Читаем Максвелл. Электромагнитный синтез онлайн бесплатно

НАУКА. ВЕЛИЧАЙШИЕ ТЕОРИИ

Пер. с исп. — М.: Де Агостини, 2015. — 176 с.

ISSN 2409-0069

© Miguel Angel Sabadell, 2013 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2013

© ООО «Де Агостини», 2014-2015

Еженедельное издание

Иллюстрации предоставлены:

Archivo RBA: 36,43а, 62,66,74,77,79а, 79Ь, 98,115ai, 115ad, 115Ы, 115bd, 119,127,143а, 147,154,164,165; Getty Images: 93,143Ы, 143bd; Immanuel Giel: 39; James Clerk Maxwell Foundation: 25ai, 25b; NASA: 95; National Portrait Gallery: 43bd; Scottish National Portrait Gallery: 25ad; Kim Traynor: 43Ы; Universidad de Glasgow: 28; Joan Pejoan.

Когда во второй половине XVIII века Лавуазье представил список элементов, из которых состоит мир, он разделил их на четыре группы. В первую входили металлы, такие как свинец и железо (всего 17), во вторую — «земельные»: кремний, магний, кальций и алюминий, в третью — элементы, образующие кислоты, такие как сера, фосфор и углерод; и, наконец, четвертая группа состояла из кислорода, азота и водорода. Кроме того, отдельно значились вещества, не имеющие массы, невесомые — свет, теплород, эфир (субстанция, которая заполняла пространство и позволяла свету путешествовать по нему), электрический и магнитный флюиды. Эти пять веществ оставались загадочными, двойственными и недостижимыми до самого XIX века. «Невесомые тепло, электричество и любовь владеют миром», — писал в 1858 году Оливер Венделл Холмс, американский врач, обладавший тонким чувством юмора.

Однако к середине XIX века представления изменились. Теплород (вещество, которое, как считали, ответственно за нагрев предметов) исчез из книг по физике благодаря усилиям многих ученых: Бенджамина Томпсона, Джеймса Джоуля, Уильяма Томсона, Германа фон Гельмгольца... А вот исчезновением электрической и магнитной субстанций мы обязаны, прежде всего, работе единственного человека — Джеймса Клерка Максвелла. Верно, что идеи Максвелла основывались на работах таких гигантов, как великий Майкл Фарадей, но концептуальная революция, к которой Максвелл привел нас и которая открыла двери физике XX века, была исключительно его достижением. Не зря Альберт Эйнштейн писал: «Одна научная эпоха закончилась, а другая началась с Джеймсом Клерком Максвеллом».

Его электромагнитная теория сводится к четырем знаменитым законам Максвелла и остается одним из столпов нашего знания о Вселенной. Действительно, теория относительности частично возникла из-за невозможности примирить электромагнитную теорию Максвелла с механикой Ньютона. Нужно было выбрать либо одну, либо другую, и Эйнштейн решил противостоять Ньютону. Кроме того, электромагнитная теория Максвелла, которую он сформулировал в «Трактате об электричестве и магнетизме» (1873), выстояла во время глубоких изменений и революций, происходивших в физике в течение XX века. Это в высшей степени основной элемент нашего понимания реальности, от мельчайших ее представителей — мира атомов — до самых больших —скоплений галактик. Идеи Максвелла настолько отличались от общепринятых взглядов того времени, что его современники не знали, что с ними делать; большинство ученых были растеряны, и даже его самые верные друзья считали его просто фантазером. Мало того: ученый говорил им, что пространство, окружающее электрические заряды и магниты, не пустое, а содержит «нечто», придающее ему новые свойства, видимый эффект которых заключается в существовании электрической и магнитной сил. Каждый раз, когда магнит движется или меняется электрический ток, образуется волна, и она распространяется по пространству так же, как это делают волны в пруду, если бросить в него камень. И самое удивительное: эта волна и есть свет. Таким образом, Максвелл объединил в одной формулировке электричество, магнетизм и свет. Неудивительно, что в ответ на такой концептуальный поворот его коллеги молчали. Только в 1888 году, почти через десять лет после его смерти, его электромагнитная теория света, как он окрестил ее в 1864 году, была принята. И все благодаря тому, что один из лучших немецких физиков того времени, Герман фон Гельмгольц, предложил Берлинской академии наук выдать премию тому, кто экспериментально докажет, что теория Максвелла верна. Сегодня его подход к проблеме электромагнетизма стал тем способом, которым физики изучают остальные основные силы природы. А его работа по кинетической теории газов открыла двери двум большим научным революциям XX века, вызванным теорией относительности и квантовой теорией.

Только этого было бы достаточно для того, чтобы имя Максвелла светилось яркими неоновыми буквами в истории науки. Однако этот ученый сделал гораздо больше. Он был первым, кто создал количественную теорию цвета и объяснил, как можно образовать любой оттенок любого цвета на основе трех первичных (красного, зеленого и синего), в чем мы убеждаемся каждый день, когда включаем телевизор. Он сделал первую цветную фотографию в истории и доказал, что кольца Сатурна образованы мириадами метеоритов. Кроме того, Максвелл ввел статистические методы в физику, создав целую дисциплину, которая получила название статистической физики и занимается изучением материи. Ученый заложил основы кинетической теории газов, объясняющей поведение газа на основе движения образующих его молекул, и связал скорость и энергию каждой частицы газа с его макроскопическими свойствами, такими как температура или давление. Он также участвовал в постройке Кавендишской лаборатории в Кембриджском университете и был первым ее руководителем. Этот центр на сегодняшний день вырастил наибольшее число нобелевских лауреатов. Все вышеперечисленное ставит Максвелла в один ряд с Ньютоном и Эйнштейном, хотя очень небольшому числу людей знакомы его имя и его интеллектуальный подвиг.

Как ни удивительно, один из самых острых умов XIX века не получил заслуженного признания в собственной стране. Нет пророка в своем отечестве. При жизни Максвеллу вручили мало наград (например, была признана работа по теории цветов). Это забвение длилось долгое время. Когда Лондонское королевское общество в 1960 году отмечало 300-летие своего создания, на празднике присутствовала королева Елизавета, которая в своей речи похвалила работу большого числа его членов, и мы можем предположить, что этот список был предоставлен ей самим обществом; Максвелл не был упомянут.

Джеймс Клерк Максвелл верил в научный прогресс, в «приближение истины», как он сказал в своей инаугурационной лекции в Кембридже, когда начал руководить Кавендишской лабораторией. Хотя чувство долга вынуждало его постоянно занимать определенные научные должности, его истинной молчаливой обязанностью всегда была роль исследователя, получающего удовольствие от познания природы. Как писал его друг и биограф Льюис Кэмпбелл, «со святой отдачей он продолжил во взрослой жизни то, что было наслаждением его детства». Его взгляд на ценность науки не совпадал с общепринятым, который сформировался в середине XIX века, в частности в результате публикации «Происхождения видов» Чарльза Дарвина. Будучи глубоко религиозным человеком, хотя ни в коем случае не догматиком и не фундаменталистом, Максвелл указывал на то, что моральные и религиозные ценности важнее достижений материального прогресса. Он связывал изучение науки с личным совершенствованием и предупреждал об опасности уверенности в том, что только с помощью науки можно прийти к какому-либо интеллектуальному озарению. Для ученого существовали пределы познания, и он отвергал тщеславное представление о том, что мы насколько угодно близко можем подойти к «божественному предвидению». Тем не менее Максвелл на собственном примере доказал, каких интеллектуальных высот может достичь разум, лишенный предрассудков.

1831 Джеймс Клерк Максвелл родился 13 июня в Эдинбурге, Шотландия. Он был единственным сыном Джона Клерка и Фрэнсис Кей. Вскоре его родители переехали в фамильный дом Гленлэр.

1841 Начал учиться в Эдинбургской академии.

1848 Опубликовал первую научную статью об овалах.

1847 Начал изучать математику в Эдинбургском университете.

1848 Опубликовал статью «Теория кривых качения».

1850 Опубликовал работу «О равновесии упругих тел» и переехал в Кембриджский университет.

1854 Закончил обучение в Кембридже, получил вторую высшую оценку на выпускном экзамене.

1855 Опубликовал «Эксперименты с цветом, восприятие глаза» и первую часть «О фарадеевых силовых линиях». Вторая часть вышла в следующем году.

1858 Смерть отца. Максвелл назначен преподавателем натуральной философии в Маришал колледже в Абердине.

1858 Получил премию Адамса за изучение колец Сатурна. Женился на Кэтрин Мэри Дьюар.

1880 Опубликовал статьи «Пояснения к динамической теории газов» и «О теории составных цветов и отношений между цветами в спектре». Назначен преподавателем натуральной философии в Кингс-колледже в Лондоне. Получил медаль Румфорда Лондонского королевского общества. Перенес оспу.

1881 Сделал первую цветную фотографию. Опубликовал первую часть «Физических силовых линий» (вторая часть вышла в следующем году).

1885 Отказался от должности в Кингс-колледже. Вернулся в Гленлэр. Опубликовал «Взаимные фигуры и диаграммы силы» и «Динамическую теорию электромагнитного поля».

1888 Опубликовал «О вязкости, или внутреннем трении воздуха и других газов».

1887 Посетил Италию.

1871 Опубликовал книгу «Теория тепла». Назначен преподавателем экспериментальной физики в Кембриджском университете.

1873 Увидела свет работа Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме».

1879 Опубликовал книгу «Электрические исследования достопочтенного Генри Кавендиша». Умер 5 ноября от рака брюшной полости.

Любящие и участливые родители из высшего общества, семья, интересующаяся наукой и техникой, уже дающие о себе знать незаурядные умственные способности... Все это — детство и отрочество Максвелла, шотландского юноши, который произвел революцию в физике.

В первый же день учебы он вернулся домой в изорванной в лохмотья одежде — товарищи были к нему безжалостны. Десятилетний новичок пришел на занятия в Эдинбургскую академию в оригинальной твидовой мантии с воротником, украшенным рюшами, и в новых ботинках с латунными пряжками. Другие ученики никогда не видели ничего подобного и с жестокостью, свойственной детям, начали его травить. Насмешки и издевки летели со всех сторон. Бедный новичок защищался, говоря с акцентом Гэллоуэя (области на юго-западе Шотландии, традиционно известной лошадьми и животноводством), что еще больше подзадоривало одноклассников. Он казался самым глупым в классе, и на него навесили прозвище Недоумок. Жестокое обращение продолжалось, а несчастный мальчишка терпел его со стоицизмом и большой долей юмора, пока, наконец, не взорвался. Его сила заставила обидчиков на какое-то время лишиться дара речи, и с тех пор они выказывали ему больше уважения. Но прозвище осталось.

Джеймс Клерк Максвелл принадлежал к благородной семье Клерков из Пениквика, расположенного в графстве Мидлотиан, на юге Шотландии, в 16 километрах от Эдинбурга. С 1707 по 1755 год его прапрадедушка, сэр Джон Клерк, являлся одним из баронов Палаты шахматной доски Шотландии, а также был успешным музыкантом, произведения которого мы все еще можем услышать. Второй сын Джона Клерка, Джордж, женился на Доротее Максвелл, наследнице Миддлби, деревни в графстве Дамфрисшир, на юго-западе Шотландии, и добавил фамилию Максвелл к своей. Ряд неудачных инвестиций в шахты и фабрики заставил его продать часть своих земель в Миддлби, а уцелевшее оставить в наследство внуку Джону, который также взял фамилию Максвелл. Его старший брат, Джордж, получил в наследство Пениквик и титул баронета.

Джон изучал адвокатское дело, но его страстью была наука, особенно ее практическое применение. Он жил со своей матерью-вдовой в Эдинбурге до ее смерти в 1824 году. Двумя годами позже он женился на Фрэнсис Кей и первые годы брака с ней прожил в Эдинбурге: скудное владение в Миддлби не имело даже дома, в котором его владелец мог бы жить. На самом деле жилища там никогда и не было, потому что хозяева предпочитали контролировать владения на расстоянии. Но через некоторое время Джон купил соседнее имение, построил особняк, который назвал Гленлэр, и переехал туда со своей женой. Некоторое время они кочевали между Гленлэром и Эдинбургом. И именно там, в Эдинбурге, в старом доме, где Джон раньше жил со своей матерью, по адресу Индиан-стрит, 14, и родился его единственный сын Джеймс 13 июня 1831 года. Это были поздние роды, поскольку Фрэнсис уже исполнилось 40 лет, и радость от рождения сына позволила ей смириться с потерей дочери, умершей буквально через несколько дней после появления на свет.

В 1830-х годах Гленлэр находился в самой что ни на есть сельской местности, в долине реки Урр: чтобы доехать до Эдинбурга, требовались два дня пути по дорогам, не слишком привычным к каретам; самое большое, что они знали, — двухколесные крытые повозки, которые тянула одна-единственная лошадь. Само владение также не было очень большим (около 600 га), но этого было достаточно для того, чтобы Джеймс наслаждался им как никто. Первые восемь лет его детства действительно были очень счастливыми. Жизнь в деревне дала ему свободу, которая была бы недоступна в городе: он забирался на деревья, дрался с другими детьми, исследовал поля и леса и с интересом наблюдал за животными, особенно за птицами.

Вскоре все обитатели имения привыкли к тому, что внезапно мог прийти маленький Джеймс и начать спрашивать, что они сейчас делают. Родители его обожали. Едва Джеймс встал на ноги и начал говорить, они поняли, что их сын не только интересуется всем вокруг (это характерно для детей), но и немного опережает свой возраст в первых исследованиях мира.

Например, Джеймс не довольствовался простым знанием о том, как позвонить в звонок, чтобы позвать прислугу с кухни, но и хотел узнать, какой молоточек заставляет звучать каждый колокольчик и как работает вся эта система.

Счастье и несчастье должны увеличиваться неизбежно с ростом власти и знаний... переход от одного к другому действительно чудесен, в то время как прогресс — нечто естественное.

Джеймс Клерк Максвелл