Джеймс Максвелл
(1831-1879).
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 и 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 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.
Важнейшим фактором изменений облика мира является расширение горизонтов научных знаний. Ключевой особенностью в развитии науки этого периода времени является широкое применение электричества во всех отраслях производства. И люди уже не могли отказаться от использования электричества, ощутив его существенные преимущества. В это время ученые начали плотно изучать электромагнитные волны и их влияние на различные материалы.
Большим достижением науки XIX в. была выдвинутая английским ученым Д. Максвеллом электромагнитная теория света (1865 г.), которая обобщила исследования и теоретические выводы многих физиков разных стран в отраслях электромагнетизма, термодинамики и оптики.
Максвелл хорошо известен тем, что сформулировал четыре уравнения, которые явились выражением основных законов электричества и магнетизма. Эти две области широко исследовались до Максвелла на протяжении многих лет, и было хорошо известно, что они взаимосвязаны. Однако хотя уже были открыты различные законы электричества и они были истинными для специфических условий, до Максвелла не существовало ни одной общей и единообразной теории.
Д. Максвелл пришел к мысли о единстве и взаимосвязь электрических и магнитных полей, создал на этой основе теорию электромагнитного поля, согласно которой, возникнув в любой точке пространства, электромагнитное поле распространяться в нем со скоростью, равной скорости света. Таким образом он установил связь световых явлений с электромагнетизмом.
В своих четырех уравнениях, коротких, но довольно сложных, Максвелл сумел точно описать поведение и взаимодействие электрических и магнитных полей. Тем самым он трансформировал это сложное явление в единую, доступную для понимания теорию. Уравнения Максвелла находили широкое применение в прошлом веке как в теоретических, так и прикладных науках. Главным достоинством уравнений Максвелла было то, что они являются общими уравнениями, употребимыми при всех обстоятельствах. Все известные прежде законы электричества и магнетизма можно вывести из уравнений Максвелла, равно как и многие другие прежде неизвестные результаты.
Наиболее важные из этих результатов были выведены самим Максвеллом. Из его уравнений можно сделать вывод, что существует периодическое колебание электромагнитного поля. Начавшись, такие колебания, названные электромагнитными волнами, будут распространяться в пространстве. Из своих уравнений Максвелл сумел вывести, что скорость таких электромагнитных волн составила бы приблизительно 300000 километров (186000 миль) в секунду Максвелл увидел, что эта скорость равняется скорости света. Из этого он сделал правильный вывод о том, что свет сам состоит из электромагнитных волн. Таким образом, уравнения Максвелла являются не только основными законами электричества и магнетизма, они являются основными законами оптики. И действительно, все ранее известные законы оптики можно вывести из его уравнений, точно так же, как неизвестные ранее результаты и взаимосвязи. Видимый свет является не только возможным видом электромагнитного излучения.
Уравнения Максвелла показали, что могут существовать другие электромагнитные волны, отличающиеся от видимого света по длине волн и частоте. Эти теоретические выводы были впоследствии наглядно подтверждены Генрихом Герцем, который сумел как создавать, так и выпрямлять невидимые волны, существование которых предсказал Максвелл.
Впервые на практике наблюдать распространения электромагнитных волн удалось немецкому физику Г. Герцу (1883). Он также определил, что скорость их распространения - 300 тыс. км/сек. Парадоксально, но он считал, что электромагнитные волны не будут иметь практического применения. А уже через несколько лет, на основе этого открытия А.С. Попов применил их для передачи первой в мире радиограммы. Она состояла всего из двух слов: «Генрих Герц».
Сегодня мы с успехом используем их для телевидения. Рентгеновские лучи, гамма-лучи, инфракрасные лучи, ультрафиолетовые лучи являются еще одним примером электромагнитного излучения. Все это можно изучить посредством уравнений Максвелла. Хотя Максвелл добился признания главным образом благодаря его эффектному вкладу в электромагнетизм и оптику, он сделал также вклад в другие области науки, включая астрономическую теорию и термодинамику (изучение тепла). Предметом особого его интереса была кинетическая теория газов. Максвелл понял, что не все молекулы газа движутся с одинаковой скоростью. Одни молекулы движутся медленнее, другие быстрее, а некоторые движутся с очень высокой скоростью. Максвелл вывел формулу, которая определяет, какая частица молекулы данного газа будет двигаться при любой установленной скорости. Эта формула, получившая название «распределение Максвелла», широко используется в научных уравнениях и находит значительное применение во многих областях физики.
Это изобретение стало основой для современных технологий беспроводной передачи информации, радио и телевидения, в том числе всех видов мобильной связи, в основе работы которых лежит принцип передачи данных посредствам электромагнитных волн. После экспериментального подтверждения реальности электромагнитного поля было сделано фундаментальное научное открытие: существуют различные виды материи, и каждому из них присущи свои законы, не сводимые к законам механики Ньютона.
О роли Максвелла в развитии науки превосходно сказал американский физик Р. Фейнман: «В истории человечества (если посмотреть на нее, скажем, через десять тысяч лет) самым значительным событием девятнадцатого 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».
Джеймс Кларк Максвелл родился 13 июня 1831 г. в доме 14 по ул. Индии в Эдинбурге. Он был очень любознательным. В трехлетнем возрасте его основная просьба: "Покажи мне, как это делается", а основной вопрос: "Как это происходит?" Его настойчивость в выяснении характерных особенностей действия какого-либо устройства или окружающих явлений природы выражалась в следующем вопросе: "Но в чем же особенность этого?".
Мать Джеймса умерла от рака, когда Джеймсу было восемь лет. Вся дальнейшая его жизнь была связана с отцом, который был его большим другом и первым наставником в научных делах. Когда Максвеллу исполнилось 10 лет, его отдали в Эдинбургскую академию. Еще во время учебы в Эдинбургской академии была написана его первая статья об овальных кривых, реферат которой был опубликован в "Трудах Эдинбургского Королевского Общества" в апреле 1846 г. Поскольку автору статьи было всего 14 лет, то статья Максвелла была зачитана на заседании общества профессором Форбсом: школьнику обращаться непосредственно к членам общества считалось неприличным. Идея работы состояла в том, что с помощью двух булавок и нитки можно рисовать эллипс. Максвелл обобщил этот метод для построения кривых различной сложной формы.
Возможность обобщения научного метода, анализ наблюдений является одним из важных факторов в истинном исследовании.
Открытие закона тяготения Ньютоном обусловлено тем, что Ньютон смог сделать блестящее обобщение, допустив, что та же самая сила, которая притягивает к Земле яблоко, притягивает и Луну. Вениамин Франклин сделал другое обобщение, установив, что молния и маленькие электрические искры, которые можно было получить в те времена в лаборатории, явления одного и того же рода. Идея Фарадея об электрических и магнитных силовых линиях, первоначально развитая на основании наблюдений над поведением железных опилок вблизи магнита, была чрезвычайно смелым обобщением. Проявившееся в самом раннем возрасте стремление Максвелла понимать природу окружающих его вещей, его решимость не отступать, не докопавшись до объяснений, вместе с не менее важной способностью к обобщениям весьма отчетливо раскрыли в юном Максвелле задатки первоклассного ученого.
По окончании школы, с 1847 по 1850 гг., Максвелл учился в Эдинбургском университете, а затем перевелся в Питерхауз, известный в то время колледж Святого Петра в Кембриджском университете. В Эдинбургском университете Максвелл ревностно изучал математику, некоторые вопросы физики и химии, а также философию. Кембелл и Гарнетт (сокурсники Максвелла) пишут: "Лекции по философии очень интересовали его Его не знающая границ любознательность находила пищу в неистощимой эрудиции профессора". Девятнадцати лет Максвелл написал статью "О равновесии упругих тел", в которой предложил новый плодотворный научный метод в области сопротивления материалов - метод фотоупругости. Эта статья примечательна. Красивые цветные картинки, которые Максвелл наблюдал на прозрачных образцах, освещаемых поляризованным светом, позволили ему найти направления и величину максимальных напряжений внутри твердых тел сложной формы.
Начав свою учебу в Кембриджском университете студентом Питерхауза, Максвелл вскоре перешел в Тринити-колледж. Требования к уровню математической подготовки в Кембриджском университете были очень высокими. Максвелл был вторым, лауреатом стал Раут. Однако премию Смита, экзамен на получение которой проходил сразу после "Математического экзамена для получения отличия" и, судя по всему, рассматривался как еще более строгая проверка истинных математических способностей и оригинальности мышления, Раут разделил с Максвеллом.
В 1854 г. Максвелл окончил Кембриджский университет, получив степень бакалавра с отличием. Ему 22 года. Он среднего роста, темноволос. Глубоко сидящие карие глаза. Крайняя простота в одежде. Немногословность. Странный, не всем понятный юмор. Дружелюбие. И главное - умение ставить задачи, видеть интересные проблемы в привычных явлениях, в прозе повседневности. После выпускных экзаменов Максвелл стал преподавателем в Тринити-колледже. Преподавание в колледже Кембриджа или Оксфорда в то время было довольно приятным занятием. Отец Джеймса мечтал о том, что сын получит кафедру в Глазго, и сделал все возможное для этого. Профессор Форбс сообщил ему, что в Абердине в Маршальском колледже есть вакансия профессора физики. О том, что Максвелл получил кафедру, было объявлено в апреле 1856 г., когда ему было только 24 года. Печально, что его отец скончался всего лишь за несколько дней до этого известия.
По-видимому, Максвелл никогда не был блестящим лектором и никогда особенно не увлекался чтением лекций. Преподавание Максвелла в Абердине оказалось недолгим, ибо в 1860 г. произошло объединение колледжей в Абердинский университет. Некоторые профессорские должности были ликвидированы, в число сокращенных попал и Максвелл. В том же году он был принят на кафедру физики в Лондонское Королевское Общество.
Годы, проведенные в Абердине, были очень продуктивными для научной работы. В 1856 г. он получил премию Адамса за научную работу, посвященную структуре колец Сатурна. В 1857 г. он пишет Люису Кэмбеллу (в будущем его биографу): "Я снова обрушился на Сатурн Я уже пробил несколько брешей в твердом кольце, а сейчас окунулся в жидкую среду, погрузившись в мир поистине удивительных символов и обозначений. Вскоре я углублюсь в туманность, напоминающую чем-то состояние воздуха, скажем, во время осады Севастополя. Лес пушек, занимающих площадь прямоугольника со сторонами 100 и 30000 миль, изрыгают ядра, которые никогда не останавливаются, а вращаются по кругу радиусом 170000 миль". Проблемой Сатурна Максвелл занимался упорно в течение трех лет, в этом проявилась его способность отдаваться на долгое время одной проблеме. В это же время он начал заниматься кинетической теорией газов и в 1859 г. представил Британской ассоциации свою первую статью по кинетической теории газов. Именно на базе теоретических исследований Максвелла и выдающегося австрийского физика Л. Больцмана (1844-1906) была создана статистическая механика. К статистической механике непосредственно примыкает термодинамика. В это же время им получены соотношения между основными теплофизическими параметрами, известными теперь как "термодинамические соотношения Максвелла". В это же время он опубликовал оригинальную работу, в которой развивал теорию цветового зрения. Помимо всего этого Максвелл уделял большое внимание проблемам электромагнетизма и особенно открытиям Фарадея.
В течение пяти лет Максвелл занимал должность профессора физики в Лондонском королевском колледже, а в 1871 г. был назначен первым профессором экспериментальной физики в Кембридже. Таким образом, последние годы жизни Максвелла связаны с созданием в Кембриджском университете Кавендишской лаборатории и преподаванием там физики. Мы все знаем Максвелла как физика-теоретика, но им оказалось сконструировано и построено много приборов и экспериментального оборудования. В Кавендишской лаборатории имеется целая коллекция максвелловских приборов, которую там весьма высоко ценят.
Еще за два года до смерти Максвелл почувствовал симптомы заболевания пищеварительного тракта, но серьезные изменения были обнаружены только в 1879 г. В сентябре 1979 г. во время пребывания в Гленлейре Максвелл почувствовал себя плохо и вернулся с женой в Кембридж. Он уже знал, что умирает от рака - болезни, от которой в этом же возрасте умерла его мать. Его страдания были велики, но он никогда не жаловался. Его ум оставался ясным до конца. Даже близость смерти не лишила его самообладания, и 5 ноября он тихо скончался.
Максвелл был не только физиком, но и замечательным человеком. Его шотландский врач доктор Дж.У. Лоррейн писал: "Должен сказать, что это один из лучших людей, с которыми мне приходилось встречаться, его облик как человека, насколько я могу судить, являет собой наиболее совершенный пример джентльмена и это, пожалуй, гораздо ценнее всех его научных достижений".
В противоположность Фарадею, удостоившемуся многих почестей и наград, Максвелл получил только две степени отличия - в 1872 г. доктора права в Эдинбургском университете и в 1876 г. доктора права в Оксфорде. Правда, в возрасте 24 лет он был избран членом Эдинбургского Королевского общества, а в 1861 г. - членом Лондонского Королевского общества (ЛКО). В 1860 г. ЛКО наградило его медалью Румкорфа.
Государство: Великобритания
Сфера деятельности: Наука, физика
Величайшее достижение: Стал основоположником электродинамики.
С тех самых пор, как наука была открыта всему человечеству, каждый пытался найти в ней что-то новое. И вписать свое имя в историю. Конечно, людям, увлекающимся гуманитарными науками, неизвестны имена физиков, химиков и математиков. Но, тем не менее, есть некоторые личности, которые на слуху а каждого, даже человека, отдаленно не представляющего, что такое физика. Джеймс Максвелл – один из таких ученых, который оставил свой след в истории математики и физики.
Джеймс Клерк Максвелл, шотландский физик, наиболее известный за его формулировку электромагнитной теории. Он рассматривается большинством современных физиков, как ученый 19-го века, которые оказали наибольшее влияние на физику 20-го века, и он занимает почетное место с Исааком Ньютоном и за фундаментальный характер его вклада.
Ранние годы
Будущий физик родился 13 июня 1831 года в Эдинбурге. Первоначальная фамилия была Клерк, дополнительная фамилия добавляется его отцом, который работал юристом и унаследовал поместье Миддлби. Джеймс был единственным ребенком. Его родители поженились довольно поздно по тем временам, а его матери было 40 лет на момент его рождения. Детские годы мальчик провел в поместье Миддлби, который был переименован в Гленлэр.
Его мать умерла в 1839 году от рака брюшной полости, и отец стал основной фигурой в воспитании. Именно благодаря ему юный Джеймс заинтересовался точными науками. В школе он проявлял живое любопытство в раннем возрасте и имел феноменальную память. В 1841 году он был отправлен в школу при Эдинбургской Академии. Среди других учеников были его будущий биограф Льюис Кэмпбелл и его друг Питер Гатри Тэйт.
Интересы Максвелла выходили далеко за рамки школьной программы, и он не обращал особого внимания на результаты экзаменов. Его первая научная работа, опубликованная, когда ему было всего 14 лет, описывала обобщенный ряд овальных кривых, которые можно было проследить с помощью булавок и нитей по аналогии с эллипсом. Это увлечение геометрией и механическими моделями продолжалось на протяжении всей его карьеры и было большим подспорьем в его последующих исследованиях.
В 16 лет он поступил в Эдинбургский университет, где он читал запоем книги по всем предметам и опубликовал еще две научные работы. В 1850 году он поступил в Кембридж. После окончания учебы Джеймсу предложили место преподавателя. В то время он интересуется электричеством и цветами, которые впоследствии лягут в основу первой фотографии в цвете.
Карьера и открытия Джеймса Масквелла
В 1854 он продолжает работу в Тринити Колледже, но, поскольку здоровье его отца ухудшалось, ему пришлось вернуться в Шотландию. В 1856 году он был назначен профессором естественной философии в колледже Маришаль в Абердине, но это назначение омрачилось печальной новостью о кончине отца. Это была большая личная потеря Максвелла, так как у него были близкие отношения с папой. В июне 1858 Максвелл женился на Кэтрин Дьюар, дочери директора колледжа, где он начал работать. Детей у супругов не было, но были доверительные отношения и взаимоуважение.
В 1860 Маришаль и королевский колледж объединились и образовали Абердинский университет. Максвелла попросили покинуть должность. Он подал заявку на вакансию в Эдинбургском университете, но ему было отказано в пользу его школьного друга Тейта. После отказа Джеймс переезжает в Лондон.
Следующие пять лет, несомненно, были самыми плодотворными в его карьере. В этот период были опубликованы две его классические работы по электромагнитному полю, и состоялась его демонстрация цветной фотографии. Максвелл руководил экспериментальным определением электрических единиц для Британской ассоциации содействия развитию науки, и эта работа в области измерений и стандартизации привела к созданию Национальной физической лаборатории.
Именно исследования Максвелла по электромагнетизму создали ему имя среди великих ученых истории. В предисловии к своему трактату об электричестве и магнетизме (1873), Максвелл заявил, что его главной задачей было преобразовать физические идеи Фарадея в математическую форму. Пытаясь проиллюстрировать закон индукции Фарадея (что изменяющееся магнитное поле порождает индуцированное электромагнитное поле), Максвелл построил механическую модель. Он обнаружил, что модель порождает соответствующий «ток смещения» в диэлектрической среде, который затем может быть местом поперечных волн. Рассчитав скорость этих волн, он обнаружил, что они очень близки к скорости света.
Теория Максвелла предполагала, что электромагнитные волны могут генерироваться в лаборатории — возможность, впервые продемонстрированная Генрихом Герцем в 1887 году, через восемь лет после смерти Максвелла. В дополнение к своей электромагнитной теории Максвелл сделал большой вклад в другие области физики. Еще в возрасте 20 лет он продемонстрировал свое мастерство в классической физике, написав эссе о кольцах Сатурна, в котором он пришел к выводу, что кольца должны состоять из масс материи, не связанных друг с другом-вывод, который был подтвержден более чем 100 лет спустя первым космическим зондом Voyager, достигшим кольцевой планеты.
Последние годы жизни
В 1871 году Максвелл был избран новым профессором Кавендиш колледжа в Кембридже. Он приступил к проектированию местной лаборатории и руководил ее строительством. У Максвелла было немного студентов, но они были самого высокого калибра и включали Уильяма Д. Нивена, Джона Амброуза (позже ставшего сэром Джоном Амброузом), Ричарда Тетли Глейзбрука, Джона Генри Пойнтинга и Артура Шустера.
Во время Пасхи 1879 года Максвелл серьезно заболел – оказался рак брюшной полости. То, от чего скончалась когда-то его мать. Не имея возможности проводить лекции, как прежде, он вернулся в Гленлэр в июне, но его состояние не улучшалось. Великий физик Джеймс Масквелл умер 5 ноября 1879 года. Как ни странно, Максвелл не получил никаких общественных почестей и был тихо похоронен на небольшом кладбище в деревне Партон, в Шотландии.
МАКСВЕЛЛ (Maxwell), Джеймс Клерк
Английский физик Джеймс Клерк Максвелл родился в Эдинбурге в семье шотландского дворянина из знатного рода Клерков. Учился сначала в Эдинбургском (1847–1850), затем в Кембриджском (1850–1854) университетах. В 1855 г. Максвелл стал членом совета Тринити-колледжа, в 1856–1860 гг. был профессором Маришал-колледжа Абердинского университета, с 1860 г. возглавлял кафедру физики и астрономии в Кингз-колледже Лондонского университета. В 1865 г. в связи с серьезной болезнью Максвелл отказался от кафедры и поселился в своем родовом поместье Гленлэр близ Эдинбурга. Там он продолжал заниматься наукой, написал несколько сочинений по физике и математике. В 1871 г. в Кембриджском университете занял кафедру экспериментальной физики. Максвелл организовал научно-исследовательскую лабораторию, которая открылась 16 июня 1874 г. и была названа Кавендишской – в честь Генри Кавендиша .
Свою первую научную работу Максвелл выполнил еще в школе, придумав простой способ вычерчивания овальных фигур. Эта работа была доложена на заседании Королевского общества и даже опубликована в его «Трудах». 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 г. за работы по восприятию цвета и оптике Максвелл был награжден медалью Румфорда.
В 1857 г. Кембриджский университет объявил конкурс на лучшую работу об устойчивости колец Сатурна. Эти образования были открыты Галилеем в начале XVII в. и представляли удивительную загадку природы: планета казалась окруженной тремя сплошными концентрическими кольцами, состоящими из вещества неизвестной природы. 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.
Одной из первых работ Максвелла стала его кинетическая теория газов. В 1859 г. 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 Рудольфа 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 г. он показал статистическую природу второго начала термодинамики.
В 1831 г., в год рождения Максвелла, Майкл Фарадей проводил классические эксперименты, которые привели его к открытию электромагнитной индукции. Максвелл приступил к исследованию электричества и магнетизма примерно 20 лет спустя, когда существовали два взгляда на природу электрических и магнитных эффектов. Такие ученые, как А. М. Ампер и Ф. Нейман, придерживались концепции дальнодействия, рассматривая электромагнитные силы как аналог гравитационного притяжения между двумя массами. Фарадей был приверженцем идеи силовых линий, которые соединяют положительный и отрицательный электрические заряды или северный и южный полюсы магнита. Силовые линии заполняют все окружающее пространство (поле, по терминологии Фарадея) и обусловливают электрические и магнитные взаимодействия. Следуя Фарадею, Максвелл разработал гидродинамическую модель силовых линий и выразил известные тогда соотношения электродинамики на математическом языке, соответствующем механическим моделям Фарадея. Основные результаты этого исследования отражены в работе «Фарадеевы силовые линии» (1857). В 1860–1865 гг. Максвелл создал теорию электромагнитного поля, которую сформулировал в виде системы уравнений (уравнения Максвелла), описывающих основные закономерности электромагнитных явлений: 1-е уравнение выражало электромагнитную индукцию Фарадея; 2-е – магнитоэлектрическую индукцию, открытую Максвеллом и основанную на представлениях о токах смещения; 3-е – закон сохранения количества электричества; 4-е – вихревой характер магнитного поля.
Продолжая развивать эти идеи, Максвелл пришел к выводу, что любые изменения электрического и магнитного полей должны вызывать изменения в силовых линиях, пронизывающих окружающее пространство, т.е. должны существовать импульсы (или волны), распространяющиеся в среде. Скорость распространения этих волн (электромагнитного возмущения) зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости среды и равна отношению электромагнитной единицы к электростатической. По данным Максвелла и других исследователей, это отношение составляет 3·10 10 см/с, что близко к скорости света, измеренной семью годами ранее французским физиком А. Физо. В октябре 1861 г. Максвелл сообщил Фарадею о своем открытии: свет – это электромагнитное возмущение, распространяющееся в непроводящей среде, т.е. разновидность электромагнитных волн. Этот завершающий этап исследований изложен в работе Максвелла «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864), а итог его работ по электродинамике подвел знаменитый «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873).