, применив ее к процессам диффузии, теплопроводности и внутреннего трения, ввел понятие релаксации. В 1867 году первый показал статистическую природу второго начала термодинамики ("демон Максвелла"), в 1878 году ввел термин "статистическая механика".
Самым большим научным достижением Джеймса Максвелла является созданная им в 1860-1865 годах теория электромагнитного поля, которую он сформулировал в виде системы нескольких уравнений (уравнения Максвелла), выражающих все основные закономерности электромагнитных явлений (первые дифференциальные уравнения поля были записаны Максвеллом в 1855-1856 годах). В своей теории электромагнитного поля Максвелл использовал (1861) новое понятие - ток смещения, дал (1864) определение электромагнитного поля и предсказал (1865) новый важный эффект: существование в свободном пространстве электромагнитного излучения (электромагнитных волн) и его распространение в пространстве со скоростью света. Последнее дало ему основание считать (1865) свет одним из видов электромагнитного излучения (идея электромагнитной природы света) и раскрыть связь между оптическими и электромагнитными явлениями. Максвелл теоретически вычислил давление света (1873), предсказал эффекты Стюарта-Толмена и Эйнштейна-де Гааза (1878), скин-эффект.
Ученый
также сформулировал теорему в теории упругости (теорема Максвелла), установил
соотношения между основными теплофизическими параметрами (термодинамические
соотношения Максвелла), развивал теорию цветного зрения, исследовал
устойчивость колец Сатурна, показав, что кольца не являются твердыми или
жидкими, а представляют собой рой метеоритов. Максвелл сконструировал ряд
приборов. Он был известным популяризатором физических знаний. Опубликовал
впервые (1879) рукописи работ Генри Кавендиша
В
исследованиях по электричеству и магнетизму (статьи "О фарадеевых силовых
линиях", 1855-56 гг.; "О физических силовых линиях", 1861-62
гг.; "Динамическая теория электромагнитного поля", 1864 г.;
двухтомный фундаментальный "Трактат об электричестве и магнетизме",
1873 г.) Максвелл математически развил воззрения Майкла Фарадея на роль
промежуточной среды в электрических и магнитных взаимодействиях. Он попытался
(вслед за Фарадеем) истолковать эту среду как всепроникающий мировой эфир,
однако эти попытки не были успешны.
Дальнейшее развитие физики показало, что носителем электромагнитных
взаимодействий является электромагнитное поле, теорию которого (в классической
физике) Максвелл и создал. В этой теории Максвелл обобщил все известные к тому
времени факты макроскопической электродинамики и впервые ввёл представление о
токе смещения, порождающем магнитное поле подобно обычному току (току
проводимости, перемещающимся электрическим зарядам). Максвелл выразил законы
электромагнитного поля в виде системы 4 дифференциальных уравнений в частных
производных (уравнения Максвелла).
Общий и исчерпывающий характер этих уравнений проявился в том, что их анализ
позволил предсказать многие неизвестные до того явления и закономерности.
Так, из них следовало существование электромагнитных волн, впоследствии
экспериментально открытых Г. Герцем. Исследуя эти уравнения, Максвелл пришёл к
выводу об электромагнитной природе света (1865 г.) и показал, что скорость
любых других электромагнитных волн в вакууме равна скорости света.
Он измерил (с большей точностью, чем В. Вебер и Ф. Кольрауш в 1856 году)
отношение электростатической единицы заряда к электромагнитной и подтвердил его
равенство скорости света. Из теории Максвелл вытекало, что электромагнитные
волны производят давление.
Давление света было экспериментально установлено в 1899 П. Н. Лебедевым.
Теория электромагнетизма Максвелл получила полное опытное подтверждение и стала
общепризнанной классической основой современной физики. Роль этой теории ярко
охарактеризовал А. Эйнштейн: "... 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".
В исследованиях по молекулярно-кинетической теории газов (статьи
"Пояснения к динамической теории газов", 1860 г., и
"Динамическая теория газов", 1866 г.) Максвелл впервые решил
статистическую задачу о распределении молекул идеального газа по скоростям
(распределение Максвелла). Максвелл рассчитал зависимость вязкости газа от
скорости и длины свободного пробега молекул (1860), вычислив абсолютную
величину последней, вывел ряд важных соотношений термодинамики (1860).
Экспериментально измерил коэффициент вязкости сухого воздуха (1866). В 1873-74
гг. Максвелл открыл явление двойного лучепреломления в потоке (эффект
Максвелла).
Максвелл был крупным популяризатором науки. Он написал ряд статей для
Британской энциклопедии, популярные книги - такие как "Теория
теплоты" (1870), "Материя и движение" (1873),
"Электричество в элементарном изложении" (1881), переведённые на
русский язык. Важным вкладом в историю физики является опубликование Максвеллом
рукописей работ Г. Кавендиша по электричеству (1879) с обширными комментариями.
Учение об электромагнетизме и свете
С середины XIX столетия неустанно строился фундамент, на котором могло быть возведено здание физики XX века. При этом не обошлось без изменения проектов. Основные положения естественных наук либо утрачивали свою всеобщность, либо опровергались. Привычные убеждения, считавшиеся незыблемыми, рушились. Больше чем когда-либо физика в эти десятилетия становилась, по словам Эйнштейна, «приключением познания».
Во главе исследователей, которые, подобно архитекторам, решающим образом участвовали в перестройке фундамента физики нашего времени и заново возвели отдельные «этажи» здания, стоит Джеймс Клерк Максвелл, один из гениальнейших мыслителей в истории развития физики до Эйнштейна, охвативший в своих исследованиях физику во всех ее разделах.
Заслуги Максвелла как исследователя относятся к областям физиологического учения о цвете, кинетической теории теплоты и электромагнитной теории света.
Одновременно с Гельмгольцем Максвелл исследовал законы цветового зрения. Как предшественник австрийца Больцмана и американца Гиббса, он обосновал статистическое понимание кинетической теории газа. Его величайшей заслугой, однако является математическая разработка нового учения о магнетизме, электричестве и свете. Его достижения, по словам Планка, должны быть отнесены к «величайшим, изумительнейшим подвигам человеческого духа».
Когда Максвелл начинал свой путь физика, в сознании естествоиспытателей повсеместно и неколебимо царили законы ньютоновской механики. Все естественные явления старались объяснить с помощью простых механических законов движения в пространстве.
Подъем физики, связанный с открытием закона сохранения и превращения энергии, обеспечил в середине XIX века механистическому пониманию природы новую надежную поддержку. «Только механическое понимание является наукой», – заявлял берлинский физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон. Нечто подобное писал и Гельмгольц: «Конечная цель всего естествознания – раствориться в механике».
Программе этого воззрения на природу, впервые изложенного в манускриптах Леонардо да Винчи, в трудах Галилея и философски обоснованного Декартом, законченную форму придал Ньютон в 1687 году в своем знаменитом произведении о математических началах учения о природе.
