Многие научные издания и журналы в последнее время публикуют статьи о достижениях в физике и современных ученных и редко встречаются публикации о физиках прошлого. Нам бы хотелось исправить это положение и вспомнить об одном из выдающихся физиков прошлого века Джеймсе Клерке Максвелле. Это известный английский физик, отец классической электродинамики, статистической физики и многих других теорий, физических формул и изобретений. Максвелл стал создателем и первым руководителем Кавендишской лаборатории.Как известно, Максвелл выходцем из Эдинбурга и родился в 1831 году в дворянской семье, которая имела родственную связь с шотландской фамилией Клерков Пеникуик. Детство Максвелла прошло в поместье Гленлэр. Предки Джеймса были политическими деятелями, поэтами, музыкантами и учеными. Наверное, склонность к наукам ему передалась по наследству.
Джеймс воспитывался без матери (так как она умерла, когда ему было 8 лет) отцом, который заботливо относился к мальчику. Отец хотел, чтобы его сын изучал естественные науки. Джеймс сразу полюбил технику и быстро развивал практические навыки. Первые уроки на дому маленький Максвелл воспринял с упорством, так как ему не были по душе жесткие методы воспитания, применяемые учителем. Дальнейшее обучение проходило в аристократической школе, где у мальчика проявились большие математические способности. Особенно Максвеллу нравилась геометрия.
Многим великим людям геометрия казалась потрясающей наукой, и даже Эйнштейн в 12 лет говорил об учебнике геометрии, как о святой книге. Максвелл любил геометрию не хуже других научных светил, но у него плохо складывались отношения со школьными товарищами. Они постоянно придумывали ему обидные прозвища и одной из причин была его нелепая одежда. Отец Максвелла считался чудаком и покупал сыну одежду, которая вызывала улыбку.
Максвелл уже в детстве подавал большие надежды в области науки. В 1814 году его отдали учиться Эдинбургскую гимназию, а в 1846 году ему вручили медаль за заслуги в области математики. Его отец гордился своим сыном и ему предоставилась возможность представлять одну из научных работ сына перед коллегией Эдинбургской Академии наук. Эта работа касалось математических расчетов эллиптических фигур. Тогда эта работа имела название «О черчении овалов и об овалах со многими фокусами». Она была написана в 1846 году, а опубликована для широких масс в 1851.
Усиленно изучать физику Максвелл начал после перевода в Эдинбургский университет. Его учителями стали Калланд, Форбс и другие. Они сразу увидели в Джеймсе высокий интеллектуальный потенциал и неудержимое стремление изучать физику. До этого периода Максвелл сталкивался с отдельными разделами физики и изучал оптику (посвятил много времени поляризации света и кольцам Ньютона). В этом ему помогал известный физик Вильям Николь, который в свое время изобрел призму.
Конечно, Максвеллу не были чужды другие естественные науки, и он особое внимание уделял изучению философии, истории науки и эстетики.
В 1850 году он поступает в Кембридж, в котором когда-то работал Ньютон и в 1854 году получает академическую степень. После этого его исследования коснулись области электричества и электроустановок. А в 1855 году ему предоставили членство в совете Тринити-колледжа.
Первая значительная научная работа Максвелла – это «О фарадеевых силовых линиях», которая появилась в 1855 году. В свое время Больцман сказал о статье Максвелла, что данная работа имеет глубокий смысл и показывает насколько целеустремленно подходит к научной работе молодой ученый. Больцман считал, что Максвелл не только разбирался в вопросах естествознания, но и внес особый вклад в теоретическую физику. Максвелл обозначил в своей статье все тенденции эволюции физики на несколько последующих десятилетий. Позже к такому же выводу пришел Кирхгоф, Маха и Герц.
Как образовалась Кавендишская лаборатория?
После завершения учебы в Кембридже Джеймс Максвелл остается здесь, как преподаватель и в 1860 году он становится членом Лондонского королевского общества. В это же время он переезжает в Лондон, где ему предоставляют место руководителя кафедры физики в Кинг-колледже Лондонского университета. На этой должности он проработал 5 лет.
В 1871 году Максвелл возвращается в Кембридж и создает первую в Англии лабораторию для исследований в области физики, которая получила название Кавендишская лаборатория (в честь Генри Кавендиша). Развитию лаборатории, которая стала настоящим центром научных исследований, Максвелл посвятил остаток своей жизни.
О жизни Максвелла известно мало, так как он не вел записей и дневников. Это был скромный и застенчивый человек. Умер Максвелл в возрасте 48 лет от онкологического заболевания.
Какое научное наследие Джеймса Максвелла?
Научная деятельность Максвелла охватывала многие направления в физике: теория электромагнитных явлений, кинематическая теория газов, оптика, теория упругости и другие. Первое, что заинтересовало Джеймса Максвелла – это изучение и проведение исследований в физиологии и физике цветного зрения.
Максвеллу впервые удалось получить цветное изображение, которое получилось благодаря одновременной проекции красного, зеленного и синего диапазона. Этим Максвелл очередной раз доказал миру, что цветной образ зрения основан на трехкомпонентной теории. Данное открытие положило начало создания цветных фотографий. В период с 1857-1859 года Максвеллу удалось исследовать устойчивость колец Сатурна. Его теория говорит о том, что кольца Сатурна будут устойчивы только при одном условии – несвязанности между собой частиц или тел.
С 1855 года Максвелл уделял особое внимание работе в области электродинамики. Существует несколько научных работ этого периода «О фарадеевых силовых линиях», « О физических силовых линиях», «Трактат об электричестве и магнетизме» и «Динамическая теория электромагнитного поля».
Максвелл и теория электромагнитного поля.
Когда Максвелл стал изучать электрические и магнитные явления, то многие из них уже были хорошо исследованы. Был создан закон Кулона, закон Ампера, также было доказано, что магнитные взаимодействия связаны действием электрических зарядов. Многие ученые того времени были сторонниками теории дальнодействия, которая утверждает, что взаимодействие происходит мгновенно и в пустом пространстве.
Главную роль в теории близкодействия сыграли исследования Майкла Фарадея (30-е годы XIX века). Фарадей утверждал, что природа электрического заряда основана на окружающем пространстве электрического поля. Поле одного заряда связано с соседним в двух направлениях. Токи взаимодействуют при помощи магнитного поля. Магнитные и электрические поля по Фарадею описаны им в виде силовых линий, которые являются упругими линиями в гипотетической среде – в эфире.
Максвелл поддерживал теорию Фарадея о существовании электромагнитных полей, то есть был сторонником возникающих процессов вокруг заряда и тока.
Максвелл объяснил идеи Фарадея в математическом виде, в чем очень нуждалась физика. При введении понятия поля законы Кулона и Ампера стали более убедительными и глубоко осмысленными. В понятии электромагнитной индукции Максвелл сумел рассмотреть свойства самого поля. Под действием переменного магнитного поля в пустом пространстве зарождается электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями. Такое явление называется вихревым электрическим полем.
Следующим открытием Максвелла было то, что переменное электрическое поле может порождать магнитное поле, на подобии обычного электрического тока. Эту теорию назвали – гипотезой о токе смещения. В дальнейшем поведение электромагнитных полей Максвелл выразил в своих уравнениях.
Справка. Уравнения Максвелла – это уравнения описывающие электромагнитные явления в различных средах и вакуумном пространстве, а также относятся к классической макроскопической электродинамике. Это логический вывод, сделанный с опытов, основанных на законах электрических и магнитных явлений.
Основным выводом уравнений Максвелла является конечность распространения электрических и магнитных взаимодействий, что разграничивало теорию близкодействия и теорию дальнодействия. Скоростные характеристики приблизились к скорости света 300000 км/с. Это дало повод Максвеллу утверждать, что свет это явление, связанное с действием электромагнитных волн.
Молекулярно-кинетическая теория газов Максвелла.
Максвелл внес свою лепту в изучение молекулярно-кинетической теории ( сейчас данная наука называется статистическая механика). Максвеллу первому пришла в голову идея о статистическом характере законов природы. Он создал закон распределения молекул по скоростям, а так же ему удалось рассчитать вязкость газов в отношении скоростных показателей и длины свободного пробега молекул газа. Также благодаря работам Максвелла мы имеем ряд соотношений термодинамики.
Справка. Распределение Максвелла – это теория распределения по скоростям молекул системы в условиях термодинамического равновесия. Термодинамическое равновесие – это условие поступательного движения молекул описанное законами классической динамики.
У Максвелла было множество научных трудов, которые были опубликованы: «Теория теплоты», «Материя и движение», « Электричество в элементарном изложении» и другие. Максвелл не только двигал науку в период, но и интересовался ее историей. В свое время ему удалось опубликовать труды Г. Кавендиша, которые он дополнил своими комментариями.
Чем запомнился миру Джеймс Клерк Максвелл?
Максвелл вел активную работу по изучению электромагнитных полей. Его теория об их существовании получила всемирное признание только спустя десятилетие после его смерти.
Максвелл первый классифицировал материи и присвоил каждой свои законы, которые не сводились к законам механики Ньютона.
О максвелле писали многие ученные. Физик Р. Фейнман сказал о нем, что Максвелл, открывший законы электродинамики, смотрел через века в будущее.
Эпилог. Джеймс Клерк Максвелл умер 5 ноября 1879 года в Кембридже. Его похоронили в небольшой шотландской деревушке возле его любимой церкви, которая находится не далеко возле его родового поместья.
