Научные открытия XIX века

(1831-1879) английский физик, создатель теории электромагнитного поля

Джеймс Клерк Максвелл родился в 1831 году в состоятельной дворянской семье, принадлежавшей к знатному и старинному шотландскому роду Клерков. Его отец Джон Клерк, принявший фамилию Максвелл, был юристом. Он проявлял большой интерес к естествознанию, был человеком с разносторонними культурными интересами, путешественником, изобретателем и ученым. Детство Джеймса прошло в Гленлэре - живописном уголке, расположенном в нескольких милях от залива Ирландского моря.

Джеймс очень любил переделывать вещи, улучшая их конструкцию, мастерить, рисовать, умел вязать и вышивать. Его природная любознательность и склонность к уединенным размышлениям находили полное понимание у его родных и особенно у отца. Дружбу с отцом Джеймс пронес через всю жизнь, и, став взрослым, он скажет, что величайшая удача в жизни - иметь добрых и мудрых родителей. Мальчик рано потерял мать: в 1839 году она умерла, не перенеся тяжелой операции.

В 1841 году в возрасте 10 лет Джеймс поступает в Эдинбургскую академию - среднее учебное заведение типа классической гимназии. До пятого класса он учился без особого интереса, много болел. В пятом классе мальчик увлекся геометрией, начал мастерить модели геометрических тел и придумывать свои методы решения задач. В 1846 году, когда ему не было и 15 лет, он написал свою первую научную работу - «О черчении овалов и об овалах со многими фокусами», напечатанную впоследствии в трудах Эдинбургского королевского общества. Этой юношеской работой открывается двухтомное собрание научных статей Максвелла.

В 1847 году, не закончив гимназии, он поступил в Эдинбургский университет. К этому времени Джеймс увлекся опытами по оптике, химии, магнетизму, много занимался физикой и математикой. В 1850 году он выступил перед членами Королевского общества с докладом «О равновесии упругих тел», в котором доказал известную теорему, названную «теоремой Максвелла».

В 1850 году Джеймс перевелся в Кембриджский университет, в знаменитый Тринити-колледж, где в свое время учился Исаак Ньютон. Важную роль в формировании научного мировоззрения молодого человека сыграло его общение с учеными колледжа, в первую очередь с Джорджем Сто-ксом и Уильямом Томсоном (Кельвином). Кропотливое изучение работ Майкла Фарадея по электричеству указало путь его собственным дальнейшим исследованиям.

В 1854 году Максвелл закончил Кембриджский университет, получив вторую награду - премию Смита, присуждавшуюся за победу на труднейшем математическом экзамене. Первую награду он уступил Раусу - будущему известному механику и математику. Сразу же после окончания университета началась его преподавательская деятельность в Тринити-колледже. Максвелл читает лекции по гидравлике и оптике, занимается исследованиями по теории цвета. В 1855 году он посылает в Эдинбургское королевское общество доклад «Опыты по цвету», разрабатывает теорию цветного зрения. Как свидетельствовали современники, Джеймс Максвелл не был блестящим преподавателем, но относился к своим педагогическим обязанностям очень добросовестно. Его истинной страстью были научные исследования.

К этому времени у него пробудился интерес к проблемам электричества и магнетизма, и в 1855-1856 годах он закончил свою первую работу в этой области - «О фарадеевых силовых линиях». В ней уже намечаются основные черты его будущего великого труда. С 1855 года ученый состоит в Эдинбургском королевском обществе.

В 1856 году профессор Дж. Максвелл едет работать на кафедру натурфилософии Абердинского университета в Шотландии, где остается до 1860 года. В 1857 году он посылает свою статью по электромагнетизму Майклу Фарадею, очень тронувшую того. Фарадей поразился силе таланта молодого ученого. В этот период Максвелл параллельно с проблемами электромагнетизма занимается решением научных вопросов и в других областях. Он принимает участие в конкурсе Кембриджского университета, посвященном устойчивости колец Сатурна, и представляет на конкурс работу «Об устойчивости колец Сатурна», в которой показывает, что кольца не являются твердыми или жидкими, а представляют собой рой метеоритов. Эти работа была названа одним из замечательных приложений математики, а ученый получил почетную премию Адамса.

Джеймс Максвелл является одним из создателей кинетической теории газов. В 1859 году он установил статистический закон распределения молекул газа, находящегося в состоянии теплового равновесия, по скоростям, получивший название распределения Максвелла.

С 1860 по 1865 год Максвелл является профессором физики Кинге-Колледжа в Лондонском университете. Здесь он впервые встретился со своим кумиром - Майклом Фарадеем, который был уже стар и болен.

Избрание Дж. Максвелла в 1861 году членом Королевского общества в Лондоне стало признанием важности его научных трудов, среди которых следует отметить две важные статьи по электромагнетизму: «О физических силовых линиях» (1861-1862) и «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864-1865). В последней работе изложена теория электромагнитного поля, которую он сформулировал в виде системы нескольких уравнений - уравнений Максвелла, выражающих все основные закономерности электромагнитных явлений. Также в ней дается представление о свете как электромагнитных волнах.

1 еория электромагнитного поля является самым большим научным достижением Джеймса Максвелла, она ознаменовала собой начало нового этапа в физике. Большинство ученых исключительно высоко оценили теорию Максвелла, ставшего одним из ведущих физиков мира.

В 1865 году во время верховой езды с ним произошел несчастный случай. Перенеся тяжелое заболевание, он оставил кафедру в Лондонском университете и переехал в родной Гленлэр, в свое поместье, где на протяжении шести лет (до 1871 года) продолжал исследования по теории электромагнетизма и теплоты. Результаты его работы были опубликованы в 1871 году в труде «Теория теплоты».

В 1871 году на средства потомка известного английского ученого XVIII века Генри Кавендиша - герцога Кавенди-ша - была учреждена кафедра экспериментальной физики в Кембриджском университете, первым профессором которой был приглашен Максвелл. Вместе с кафедрой он принял и лабораторию, строительство которой только что началось под его наблюдением и руководством. Это была будущая знаменитая Кавендишская лаборатория - научный и исследовательский центр, прославившийся впоследствии на весь мир. 16 июня 1874 года состоялось торжественное открытие Кавендишской лаборатории, которую Максвелл возглавлял до конца своей жизни. Впоследствии ее возглавляли Дж. Рэлей, Д. Д. Гомсон, Э. Резерфорд, У. Брэгг.

Джеймс Максвелл был прекрасным руководителем лаборатории и имел непререкаемый авторитет среди сотрудников. Он отличался большой простотой, мягкостью и искренностью в общении с людьми, всегда был принципиален и активен, ценил и любил юмор.

В Кавендише Максвелл вел большую научную и педагогическую работу. В 1873 году выходит в свет его «Трактат об электричестве и магнетизме», подводящий итог его исследованиям в этой области и ставший вершиной его научного творчества. Восемь лет он отдал «Трактату», а последние пять лет жизни посвятил обработке и изданию неопубликованных трудов Генри Кавендиша, в честь которого была названа лаборатория. Два больших тома работ Кавендиша со своими комментариями Максвелл опубликовал в 1879 году.

Он никогда не проявлял себялюбия и обидчивости, не стремился к славе и всегда спокойно принимал критику в свой адрес. Его спутниками всегда были самообладание и выдержка. Даже когда он тяжело заболел и испытывал мучительные боли, он оставался уравновешенным и спокойным. Ученый мужественно встретил слова врача о том, что ему осталось жить не более месяца.

Джеймс Клерк Максвелл скончался 5 ноября 1879 года от рака в возрасте сорока восьми лет. Врач, лечивший его, пишет в своих воспоминаниях, что Джеймс мужественно переносил болезнь. Он испытывал невероятные боли, но никто из окружающих даже не догадывался об этом. До самой смерти он мыслил четко и ясно, прекрасно сознавая близкую кончину и сохраняя полное спокойствие.

Важнейшим фактором изменений облика мира является расширение горизонтов научных знаний. Ключевой особенностью в развитии науки этого периода времени является широкое применение электричества во всех отраслях производства. И люди уже не могли отказаться от использования электричества, ощутив его существенные преимущества. В это время ученые начали плотно изучать электромагнитные волны и их влияние на различные материалы.

Большим достижением науки XIX в. была выдвинутая английским ученым Д. Максвеллом электромагнитная теория света (1865 г.), которая обобщила исследования и теоретические выводы многих физиков разных стран в отраслях электромагнетизма, термодинамики и оптики.

Максвелл хорошо известен тем, что сформулировал четыре уравнения, которые явились выражением основных законов электричества и магнетизма. Эти две области широко исследовались до Максвелла на протяжении многих лет, и было хорошо известно, что они взаимосвязаны. Однако хотя уже были открыты различные законы электричества и они были истинными для специфических условий, до Максвелла не существовало ни одной общей и единообразной теории.

Д. Максвелл пришел к мысли о единстве и взаимосвязь электрических и магнитных полей, создал на этой основе теорию электромагнитного поля, согласно которой, возникнув в любой точке пространства, электромагнитное поле распространяться в нем со скоростью, равной скорости света. Таким образом он установил связь световых явлений с электромагнетизмом.

В своих четырех уравнениях, коротких, но довольно сложных, Максвелл сумел точно описать поведение и взаимодействие электрических и магнитных полей. Тем самым он трансформировал это сложное явление в единую, доступную для понимания теорию. Уравнения Максвелла находили широкое применение в прошлом веке как в теоретических, так и прикладных науках. Главным достоинством уравнений Максвелла было то, что они являются общими уравнениями, употребимыми при всех обстоятельствах. Все известные прежде законы электричества и магнетизма можно вывести из уравнений Максвелла, равно как и многие другие прежде неизвестные результаты.

Наиболее важные из этих результатов были выведены самим Максвеллом. Из его уравнений можно сделать вывод, что существует периодическое колебание электромагнитного поля. Начавшись, такие колебания, названные электромагнитными волнами, будут распространяться в пространстве. Из своих уравнений Максвелл сумел вывести, что скорость таких электромагнитных волн составила бы приблизительно 300000 километров (186000 миль) в секунду Максвелл увидел, что эта скорость равняется скорости света. Из этого он сделал правильный вывод о том, что свет сам состоит из электромагнитных волн. Таким образом, уравнения Максвелла являются не только основными законами электричества и магнетизма, они являются основными законами оптики. И действительно, все ранее известные законы оптики можно вывести из его уравнений, точно так же, как неизвестные ранее результаты и взаимосвязи. Видимый свет является не только возможным видом электромагнитного излучения.

Уравнения Максвелла показали, что могут существовать другие электромагнитные волны, отличающиеся от видимого света по длине волн и частоте. Эти теоретические выводы были впоследствии наглядно подтверждены Генрихом Герцем, который сумел как создавать, так и выпрямлять невидимые волны, существование которых предсказал Максвелл.

Впервые на практике наблюдать распространения электромагнитных волн удалось немецкому физику Г. Герцу (1883). Он также определил, что скорость их распространения - 300 тыс. км/сек. Парадоксально, но он считал, что электромагнитные волны не будут иметь практического применения. А уже через несколько лет, на основе этого открытия А.С. Попов применил их для передачи первой в мире радиограммы. Она состояла всего из двух слов: «Генрих Герц».

Сегодня мы с успехом используем их для телевидения. Рентгеновские лучи, гамма-лучи, инфракрасные лучи, ультрафиолетовые лучи являются еще одним примером электромагнитного излучения. Все это можно изучить посредством уравнений Максвелла. Хотя Максвелл добился признания главным образом благодаря его эффектному вкладу в электромагнетизм и оптику, он сделал также вклад в другие области науки, включая астрономическую теорию и термодинамику (изучение тепла). Предметом особого его интереса была кинетическая теория газов. Максвелл понял, что не все молекулы газа движутся с одинаковой скоростью. Одни молекулы движутся медленнее, другие быстрее, а некоторые движутся с очень высокой скоростью. Максвелл вывел формулу, которая определяет, какая частица молекулы данного газа будет двигаться при любой установленной скорости. Эта формула, получившая название «распределение Максвелла», широко используется в научных уравнениях и находит значительное применение во многих областях физики.

Это изобретение стало основой для современных технологий беспроводной передачи информации, радио и телевидения, в том числе всех видов мобильной связи, в основе работы которых лежит принцип передачи данных посредствам электромагнитных волн. После экспериментального подтверждения реальности электромагнитного поля было сделано фундаментальное научное открытие: существуют различные виды материи, и каждому из них присущи свои законы, не сводимые к законам механики Ньютона.

О роли Максвелла в развитии науки превосходно сказал американский физик Р. Фейнман: «В истории человечества (если посмотреть на нее, скажем, через десять тысяч лет) самым значительным событием девятнадцатого столетия, несомненно, будет открытие Максвеллом законов электродинамики. На фоне этого важного научного открытия гражданская война в Америке в том же десятилетии будет выглядеть провинциальным происшествием».

(13.06.1831 - 05.11.1879)

((1831-1879), английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики. Родился 13 июня 1831 в Эдинбурге в семье шотландского дворянина из знатного рода Клерков. Учился сначала в Эдинбургском (1847-1850), затем в Кембриджском (1850-1854) университете. В 1855 стал членом совета Тринити-колледжа, в 1856-1860 был профессором натурфилософии Маришал-колледжа Абердинского университета, с 1860 возглавлял кафедру физики и астрономии в Кингз-колледже Лондонского университета. В 1865 в связи с серьезной болезнью Максвелл отказался от кафедры и поселился в своем родовом поместье Гленлэр близ Эдинбурга. Здесь он продолжал заниматься наукой, написал несколько сочинений по физике и математике.

В 1871 в Кембриджском университете была учреждена кафедра экспериментальной физики, которую Максвелл согласился занять. Здесь он взял на себя бремя по организации при кафедре научно-исследовательской лаборатории, первой физической лаборатории в Англии. Средства на ее создание были пожертвованы герцогом Девонширским, лордом-канцлером Университета, но все организационные работы велись под наблюдением и по указаниям Максвелла (кроме того, он вложил в нее немало личных средств). Лаборатория открылась 16 июня 1874 и была названа Кавендишской - в честь замечательного английского ученого конца 18 в. Г.Кавендиша, которому герцог доводился внучатым племянником. Лаборатория была приспособлена как для научной работы, так и для лекционных демонстраций. Впоследствии она стала одной из самых знаменитых физических лабораторий мира.

Последние годы жизни Максвелл много занимался подготовкой к печати и изданием огромного рукописного наследия Кавендиша - его теоретических и экспериментальных работ по электричеству. Два больших тома вышли в октябре 1879. Умер Максвелл в Кембридже 5 ноября 1879. После отпевания в часовне Тринити-колледжа он был похоронен на фамильном кладбище в Шотландии.

Свою первую научную работу Максвелл выполнил еще в школе: в возрасте 15 лет он придумал простой способ вычерчивания овальных фигур. Эта работа была доложена на заседании Королевского общества и даже опубликована в его "Трудах". В бытность членом Тринити-колледжа он занимался экспериментами по теории цветов, выступая как продолжатель теории Юнга и теории трех основных цветов Гельмгольца. В своих 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. Разные комбинации цветов давали разные оттенки. Несколько позже Максвелл с успехом демонстрировал этот прибор на своих лекциях в Королевском обществе. В 1860 за работы по восприятию цвета и оптике он был награжден медалью Румфорда.

В 1857 Кембриджский университет объявил конкурс на лучшую работу об устойчивости колец Сатурна, в котором Максвелл решил принять участие. Эти образования были открыты Галилеем в начале 17 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 является устойчивой только в том случае, если она 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 и сразу же стал лидером математической физики.

Одной из первых работ Максвелла, внесших наиболее весомый вклад в науку, стала его кинетическая теория газов. В 1859 он выступил на заседании Британской ассоциации с докладом, в котором дал вывод распределения молекул по скоростям (максвелловское распределение). Максвелл развил представления своего предшественника в разработке кинетической теории газов Р.Клаузиуса, который ввел понятие "средней длины свободного пробега" (среднего расстояния, проходимого молекулой газа между ее столкновением с другой молекулой). Максвелл исходил из представления о газе как об ансамбле множества идеально упругих шариков, хаотически движущихся в замкнутом пространстве и претерпевающих лишь упругие столкновения. 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". Так впервые в описание физических явлений вошла статистика. В рамках своей теории Максвелл объяснил закон Авогадро, диффузию, теплопроводность, внутреннее трение (теория переноса).

В 1867 показал статистическую природу второго начала термодинамики ("демон Максвелла"). В 1831, в год рождения Максвелла, М.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. Они заполняют все окружающее пространство (поле, по терминологии Фарадея) и обусловливают электрические и магнитные взаимодействия. Максвелл самым тщательным образом изучил работы Фарадея и почти всю свою творческую жизнь развивал идеи поля.

Следуя Фарадею, он 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 (Faraday"s Lines of Force), направленной Фарадею в 1857. В 1860-1865 Максвелл создал теорию электромагнитного поля, которую он сформулировал в виде системы уравнений (уравнения Максвелла), описывающих все 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 электричества к электростатической. По данным Максвелла и других исследователей, это отношение составляет 3Ч1010 см/с, что очень близко к скорости света, измеренной семью годами ранее французским физиком А.Физо.

В октябре 1861 Максвелл сообщил Фарадею о своем открытии: свет - это электромагнитное возмущение, распространяющееся в непроводящей среде, т.е. разновидность электромагнитных волн. Этот завершающий этап был отражен в работе Максвелла Динамическая теория электромагнитного поля (Treatise on Electricity and Magnetism, 1864), а итог его работ по электродинамике подвел знаменитый Трактат об электричестве и магнетизме (1873). Экспериментальная и техническая задача получения и использования электромагнитных волн в широком спектральном диапазоне, в котором на долю видимого света приходится лишь малая часть, была успешно решена последующими поколениями ученых и инженеров. Применения теории Максвелла дали миру все виды радиосвязи, включая радиовещание и телевидение, радиолокацию и навигационные средства, а также средства для управления ракетами и спутниками. 1831-1879), английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики.

Джеймс Кларк Максвелл родился 13 июня 1831 г. в доме 14 по ул. Индии в Эдинбурге. Он был очень любознательным. В трехлетнем возрасте его основная просьба: "Покажи мне, как это делается", а основной вопрос: "Как это происходит?" Его настойчивость в выяснении характерных особенностей действия какого-либо устройства или окружающих явлений природы выражалась в следующем вопросе: "Но в чем же особенность этого?".

Мать Джеймса умерла от рака, когда Джеймсу было восемь лет. Вся дальнейшая его жизнь была связана с отцом, который был его большим другом и первым наставником в научных делах. Когда Максвеллу исполнилось 10 лет, его отдали в Эдинбургскую академию. Еще во время учебы в Эдинбургской академии была написана его первая статья об овальных кривых, реферат которой был опубликован в "Трудах Эдинбургского Королевского Общества" в апреле 1846 г. Поскольку автору статьи было всего 14 лет, то статья Максвелла была зачитана на заседании общества профессором Форбсом: школьнику обращаться непосредственно к членам общества считалось неприличным. Идея работы состояла в том, что с помощью двух булавок и нитки можно рисовать эллипс. Максвелл обобщил этот метод для построения кривых различной сложной формы.

Возможность обобщения научного метода, анализ наблюдений является одним из важных факторов в истинном исследовании.

Открытие закона тяготения Ньютоном обусловлено тем, что Ньютон смог сделать блестящее обобщение, допустив, что та же самая сила, которая притягивает к Земле яблоко, притягивает и Луну. Вениамин Франклин сделал другое обобщение, установив, что молния и маленькие электрические искры, которые можно было получить в те времена в лаборатории, явления одного и того же рода. Идея Фарадея об электрических и магнитных силовых линиях, первоначально развитая на основании наблюдений над поведением железных опилок вблизи магнита, была чрезвычайно смелым обобщением. Проявившееся в самом раннем возрасте стремление Максвелла понимать природу окружающих его вещей, его решимость не отступать, не докопавшись до объяснений, вместе с не менее важной способностью к обобщениям весьма отчетливо раскрыли в юном Максвелле задатки первоклассного ученого.

По окончании школы, с 1847 по 1850 гг., Максвелл учился в Эдинбургском университете, а затем перевелся в Питерхауз, известный в то время колледж Святого Петра в Кембриджском университете. В Эдинбургском университете Максвелл ревностно изучал математику, некоторые вопросы физики и химии, а также философию. Кембелл и Гарнетт (сокурсники Максвелла) пишут: "Лекции по философии очень интересовали его Его не знающая границ любознательность находила пищу в неистощимой эрудиции профессора". Девятнадцати лет Максвелл написал статью "О равновесии упругих тел", в которой предложил новый плодотворный научный метод в области сопротивления материалов - метод фотоупругости. Эта статья примечательна. Красивые цветные картинки, которые Максвелл наблюдал на прозрачных образцах, освещаемых поляризованным светом, позволили ему найти направления и величину максимальных напряжений внутри твердых тел сложной формы.

Начав свою учебу в Кембриджском университете студентом Питерхауза, Максвелл вскоре перешел в Тринити-колледж. Требования к уровню математической подготовки в Кембриджском университете были очень высокими. Максвелл был вторым, лауреатом стал Раут. Однако премию Смита, экзамен на получение которой проходил сразу после "Математического экзамена для получения отличия" и, судя по всему, рассматривался как еще более строгая проверка истинных математических способностей и оригинальности мышления, Раут разделил с Максвеллом.

В 1854 г. Максвелл окончил Кембриджский университет, получив степень бакалавра с отличием. Ему 22 года. Он среднего роста, темноволос. Глубоко сидящие карие глаза. Крайняя простота в одежде. Немногословность. Странный, не всем понятный юмор. Дружелюбие. И главное - умение ставить задачи, видеть интересные проблемы в привычных явлениях, в прозе повседневности. После выпускных экзаменов Максвелл стал преподавателем в Тринити-колледже. Преподавание в колледже Кембриджа или Оксфорда в то время было довольно приятным занятием. Отец Джеймса мечтал о том, что сын получит кафедру в Глазго, и сделал все возможное для этого. Профессор Форбс сообщил ему, что в Абердине в Маршальском колледже есть вакансия профессора физики. О том, что Максвелл получил кафедру, было объявлено в апреле 1856 г., когда ему было только 24 года. Печально, что его отец скончался всего лишь за несколько дней до этого известия.

По-видимому, Максвелл никогда не был блестящим лектором и никогда особенно не увлекался чтением лекций. Преподавание Максвелла в Абердине оказалось недолгим, ибо в 1860 г. произошло объединение колледжей в Абердинский университет. Некоторые профессорские должности были ликвидированы, в число сокращенных попал и Максвелл. В том же году он был принят на кафедру физики в Лондонское Королевское Общество.

Годы, проведенные в Абердине, были очень продуктивными для научной работы. В 1856 г. он получил премию Адамса за научную работу, посвященную структуре колец Сатурна. В 1857 г. он пишет Люису Кэмбеллу (в будущем его биографу): "Я снова обрушился на Сатурн Я уже пробил несколько брешей в твердом кольце, а сейчас окунулся в жидкую среду, погрузившись в мир поистине удивительных символов и обозначений. Вскоре я углублюсь в туманность, напоминающую чем-то состояние воздуха, скажем, во время осады Севастополя. Лес пушек, занимающих площадь прямоугольника со сторонами 100 и 30000 миль, изрыгают ядра, которые никогда не останавливаются, а вращаются по кругу радиусом 170000 миль". Проблемой Сатурна Максвелл занимался упорно в течение трех лет, в этом проявилась его способность отдаваться на долгое время одной проблеме. В это же время он начал заниматься кинетической теорией газов и в 1859 г. представил Британской ассоциации свою первую статью по кинетической теории газов. Именно на базе теоретических исследований Максвелла и выдающегося австрийского физика Л. Больцмана (1844-1906) была создана статистическая механика. К статистической механике непосредственно примыкает термодинамика. В это же время им получены соотношения между основными теплофизическими параметрами, известными теперь как "термодинамические соотношения Максвелла". В это же время он опубликовал оригинальную работу, в которой развивал теорию цветового зрения. Помимо всего этого Максвелл уделял большое внимание проблемам электромагнетизма и особенно открытиям Фарадея.

В течение пяти лет Максвелл занимал должность профессора физики в Лондонском королевском колледже, а в 1871 г. был назначен первым профессором экспериментальной физики в Кембридже. Таким образом, последние годы жизни Максвелла связаны с созданием в Кембриджском университете Кавендишской лаборатории и преподаванием там физики. Мы все знаем Максвелла как физика-теоретика, но им оказалось сконструировано и построено много приборов и экспериментального оборудования. В Кавендишской лаборатории имеется целая коллекция максвелловских приборов, которую там весьма высоко ценят.

Еще за два года до смерти Максвелл почувствовал симптомы заболевания пищеварительного тракта, но серьезные изменения были обнаружены только в 1879 г. В сентябре 1979 г. во время пребывания в Гленлейре Максвелл почувствовал себя плохо и вернулся с женой в Кембридж. Он уже знал, что умирает от рака - болезни, от которой в этом же возрасте умерла его мать. Его страдания были велики, но он никогда не жаловался. Его ум оставался ясным до конца. Даже близость смерти не лишила его самообладания, и 5 ноября он тихо скончался.

Максвелл был не только физиком, но и замечательным человеком. Его шотландский врач доктор Дж.У. Лоррейн писал: "Должен сказать, что это один из лучших людей, с которыми мне приходилось встречаться, его облик как человека, насколько я могу судить, являет собой наиболее совершенный пример джентльмена и это, пожалуй, гораздо ценнее всех его научных достижений".

В противоположность Фарадею, удостоившемуся многих почестей и наград, Максвелл получил только две степени отличия - в 1872 г. доктора права в Эдинбургском университете и в 1876 г. доктора права в Оксфорде. Правда, в возрасте 24 лет он был избран членом Эдинбургского Королевского общества, а в 1861 г. - членом Лондонского Королевского общества (ЛКО). В 1860 г. ЛКО наградило его медалью Румкорфа.

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.