МАКСВЕЛЛ (Maxwell), Джеймс Клерк
Английский физик Джеймс Клерк Максвелл родился в Эдинбурге в семье шотландского дворянина из знатного рода Клерков. Учился сначала в Эдинбургском (1847–1850), затем в Кембриджском (1850–1854) университетах. В 1855 г. Максвелл стал членом совета Тринити-колледжа, в 1856–1860 гг. был профессором Маришал-колледжа Абердинского университета, с 1860 г. возглавлял кафедру физики и астрономии в Кингз-колледже Лондонского университета. В 1865 г. в связи с серьезной болезнью Максвелл отказался от кафедры и поселился в своем родовом поместье Гленлэр близ Эдинбурга. Там он продолжал заниматься наукой, написал несколько сочинений по физике и математике. В 1871 г. в Кембриджском университете занял кафедру экспериментальной физики. Максвелл организовал научно-исследовательскую лабораторию, которая открылась 16 июня 1874 г. и была названа Кавендишской – в честь Генри Кавендиша .
Свою первую научную работу Максвелл выполнил еще в школе, придумав простой способ вычерчивания овальных фигур. Эта работа была доложена на заседании Королевского общества и даже опубликована в его «Трудах». В бытность членом совета Тринити-колледжа занимался экспериментами по теории цветов, выступая как продолжатель теории Юнга и теории трех основных цветов Гельмгольца . В экспериментах по смешиванию цветов Максвелл применил особый волчок, диск которого был разделен на секторы, окрашенные в разные цвета (диск Максвелла). При быстром вращении волчка цвета сливались: если диск был закрашен так, как расположены цвета спектра, он казался белым; если одну его половину закрашивали красным, а другую – желтым, он казался оранжевым; смешивание синего и желтого создавало впечатление зеленого. В 1860 г. за работы по восприятию цвета и оптике Максвелл был награжден медалью Румфорда.
В 1857 г. Кембриджский университет объявил конкурс на лучшую работу об устойчивости колец Сатурна. Эти образования были открыты Галилеем в начале XVII в. и представляли удивительную загадку природы: планета казалась окруженной тремя сплошными концентрическими кольцами, состоящими из вещества неизвестной природы. Лаплас доказал, что они не могут быть твердыми. Проведя математический анализ, Максвелл убедился, что они не могут быть и жидкими, и пришел к заключению, что подобная структура может быть устойчивой только в том случае, если состоит из роя не связанных между собой метеоритов. Устойчивость колец обеспечивается их притяжением к Сатурну и взаимным движением планеты и метеоритов. За эту работу Максвелл получил премию Дж. Адамса.
Одной из первых работ Максвелла стала его кинетическая теория газов. В 1859 г. ученый выступил на заседании Британской ассоциации с докладом, в котором привел распределение молекул по скоростям (максвелловское распределение). Максвелл развил представления своего предшественника в разработке кинетической теории газов Рудольфа Клаузиуса , который ввел понятие «средней длины свободного пробега». Максвелл исходил из представления о газе как об ансамбле множества идеально упругих шариков, хаотически движущихся в замкнутом пространстве. Шарики (молекулы) можно разделить на группы по скоростям, при этом в стационарном состоянии число молекул в каждой группе остается постоянным, хотя они могут выходить из групп и входить в них. Из такого рассмотрения следовало, что «частицы распределяются по скоростям по такому же закону, по какому распределяются ошибки наблюдений в теории метода наименьших квадратов, т.е. в соответствии со статистикой Гаусса». В рамках своей теории Максвелл объяснил закон Авогадро, диффузию, теплопроводность, внутреннее трение (теория переноса). В 1867 г. он показал статистическую природу второго начала термодинамики.
В 1831 г., в год рождения Максвелла, Майкл Фарадей проводил классические эксперименты, которые привели его к открытию электромагнитной индукции. Максвелл приступил к исследованию электричества и магнетизма примерно 20 лет спустя, когда существовали два взгляда на природу электрических и магнитных эффектов. Такие ученые, как А. М. Ампер и Ф. Нейман, придерживались концепции дальнодействия, рассматривая электромагнитные силы как аналог гравитационного притяжения между двумя массами. Фарадей был приверженцем идеи силовых линий, которые соединяют положительный и отрицательный электрические заряды или северный и южный полюсы магнита. Силовые линии заполняют все окружающее пространство (поле, по терминологии Фарадея) и обусловливают электрические и магнитные взаимодействия. Следуя Фарадею, Максвелл разработал гидродинамическую модель силовых линий и выразил известные тогда соотношения электродинамики на математическом языке, соответствующем механическим моделям Фарадея. Основные результаты этого исследования отражены в работе «Фарадеевы силовые линии» (1857). В 1860–1865 гг. Максвелл создал теорию электромагнитного поля, которую сформулировал в виде системы уравнений (уравнения Максвелла), описывающих основные закономерности электромагнитных явлений: 1-е уравнение выражало электромагнитную индукцию Фарадея; 2-е – магнитоэлектрическую индукцию, открытую Максвеллом и основанную на представлениях о токах смещения; 3-е – закон сохранения количества электричества; 4-е – вихревой характер магнитного поля.
Продолжая развивать эти идеи, Максвелл пришел к выводу, что любые изменения электрического и магнитного полей должны вызывать изменения в силовых линиях, пронизывающих окружающее пространство, т.е. должны существовать импульсы (или волны), распространяющиеся в среде. Скорость распространения этих волн (электромагнитного возмущения) зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости среды и равна отношению электромагнитной единицы к электростатической. По данным Максвелла и других исследователей, это отношение составляет 3·10 10 см/с, что близко к скорости света, измеренной семью годами ранее французским физиком А. Физо. В октябре 1861 г. Максвелл сообщил Фарадею о своем открытии: свет – это электромагнитное возмущение, распространяющееся в непроводящей среде, т.е. разновидность электромагнитных волн. Этот завершающий этап исследований изложен в работе Максвелла «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864), а итог его работ по электродинамике подвел знаменитый «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873).
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.
МАКСВЕЛЛ (Maxwell ) Джеймс Клерк (Clerk ) (1831-79), английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики, организатор и первый директор (с 1871) Кавендишской лаборатории. Развивая идеи М. Фарадея, создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла); ввел понятие о токе смещения, предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул идею электромагнитной природы света. Установил статистическое распределение, названное его именем. Исследовал вязкость, диффузию и теплопроводность газов. Показал, что кольца Сатурна состоят из отдельных тел. Труды по цветному зрению и колориметрии (диск Максвелла), оптике (эффект Максвелла), теории упругости (теорема Максвелла, диаграмма Максвелла - Кремоны), термодинамике, истории физики и др.
МАКСВЕЛЛ (Maxwell ) Джеймс Клерк (13 июня 1831, Эдинбург, - 5 ноября 1879, Кембридж), английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики, основатель одного из крупнейших мировых научных центров конца 19 - нач. 20 вв. - Кавендишской лаборатории; создал теорию электромагнитного поля, предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул идею электромагнитной природы света, установил первый статистический закон - закон распределения молекул по скоростям, названный его именем.
Семья. Годы учения
Максвелл был единственным сыном шотландского дворянина и адвоката Джона Клерка, который, получив в наследство поместье жены родственника, урожденной Максвелл, прибавил это имя к своей фамилии. После рождения сына семья переехала в Южную Шотландию, в собственное поместье Гленлэр ("Приют в долине"), где и прошло детство мальчика. В 1841 отец отправил Джеймса в школу, которая называлась "Эдинбургская академия". Здесь в 15 лет Максвелл написал свою первую научную статью "О черчении овалов". В 1847 он поступил в Эдинбургский университет, где проучился три года, и в 1850 перешел в Кембриджский университет, который окончил в 1854. К этому времени Максвелл был первоклассным математиком с великолепно развитой интуицией физика.
Создание Кавендишской лаборатории. Преподавательская работа
По окончании университета Максвелл был оставлен в Кембридже для педагогической работы. В 1856 он получил место профессора Маришал-колледжа в Абердинском университете (Шотландия). В 1860 избран членом Лондонского королевского общества. В том же году переехал в Лондон, приняв предложение занять пост руководителя кафедры физики в Кинг-колледже Лондонского университета, где работал до 1865.
Вернувшись в 1871 в Кембриджский университет, Максвелл организовал и возглавил первую в Великобритании специально оборудованную лабораторию для физических экспериментов, известную как Кавендишская лаборатория (по имени английского ученого Г. Кавендиша). Становлению этой лаборатории, которая на рубеже 19-20 вв. превратилась в один из крупнейших центров мировой науки, Максвелл посвятил последние годы своей жизни.
Фактов из жизни Максвелла известно немного. Застенчивый, скромный, он стремился жить уединенно; дневников не вел. В 1858 Максвелл женился, но семейная жизнь, видимо, сложилась неудачно, обострила его нелюдимость, отдалила от прежних друзей. Существует предположение, что многие важные материалы о жизни Максвелла погибли во время пожара 1929 в его гленлэрском доме, через 50 лет после его смерти. Он умер от рака в возрасте 48 лет.
Научная деятельность
Необычайно широкая сфера научных интересов Максвелла охватывала теорию электромагнитных явлений, кинетическую теорию газов, оптику, теорию упругости и многое другое. Одними из первых его работ были исследования по физиологии и физике цветного зрения и колориметрии, начатые в 1852. В 1861 Максвелл впервые получил цветное изображение, спроецировав на экран одновременно красный, зеленый и синий диапозитивы. Этим была доказана справедливость трехкомпонентной теории зрения и намечены пути создания цветной фотографии. В работах 1857-59 Максвелл теоретически исследовал устойчивость колец Сатурна и показал, что кольца Сатурна могут быть устойчивы лишь в том случае, если состоят из не связанных между собой частиц (тел).
В 1855 Максвелл приступил к циклу своих основных работ по электродинамике. Были опубликованы статьи "О фарадеевых силовых линиях" (1855-56), "О физических силовых линиях" (1861-62), "Динамическая теория электромагнитного поля" (1869). Исследования были завершены выходом в свет двухтомной монографии "Трактат об электричестве и магнетизме" (1873).
Создание теории электромагнитного поля
Когда Максвелл в 1855 начал исследования электрических и магнитных явлений, многие из них уже были хорошо изучены: в частности, установлены законы взаимодействия неподвижных электрических зарядов (закон Кулона) и токов (закон Ампера); доказано, что магнитные взаимодействия есть взаимодействия движущихся электрических зарядов. Большинство ученых того времени считало, что взаимодействие передается мгновенно, непосредственно через пустоту (теория дальнодействия).
Решительный поворот к теории близкодействия был сделан М. Фарадеем в 30-е гг. 19 в. Согласно идеям Фарадея, электрический заряд создает в окружающем пространстве электрическое поле. Поле одного заряда действует на другой, и наоборот. Взаимодействие токов осуществляется посредством магнитного поля. Распределение электрических и магнитных полей в пространстве Фарадей описывал с помощью силовых линий, которые по его представлению напоминают обычные упругие линии в гипотетической среде - мировом эфире.
Максвелл полностью воспринял идеи Фарадея о существовании электромагнитного поля, то есть о реальности процессов в пространстве возле зарядов и токов. Он считал, что тело не может действовать там, где его нет.
Первое, что сделал Максвелл - придал идеям Фарадея строгую математическую форму, столь необходимую в физике. Выяснилось, что с введением понятия поля законы Кулона и Ампера стали выражаться наиболее полно, глубоко и изящно. В явлении электромагнитной индукции Максвелл усмотрел новое свойство полей: переменное магнитное поле порождает в пустом пространстве электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (так называемое вихревое электрическое поле).
Следующий, и последний, шаг в открытии основных свойств электромагнитного поля был сделан Максвеллом без какой-либо опоры на эксперимент. Им была высказана гениальная догадка о том, что переменное электрическое поле порождает магнитное поле, как и обычный электрический ток (гипотеза о токе смещения). К 1869 все основные закономерности поведения электромагнитного поля были установлены и сформулированы в виде системы четырех уравнений, получивших название Максвелла уравнений.
Из уравнений Максвелла следовал фундаментальный вывод: конечность скорости распространения электромагнитных взаимодействий. Это главное, что отличает теорию близкодействия от теории дальнодействия. Скорость оказалась равной скорости света в вакууме: 300000 км/с. Отсюда Максвелл сделал заключение, что свет есть форма электромагнитных волн.
Работы по молекулярно-кинетической теории газов
Чрезвычайно велика роль Максвелла в разработке и становлении молекулярно-кинетической теории (современное название - статистическая механика). Максвелл первым высказал утверждение о статистическом характере законов природы. В 1866 им открыт первый статистический закон - закон распределения молекул по скоростям (Максвелла распределение). Кроме того, он рассчитал значения вязкости газов в зависимости от скоростей и длины свободного пробега молекул, вывел ряд соотношений термодинамики.
Максвелл был блестящим популяризатором науки. Он написал ряд статей для Британской энциклопедии и популярные книги: "Теория теплоты" (1870), "Материя и движение" (1873), "Электричество в элементарном изложении" (1881), которые были переведены на русский язык; читал лекции и доклады на физические темы для широкой аудитории. Максвелл проявлял также большой интерес к истории науки. В 1879 он опубликовал труды Г. Кавендиша по электричеству, снабдив их обширными комментариями.
Оценка работ Максвелла
Работы ученого не были по достоинству оценены его современниками. Идеи о существовании электромагнитного поля казались произвольными и неплодотворными. Только после того, как Г. Герц в 1886-89 экспериментально доказал существование электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом, его теория получила всеобщее признание. Произошло это спустя десять лет после смерти Максвелла.
После экспериментального подтверждения реальности электромагнитного поля было сделано фундаментальное научное открытие: существуют различные виды материи, и каждому из них присущи свои законы, не сводимые к законам механики Ньютона. Впрочем, сам Максвелл вряд ли отчетливо это сознавал и первое время пытался строить механические модели электромагнитных явлений.
О роли Максвелла в развитии науки превосходно сказал американский физик Р. Фейнман: "В истории человечества (если посмотреть на нее, скажем, через десять тысяч лет) самым значительным событием 19 столетия, несомненно, будет открытие Максвеллом законов электродинамики. На фоне этого важного научного открытия гражданская война в Америке в том же десятилетии будет выглядеть провинциальным происшествием".
Максвелл похоронен не в усыпальнице великих людей Англии - Вестминстерском аббатстве, - а в скромной могиле рядом с его любимой церковью в шотландской деревушке, недалеко от родового поместья.
Джеймс-Клерк МАКСВЕЛЛ (Maxwell)
(13.6.1831, Эдинбург, - 5.11.1879, Кембридж)
Джеймс-Клерк Максвелл -- английский физик, создатель классической электродинамики, один из основателей статистической физики, родился в Эдинбурге в 1831 году.
Максвелл - сын шотландского дворянина из знатного рода Клерков. Учился в Эдинбургском (1847-50) и Кембриджском (1850-54) университетах. Член Лондонского королевского общества (1860). Профессор Маришал-колледжа в Абердине (1856-60), затем Лондонского университета (1860-65). С 1871 года Максвелл -- профессор Кембриджского университета. Там он основал первую в Великобритании специально оборудованную физическую лабораторию - Кавендишскую лабораторию, директором которой он был с 1871 года.
Научная деятельность Максвелла охватывает проблемы электромагнетизма, кинетической теории газов, оптики, теории упругости
и многое другое. Свою первую работу "О черчении овалов и об овалах со многими фокусами" Максвелл выполнил, когда ему ещё не было 15 лет (1846 г., опубликована в 1851 г.). Одними из первых его исследований были работы по физиологии и физике цветного зрения и колориметрии (1852-72). В 1861 году Максвелл впервые демонстрировал цветное изображение, полученное от одновременного проецирования на экран красного, зелёного и синего диапозитивов, доказав этим справедливость трёхкомпонентной теории цветного зрения и одновременно наметив пути создания цветной фотографии. Он создал один из первых приборов для количественного измерения цвета, получившего название диска Максвелл.
В 1857-59 гг. Максвелл провёл теоретическое исследование устойчивости колец Сатурна и показал, что кольца Сатурна могут быть устойчивыми лишь в том случае, если они состоят из не связанных между собой твёрдых частиц.
В исследованиях по электричеству и магнетизму (статьи "О фарадеевых силовых линиях", 1855-56 гг.; "О физических силовых линиях", 1861-62 гг.; "Динамическая теория электромагнитного поля", 1864 г.; двухтомный фундаментальный "Трактат об электричестве и магнетизме", 1873 г.) Максвелл математически развил воззрения Майкла Фарадея на роль промежуточной среды в электрических и магнитных взаимодействиях. Он попытался (вслед за Фарадеем) истолковать эту среду как всепроникающий мировой эфир, однако эти попытки не были успешны.
Дальнейшее развитие физики показало, что носителем электромагнитных взаимодействий является электромагнитное поле
, теорию которого (в классической физике) Максвелл и создал. В этой теории Максвелл обобщил все известные к тому времени факты макроскопической электродинамики и впервые ввёл представление о токе смещения, порождающем магнитное поле подобно обычному току (току проводимости, перемещающимся электрическим зарядам). Максвелл выразил законы электромагнитного поля в виде системы 4 дифференциальных уравнений в частных производных (уравнения Максвелла
).
Общий и исчерпывающий характер этих уравнений проявился в том, что их анализ позволил предсказать многие неизвестные до того явления и закономерности.
Так, из них следовало существование электромагнитных волн, впоследствии экспериментально открытых Г. Герцем. Исследуя эти уравнения, Максвелл пришёл к выводу об электромагнитной природе света (1865 г.) и показал, что скорость любых других электромагнитных волн в вакууме равна скорости света.
Он измерил (с большей точностью, чем В. Вебер и Ф. Кольрауш в 1856 году) отношение электростатической единицы заряда к электромагнитной и подтвердил его равенство скорости света. Из теории Максвелл вытекало, что электромагнитные волны производят давление.
Давление света было экспериментально установлено в 1899 П. Н. Лебедевым.
Теория электромагнетизма Максвелл получила полное опытное подтверждение и стала общепризнанной классической основой современной физики. Роль этой теории ярко охарактеризовал А. Эйнштейн: "... тут произошел великий перелом, который навсегда связан с именами Фарадея, Максвелла, Герца. Львиная доля в этой революции принадлежит Максвеллу… После Максвелла физическая реальность мыслилась в виде непрерывных, не поддающихся механическому объяснению полей... Это изменение понятия реальности является наиболее глубоким и плодотворным из тех, которые испытала физика со времен Ньютона
".
В исследованиях по молекулярно-кинетической теории газов (статьи "Пояснения к динамической теории газов", 1860 г., и "Динамическая теория газов", 1866 г.) Максвелл впервые решил статистическую задачу о распределении молекул идеального газа по скоростям (распределение Максвелла
). Максвелл рассчитал зависимость вязкости газа от скорости и длины свободного пробега молекул (1860), вычислив абсолютную величину последней, вывел ряд важных соотношений термодинамики (1860). Экспериментально измерил коэффициент вязкости сухого воздуха (1866). В 1873-74 гг. Максвелл открыл явление двойного лучепреломления в потоке (эффект Максвелла
).
Максвелл был крупным популяризатором науки. Он написал ряд статей для Британской энциклопедии, популярные книги - такие как "Теория теплоты" (1870), "Материя и движение" (1873), "Электричество в элементарном изложении" (1881), переведённые на русский язык. Важным вкладом в историю физики является опубликование Максвеллом рукописей работ Г. Кавендиша по электричеству (1879) с обширными комментариями.
Джеймс Кларк Максвелл прожил всего 48 лет, но его вклад в математику, физику и механику трудно переоценить. Сам Альберт Эйнштейн заявил, что теорией относительности он обязан уравнениям Максвелла для электромагниного поля.
В Эдинбурге на улице Индии есть дом, на стене которого висит мемориальная доска:
"Джеймс Кларк Максвелл
Естествоиспытатель
Родился здесь 13 июня 1831 года".
Будущий великий ученый принадлежал к старинной дворянской семье и большую часть детства провел в имении своего отца Миддлби, располагавшемся в Южной Шотландии. Он рос любопытным и активным ребенком, и уже тогда родные отмечали, что его любимые вопросы: "Как это сделать?" и "Как это происходит?".
Когда Джеймсу исполнилось десять, по решению семьи, он поступил в Эдинбургскую академию, где учился прилежно, хотя и не проявляя никаких особых талантов. Однако увлекшись геометрией, Максвелл изобрел новый способ рисования овалов. Содержание его работы, посвященной геометрии овальных кривых, было изложено в "Трудах Эдинбургского королевского общества" за 1846 год. Автору тогда исполнилось только четырнадцать лет. В шестнадцать Максвелл отправился в Эдинбургский университет, выбрав основными предметами физику и математику. Кроме того, он заинтересовался проблемами философии, прослушал курсы логики и метафизики.
Уже упомянутые "Труды Эдинбургского королевского общества" опубликовали еще два сочинения талантливого студента - о кривых качения и об упругих свойствах твердых тел. Последняя тема имела важное значение для строительной механики.
Проучившись в Эдинбурге, девятнадцатилетний Максвелл перебрался в Кембриджский университет, сначала в колледж Святого Петра, потом в более престижный колледж Святой Троицы. Изучение математики там было поставлено на более глубоком уровне, и требования к студентам заметно выше, чем в Эдинбурге. Несмотря на это, Максвеллу удалось показать второй результат на публичном трехступенчатом экзамене по математике на степень бакалавра.
В Кембридже Максвелл много общался с разными людьми, вступил в клуб апостолов, состоявший из 12 членов, объединенных широтой и оригинальностью мышления. Он участвовал в деятельности Рабочего колледжа, созданного для образования простых людей, читал там лекции.
Осенью 1855 года, когда Максвелл закончил учебу, его приняли в состав колледжа Святой Троицы и предложили остаться преподавать. Чуть позже он вошел в Эдинбургское королевское общество - национальное научное объединение Шотландии. В 1856 году Максвелл покинул Кембридж ради профессорского места в Маришальском колледже шотландского города Абердина.
Подружившись с директором колледжа преподобным Дэниэлом Дьюаром, Максвелл познакомился с его дочерью Кэтрин Мэри. Они объявили о помолвке в конце зимы 1858 года, а в июне обвенчались. По воспоминаниям биографа и друга ученого Льюиса Кэмпбелла, их брак оказался примером невероятной преданности. Известно, что Кэтрин помогала мужу в лабораторных исследованиях.
В целом, абердинский период был очень плодотворным в жизни Максвелла. Еще в Кембридже он занялся исследованием строения колец Сатурна, и в 1859 году в свет вышла его монография, где он доказывал, что они представляют собой твердые тела, вращающиеся вокруг планеты. Тогда же ученый написал статью "Пояснения к динамической теории газов", в которой вывел функцию, отражающую распределение молекул газа в зависимости от их скорости, впоследствии названную распределением Максвелла. Это был один из первых примеров статистических законов, которые описывают поведение не одного объекта или отдельной частицы, а поведение множества объектов или частиц. Придуманный исследователем позже "демон Максвелла" - мысленный эксперимент, в котором некое разумное бестелесное существо разделяет молекулы газа по скоростям, - продемонстрировал статистический характер второго закона термодинамики.
В 1860 году несколько колледжей объединили в Абердинский университет и часть кафедр упразднили. Под сокращение попал и молодой профессор Максвелл. Но он недолго оставался без работы, практически сразу его пригласили преподавать в Лондонский королевский колледж, где он пробыл последующие пять лет.
В том же году на собрании Британской ассоциации ученый прочел доклад о своих разработках, касающихся восприятия цвета, за которые позже получил медаль Румфорда от Лондонского королевского общества. Доказывая правоту собственной теории цвета, Максвелл предъявил на суд публики новинку, поразившую ее воображение, - цветную фотографию. До него никто не мог ее получить.
В 1861 году Максвелл получил назначение в Комитет по эталонам, созданный для того, чтобы определить главные электрические единицы.
Кроме того, Максвелл не отказался от исследований упругости твердых тел и за полученные результаты удостоился премии Кейта Эдинбургского королевского общества.
Работая в Лондонском королевском колледже, Максвелл завершил создание своей теории электромагнитного поля. Саму идею поля предложил знаменитый физик Майкл Фарадей, но его знаний не хватало, чтобы представить свое открытие на языке формул. Математическое описание электромагнитных полей стало главной научной проблемой для Максвелла. Опираясь на метод аналогий, благодаря которому было зафиксировано сходство между электрическим взаимодействием и теплопередачей в твердом теле, ученый перенес данные исследований теплоты на электричество и первым смог математически обосновать передачу электрического действия в среде.
1873 год ознаменовался выходом "Трактата об электричестве и магнетизме", чье значение сопоставимо со значением "Математических начал философии" Ньютона. С помощью уравнений Максвелл описал электромагнитные явления, сделал выводы о том, что существуют электромагнитные волны, что они распространяются со скоростью света и сам свет имеет электромагнитную природу.
"Трактат" издали, когда Максвелл уже два года (с 1871) занимал должность главы физической лаборатории Кембриджского университета, чье создание означало признание в ученом сообществе огромной важности экспериментального подхода к исследованиям.
Не менее значимой задачей Максвелл видел популяризацию науки. Для этого он писал статьи для энциклопедии "Британника", работы, где пытался на простом языке объяснить основные представления о материи, движении, электричестве, атомах и молекулах.
В 1879 году здоровье Максвелла сильно пошатнулось. Он знал, что тяжело болен, и его диагноз - рак. Понимая, что обречен, он мужественно переносил боли и спокойно встретил смерть, наступившую 5 ноября 1879 года.
Хотя труды Максвелла получили достойную оценку еще при жизни ученого, но их настоящая значимость стала понятна только годы спустя, когда в ХХ веке понятие поля надежно закрепилось в научном обиходе, а Альберт Эйнштейн заявил, что уравнения Максвелла для электромагнитного поля предшествовали его теории относительности.
Память ученого увековечена в названиях одного из строений Эдинбургского университета, главного корпуса и концертного холла Сэлфордского университета, Центра Джеймса Клерка Максвелла Эдинбургской академии. В Абердине и Кембридже можно найти улицы, названные в его честь. В Вестминстерском аббатстве есть мемориальная плита, посвященная Максвеллу, а посетители картинной галереи Абердинского университета могут увидеть бюст ученого. В 2008 году в Эдинбурге был установлен бронзовый памятник Максвеллу.
Множество организаций и наград также связаны с именем Максвелла. Физическая лаборатория, которой он руководил, учредила стипендию для самых способных аспирантов. Британский Институт физики вручает медаль и премию Максвелла молодым физикам, которые внесли значительный вклад в науку. В Университете Лондона есть должность максвелловского профессора и студенческое общество Максвелла. Созданный в 1977 году, Фонд Максвелла организует конференции по физике и математике.
Наряду с признанием Максвелл был назван самым известным шотландским ученым по итогам опроса 2006 года, всё это свидетельствует о той великой роли, которую он сыграл в истории науки.