9. Джеймс Клерк МАКСВЕЛЛ
Джеймс Клерк Максвелл родился 13 июня 1831г. в Эдинбурге.
Его отец Джон Клерк Маквелл принадлежал к древнему шотландскому роду Клерков. Он изучал право в Эдинбургском университете, потом вступил в адвокатскую коллегию, хотя интересовался лишь наукой и техникой, посещал заседания Эдинбургского философского общества и испытывал неприязнь к «грязным адвокатским делишкам», как он о них отзывался.
Джону Клерку Максвеллу было 37 лет, когда скончалась его мать, оставив на его попечение сестру Изабеллу, вдову государственного министра по делам Шотландии, с годовалой Джени-мой.
Обстоятельства заставляли Джона принимать новое радикальное решение. Первым сделанным им шагом стала 4 октября 1826 г. женитьба на Франсуаз Кэй, дочери судьи Адмиралтейского суда Роберта Ходжона Кея.
Под влиянием этой артистически одаренной, тонкой, но в то же время энергичной и волевой женщины Джон решил навсегда покинуть Эдинбург и поселиться в доставшемся ему по наследству поместье в южной Шотландии. Поместье находилось в красивейшем месте, но было разоренным, там даже не было подходящего дома, и его планированием и постройкой нужно было заняться в первую очередь.
Джон Клерк Максвелл решил все, начиная с дома («небольшого, но допускающего возможность расширения»), сделать по-новому. Все должно было быть рационально, просто, но удобно. Дом получил название «Гленлэр» — «Берлога в узкой лощине». Там, в атмосфере любви, в окружении прекрасной природы протекли детские годы Джеймса.
Ему было 8 лет, когда скончалась его мать. Последние дни она очень страдала, и Джеймса утешали тем, что ее кончина была избавлением от этих страданий. Единственным воспитателем Джеймса остался его отец. Между отцом и сыном создалась исключительная духовная близость и взаимопонимание. На всю жизнь Джеймсу запомнилось, как отец ясными ночами выносил его из дома и рассказывал о звездном небе. Они даже изготовили потом «небесный глобус» — бумажный шар, на котором были выколоты созвездия, и когда зажигали внутри шара свечу, на потолке и на стенах появлялась картина звездного неба.
У него были друзья-сверстники, он с наслаждением носился на пони, умудрялся плавать на деревянной бадье, сам мастерил себе игрушки, плел корзины и даже вышивал. Когда научился читать, довольно беспорядочно перечитал имевшиеся в доме книги, увлеченно рисовал «магические диски» — прообразы мультфильмов, даже сочинял стихи. Но систематического образования он не получал, что все больше беспокоило его отца (который, правда, вспоминал годы своей учебы в Хай-скул в Эдинбурге с живым отвращением) и родных. Был приглашен воспитатель — довольно милый юноша, не оправдавший, однако, как и несколько других последовавших за ним учителей, возлагавшихся на них надежд.
В конце концов было решено, что Джеймс должен переехать в Эдинбург, поселиться у своей тети и поступить в недавно созданную школу, носившую название Эдинбургской академии.
В школе Джеймса ждала малоприятная встреча. Одет он был непохоже на других: вся его одежда, вплоть до башмаков была изготовлена по оригинальным проектам его отца, не заботившегося о том, «что носят», а думавшего лишь о «рациональности» одежды и обуви. Естественно, в первый же день новые одноклассники набросились на Джемса, и очень пострадала бы не только его одежда, но и он сам, если бы не сила и ловкость, приобретенная им в Гленлэре. После этого за Джеймсом осталось прозвище «Бешеный», и его начали побаиваться.
Первое время Джеймс не блистал в школе успехами. Он очень тосковал по отцу, по всему дому и даже (это нашло отражение в его письмах) по всем оставшимся в Гленлэре животным, включая его любимых лягушек. Успешной учебе мешала и недостаточная домашняя подготовка. Похоже, перелом произошел, когда пришло время изучать геометрию. Она на всю жизнь осталась для Максвелла любимым разделом математики.
Он увлеченно склеивал из бумаги многогранники. После посещения вместе с отцом Эдинбургского философского общества, где они прослушали доклад о форме этрусских ваз, Джеймс занялся способами рисования овалов. Он знал о методе, издавна применявшимся садовниками: в землю забивают два колышка (два фокуса), придерживающих веревочную петлю, вдоль которой скользит натягивающая веревку острая палка, которой и рисуется на земле эллипс.
Джеймс предложил обобщить этот метод. Так появилась его первая научная работа «О черчении овальных кривых, имеющих несколько фокусов». Отец показал начерченные сыном овалы профессору Форбсу, который 16 апреля 1864г. доложил о них на заседании Эдинбургского философского общества, а потом опубликовал работу юного Максвелла со своими комментариями в Трудах Эдинбургского Королевского общества.
Весной 1847 г. состоялось важное для Джеймса знакомство с физиком Вильямом Николем (1767-1851), заслужившим известность изобретением очень удачного поляризатора (призмы Николя, часто именуемой просто «николем»). Продемонстрированные Николем изумительные картины хроматической поляризации, произвели на Джеймса Максвелла огромное впечатление, и он решил использовать это явление для исследования внутренних напряжений в прозрачных веществах. Он с увлечением зарисовывал цветные фигуры, которые наблюдал в опытах, и даже послал наиболее интересные рисунки Николю, и тот щедро отблагодарил его, прислав ему в подарок собственноручно изготовленные им два николя. Максвелл бережно хранил и впоследствии с успехом использовал этот подарок, начав изучать упругие напряжения в нагружаемых телах.
Интерес Максвелла к теории упругости нашел отражение в его докладе «О равновесии упругих тел», прочитанном им в 1850 г. на заседании Эдинбургского Королевского общества. Этот доклад, в который вошли результаты не только экспериментальных, но и теоретических исследования автора, вызвал серьезный интерес специалистов.
Но это произошло уже после того, как в 1847г. Джеймс Клерк Максвелл одним из первых окончил Эдинбургскую академию, которая так неласково встретила его и которую он потом полюбил и где его также полюбили. При расставании весь класс спел сочиненный им гимн.
И Джеймс, и его отец отчетливо понимали, что для серьезной научной работы подготовка в Эдинбургской академии недостаточна и следует продолжить обучение. Но мысль о разлуке с отцом, самым близким ему человеком была так тягостна, что было решено не покидать Эдинбурга.
Поступив осенью 1847года в Эдинбургский университет, Максвелл все заметнее переходит от математики к физике. Приехав летом в Гленлэр, он даже устроил там небольшую лабораторию, где занимался изучением оптическими методами механических напряжений при деформациях. Доклад об этих исследованиях он представил в Эдинбургском Королевском обществе в 1850г.
Несмотря на то, что в университете преподавали интересные ученые и опытные педагоги, очень хорошо относившиеся к Джеймсу, и он, и его отец все яснее понимали, что дальнейший рост требует перехода в Кембридж. Решиться на это было трудно: этих двух людей связывало все, и, казалось, жить в разлуке они не смогут. Но рассудок победил чувства, и осенью 1850 г. Джеймс уехал в Кембридж.
После непродолжительного пребывания в старейшем из колледжей Кембриджа Питерхаузе (колледже святого Петра) Максвелл перевелся в колледж святой Троицы — Тринити-колледж, основанный в 1546 г. славный тем, что здесь учился и работал великий Исаак Ньютон (1643-1727).
Наиболее трудной частью всего обучения был математический трипос — выпускной экзамен, к которому готовились три года с помощью тьюторов — специально приглашаемых преподавателей.
Тьютору Максвелла досталась нелегкая доля — Максвелл прибыл в Кембридж «с поистине безграничным, но хаотическим состоянием знаний». И однако он добился высокого положения в Кембридже. Он поднялся до второго места, уступив первое Э.Д. Роузу (1831-1907), который впоследствии сам стал знаменитым тьютором и внес ценный вклад в механику.
Успехи Максвелла были замечены, и молодой бакалавр был оставлен в Тринити-колледже в качестве преподавателя. Это произошло в январе 1854г.
А 20 февраля 1854г. Максвелл отправил в Глазго Уильяму Томсону (1824-1907) письмо, которому было суждено сыграть и в жизни Максвелла, и в истории науки важную роль.
Обращаясь к Томсону от имени группы Кембриджской молодежи, Максвелл просит Томсона посоветовать, как изучать электричество.
Томсон ответил очень благожелательным письмом, и завязалась переписка Максвелла, только что вступившего в «нечестивое сословие бакалавров», по его выражению, с маститым ученым, ставшим в 1851г. членом Лондонского королевского общества (с 1890 по 1895 г. его президентом) и получившим в 1892 г. титул лорда Кельвина.
Максвелл писал Томсону о полученных им результатах по теории упругости, о своем новом увлечении — теории цветного зрения, в частности о дальтонизме, но больше всего — об электричестве и магнетизме. Последнее письмо Максвелла к Томсону из Тринити-колледжа датировано 25 апреля 1856г. Оно посвящено математической теории электромагнетизма и кончается припиской: «Я, кажется, получу профессуру».
Речь шла о профессуре в Маршаль-колледже города Абердина в его родной Шотландии. Одновременно кандидатура 25-летнего Максвелла была предложена в члены Эдинбургского Королевского общества.
Максвелл с радостью принял лестные предложения и поспешил в Гленлэр, в Шотландию, к отцу. Здесь его ожидал тяжелый удар. 2 апреля 1856 г. Джон Клерк Максвелл скоропостижно скончался на руках своего сына.
Потерю самого дорогого и близкого человека помогла перенести физика. Максвелла тогда занимало несколько проблем, в том числе проблема устойчивости колец Сатурна и, особенно, проблема цвета. Но, конечно, главный, фундаментальный вклад Максвелла в науку связан с электричеством и магнетизмом.
Максвелл в первый раз 13 ноября 1854г. написал заметку «О фарадеевых линиях силы». Два последующих года он напряженно продолжает эти исследования, не прекращая работ по теории цветов и зрения. К этому времени он становится членом Тринити-колледжа, читает курсы гидростатики и оптики. Но главное — электродинамика.
Все грандиозное здание электродинамики покоится, если вдуматься, на весьма небольшом числе фундаментальных экспериментальных фактов. Но чтобы осознать это, Максвеллу потребовалось безоговорочно принять фарадеевскую концепцию электромагнитного поля как посредника во взаимодействиях зарядов и токов.
Влияние работ Фарадея на исследования Максвела по электродинамике было решающим. Он писал: «прежде чем начать изучение электричества, я решил не читать никаких математических работ по этому предмету до тщательного прочтения мной «Экспериментальных исследований по электричеству» Фарадея».
Нередко можно встретить утверждение, что Максвелл «всего лишь» перевел идеи Фарадея на язык математики. Хотя, нужно признать, что высказывания самого Максвелла дают повод для такого мнения, оно по существу неверно. Максвелл внес качественно новые принципиальные положения, без которых все дальнейшие великие открытия, в первую очередь открытие электромагнитной природы света, были бы невозможны. Но, безусловно, полевая концепция Фарадея играла первостепенную роль. Наверное, лучше всего об этом писал сам Максвелл: «Фарадей своим мысленным оком видел силовые линии, пронизывающие все пространство. Там, где математики видели центры напряжения дальнодействия, Фарадей видел промежуточный агент. Где они не видели ничего, кроме расстояния, удовлетворяясь тем, что находили закон распределения сил, действующих на электрические флюиды, Фарадей искал сущность реальных явлений, протекающих в среде».
Нужно заметить, что слово «среда» не случайно: Максвелл, как и Фарадей, считал, что пространство заполнено всепроникающим эфиром, некоей средой, в которой под действием зарядов и токов возникают напряжения, что и делает эту среду посредником в электромагнитных взаимодействиях. Эти образы, заимствованные из механики сплошных сред, пронизывают даже терминологию электродинамики, которой мы пользуемся и поныне: «напряженности электрического и магнитного полей, силовые линии, электродвижущая сила» и т.д. Максвелл же принимал многое буквально. Так, «поток напряженности электрического (или магнитного) поля» ассоциировался с реальным перетеканием какой-то среды, хотя мы не придерживаемся теперь таких представлений. Это нетрудно объяснить как укоренившимся в то время взглядом на механику как на универсальную, всеобъемлющую науку, так и местом, которое занимала механика сплошных сред в научной деятельности самого Максвелла.
И вот сложилось удивительное положение: наглядные модели и образы из арсенала механики, к которым прибегал Максвелл (а он настолько часто пользовался ими, что один из его читателей возмущенно заметил: «я думал, что вхожу в храм чистой науки, а оказался на фабрике!») — все это оказалось «строительными лесами», а в «здании» — великих уравнениях Максвелла — не пошевелился ни один камень, не изменилось ни одно из уравнений, когда эти леса были убраны и пришла пора новых толкований. Нельзя не подчеркнуть, что первый шаг к «освобождению от лесов» был сделан самим Максвеллом. Это видно уже по его работе 1964-1965 гг. «Динамическая теория электромагнитного поля».
Четыре дифференциальных уравнения Максвелла — математическая основа его теории - являются прямым обобщением экспериментальных фактов. Это:
1) закон Кулона для взаимодействия покоящихся зарядов (и, соответственно, выражение для напряженности электрического поля таких зарядов);
2) гипотеза Ампера о том, что магнитное поле является вихревым, что магнитные силовые линии замкнуты, т.е. об отсутствии в природе магнитных зарядов (монополей);
3) соотношение, связывающее распределение токов с напряженностью порождаемых ими магнитных полей. Главное открытие Максвела связано здесь с тем, что он понял, что магнитное поле порождается как токами проводимости, связанными с движением электрических зарядов, так и с переменными электрическими полями;
4) закон электромагнитной индукции Фарадея, определяющий вихревое электрическое поле, непохожее на поля кулоновского типа: силовые линии вихревых электрических полей замкнуты и охватывают силовые линии переменных магнитных полей.
Вихревые электрические поля, как и кулоновские, воздействуют на покоящиеся заряды, в отличие от магнитных полей, действующих на токи, но не на покоящиеся заряды.
Максвелл послал Фарадею свою статью «О фарадеевских линиях силы» и 25 марта 1857г. получил весьма одобрительное ответное письмо. В начавшейся переписке Фарадей не только постоянно поддерживал работу Максвелла, но и делился глубокими идеями. Так, он высказывает догадку, что электромагнитное поле распространяется с конечной скоростью, и идет еще дальше, когда пишет, что время установления электрического состояния «так же мало, как время прохождения света».
Но Максвелл пошел дальше качественных, хотя и гениальных догадок. Он обратил внимание на эксперименты, в которых Вильгельм Эдуард Вебер (1804-1891) и Рудольф Герман Арнут Кольрауш (1809-1858) определяли отношение количества электричества в магнитных и электрических единицах. Это отношение оказалось очень близким к значению скорости света. Эта близость была, конечно, известна физикам, но только Максвелл сделал из этого поразительный вывод о том, что свет имеет электромагнитную природу.
Веками оптика и учение об электромагнетизме развивались независимо и почти не пересекаясь. Правда, Фарадей обнаружил явление вращения плоскости поляризации в магнитном поле («Я намагнитил свет и осветил магнитные силовые линии!»), но дальше этого дело не пошло.
Озарение Максвелла решало многие проблемы. Конечно, представление о свете как о волнах в эфире объясняло многие явления интерференции, дифракции и поляризации, но при этом приходилось приписывать эфиру невиданные свойства: он не оказывал сопротивления движению в нем любых тел, но должен был обладать огромной упругостью формы. Хотя Максвелл не отказался от представлений об эфире (намеки на возможности такого отказа также можно найти у Фарадея!), его теория позволила в дальнейшем справиться и с этой проблемой.
Если скорость распространения электромагнитного поля конечна, то это поле может продолжать существовать и после того, как исчезнут его источники, например прекратятся порождавшие его электрические токи. Иначе говоря, это поле может существовать самостоятельно в виде электромагнитного излучения. Таким электромагнитным излучением, согласно Максвеллу, является и свет.
Это замечательное предсказание впервые нашло подтверждение в 1887г. в работах Генриха Рудольфа Герца (1857-1894), что явилось решающим аргументом в пользу теории Максвелла.
Важными были и опыты П.Н. Лебедева (1866-1912), доказавшие наличие давления света, т.е. подтвердившее наличие у электромагнитных волн не только энергии, но и импульса.
Успехи Максвелла не остаются незамеченными. В 1856 г. его избирают членом Эдинбургского Королевского общества и в 1860г. он удостаивается медали Румфорда Королевского общества за работы по теории цветов и оптике.
Но жизнь в постоянном напряжении начинает подтачивать здоровье Максвелла, и в 1866 г. месте с женой решает переселиться в свое имение в Гленлэр. У них много хозяйственных планов, они расширяют дом и, конечно, Максвелл не перестает при этом много сил отдавать физике. Но все планы опрокидывает болезнь. Максвеллы любят верховую езду, но однажды лошадь Джеймса, не слушая повода, ринулась в чащу, и он сильно ударился головой о нависшую ветку. В результате Максвелл надолго и в буквальном, и в переносном смысле слова был выбит из седла. По рекомендации врачей супруги Максвелл, как только позволило здоровье Джеймса, отправились 1867г. в путешествие по Европе.
А в 1871г. в жизни Максвелла происходит важное изменение. 8 марта, вскоре после выхода его новой книги «Теории тепла», он получает приглашение занять вновь организованную кафедру экспериментальной физики в Кембридже.
К тому времени в университетах Европы почти не было физических лабораторий и преподавалась «меловая физика». Эксперименты проводились в приватных лабораториях ученых и на их деньги. Не было средств и на создание физической лаборатории в Кембридже, пока на помощь не пришел герцог Девонширский. Этот аристократ был прямым потомком лорда Генри Кавендиша (1731-1810), одного из крупнейших, но почти никому не известных физиков XVIII века — он жил очень уединенно, даже со слугами, чтобы не тратить времени, объяснялся, в основном, знаками, и почти не публиковал своих открытий. Когда Максвелл начал с присущей ему тщательностью изучать и публиковать бумаги Кавендиша, переданные ему герцогом Девонширским, выяснилось, что Кавендиш на 15 лет опередил Кулона, ввел понятие электроемкости и определил диэлектрические проницаемости ряда веществ, не говоря уже о том, что ему принадлежат первые лабораторные проверки закона всемирного тяготения Ньютона.
Благодаря финансовой помощи герцога Девонширского и неустанным трудам Максвелла, который был и автором проекта, и повседневным руководителем строительства здания лаборатории и работ по по ее оборудованию, первая экспериментальная кафедра и лаборатория в Кембридже появилась. Максвелл и в области «административной физики» явил пример подлинного таланта.
Лаборатория была торжественно открыта 16 июля 1874г.
Ей суждено было сыграть выдающуюся роль в истории физики. Заслуги Максвелла в ее создании были огромны, но он совмещал эти нагрузки с чтением лекций и, главное, — научной работой. Так, за первый год существования лаборатории он опубликовал шесть работ и среди них обработанные (что потребовало большого труда) рукописи Кавендиша. Вскоре он опубликовал работу «О динамическом доказательстве молекулярного строения тел», а в «Британской энциклопедии» появились его статьи «Атом» и «Притяжение». Много времен он уделял участию в работе комиссии по электрическим измерениям. Занимался Максвелл и популяризацией науки. Им издана адресованная широкому кругу читателей (в ней нет математики, хотя нужно признать, что это не делает ее легким чтением) книга «Материя и движение».
Но тяжелая болезнь вновь заставила его в 1879г. вернуться в Гленлэр. Кончина Джеймса Клерка Максвелла 5 ноября 1879 г. была одной из величайших потерь для науки. После него остались его великие труды, созданная им лаборатория, в которой и поныне работают по завещанию вдовы Максвелла на учрежденную ею стипендию приезжающие со всех стран молодые физики.
Трудами Фарадея и Максвелла концепция дальнодействия в электродинамике уступила место концепции близкодействия, в которой ведущее положение заняли представления об электромагнитном поле.
Максвелловская теория электромагнитного поля далеко не мгновенно нашла признание и понимание. Показательна в этом отношении история одного из самых удивительных последователей Максвелла — Оливера Хевисайда.
Восемнадцати лет он начал работать телеграфистом и, возможно, всю жизнь «просидел бы на ключе», если бы не болезнь: он начал глохнуть и так как в то время телеграммы принимались на слух, Оливер не смог продолжать работать и оказался на иждивении у родственников, далеко не богачей.
Но его очень интересовала наука, и он, заходя порой в магазин к знакомому букинисту, стоя у прилавка, старался просматривать некоторые книги по физике. Так в его руки попал «Трактат об электричестве и магнетизме» Максвелла, изданный в 1873г. Ранее эта книга, судя по пометкам на полях, была в библиотеке одного из кембриджских профессоров, который, дойдя до середины, написал: «дальше понять ничего нельзя» и отнес ее букинисту.
Конечно, Хевисайду, не знавшему тогда высшей математики, эта книга была недоступна. Но он почему-то попросил букиниста известить его, если ее не купят и она «уценится». Когда цена упала до доступного Оливеру уровня, он купил книгу.
Но то, что происходил дальше, нельзя назвать просто чтением. Хевисайду пришлось не только овладеть новыми областями математики и физики, но и стать создателем и новых глав в этих науках. Достаточно сказать, например, что тот математический аппарат, который и сегодня используется при изложении теории Максвелла, был создан, как ни странно, не самим Максвеллом (он пользовался «кватарнионами», а не векторами), а Хевисайдом.
Далеко не сразу и далеко не все физики сумели понять и оценить электромагнитную теорию Максвелла. Еще в первые годы XX века, по воспоминаниям тогдашнего студента, профессор, дойдя до уравнений Максвелла, говорил: «Эти уравнения слишком сложны, чтобы рассказывать о них на лекциях, а господа студенты, желающие с ними познакомиться, благоволят приобрести конспект у служителя Ерофеича!»
Но что же такое электромагнитное поле?
Термин «поле» в математике и в физике обозначает попросту картину пространственного распределения чего-то. Так, поле температур в вашей комнате, или поле давлений и т.п. дает картину распределения этих величин в ней. Некоторые из этих величин могут быть векторами, т.е. для них нужно задавать не только численные значения, но и направления. Таким является, например, поле скоростей в некоторой жидкости.
Понятие о поле широко используется в механике сплошных сред, откуда многое почти без изменений перенесено в электродинамику. Даже термины «напряженности» электрического и магнитного полей явно происходят из теории упругости. И это не случайно: создатели теории электромагнитного поля фактически придерживались мнения, что электродинамика — это тоже механика, но механика некой своеобразной, экзотической среды, именуемой эфиром. Эфиру приходилось приписывать огромную упругость, чтобы объяснить колоссальную скорость волн в нем (а Максвелл считал, что свет — это именно поперечные волны в эфире), но с другой стороны, мы, взмахнув рукой, никак не ощущаем сопротивления с его стороны. Но, в конце концов, экзотичность — это не более, чем непривычность, и этого недостаточно, чтобы отвергать механический эфир.
Здесь слово «механический» имеет ключевое значение, и оно означает, что эфир рассматривается как среда, подчиняющаяся законам механики Ньютона. Именно так виделось дело и Фарадею, и Максвеллу, которые, таким образом, продолжали верить в универсальность механического описания.
Появление теории относительности заставило отказаться от этих воззрений. И здесь эксперимент играл решающую роль. Попытки экспериментально определить, увлекают ли движущиеся в эфире тела его вслед за собой, привели к противоречивым результатам: из одних опытов следовало, что увлекают полностью, из других, — что увлекают частично, наконец, еще из других, — что не увлекают совсем. Таким образом, речь приходилось вести даже не об экзотичности эфира, а о внутренней противоречивости представлений о нем.
Это и привело к необходимости отказа от веры в механический эфир. Но ведь реальность существования электромагнитного поля сомнений не вызывала. Оно создается зарядами и токами, но может отрываться от них и существовать автономно, несет энергию, импульс, оказывает давление и т.д., т.е. обладает рядом важнейших свойств материи.
Но это не механическая материя, т.е. ее поведение не подчиняется законам механики! Впервые в физику вошло представление, что есть разные формы материи, и они отличаются «законами бытия», т.е. если пользоваться понятиями из арсенала математики, уравнениями, определяющими их пространственно-временное поведение. Но у всех форм материи имеются и важные общие черты: есть энергия, импульс, масса и т.д., что присуще и механической материи. Между разными видами материи существуют взаимодействия, так что и в этом смысле материя едина.
Но оставив эти важнейшие и интереснейшие вопросы, вернемся к Земле. Теперь предмет нашего обсуждения выглядит так: каковы физические причины возникновения электрического и магнитного поля Земли?
Поиски ответов на эти, далеко не новые вопросы, не потребуют от нас обращения к каким-то новым гипотезам, здесь вполне достаточен надежно установленный и многократно проверенный на опыте аппарат физики, но его применение будет связано с далеко не простыми проблемами.
|