Джеймс максвелл что сделал в физике. Научные труды Джеймс Максвелл

(1831-1879) английский физик, создатель теории электромагнитного поля

Джеймс Клерк Максвелл родился в 1831 году в состоятельной дворянской семье, принадлежавшей к знатному и старинному шотландскому роду Клерков. Его отец Джон Клерк, принявший фамилию Максвелл, был юристом. Он проявлял большой интерес к естествознанию, был человеком с разносторонними культурными интересами, путешественником, изобретателем и ученым. Детство Джеймса прошло в Гленлэре - живописном уголке, расположенном в нескольких милях от залива Ирландского моря.

Джеймс очень любил переделывать вещи, улучшая их конструкцию, мастерить, рисовать, умел вязать и вышивать. Его природная любознательность и склонность к уединенным размышлениям находили полное понимание у его родных и особенно у отца. Дружбу с отцом Джеймс пронес через всю жизнь, и, став взрослым, он скажет, что величайшая удача в жизни - иметь добрых и мудрых родителей. Мальчик рано потерял мать: в 1839 году она умерла, не перенеся тяжелой операции.

В 1841 году в возрасте 10 лет Джеймс поступает в Эдинбургскую академию - среднее учебное заведение типа классической гимназии. До пятого класса он учился без особого интереса, много болел. В пятом классе мальчик увлекся геометрией, начал мастерить модели геометрических тел и придумывать свои методы решения задач. В 1846 году, когда ему не было и 15 лет, он написал свою первую научную работу - «О черчении овалов и об овалах со многими фокусами», напечатанную впоследствии в трудах Эдинбургского королевского общества. Этой юношеской работой открывается двухтомное собрание научных статей Максвелла.

В 1847 году, не закончив гимназии, он поступил в Эдинбургский университет. К этому времени Джеймс увлекся опытами по оптике, химии, магнетизму, много занимался физикой и математикой. В 1850 году он выступил перед членами Королевского общества с докладом «О равновесии упругих тел», в котором доказал известную теорему, названную «теоремой Максвелла».

В 1850 году Джеймс перевелся в Кембриджский университет, в знаменитый Тринити-колледж, где в свое время учился Исаак Ньютон. Важную роль в формировании научного мировоззрения молодого человека сыграло его общение с учеными колледжа, в первую очередь с Джорджем Сто-ксом и Уильямом Томсоном (Кельвином). Кропотливое изучение работ Майкла Фарадея по электричеству указало путь его собственным дальнейшим исследованиям.

В 1854 году Максвелл закончил Кембриджский университет, получив вторую награду - премию Смита, присуждавшуюся за победу на труднейшем математическом экзамене. Первую награду он уступил Раусу - будущему известному механику и математику. Сразу же после окончания университета началась его преподавательская деятельность в Тринити-колледже. Максвелл читает лекции по гидравлике и оптике, занимается исследованиями по теории цвета. В 1855 году он посылает в Эдинбургское королевское общество доклад «Опыты по цвету», разрабатывает теорию цветного зрения. Как свидетельствовали современники, Джеймс Максвелл не был блестящим преподавателем, но относился к своим педагогическим обязанностям очень добросовестно. Его истинной страстью были научные исследования.

К этому времени у него пробудился интерес к проблемам электричества и магнетизма, и в 1855-1856 годах он закончил свою первую работу в этой области - «О фарадеевых силовых линиях». В ней уже намечаются основные черты его будущего великого труда. С 1855 года ученый состоит в Эдинбургском королевском обществе.

В 1856 году профессор Дж. Максвелл едет работать на кафедру натурфилософии Абердинского университета в Шотландии, где остается до 1860 года. В 1857 году он посылает свою статью по электромагнетизму Майклу Фарадею, очень тронувшую того. Фарадей поразился силе таланта молодого ученого. В этот период Максвелл параллельно с проблемами электромагнетизма занимается решением научных вопросов и в других областях. Он принимает участие в конкурсе Кембриджского университета, посвященном устойчивости колец Сатурна, и представляет на конкурс работу «Об устойчивости колец Сатурна», в которой показывает, что кольца не являются твердыми или жидкими, а представляют собой рой метеоритов. Эти работа была названа одним из замечательных приложений математики, а ученый получил почетную премию Адамса.

Джеймс Максвелл является одним из создателей кинетической теории газов. В 1859 году он установил статистический закон распределения молекул газа, находящегося в состоянии теплового равновесия, по скоростям, получивший название распределения Максвелла.

С 1860 по 1865 год Максвелл является профессором физики Кинге-Колледжа в Лондонском университете. Здесь он впервые встретился со своим кумиром - Майклом Фарадеем, который был уже стар и болен.

Избрание Дж. Максвелла в 1861 году членом Королевского общества в Лондоне стало признанием важности его научных трудов, среди которых следует отметить две важные статьи по электромагнетизму: «О физических силовых линиях» (1861-1862) и «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864-1865). В последней работе изложена теория электромагнитного поля, которую он сформулировал в виде системы нескольких уравнений - уравнений Максвелла, выражающих все основные закономерности электромагнитных явлений. Также в ней дается представление о свете как электромагнитных волнах.

1 еория электромагнитного поля является самым большим научным достижением Джеймса Максвелла, она ознаменовала собой начало нового этапа в физике. Большинство ученых исключительно высоко оценили теорию Максвелла, ставшего одним из ведущих физиков мира.

В 1865 году во время верховой езды с ним произошел несчастный случай. Перенеся тяжелое заболевание, он оставил кафедру в Лондонском университете и переехал в родной Гленлэр, в свое поместье, где на протяжении шести лет (до 1871 года) продолжал исследования по теории электромагнетизма и теплоты. Результаты его работы были опубликованы в 1871 году в труде «Теория теплоты».

В 1871 году на средства потомка известного английского ученого XVIII века Генри Кавендиша - герцога Кавенди-ша - была учреждена кафедра экспериментальной физики в Кембриджском университете, первым профессором которой был приглашен Максвелл. Вместе с кафедрой он принял и лабораторию, строительство которой только что началось под его наблюдением и руководством. Это была будущая знаменитая Кавендишская лаборатория - научный и исследовательский центр, прославившийся впоследствии на весь мир. 16 июня 1874 года состоялось торжественное открытие Кавендишской лаборатории, которую Максвелл возглавлял до конца своей жизни. Впоследствии ее возглавляли Дж. Рэлей, Д. Д. Гомсон, Э. Резерфорд, У. Брэгг.

Джеймс Максвелл был прекрасным руководителем лаборатории и имел непререкаемый авторитет среди сотрудников. Он отличался большой простотой, мягкостью и искренностью в общении с людьми, всегда был принципиален и активен, ценил и любил юмор.

В Кавендише Максвелл вел большую научную и педагогическую работу. В 1873 году выходит в свет его «Трактат об электричестве и магнетизме», подводящий итог его исследованиям в этой области и ставший вершиной его научного творчества. Восемь лет он отдал «Трактату», а последние пять лет жизни посвятил обработке и изданию неопубликованных трудов Генри Кавендиша, в честь которого была названа лаборатория. Два больших тома работ Кавендиша со своими комментариями Максвелл опубликовал в 1879 году.

Он никогда не проявлял себялюбия и обидчивости, не стремился к славе и всегда спокойно принимал критику в свой адрес. Его спутниками всегда были самообладание и выдержка. Даже когда он тяжело заболел и испытывал мучительные боли, он оставался уравновешенным и спокойным. Ученый мужественно встретил слова врача о том, что ему осталось жить не более месяца.

Джеймс Клерк Максвелл скончался 5 ноября 1879 года от рака в возрасте сорока восьми лет. Врач, лечивший его, пишет в своих воспоминаниях, что Джеймс мужественно переносил болезнь. Он испытывал невероятные боли, но никто из окружающих даже не догадывался об этом. До самой смерти он мыслил четко и ясно, прекрасно сознавая близкую кончину и сохраняя полное спокойствие.

Джеймс Кларк Максвелл прожил всего 48 лет, но его вклад в математику, физику и механику трудно переоценить. Сам Альберт Эйнштейн заявил, что теорией относительности он обязан уравнениям Максвелла для электромагниного поля.

В Эдинбурге на улице Индии есть дом, на стене которого висит мемориальная доска:
"Джеймс Кларк Максвелл
Естествоиспытатель
Родился здесь 13 июня 1831 года".

Будущий великий ученый принадлежал к старинной дворянской семье и большую часть детства провел в имении своего отца Миддлби, располагавшемся в Южной Шотландии. Он рос любопытным и активным ребенком, и уже тогда родные отмечали, что его любимые вопросы: "Как это сделать?" и "Как это происходит?".

Когда Джеймсу исполнилось десять, по решению семьи, он поступил в Эдинбургскую академию, где учился прилежно, хотя и не проявляя никаких особых талантов. Однако увлекшись геометрией, Максвелл изобрел новый способ рисования овалов. Содержание его работы, посвященной геометрии овальных кривых, было изложено в "Трудах Эдинбургского королевского общества" за 1846 год. Автору тогда исполнилось только четырнадцать лет. В шестнадцать Максвелл отправился в Эдинбургский университет, выбрав основными предметами физику и математику. Кроме того, он заинтересовался проблемами философии, прослушал курсы логики и метафизики.

Уже упомянутые "Труды Эдинбургского королевского общества" опубликовали еще два сочинения талантливого студента - о кривых качения и об упругих свойствах твердых тел. Последняя тема имела важное значение для строительной механики.

Проучившись в Эдинбурге, девятнадцатилетний Максвелл перебрался в Кембриджский университет, сначала в колледж Святого Петра, потом в более престижный колледж Святой Троицы. Изучение математики там было поставлено на более глубоком уровне, и требования к студентам заметно выше, чем в Эдинбурге. Несмотря на это, Максвеллу удалось показать второй результат на публичном трехступенчатом экзамене по математике на степень бакалавра.

В Кембридже Максвелл много общался с разными людьми, вступил в клуб апостолов, состоявший из 12 членов, объединенных широтой и оригинальностью мышления. Он участвовал в деятельности Рабочего колледжа, созданного для образования простых людей, читал там лекции.

Осенью 1855 года, когда Максвелл закончил учебу, его приняли в состав колледжа Святой Троицы и предложили остаться преподавать. Чуть позже он вошел в Эдинбургское королевское общество - национальное научное объединение Шотландии. В 1856 году Максвелл покинул Кембридж ради профессорского места в Маришальском колледже шотландского города Абердина.

Подружившись с директором колледжа преподобным Дэниэлом Дьюаром, Максвелл познакомился с его дочерью Кэтрин Мэри. Они объявили о помолвке в конце зимы 1858 года, а в июне обвенчались. По воспоминаниям биографа и друга ученого Льюиса Кэмпбелла, их брак оказался примером невероятной преданности. Известно, что Кэтрин помогала мужу в лабораторных исследованиях.

В целом, абердинский период был очень плодотворным в жизни Максвелла. Еще в Кембридже он занялся исследованием строения колец Сатурна, и в 1859 году в свет вышла его монография, где он доказывал, что они представляют собой твердые тела, вращающиеся вокруг планеты. Тогда же ученый написал статью "Пояснения к динамической теории газов", в которой вывел функцию, отражающую распределение молекул газа в зависимости от их скорости, впоследствии названную распределением Максвелла. Это был один из первых примеров статистических законов, которые описывают поведение не одного объекта или отдельной частицы, а поведение множества объектов или частиц. Придуманный исследователем позже "демон Максвелла" - мысленный эксперимент, в котором некое разумное бестелесное существо разделяет молекулы газа по скоростям, - продемонстрировал статистический характер второго закона термодинамики.

В 1860 году несколько колледжей объединили в Абердинский университет и часть кафедр упразднили. Под сокращение попал и молодой профессор Максвелл. Но он недолго оставался без работы, практически сразу его пригласили преподавать в Лондонский королевский колледж, где он пробыл последующие пять лет.

В том же году на собрании Британской ассоциации ученый прочел доклад о своих разработках, касающихся восприятия цвета, за которые позже получил медаль Румфорда от Лондонского королевского общества. Доказывая правоту собственной теории цвета, Максвелл предъявил на суд публики новинку, поразившую ее воображение, - цветную фотографию. До него никто не мог ее получить.

В 1861 году Максвелл получил назначение в Комитет по эталонам, созданный для того, чтобы определить главные электрические единицы.

Кроме того, Максвелл не отказался от исследований упругости твердых тел и за полученные результаты удостоился премии Кейта Эдинбургского королевского общества.

Работая в Лондонском королевском колледже, Максвелл завершил создание своей теории электромагнитного поля. Саму идею поля предложил знаменитый физик Майкл Фарадей, но его знаний не хватало, чтобы представить свое открытие на языке формул. Математическое описание электромагнитных полей стало главной научной проблемой для Максвелла. Опираясь на метод аналогий, благодаря которому было зафиксировано сходство между электрическим взаимодействием и теплопередачей в твердом теле, ученый перенес данные исследований теплоты на электричество и первым смог математически обосновать передачу электрического действия в среде.

1873 год ознаменовался выходом "Трактата об электричестве и магнетизме", чье значение сопоставимо со значением "Математических начал философии" Ньютона. С помощью уравнений Максвелл описал электромагнитные явления, сделал выводы о том, что существуют электромагнитные волны, что они распространяются со скоростью света и сам свет имеет электромагнитную природу.

"Трактат" издали, когда Максвелл уже два года (с 1871) занимал должность главы физической лаборатории Кембриджского университета, чье создание означало признание в ученом сообществе огромной важности экспериментального подхода к исследованиям.

Не менее значимой задачей Максвелл видел популяризацию науки. Для этого он писал статьи для энциклопедии "Британника", работы, где пытался на простом языке объяснить основные представления о материи, движении, электричестве, атомах и молекулах.

В 1879 году здоровье Максвелла сильно пошатнулось. Он знал, что тяжело болен, и его диагноз - рак. Понимая, что обречен, он мужественно переносил боли и спокойно встретил смерть, наступившую 5 ноября 1879 года.

Хотя труды Максвелла получили достойную оценку еще при жизни ученого, но их настоящая значимость стала понятна только годы спустя, когда в ХХ веке понятие поля надежно закрепилось в научном обиходе, а Альберт Эйнштейн заявил, что уравнения Максвелла для электромагнитного поля предшествовали его теории относительности.

Память ученого увековечена в названиях одного из строений Эдинбургского университета, главного корпуса и концертного холла Сэлфордского университета, Центра Джеймса Клерка Максвелла Эдинбургской академии. В Абердине и Кембридже можно найти улицы, названные в его честь. В Вестминстерском аббатстве есть мемориальная плита, посвященная Максвеллу, а посетители картинной галереи Абердинского университета могут увидеть бюст ученого. В 2008 году в Эдинбурге был установлен бронзовый памятник Максвеллу.

Множество организаций и наград также связаны с именем Максвелла. Физическая лаборатория, которой он руководил, учредила стипендию для самых способных аспирантов. Британский Институт физики вручает медаль и премию Максвелла молодым физикам, которые внесли значительный вклад в науку. В Университете Лондона есть должность максвелловского профессора и студенческое общество Максвелла. Созданный в 1977 году, Фонд Максвелла организует конференции по физике и математике.

Наряду с признанием Максвелл был назван самым известным шотландским ученым по итогам опроса 2006 года, всё это свидетельствует о той великой роли, которую он сыграл в истории науки.

Важнейшим фактором изменений облика мира является расширение горизонтов научных знаний. Ключевой особенностью в развитии науки этого периода времени является широкое применение электричества во всех отраслях производства. И люди уже не могли отказаться от использования электричества, ощутив его существенные преимущества. В это время ученые начали плотно изучать электромагнитные волны и их влияние на различные материалы.

Большим достижением науки XIX в. была выдвинутая английским ученым Д. Максвеллом электромагнитная теория света (1865 г.), которая обобщила исследования и теоретические выводы многих физиков разных стран в отраслях электромагнетизма, термодинамики и оптики.

Максвелл хорошо известен тем, что сформулировал четыре уравнения, которые явились выражением основных законов электричества и магнетизма. Эти две области широко исследовались до Максвелла на протяжении многих лет, и было хорошо известно, что они взаимосвязаны. Однако хотя уже были открыты различные законы электричества и они были истинными для специфических условий, до Максвелла не существовало ни одной общей и единообразной теории.

Д. Максвелл пришел к мысли о единстве и взаимосвязь электрических и магнитных полей, создал на этой основе теорию электромагнитного поля, согласно которой, возникнув в любой точке пространства, электромагнитное поле распространяться в нем со скоростью, равной скорости света. Таким образом он установил связь световых явлений с электромагнетизмом.

В своих четырех уравнениях, коротких, но довольно сложных, Максвелл сумел точно описать поведение и взаимодействие электрических и магнитных полей. Тем самым он трансформировал это сложное явление в единую, доступную для понимания теорию. Уравнения Максвелла находили широкое применение в прошлом веке как в теоретических, так и прикладных науках. Главным достоинством уравнений Максвелла было то, что они являются общими уравнениями, употребимыми при всех обстоятельствах. Все известные прежде законы электричества и магнетизма можно вывести из уравнений Максвелла, равно как и многие другие прежде неизвестные результаты.

Наиболее важные из этих результатов были выведены самим Максвеллом. Из его уравнений можно сделать вывод, что существует периодическое колебание электромагнитного поля. Начавшись, такие колебания, названные электромагнитными волнами, будут распространяться в пространстве. Из своих уравнений Максвелл сумел вывести, что скорость таких электромагнитных волн составила бы приблизительно 300000 километров (186000 миль) в секунду Максвелл увидел, что эта скорость равняется скорости света. Из этого он сделал правильный вывод о том, что свет сам состоит из электромагнитных волн. Таким образом, уравнения Максвелла являются не только основными законами электричества и магнетизма, они являются основными законами оптики. И действительно, все ранее известные законы оптики можно вывести из его уравнений, точно так же, как неизвестные ранее результаты и взаимосвязи. Видимый свет является не только возможным видом электромагнитного излучения.

Уравнения Максвелла показали, что могут существовать другие электромагнитные волны, отличающиеся от видимого света по длине волн и частоте. Эти теоретические выводы были впоследствии наглядно подтверждены Генрихом Герцем, который сумел как создавать, так и выпрямлять невидимые волны, существование которых предсказал Максвелл.

Впервые на практике наблюдать распространения электромагнитных волн удалось немецкому физику Г. Герцу (1883). Он также определил, что скорость их распространения - 300 тыс. км/сек. Парадоксально, но он считал, что электромагнитные волны не будут иметь практического применения. А уже через несколько лет, на основе этого открытия А.С. Попов применил их для передачи первой в мире радиограммы. Она состояла всего из двух слов: «Генрих Герц».

Сегодня мы с успехом используем их для телевидения. Рентгеновские лучи, гамма-лучи, инфракрасные лучи, ультрафиолетовые лучи являются еще одним примером электромагнитного излучения. Все это можно изучить посредством уравнений Максвелла. Хотя Максвелл добился признания главным образом благодаря его эффектному вкладу в электромагнетизм и оптику, он сделал также вклад в другие области науки, включая астрономическую теорию и термодинамику (изучение тепла). Предметом особого его интереса была кинетическая теория газов. Максвелл понял, что не все молекулы газа движутся с одинаковой скоростью. Одни молекулы движутся медленнее, другие быстрее, а некоторые движутся с очень высокой скоростью. Максвелл вывел формулу, которая определяет, какая частица молекулы данного газа будет двигаться при любой установленной скорости. Эта формула, получившая название «распределение Максвелла», широко используется в научных уравнениях и находит значительное применение во многих областях физики.

Это изобретение стало основой для современных технологий беспроводной передачи информации, радио и телевидения, в том числе всех видов мобильной связи, в основе работы которых лежит принцип передачи данных посредствам электромагнитных волн. 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.

О роли Максвелла в развитии науки превосходно сказал американский физик Р. Фейнман: «В истории человечества (если посмотреть на нее, скажем, через десять тысяч лет) самым значительным событием девятнадцатого 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 - физик, который первым сформулировал основы классической электродинамики. Их применяют до сих пор. Известно знаменитое уравнение Максвелла, именно он ввел в эту науку такие понятия, как ток смещения, электромагнитное поле, предсказал электромагнитные волны, природу и давление света, сделал множество других важных открытий.

Детство физика

Физик Максвелл родился в XIX веке, в 1831 году. Он появился на свет в шотландском Эдинбурге. Герой нашей статьи происходил из рода Клерков, его отец владел фамильным имением в Южной Шотландии. В 1826 году он нашел себе супругу по имени Фрэнсис Кей, они сыграли свадьбу, а через 5 лет у них родился Джеймс.

В младенчестве Максвелл с родителями переехал в имение Миддлби, здесь он и провел детство, которое было сильно омрачено смертью матери от рака. Еще в первые годы жизни он активно интересовался окружающим миром, увлекался поэзией, его окружали так называемые "научные игрушки". Например, предшественник кинематографа "магический диск".

В 10-летнем возрасте он начал заниматься с домашним учителем, но это оказалось неэффективным, тогда в 1841 году он переехал в Эдинбург к своей тете. Здесь он начал посещать Эдинбургскую академию, в которой упор делался на классическое образование.

Учеба в Эдинбургском университете

В 1847 году будущий физик Джеймс Максвелл начинает учиться в Тут он изучал труды по физике, магнетизму и философии, ставил многочисленные лабораторные опыты. Больше всего его интересовали механические свойства материалов. Он их исследовал с помощью поляризованного света. Такая возможность у физика Максвелла появилась после того, как его коллега Уильям Николь подарил ему два собственноручно собранных поляризационных прибора.

В то время он изготавливал большое количество моделей из желатина, подвергал их деформациям, следил за цветными картинами в поляризованном свете. Сравнивая свои опыты с теоретическими изысканиями, Максвелл вывел много новых закономерностей и проверил старые. В то время результаты этой работы были чрезвычайно важны для строительной механики.

Максвелл в Кембридже

В 1850 году Максвелл желает продолжить образование, хотя отец и не в восторге от этой затеи. Ученый отправляется в Кембридж. Там он поступает в недорогой колледж Питерхаус. Имевшаяся там учебная программа не удовлетворяла Джеймса, к тому же учеба в Питерхаусе не давала никаких перспектив.

Только в конце первого семестра ему удалось убедить отца и перевестись в более престижный Тринити-колледж. Через два года он становится стипендиатом, получает отдельную комнату.

При этом Максвелл практически не занимается научной деятельностью, больше читает и посещает лекции видных ученых своего времени, пишет стихи, участвует в интеллектуальной жизни университета. Герой нашей статьи много общается с новыми людьми, за счет этого компенсирует природную застенчивость.

Интересным был распорядок дня Максвелла. С 7 утра до 5 вечера он трудился, затем засыпал. Снова вставал в 21.30, читал, а с двух до полтретьего ночи занимался бегом прямо в коридорах общежития. После этого снова ложился, чтобы проспать до самого утра.

Работы по электричеству

Во время пребывания в Кембридже физик Максвелл всерьез увлекается проблемами электричества. Он исследует магнитных и электрических эффектов.

К тому времени Майкл Фарадей выдвинул теорию электромагнитной индукции, силовых линий, способных соединять отрицательный и положительный электрические заряды. Однако такая концепция действия на расстоянии не нравилась Максвелла, интуиция ему подсказывала, что где-то есть противоречия. Поэтому он решил построить математическую теорию, которая объединила бы результаты, полученные сторонниками дальнодействия, и представление Фарадея. Он использовал метод аналогии и применил результаты, которых ранее добился Уильямом Томсоном при анализе процессов теплопередачи в твердом теле. Так он впервые дал аргументированное математическое обоснование тому, как идет передача электрического действия в определенной среде.

Цветные снимки

В 1856 году Максвелл отправляется в Абердин, где вскоре женится. В июне 1860 году на съезде Британской ассоциации, который проходит в Оксфорде, герой нашей статьи делает важный доклад о своих исследования в области теории цветов, подкрепляя их конкретными экспериментами с помощью цветового ящика. В том же году его награждают медалью за работу над соединением оптики и цветов.

В 1861 году он предоставляет в Королевском институте неопровержимые доказательства верности своей теории - это цветная фотография, над которой он работал еще с 1855 года. Такого в мире еще никто не делал. Негативы он снял через несколько фильтров - синий, зеленый и красный. Освещая негативы через те же фильтры, ему удается получить цветное изображение.

Уравнение Максвелла

Сильное влияние в биографии Джеймса Клерка Максвелла на него оказали и Томсон. В результате он приходит к заключению, что магнетизм обладает вихревой природой, а электрический ток - поступательной. Он создает механическую модель, чтобы наглядно все продемонстрировать.

В результате ток смещения привел к знаменитому уравнению непрерывности, которое до сих пор используется для электрического заряда. По мнению современников, это открытие стало самым значимым вкладом Максвелла в современную физику.

Последние годы жизни

Последние годы своей жизни Максвелл провел в Кембридже на различных административных должностях, становился президентом философского общества. Вместе с учениками исследовал распространение волн в кристаллах.

Сотрудники, которые с ним работали, неоднократно отмечали, что он был максимально прост в общении, всецело отдавался исследованиям, имел уникальную способность проникать в суть самой проблемы, был очень проницательным, при этом адекватно реагировал на критику, никогда не стремился стать знаменитым, но в то же время был способен на весьма утонченный сарказм.

Первые симптомы серьезного заболевания у него проявились в 1877 году, когда Максвеллу исполнилось всего 46 лет. Он все чаще стал задыхаться, ему трудно было есть и проглатывать пищу, возникали сильные боли.

Уже через два года ему было совсем тяжело читать лекции, выступать на публике, он очень быстро уставал. Врачи отмечали, что его состояние постоянно ухудшалось. Диагноз медиков был неутешителен - рак брюшной полости. В конце года, окончательно ослабев, он вернулся из Гленлэра в Кембридж. Облегчить его страдания пытался доктор Джеймс Паджет, известный в то время.

В ноябре 1879 году Максвелл умер. Гроб с его телом перевезли из Кембриджа в фамильное имение, похоронив рядом с родителями на небольшом деревенском кладбище в Партоне.

Олимпиада в честь Максвелла

Память о Максвелле сохранилась в названиях улиц, зданий, астрономических объектов, наград и благотворительных фондов. Также ежегодно в Москве проходит олимпиада по физике имени Максвелла.

Она проходит для учеников с 7 по 11 классы включительно. Для школьников 7-8 классов результаты олимпиады Максвелла по физике являются заменой регионального и Всероссийского этапа олимпиады школьников по физике.

Чтобы участвовать в региональном этапе, нужно получить достаточное количество баллов на предварительном отборе. Региональный и финальный этапы олимпиады Максвелла по физике проходят в два этапа. Один из них теоретический, а второй - экспериментальный.

Интересно, что задания олимпиады Максвелла по физике на всех этапах совпадают по уровню сложности с испытаниями финальных этапов Всероссийской олимпиады школьников.

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…