Джеймс Клерк Максвелл

Джеймс Клерк Максвелл (1831-79) — английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики, организатор и первый директор (с 1871) Кавендишской лаборатории, предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул идею электромагнитной природы света, установил первый статистический закон — закон распределения молекул по скоростям, названный его именем.

Развивая идеи Майкла 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. Максвелл 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.

Семья. Годы учения

Джеймс Максвелл родился 13 июня 1831, в Эдинбурге.  Он 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 Джеймс Максвелл был первоклассным математиком с великолепно развитой интуицией физика.

Создание Кавендишской лаборатории. Преподавательская работа

По окончании университета Джеймс 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 года.

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 Генри Кавендиша). Становлению этой лаборатории, которая на рубеже 19-20 вв. превратилась в один из крупнейших центров мировой науки, Максвелл посвятил последние годы своей жизни.

Вообще фактов из жизни Максвелла известно немного. Застенчивый, скромный, он стремился жить уединенно и не вел дневников. В 1858 Джеймс 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 Джеймс 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 Д. 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 Джеймс 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 Майклом 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 Д.К. 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.

Уравнения Максвелла — основные уравнения классической макроскопической электродинамики, описывающие электромагнитные явления в произвольных средах и в вакууме. Уравнения Максвелла получены Дж. К. Максвеллом в 60-х гг. 19 в. в результате обобщения найденных из опыта законов электрических и магнитных явлений.

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 Джеймса Максвелла в разработке и становлении молекулярно-кинетической теории (современное название — статистическая механика). Максвелл первым высказал утверждение о статистическом характере законов природы. В 1866 им был 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.

Распределение Максвелла — распределение по скоростям молекул системы в состоянии термодинамического равновесия (при условии, что поступательное движение молекул описывается законами классической механики). Установлено Дж. К. Максвеллом в 1859.

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 Генрих 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 Ричард 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».

Джеймс Максвелл скончался 5 ноября 1879, Кембридж. Он 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.