Эдинбург. 1831-1850 ……………………………………………………………..3

Детство и школьные годы

Первое открытие

Эдинбургский университет …………………………………………………….4

Кембридж. 1850-1856 ……………………………………………………………5

Занятия электричеством

Абердин. 1856-1860 ………………………………………………………………7 Трактат о кольцах Сатурна

Лондон – Гленлейр. 1860-1871 ………………………………………………….9

Первая цветная фотография

Теория вероятностей

Механическая модель Максвелла

Электромагнитные волны и электромагнитная теория света

Кембридж 1871-1879 ……………………………………………………………11

Кавендишская лаборатория

Мировое признание

Список использованной литературы ………………………………………..13

Эдинбург. 1831-1850

Детство и школьные годы

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

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

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

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

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

Первое открытие

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

Эдинбургский университет

Оптико-механические исследования

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

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

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

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

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

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

1850-1856 Кембридж

Занятия электричеством

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

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

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

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

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

Джеймс Кларк Максвелл прожил всего 48 лет, но его вклад в математику, физику и механику трудно переоценить. Сам Альберт Эйнштейн заявил, что теорией относительности он обязан уравнениям Максвелла для электромагниного поля.

В Эдинбурге на улице Индии есть дом, на стене которого висит мемориальная доска:
"Джеймс Кларк Максвелл
Естествоиспытатель
Родился здесь 13 июня 1831 года".

Будущий великий ученый принадлежал к старинной дворянской семье и большую часть детства провел в имении своего отца Миддлби, располагавшемся в Южной Шотландии. Он рос любопытным и активным ребенком, и уже тогда родные отмечали, что его любимые вопросы: "Как это сделать?" и "Как это происходит?".

Когда Джеймсу исполнилось десять, по решению семьи, он поступил в Эдинбургскую академию, где учился прилежно, хотя и не проявляя никаких особых талантов. Однако увлекшись геометрией, Максвелл изобрел новый способ рисования овалов. Содержание его работы, посвященной геометрии овальных кривых, было изложено в "Трудах Эдинбургского королевского общества" за 1846 год. Автору тогда исполнилось только четырнадцать лет. В шестнадцать Максвелл отправился в Эдинбургский университет, выбрав основными предметами физику и математику. Кроме того, он заинтересовался проблемами философии, прослушал курсы логики и метафизики.

Уже упомянутые "Труды Эдинбургского королевского общества" опубликовали еще два сочинения талантливого студента - о кривых качения и об упругих свойствах твердых тел. Последняя тема имела важное значение для строительной механики.

Проучившись в Эдинбурге, девятнадцатилетний Максвелл перебрался в Кембриджский университет, сначала в колледж Святого Петра, потом в более престижный колледж Святой Троицы. Изучение математики там было поставлено на более глубоком уровне, и требования к студентам заметно выше, чем в Эдинбурге. Несмотря на это, Максвеллу удалось показать второй результат на публичном трехступенчатом экзамене по математике на степень бакалавра.

В Кембридже Максвелл много общался с разными людьми, вступил в клуб апостолов, состоявший из 12 членов, объединенных широтой и оригинальностью мышления. Он участвовал в деятельности Рабочего колледжа, созданного для образования простых людей, читал там лекции.

Осенью 1855 года, когда Максвелл закончил учебу, его приняли в состав колледжа Святой Троицы и предложили остаться преподавать. Чуть позже он вошел в Эдинбургское королевское общество - национальное научное объединение Шотландии. В 1856 году Максвелл покинул Кембридж ради профессорского места в Маришальском колледже шотландского города Абердина.

Подружившись с директором колледжа преподобным Дэниэлом Дьюаром, Максвелл познакомился с его дочерью Кэтрин Мэри. Они объявили о помолвке в конце зимы 1858 года, а в июне обвенчались. По воспоминаниям биографа и друга ученого Льюиса Кэмпбелла, их брак оказался примером невероятной преданности. Известно, что Кэтрин помогала мужу в лабораторных исследованиях.

В целом, абердинский период был очень плодотворным в жизни Максвелла. Еще в Кембридже он занялся исследованием строения колец Сатурна, и в 1859 году в свет вышла его монография, где он доказывал, что они представляют собой твердые тела, вращающиеся вокруг планеты. Тогда же ученый написал статью "Пояснения к динамической теории газов", в которой вывел функцию, отражающую распределение молекул газа в зависимости от их скорости, впоследствии названную распределением Максвелла. Это был один из первых примеров статистических законов, которые описывают поведение не одного объекта или отдельной частицы, а поведение множества объектов или частиц. Придуманный исследователем позже "демон Максвелла" - мысленный эксперимент, в котором некое разумное бестелесное существо разделяет молекулы газа по скоростям, - продемонстрировал статистический характер второго закона термодинамики.

В 1860 году несколько колледжей объединили в Абердинский университет и часть кафедр упразднили. Под сокращение попал и молодой профессор Максвелл. Но он недолго оставался без работы, практически сразу его пригласили преподавать в Лондонский королевский колледж, где он пробыл последующие пять лет.

В том же году на собрании Британской ассоциации ученый прочел доклад о своих разработках, касающихся восприятия цвета, за которые позже получил медаль Румфорда от Лондонского королевского общества. Доказывая правоту собственной теории цвета, Максвелл предъявил на суд публики новинку, поразившую ее воображение, - цветную фотографию. До него никто не мог ее получить.

В 1861 году Максвелл получил назначение в Комитет по эталонам, созданный для того, чтобы определить главные электрические единицы.

Кроме того, Максвелл не отказался от исследований упругости твердых тел и за полученные результаты удостоился премии Кейта Эдинбургского королевского общества.

Работая в Лондонском королевском колледже, Максвелл завершил создание своей теории электромагнитного поля. Саму идею поля предложил знаменитый физик Майкл Фарадей, но его знаний не хватало, чтобы представить свое открытие на языке формул. Математическое описание электромагнитных полей стало главной научной проблемой для Максвелла. Опираясь на метод аналогий, благодаря которому было зафиксировано сходство между электрическим взаимодействием и теплопередачей в твердом теле, ученый перенес данные исследований теплоты на электричество и первым смог математически обосновать передачу электрического действия в среде.

1873 год ознаменовался выходом "Трактата об электричестве и магнетизме", чье значение сопоставимо со значением "Математических начал философии" Ньютона. С помощью уравнений Максвелл описал электромагнитные явления, сделал выводы о том, что существуют электромагнитные волны, что они распространяются со скоростью света и сам свет имеет электромагнитную природу.

"Трактат" издали, когда Максвелл уже два года (с 1871) занимал должность главы физической лаборатории Кембриджского университета, чье создание означало признание в ученом сообществе огромной важности экспериментального подхода к исследованиям.

Не менее значимой задачей Максвелл видел популяризацию науки. Для этого он писал статьи для энциклопедии "Британника", работы, где пытался на простом языке объяснить основные представления о материи, движении, электричестве, атомах и молекулах.

В 1879 году здоровье Максвелла сильно пошатнулось. Он знал, что тяжело болен, и его диагноз - рак. Понимая, что обречен, он мужественно переносил боли и спокойно встретил смерть, наступившую 5 ноября 1879 года.

Хотя труды Максвелла получили достойную оценку еще при жизни ученого, но их настоящая значимость стала понятна только годы спустя, когда в ХХ веке понятие поля надежно закрепилось в научном обиходе, а Альберт Эйнштейн заявил, что уравнения Максвелла для электромагнитного поля предшествовали его теории относительности.

Память ученого увековечена в названиях одного из строений Эдинбургского университета, главного корпуса и концертного холла Сэлфордского университета, Центра Джеймса Клерка Максвелла Эдинбургской академии. В Абердине и Кембридже можно найти улицы, названные в его честь. В Вестминстерском аббатстве есть мемориальная плита, посвященная Максвеллу, а посетители картинной галереи Абердинского университета могут увидеть бюст ученого. В 2008 году в Эдинбурге был установлен бронзовый памятник Максвеллу.

Множество организаций и наград также связаны с именем Максвелла. Физическая лаборатория, которой он руководил, учредила стипендию для самых способных аспирантов. Британский Институт физики вручает медаль и премию Максвелла молодым физикам, которые внесли значительный вклад в науку. В Университете Лондона есть должность максвелловского профессора и студенческое общество Максвелла. Созданный в 1977 году, Фонд Максвелла организует конференции по физике и математике.

Наряду с признанием Максвелл был назван самым известным шотландским ученым по итогам опроса 2006 года, всё это свидетельствует о той великой роли, которую он сыграл в истории науки.

13 июня 1831 года в Эдинбурге, в семье аристократа из старинного рода Клерков родился мальчик, названный Джеймсом. Отец его, Джон Клерк Максвелл, член адвокатской коллегии, имел университетское образование, но профессию свою не любил и увлекался в свободные часы техникой и наукой. Мать Джеймса, Фрэнсис Кей, была дочерью судьи. После рождения мальчика семья переехала в Миддлби, фамильное имение Максвеллов на юге Шотландии. Вскоре Джон построил там новый дом, получивший имя Гленлэр.

Детство будущего великого физика омрачилось лишь слишком ранней кончиной матери. Джеймс рос любознательным мальчиком и благодаря отцовским увлечениям был с детства окружен «техническими» игрушками, такими, как модель небесной сферы и «магический диск», предшественник кинематографа. Тем не менее, интересовался он и поэзией и даже сам писал стихи, кстати, не оставив это занятие до конца своих дней. Начальное образование дал Джеймсу отец - первого домашнего учителя наняли, только когда Джеймсу исполнилось десять лет. Правда, отец быстро понял, что подобное обучение вовсе неэффективно, и отправил сына в Эдинбург, к своей сестре Изабелле. Здесь Джеймс поступил в Эдинбургскую Академию, в которой детям давали чисто классическое образование - латынь, греческий, античная литература, Священное Писание и немножко математики. Учиться мальчику понравилось не сразу, но постепенно он стал лучшим в классе учеником и заинтересовался в первую очередь геометрией. В это время он изобрел собственный способ рисования овалов.

В шестнадцать лет Джеймс Максвелл закончил академию и поступил в университет Эдинбурга. Здесь он окончательно увлекся точными науками, и уже в 1850 году Эдинбургское королевское общество признало серьезными его труды по теории упругости. В этом же году отец Джеймса согласился, что сыну необходимо более престижное образование, и Джеймс уехал в Кембридж, где сначала учился в колледже Питерхаус, а на втором семестре перевелся в Тринити-колледж. Два года спустя Максвелл получил за свои успехи университетскую стипендию. Впрочем, в Кембридже он занимался наукой очень мало - больше читал, заводил новые знакомства и активно вращался в среде университетских интеллектуалов. В это время сформировались и его религиозные взгляды - безусловная вера в Бога и скептичность по отношению к теологии, которую Джеймс Максвелл ставил на последнее место среди прочих наук. В студенческие годы он стал также приверженцем так называемого «христианского социализма» и принял участие в работе «Рабочего колледжа», читая там популярные лекции.

В двадцать три года Джеймс сдал итоговый экзамен по математике, заняв в студенческом списке второе место. Получив степень бакалавра, он принял решение остаться в университете и готовиться к званию профессора. Он преподавал, продолжал сотрудничать с Рабочим колледжем и начал книгу об оптике, которую, правда, так и не закончил. Тогда же Максвелл создал экспериментальное шуточное исследование, вошедшее в фольклор Кембриджа. Целью этого исследования было «котоверчение» - Максвелл определял минимальную высоту, с которой кошка, падая, встает на лапки. Но основным интересом Джеймса была тогда теория цвета, взявшая начало от идеи Ньютона о существовании семи основных цветов. К тому же времени относится и его серьезное увлечение электричеством. Сразу после получения степени бакалавра Максвелл начал исследовать электричество и магнетизм. В вопросе о природе магнитных и электрических эффектов он принял позицию Майкла Фарадея, согласно которой силовые линии соединяют отрицательный и положительный заряды и заполняют окружающее пространство. Но были получены верные результаты и уже оформившейся и строгой наукой электродинамикой, а потому Максвелл задался вопросом построения теории, включавшей и представления Фарадея, и результаты электродинамики. Максвеллом была разработана гидродинамическая модель силовых линий, и ему же удалось впервые выразить на языке математики закономерности, открытые Фарадеем - в виде дифференциальных уравнений.

Осенью 1855 года Джеймс Максвелл, успешно сдав необходимый экзамен, стал членом университетского совета, что, кстати, подразумевало в то время принятие обета безбрачия. С началом нового семестра он приступил к чтению в колледже лекций по оптике и гидростатике. Однако зимой ему пришлось поехать в родное имение, чтобы перевезти в Эдинбург тяжело заболевшего отца. Вернувшись в Англию, Джеймс узнал, что в Абердинском Маришаль-колледже свободна вакансия преподавателя натуральной философии. Это место давало ему возможность быть ближе к отцу, да и перспектив в Кембридже Максвелл для себя не видел. В середине весны 1856 года он стал профессором в Абердине, но Джон Клерк Максвелл умер еще до назначения сына. Джеймс провел в родовом имении лето и в октябре уехал в Абердин.

Абердин был главным портом Шотландии, но вот многие кафедры его университета пребывали в печальной заброшенности. В первые же дни своей профессорской деятельности Джеймс Максвелл принялся исправлять это положение хотя бы на своей кафедре. Он работал над новыми методиками обучения и пытался заинтересовать студентов научной работой, но не преуспел в этом начинании. Лекции нового профессора, полные юмора и игры слов, касались весьма сложных вещей, и сей факт отпугивал большинство учеников, привыкших к популярности изложения, отсутствию демонстраций и пренебрежению математикой. Из восьми десятков студентов Максвелл сумел научить лишь несколько человек, действительно хотевших учиться.

В Абердине Максвелл устроил и свою личную жизнь - летом 1858 года он женился на младшей дочери директора колледжа Маришаль, Кэтрин Дьюар. Немедленно после венчания Джеймса исключили из совета Тринити-колледжа, как нарушившего обет безбрачия.

Еще в 1855 году Кембридж предложил на соискание престижной премии Адамса работу по исследованию колец Сатурна, и именно Джеймс Максвелл в 1857 стал обладателем премии. Но премией он не удовольствовался и продолжал разрабатывать тему, в итоге издав в 1859 году трактат «On the stability of the motion of Saturn’s rings», мгновенно получивший признание среди ученых. О трактате сказали, что это - самое блестящее из существующих применение математики к физике. Во время профессорства в Абердинском колледже Максвелл занимался также темой преломления света, геометрической оптикой и, главное, кинетической теорией газов. В 1860 году им была построена первая статистическая модель микропроцессов, ставшая основой для развития статистической механики.

Профессорская должность в Абердинском университете вполне устраивала Максвелла - колледж требовал его присутствия лишь с октября до мая, а остальное время ученого было совершенно свободно. В колледже царила атмосфера свободы, профессора не имели жестких обязанностей, а кроме того, каждую неделю Максвелл читал в научной школе Абердина платные лекции для механиков и ремесленников, обучением которых всегда интересовался. Это замечательное положение дел изменилось в 1859 году, когда постановили объединить два колледжа университета, и должность профессора кафедры натуральной философии была упразднена. Максвелл попытался получить ту же должность в Эдинбургском университете, но пост достался по конкурсу его старому другу Питеру Тэту. В июне 1860 года Джеймсу предложили профессорство на кафедре натуральной философии в столичном Кингз-колледже. В том же месяце он сделал доклад о своих исследованиях теории цвета и вскоре был награжден медалью Румфорда за работы в области оптики и смешения цветов. Однако все оставшееся время до начала семестра он провел в Гленлэре, родовом имении - и не в научных занятиях, а тяжело болея оспой.

Быть профессором в Лондоне оказалось куда менее приятно, чем в Абердине. В Кингз-колледже были великолепно оснащенный физические лаборатории и почиталась экспериментальная наука, но и студентов обучалось гораздо больше. Работа оставляла Максвеллу время лишь на домашние эксперименты. Тем не менее, в 1861 году его включили в Комитет по эталонам, перед которым стояла задача определения основных единиц электричества. Два года спустя были опубликованы итоги тщательных измерений, в 1881 году послужившие основанием для принятия вольта, ампера и ома. Продолжал Максвелл и работы по теории упругости, создал теорему Максвелла, рассматривающую напряжение в фермах методами графостатики, занимался анализом условий равновесия у сферических оболочек. За эти и другие работы, имевшие существенное практическое значение, он получил премию Кейта от королевского общества Эдинбурга. В мае 1861 года, читая лекцию о теории цвета, Максвелл представил весьма убедительное доказательство своей правоты. Это была первая в мире цветная фотография.

Но самым великим вкладом Джеймса Максвелла в физику явилось открытие тока. Придя к выводу, что электрический ток имеет поступательную природу, а магнетизм - вихревую, Максвелл создал новую модель - чисто механическую, согласно которой «молекулярные вихри производят», вращаясь, магнитное поле, а «холостые передаточные колеса» обеспечивают их одностороннее вращение. Формирование электрического тока обеспечивалось поступательным движением передаточных колес (по Максвеллу - «частичек электричества»), а магнитное поле, будучи направленным вдоль оси вихревого вращения, оказывалось перпендикулярно направлению тока. Это выразилось в «правиле буравчика», которое обосновал Максвелл. Благодаря своей модели он сумел не только наглядно проиллюстрировать явление электромагнитной индукции и вихревой характер поля, которое порождает ток, но и доказать, что изменения в электрическом поле, названные током смещения, приводят к возникновению поля магнитного. Ну а ток смещения дал представление о существовании незамкнутых токов. В своей статье «On physical lines of force» (1861-1862 гг.) Максвелл изложил данные результаты, а также отметил сходство свойств вихревой среды со свойствами светоносного эфира - и это был серьезный шаг к возникновению электромагнитной теории света.

Статья Максвелла о динамической теории электромагнитного поля вышла в 1864 году, и в ней механическую модель сменили «уравнения Максвелла» - математическая формулировка уравнений поля - а само поле впервые трактовалось в качестве реальной физически системы, имеющей определенную энергию. В этой статье он предсказал и существование не только магнитных, но и электромагнитных волн. Параллельно изучению электромагнетизма Максвелл провел несколько экспериментов, проверяя свои результаты в кинетической теории. Сконструировав прибор, определяющий вязкость воздуха, он убедился, что коэффициент внутреннего трения действительно не зависит от плотности.

В 1865 году Максвелл окончательно устал от своей педагогической деятельности. Неудивительно - лекции его были слишком сложны, чтобы еще и поддерживать на них дисциплину, да и научная работа, в отличие от преподавания, занимала все его мысли. Решение было принято, и ученый переехал в родной Гленлэр. Почти сразу после переезда он получил травму на конной прогулке и заболел рожистым воспалением. Выздоровев, Джеймс активно взялся за хозяйство, перестраивая и расширяя свое имение. Однако и о студентах не забывал - регулярно ездил в Лондон и в Кембридж принимать экзамены. Именно он добился введения в экзамены вопросов и задач прикладного характера. В начале 1867 года врач посоветовал часто болевшей жене Максвелла лечение в Италии, и всю весну Максвеллы провели во Флоренции и Риме. Здесь ученый встречался с профессором Маттеучи, итальянским физиком, и практиковался в иностранных языках. Кстати, Максвелл неплохо владел латинским, итальянским, греческим, немецким и французским. На родину Максвеллы возвращались через Германию, Голландию и Францию.

В том же году Максвелл сочинил стихотворение, посвященное Питеру Тэту. Шуточная ода называлась «Главному музыканту по игре на набла» и оказалась настолько успешной, что закрепила в науке новый термин «набла», произошедший от названия древнеассирийского музыкального инструмента и обозначающий символ векторного дифференциального оператора. Заметим, что своему другу Тэту, представившему вместе с Томсоном второе начало термодинамики как JCM = dp/dt, Максвелл обязан собственным псевдонимом, которым подписывал стихи и письма. Левая часть формулы совпала с инициалами Джеймса, а потому он решил использовать в качестве подписи правую - dp/dt.

В 1868 году Максвеллу предложили пост ректора в университете Сент-Эндрюс, но ученый отказался, не желая менять свой уединенный образ жизни в Гленлэре. Лишь через три года он после длительных раздумий возглавил только что открывшуюся в Кембридже физическую лабораторию и, соответственно, стал профессором экспериментальной физики. Согласившись на этот пост, Максвелл сразу принялся налаживать строительные работы и оснащать лабораторию (сначала собственными приборами). В Кембридже он стал читать курсы электричества, теплоты и магнетизма.

В том же 1871 году был опубликован учебник Максвелла «Theory of Heat» («Теория теплоты»), впоследствии неоднократно переизданный. В последней главе книги содержались основные постулаты молекулярно-кинетической теории и статистические идеи Максвелла. Здесь же он опроверг второе начало термодинамики, сформулированное Клаузиусом и Томсоном. В этой формулировке предсказывалась «тепловая смерть Вселенной» - чисто механическая точка зрения. Максвелл утверждал статистический характер пресловутого «второго начала», которое по его убеждению может нарушаться лишь отдельными молекулами, оставаясь справедливым в случае больших совокупностей. Это положение он проиллюстрировал парадоксом, названным «демоном Максвелла». Парадокс заключается в способности «демона» (управляющей системы) уменьшать энтропию этой системы, не затрачивая работу. Парадокс этот разрешили в двадцатом веке, указав на роль, которую играют в управляющем элементе флуктуации, и доказав, что когда «демон» получает информацию о молекулах, это повышает энтропию, а потому нарушения второго начала термодинамики не происходит.

Два года спустя увидел свет двухтомник Максвелла, названный «Трактат о магнетизме и электричестве». В нем содержались уравнения Максвелла, следствием которых стало открытие Герцем электромагнитных волн (1887 год). В трактате также была доказана электромагнитная природа света и предсказан эффект давления света. На основе этой теории Максвелл объяснил и влияние магнитного поля на распространение света. Однако сей фундаментальный труд весьма прохладно приняли корифеи науки - Стокс, Томсон, Эйри, Тэт. Особенно сложной для понимания оказалась концепция пресловутого тока смещения, существующего по Максвеллу даже в эфире, то есть в отсутствие материи. Кроме того, сильно мешал восприятию и стиль Максвелла, порой очень сумбурный в изложении.

Лаборатория в Кембридже, названная в честь Генри Кавендиша, открылась в июне 1874 года, и герцог Девонширский торжественно передал Джеймсу Максвеллу рукописи Кавендиша. В течение пяти лет Максвелл изучал наследие этого ученого, воспроизводил в лаборатории его опыты и в 1879 году выпустил под своей редакцией собрание сочинений Кавендиша, состоявшее из двух томов.

Около десяти последних лет своей жизни Максвелл занимался популяризацией науки. В своих книгах, написанных именно с этой целью, он более свободно излагал свои идеи и взгляды, делился с читателем сомнениями и говорил о проблемах, в то время еще не разрешимых. В Кавендишской лаборатории он продолжал разрабатывать совершенно конкретные вопросы, касающиеся молекулярной физики. Две его последние работы вышли в 1879 году - о теории разреженных неоднородных газов и о распределении газа под воздействием центробежных сил. Множество обязанностей он исполнял и в университете - состоял в совете университетского сената, в комиссии по реформированию математического экзамена, побывал на посту президента философского общества. В семидесятые годы у него появились ученики, среди которых были будущие известные ученые Джордж Кристалл, Артур Шустер, Ричард Глэйзбург, Джон Пойнтинг, Амброз Флеминг. И ученики, и сотрудники Максвелла отмечали его сосредоточенность, простоту общения, проницательность, утонченный сарказм и полное отсутствие честолюбия.

Зимой 1877 года у Максвелла появились первые симптомы погубившей его болезни, и через два года врачи определили у него рак. Великий ученый скончался в Кембридже 5 ноября 1879 года, в возрасте сорока восьми лет. Тело Максвелла перевезли в Гленлэр и похоронили неподалеку от имения, на скромном кладбище в деревушке Партон.

Роль Джеймса Клерка Максвелла в науке не сумели оценить по достоинству его современники, но важность его работ оказалась несомненной для следующего века. Ричард Фейман, американский физик, сказал, что открытие законов электродинамики - самое значительное событие девятнадцатого столетия, на фоне которого меркнет гражданская война в Соединенных Штатах, произошедшая в то же время…

МАКСВЕЛЛ (Maxwell ) Джеймс Клерк (Clerk ) (1831-79), английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики, организатор и первый директор (с 1871) Кавендишской лаборатории. Развивая идеи М. Фарадея, создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла); ввел понятие о токе смещения, предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул идею электромагнитной природы света. Установил статистическое распределение, названное его именем. Исследовал вязкость, диффузию и теплопроводность газов. Показал, что кольца Сатурна состоят из отдельных тел. Труды по цветному зрению и колориметрии (диск Максвелла), оптике (эффект Максвелла), теории упругости (теорема Максвелла, диаграмма Максвелла - Кремоны), термодинамике, истории физики и др.

МАКСВЕЛЛ (Maxwell ) Джеймс Клерк (13 июня 1831, Эдинбург, - 5 ноября 1879, Кембридж), английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики, основатель одного из крупнейших мировых научных центров конца 19 - нач. 20 вв. - Кавендишской лаборатории; создал теорию электромагнитного поля, предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул идею электромагнитной природы света, установил первый статистический закон - закон распределения молекул по скоростям, названный его именем.

Семья. Годы учения

Максвелл был единственным сыном шотландского дворянина и адвоката Джона Клерка, который, получив в наследство поместье жены родственника, урожденной Максвелл, прибавил это имя к своей фамилии. После рождения сына семья переехала в Южную Шотландию, в собственное поместье Гленлэр ("Приют в долине"), где и прошло детство мальчика. В 1841 отец отправил Джеймса в школу, которая называлась "Эдинбургская академия". Здесь в 15 лет Максвелл написал свою первую научную статью "О черчении овалов". В 1847 он поступил в Эдинбургский университет, где проучился три года, и в 1850 перешел в Кембриджский университет, который окончил в 1854. К этому времени Максвелл был первоклассным математиком с великолепно развитой интуицией физика.

Создание Кавендишской лаборатории. Преподавательская работа

По окончании университета Максвелл был оставлен в Кембридже для педагогической работы. В 1856 он получил место профессора Маришал-колледжа в Абердинском университете (Шотландия). В 1860 избран членом Лондонского королевского общества. В том же году переехал в Лондон, приняв предложение занять пост руководителя кафедры физики в Кинг-колледже Лондонского университета, где работал до 1865.

Вернувшись в 1871 в Кембриджский университет, Максвелл организовал и возглавил первую в Великобритании специально оборудованную лабораторию для физических экспериментов, известную как Кавендишская лаборатория (по имени английского ученого Г. Кавендиша). Становлению этой лаборатории, которая на рубеже 19-20 вв. превратилась в один из крупнейших центров мировой науки, Максвелл посвятил последние годы своей жизни.

Фактов из жизни Максвелла известно немного. Застенчивый, скромный, он стремился жить уединенно; дневников не вел. В 1858 Максвелл женился, но семейная жизнь, видимо, сложилась неудачно, обострила его нелюдимость, отдалила от прежних друзей. Существует предположение, что многие важные материалы о жизни Максвелла погибли во время пожара 1929 в его гленлэрском доме, через 50 лет после его смерти. Он умер от рака в возрасте 48 лет.

Научная деятельность

Необычайно широкая сфера научных интересов Максвелла охватывала теорию электромагнитных явлений, кинетическую теорию газов, оптику, теорию упругости и многое другое. Одними из первых его работ были исследования по физиологии и физике цветного зрения и колориметрии, начатые в 1852. В 1861 Максвелл впервые получил цветное изображение, спроецировав на экран одновременно красный, зеленый и синий диапозитивы. Этим была доказана справедливость трехкомпонентной теории зрения и намечены пути создания цветной фотографии. В работах 1857-59 Максвелл теоретически исследовал устойчивость колец Сатурна и показал, что кольца Сатурна могут быть устойчивы лишь в том случае, если состоят из не связанных между собой частиц (тел).

В 1855 Максвелл приступил к циклу своих основных работ по электродинамике. Были опубликованы статьи "О фарадеевых силовых линиях" (1855-56), "О физических силовых линиях" (1861-62), "Динамическая теория электромагнитного поля" (1869). Исследования были завершены выходом в свет двухтомной монографии "Трактат об электричестве и магнетизме" (1873).

Создание теории электромагнитного поля

Когда Максвелл в 1855 начал исследования электрических и магнитных явлений, многие из них уже были хорошо изучены: в частности, установлены законы взаимодействия неподвижных электрических зарядов (закон Кулона) и токов (закон Ампера); доказано, что магнитные взаимодействия есть взаимодействия движущихся электрических зарядов. Большинство ученых того времени считало, что взаимодействие передается мгновенно, непосредственно через пустоту (теория дальнодействия).

Решительный поворот к теории близкодействия был сделан М. Фарадеем в 30-е гг. 19 в. Согласно идеям Фарадея, электрический заряд создает в окружающем пространстве электрическое поле. Поле одного заряда действует на другой, и наоборот. Взаимодействие токов осуществляется посредством магнитного поля. Распределение электрических и магнитных полей в пространстве Фарадей описывал с помощью силовых линий, которые по его представлению напоминают обычные упругие линии в гипотетической среде - мировом эфире.

Максвелл полностью воспринял идеи Фарадея о существовании электромагнитного поля, то есть о реальности процессов в пространстве возле зарядов и токов. Он считал, что тело не может действовать там, где его нет.

Первое, что сделал Максвелл - придал идеям Фарадея строгую математическую форму, столь необходимую в физике. Выяснилось, что с введением понятия поля законы Кулона и Ампера стали выражаться наиболее полно, глубоко и изящно. В явлении электромагнитной индукции Максвелл усмотрел новое свойство полей: переменное магнитное поле порождает в пустом пространстве электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (так называемое вихревое электрическое поле).

Следующий, и последний, шаг в открытии основных свойств электромагнитного поля был сделан Максвеллом без какой-либо опоры на эксперимент. Им была высказана гениальная догадка о том, что переменное электрическое поле порождает магнитное поле, как и обычный электрический ток (гипотеза о токе смещения). К 1869 все основные закономерности поведения электромагнитного поля были установлены и сформулированы в виде системы четырех уравнений, получивших название Максвелла уравнений.

Из уравнений Максвелла следовал фундаментальный вывод: конечность скорости распространения электромагнитных взаимодействий. Это главное, что отличает теорию близкодействия от теории дальнодействия. Скорость оказалась равной скорости света в вакууме: 300000 км/с. Отсюда Максвелл сделал заключение, что свет есть форма электромагнитных волн.

Работы по молекулярно-кинетической теории газов

Чрезвычайно велика роль Максвелла в разработке и становлении молекулярно-кинетической теории (современное название - статистическая механика). Максвелл первым высказал утверждение о статистическом характере законов природы. В 1866 им открыт первый статистический закон - закон распределения молекул по скоростям (Максвелла распределение). Кроме того, он рассчитал значения вязкости газов в зависимости от скоростей и длины свободного пробега молекул, вывел ряд соотношений термодинамики.

Максвелл был блестящим популяризатором науки. Он написал ряд статей для Британской энциклопедии и популярные книги: "Теория теплоты" (1870), "Материя и движение" (1873), "Электричество в элементарном изложении" (1881), которые были переведены на русский язык; читал лекции и доклады на физические темы для широкой аудитории. Максвелл проявлял также большой интерес к истории науки. В 1879 он опубликовал труды Г. Кавендиша по электричеству, снабдив их обширными комментариями.

Оценка работ Максвелла

Работы ученого не были по достоинству оценены его современниками. Идеи о существовании электромагнитного поля казались произвольными и неплодотворными. Только после того, как Г. Герц в 1886-89 экспериментально доказал существование электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом, его теория получила всеобщее признание. Произошло это спустя десять лет после смерти Максвелла.

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. Впрочем, сам Максвелл вряд ли отчетливо это сознавал и первое время пытался строить механические модели электромагнитных явлений.

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 19 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".

Максвелл похоронен не в усыпальнице великих людей Англии - Вестминстерском аббатстве, - а в скромной могиле рядом с его любимой церковью в шотландской деревушке, недалеко от родового поместья.

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).