английский физик, создатель классической электродинамики
Джеймс Максвелл
Джеймс Клерк Максвелл (англ. James Clerk Maxwell) родился 13 июня 1831 года в Эдинбурге. Обучался в университетах Эдинбурга и Кембриджа. С 1856 по 1860 годы был профессором Абердинского колледжа «Маришал», а с 1860 по 1865 – профессором Лондонского университета.
В 1871 году Максвелл стал профессором Кембриджского университета, где впоследствии создал известную Кавендишскую лабораторию – первую в Британии специально оборудованную физическую лабораторию.
Его первая научная работа появилась еще когда он был учеником в школе – он придумал оригинальный способ чертежа овальных фигур (работа «О черчении овалов и об овалах со многими фокусами»). Основными научными интересами Максвелла были – электромагнетизм, кинетическая теория газов, теория упругости, оптика.
Большую популярность Максвеллу принесла его теория электромагнетизма, которая стала классикой современной физики. Она была выражена в форме уравнений и в научных и образовательных кругах получила название «Уравнения Максвелла».
Помимо всего этого Максвелл был автором следующих изобретений и достижений. Он изобрел волчок, на поверхности которого нанесены слои разной краски – при вращении этого волчка образовывались самые интересные комбинации цветов: красный и желтый давал оранжевый, синий и желтый – зеленый, а все цвета спектра при смешении образовывали белый цвет. Есть и еще один интересный факт – Максвеллу приписывают создание первой в мире цветной фотографии.
Скончался Джеймс Клерк Максвелл 5 ноября 1879 года в Кембридже.
Джеймс Клерк Максвелл (1831-79) — английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики, организатор и первый директор (с 1871) Кавендишской лаборатории, предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул идею электромагнитной природы света, установил первый статистический закон — закон распределения молекул по скоростям, названный его именем.
Развивая идеи Майкла Фарадея, создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла); ввел понятие о токе смещения, предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул идею электромагнитной природы света. Установил статистическое распределение, названное его именем. Исследовал вязкость, диффузию и теплопроводность газов. Максвелл показал, что кольца Сатурна состоят из отдельных тел. Труды по цветному зрению и колориметрии (диск Максвелла), оптике (эффект Максвелла), теории упругости (теорема Максвелла, диаграмма Максвелла — Кремоны), термодинамике, истории физики и др.
Семья. Годы учения
Джеймс Максвелл родился 13 июня 1831, в Эдинбурге. Он был единственным сыном шотландского дворянина и адвоката Джона Клерка, который, получив в наследство поместье жены родственника, урожденной Максвелл, прибавил это имя к своей фамилии. После рождения сына семья переехала в Южную Шотландию, в собственное поместье Гленлэр («Приют в долине»), где и прошло детство мальчика.
В 1841 отец отправил Джеймса в школу, которая называлась «Эдинбургская академия». Здесь в 15 лет Максвелл написал свою первую научную статью «О черчении овалов». В 1847 он поступил в Эдинбургский университет, где проучился три года, и в 1850 перешел в Кембриджский университет, который окончил в 1854. К этому времени Джеймс Максвелл был первоклассным математиком с великолепно развитой интуицией физика.
Создание Кавендишской лаборатории. Преподавательская работа
По окончании университета Джеймс Максвелл был оставлен в Кембридже для педагогической работы. В 1856 он получил место профессора Маришал-колледжа в Абердинском университете (Шотландия). В 1860 избран членом Лондонского королевского общества. В том же году переехал в Лондон, приняв предложение занять пост руководителя кафедры физики в Кинг-колледже Лондонского университета, где работал до 1865 года.
Вернувшись в 1871 в Кембриджский университет, Максвелл организовал и возглавил первую в Великобритании специально оборудованную лабораторию для физических экспериментов, известную как Кавендишская лаборатория (по имени английского ученого Генри Кавендиша). Становлению этой лаборатории, которая на рубеже 19-20 вв. превратилась в один из крупнейших центров мировой науки, Максвелл посвятил последние годы своей жизни.
Вообще фактов из жизни Максвелла известно немного. Застенчивый, скромный, он стремился жить уединенно и не вел дневников. В 1858 Джеймс Максвелл женился, но семейная жизнь, видимо, сложилась неудачно, обострила его нелюдимость, отдалила от прежних друзей. Существует предположение, что многие важные материалы о жизни Максвелла погибли во время пожара 1929 в его гленлэрском доме, через 50 лет после его смерти. Он умер от рака в возрасте 48 лет.
Научная деятельность
Необычайно широкая сфера научных интересов Максвелла охватывала теорию электромагнитных явлений, кинетическую теорию газов, оптику, теорию упругости и многое другое. Одними из первых его работ были исследования по физиологии и физике цветного зрения и колориметрии, начатые в 1852. В 1861 Джеймс Максвелл впервые получил цветное изображение, спроецировав на экран одновременно красный, зеленый и синий диапозитивы. Этим была доказана справедливость трехкомпонентной теории зрения и намечены пути создания цветной фотографии. В работах 1857-59 Максвелл теоретически исследовал устойчивость колец Сатурна и показал, что кольца Сатурна могут быть устойчивы лишь в том случае, если состоят из не связанных между собой частиц (тел).
В 1855 Д. Максвелл приступил к циклу своих основных работ по электродинамике. Были опубликованы статьи «О фарадеевых силовых линиях» (1855-56), «О физических силовых линиях» (1861-62), «Динамическая теория электромагнитного поля» (1869). Исследования были завершены выходом в свет двухтомной монографии «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873).
Создание теории электромагнитного поля
Когда Джеймс Максвелл в 1855 начал исследования электрических и магнитных явлений, многие из них уже были хорошо изучены: в частности, установлены законы взаимодействия неподвижных электрических зарядов (закон Кулона) и токов (закон Ампера); доказано, что магнитные взаимодействия есть взаимодействия движущихся электрических зарядов. Большинство ученых того времени считало, что взаимодействие передается мгновенно, непосредственно через пустоту (теория дальнодействия).
Решительный поворот к теории близкодействия был сделан Майклом Фарадеем в 30-е гг. 19 в. Согласно идеям Фарадея, электрический заряд создает в окружающем пространстве электрическое поле. Поле одного заряда действует на другой, и наоборот. Взаимодействие токов осуществляется посредством магнитного поля. Распределение электрических и магнитных полей в пространстве Фарадей описывал с помощью силовых линий, которые по его представлению напоминают обычные упругие линии в гипотетической среде — мировом эфире.
Максвелл полностью воспринял идеи Фарадея о существовании электромагнитного поля, то есть о реальности процессов в пространстве возле зарядов и токов. Он считал, что тело не может действовать там, где его нет.
Первое, что сделал Д.К. Максвелл — придал идеям Фарадея строгую математическую форму, столь необходимую в физике. Выяснилось, что с введением понятия поля законы Кулона и Ампера стали выражаться наиболее полно, глубоко и изящно. В явлении электромагнитной индукции Максвелл усмотрел новое свойство полей: переменное магнитное поле порождает в пустом пространстве электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (так называемое вихревое электрическое поле).
Следующий, и последний, шаг в открытии основных свойств электромагнитного поля был сделан Максвеллом без какой-либо опоры на эксперимент. Им была высказана гениальная догадка о том, что переменное электрическое поле порождает магнитное поле, как и обычный электрический ток (гипотеза о токе смещения). К 1869 все основные закономерности поведения электромагнитного поля были установлены и сформулированы в виде системы четырех уравнений, получивших название Максвелла уравнений.
Уравнения Максвелла — основные уравнения классической макроскопической электродинамики, описывающие электромагнитные явления в произвольных средах и в вакууме. Уравнения Максвелла получены Дж. К. Максвеллом в 60-х гг. 19 в. в результате обобщения найденных из опыта законов электрических и магнитных явлений.
Из уравнений Максвелла следовал фундаментальный вывод: конечность скорости распространения электромагнитных взаимодействий. Это главное, что отличает теорию близкодействия от теории дальнодействия. Скорость оказалась равной скорости света в вакууме: 300000 км/с. Отсюда Максвелл сделал заключение, что свет есть форма электромагнитных волн.
Работы по молекулярно-кинетической теории газов
Чрезвычайно велика роль Джеймса Максвелла в разработке и становлении молекулярно-кинетической теории (современное название — статистическая механика). Максвелл первым высказал утверждение о статистическом характере законов природы. В 1866 им был открыт первый статистический закон — закон распределения молекул по скоростям (Максвелла распределение). Кроме того, он рассчитал значения вязкости газов в зависимости от скоростей и длины свободного пробега молекул, вывел ряд соотношений термодинамики.
Распределение Максвелла — распределение по скоростям молекул системы в состоянии термодинамического равновесия (при условии, что поступательное движение молекул описывается законами классической механики). Установлено Дж. К. Максвеллом в 1859.
Максвелл был блестящим популяризатором науки. Он написал ряд статей для Британской энциклопедии и популярные книги: «Теория теплоты» (1870), «Материя и движение» (1873), «Электричество в элементарном изложении» (1881), которые были переведены на русский язык; читал лекции и доклады на физические темы для широкой аудитории. Максвелл проявлял также большой интерес к истории науки. В 1879 он опубликовал труды Г. Кавендиша по электричеству, снабдив их обширными комментариями.
Оценка работ Максвелла
Работы ученого не были по достоинству оценены его современниками. Идеи о существовании электромагнитного поля казались произвольными и неплодотворными. Только после того, как Генрих Герц в 1886-89 экспериментально доказал существование электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом, его теория получила всеобщее признание. Произошло это спустя десять лет после смерти Максвелла.
После экспериментального подтверждения реальности электромагнитного поля было сделано фундаментальное научное открытие: существуют различные виды материи, и каждому из них присущи свои законы, не сводимые к законам механики Ньютона. Впрочем, сам Максвелл вряд ли отчетливо это сознавал и первое время пытался строить механические модели электромагнитных явлений.
О роли Максвелла в развитии науки превосходно сказал американский физик Ричард Фейнман: «В истории человечества (если посмотреть на нее, скажем, через десять тысяч лет) самым значительным событием 19 столетия, несомненно, будет открытие Максвеллом законов электродинамики. На фоне этого важного научного открытия гражданская война в Америке в том же десятилетии будет выглядеть провинциальным происшествием».
Джеймс Максвелл скончался 5 ноября 1879, Кембридж. Он похоронен не в усыпальнице великих людей Англии — Вестминстерском аббатстве, — а в скромной могиле рядом с его любимой церковью в шотландской деревушке, недалеко от родового поместья.
Родился в семье шотландского дворянина из знатного рода Клерков (Clerks).
Учился сначала в Эдинбургской академии, Эдинбургском университете (1847—1850), затем в Кембриджском (1850—1854) университете (Питерхауз и Тринити-колледж).
В 1855 стал членом совета Тринити-колледжа. В 1856—1860 был профессором натуральной философии Маришал-колледжа Абердинского университета. В 1858 женился на Кэтрин Мэри Дьюар, дочери главы Маришаль-колледжа Даниэля Дюара.
С 1860 возглавлял кафедру физики и астрономии в Кингз-колледже Лондонского университета.
В 1865 в связи с серьёзной болезнью (оспа) 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 в Кембриджском университете возглавил кафедру экспериментальной физики. Организовал научно-исследовательскую лабораторию, которая открылась 16 июня 1874 и была названа Кавендишской — в честь Г. Кавендиша.
Научная деятельность
Свою первую научную работу Максвелл выполнил ещё 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 трёх 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 — жёлтым, он казался оранжевым; смешивание синего и жёлтого создавало впечатление зелёного. В 1860 году за работы по восприятию цвета и оптике Максвелл был награждён медалью Румфорда.
В 1857 году Кембриджский университет объявил конкурс на лучшую работу об устойчивости колец Сатурна. Эти образования были открыты Галилеем в начале XVII века и представляли удивительную загадку природы: планета казалась окружённой тремя сплошными концентрическими кольцами, состоящими из вещества неизвестной природы. Лаплас доказал, что они не могут быть твёрдыми. Проведя математический анализ, Максвелл убедился, что они не могут быть и жидкими, и пришёл 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 учёный выступил на заседании Британской ассоциации с докладом, в котором привёл распределение молекул по скоростям (максвелловское распределение). Максвелл развил представления своего предшественника в разработке кинетической теории газов Р. Клаузиуса, который ввёл 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, то есть в соответствии со статистикой Гаусса». 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 учёные, 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 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 пришёл к выводу, что любые изменения электрического и магнитного полей должны вызывать изменения в силовых линиях, пронизывающих окружающее пространство, то есть 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 3,4*10 10 см/с, что близко к скорости света, измеренной семью годами ранее французским физиком А. Физо. В октябре 1861 Максвелл сообщил Фарадею о своём открытии: свет — это электромагнитное возмущение, распространяющееся в непроводящей среде, то есть 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 подвёл знаменитый Трактат об электричестве и магнетизме (1873).
Теория электромагнитного поля и, в особенности, следующий из неё вывод о существовании электромагнитных волн при жизни Максвелла оставались чисто теоретическими положениями, не имевшими никакого экспериментального подтверждения, и современниками зачастую воспринимались как «игра ума». В 1887г. немецкий физик Генрих Герц поставил эксперимент, полностью подтвердивший теоретические выводы Максвелла.
Последние годы жизни Максвелл занимался подготовкой к печати и изданием рукописного наследия Кавендиша. Два больших тома вышли в октябре 1879.
Родился в семье шотландского дворянина из знатного рода Клерков (Clerks).
Учился сначала в Эдинбургской академии, Эдинбургском университете (1847—1850), затем в Кембриджском (1850—1854) университете (Питерхауз и Тринити-колледж).
В 1855 стал членом совета Тринити-колледжа. В 1856—1860 был профессором натуральной философии Маришал-колледжа Абердинского университета. В 1858 женился на Кэтрин Мэри Дьюар, дочери главы Маришаль-колледжа Даниэля Дюара.
С 1860 возглавлял кафедру физики и астрономии в Кингз-колледже Лондонского университета.
В 1865 в связи с серьёзной болезнью (оспа) 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 в Кембриджском университете возглавил кафедру экспериментальной физики. Организовал научно-исследовательскую лабораторию, которая открылась 16 июня 1874 и была названа Кавендишской — в честь Г. Кавендиша.
Научная деятельность
Свою первую научную работу Максвелл выполнил ещё 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 трёх 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 — жёлтым, он казался оранжевым; смешивание синего и жёлтого создавало впечатление зелёного. В 1860 году за работы по восприятию цвета и оптике Максвелл был награждён медалью Румфорда.
В 1857 году Кембриджский университет объявил конкурс на лучшую работу об устойчивости колец Сатурна. Эти образования были открыты Галилеем в начале XVII века и представляли удивительную загадку природы: планета казалась окружённой тремя сплошными концентрическими кольцами, состоящими из вещества неизвестной природы. Лаплас доказал, что они не могут быть твёрдыми. Проведя математический анализ, Максвелл убедился, что они не могут быть и жидкими, и пришёл 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 учёный выступил на заседании Британской ассоциации с докладом, в котором привёл распределение молекул по скоростям (максвелловское распределение). Максвелл развил представления своего предшественника в разработке кинетической теории газов Р. Клаузиуса, который ввёл 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, то есть в соответствии со статистикой Гаусса». 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 учёные, 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 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 пришёл к выводу, что любые изменения электрического и магнитного полей должны вызывать изменения в силовых линиях, пронизывающих окружающее пространство, то есть 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 3,4*10 10 см/с, что близко к скорости света, измеренной семью годами ранее французским физиком А. Физо. В октябре 1861 Максвелл сообщил Фарадею о своём открытии: свет — это электромагнитное возмущение, распространяющееся в непроводящей среде, то есть 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 подвёл знаменитый Трактат об электричестве и магнетизме (1873).
Теория электромагнитного поля и, в особенности, следующий из неё вывод о существовании электромагнитных волн при жизни Максвелла оставались чисто теоретическими положениями, не имевшими никакого экспериментального подтверждения, и современниками зачастую воспринимались как «игра ума». В 1887г. немецкий физик Генрих Герц поставил эксперимент, полностью подтвердивший теоретические выводы Максвелла.
Последние годы жизни Максвелл занимался подготовкой к печати и изданием рукописного наследия Кавендиша. Два больших тома вышли в октябре 1879.
Джеймс Максвелл