Джеймс Клерк МАКСВЕЛЛ (англ. James Clerk Maxwell)
(13.06.1831, Эдинбург, — 5.11.1879,Кембридж)
Джеймс КлеркМаксвелл — английский физик, создатель классической электродинамики, один изоснователей статистической физики, организатор и первый директор (с 1871)Кавендишской лаборатории. Как и многие другие значительные английскиеестествоиспытатели XVIII...XIX веков, например крупные геологи Джеймс Хаттон иЧарлз Лайель, Джеймс Клерк Максвелл был шотландцем.
Онродился 13 июня 1831 года в Эдинбурге в семье помещика и дворянина. Происходилиз знатной шотландской фамилии Клерков Пеникуик. Отец его, юрист пообразованию, приняв фамилию Максвелл, жил в своем имении в Гленлэре, где ипротекло детство Джеймса. Среди его предков можно найти политических деятелей,поэтов, музыкантов и ученых.
ОтецМаксвелла был глубоко образованным человеком с разносторонними интересами. Онредко покидал свое имение и профессиональной деятельностью (в качествесоветника юстиции) занимался лишь от случая к случаю. Он принимал живое участиев индустриальном развитии страны, и, кроме того, его постоянным занятием былиразличные небольшие технические изобретения. После ранней смерти матери (онаумерла, когда Джеймсу было 8 лет) отец заботливо воспитывал мальчика. На первомплане стояли занятия естественными науками. У Джеймса очень рано пробудилсяинтерес к технике и развились практические навыки.
Всогласии с национальными традициями и общественными условиями большое место ввоспитании отводилось религиозным наставлениям в духе английскогопротестантизма. Детским годам был обязан Максвелл и своим удивительным знаниемтекста Библии и стихов из «Потерянного рая» Мильтона. В остальном маленькийДжеймс рос и развивался среди детей служащих поместья и мелких крестьян, но,как подчеркивает биограф, «с духовными запросами члена правящего класса».
Первыйопыт уроков на дому не привел к ожидаемому успеху. На жесткие воспитательныемеры домашнего учителя мальчик отвечал упрямством и замкнутостью. Варистократической школе, которую он посещал впоследствии, Джеймс обратил насебя внимание благодаря большим математическим способностям. Особенно любил онгеометрию. Об Эйнштейне вспоминают, что в 12 лет он восторгался «священнойкнижечкой по геометрии». Максвелл также слыл человеком не от мира сего. Он немог наладить правильные отношения со своими школьными товарищами. Они дразнилиего и давали ему прозвища. Не последнюю роль играла при этом одежда, которуюего отец – он во многом был чудаком – заказывал для мальчика.
В 1841г. Джеймс Максвелл отдан был в гимназию в Эдинбурге; к 1846 г. относится перваяего ученая работа. В 14 лет Максвелл был награжден медалью за блестящие успехив математике. Годом позже старший Максвелл представил Эдинбургской Академиинаук, в заседаниях которой он иногда принимал участие в качестве гостя, первоенаучное произведение своего сына, после того как один знакомый ученый придалработе школьника соответствующую академическую форму. В сочинениирассматривался новый, ранее неизвестный математикам метод вычерчиванияэллиптических фигур. Работа называлась «О черчении овалов и об овалах сомногими фокусами» (1846, опубликована в 1851).
Перейдяв 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 икольцами Ньютона. Им в основном руководил физик Вильям Николь, имя которогоосталось жить в истории науки в названии призмы, данном в его честь.
Вобластях, не имеющих отношения к его предмету, Максвелл также старался получитьпрочные знания. Позднее, требуя, чтобы образование молодых естествоиспытателейне ограничивалось каким-либо специальным предметом, он опирался на собственныйопыт. Для углубленного понимания проблем естествознания он считал необходимымизучение философии, истории науки и эстетики.
В1850г. Максвелл поступил в Кембридж, где некогда работал Ньютон, а в 1854году с академической степенью закончил его.После этого по совету Вильяма Томсона он начал вести частные исследования вобласти электричества.
В 1855Максвелл стал членом совета Тринити-колледжа.
Перваябольшая работа Максвелла – «О фарадеевых силовых линиях» – появилась в 1855году. Больцман, через 14 лет издавший это сочинение на немецком языке в«Оствальдовских классиках», подчеркнул в своих примечаниях, что уже эта перваястатья Максвелла поразительно глубока по содержанию и дает представление о том,как планомерно подходил к работе молодой физик.
Больцмансчитал, что в области гносеологических вопросов естествознания влияниеМаксвелла было столь же определяющим, как и в теоретической физике. Всетенденции развития физики в последующие десятилетия были уже ясно обозначены впервой статье Максвелла и часто даже наглядно пояснялись теми же сравнениями.Они во многом совпадали со сформировавшимися позднее воззрениями Кирхгофа, Махаи Герца.
Уже вработе 1855 года Максвелл высказал мысль, которую он повторил в более позднихработах: силовые линии Фарадея следует представлять как тонкие трубочки спеременным сечением, по которым струится несжимаемая жидкость. Эту гидродинамическуюмодель электрического тока, исходящую из представлений Фарадея, Максвелл несчитал, однако, отражением действительности, она должна была служитьвспомогательным средством и облегчать новый подход к электродинамике путемприменения механической аналогии.
Нарядус изучением электродинамики молодой ученый занимался также экспериментальнымиисследованиями физиологии цветового зрения. Одними из первых его исследованийбыли работы по физиологии и физике цветного зрения и колориметрии (1852-72). В1861 году Максвелл впервые демонстрировал цветное изображение, полученное отодновременного проецирования на экран красного, зелёного и синего диапозитивов,доказав этим справедливость трёхкомпонентной теории цветного зрения иодновременно наметив пути создания цветной фотографии. Он создал один из первыхприборов для количественного измерения цвета, получившего название дискаМаксвелла.
Независимоот Гельмгольца, который в том же году в Кенигсберге сделал свой ставшийзнаменитым доклад «О зрении человека», Максвелл, который был моложе на десятьлет, искал ответ на те же вопросы и пришел к сходным результатам. В бытностьчленом совета Тринити-колледжа занимался экспериментами по теории цветов,выступая как продолжатель теории Юнга и теории трех основных цветовГельмгольца. В экспериментах по смешиванию цветов Максвелл применил особыйволчок, диск которого был разделен на секторы, окрашенные в разные цвета (дискМаксвелла). При быстром вращении волчка цвета сливались: если диск был закрашентак, как расположены цвета спектра, он казался белым; если одну его половинузакрашивали красным, а другую — желтым, он казался оранжевым; смешивание синегои желтого создавало впечатление зеленого. В 1860 за работы по восприятию цветаи оптике Максвелл был награжден медалью Румфорда.
Его цветной волчок вскоре уже использовалсяГельмгольцем при исследовании дальтоников, в ходе которых подтвердиласьправильность взглядов Максвелла.
Чтобыпоказать противникам теории близкодействия, что он знаком с учением о силахдальнодействия и математически владеет им, Максвелл исследовал особенно трудныйслучай притяжения масс – загадку колец Сатурна.
В 1857Кембриджский университет объявил конкурс на лучшую работу об устойчивости колецСатурна. Эти образования были открыты Галилеем в начале 17 в. Он наблюдал их врасплывчатой 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 спораисследователей; одни считали их твердыми, другие – жидкими. Лаплас доказал, чтоони не могут быть твердыми. Проведя математический анализ, Максвелл убедился,что они не могут быть и жидкими, и пришел к заключению, что подобная структураможет быть устойчивой только в том случае, если состоит из роя не связанныхмежду собой метеоритов. Устойчивость колец обеспечивается их притяжением кСатурну и взаимным движением планеты и метеоритов. За эту работу Максвеллполучил премию Дж. Адамса. Позднее спектроскопические исследования подтвердилиэто толкование.
Однойиз первых работ Максвелла стала его кинетическая теория газов. В 1859 ученыйвыступил на заседании Британской ассоциации с докладом, в котором привелраспределение молекул по скоростям (максвелловское распределение). Максвеллразвил представления своего предшественника в разработке кинетической теориигазов Р. Клаузиуса, который ввел понятие «средней длины свободного пробега».Максвелл исходил из представления о газе как об ансамбле множества идеальноупругих шариков, хаотически движущихся в замкнутом пространстве. Шарики(молекулы) можно разделить на группы по скоростям, при этом в стационарномсостоянии число молекул в каждой группе остается постоянным, хотя они могут выходитьиз групп и входить в них. Из такого рассмотрения следовало, что «частицыраспределяются по скоростям по такому же закону, по какому распределяютсяошибки наблюдений в теории метода наименьших квадратов, т. е. всоответствии со статистикой Гаусса». В рамках своей теории Максвелл объяснилзакон Авогадро, диффузию, теплопроводность, внутреннее трение (теорияпереноса). В 1867 показал статистическую природу второго начала термодинамики(«демон Максвелла»).
В 26лет способный молодой исследователь получил приглашение на должность профессорафизики в колледж в Абердине. Там он преподавал три года. Он не былбезукоризненным 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. Издесь опытного учителя предпочли творчески мыслящему исследователю. Максвеллнекоторое время провел в своем имении, но в том же году принял приглашение вЛондон.
Поокончании университета Максвелл решил посвятить себя науке и переехал в 1860 г.в Кембридж в Тринити колледж, где в продолжение 4 лет неустанно работал, изучаялюбимые науки; внимательное изучение работ Фарадея дало направление всей егодеятельности.
Развиваяидеи М. Фарадея, Максвелл создал теорию электромагнитного поля (уравненияМаксвелла).
Пятьлондонских лет (1860...1865) были самыми продуктивными в жизни ученого.Максвелл работал как экспериментатор и как теоретик одновременно во многихобластях. В учении о физиологии цвета он иногда экспериментировал вместе сГельмгольцем, с которым он познакомился во время его поездки в Англию в 1864году. «С одним старым берлинским другом, – писал Гельмгольц своей жене, – япоехал в Кенсингтон к профессору Максвеллу, физику Королевского колледжа, оченьострому математическому уму, который показал мне прекрасные аппараты дляисследований в области учения о цвете, отрасли, в которой я сам раньше работал;он пригласил коллегу-дальтоника, над которым мы проделали эксперименты».
Влондонские годы Максвелл значительно продвинулся в разработке механическойтеории теплоты, особенно кинетической теории газов. Этому содействовалиизучение им колец Сатурна и одна из появившихся в это время публикацийнемецкого физика Рудольфа Клаузиуса.
Еще вАбердине Максвелл сделал доклад по этому кругу вопросов и предложил ввести вкинетическую теорию газа вероятностное вычисление для определения скоростеймолекул. Он сумел показать, что различные скорости молекул газа распределенытак же – в соответствии с законом Гаусса, – как ошибки в наблюдениях, которыевкрадываются, когда одна и та же величина замеряется много раз при одинаковыхобстоятельствах. Закон распределения скоростей молекул газа был гениальноугадан Максвеллом. Этот закон стал основой статистической теории механики газови краеугольным камнем новой отрасли статистической физики. Впоследствии онабыла развита в первую очередь Больцманом.
ИзвестностьМаксвелла как ученого первоначально основывалась на математическом обоснованиикинетической теории газа, пока его электромагнитная теория света не началасвоего победного шествия по миру. Многие физики, например Джеймс Джонс, дажесчитали, что самым великим достижением Максвелла было исследование движениямолекул газа. Свобода мышления, характерная для всего его творчества,проявилась здесь особенно плодотворно.
Больцман,который наряду с Максвеллом глубочайшим образом вникал в анализ движениямолекул, сравнил максвелловскую кинетическую теорию газов с музыкальной драмой.«Как музыкант по первым тактам узнает Моцарта, Бетховена, Шуберта, – писал он внекрологе, посвященном Кирхгофу, – так математики по нескольким страницамразличают Коши, Гаусса, Якоби, Гельмгольца. Высочайшая элегантностьхарактеризует французов, величайшая драматическая сила – англичан, прежде всегоМаксвелла».
Однакотот же Больцман отмечает свойство великого англичанина, странным образомконтрастирующее с отмеченным выше драматизмом – «зачастую детски наивный языкМаксвелла, который вперемежку с формулами предлагает наилучший способ выведенияжировых пятен».
Клондонскому времени относятся основные исследования Максвелла в областиэлектромагнитной теории света.
Вработе «О физических силовых линиях», опубликованной четырьмя частями в 1861 и1862 годах в одном из журналов, он продолжил математическо-физическиеисследования силовых линий Фарадея, начатые им шесть лет назад, и привел их кпредварительному завершению. Максвелл пришел при этом к заключению, чтоэлектрические действия распространяются с конечной скоростью, соответствующейскорости света в пустом пространстве. Эта его работа уже содержит знаменитыеуравнения электромагнетизма, включая уравнения для движущихся тел.
В 1831,в год рождения Максвелла, М.Фарадей проводил классические эксперименты, которыепривели его к открытию электромагнитной индукции. Максвелл приступил кисследованию электричества и магнетизма примерно 20 лет спустя, когдасуществовали два взгляда на природу электрических и магнитных эффектов. Такиеученые, как А. М. Ампер и Ф.Нейман, придерживались концепции дальнодействия,рассматривая электромагнитные силы как аналог гравитационного притяжения междудвумя массами. Фарадей был приверженцем идеи силовых линий, которые соединяютположительный и отрицательный электрические заряды или северный и южный полюсымагнита. Силовые линии заполняют все окружающее пространство (поле, потерминологии Фарадея) и обусловливают электрические и магнитные взаимодействия.Следуя Фарадею, Максвелл разработал гидродинамическую модель силовых линий ивыразил известные тогда соотношения электродинамики на математическом языке,соответствующем механическим моделям Фарадея. Основные результаты этогоисследования отражены в работе «Фарадеевы силовые линии» (Faraday’s Lines ofForce, 1857). В 1860—1865 Максвелл создал теорию электромагнитного поля,которую сформулировал в виде системы уравнений (уравнения Максвелла),описывающих основные закономерности электромагнитных явлений: 1-е уравнениевыражало электромагнитную индукцию Фарадея; 2-е — магнитоэлектрическуюиндукцию, открытую Максвеллом и основанную на представлениях о токах смещения;3-е — закон сохранения количества электричества; 4-е — вихревой характермагнитного поля.
Продолжаяразвивать эти идеи, Максвелл пришел к выводу, что любые измененияэлектрического 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 магнитнойпроницаемости среды и равна отношению электромагнитной единицы кэлектростатической. По данным Максвелла и других исследователей, это отношениесоставляет 3Ч1010 см/с, что близко к скорости света, измеренной семью годамиранее французским физиком А.Физо. В октябре 1861 Максвелл сообщил Фарадею освоем открытии: свет — это электромагнитное возмущение, распространяющееся внепроводящей среде, т. е. разновидность электромагнитных волн. Этотзавершающий этап исследований изложен в работе Максвелла «Динамическая теорияэлектромагнитного поля» (Treatise on Electricity and Magnetism, 1864), а итогего работ по электродинамике подвел знаменитый Трактат об электричестве имагнетизме (1873).
В своихпояснениях к немецкому изданию этого сочинения в «Оствальдовских классиках»Больцман писал: «То впечатление, которое мы получаем, видя в первый раз имеющиедля всего нашего естественнонаучного мировоззрения революционизирующее значениеуравнения, увеличивается еще тем, что Максвелл не говорит ни слава об их роли,которую он, наверное, предполагал, даже если он не так ясно видел, как мы видимсейчас». Примечательна при этом скромная простота, «с которой Максвеллпоказывает, с каким трудом он постепенно пробирался вперед».
Вовремя своей лондонской профессуры Максвелл лично познакомился с Фарадеем,который уже читал его публикации и в письмах к нему высоко оценивал их. Нообщение с Фарадеем не могло более повлиять на его научное развитие. Максвеллеще студентом основательно проработал результаты исследований великогоэкспериментатора и ко времени встречи с 70-летним ученым имел уже сложившиесявоззрения на проблемы физики.
Так какМаксвелл не располагал институтом при высшей школе, он оборудовал лабораториюна чердаке своего дома в благоустроенном жилом квартале на западе Лондона. Егожена помогала ему в экспериментах. Максвелл был очень умелым и необычайнонаходчивым экспериментатором.
Из-заплохого состояния здоровья Максвелл в 1865 году был вынужден отказаться отпреподавания. Его родовое поместьеГленлэр в Шотландии позволяло ему полностью посвятить себя исследованиям вкачестве независимого, свободного от академических обязанностей ученого.
Шестьлет Максвелл провел в деревне. В это время он продолжал свои теоретические иэкспериментальные работы и подготавливал обширные труды, которые потом, в 70-егоды, стали выходить один за другим. Приглашение стать ректором старейшегошотландского университета в Сент-Эндрью он отклонил. Но все же Максвеллстановится университетским преподавателем в третий раз.
Кембриджскийуниверситет в 1871 году решает создать профессуру по экспериментальной физике иоборудовать учебную лабораторию. Два известнейших физика того времени не моглибыть привлечены. Вильям Томсон не хотел оставлять профессуру в Глазго, которуюон занимал в течение всей своей жизни, и, кроме того, он был так тесно связан соптической и электротехнической промышленностью города в качестве совладельцапредприятий, что вообще неохотно отлучался из Глазго, а Гельмгольц только чтопринял приглашение на место профессора физики в университете столицы Германии.
Руководствоуниверситета обратилось к 40-летнему частному ученому из Шотландии, и в концеконцов его удалось склонить принять новую кафедру.
Нарядус обязанностями лектора Максвелла ожидала большая организаторская работа. Новаялаборатория должна была быть построена и оборудована по его желаниям,предложениям и планам, в соответствии с мировым уровнем экспериментальнойфизики. При оборудовании Кавендишской лаборатории – она была названа по именимецената, который был дальним родственником гениального естествоиспытателяГенри Кавендиша, – нашли свое применение технические знания и практический опытМаксвелла, полученные им смолоду под руководством отца. Позднее везде, где былавозможность, он осматривал мастерские и фабрики.
Вначале,осуществляя свои планы, исследователь должен был преодолевать старыепредрассудки относительно учебного эксперимента. В письме к австрийскому физикуЛошмидту Максвелл с сожалением отмечал, что именно эти предрассудки повинны втом, что в Англии было недопустимо запущено обучение экспериментальной физике.Первая английская университетская лаборатория по физике была оборудована вГлазго Вильямом Томсоном только в 1846 году и долгое время оставаласьединственной в своем роде.
В этотпериод крупная английская буржуазия, для гарантии конкурентоспособности еетоваров на мировом рынке наряду с работающими в промышленности химиками, остронуждалась также и в физиках. Это обстоятельство помогло Максвеллу устранитьпрепятствия. Ему пригодились его большой организаторский талант идипломатическая тонкость в политических вопросах, касающихся науки. Кроме того,ученый создал на свои средства и передал лаборатории многие дорогостоящиенаучные приборы. После его смерти в собственность института перешла и его ценнаяколлекция книг.
Вступительнуюлекцию в качестве кавендишского профессора экспериментальной физики Максвеллчитал перед несколькими студентами. Он начертал в ней колоссальную программуфундаментальной перестройки преподавания физики в английской высшей школе. Онразвивал мысль о том, что применявшиеся методы препятствуют дальнейшемупрогрессу в изучении и преподавании физики. «Привычные принадлежности – перо,чернила и бумага – не будут достаточны, – говорил он, – и нам потребуетсябольшее пространство, чем пространство кафедры, и большая площадь, чемповерхность доски». Это была резкая отповедь «меловой» физике, которая тогдаеще господствовала в консервативных английских университетах.
Учебнуюлабораторию Максвелл рассматривал как «школу научной критики» и ставил передней задачу – стимулировать развитие учения о методах физики. Исследовательскаяработа должна как можно шире осуществляться коллективными усилиями. Максвеллапеллировал к модели совместного исследования, созданной Гумбольдтом, Гауссом иВебером с целью охватить весь мир рекогносцировкой земного магнетизма. В этойпервой в истории науки коллективной работе он видел основную форму и зародышбудущих естественнонаучных методов исследования.
Тогдаэто было лишь далекой целью. Только десятилетия спустя могла быть осуществленапланомерная совместная работа естествоиспытателей, которая сегодня являетсяпредпосылкой научно-технического прогресса. Сам Максвелл еще был гениальнымисследователем-одиночкой, как до него Фарадей и после него другие известныеученые, среди них Герц, Рентген» Планк и Эйнштейн.
Кавендишскаялаборатория положила в Англии начало традиции исследований в областиэкспериментальной физики. Это имело большое значение для дальнейшего развитиямеждународной экспериментальной физики, и особенно для подготовки атомноговека. После Максвелла ею руководили такие исследователи, как Рэлей, Дж. Дж. Томсон и Резерфорд, укрепившие иумножившие ее славу. Многие физики-атомщики в молодые годы совершенствовали вКавендишской лаборатории свое образование, в их числе Макс Борн, Нильс Бор, П.Л. Капица.
Завремя своей профессуры в Кембридже Максвелл опубликовал немало значительныхработ. В 1871 году появилась «Теория теплоты», в 1873 году вышел фундаментальныйдвухтомный учебник – «Трактат по электричеству и магнетизму». В этом трудеМаксвелл собрал и обобщил результаты своих исследований электромагнетизма. Вмаленькой работе «Субстанция и движение» (1876), которая была задумана каквведение в изучение физической науки, он в простейшей форме, не прибегая квысшей математике, сообщает читателю основы классической физики.
Начинаяс 1875 года Максвелл много времени и сил потратил на расшифровку и изданиеоставшихся рукописей Генри Кавендиша. Работам по теории электричества он уделялпри этом особое внимание.
Благодаряего склонности к занятиям историей естествознания по крайней мере частьнаучного архива великого английского естествоиспытателя второй половины XVIIIвека, который сам опубликовал лишь немногое, стала достоянием потомства.
Вотличие от Фарадея, который скептически относился к теории атома и искал способобойтись без помощи представления об атоме, Максвелл был открытым сторонникоматомизма. Одним из первых он предположил, что созданный Бунзеном и Кирхгофомспектральный анализ поможет сделать более точное заключение о внутреннемстроении атома – предсказание, оказавшееся верным.
Жизньэтого необычайно плодотворного исследователя, объединившего в себе гениальноготеоретика и изобретательного экспериментатора, оборвалась неожиданно быстро.Ученый не придавал значения небольшому расстройству пищеварения, приведшему ксерьезному заболеванию, от которого он скончался 5 ноября 1879 года на 49-мгоду жизни.
Планкговорил 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.
Еготеория электричества и света настолько опередила свое время и была такзаконченна, что полвека спустя Эйнштейн мог почти без изменений включить ее всвою теорию относительности.
Подобныхпримеров в мировой истории науки немного.
РаботыМаксвелла посвящены электродинамике, молекулярной физике, общей статистике,оптике, механике, теории упругости. Наиболее весомый вклад Максвелл сделал вмолекулярную физику и электродинамику. В кинетической теории газов, одним изоснователей 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 переносав общем виде, применив ее к процессам диффузии, теплопроводности и внутреннеготрения, ввел понятие релаксации. В 1867 году первый показал статистическуюприроду второго начала термодинамики («демон Максвелла»), в 1878 годуввел термин «статистическая механика».
Самымбольшим научным достижением Джеймса Максвелла является созданная им в 1860-1865годах теория электромагнитного поля, которую он сформулировал в виде системынескольких уравнений (уравнения Максвелла), выражающих все основные закономерностиэлектромагнитных явлений (первые дифференциальные уравнения поля были записаныМаксвеллом в 1855-1856 годах). В своей теории электромагнитного поля Максвеллиспользовал (1861) новое понятие — ток смещения, дал (1864) определениеэлектромагнитного поля и предсказал (1865) новый важный эффект: существование всвободном пространстве электромагнитного излучения (электромагнитных волн) иего распространение в пространстве со скоростью света. Последнее дало емуоснование считать (1865) свет одним из видов электромагнитного излучения (идеяэлектромагнитной природы света) и раскрыть связь между оптическими иэлектромагнитными явлениями. Максвелл теоретически вычислил давление света(1873), предсказал эффекты Стюарта-Толмена и Эйнштейна-де Гааза (1878), скин-эффект.
Ученыйтакже сформулировал теорему в теории упругости (теорема Максвелла), установилсоотношения между основными теплофизическими параметрами (термодинамическиесоотношения Максвелла), развивал теорию цветного зрения, исследовалустойчивость колец Сатурна, показав, что кольца не являются твердыми илижидкими, а представляют собой рой метеоритов. Максвелл сконструировал рядприборов. Он был известным популяризатором физических знаний. Опубликовалвпервые (1879) рукописи работ Генри Кавендиша
Висследованиях по электричеству и магнетизму (статьи «О фарадеевых силовыхлиниях», 1855-56 гг.; «О физических силовых линиях», 1861-62гг.; «Динамическая теория электромагнитного поля», 1864 г.;двухтомный фундаментальный «Трактат об электричестве и магнетизме»,1873 г.) Максвелл математически развил воззрения Майкла Фарадея на рольпромежуточной 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 электромагнитныхвзаимодействий является электромагнитное поле, теорию которого (в классическойфизике) Максвелл и создал. В этой теории Максвелл обобщил все известные к томувремени факты макроскопической электродинамики и впервые ввёл представление отоке смещения, порождающем магнитное поле подобно обычному току (токупроводимости, перемещающимся электрическим зарядам). Максвелл выразил законыэлектромагнитного поля в виде системы 4 дифференциальных уравнений в частныхпроизводных (уравнения Максвелла).
Общий и исчерпывающий характер этих уравнений проявился в том, что их анализпозволил предсказать многие неизвестные до того явления и закономерности.
Так, из них следовало существование электромагнитных волн, впоследствииэкспериментально открытых Г. Герцем. Исследуя эти уравнения, Максвелл пришёл квыводу об электромагнитной природе света (1865 г.) и показал, что скоростьлюбых 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 егоравенство скорости света. Из теории Максвелл вытекало, что электромагнитныеволны производят давление.
Давление света было экспериментально установлено в 1899 П. Н. Лебедевым.
Теория электромагнетизма Максвелл получила полное опытное подтверждение и сталаобщепризнанной классической основой современной физики. Роль этой теории яркоохарактеризовал А. Эйнштейн: "… тут произошел великий перелом, которыйнавсегда связан с именами Фарадея, Максвелла, Герца. Львиная доля в этой революциипринадлежит Максвеллу… После Максвелла физическая реальность мыслилась в виденепрерывных, не поддающихся механическому объяснению полей… Это изменениепонятия реальности является наиболее глубоким и плодотворным из тех, которыеиспытала 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 решилстатистическую задачу о распределении молекул идеального газа по скоростям(распределение Максвелла). Максвелл рассчитал зависимость вязкости газа отскорости и длины свободного пробега молекул (1860), вычислив абсолютнуювеличину последней, вывел ряд важных соотношений термодинамики (1860).Экспериментально измерил коэффициент вязкости сухого воздуха (1866). В 1873-74гг. Максвелл открыл явление двойного лучепреломления в потоке (эффектМаксвелла).
Максвелл был крупным популяризатором науки. Он написал ряд статей дляБританской энциклопедии, популярные книги — такие как «Теориятеплоты» (1870), «Материя и движение» (1873),«Электричество в элементарном изложении» (1881), переведённые нарусский язык. Важным вкладом в историю физики является опубликование Максвелломрукописей работ Г. Кавендиша по электричеству (1879) с обширными комментариями.
Учение об электромагнетизме и свете
Ссередины XIX столетия неустанно строился фундамент, на котором могло бытьвозведено здание физики XX века. При этом не обошлось без изменения проектов.Основные положения естественных наук либо утрачивали свою всеобщность, либоопровергались. Привычные убеждения, считавшиеся незыблемыми, рушились. Большечем когда-либо физика в эти десятилетия становилась, по словам Эйнштейна,«приключением познания».
Воглаве исследователей, которые, подобно архитекторам, решающим образомучаствовали в перестройке фундамента физики нашего времени и заново возвелиотдельные «этажи» здания, стоит Джеймс Клерк Максвелл, один из гениальнейшихмыслителей в истории развития физики до Эйнштейна, охвативший в своих исследованияхфизику во всех ее разделах.
ЗаслугиМаксвелла как исследователя относятся к областям физиологического учения оцвете, кинетической теории теплоты и электромагнитной теории света.
Одновременнос Гельмгольцем Максвелл исследовал законы цветового зрения. Как предшественникавстрийца Больцмана и американца Гиббса, он обосновал статистическое пониманиекинетической теории газа. Его величайшей заслугой, однако являетсяматематическая разработка нового учения о магнетизме, электричестве и свете. Егодостижения, по словам Планка, должны быть отнесены к «величайшим,изумительнейшим подвигам человеческого духа».
КогдаМаксвелл начинал свой путь физика, в сознании естествоиспытателей повсеместно инеколебимо царили законы ньютоновской механики. Все естественные явлениястарались объяснить с помощью простых механических законов движения впространстве.
Подъемфизики, связанный с открытием закона сохранения и превращения энергии,обеспечил в середине XIX века механистическому пониманию природы новую надежнуюподдержку. «Только механическое понимание является наукой», – заявлялберлинский физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон. Нечто подобное писал и Гельмгольц:«Конечная цель всего естествознания – раствориться в механике».
Программеэтого воззрения на природу, впервые изложенного в манускриптах Леонардо даВинчи, в трудах Галилея и философски обоснованного Декартом, законченную формупридал Ньютон в 1687 году в своем знаменитом произведении о математическихначалах учения о природе.
ПоНьютону, мир вещей мог быть механически описан посредством указания четырехвеличин: времени, пространства, момента массы и си