Главная
Биогафии
Дж максвел. Научные труды Джеймс Максвелл

Дж максвел. Научные труды Джеймс Максвелл

(13.06.1831 - 05.11.1879)

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

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

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

Свою первую научную работу Максвелл выполнил еще в школе: в возрасте 15 лет он придумал простой способ вычерчивания овальных фигур. Эта работа была доложена на заседании Королевского общества и даже опубликована в его "Трудах". В бытность членом Тринити-колледжа он занимался экспериментами по теории цветов, выступая как продолжатель теории Юнга и теории трех основных цветов Гельмгольца. В своих экспериментах по смешиванию цветов Максвелл применил особый волчок, диск которого был разделен на секторы, окрашенные в разные цвета ("диск Максвелла"). При быстром вращении волчка цвета сливались: если диск был закрашен так, как расположены цвета спектра, он казался белым; если одну его половину закрашивали красным, а другую - желтым, он казался оранжевым; смешивание синего и желтого создавало впечатление зеленого. Разные комбинации цветов давали разные оттенки. Несколько позже Максвелл с успехом демонстрировал этот прибор на своих лекциях в Королевском обществе. В 1860 за работы по восприятию цвета и оптике он был награжден медалью Румфорда.

В 1857 Кембриджский университет объявил конкурс на лучшую работу об устойчивости колец Сатурна, в котором Максвелл решил принять участие. Эти образования были открыты Галилеем в начале 17 в. и представляли удивительную загадку природы: планета казалась окруженной тремя сплошными концентрическими кольцами, состоящими из вещества неизвестной природы. Лаплас доказал, что они не могут быть твердыми. Проведя математический анализ, Максвелл убедился, что они не могут быть и жидкими, и пришел к заключению, что подобная структура является устойчивой только в том случае, если она состоит из роя не связанных между собой метеоритов. Устойчивость колец обеспечивается их притяжением к Сатурну и взаимным движением планеты и метеоритов. За эту работу Максвелл получил премию Дж.Адамса и сразу же стал лидером математической физики.

Одной из первых работ Максвелла, внесших наиболее весомый вклад в науку, стала его кинетическая теория газов. В 1859 он выступил на заседании Британской ассоциации с докладом, в котором дал вывод распределения молекул по скоростям (максвелловское распределение). Максвелл развил представления своего предшественника в разработке кинетической теории газов Р.Клаузиуса, который ввел понятие "средней длины свободного пробега" (среднего расстояния, проходимого молекулой газа между ее столкновением с другой молекулой). Максвелл исходил из представления о газе как об ансамбле множества идеально упругих шариков, хаотически движущихся в замкнутом пространстве и претерпевающих лишь упругие столкновения. Шарики (молекулы) можно разделить на группы по скоростям, при этом в стационарном состоянии число молекул в каждой группе остается постоянным, хотя они могут выходить из групп и входить в них. Из такого рассмотрения следовало, что "частицы распределяются по скоростям по такому же закону, по какому распределяются ошибки наблюдений в теории метода наименьших квадратов, т.е. в соответствии со статистикой Гаусса". Так впервые в описание физических явлений вошла статистика. В рамках своей теории Максвелл объяснил закон Авогадро, диффузию, теплопроводность, внутреннее трение (теория переноса).

В 1867 показал статистическую природу второго начала термодинамики ("демон Максвелла"). В 1831, в год рождения Максвелла, М.Фарадей проводил классические эксперименты, которые привели его к открытию электромагнитной индукции. Максвелл приступил к исследованию электричества и магнетизма примерно 20 лет спустя, когда существовали два взгляда на природу электрических и магнитных эффектов. Такие ученые, как А.М.Ампер и Ф.Нейман, придерживались концепции дальнодействия, рассматривая электромагнитные силы как аналог гравитационного притяжения между двумя массами. Фарадей был приверженцем идеи силовых линий, которые соединяют положительный и отрицательный электрические заряды или северный и южный полюсы магнита. Они заполняют все окружающее пространство (поле, по терминологии Фарадея) и обусловливают электрические и магнитные взаимодействия. Максвелл самым тщательным образом изучил работы Фарадея и почти всю свою творческую жизнь развивал идеи поля.

Следуя Фарадею, он разработал гидродинамическую модель силовых линий и выразил известные тогда соотношения электродинамики на математическом языке, соответствующем механическим моделям Фарадея. Основные результаты этого исследования отражены в работе Фарадеевы силовые линии (Faraday"s Lines of Force), направленной Фарадею в 1857. В 1860-1865 Максвелл создал теорию электромагнитного поля, которую он сформулировал в виде системы уравнений (уравнения Максвелла), описывающих все основные закономерности электромагнитных явлений: 1-е уравнение выражало электромагнитную индукцию Фарадея; 2-е - магнитоэлектрическую индукцию, открытую Максвеллом и основанную на представлениях о токах смещения; 3-е - закон сохранения количества электричества; 4-е - вихревой характер магнитного поля. Продолжая развивать эти идеи, Максвелл пришел к выводу, что любые изменения электрического и магнитного полей должны вызывать изменения в силовых линиях, пронизывающих окружающее пространство, т.е. должны существовать импульсы (или волны), распространяющиеся в среде. Скорость распространения этих волн (электромагнитного возмущения) зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости среды и равна отношению электромагнитной единицы электричества к электростатической. По данным Максвелла и других исследователей, это отношение составляет 3Ч1010 см/с, что очень близко к скорости света, измеренной семью годами ранее французским физиком А.Физо.

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

Международный университет природы, общества и человека «Дубна»
Кафедра устойчивого инновационного развития
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

на тему:


«Вклад в науку Джеймса Клерка Максвелла»

Выполнила: Плешкова А.В., гр. 5103

Проверил: Большаков Б. Е.

Дубна, 2007


Формулы, к которым мы приходим, должны быть такими, чтобы представитель любого народа, подставляя вместо символов численные значения величин, измеренные в его национальных единицах, получил бы верный результат.

Дж.К.Максвелл

Биография 5

Открытия Дж. К. Максвелла 8

Эдинбург. 1831-1850 8

Детство и школьные годы 8

Первое открытие 9

Эдинбургский университет 9

Оптико-механические исследования 9

1850-1856 Кембридж 10

Занятия электричеством 10

Абердин 1856-1860 12

Трактат о кольцах Сатурна 12

Лондон – Гленлейр 1860-1871 13

Первая цветная фотография 13

Теория вероятностей 14

Механическая модель Максвелла 14

Электромагнитные волны и электромагнитная теория света 15

Кембридж 1871-1879 16

Кавендишская лаборатория 16

Мировое признание 17

Размерность 18

Закон сохранения мощности 22

Список используемой литературы 23

Введение

Сегодня значительный интерес вызывают воззрения Дж. К. Максвелла, одного из крупнейших физиков прошлого, с именем которого связаны фундаментальные научные достижения, входящие в золотой фонд современной науки. Максвелл интересен нам как выдающийся методолог и историк науки, глубоко понимавший всю сложность и противоречивость процесса научного исследования. Анализируя взаимосвязь между теорией и действительностью, Максвелл потрясенно воскликнул: «Но кто введет меня в еще более скрытую туманную область, где Мысль сочетается с Фактом, где мы видим умственную работу математика и физическое действие молекул в их истинном соотношении? Разве дорога к ним не проходит через самое логовище метафизиков, усеянное останками предыдущих исследователей и внушающее ужас каждому человеку науки?.. В нашей повседневной работе мы приходим к вопросам того же рода, что и метафизики, но, не полагаясь на врожденную проницательность нашего ума, мы подходим к ним подготовленные длительным приспособлением нашего образа мыслей к фактам внешней природы». (Джемс Клерк Максвелл. Статьи и речи. М., «Наука», 1968. С.5).

Биография

Родился в семье шотландского дворянина из знатного рода Клерков. Учился сначала в Эдинбургском (1847-1850), затем в Кембриджском (1850-1854) университетах. В 1855 году стал членом совета Тринити-колледжа, в 1856-1860 гг. был профессором Маришал-колледжа Абердинского университета, с 1860 года возглавлял кафедру физики и астрономии в Кингз-колледже Лондонского университета. В 1865 году в связи с серьезной болезнью Максвелл отказался от кафедры и поселился в своем родовом поместье Гленлэр близ Эдинбурга. Продолжал заниматься наукой, написал несколько сочинений по физике и математике. В 1871 году в Кембриджском университете занял кафедру экспериментальной физики. Организовал научно-исследовательскую лабораторию, которая открылась 16 июня 1874 года и была названа Кавендишской - в честь Г. 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 году за работы по восприятию цвета и оптике Максвелл был награжден медалью Румфорда.

В 1857 году 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 году 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 Р. 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 году показал статистическую природу второго начала термодинамики («демон Максвелла»).

В 1831 году, в год рождения Максвелла, М. Фарадей проводил классические эксперименты, которые привели его к открытию электромагнитной индукции. Максвелл приступил к исследованию электричества и магнетизма примерно 20 лет спустя, когда существовали два взгляда на природу электрических и магнитных эффектов. Такие ученые, как А. М. Ампер и Ф. Нейман, придерживались концепции дальнодействия, рассматривая электромагнитные силы как аналог гравитационного притяжения между двумя массами. Фарадей был приверженцем идеи силовых линий, которые соединяют положительный и отрицательный электрические заряды или северный и южный полюсы магнита. 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» (Faraday’s Lines of Force, 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 3Ч1010 см/с, что близко к скорости света, измеренной семью годами ранее французским физиком А. Физо. В октябре 1861 года 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» (Treatise on Electricity and Magnetism, 1864), а итог его работ по электродинамике подвел знаменитый «Трактат об электричестве и магнетизме». (1873)

Последние годы жизни Максвелл занимался подготовкой к печати и изданием рукописного наследия Кавендиша. Два больших тома вышли в октябре 1879 года.

Открытия Дж. К. Максвелла

Эдинбург. 1831-1850

Детство и школьные годы

13 июня 1831 года в Эдинбурге в доме номер 14 по улице Индии Франсез Кей, дочь эдинбургского судьи, после замужества – миссис Клерк Максвелл, родила сына Джеймса. В этот день во всем мире не произошло ничего сколько-нибудь значительного, еще не свершилось главное событие 1831 года. Но уже одиннадцать лет гениальный Фарадей пытается постичь тайны электромагнетизма, и лишь сейчас, летом 1831 года, он напал на след ускользающей электромагнитной индукции, и Джеймсу будет всего лишь четыре месяца, когда Фарадей подведет итог своему эксперименту «по получению электричества из магнетизма». И тем самым откроет новую эпоху – эпоху электричества. Эпоху, для которой предстоит жить и творить маленькому Джеймсу, потомку славных родов шотландских Клерков и Максвеллов.

Отец Джеймса, Джон Клерк Максвелл, адвокат по профессии, ненавидел юриспруденцию и питал неприязнь, как сам он говорил, к «грязным адвокатским делишкам». Как только случалась возможность, Джон прекращал бесконечное шарканье по мраморным вестибюлям Эдинбургского суда и посвящал себя научным экспериментам, которыми он между делом, по-любительски занимался. Он был дилетантом, сознавал это и тяжело переживал. Джон был влюблен в науку, в ученых, в людей практической сметки, в своего ученого деда Джорджа. Именно попытки сконструировать воздуходувные мехи, которые проводились совместно с братом Франсез Кей, свели его с будущей женой; свадьба состоялась 4 октября 1826 года. Воздуходувные мехи так никогда и не заработали, зато на свет появился сын Джеймс.

Когда Джеймсу было восемь, скончалась его мать, и он остался жить с отцом. Его детство заполнено природой, общением с отцом, книгами, рассказами о родных, «научными игрушками», первыми «открытиями». Родных Джеймса беспокоило то, что он не получает систематического образования: случайное чтение всего того, что есть в доме, уроки астрономии на крыльце дома и в гостиной, где Джеймс вместе с отцом построил «небесный глобус». После неудачной попытки обучения у частного преподавателя, от которого Джеймс часто сбегал к более увлекательным занятиям, было решено отправить его учиться в Эдинбург.

Несмотря на домашнее образование, Джеймс удовлетворял высоким требованиям Эдинбургской академии и был зачислен туда в ноябре 1841 года. Его успехи в классе были далеко не блестящи. Он легко мог бы выполнять задания лучше, но дух соревнования в малоприятных занятиях был для него глубоко чуждым. После первого же школьного дня он не сошелся с одноклассниками, и поэтому больше всего на свете Джеймс любил бывать один и рассматривать окружающие предметы. Одним из самых ярких событий, несомненно, скрасившее унылые школьные дни, было посещение вместе с отцом Эдинбургского королевского общества, где были выставлены первые «электромагнетические машины».

Эдинбургское королевское общество изменило жизнь Джеймса: именно там он получил первые понятия о пирамиде, кубе, других правильных многогранниках. Совершенство симметрии, закономерные превращения геометрических тел изменили понятие Джеймса об учении – он увидел в учении зерно красоты и совершенства. Когда пришло время экзаменов, ученики академии поразились – «дуралей», как они называли Максвелла, стал одним из первых.

Первое открытие

Если раньше отец изредка брал Джеймса на свое любимое развлечение – заседания Эдинбургского королевского общества, то теперь посещения этого общества, а также Эдинбургского общества искусств вместе с Джеймсом стали для него регулярными и обязательными. В заседаниях Общества искусств самым известным, собирающим толпы людей лектором был мистер Д.Р. Хей, художник-декоратор. Именно его лекции натолкнули Джеймса на его первое серьезное открытие – простой инструмент для рисования овалов. Джеймс нашел оригинальный и в тоже время очень простой способ, а главное, абсолютно новый. Принцип своего метода он описал в коротенькой «статье», которая была прочитана в Эдинбургском королевском обществе – честь, которой добивались многие, а удостоился четырнадцатилетний школьник.

Эдинбургский университет

Оптико-механические исследования

В 1847 году обучение в Эдинбургской академии заканчивается, Джеймс – один из первых, забыты обиды и треволнения первых лет.

После окончания академии Джеймс поступает в Эдинбургский университет. В это же время он всерьез начинает интересоваться оптическими исследованиями. Утверждения Брюстера натолкнули Джеймса на мысль, что изучение пути лучей можно использовать для определения упругости среды в разных направлениях, для обнаружения напряжений в прозрачных материалах. Таким образом, исследование механических напряжений можно свести к оптическому исследованию. Два луча, разделившиеся в напряженном прозрачном материале, будут взаимодействовать, рождая характерные красочные картины. Джеймс показал, что цветные картины носят вполне закономерный характер и могут быть использованы для расчетов, для проверки выведенных ранее формул, для выведения новых. Оказалось, что некоторые формулы неверны, или неточны, или нуждаются в поправках.

Рис.1 картина напряжений в стелянном треугольнике, полученная Джеймсом при помощи поляризованного света.

Более того, Джеймсу удалось вскрыть закономерности в тех случаях, где раньше не удавалось ничего сделать из-за математических трудностей. Прозрачный и нагруженный треугольник из неотпущенного стекла (рис.1) дал Джеймсу возможность исследовать напряжения и в этом, наподдававшемся расчету случае.

Девятнадцатилетний Джеймс Клерк Максвелл впервые поднялся на трибуну Эдинбургского королевского общества. Его доклад не мог остаться незамеченным: слишком много нового и оригинального содержал он.

1850-1856 Кембридж

Занятия электричеством

Теперь уже никто не ставил под сомнение одаренность Джеймса. Он явно перерос уже Эдинбургский университет и поэтому осенью 1850 года поступил в Кембридж. В январе 1854 года Джеймс заканчивает с отличием университет со степенью бакалавра. Он решает остаться в Кембридже для подготовки к профессорскому званию. Теперь, когда не нужно готовиться к экзаменам, он получает долгожданную возможность тратить все свое время на эксперименты, продолжает свои исследования в области оптики. Особенно его интересует вопрос об основных цветах. Первая статья Максвелла называлась «Теория цветов в связи с цветовой слепотой» и была даже собственно не статьей, а письмом. Максвелл отправил его доктору Вильсону, а тот счел письмо настолько интересным, что позаботился об его публикации: поместил его целиком в свою книгу, посвященную цветовой слепоте. И все же Джеймса безотчетно влекут к себе тайны более глубокие, вещи куда более неочевидные, чем смешение цветов. Именно электричество в силу его интригующей непонятности, неизбежно, рано или поздно, должно было привлечь энергию его молодого ума. Джеймс довольно легко воспринял фундаментальные принципы напряженного электричества. Изучив теорию дальнодействия Ампера, он, несмотря на ее видимую неопровержимость, позволил себе в ней усомниться. Теория дальнодействия казалась несомненно справедливой, т.к. подтверждалась формальным сходством законов, математических выражений для, казалось бы, разных явлений – гравитационного и электрического взаимодействия. Но эта теория, более математическая, нежели физическая, не убедила Джеймса, он все больше склонялся к фарадеевскому восприятию действием через посредство магнитных силовых линий, заполняющих пространство, к теории близкодействия.

Пытаясь создать теорию, Максвелл решил использовать для исследования метод физических аналогий. Прежде всего, нужно было найти правильную аналогию. Максвелл всегда восхищался тогда еще только замеченной аналогией существующей между вопросами притяжения электрически заряженных тел и вопросами установившейся теплопередачи. Это, а также фарадеевские идеи близкодействия, амперовское магнитное действие замкнутых проводников, Джеймс постепенно выстраивал в новую теорию, неожиданную и смелую.

В Кембридже Джеймса назначают читать труднейшие главы курсов гидростатики и оптики наиболее способным студентам. Кроме того, от электрических теорий его отвлекает работа над книгой по оптике. Максвелл скоро приходит к выводу, что оптика больше не интересует его, как раньше, а лишь отвлекает от изучения электромагнитных явлений.

Продолжая искать аналогию, Джеймс сравнивает силовые линии с течением какой-то несжимаемой жидкости. Теория трубок из гидродинамики позволила заменить силовые линии силовыми трубками, которые легко объясняли опыт Фарадея. В рамки теории Максвелла легко и просто укладывались понятия о сопротивлении, явления электростатики, магнитостатики и электрического тока. Но в эту теорию пока никак не укладывалось открытое Фарадеем явление электромагнитной индукции.

Джеймсу пришлось на некоторое время забросить свою теорию в связи с ухудшением состояния отца, требовавшего ухода. Когда же после смерти отца Джеймс вернулся в Кембридж, он из-за вероисповедания не смог получить более высокую степень магистра. Поэтому в октябре 1856 года Джеймс Максвелл заступает на кафедру в Абердине.

Абердин 1856-1860

Трактат о кольцах Сатурна

Именно в Абердине была написана первая работа по электричеству – статья «О фарадеевских линиях силы», которая привела к обмену мнениями об электромагнитных явлениях с самим Фарадеем.

Когда Джеймс приступил к занятиям в Абердине, у него в голове уже созрела новая задача, которую пока никто не мог решить, новое явление, которое подлежало объяснению. Это были Сатурновы кольца. Определить их физическую природу, определить за миллионы километров, без каких бы то ни было приборов, пользуясь только бумагой и пером, – это была задача как будто для него. Гипотеза твердого жесткого кольца отпала сразу. Жидкое кольцо распалось бы под влиянием возникших в нем гигантских волн – и в результате, по мысли Джеймса Клерка Максвелла, вокруг Сатурна, скорее всего, витает сонм мелких спутников – «кирпичных обломков», по его восприятию. За трактат, посвященный кольцам Сатурна, в 1857 году Джеймсу была присуждена премия Адамса, а сам он признан одним из самых авторитетных английских физиков-теоретиков.

Рис.2 Сатурн. Фотография, сделанная с помощью 36-дюймового рефрактора в Ликской обсерватории.

Рис.3 Механические модели, иллюстрирующие движение колец Сатурна. Рисунки из эссе Максвелла «О стабильности вращения колец Сатурна»

Лондон – Гленлейр 1860-1871

Первая цветная фотография

В 1860 году начинается новый этап в жизни Максвелла. Он назначен на должность профессора кафедры натуральной философии в Кингс-колледж в Лондоне. Кингс-колледж по оснащенности своих физических лабораторий был впереди многих университетов мира. Здесь Максвелл не просто в 1864-1865 гг. читал курс прикладной физики, здесь он пытался организовать учебный процесс по-новому. Студенты учились в процессе экспериментов. В Лондоне Джеймс Клерк Максвелл впервые вкусил плоды своего признания в качестве крупного ученого. За исследования по смешению цветов и оптике Королевское общество наградило Максвелла медалью Румфорда. 17 мая 1861 года Максвеллу была предложена высокая честь – прочесть лекцию перед Королевским институтом. Тема лекции – «О теории трех основных цветов». На этой лекции, в качестве доказательства этой теории, миру впервые была продемонстрирована цветная фотография!

Теория вероятностей

В конце абердинского периода и в начале лондонского у Максвелла появилось наряду с оптикой и электричеством новое увлечение – теория газов. Работая над этой теорией, Максвелл вводит в физику такие понятия как «вероятно», «это событие может произойти с большей степенью вероятности».

В физике произошла революция, а многие слушатели докладов Максвелла на ежегодных встречах Британской ассоциации этого даже не заметили. С другой стороны, Максвелл подошел к границам механического понимания материи. И переступил их. Вывод Максвелла о господстве в мире молекул законов теории вероятностей затрагивал самые фундаментальные основы мировоззрения. Заявление о том, что в мире молекул «господствует случай», было по своей смелости одним из величайших подвигов в науке.

Механическая модель Максвелла

Работа в Кингс-колледже требовала уже куда больше времени, чем в Абердине, – лекционный курс продолжался девять месяцев в году. Тем не менее, в это время тридцатилетний Джеймс Клерк Максвелл набрасывает план своей будущей книги по электричеству. Это зародыш будущего «Трактата». Первые главы его он посвящает своим предшественникам: Эрстеду, Амперу, Фарадею. Пытаясь объяснить Фарадеевскую теорию силовых линий, индукцию электрических токов и Эрстедовскую теорию вихреобразности характера магнитных явлений, Максвелл создает свою механическую модель (рис.5).

Модель представляла собой ряды молекулярных вихрей, вращающихся в одном направлении, между которыми помещен слой мельчайших шарообразных частичек, способных к вращению. Несмотря на свою громоздкость, модель объясняла многие электромагнитные явления, в том числе электромагнитную индукцию. Сенсационность модели была в том, что она объясняла теорию о действии магнитного поля под прямым углом по отношению к направлению тока, сформулированную Максвеллом («правило буравчика»).

Рис.4 Максвелл устраняет взаимодействие вращающихся в одну сторону соседних вихрей А и В, вводя между ними «холостые шестеренки»

Рис.5 Механическая модель Максвелла для объяснения электромагнитных явлений.

Электромагнитные волны и электромагнитная теория света

Продолжая опыты с электромагнитами, Максвелл приблизился к теории о том, что любые изменения электрической и магнитной силы посылают волны, распространяющиеся в пространстве.

После серии статей «О физических линиях» у Максвелла был уже, по сути дела, весь материал для построения новой теории электромагнетизма. Теперь уже для теории электромагнитного поля. Начисто исчезли шестеренки, вихри. Уравнения поля были для Максвелла ничуть не менее реальны и ощутимы, чем результаты лабораторных опытов. Теперь и электромагнитная индукция Фарадея, и ток смещения Максвелла выводились не с помощью механических моделей, а с помощью математических операций.

По Фарадею изменение магнитного поля приводит к появлению электрического поля. Всплеск магнитного поля вызывает всплеск электрического поля.

Всплеск электрической волны рождает всплеск волны магнитной. Так впервые из-под пера тридцатитрехлетнего пророка появились в 1864 году электромагнитные волны, но еще не в том виде, в котором мы их понимаем сейчас. Максвелл говорил в статье 1864 года только о магнитных волнах. Электромагнитная волна в полном смысле этого слова, включающая одновременно электрическое и магнитное возмущения, появилась у Максвелла позже, в его статье в 1868 году.

В другой статье Максвелла - «Динамической теории электромагнитного поля» – приобрела четкие очертания и доказательность намеченная еще раньше электромагнитная теория света. На основе собственных исследований и опыта других ученых (и в наибольшей степени Фарадея) Максвелл делает вывод, что оптические свойства среды связаны с ее электромагнитными свойствами, и свет представляет собой не что иное, как электромагнитные волны.

В 1865 году Максвелл решает оставить Кингс-колледж. Он поселяется в своем родовом поместье Гленмейр, где занимается основными трудами жизни – «Теорией теплоты» и «Трактатом об электричестве и магнетизме». Им посвящается все время. Это были годы отшельничества, годы полной отрешенности от суеты, служения одной только науке, годы наиболее плодотворные, светлые, творческие. Тем не менее, Максвелла вновь тянет работать при университете, и он принимает предложение, сделанное ему Кембриджским университетом.

Кембридж 1871-1879

Кавендишская лаборатория

В 1870 году герцог Девонширский заявил сенату университета о своем желании построить и оснастить физическую лабораторию. И возглавить ее должен был ученый с мировым именем. Этим ученым стал Джеймс Клерк Максвелл. В 1871 году он начинает работу по оснащению знаменитой Кавендишской лаборатории. В эти годы наконец издается его «Трактат об электричестве и магнетизме». Более тысячи страниц, где Максвелл дает описание научных опытов, обзор всех, до тех пор созданных теорий электричества и магнетизма, а также «Основные уравнения электромагнитного поля». В целом в Англии не приняли основных идей «Трактата», даже друзья не поняли его. Идеи Максвелла подхватили молодые. Большое впечатление теория Максвелла произвела на русских ученых. Всем известна роль Умова, Столетова, Лебедева в развитии и укреплении Максвелловой теории.

16 июня 1874 года – день торжественного открытия Кавендишской лаборатории. Последующие годы ознаменовались се растущим признанием.

Мировое признание

В 1870 году Максвелл избран почетным доктором литературы Эдинбургского университета, в 1874 году – иностранным почетным членом Американской академии искусств и наук в Бостоне, в 1875 году – членом Американского философского общества в Филадельфии, а также становится почетным членом академий Нью-Йорка, Амстердама, Вены. Последующие пять лет Максвелл занимается редактированием и подготовкой к изданию двадцати пакетов манускриптов Генри Кавендиша.

В 1877 году Максвелл почувствовал первые признаки болезни, а в мае 1879 года прочел своим студентам последнюю лекцию.

Размерность

В своем знаменитом трактате об электричестве и магнетизме (см. Москва, «Наука», 1989) Максвелл обратился к проблеме размерности физических величин и заложил основы их кинетической системы. Особенность этой системы - наличие в ней только двух параметров: длины L и времени Т. Все известные (и неизве­стные на сегодня!) величины представляются в ней как целочисленные степени L и Т. Появляющиеся в формулах размерностей других систем дробные показатели, лишенные физического содержания и логического смысла, в данной системе отсутствуют.

В соответствии с требованиями Дж. Максвелла, А. Пуанкаре, Н. Бора, А. Эйнштейна, В. И. Вернадского, Р. Бартини физическая величина является универсальной тогда и только тогда, когда ясна ее связь с пространством и вре менем . И, тем не менее, до трактата Дж. Максвелла «Об электричестве и магнетизме» (1873) не была установлена связь размерности массы с длиной и временем.

Поскольку размерность для массы введена Максвеллом (вместе с обозначением в виде квадратных скобок), то позволим себе привести отрывок из работы самого Максвелла: «Любое выражение для какой-нибудь величины состоит из двух факторов или компонент. Одним из таковых является наименование некоторой известной величины того же типа, что и величина, которую мы выражаем. Она берется в качестве эталона отсчета . Другим компонентом служит число, показывающее, сколько раз надо приложить эталон для получения требуемой величины. Эталонная стандартная величина называется единицей , а соответствующее число - числовым значением данной величины».

«ОБ ИЗМЕРЕНИИ ВЕЛИЧИН»

1. Любое выражение для какой-нибудь величины состоит из двух факторов или компонент. Одним из таковых является наименование некоторой известной величины того же типа, что и величина, которую мы выражаем. Она берется в качестве эталона отсчета . Другим компонентом служит число, показывающее, сколько раз надо приложить эталон для получения требуемой величины. Эталонная стандартная величина называется в технике Единицей , а соответствующее число - Числовым Значением данной величины.

2. При построении математической системы мы считаем основные единицы - длины, времени и массы - заданными, а все производные единицы выводим из них с помощью простейших приемлемых определений.

Следовательно, во всех научных исследованиях очень важно использовать единицы, принадлежащие системе, должным образом определенной, равно как и знать их связи с основными единицами, чтобы иметь возможность сразу же пересчитывать результаты одной системы в другую.

Знание размерности единиц снабжает нас способом проверки, который следует применять к уравнениям, полученным в результате длительных исследований.

Размерность каждого из членов уравнения относительно каждой из трех основных единиц должна быть одной и той же. Если это не так, то уравнение бессмысленно, оно содержит какую-то ошибку, поскольку его интерпретация оказывается разной и зависящей от той произвольной системы единиц, которую мы принимаем.

Три основные единицы:

(1) ДЛИНА. Эталоном длины, используемым в нашей стране в научных целях, служит фут, который составляет третью часть стандартного ярда, хранящегося в Казначейской Палате.

Во Франции и других странах, принявших метрическую систему, эталоном длины является метр. Теоретически это одна десятимиллионная часть длины земного меридиана, измеренного от полюса до экватора; практически же это длина хранящегося в Париже эталона, изготовленного Борда (Borda) с таким расчетом, чтобы при температуре таянья льда он соответствовал значению длины меридиана, полученному Даламбером. Измерения, отражающие новые и более точные измерения Земли, не вносятся в метр, наоборот, - сама дуга меридиана исчисляется в первоначальных метрах.

В астрономии за единицу длины принимается иногда среднее расстояние от Земли до Солнца.

При современном состоянии науки наиболее универсальным эталоном длины из числа тех, которые можно было бы предложить, служила бы длина волны света определенного вида, испускаемого каким-либо широко распространенным веществом (например, натрием), имеющим в своем спектре четко отождествляемые линии. Такой эталон не зависел бы от каких-либо изменений в размерах Земли, и его следовало бы принять тем, кто надеется, что их писания окажутся более долговечными, чем это небесное тело.

При работе с размерностями единиц мы будем обозначать единицу длины как [L ]. Если численное значение длины равно l, то это понимается как значение, выраженное через определенную единицу [L ], так что вся истинная длина представляется как l [L ].

(2) ВРЕМЯ. Во всех цивилизованных странах стандартная единица времени выводится из периода обращения Земли вокруг своей оси. Звездные сутки или истинный период обращения Земли может быть установлен с большой точностью при обычных астрономических наблюдениях, а средние солнечные сутки могут быть вычислены из звездных суток благодаря нашему знанию продолжительности года.

Секунда среднего солнечного времени принята в качестве единицы времени во всех физических исследованиях.

В астрономии за единицу времени иногда берется год. Более универсальную единицу времени можно было бы установить, взяв период колебаний того самого света, длина волны которого равна единице длины.

Мы будем именовать конкретную единицу времени как [T ], а числовую меру времени обозначать через t .

(3) МАССА. В нашей стране стандартной единицей массы является эталонный коммерческий фунт (avoirdupois pound), хранящийся в Казначейской Палате. Часто используемый в качестве единицы гран (grain) составляет одну 7000-ю долю этого фунта.

В метрической системе единицей массы служит грамм; теоретически это масса кубического сантиметра дистиллированной воды при стандартных значениях температуры и давления, а практически это одна тысячная часть эталонного килограмма, хранящегося в Париже*.

Но если, как это делается во французской системе, определенное вещество, а именно вода, берется в качестве эталона плотности, то единица массы уже перестает быть независимой, а изменяется подобно единице объема, т.е. как [L 3 ]. Если же, как в астрономической системе, единица массы выражена через силу ее притяжения, то размерность [M ] оказывается такой [L 3 T 2 ]».

Максвелл показывает, что массу можно исключить из числа основных размерных величин . Это достигается с помощью двух определений понятия «сила»:

1) и 2) .

Приравнивая эти два выражения и считая гравитационную постоянную безразмерной величиной, Максвелл получает:

, [M ] = [L 3 T 2 ].

Масса оказалась пространственно-временной величиной. Ее размерность: объем с угловым ускорением (или плотностью, имеющей ту же размерность ).

Величина массы стала удовлетворять требованию универсальности . Появилась возможность выразить все другие физические величины в пространственно-временных единицах измерения.

В 1965 году в журнале «Доклады АН СССР» (№ 4) была опубликована статья Р. Бартини «Кинематическая система физических величин». Эти результаты имеют исключительное значение для обсуждаемой проблемы.

Закон сохранения мощности

Лагранж, 1789; Максвелл, 1855.

В общем виде закон сохранения мощности записывается как инвариантность величины мощности:

Из уравнения полной мощности N = P + G следует, что полезная мощность и мощность потерь проективно инверсны, и поэтому любое изменение свободной энергии компенсируются изменением мощности потерь под контролем полной мощности .

Полученный вывод дает основание представить закон сохранения мощности в виде скалярного уравнения:

Где .

Изменение активного потока компенсируется разностью между потерями и поступлениями в систему.

Таким образом, механизм открытой системы снимает ограничения замкнутости, и тем самым предоставляет возможность дальнейшего движения системы. Однако этот механизм не показывает возможных направлений движения - эволюции систем. Поэтому он должен быть дополнен механизмами эволюционирующих и неэволюционирующих систем или неравновесных и равновесных.

Список используемой литературы


  1. Вл. Карцев «Жизнь замечательных людей. Максвелл». - М., «Молодая гвардия», 1974.

  2. Джемс Клерк Максвелл. Статьи и речи. М., «Наука», 1968.

  3. http://physicsbooks.narod.ru/

  4. http://revolution.allbest.ru/

  5. http://ru.wikipedia.org/wiki/

  6. http://www.situation.ru/

  7. http://www.uni-dubna.ru/

  8. http://www.uran.ru/

Джеймс Клерк Максвелл (James Clerk Maxwell, 1831–1879) - выдающийся деятель шотландского Просвещения, многое сделавший для актуализации наследия кельтов, которые взаимодействовали с пространством с позиции цвета и света. Максвелл внес неоценимый вклад в понимание античных культур. Кроме того, его труды по электродинамике являются основой учения о развитии и управлении сознанием человека посредством электромагнитных волн.

Максвелл создал важнейшую систему теории света, которая опередила на тот момент и даже сегодня опережает возможности человека переживать цвет. Он научно доказал важность понимания именно восьми частотных характеристик цвета, которые определяют возможности нашего сознания. Особенно важно отметить его изучение восьмого цвета - белого, который он показал как фигуру, состоящую из частотных характеристик красного, зеленого и фиолетовых цветов. Это значит, что три цвета, определяющие самый низкий, самый высокий и средний частотные показатели, образуют белый цвет.

По сути, он создал великую теорию Геометрии цвета, которая так и не стала востребована обществом для развития человека, а ушла в научную плоскость - работу с различными частотными колебаниями. А ведь белый цвет - это, по сути, равнобедренный треугольник, обладающий центром вращения (он же точка смешения трех цветов). По аналогичной схеме работает и наше тело, если понимать его как треугольник (но это только если понимать его как треугольник). Если воссоздать в теле подобную точку смешения, то мы сможем получить наивысшую частотную характеристику, связанную с белым цветом. Это не просто электромагнитный эффект, а возможность проживания нашего духа.

Так мы изменяем поведение молекулярных связей внутри нашего тела и можем противопоставить себя магнитному полю. Но самое главное состоит в том, что Максвелл показал поступательность этого движения, то есть наращивание, где можно доказать безграничность развития нашего тела и сознания. И известное правило буравчика, которое мы изучаем, технически несет в себе совсем иное концептуальное осмысление.

Увы, великие знания Максвелла до сих пор преподаются и трактуются неверно. А ведь здесь объясняется возможность понимания, вернее, восприятия физического состояния оси как органа, который наделен электрическими показателями с особой частотой.

Наличие этой оси позволяет человеку сместить все свои энергетические характеристики, создать внутренний «волчок», что, кстати, Максвелл доказал не только посредством своей теории цветов, но и опытом с бросанием кошки вниз (ее способность приземляться на четыре лапы).

Но почему именно цвет столь важен для нас в этой связи? Потому что цветовая реакция на мозг затмила все другие реакции в нашем теле. Не научившись воспринимать цвет и правильно реагировать на него, мы все равно будем зависеть от этой реакции, и она будет мешать всем остальным восприятиям. Цвет - основа нашего зрения, а зрение - основа нашего духа, то есть дух человека питается в первую очередь цветом. Самое важное - разобраться с тремя цветами - красный, зеленый и фиолетовый (синий).

Понятно, что Максвелл не углубился в то, что он выявил, но важно то, что он это обозначил, так как именно здесь закладывается опора образования человека и развития его качества наблюдения. Что бы мы ни делали, мы зависим от цвета - и в месте, где мы живем, и в одежде, которую носим. И даже в пище, которую мы едим. Это реальная система, обладающая физическими показателями и соответствующей силой. Так что этот великий шотландец не только дал человечеству ключи к познанию природы, но и объяснил идею тартана (расцветки клеток ткани у шотландских семейств и организаций), клановости шотландцев, где скрыта комбинация развития клана. Тартан - это формула, которая имеет свои частотные показатели.

13 июня 1831 года в Эдинбурге, в семье аристократа из старинного рода Клерков родился мальчик, названный Джеймсом. Отец его, Джон Клерк Максвелл, член адвокатской коллегии, имел университетское образование, но профессию свою не любил и увлекался в свободные часы техникой и наукой. Мать Джеймса, Фрэнсис Кей, была дочерью судьи. После рождения мальчика семья переехала в Миддлби, фамильное имение Максвеллов на юге Шотландии. Вскоре Джон построил там новый дом, получивший имя Гленлэр.

Детство будущего великого физика омрачилось лишь слишком ранней кончиной матери. Джеймс рос любознательным мальчиком и благодаря отцовским увлечениям был с детства окружен «техническими» игрушками, такими, как модель небесной сферы и «магический диск», предшественник кинематографа. Тем не менее, интересовался он и поэзией и даже сам писал стихи, кстати, не оставив это занятие до конца своих дней. Начальное образование дал Джеймсу отец - первого домашнего учителя наняли, только когда Джеймсу исполнилось десять лет. Правда, отец быстро понял, что подобное обучение вовсе неэффективно, и отправил сына в Эдинбург, к своей сестре Изабелле. Здесь Джеймс поступил в Эдинбургскую Академию, в которой детям давали чисто классическое образование - латынь, греческий, античная литература, Священное Писание и немножко математики. Учиться мальчику понравилось не сразу, но постепенно он стал лучшим в классе учеником и заинтересовался в первую очередь геометрией. В это время он изобрел собственный способ рисования овалов.

В шестнадцать лет Джеймс Максвелл закончил академию и поступил в университет Эдинбурга. Здесь он окончательно увлекся точными науками, и уже в 1850 году Эдинбургское королевское общество признало серьезными его труды по теории упругости. В этом же году отец Джеймса согласился, что сыну необходимо более престижное образование, и Джеймс уехал в Кембридж, где сначала учился в колледже Питерхаус, а на втором семестре перевелся в Тринити-колледж. Два года спустя Максвелл получил за свои успехи университетскую стипендию. Впрочем, в Кембридже он занимался наукой очень мало - больше читал, заводил новые знакомства и активно вращался в среде университетских интеллектуалов. В это время сформировались и его религиозные взгляды - безусловная вера в Бога и скептичность по отношению к теологии, которую Джеймс Максвелл ставил на последнее место среди прочих наук. В студенческие годы он стал также приверженцем так называемого «христианского социализма» и принял участие в работе «Рабочего колледжа», читая там популярные лекции.

В двадцать три года Джеймс сдал итоговый экзамен по математике, заняв в студенческом списке второе место. Получив степень бакалавра, он принял решение остаться в университете и готовиться к званию профессора. Он преподавал, продолжал сотрудничать с Рабочим колледжем и начал книгу об оптике, которую, правда, так и не закончил. Тогда же Максвелл создал экспериментальное шуточное исследование, вошедшее в фольклор Кембриджа. Целью этого исследования было «котоверчение» - Максвелл определял минимальную высоту, с которой кошка, падая, встает на лапки. Но основным интересом Джеймса была тогда теория цвета, взявшая начало от идеи Ньютона о существовании семи основных цветов. К тому же времени относится и его серьезное увлечение электричеством. Сразу после получения степени бакалавра Максвелл начал исследовать электричество и магнетизм. В вопросе о природе магнитных и электрических эффектов он принял позицию Майкла Фарадея, согласно которой силовые линии соединяют отрицательный и положительный заряды и заполняют окружающее пространство. Но были получены верные результаты и уже оформившейся и строгой наукой электродинамикой, а потому Максвелл задался вопросом построения теории, включавшей и представления Фарадея, и результаты электродинамики. Максвеллом была разработана гидродинамическая модель силовых линий, и ему же удалось впервые выразить на языке математики закономерности, открытые Фарадеем - в виде дифференциальных уравнений.

Осенью 1855 года Джеймс Максвелл, успешно сдав необходимый экзамен, стал членом университетского совета, что, кстати, подразумевало в то время принятие обета безбрачия. С началом нового семестра он приступил к чтению в колледже лекций по оптике и гидростатике. Однако зимой ему пришлось поехать в родное имение, чтобы перевезти в Эдинбург тяжело заболевшего отца. Вернувшись в Англию, Джеймс узнал, что в Абердинском Маришаль-колледже свободна вакансия преподавателя натуральной философии. Это место давало ему возможность быть ближе к отцу, да и перспектив в Кембридже Максвелл для себя не видел. В середине весны 1856 года он стал профессором в Абердине, но Джон Клерк Максвелл умер еще до назначения сына. Джеймс провел в родовом имении лето и в октябре уехал в Абердин.

Абердин был главным портом Шотландии, но вот многие кафедры его университета пребывали в печальной заброшенности. В первые же дни своей профессорской деятельности Джеймс Максвелл принялся исправлять это положение хотя бы на своей кафедре. Он работал над новыми методиками обучения и пытался заинтересовать студентов научной работой, но не преуспел в этом начинании. Лекции нового профессора, полные юмора и игры слов, касались весьма сложных вещей, и сей факт отпугивал большинство учеников, привыкших к популярности изложения, отсутствию демонстраций и пренебрежению математикой. Из восьми десятков студентов Максвелл сумел научить лишь несколько человек, действительно хотевших учиться.

В Абердине Максвелл устроил и свою личную жизнь - летом 1858 года он женился на младшей дочери директора колледжа Маришаль, Кэтрин Дьюар. Немедленно после венчания Джеймса исключили из совета Тринити-колледжа, как нарушившего обет безбрачия.

Еще в 1855 году Кембридж предложил на соискание престижной премии Адамса работу по исследованию колец Сатурна, и именно Джеймс Максвелл в 1857 стал обладателем премии. Но премией он не удовольствовался и продолжал разрабатывать тему, в итоге издав в 1859 году трактат «On the stability of the motion of Saturn’s rings», мгновенно получивший признание среди ученых. О трактате сказали, что это - самое блестящее из существующих применение математики к физике. Во время профессорства в Абердинском колледже Максвелл занимался также темой преломления света, геометрической оптикой и, главное, кинетической теорией газов. В 1860 году им была построена первая статистическая модель микропроцессов, ставшая основой для развития статистической механики.

Профессорская должность в Абердинском университете вполне устраивала Максвелла - колледж требовал его присутствия лишь с октября до мая, а остальное время ученого было совершенно свободно. В колледже царила атмосфера свободы, профессора не имели жестких обязанностей, а кроме того, каждую неделю Максвелл читал в научной школе Абердина платные лекции для механиков и ремесленников, обучением которых всегда интересовался. Это замечательное положение дел изменилось в 1859 году, когда постановили объединить два колледжа университета, и должность профессора кафедры натуральной философии была упразднена. Максвелл попытался получить ту же должность в Эдинбургском университете, но пост достался по конкурсу его старому другу Питеру Тэту. В июне 1860 года Джеймсу предложили профессорство на кафедре натуральной философии в столичном Кингз-колледже. В том же месяце он сделал доклад о своих исследованиях теории цвета и вскоре был награжден медалью Румфорда за работы в области оптики и смешения цветов. Однако все оставшееся время до начала семестра он провел в Гленлэре, родовом имении - и не в научных занятиях, а тяжело болея оспой.

Быть профессором в Лондоне оказалось куда менее приятно, чем в Абердине. В Кингз-колледже были великолепно оснащенный физические лаборатории и почиталась экспериментальная наука, но и студентов обучалось гораздо больше. Работа оставляла Максвеллу время лишь на домашние эксперименты. Тем не менее, в 1861 году его включили в Комитет по эталонам, перед которым стояла задача определения основных единиц электричества. Два года спустя были опубликованы итоги тщательных измерений, в 1881 году послужившие основанием для принятия вольта, ампера и ома. Продолжал Максвелл и работы по теории упругости, создал теорему Максвелла, рассматривающую напряжение в фермах методами графостатики, занимался анализом условий равновесия у сферических оболочек. За эти и другие работы, имевшие существенное практическое значение, он получил премию Кейта от королевского общества Эдинбурга. В мае 1861 года, читая лекцию о теории цвета, Максвелл представил весьма убедительное доказательство своей правоты. Это была первая в мире цветная фотография.

Но самым великим вкладом Джеймса Максвелла в физику явилось открытие тока. Придя к выводу, что электрический ток имеет поступательную природу, а магнетизм - вихревую, Максвелл создал новую модель - чисто механическую, согласно которой «молекулярные вихри производят», вращаясь, магнитное поле, а «холостые передаточные колеса» обеспечивают их одностороннее вращение. Формирование электрического тока обеспечивалось поступательным движением передаточных колес (по Максвеллу - «частичек электричества»), а магнитное поле, будучи направленным вдоль оси вихревого вращения, оказывалось перпендикулярно направлению тока. Это выразилось в «правиле буравчика», которое обосновал Максвелл. Благодаря своей модели он сумел не только наглядно проиллюстрировать явление электромагнитной индукции и вихревой характер поля, которое порождает ток, но и доказать, что изменения в электрическом поле, названные током смещения, приводят к возникновению поля магнитного. Ну а ток смещения дал представление о существовании незамкнутых токов. В своей статье «On physical lines of force» (1861-1862 гг.) Максвелл изложил данные результаты, а также отметил сходство свойств вихревой среды со свойствами светоносного эфира - и это был серьезный шаг к возникновению электромагнитной теории света.

Статья Максвелла о динамической теории электромагнитного поля вышла в 1864 году, и в ней механическую модель сменили «уравнения Максвелла» - математическая формулировка уравнений поля - а само поле впервые трактовалось в качестве реальной физически системы, имеющей определенную энергию. В этой статье он предсказал и существование не только магнитных, но и электромагнитных волн. Параллельно изучению электромагнетизма Максвелл провел несколько экспериментов, проверяя свои результаты в кинетической теории. Сконструировав прибор, определяющий вязкость воздуха, он убедился, что коэффициент внутреннего трения действительно не зависит от плотности.

В 1865 году Максвелл окончательно устал от своей педагогической деятельности. Неудивительно - лекции его были слишком сложны, чтобы еще и поддерживать на них дисциплину, да и научная работа, в отличие от преподавания, занимала все его мысли. Решение было принято, и ученый переехал в родной Гленлэр. Почти сразу после переезда он получил травму на конной прогулке и заболел рожистым воспалением. Выздоровев, Джеймс активно взялся за хозяйство, перестраивая и расширяя свое имение. Однако и о студентах не забывал - регулярно ездил в Лондон и в Кембридж принимать экзамены. Именно он добился введения в экзамены вопросов и задач прикладного характера. В начале 1867 года врач посоветовал часто болевшей жене Максвелла лечение в Италии, и всю весну Максвеллы провели во Флоренции и Риме. Здесь ученый встречался с профессором Маттеучи, итальянским физиком, и практиковался в иностранных языках. Кстати, Максвелл неплохо владел латинским, итальянским, греческим, немецким и французским. На родину Максвеллы возвращались через Германию, Голландию и Францию.

В том же году Максвелл сочинил стихотворение, посвященное Питеру Тэту. Шуточная ода называлась «Главному музыканту по игре на набла» и оказалась настолько успешной, что закрепила в науке новый термин «набла», произошедший от названия древнеассирийского музыкального инструмента и обозначающий символ векторного дифференциального оператора. Заметим, что своему другу Тэту, представившему вместе с Томсоном второе начало термодинамики как JCM = dp/dt, Максвелл обязан собственным псевдонимом, которым подписывал стихи и письма. Левая часть формулы совпала с инициалами Джеймса, а потому он решил использовать в качестве подписи правую - dp/dt.

В 1868 году Максвеллу предложили пост ректора в университете Сент-Эндрюс, но ученый отказался, не желая менять свой уединенный образ жизни в Гленлэре. Лишь через три года он после длительных раздумий возглавил только что открывшуюся в Кембридже физическую лабораторию и, соответственно, стал профессором экспериментальной физики. Согласившись на этот пост, Максвелл сразу принялся налаживать строительные работы и оснащать лабораторию (сначала собственными приборами). В Кембридже он стал читать курсы электричества, теплоты и магнетизма.

В том же 1871 году был опубликован учебник Максвелла «Theory of Heat» («Теория теплоты»), впоследствии неоднократно переизданный. В последней главе книги содержались основные постулаты молекулярно-кинетической теории и статистические идеи Максвелла. Здесь же он опроверг второе начало термодинамики, сформулированное Клаузиусом и Томсоном. В этой формулировке предсказывалась «тепловая смерть Вселенной» - чисто механическая точка зрения. Максвелл утверждал статистический характер пресловутого «второго начала», которое по его убеждению может нарушаться лишь отдельными молекулами, оставаясь справедливым в случае больших совокупностей. Это положение он проиллюстрировал парадоксом, названным «демоном Максвелла». Парадокс заключается в способности «демона» (управляющей системы) уменьшать энтропию этой системы, не затрачивая работу. Парадокс этот разрешили в двадцатом веке, указав на роль, которую играют в управляющем элементе флуктуации, и доказав, что когда «демон» получает информацию о молекулах, это повышает энтропию, а потому нарушения второго начала термодинамики не происходит.

Два года спустя увидел свет двухтомник Максвелла, названный «Трактат о магнетизме и электричестве». В нем содержались уравнения Максвелла, следствием которых стало открытие Герцем электромагнитных волн (1887 год). В трактате также была доказана электромагнитная природа света и предсказан эффект давления света. На основе этой теории Максвелл объяснил и влияние магнитного поля на распространение света. Однако сей фундаментальный труд весьма прохладно приняли корифеи науки - Стокс, Томсон, Эйри, Тэт. Особенно сложной для понимания оказалась концепция пресловутого тока смещения, существующего по Максвеллу даже в эфире, то есть в отсутствие материи. Кроме того, сильно мешал восприятию и стиль Максвелла, порой очень сумбурный в изложении.

Лаборатория в Кембридже, названная в честь Генри Кавендиша, открылась в июне 1874 года, и герцог Девонширский торжественно передал Джеймсу Максвеллу рукописи Кавендиша. В течение пяти лет Максвелл изучал наследие этого ученого, воспроизводил в лаборатории его опыты и в 1879 году выпустил под своей редакцией собрание сочинений Кавендиша, состоявшее из двух томов.

Около десяти последних лет своей жизни Максвелл занимался популяризацией науки. В своих книгах, написанных именно с этой целью, он более свободно излагал свои идеи и взгляды, делился с читателем сомнениями и говорил о проблемах, в то время еще не разрешимых. В Кавендишской лаборатории он продолжал разрабатывать совершенно конкретные вопросы, касающиеся молекулярной физики. Две его последние работы вышли в 1879 году - о теории разреженных неоднородных газов и о распределении газа под воздействием центробежных сил. Множество обязанностей он исполнял и в университете - состоял в совете университетского сената, в комиссии по реформированию математического экзамена, побывал на посту президента философского общества. В семидесятые годы у него появились ученики, среди которых были будущие известные ученые Джордж Кристалл, Артур Шустер, Ричард Глэйзбург, Джон Пойнтинг, Амброз Флеминг. И ученики, и сотрудники Максвелла отмечали его сосредоточенность, простоту общения, проницательность, утонченный сарказм и полное отсутствие честолюбия.

Зимой 1877 года у Максвелла появились первые симптомы погубившей его болезни, и через два года врачи определили у него рак. Великий ученый скончался в Кембридже 5 ноября 1879 года, в возрасте сорока восьми лет. Тело Максвелла перевезли в Гленлэр и похоронили неподалеку от имения, на скромном кладбище в деревушке Партон.

Роль Джеймса Клерка Максвелла в науке не сумели оценить по достоинству его современники, но важность его работ оказалась несомненной для следующего века. Ричард Фейман, американский физик, сказал, что открытие законов электродинамики - самое значительное событие девятнадцатого столетия, на фоне которого меркнет гражданская война в Соединенных Штатах, произошедшая в то же время…

"... 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".

Эйнштейн

Афоризмы и цитаты Джеймса Максвелла.
«Когда какое-нибудь явление можно описать как частный случай какого-нибудь общего, приложимого к другим явлениям принципа, то говорят, что это явление получило объяснение»

«…Для развития науки требуется в каждую данную эпоху не только, чтобы люди мыслили вообще, но чтобы они концентрировали свои мысли на той части обширного поля науки, которое в данное время требует разработки»

«Из всех гипотез…выбирайте ту, которая не пресекает дальнейшего мышления об исследуемых вещах»

«Чтобы вполне правильно вести научную работу посредством систематических опытов и точных демонстраций, требуется стратегическое искусство»

«…История науки не ограничивается перечислением успешных исследований. Она должна сказать нам о безуспешных исследованиях и объяснить, почему некоторые из самых способных людей не смогли найти ключа знания и как репутация других дала лишь большую опору ошибкам, в которые они впали»


«Всякий великий человек является единственным в своем роде. В историческом шествии ученых у каждого из них своя определенная задача и свое определенное место»

«Действительный очаг науки - не тома научных трудов, но живой ум человека, и для того чтобы продвигать науку, нужно направить человеческую мысль в научное русло. Это можно сделать различными способами: огласив какое-либо открытие, отстаивая парадоксальную идею, или изобретая научную фразу, или изложив систему доктрины»



Максвелл и теория электромагнитного поля.
Максвелл изучал электрические и магнитные явления, когда 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 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.
Максвелл показал, 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 (сегодня она называется статистической механикой). Ему первому пришла в голову идея о статистическом характере законов природы. Максвелл создал закон распределения молекул по скоростям, а так же ему удалось рассчитать вязкость газов в отношении скоростных показателей и длины свободного пробега молекул газа. 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.
Научных труды Максвелла : «Теория теплоты», «Материя и движение», «Электричество в элементарном изложении». Он интересовался и историей науки. В свое время ему удалось опубликовать труды Кавендиша, которые Максвелл дополнил своими комментариями.
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 писали многие ученные. Физик Фейнман сказал о Максвелле , что открывший законы электродинамики Максвелл , смотрел через века в будущее.

Разделы