Научните открития на 19 век. Научни трудове на Джеймс Максуел

История на въздуха Терентьев Михаил Василиевич

4.3. Джеймс Клерк Максуел (1831-1879)

Максуел е роден в годината, в която Фарадей открива електромагнитната индукция, и умира в годината, в която е роден Алберт Айнщайн. Значението на направеното от него в науката е изразено от Р. Файнман в емоционалното изказване, което цитирахме в предговора.

Джеймс Клерк Максуел (1831-1879)

Интересно е да се говори за Максуел не само защото той направи голямо откритие. Той е Джеймс Клерк Максуел – сред малкото хора, които са успели да живеят чисто, без да се затварят в себе си, без да се отдръпват от социалната дейност; да изживея, за съжаление, кратък, но хармоничен живот, изпълнен както с любов към науката, така и с любов към хората – близки, жени, приятели, колеги. Той живееше живот, неотделим от природата. Той имаше най-висока светла религиозност, която не изискваше ритуализъм и аскетизъм. Както самият той каза, вярата му е твърде дълбока, за да бъде сведена до някаква конкретна система. Максуел умира от рак, както и майка му. През последната година от живота си той знаеше, че умира. Физическото страдание, което понесе без оплакване, беше мъчително, но величието му беше очевидно и в смелостта, с която прие смъртта си.

Човек би могъл да смята Максуел за абсолютния идеал на учен и човек, ако подобна характеристика не създаваше схематичен образ. Максуел, напротив, беше въплъщение на живота. Добра илюстрация на казаното могат да бъдат собствените му думи, казани в младостта му: „За да се радва на живота и да се наслаждава на свободата, той (човек) трябва постоянно да има пред очите си какво трябва да се направи днес. Не това, което трябваше да се направи вчера - ако не иска да изпадне в отчаяние, а не това, което трябва да се направи утре - ако не иска да бъде проектор... Щастлив е човекът, който вижда в работата днес логична част от работата на целия му живот " Това не са конкретни правила за подреждане на живота, които всеки организиран човек формулира за себе си. Думите бяха изречени във връзка с общи размисли за мястото на личността в историята, за възможността да имаш власт само над мига на настоящето и именно чрез това да осъзнаваш единството на безкрайното с крайното, без да пренебрегваш моментното си. съществуване.

Това, което е най-изненадващо в живота на Максуел, е противоречието между привидната лекота и естественост, с които, сякаш небрежно, са завършени основните му трудове, и колосалната им тежест в историята на науката.

Хронологията на живота на Максуел е следната. Той е роден на 13 юни 1831 г. в Единбург, Шотландия. Прекарва детството си в Гленлейр, имението на баща му. През 1841 г. постъпва в класическата гимназия в Единбург, а през 1847 г. постъпва в Единбургския университет. През 1850 г. Максуел се прехвърля в Кеймбридж, първо в колежа "Свети Петър", а след това в колежа "Тринити" (Нютон учи и работи там). Завършва колеж през 1854 г. и година по-късно става негов служител. Но скоро той получава катедрата по естествена философия в Marischal College в шотландския град Абърдийн. От 1860 г. Максуел е професор по физика в Кралския колеж на Лондонския университет. През 1859 г. той написва класическа статия, в която изчислява разпределението на скоростите на газовите молекули. В периода от 1855 до 1865 г. той прави голяма работа по теорията на електромагнитното поле. От 1865 г. той спира научната и преподавателската си дейност за пет години и отива в Гленлер, за да се занимава със селско стопанство и да пише книги. Там е създаден известният му „Трактат за електричеството и магнетизма“, който е публикуван през 1873 г. През 1870 г. Максуел се завръща в Кеймбридж и става директор на Кавендишката лаборатория. През 1879 г. той подготвя за печат издание на творбите на Кавендиш. Същата година Максуел почина на 48-годишна възраст. След това ще се опитаме да коментираме и оживим този сух списък от биографични факти.

В един от клоновете на старото шотландско семейство на Клеркс имаше двама братя - Джон и Джеймс. По-големият брат Джон наследява баронетството и богатото имение Пеникюк, а по-малкият брат Джеймс (дядото на Максуел) става моряк. (В Англия земята не се разделя по наследство.) Джон умира бездетен, а Джеймс има двама сина. Най-големият му син, Джордж, стана наследник на Penicuik, а най-малкият му син, Джон (имената в семейството не са много разнообразни) отиде в университет и стана адвокат. Той наследи малкото имение Мидълби, собственост на Максуел, друг клон на семейство Клеркс. Така Джон Клерк стана Джон Клерк-Максуел. (В Шотландия беше обичайна практика да се присвоява второ фамилно име при наследяване на земя.) Той се жени за дъщерята на съдия, Франсис Кей. Тази жена имаше интелигентност, енергия и чувство за хумор. Тя успя да въведе ред в безпорядъчния начин на живот на Джон преди брака, който беше мил и талантлив, но не намери подходяща точка на приложение навреме. Като аматьор той се интересуваше от технологиите и естествените науки, ходеше на срещи на Философското общество в Единбург, имаше учени приятели, дори публикува кратка бележка за технологиите, с която много се гордееше, обичаше разговори на научни теми, но нищо Повече ▼. След брака животът му пое в нова посока. Заедно с Франсис той започва да разширява и подобрява имението си. Беше в духа на времето. Имението получава ново име - Glenleir („Ден в тясната долина“). Строежът на къщата започна и родителите преместиха току-що родения си син Джеймс Клерк-Максуел, бъдещият велик физик, в сградата, която все още не беше напълно завършена. Къщата е запазена - строена е здраво в Шотландия.

Гленлер става бащин дом за Максуел в най-дълбокия смисъл - той никога не се разделя с него духовно и в повратни моменти от живота си винаги се връща там, първо при баща си, а след това, заедно със съпругата си, като нов собственик.

Детството на Максуел, въпреки ранната смърт на майка му, беше щастливо. Баща ми направи всичко възможно за това. Като цяло последващият му живот е проспериращ. Ясно е, че за успешна научна работа не са необходими лишения и неуреден живот. Амбицията, от която Максуел също беше свободен, не й е необходима. Неговата личност се формира в най-голяма степен от първите десет години от живота му, свободно прекарани в общуване с мъдър и любящ човек, който направи детето участник във всичките му икономически и технически хобита. Личността на Максуел се определя и от постоянната му връзка с живата природа както в детството, така и през целия му следващ живот.

Шотландия е красива малка страна с население от няколко милиона души, чийто принос към световната култура е непропорционален на нейния размер. Това е страна на велики поети и художници, но е и родното място на висшето техническо образование - университетите в Единбург и Глазгоу са пионери в преподаването на инженерни науки. Шотландия е дала на света плеяда от брилянтни инженери и учени. Сред тях са В. Томсън, В. Ранкин, В. Рамзи, Е. Ръдърфорд, Д. Дюар и много други. Шотландците са упорити, решителни, предпазливи и скептични, нямат външна изтънченост, но има сила и дълбоко чувство за единство с природата. Може би тези качества наистина са свързани с постоянната несигурност на климата - тази идея е била многократно изразявана. Максуел като физик принадлежи на цялото човечество, но като индивид той е истински шотландец, съзнаващ корените си.

Максуел започва да учи на 10-годишна възраст в училище, носещо помпозното име Единбургска академия. Той напусна баща си и Гленлейр с голяма неохота, живееше в Единбург при леля си мис Кей и отначало, освен известна тъпота и срамежливост, не се проявяваше с нищо особено в обучението си. Неговите способности (заедно с интереса му към физиката и математиката) се събуждат около 15-годишна възраст и тогава се включва някакъв мистериозен механизъм, произвеждащ изключителна духовна активност, която не отслабва в продължение на 30 години.

След като синът му постъпва в университета в Единбург, баща му създава лаборатория по физика в Гленлер, за да не скучае Джеймс по време на ваканцията. На 19-годишна възраст Максуел докладва първата си сериозна научна работа в Кралското дружество в Единбург: „За равновесието на еластичните тела“. Обхватът му на четене по това време е широк - гърците, Нютон, Лукреций, Цицерон, Херодот, Кант, Хобс, Юнг, Фурие, а по-късно в Кеймбридж се добавят Тацит и Демостен. Въпреки всичко това учителите не успяват да го наситят с допълнителни задачи по математика. Необикновените способности на Максуел са напълно очевидни за околните и през есента на 1850 г. баща му решава да го отчужди и да го изпрати в Кеймбридж. Това беше нормална практика за най-добрите шотландски студенти - нивото на преподаване на физика и математика в Кеймбридж беше по-високо.

Основата на английските университети са колежите, които обикновено възникват през Средновековието от църковните училища. Университетът в Кеймбридж получава своя статут през 1318 г. До 1850 г. се състои от няколко колежа. Най-известните са колежът "Свети Петър" (Peterhouse), основан през 1284 г., и "Тринити колидж", основан през 1546 г., мястото, където Нютон учи и работи.

Максуел първо влезе в Питърхаус, но след няколко седмици се прехвърли в Тринити Колидж, където намери средата за по-приятна и след дипломирането имаше повече възможности за работа в области, свързани с физиката и математиката. Времето от 1851 г. до завършването на колежа през 1854 г. е период на интензивно учене за Максуел и както често се случва с млади, талантливи хора, неговото развитие протича с голям излишък - индивидът щедро изразходва енергия, сякаш изпробвайки възможностите си, „играейки със сила.” Всички аспекти от живота на Тринити пленяват Максуел по това време - от науката, философията, морала до вист и шаха.

Преподавател на Максуел в колежа беше г-н У. Хопкинс, който преди това е обучавал Уилям Томсън (1824-1907) и Джордж Стоукс (1819-1903). („Наставник“ е буквално наставник - позиция, донякъде съответстваща на нашия класен ръководител.)

През описания период Стоук преподава в колежа, оглавявайки катедрата на Лукас (по едно време тя е била заета от Нютон). Областта на математиката и физиката, в която Стоукс има фундаментален принос, по-късно ще бъде използвана от Максуел за описание на електромагнитни явления. В това отношение всички имахме късмет - Максуел беше обучен от хората, които трябваше да го направят.

Впоследствие Хопкинс формулира впечатлението си от Максуел по следния начин: „Той беше най-необикновеният човек, когото някога съм виждал. Той беше органично неспособен да мисли за физиката неправилно.

Интересни са показанията на приятелите на Максуел от колежа. По-специално, г-н Лоусън си спомня партито, на което се срещнаха: „Максуел, както обикновено, се показа като експерт по всички теми, към които се обърна дискусията. Никога не съм срещал такива хора. Мисля, че няма тема, по която той да не говори – и то добре – изразявайки изненадващи и нестандартни мнения.“ Lauzon говори за друг забавен епизод, когато Максуел, както обикновено, изтича в стаята си сутринта, за да разговаря по различни теми. Беше трудно да го спрем, а Лосън все още не се беше подготвил за теста, след като неуспешно прекара предишния ден и по-голямата част от нощта в решаване на проблемите, поставени от г-н Хопкинс. Максуел идва на себе си половин час преди теста: „Е, това е достатъчно, трябва да отида да реша задачите, които старият Гоп ни даде.“ Излишно е да казвам, че до началото на теста той беше решил всички задачи правилно.

През 1852 г. Максуел е избран в "Клуба на апостолите" - интелектуалния елит на Кеймбридж, малък кръг от около 20 члена, основан от математика и свещеник Фредерик Морис. Морис вярваше, че основният път към подобряване на обществото лежи в подобряването на неговата култура. Максуел споделяше това убеждение; във всеки случай, в продължение на много години той систематично изнасяше популярни лекции на работници и занаятчии. Ето непълен списък от теми, по които Максуел е подготвил есета, представени на клубни срещи:

"Решителност",

„Какво е естеството на доказателството за дизайн“

„Идиотски кълнове (за окултното)“,

„Всичко красиво в изкуствата ли се дължи на природата?“

"Морал",

"Език и мисъл"

„Възможна ли е автобиография?“ и т.н.

В началото на 1854 г. Максуел се явява на последния изпит по физика и математика в Кеймбридж - "трипос". Това е сериозно триетапно състезание, което изисква от учениците да се подготвят много месеци предварително. Победителят получи званието „старши дебат“, което беше изключително високо ценено. Както показа практиката, „вторият дебат“, който зае второ място, отговаряше на не по-малко високи критерии. Имаше и трети, четвърти и т.н. Най-новата беше наречена „дървената лъжица“. През целия живот на човек, завършил Кеймбридж, с всичките му официални движения в университетската среда, притежателят на титлата първи или втори диспутант се ползваше с привилегии като необикновена личност. Учудващо е, че такава система за подбор не е обезценена от десетилетия.

Старши дебат по едно време беше J. Stokes, вторият дебат беше W. Thomson. Вторият дебатник е завършил Кеймбридж и J.K. Максуел. Първият е Е. Раус (1831-1907). Впоследствие Рус завършва редица важни трудове в областта на механиката, става учител в Тринити Колидж и учител на Дж. Рейли, Дж. Томсън, Л. Лармор - изключителни физици, които между другото са и първите дебати по своите проблеми. Максуел споделя с Рус първата награда Смит в независимия изпит по математика, който включва независимо изследване по дадена тема. Нивото на този тест може да си представите, ако J. Stoke докаже известната теорема във векторния анализ, която носи неговото име, извършвайки изследване специално за наградата Смит.

По-късно Максуел, който вече не работи в Кеймбридж, подобно на други най-добри възпитаници, многократно участва в „трипосите“, идвайки специално отдалеч за тази цел. Не е ли именно това желание да се запазят традициите и да се осигури решаващото влияние на изключителни хора от научната общност, една от основните причини за изключителната плодотворност на университетската система на Кеймбридж?

Периодът от 1854 до 1856 г. е критичен за цялата бъдеща съдба на Максуел. От известно време се опитва, без много ентусиазъм, да напише книга по оптика. В тази област той работи върху цветното зрение, проектира офталмоскоп и изобретява трицветен въртящ се връх, за да демонстрира своята теория за сливането на цветовете. Но в края на 1854 г. Максуел изоставя книгата недовършена и вече не иска „...да има нещо общо с оптиката“. Той напълно се потапя в изучаването на електродинамиката.

По това време не беше лесно да се ориентираш в електродинамиката. Описвайки ситуацията, както изглеждаше на неспециалист, Ф. Енгелс казва в статията „Електричество“: „... в химията, особено благодарение на откритието на Далтон за атомните баланси, ние намираме ред, относителната стабилност на постигнатите резултати и систематична, почти систематична атака на все още непревзетия район, сравнима с истинска обсада на някоя крепост.

В доктрината за електричеството имаме пред себе си хаотична купчина стари, ненадеждни експерименти, които не са получили нито окончателно потвърждение, нито окончателно опровержение, някакъв вид несигурно лутане в тъмното, несвързани изследвания и експерименти на много отделни учени, атакуващи непозната област в случаен, като орда номадски ездачи. Наистина, в областта на електричеството все още не е направено откритие като това на Далтън, откритие, което дава фокус на цялата наука и солидна основа на изследванията.“

И това твърдение е направено през 1882 г., около 20 години след като окончателната теория на електромагнитните явления вече е създадена от Максуел! (Нещо повече, на химията никога не е било позволено да се издигне до такава степен на строгост и простота.) Но тази теория все още не е правилно оценена от всички и все още не е отразена в достъпна форма - в лекции, книги. Какво можем да кажем за нивото на несъответствията в началото на 50-те!

В началото на 1854 г. Максуел в писмо до Томсън все още пита какво и как да изучава електричеството. В писма до баща си през 1855 г. той се оплаква от трудностите при разбирането на произведенията на трудни немски автори (имайки предвид Вебер, Нойман, Хелмхолц). Но още по-рано, по съвет на Томсън, той се концентрира върху Експерименталните изследвания на електричеството на Фарадей и решава да не чете нищо, докато не разбере напълно какво казва Фарадей. В края на 1854 г. той вече информира Томсън за появата на ново разбиране на темата, което година по-късно ще го накара да напише работата „За силовите линии на Фарадей“. Именно там започва програма, състояща се от превод на Фарадей на езика на векторния анализ, която след няколко години ще завърши с извеждането на известните уравнения. Максуел пише: "...Наскоро бях възнаграден, като открих, че маса от объркване е започнала да се изчиства под влиянието на няколко прости идеи." Това означава, че по това време той намира все още ограничена аналогия между законите на електричеството и движението на несвиваемата етерна среда.

Уилям Томсън е седем години по-възрастен от Максуел, но тъй като сериозната му научна дейност започва почти от детството, до 1854 г. той вече е една от най-видните фигури във физиката. (Томсън започва да публикува на 15-годишна възраст. Максуел пише първата си научна работа приблизително на същата възраст, но последващото му развитие е по-бавно.) През 1846 г. (на 22-годишна възраст) Томсън става професор по физика в университета в Глазгоу и заема този пост в продължение на 53 години. Той живее дълъг живот, през който пътува много и е автор на забележителни открития във физиката и технологиите. Достатъчно е да споменем неговото установяване на абсолютната температурна скала (скалата на Келвин), формулирането на втория закон на термодинамиката. Той придоби широка обществена известност благодарение на важния си принос в работата по полагането на трансатлантическия телеграфен кабел. В очите на своите съвременници през 50-те и 60-те години той е първият британски физик. Томсън получава титлата на кралица Виктория. След това той става лорд Келвин (титлата е избрана според името на реката, на която се намира университетът в Глазгоу).

Максуел среща Томсън в Кеймбридж, където прекарва 1-2 месеца всяка година в началото на лятото. Тези хора впоследствие бяха обвързани от силни приятелства, незамъглени от различия в мненията. Трябва да се каже, че Томсън не приема електромагнитната теория на Максуел до края на живота си.

Ако Дж. Стоукс е преподавал на Максуел математически техники, то от Томсън идва методът на физическите аналогии, който Максуел възприема и използва с голямо умение. На 17-годишна възраст Томсън пише статия, в която статичното разпределение на силите в област, съдържаща електрически заряди, се изчислява по аналогия с разпределението на топлината в твърдо тяло. Зарядите в такъв проблем бяха еквивалентни на източници на топлина и математическите отношения, описващи електрическото действие на дълги разстояния в стандартната интерпретация на Кулон и Поасон, се оказаха същите, както ако бяха получени с помощта на механизма за пренос на топлина, където , както е известно, разпространението се установява локално - от точка до точка - и няма дори намек за действие на далечни разстояния. Максуел е бил добре запознат с тази важна статия и е разумно да се предположи, че тя е стимулирала първоначалния му интерес към метода на аналогиите във физиката.

Концепцията за действие на къси разстояния и възгледът за електродинамиката като теория за среда, която запълва пространството между заряди, магнити и токове - Максуел взе всичко това от трудовете на Фарадей. Европейската физика по това време изповядва Нютоновите принципи на действието на големи разстояния. В същото време електродинамиката на Вебер перфектно описва всички експериментални факти, но трябваше да допуска съществуването на сили между елементарни магнити и заряди, в зависимост от скоростите и, може би, по-високите производни на координатите по отношение на времето. Нека подчертаем, че Томсън е този, който дава плодотворен съвет на Максуел да започне с изучаването на Фарадей.

Максуел завършва статията си „За силовите линии на Фарадей“ през 1856 г. Колкото и да е странно, след това той прави други неща и трябваше да минат няколко години, преди да бъде разработена темата за Фарадей. През този период Максуел нямаше „конкуренти“ - никой в ​​разглеждания контекст не се занимаваше с електродинамика. Както вече споменахме, цялата област изглеждаше доста сложна и объркваща, а микроструктурата на електромагнитните взаимодействия от времето на Лаплас се смяташе за проблем, „мъгляв и принадлежащ на бъдещето на науката“.

Максуел прекарва около две години (1857-1859) в състезателна работа по теорията на пръстените на Сатурн. Той спечели състезанието. Финото разбиране на механиката на континуума и молекулярната теория, което той постига в процеса на решаване на този проблем, се оказва важно за последващата му работа. Но Максуел, разбира се, не е взел пръстените на Сатурн за тази цел - той все още не осъзнава основната си цел. Трябваше да се утвърди в престижен конкурс и да укрепи позициите си в научната общност.

Въпреки факта, че Максуел очевидно не бързаше в работата си, не преследваше никакви специални амбициозни цели, не си поставяше никакви далечни глобални цели, а просто живееше, работеше и правеше това, което можеше и което му беше интересно в момента, въпреки това, за шест години, от 1856 до 1861, той постигна невероятно много. През 1859 г. той съобщава за забележителна работа върху динамичната теория на газовете. Въпреки че подробното й изложение не е наша задача, не можем да не споменем, че оттук започва историята на статистическата физика. В същото време Максуел мисли за електромагнетизма и през 1861 г. пише основната си статия: „За физическите силови линии“, където за първи път се появяват известните уравнения. Впоследствие молекулярната теория и електромагнетизмът са основните му теми, въпреки че през 1864 г., сякаш мимоходом, той написва статия „За изчисляването на равновесието и твърдостта на фермите“, която включва диаграми на Максуел-Кремона, които студентите сега изучават в курс на якост на материалите.

През 1864-1865 г. се появява „Динамичната теория на електромагнитното поле“, където предишната работа върху силовите линии е освободена от „скелето“ и уравненията са получени без препратка към конкретен модел на етерната среда. Процесът завършва с публикуването на „Трактат за електричеството” (1873) – книга, чрез която няколко поколения физици ще се запознаят със съдържанието на теорията на полето на Максуел.

В началото на 60-те години Максуел вече има име в науката. Но той е само един сред редица известни физици, нищо повече. Научната му кариера не изглежда никак триумфална. Той става член на Тринити Колидж при втория си опит, година след „трипосите“. На 26-годишна възраст Максуел, който все още не е завършил нито една от основните си работи, е избран за член на Единбургското общество на физиците, а на 29-годишна възраст (през 1860 г.) - за член на Кралското общество на Лондон, което включваше само няколко десетки души (включително чужденци). Кралското общество е известно с това, че през цялата си история (до наши дни) нито една наистина важна личност в науката не е била „забравена“. Въпреки това учени със скромен научен опит понякога ставаха членове на Обществото. През 1860 г. Обществото награждава Максуел с медала Ръмфорд не за работата му върху електричеството и молекулярната теория, а за постиженията му в областта на цветното зрение (които днес не представляват голям интерес). И това са всичките му академични различия през целия му живот.

От 1855 г. Максуел е професор в древния, но периферен колеж Маришал в Абърдийн. (Той иска да се премести от Кеймбридж в Шотландия, за да бъде по-близо до баща си. За съжаление баща му умира през лятото на 1855 г., когато Максуел все още не е встъпил в длъжност.) През 1860 г. катедрата по естествени науки в колежа е премахната и Максуел остана без работа. Губи състезанието за професор в Единбург от приятеля си П. Тейт, автор на няколко книги и добър учител. Въпреки това в края на 1860 г. той получава редовен професор в катедрата по естествена философия в Кралския колеж в Лондон. Това са почти ежедневни лекции в продължение на девет месеца в годината и в допълнение веднъж седмично вечерни четения за занаятчии.

Максуел не беше добър лектор, въпреки факта, че приемаше преподаването много сериозно. Пропастта между слабо заинтересованата от ученето студентска аудитория и блестящата личност на преподавателя, склонен към фантазии, абстракции и аналогии, които, за съжаление, бяха разбираеми само за него самия, беше твърде голяма. Той обаче беше строг проверяващ.

През 1865 г. Максуел внезапно напуска колежа и заживява като фермер в Гленлер. Шест години по-късно възниква идеята за изграждане на лабораторията Кавендиш в Кеймбридж, където, както се очакваше, основните области на изследване ще бъдат топлината и електричеството. В. Томсън е първият, който получава предложение да поеме поста директор. Следващият кандидат беше Херман Хелмхолц. Едва след техния отказ организаторите отправят същото предложение към Максуел, който изпълнява с пълен блясък ролята си на строител и първи директор на една от най-известните днес лаборатории в света.

Не е изненадващо, че съвременниците не са били наясно с истинското величие на този човек - Максуел ще бъде разбран и оценен в следващото поколение. Но е удивително колко безгрижен беше самият той за подобни неща, колко щедро отделяше времето си на другите...

През 1853 г., докато посещава родителите на своя приятел по време на студентските си ваканции, Максуел се разболява. Собствениците - семейство Тейлър - буквално го завладяха с топлина и грижа. Говорейки за този епизод, Максуел прави характерно изявление: „Любовта е вечна, но знанието е преходно“. Това се казва в най-интензивния период от неговия интелектуален живот и е важно, че това не са празни приказки.

През 1855 г. в продължение на няколко седмици Максуел прекарва най-хубавите часове от деня до леглото на болен приятел. През 1860 г. той предоставя дом на своя болен братовчед и в продължение на месец, след като се премества на тавана, го кърми като истинска медицинска сестра. През 1867 г. той и съпругата му правят единственото пътуване в живота си до континента, като посещават няколко европейски града, но прекарват по-голямата част от времето си в Италия. В един от южните градове двойката Максуел се оказва в епидемия от холера. С риск за здравето и живота си те работят като санитари, помагайки на хора в беда. В Гленлер Максуел обикновено посещава всеки болен в селото.

Последните години от живота на Максуел бяха помрачени от тежката болест на съпругата му. Той дежури до леглото й и понякога не спи в собственото си легло с месеци. Трябва да се каже, че съпругата му Катерина-Марина Деворе, дъщеря на ректора на Marischal College, му отговаряше със същата отдаденост при всички случаи. Има доказателства, че тя е била „трудна“ жена, но това вероятно засягаше само външни хора. Тя живееше живота на Джеймс, помагайки му по най-добрия начин, въпреки че Максуел не успя да я научи на физика, която в младостта си смяташе за важна за взаимното разбирателство. Максуел никога не се отделяше от жена си за повече от три или четири дни и дори по време на такива кратки заминавания винаги пишеше писма. Те нямаха деца.

Много е трудно да се разбере как самият Максуел оценява своето място в науката. Започвайки от 1865 г., от момента, в който заминава за Гленлер (Максуел е само на 34!), изглежда, че желанието за решаване на нови проблеми избледнява на заден план за него. Сега той вижда целта да представи всичко направено в систематизирана форма. Този вид работа изисква мислене. Техният плод в спокойната обстановка на Гленлер беше Трактатът.

Реакцията беше сдържана. В. Томсън и Дж. Стоукс не го приеха. Няколко години по-късно А. Шустер е първият, който преподава курс по електродинамика въз основа на Трактата. Слушат го само трима ученици. (Сред тях е J. J. Thomson, който ще открие електрона и ще бъде наследник на Максуел като директор на лабораторията Кавендиш.) Френската реакция: „сложна и пресилена теория“, „липса на логика“ (P. Duhem). Лудвиг Болцман се възхищава на красотата на уравненията, но вярва, че те „не могат да бъдат разбрани“. Позицията на Хелмхолц се оказва най-конструктивна, той стимулира Хайнрих Херц да изследва структурата на уравненията и да провери съществуването на предсказаните от теорията електромагнитни вълни.

След работата на Херц настъпва радикален обрат. Не възникна ново разбиране, но вълните бяха открити експериментално и уравненията бяха значително опростени в писмената им форма. Фактът, че теорията е вярна и дава пълно описание на електромагнитните явления - това вече не може да се съмнява след Херц. Но какво се крие зад това е друг въпрос. Нека чуем Херц: „Трудно е да се отървем от усещането, че тези математически формули живеят самостоятелен живот и притежават собствен интелект, че са по-мъдри от нас самите, по-мъдри дори от своите откриватели, и че ние извличаме от тях повече, отколкото първоначално се съдържаше в тях." Тъй като все повече и повече опити да се изведат уравнения от механиката на етера се провалят, мистериозната теория буди все повече и повече възхищение. Така че Г. А. Лоренц ще каже: „Трактатът“ ми направи може би едно от най-силните впечатления в живота ми.

Но да се върнем към биографията на Максуел. Може да се предположи, че е имало друга причина, обясняваща внезапното заминаване за Гленлер. Напълно странично, случайно събитие може да е изиграло роля при вземането на решението, на което дължим съществуването на Трактата. През 1865 г. Максуел получава нараняване на главата. Удря се в клона на дърво, опитвайки се да се справи с коня, който е излязъл извън контрол. В допълнение към сътресението, една от последиците от този инцидент е тежък еризипел. Внезапното напускане на Glenlair може да означава загуба на способност за оригинална творческа работа. Два вида дейности - решаване на нови проблеми и писане на книги - поставят високи, но различни изисквания към човек. (Кои са тези различия е много трудно да се формулират, но очевидно те са дълбоки, както показват многобройни примери. Именно в теоретичната физика един вид дейност често напълно изключва другия.)

По-нататъшният живот на Максуел е в съответствие с това обяснение. Съгласявайки се през 1871 г. да стане директор на Кавендишката лаборатория, той се връща към академичния живот, но не и към научната работа - това е ясно предварително. Той е изправен пред съвсем нова и сложна задача, изискваща организаторски способности и много здрав разум.

През 40-те години Г. Магнус открива първата физическа лаборатория в Берлин, през 50-те години У. Томсън организира лаборатория в Глазгоу, а през 1862 г. е създадена лабораторията Кларендън в Оксфорд. Но проектът на Кеймбридж се различава от всички предишни по своя мащаб и обмисленост в най-малките детайли. Самата сграда е проектирана с мисъл за бъдещи прецизни експерименти - тя осигурява екраниране от външни полета, изолация от удари и много други технически подробности. Лабораторията отваря врати на 16 юни 1874 г. През същата година Максуел започва да изучава наследството на човека, на когото е кръстен.

Хенри Кавендиш (1731-1810) е напълно необичайна личност в науката. Един богат човек, син на лорд Чарлз Кавендиш, през дългия си живот публикува само две статии, но остави 20 папки с ръкописи за магнитни и електрически явления, които съдържат редица забележителни резултати, по-късно отново получени от други автори.

Връщането на името на Кавендиш в историята е важна задача, но Максуел има само 5 години живот! Той дешифрира записките, повтаря всички експерименти и подготвя книгата „За електрическите изследвания на достопочтения Хенри Кавендиш между 1771 и 1781 г.“ Книгата е издадена през 1879 г. Максуел чете коректури на терминално болни пациенти.

Той създаде стандартно есе по история на физиката, където всяко твърдение беше надеждно проверено - нещо почти невъзможно в наше време. Няма смисъл да съжалявам, че Максуел е прекарал последните години от краткия си живот по този начин, а не по друг начин. „Как е вашето собствено проучване?“ - попита го приятелят и биограф Л. Кембъл при среща през този период, на което Максуел отговори с тъжна, но мила усмивка: „Вече трябваше да се откажа от толкова много неща в живота...“.

Всъщност той винаги се е стремял да прави всичко добре в живота и неслучайно е избрал един или друг път. В рецензия на една книга по физика (V. Grove „On the Correlation of Physical Forces“) Максуел казва: „Не откритията и тяхното регистриране само от учените общества напредват в науката. ... Истинският център на науката не са томове научни трудове, а живият ум на човек. А за да се развие науката, е необходимо да се насочи човешката мисъл в правилната посока. ... [Това] изисква във всяка дадена епоха хората не само да мислят общо, но и да концентрират мислите си върху онази част от обширната област на науката, която в този момент изисква развитие. В историята често виждаме провокиращи размисъл книги, предизвикващи този ефект...”

Виждаме, че основните научни постижения на Максуел датират от десетилетието 1855-1865. В същото време в живота му се случват много други събития - многократна смяна на работа, женитба, смърт на баща му. А Максуел най-малкото изглежда като отстранен фанатик, затънал в тесни научни проблеми. С ясна трезвост на ума той ясно програмира живота си, фокусирайки се върху най-трайното: „... Що се отнася до материалните науки, те ми се струват прекият път към всяка истина... относно метафизиката, собствените мисли или общество. Сумата от знания, които съществуват в тези предмети, взема голяма част от своята стойност от идеи, получени чрез провеждане на аналогии с материалните науки, а останалата част, макар и важна за човечеството, не е научна, а афористична. Основната философска стойност на физиката е, че тя дава на мозъка нещо специфично, на което да разчита. Ако откриете, че някъде грешите, самата природа ще го каже... Открих, че всички учени, които напреднаха науката със своите трудове (като Й. Хершел, Фарадей, Нютон, Юнг), въпреки че бяха много различни един от друг по природата на техния ум, те имаха яснота в дефинициите и бяха напълно свободни от тиранията на думите, когато се занимаваха с въпроси на реда, законите и т.н. Това никога не може да бъде постигнато от писатели и хора, ангажирани само с разсъждения.“ И малко по-късно (25 март 1858 г.) в комично стихотворение той формулира своята позиция, която никога не променя:

Нека в нашия ужасен свят

Животът е работа без смисъл и полза.

И все пак ще работя смело,

Нека ме мислят за глупак...

И сега ще ви разкажем по-подробно какво направи Максуел в своите три известни статии за електромагнетизма. За съжаление, истинското разбиране на този раздел, за разлика от предишните, ще изисква обучение по физика и математика. Какво можете да направите - материалът става по-сложен поради факта, че навлизаме по-дълбоко в същността на темата. Читател, който няма такава подготовка, трябва спокойно да прескача неразбираемите пасажи, тъй като в крайна сметка за него не са важни формулите, а обстоятелствата около тях.

Първата статия се нарича „За линиите на силата на Фарадей“. Той беше прочетен на две срещи на Кеймбриджкото философско общество на 10 октомври 1855 г. и 11 януари 1856 г. Втората статия, „За физическите линии на сила“, е публикувана във Философски журнал през март 1861 г. Третата, „Динамичната теория на електромагнитното поле“, е представена на Кралското общество на 27 октомври 1864 г. и е публикувана в тома CLX на Транзакциите на дружеството.

В Трактата за електричеството и магнетизма (1873 г.) съдържанието на тези трудове е преразгледано. Може би по времето, когато Трактатът е бил написан, възгледите на Максуел са претърпели известна еволюция. Във всеки случай изложението в него по-лесно се вписва в атмосферата на онова време, когато доминират идеите за действие на дълги разстояния.

Най-високата точка в работата на Максуел, ако имаме предвид философските и методологическите аспекти на въпроса, е „Динамичната теория“. Тази работа, особено нейната трета и шеста част („Общи уравнения на електромагнитното поле“ и „Електромагнитна теория на светлината“), е насочена директно към 20-ти век. Несъмнено Максуел винаги е разглеждал своите уравнения като теория за етера, подчинена на механичните закони, но в тази статия той за първи път работи с концепцията за полето като независима реалност и демонстрира, че от феноменологична гледна точка то е достатъчно е да има само уравнения за полето, а етерът не е необходим. Но той за пръв път стигна до основните си резултати не в третата, а във втората статия, която представлява най-голям интерес за историята на физиката. Нашата цел е да ви разкажем за това по-подробно. Но втората статия не може да бъде обсъждана, без да се изложи съдържанието на първата. Следователно няма опции - ще трябва да започнете от самото начало.

В първата статия („За линиите на силата на Фарадей“) нямаше принципно нови физически твърдения. Ако строгите критерии на съвременните списания по физика са съществували през миналия век, човек лесно може да си представи рецензент, който би го отхвърлил „тъй като не съдържа нови резултати“. Но от методологическа гледна точка, преди всичко за самия Максуел, това беше изключително важно. Интересното е, че Фарадей, след като прочете текста, който Максуел първи му изпрати, беше пленен от неговата математическа сила. (Разбира се, трябва да се има предвид дълбоката „невинност“ на Фарадей по въпросите на математическата техника.) Работата възникна изцяло от разсъжденията на Максуел върху „Експерименталните изследвания на електричеството“ на Фарадей и беше опит да се изрази математически казаното от Фарадей с думи. В него Максуел намира адекватен математически апарат, който по-късно ще го доведе до окончателния успех. Истинската стойност на статията може да бъде разбрана само чрез познаване на последващото развитие. В този смисъл трябва да се приеме оценката на Л. Болцман, изразена през 1898 г. в бележките към немското издание на съчиненията на Максуел: „... Тази първа голяма работа на Максуел вече съдържа удивително много...“.

Максуел започва с формулирането на основните принципи, чрез които трябва да се изгради една правилна теория. Както по-късно отбелязва същият Л. Болцман, „... следващите изследователи на теорията на познанието развиха всичко това по-подробно, но... едва след като се осъществи самото развитие. Тук те (принципите) са дадени още преди да започне разработката...”

Трябва да се има предвид, че Максуел не се занимава с абстрактна философия на познанието. Неговите изявления се отнасят до проблеми на конкретна наука при конкретни обстоятелства. Той пише: „... за успешното развитие на теорията е необходимо преди всичко да се опростят изводите от предишни изследвания и да се доведат до форма, в която умът може да ги разбере. Резултатите от такова опростяване могат да бъдат под формата на чисто математическа формула или физическа хипотеза. В първия случай ние напълно губим от поглед обясняваните явления и въпреки че можем да проследим последствията от установените закони, не сме в състояние да добием по-широк поглед върху различните проявления на разглеждания предмет.

Ако, от друга страна, използваме физически хипотези, ние виждаме явленията само през воала на предразсъдъците и дължим това на слепотата за фактите и грубите предположения, които предполагат само частично обяснение на реалността.

Следователно трябва да открием някакъв метод на изследване, който позволява на ума на всеки етап да не се откъсва от ясна физическа концепция и в същото време да не бъде обвързан от теория, от която концепцията е заимствана. Благодарение на това няма да се отвличаме от темата чрез преследване на аналитични тънкости и няма да се отклоняваме от истината, заменяйки я с любима хипотеза.

За да развием физически идеи, които все още не са приели нито една конкретна физическа теория, трябва да използваме съществуването на физически аналогии. Под физическа аналогия разбирам частично сходство между законите на една наука и законите на друга, поради което всеки от тях е илюстрация за другия...”

Максуел използва образа на пространство, запълващо несвиваем флуид. Зад това не стои реален физически модел, въпреки че за простота ще използваме думата „модел“, за да обозначим това изображение. Неговата течност е просто колекция от въображаеми свойства, илюстриращи теореми на чистата математика. Така той свободно, без да се тревожи за възможността за конкретна реализация, въвежда концепцията за съпротивление R, което изпитва елемент от течността, когато се движи в пространството, и вярва, че R е пропорционално на скоростта на движение на този елемент и (т.е. R = ku). Неговата течност няма инерция, т.е. Силата на съпротивление на средата е много по-голяма от плътността. При такива условия течността се движи, ако има налягане p - Максуел въвежда такова налягане. Линиите на потока на въображаема течност са непрекъснати в цялото пространство с изключение на отделни точки - „източници“ и „поглътители“. Повърхностите с постоянен натиск винаги са перпендикулярни на линиите на ток.

Нека си представим точков източник на сила S 0 в изотропна среда, който е еквивалентен на цялото число S 0 на някои отделни източници. Течащата течност ще се движи, както е показано на фиг. 2.

Ориз. 2

Ако източникът работи достатъчно дълго и разпределението на течността е установено, тогава точно толкова течност се влива във всеки обем за единица време, колкото изтича. В този случай, както е лесно да се разбере, скоростта на флуиден елемент на разстояние r от източника ще бъде равна на u= S 0 /4?r 2 . Нека сега си представим въображаема тръба за течен поток. Тя се пресича на всяко място от въображаема перпендикулярна повърхност с еднакво налягане. И така, на фиг. 3 във всички точки на повърхността 1 налягането е равно на p 1, в точките на повърхността 2 - налягането p 2 и т.н. Нека си представим на тази картина един кубичен обем течност, който се движи перпендикулярно на лицата си? 1 и? 2 (виж фиг. 4). Тъй като съпротивлението, изпитвано от такъв обем, е равно на R = ku, тогава разликата в налягането върху лицата?p е равна на -ku. От това следва, че промяната в налягането на единица дължина по всяка линия на потока се дава от:

Сега, припомняйки си формата на закона на Кулон, можем да идентифицираме налягането p(r) с потенциала?(r), скоростта u(r) с напрегнатостта на електрическото поле (или електродвижещата сила - emf) E, източникът S0 - c електрически заряд, коефициентът k е естествено свързан с диелектричната константа на средата?. Ако има много източници в различни точки на пространството, в рамките на формулираната аналогия ще се получи правилното разпределение на полета и потенциали. В резултат на това Максуел възпроизвежда добре познатите закони на електростатиката, използвайки механичен (по-точно хидродинамичен) модел, в който няма действие на далечни разстояния.

Ориз. 3

Ориз. 4

Цялата физика, свързана с този набор от въпроси, се описва с едно уравнение:

където?(r) е плътността на заряда, div е стандартна диференциална операция, която извлича от векторното поле E частта, свързана с дивергенцията от точката. В статичен случай, когато полето E не зависи от времето, е възможно да се напише E под формата на градиент на някаква скаларна функция (потенциал):

E = -град ?(r). (1)

Всичко това вече беше добре известно преди Максуел. Уравнение (A), където вместо полето E е въведен потенциалът по формула (1), се нарича уравнение на Поасон.

Преминавайки към разглеждането на магнитните явления и взаимодействието на магнитите и токовете, Максуел вече не намира толкова проста аналогия. Той поема по пътя на превеждане на съществуващите емпирични закони на езика на диференциалните уравнения, предполагайки, че магнитните величини, в същия смисъл като електрическите, могат по някакъв начин да бъдат интерпретирани в бъдеще от гледна точка на хидродинамиката на нов магнитен флуид. Но конкретно изображение на тази течност все още не е намерено.

В тази работа възниква двойственост, която непрекъснато ще се проследява по-нататък. Желанието за механични аналогии обвързва Максуел с неговата епоха - човек не може наистина да напише уравнения за обект, който ясно има материални проявления, по-специално пренася енергия, а от друга страна, има „нищо“, празнота. В същото време предметът на изследването някак си не се вписва в приетата механична картина и Максуел трябва да следва логиката на самите уравнения, изоставяйки идеята за материален носител и признавайки непълнотата на аналогиите. Така казаното от него за принципите, върху които трябва да се гради правилната теория, остава (за щастие?) недостижим идеал.

Без връзка с конкретен модел, Максуел достига до диференцирана формулировка на закона за индукция на Фарадей, но запазва надеждата, че „чрез внимателно изучаване на свойствата на еластичните тела и движението на вискозни течности“ той ще може да намери съответния механичен образ . Междувременно той въвежда абстрактен символ A(x,t) - векторен потенциал в съвременната терминология - и го нарича "електротоничен интензитет", т.е. мярка за „електротонично състояние“. Това хипотетично състояние на материята е изобретено от Фарадей. Тя се проявява само чрез промените си във времето и пространството. Сега изглежда загадка как Фарадей е успял да види евристична стойност в такова странно действие - въвеждането на ненаблюдавана характеристика. На пръв поглед изглежда не по-малко чудо, че именно в този момент Максуел е успял да даде недвусмислена математическа интерпретация на неясните разсъждения на Фарадей. Максуел постулира закона: „Общият електротоничен интензитет по протежение на границата на повърхностния елемент е мярка за количеството магнитна индукция, преминаваща през този елемент, или, с други думи, мярка за броя на силовите линии, проникващи през дадения елемент. ” В диференциална форма (за безкрайно малки повърхностни елементи) този закон се записва като:

Глава 4 Появата на концепцията за електромагнитното поле. М. Фарадей, Дж. С. Максуел 4.1. Англия през 19 век Невъзможно е да се намери пряка връзка между такива събития като откритието на Фарадей за самоиндукция (1831 г.), въвеждането на тока на изместване от Максуел (1867 г.) и, да речем, парламентарната реформа