Кто построил теорию электромагнитного поля

Джеймс Клерк Максвелл: две знаменательные даты Текст научной статьи по специальности «Искусствоведение»

ДЖЕЙМС КЛЕРК МАКСВЕЛЛ / JAMES CLERK MAXWELL / ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ / ELECTROMAGNETIC FIELD / УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛ&SHY / MAXWELL’S EQUATIONS / ЛА / КАВЕНДИШСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ / CAVENDISH LABORATORY / КЕМБРИДЖ / ЛАУРЕАТЫ НОБЕЛЕВСКОЙ ПРЕМИИ / WINNER OF THE NOBEL PRIZE / UNIVERSITY OF CAMBRIDGE

Аннотация научной статьи по искусствоведению, автор научной работы — Гуслякова Ольга Игоревна, Левин Юрий Иванович

Рассмотрены события, в которых ключевую роль сыграл великий шотландец Дж.К. Максвелл и значение которых в развитии мировой культуры невозможно пере­оценить. В 2014 году исполнилось 150 лет выходу в свет его итоговой работы по теории электромагнитного поля и 140 лет созданию под его руководством Кавендишской лабо­ратории, ставшей мировым научным центром. Обсуждаются спорные даты, связанные с этими событиями.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по искусствоведению , автор научной работы — Гуслякова Ольга Игоревна, Левин Юрий Иванович

Дж. К. Максвелл и его роль в развитии экспериментального образования по физике

2007. 04. 018. Наварро Я. Имперское вторжение в Кембридж в поздневикторианский период: Дж. Дж. Томсон и области физических наук. Navarro J. Imperial incursions in late-victorian Cambridge: J. J. Thomson and the domains of the physical Sciences // history of Science. — Chalfont St. Giles, 2006. — Vol. 44, Pt. 4, n 146. — P. 469-495

Памяти Оливера Хевисайда (1850 1925)
Дж. Рэлей и история открытия закона теплового излучения Рэлея-Джинса
Научная школа: эволюция понятия
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

James Clerk Maxwell: Two remarkable dates

This article considers events in which great Scotchman J.C. Maxwell played prin­cipal role and the significance for the evolution of the world culture, which cannot be overestimated. There are two anniversaries in 2014: first, 150 years of the publication of his final work on the theory of the electromagnetic field , and second, 140 years of the organizing Cavendish Laboratory under his leadership, becoming the world centre of science. Questionable dates associated with these events are discussed.

Текст научной работы на тему «Джеймс Клерк Максвелл: две знаменательные даты»

УДК 537.8(09)+929 Максвелл

ДЖЕЙМС КЛЕРК МАКСВЕЛЛ: ДВЕ ЗНАМЕНАТЕЛЬНЫЕ ДАТЫ

О. И. Гуслякова, Ю. И. Левин

Саратовский государственный университет

Рассмотрены события, в которых ключевую роль сыграл великий шотландец Дж.К. Максвелл и значение которых в развитии мировой культуры невозможно переоценить. В 2014 году исполнилось 150 лет выходу в свет его итоговой работы по теории электромагнитного поля и 140 лет созданию под его руководством Кавендишской лаборатории, ставшей мировым научным центром. Обсуждаются спорные даты, связанные с этими событиями.

Ключевые слова: Джеймс Клерк Максвелл, электромагнитное поле, уравнения Максвелла, Кавендишская лаборатория, Кембридж, лауреаты Нобелевской премии.

Мы всегда чувствуем себя увереннее, когда имеем дело с физикой.

Наука захватывает нас только тогда, когда заинтересовавшись жизнью великих исследователей, мы начинаем следить за историей развития их открытий.

В 2014 году мы отмечаем две знаменательные даты, связанные с именем великого шотландца — Джеймса Клерка Максвелла. В ряде публикаций о событиях, о которых пойдет речь, называются разные даты. Разночтение в датах возникло не только из-за небрежности изложения фактов (особенно в Интернете), но и из-за не всегда четкой формулировки «точки отсчета».

Уравнения Максвелла, или аксиомы электродинамики

150 лет тому назад, в 1864 году Максвелл доложил Лондонскому королевскому обществу свою работу «Динамическая теория электромагнитного поля» [1], которая завершала цикл его работ по классической электродинамике: первая работа «О фа-радеевских силовых линиях», вторая — «О физических силовых линиях» [2]. Позже Максвелл изложил полученные результаты в двухтомном труде «Трактат об электричестве и магнетизме», первое издание которого вышло в 1873 году. Отличительной

особенностью этой работы, вероятно, явилось то, что в ней Максвелл практически отказался от изложения механических моделей электромагнитного поля. Тем не менее, основным итогом исследований электрических и магнитных явлений, начатых Максвеллом в 1854 году, явилась работа «Динамическая теория электромагнитного поля». В этой работе он вводит понятие электромагнитного поля (у Фарадея -электрическое поле), отмечает, что рассматривает электромагнитные явления, «пытаясь их объяснить свойствами поля, окружающего наэлектризованные или намагниченные тела». И далее пишет: «Та теория, которую я предлагаю, может быть названа теорией электромагнитного поля, потому что она имеет дело с пространством, окружающим электрические и магнитные тела, и она может быть названа также динамической теорией, поскольку она допускает, что в этом пространстве имеется материя, находящаяся в движении, посредством которой и производятся наблюдаемые электромагнитные явления. Таким путем мы пришли к определенным уравнениям, выражающим определенные свойства электромагнитного поля».

В 1864 году Максвелл доложил работу, а опубликована она была через несколько месяцев в «Трудах» Лондонского королевского общества в 1865 году. Однако в статье отмечается, что работа была устно доложена 8 декабря 1864 года. Первая работа «О фарадеевских силовых линиях», выполненная Максвеллом, когда он был ещё студентом Кембриджского университета, также была первоначально устно доложена им Кембриджскому философскому обществу на двух заседаниях: I часть — в конце 1855 года, II часть — в 1856 году. В те времена, вероятно, доклад имел значительно больший вес, чем в наше время.

Фундаментальная работа Максвелла «Динамическая теория электромагнитного поля» (как и две предыдущие) «первоначально не привлекла к себе внимание. Между тем появление этой статьи мы должны считать не менее выдающимся событием в истории мировой культуры, чем выход в свет в 1687 году «Математических начал натуральной философии» Ньютона» [3]. В статье [4] Макс Планк, говоря о Максвелле, отмечает, что «в учении об электричестве его гений предстает перед нами в своём полном величии. Именно в этой области. на долю Максвелла выпал такой успех, который мы должны причислить к наиболее удивительным деяниям человеческого духа. Максвелл в своей смелой фантазии и математической проницательности пошел дальше Фарадея». У Р.Э. Пайерса есть такая фраза: «Если вы разбудите физика среди ночи и скажите «Максвелл» он, наверное, отзовется: «электромагнитное поле»» [5].

В максвелловские времена были хорошо известны законы взаимодействия зарядов, постоянных токов и магнитов, которые были записаны в интегральной форме и отражали в той или иной степени идеологию «дальнодействия». Максвелл, обобщив известные факты, придал им форму дифференциальных уравнений — появилась непрерывность, появилось «близкодействие». Запись уравнений в такой форме привело к безвозвратному исчезновению «мгновенного действия» [1].

Если ограничится только этим обобщением, то уравнения получаются несовместными. В курсе общей физики, рассматривая вопросы электродинамики, обычно решают эту проблему следующим образом (ниже мы записываем уравнения не в тех обозначениях, которые использовал Максвелл в своей знаменитой статье, а в тех, которые используются в настоящее время — сути это не меняет). Проблема содержится в уравнении для магнитного поля, возбуждаемого током,

Если «взять» от этого уравнения дивергенцию, то слева получаем ноль, так как дивергенция от ротора тождественно равна нулю. Следовательно, дивергенция от вектора плотности тока тоже равна нулю

Это противоречит фундаментальному закону сохранения заряда (любой поток заряда через замкнутую поверхность равен изменению заряда внутри этой поверхности)

Чтобы устранить противоречие в уравнениях, следует ввести в уравнение дополнительное слагаемое, которое Максвелл назвал «током смещения»,

С введением дополнительного слагаемого (тока смещения) получаем

и закон сохранения заряда выполняется с учетом VE = peo.

Максвелл пришел к необходимости введения дополнительного слагаемого, тока смещения, с других позиций. Если «наложить электрическое поле на конденсатор, в котором промежуточная среда имеет очень большую диэлектрическую постоянную, то большая часть электрической индукции фактически будет затрачена на разделение зарядов в диэлектрике от одной стороны к другой. Вполне естественно ожидать, что движение этих зарядов будет сопровождаться током — током смещения» [5]. Важным обстоятельством явилось то, что Максвелл ввел ток смещения не только для диэлектрика, но и для вакуума, который воспринимался как особая физическая среда — эфир. «Введенное Максвеллом представление о поляризации вакуума долго служило препятствием к одобрению уравнений Максвелла в научных кругах» [3]. Идея тока смещения — центральная идея теории электромагнитного поля. Анри Пуанкаре с изумлением отмечал: «Все опыты того времени, казалось, противоречили этому, так как токи наблюдались исключительно в проводниках. Как мог Максвелл примирить свою смелую гипотезу с фактом так прочно установленным?». Ответ может быть таким: Максвелл органически был неспособен думать о физике неверно [6].

В статье [5] Р.Э. Пайерс пишет: «Максвелл нигде не рассматривает вопроса, являются ли все дифференциальные уравнения, которые он окончательно написал, совместными друг с другом. Однако я ни минуты не сомневаюсь, что он был убежден в совместности этих уравнений. И действительно, он написал много решений, и если. он выписал бы уравнения с другим членом (так что уравнения не были бы совместными), я уверен, что он не был бы удовлетворен и продолжал бы работу, пока не нашел бы надлежащим образом действующую схему. Таким образом, хотя я и не могу доказать этого, я вполне убежден, что та аргументация, которую мы обычно применяем сегодня, составляла фактически, явно или не явно, часть его рассуждений».

В работах по электромагнитному полю (указанных в начале настоящей статьи) Максвелл широко использует различные механические модели, которые должны, по

его замыслу, сделать более доступными математические формулировки. В работе «Динамическая теория электромагнитного поля» Максвелл пишет: «. применяя такие термины, как «электрическое количество движения» и «электрическая упругость» в отношении известных явлений индукции токов и поляризации диэлектриков, я хочу просто направить внимание читателя на механические явления, которые помогут ему в понимании электрических явлений. Все подобные фразы в настоящей статье должны пониматься как иллюстративные, а не объясняющие». Попытки Максвелла в этом направлении оказались тщетными, и только затрудняли понимание теории. Максвелл не смог отказаться от идеи эфира. В то время, особенно после крушения корпускулярной теории света, было трудно это сделать — существование эфира воспринималось как нечто естественное и несомненное. Для иллюстрации живучести идеи эфира можно указать на следующие два факта. Профессор Московского университета Н.А. Умов опубликовал в 1902 году «Курс физики», в котором пишет: «Еще сравнительно недавно тонкая невесомая материя, проникающая тела и наполняющая все пространство, называемая эфиром, считалась местом исключительно одних световых явлений. В настоящее время мы рассматриваем свет только как частный случай явлений, возможных в эфире». В 1901-1902 годах Г.А. Лоренц прочитал в Лейденском университете курс лекций «Теория и модели эфира» (на русском языке эти лекции издаются в 1936 году [7]).

Рассуждения о введении тока смещения и совместности уравнений нельзя отнести к доказательству уравнений Максвелла. Они являются просто неким аргументом, объясняющим структуру уравнений. «Нет сомнений, — пишет Пайерс, — что можно было бы изменить уравнения другими способами, чтобы сделать их непротиворечивыми» [5]. Тем не менее, дополнительное слагаемое вводится в уравнении в той форме, которую предложил Максвелл. Уравнения Максвелла — это аксиомы электродинамики. Зоммерфельд, рассматривая аксиоматику уравнений электродинамики, отмечает: «Аксиомы электродинамики, так же как и ньютоновские аксиомы механики, основываются на опыте, точнее говоря, на обобщении всего комплекса опытных фактов в упрощенной идеализированной форме» [8].

При введении тока смещения и формулировке уравнений электродинамики Максвелл, по-видимому, прежде всего, руководствовался физическими соображениями. Подтверждением целесообразности и эффективности такого подхода, в какой-то мере, являются слова Р. Фейнмана: «Математики часто говорят: «Послушайте, эти дифференциальные уравнения — уравнения Максвелла — ведь это все, что есть в электродинамике; ведь сами физики признают, что нет ничего, чего бы не содержалось в этих уравнениях. Уравнения эти сложны; ладно, но это всего лишь математические уравнения, и если я разберусь в них математически, я разберусь и в физике». Но ничего из этого не выходит. Математики, которые подходят к физике с этой точки зрения (а таких очень много), обычно не делают большого вклада в физику, да, кстати, и в математику. Их постигает неудача оттого, что настоящие физические ситуации реального мира так запутаны, что нужно обладать гораздо более широким пониманием уравнений» [9].

«Для Максвелла математика никогда не была самоцелью, и не наслаждения он искал в математических тонкостях, а орудие познания» [6].

Вторая знаменательная дата, связанная с именем Джеймса Клерка Максвелла, — 140 лет основанию знаменитой Кавендишской лаборатории, явлению уникальному, возникшему в небольшом городке Кембридже, примерно, в двухстах километ-

рах от Лондона. В разное время в этой Лаборатории работали 29 лауреатов Нобелевской премии. Для оценки научной атмосферы в этом городке можно обратить внимание на то, что из стен Кембриджского университета, основанного в 1209 году, вышло более 80 лауреатов Нобелевской премии. Кавендишская лаборатория имеет уникальную историю открытий и созданий новых направлений в науке [10]: открытие электрона (1897); создание теории радиоактивности и планетарной модели атома; осуществление искусственной радиоактивности (1919); открытие нейтрона (1932); построение модели ДНК (1953); создание камеры Вильсона (1912), масс-спектрографа (1913) и линейного ускорителя (1932); осуществление значительных научных достижений в области кристаллографии, рентгеноструктурного анализа, молекулярной биологии, радиоастрономии и т.д.

В литературных источниках есть расхождение в дате создания Лаборатории. В одних источниках говорится, что Кавендишская лаборатория создана в 1871 году, в других — в 1874 году. Разобраться в датах в данном случае несложно.

В 1871 году в Кембриджском университете была учреждена кафедра экспериментальной физики. Само по себе явление незаурядное. В то время теоретическую физику относили к математике, а «остальную физику» относили к натуральной философии (до Кембриджа Максвелл возглавлял в ряде университетов кафедры натуральной философии). Наряду с кафедрой предусматривалось создание физической лаборатории. Первоначально возглавить кафедру предложили Вильяму Томсону (будущему лорду Кельвину), но он отказался, уже имея кафедру в Глазго. Отказался и Генри Гельмгольц. Тогда учрежденную кафедру предложили Максвеллу, кандидатуру которого поддержали Стокс, Рэлей и другие ученые. После некоторых колебаний Максвелл согласился возглавить кафедру и Лабораторию, которой практически ещё не было. Она только начинала строиться и лишь в последствии была названа Каве-дишской.

Формальное назначение Максвелла состоялось 8 марта 1871 года, а в октябре он прочитал вступительную лекцию о функциях экспериментальной работы в университетском образовании, в которой говорил: «Кембриджский университет. с большей или меньшей быстротой приспосабливается к требованиям времени и недавно ввел курс экспериментальной физики. Курс этот, требуя поддержания способностей к пониманию и анализу, . требует также упражнения наших чувств в наблюдении и наших рук в общении с приборами. Привычные принадлежности — перо, чернила и бумага — не будут уже достаточны, и нам потребуется большее пространство, чем пространство кафедры, и большая площадь, чем поверхность доски. мы должны начать в лекционном зале с курса лекций в какой-нибудь отрасли физики, пользуясь опытами как иллюстрацией, и закончить в лаборатории рядом исследовательских опытов» [6]. То есть Лаборатория с самого начала мыслилась как исследовательская, научная.

При создании и оборудовании Лаборатории Максвелл проявил незаурядные организаторские способности. Строительство Лаборатории происходит при его активном участии. Максвелл вникает во все детали, стремясь все предусмотреть, сделать Лабораторию приспособленной и для лекционных демонстраций, и для научной деятельности. Ему удалось создать учебно-научную Лабораторию, в которой обучение студентов и глубокие научные исследования составляли единое целое, которая со временем стала крупным мировым центром физической науки. Трудно переоценить значение деятельности Максвелла по созданию этой Лаборатории. Можно с уверенностью сказать, что Лаборатория стала практическим наследием, оставленным Максвеллом потомкам [6, 10, 11].

Профессор Дж.Дж. Томсон (сидит в центре первого ряда) и его ученики: Дж.С.Таунсенд и Э.Резерфорд (сидят справа от Томсона) и Ч.Т.Р. Вильсон (стоит второй слева)

Рабочее место Э.Резерфорда

Фрэнсис Астон в лаборатории

Автоматическая конденсационная Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон

камера Патрика Блэкетта

Центр экспериментальной астрофизики

Становление Лаборатории не проходило «в радужных тонах». Встречался своеобразный саботаж: наставники студентов старших курсов отговаривали их идти в Лабораторию [7]. Максвеллу приходилось заниматься не только организацией Лаборатории, но и круто менять всю кембриджскую систему образования. Его ученик Артур Шустер вспоминал [6], что Максвелл был очень взволнован, когда ему удалось показать в вырезанной и отшлифованной им пластине двоякопреломляющего кристалла коническую рефракцию. Опыт был довольно сложным. Обрадованный Максвелл, встретив математика Тодгёнтера, спросил его: «Хотите видеть коническую рефракцию?». Ответ был таков: «Нет, я её преподавал всю свою жизнь и вовсе не хочу, чтобы все мои представления перевернулись, когда я её увижу». Тодгёнтер был образованным человеком и талантливым математиком, но это не помешало ему неприязненно отнестись к эксперименту; он считал, что достаточно, чтобы студент просто безоговорочно верил своему преподавателю.

Официальное открытие Кавендишской лаборатории состоялось 16 июня 1874 года. На торжество прибыли именитые гости, среди которых Стокс, Адамс, Левер-рье и многие другие. Лорд-канцлер, ректор Кембриджского университета, герцог Девонширский Вильям Кавендиш совершил официальный акт дарения Лаборатории университету. Очевидцем этого события был молодой русский физик профессор Московского университета Александр Григорьевич Столетов. Вот как он описывает в газете «Московские ведомости» (от 21 июня 1874 года) это событие: «Сегодня великий день в классическом Кембридже. Люди, кебы, колокола — всё в необычном движении. Праздновалось открытие одного из учреждений, ещё редких в Европе, но размножающихся с каждым годом. Едва ли не самая роскошная и комфортабельная Лаборатория, вверенная одному из первоклассных физиков нашего времени, профессору Джеймсу Клерку Максвеллу, без сомнения будет играть видную роль и в истории физики, и в истории английских университетов». Александр Григорьевич не ошибся! Далее Столетов даёт подробное описание Лаборатории. Первый этаж: комната для измерения длины, времени, массы, некоторых измерений электричества, магнетизма и теплоты; магнитная комната, на значительное расстояние от которой удалены железо и сталь; комната для весов; комната, предназначенная для теплоты; обширная кладовая; мастерская; комната для большой гальванической батареи. Второй этаж: большая аудитория; комната для приготовления лекционных демонстраций; огромная рабочая комната; комната профессора; комната для обеспечения неподвижности, столь необходимой для многих чувствительных приборов, где столы покоятся не на полу, а на особых балках, укрепленных в капитальных стенах здания. Верхний этаж: комнаты для акустики, лучистой теплоты, оптики и электричества; особая зала для вычислений; комната для фотографических работ и т.д. Здание отапливается горячей водой с помощью системы чугунных (а в магнитном отделении — медных) труб. Все комнаты обильно и удобно снабжены водой и газом.

Открытая 140 лет тому назад Лаборатория стала называться Кавендишской. Кто из Кавендишей, история рода которых восходит к эпохе норманнов, дал имя Лаборатории? Претендентов два. Первый претендент — Генри Кавендиш (1731-1810), гениальный ученый, затворник и оригинал, большую часть неопубликованных трудов которого издал Дж. Максвелл в 1879 году спустя 5 лет после открытия Лаборатории. Второй претендент — Вильям Кавендиш, лорд-канцлер Кембриджского университета, Седьмой герцог Девонширский, внучатый племянник первого кандидата. Он был большим меценатом, инициировал создание Лаборатории и пожертвовал на ее строительство 6300 фунтов.

В ряде изданий, в том числе достаточно солидных, утверждается, что Лаборатория названа в честь замечательного ученого XVIII века Генри Кавендиша, опубликовавшего при жизни работы в основном в области химии. Прямых подтверждений этому не обнаружено. Создается впечатление, что это утверждение основано, прежде всего, на нашем желании главенствования науки над кошельком с деньгами.

В других источниках, не менее авторитетных, говорится о том, что Лаборатория названа в честь Вильяма Кавендиша герцога Девонширского. Можно назвать три косвенных подтверждения этого. Во-первых, на официальном сайте Кавендиш-ской лаборатории [10] читаем: «Кавендишская лаборатории имеет экстраординарную историю открытий и инноваций в физике, начиная с момента открытия в 1874 году под руководством Джеймса Клерка Максвелла. Необходимость в практическом обучении ученых и инженеров выразилась в успехе Великой Выставки в 1851 году и требованиях индустриального общества. Введение естественно-научного экзамена (англ. Natural Sciences Tripos — экзамен для получения отличия — прим. Авт.) в 1851 году вскрыло необходимость строительства лаборатории, посвященной экспериментальной физике, и это было сделано благодаря щедрости канцлера университета Вильяма Кавендиша, Седьмого Герцога Девонширского». Ни слова о Генри Кавендише. Во-вторых, на старом здании лаборатории весит доска, на которой написано: «Кавендишская лаборатория 1874-1974 основана герцогом Девонширским. » [12]. И опять ни слова о Генри Кавендише. Можно обратить внимание еще на одно косвенное обстоятельство, если учесть традиции консервативной (во все времена) Англии. Для сотрудника Кавендишской лаборатории, ученика и коллеги Эрнеста Резерфорда, Петра Леонидовича Капицы, проводившего опыты с сильными магнитными полями на громоздком оборудовании, было построено новое здание, создана специальная лаборатория, получившая название Мондовской. Это название связано с именем крупного предпринимателя Людвига Монда, предоставившего средства для строительства лаборатории. Кто дает деньги, тот дает и имя. Только в 1970-е годы лаборатории, входящие в состав Кавендишской лаборатории, стали называть именами ученых: лаборатория Брэгга, лаборатория Мотта.

На фронтальной поверхности здания Мондовской лаборатории изображен раскрывший пасть, но совсем не страшный крокодил. Появление изображения крокодила связано с красивой легендой и является, в какой-то мере, свидетельством неформальной, дружественной обстановки в Кавендишской лаборатории, свойственной ей во все времена. Капица назвал крокодилом своего учителя Резерфорда, к которому относился с большой любовью. В первые годы своего пребывания в Кембридже (начало 1920-х годов) в одном из писем к матери Петр Леонидович шутливо писал о своих подозрениях, что в припадке гнева Резерфорд (как крокодил) может откусить ему голову. Кличка приклеилась к мэтру — так его стали называть сотрудники Лаборатории за глаза и в глаза.

В Англии есть сказка о мальчике Питере Пене и его друзьях, за которыми на неком острове охотятся пираты и кровожадный крокодил. Питер Пен отрубает руку пирату и ее проглатывает крокодил. Но на беду крокодила на отрубленной руке были часы и теперь, тикая в его брюхе, они всех предупреждают о его приближении. Причем здесь Резерфорд? Тяжелые шаги и очень громкий голос предшествовали появлению Резерфорда в комнатах Лаборатории; он никогда не появлялся внезапно [13].

Создатель и первый директор Каведишской лаборатории Джеймс Клерк Максвелл родился 13 июня 1831 года в Эдинбурге, а через 48 лет 5 ноября 1879 года его не

стало. Он похоронен не в Вестминстерском аббатстве — усыпальнице великих людей Англии, где покоится прах Ньютона, а на скромном сельском кладбище, недалеко от родового поместья. В 1931 году широко отмечалось 100-летие со дня рождения великого ученого. 30 сентября в Вестминстерском аббатстве, недалеко от надгробия Ньютона, были открыты мемориальные доски Фарадея и Максвелла. В связи с этим событием Макс Планк в статье [4] писал: «По рождению он принадлежит Эдинбургу, как личность он принадлежит Кембриджу, а труды его — достояние всего мира».

После смерти Максвелла директором Каведишской лаборатории стал Джон Уильям Стретт, который после смерти отца в 1871 году стал лордом Рэлеем. Рэлей был типичным представителем ученых, которые в те времена предпочитали работать в «домашних» условиях. В 1868 году он создал научную лабораторию в своей родовой усадьбе в Терлинг-Плейс. В 1879 году Рэлей неохотно принял предложение стать профессором экспериментальной физики и директором Кавендишской лаборатории и пробыл на этом посту 5 лет. В Кембридже он начал вместе со студентами осуществлять программу точного определения электрических единиц и «природных постоянных, которые нельзя найти при помощи чистых рассуждений» [13]. Программа выполнялась с присущими ему тщательностью и терпением, с использованием тонких инструментов, и многие ее результаты, полученные к 1884 году, в дальнейшем почти не требовали исправлений. Он также ввел для студентов лабораторную работу по физике, что было совершенно новым видом обучения для Англии того времени. Закон рассеяния света (закон Рэлея), ряд статей по акустике и оптике, фундаментальный анализ свойств спектроскопов, публикация классической двухтомной монографии «Теория звука», которая до сих пор остается востребованной, серия измерений плотности газов и открытие аргона и многое другое — все это было получено и открыто в «домашней» лаборатории. Тем не менее, Рэлей был первым из работавших в Кавендишской лаборатории, удостоенных Нобелевской премии (1904).

Во времена Максвелла и Рэлея Кавендишская лаборатория еще не стала в полной мере мировым научным центром. Тем не менее, «уже в свои ранние годы Кавендишская лаборатория выдвинулась вперед по сравнению с другими физическими лабораториями. Этим она была обязана не столько направлению работ, сколько своим первым двум профессорам — Максвеллу и Рэлею» [13]. Лаборатория стала ведущим научным центром в мире при Джозефе Джоне Томсоне и Эрнесте Резерфорде.

В 1884 году, когда Рэлей ушел в отставку, пост директора Кавендишской лаборатории занял Джозеф Джон Томсон. Ему было тогда всего двадцать семь лет и за ним еще не числились сколь-нибудь заметные успехи в экспериментальной физике. Поэтому его назначение не обошлось «без ворчания некоторых по поводу того, что какие-то мальчишки назначаются профессорами» [13]. Но Кавендишской лаборатории всегда везло на руководителей.

Дж.Дж. Томсон главным направлением исследований выбрал изучение электрической проводимости газов и добился огромных успехов на этом пути. Наиболее значимый результат — открытие электрона (см. библиографию в статье [14]). Том-сон фактически начал революцию в физике, которая привела к созданию квантовой механики. В 1906 году Томсон получил Нобелевскую премию по физике как «признание его выдающихся заслуг в области теоретических и экспериментальных исследований проводимости электричества в газах» [15].

Томсон оказал влияние на физику не только результатами своих блестящих экспериментальных исследований, но и как превосходный преподаватель и прекрасный руководитель Кавендишской лаборатории. Сотни наиболее талантливых моло-

дых физиков со всего мира выбирали местом обучения Кембридж. Из тех, кто работал в Кавендише под руководством Томсона, семеро стали в свое время лауреатами Нобелевской премии [15]. Учениками Томсона были будущие директора Кавендишской лаборатории: Эрнест Резерфорд и Лоренс Брэгг. А родители ещё одного будущего директора лаборатории познакомились, работая у Томсона.

В 1919 году Дж.Дж. Томсона сменил его ученик Э. Резерфорд, к этому времени уже известный ученый. Работы по атомной физике, выполненные им в Мак-Галльском университете (Монреаль) и университете Виктории (Манчестер), принесли ему мировую славу. В 1908 году он становится лауреатом Нобелевской премии. В 1912 году начинается плодотворное сотрудничество с датским физиком Нильсом Бором. «В Манчестере впервые «родился» атом и впервые там же был расщеплен, однако для всего мира. физику того периода символизирует Кавендиш» [13]. А. Пиппард назвал это «эмоциональной властью, которую Кембридж имеет над своими выпускниками». Приняв пост профессора Кембриджского университета и директора Кавендишской лаборатории, Резерфорд «продолжил в последующие несколько лет вести Лабораторию к положению, доминирующему во всем мире» [13]. Учениками Резерфорда считают себя многие ученые с мировым именем, в их числе: Г. Мозли, Дж. Чедвик, Д. Кокрофт, М. Олифант, В. Гейтлер, Отто Ган, П.Л. Капица, Ю.Б. Харитон, Г.А. Гамов. В то время, когда Лабораторией руководил Резерфорд, Фрэнсис Астон открыл изотопы химических элементов, Патрик Блэкетт получил снимок вынужденного взаимодействия ядер, Джеймс Чедвиг открыл нейтрон, и этот список можно долго продолжать. Период, когда Томсон и Резерфорд руководили Кавендишской лабораторией, Пип-пард определил как «золотой век веревки и сургуча». Технология эксперимента не требовала сложной и громоздкой аппаратуры. Это было время, «когда эксперименты ставились быстро, дешево, а главное, в одиночку» [13].

В 1938 году Кавендишскую лабораторию возглавил Лоренс Брэгг. Работа, проделанная Брэггом вместе с отцом Уильмом Брэггом, заложила основы современной рентгеновской кристаллографии. Анализ рентгеновских дифракционных картин стал мощным инструментом для минералогов, металлургов и других исследователей, имеющих дело с атомной структурой материалов. В 1915 году Лоренс Брэгг вместе со своим отцом был награжден Нобелевской премией «за заслуги в исследовании структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей» [15]. Брэгг-сын становится самым молодым лауреатом Нобелевской премии. После смерти Резерфорда состав Лаборатории увеличивается почти в три раза, существенно расширяется тематика научных исследований. Брэгг делит Лабораторию на исследовательские группы от 1 до 6-12 человек. Он активно поддерживает группу Фрэнсиса Крика и Джеймса Уотсона по исследованию сложных молекул, которые, в конечном итоге, приводят к открытию биспиральной структуры молекулы ДНК (Нобелевская премия совместно с сотрудником Лондонского королевского колледжа М. Уилкинсом по физиологии и медицине за 1962 год [15]). В это же время в Кавендишской лаборатории Макс Перутц проводит исследования структуры гемоглобина, которые приносят ему Нобелевскую премию по химии за 1962 год. К началу 1950-х годов, когда подходили к концу полномочия Брэгга, «физика низких температур, кристаллография (особенно та ее область, которая стала молекулярной биологией) и радиоастрономия соперничали с ядерной физикой и физикой элементарных частиц настолько, чтобы притягивать к себе самых лучших студентов» [13].

Приемником Брэгга в 1954 году стал Невилл Мотт. «Под его руководством было проведено множество инновационных исследований в области, известной сейчас как

физика конденсированного состояния, включая его собственную работу над некристаллическими полупроводниками» [10]. В 1977 году Мотт совместно с Филипом Андерсоном и Джоном Ван Флеком получил Нобелевскую премию «за фундаментальные теоретические исследования электронной стуктуры магнитных и неупорядоченных систем» [15]. Вероятно, в истории Кавендишской лаборатории это была первая Нобелевская премия за чисто теоретические исследования. Штатный состав продолжал расти, устанавливалось современное оборудование, и Лаборатория уже не могла помещаться в старых стенах, овеянных славой Максвелла, Рэлея, Томсона, Резерфор-да, Брэгга. Возникла необходимость размещения Лаборатории в более просторном помещении, оборудованном в соответствии с современными потребностями. Мотт стал последним руководителем Кавендишской лаборатории, который работал в старом здании. Переезд в новое здание был завершен в 1974 году под руководством Брайана Пиппарда, заменившего Мотта на посту руководителя Кавендишской лаборатории в 1971 году. Начался новый этап в жизни Кавендишеской лаборатории, традиционная роль которой, по словам Пиппарда, — быть на передовой.

Может быть, успех Джеймса Клерка Максвелла в создании фундаментальной теории электромагнитного поля и уникальной Кавендишской лаборатории в том, что для него «физика — это нечто намного большее, чем набор законов, применение которых дело элементарного навыка. Физика — прежде всего, живое творение рук и мозга, которое передается более примером, чем зубрежкой. Она воплощает искусство решать проблемы материального мира. И поэтому физике надо учиться, но учиться как искусству» [13].

1. Maxwell James Clerk. A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field// Royal Society Transactions. 1865. Vol. CLV. P. 459. The paper was orally read Dec. 8, 1864.

2. Максвелл Дж.К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. М., 1954

3. Дорфман Я.Г. Всемирная история физики. М.: Изд-во «Наука», 1979.

4. Планк М. Джеймс Клерк Максвелл и его значение для теоретической физики в Германии// Сб. Джеймс Клерк Максвелл: Статьи речи. М.: Изд-во «Наука», 1968.

5. Пайерлс Р.Э. Теория поля со времени Максвелла// Джеймс Клерк Максвелл: Статьи речи. М.: Изд-во «Наука», 1968.

6. Кляус Е.М.Джеймс Клерк Максвелл// Джеймс Клерк Максвелл: Статьи речи. М.: Изд-во «Наука», 1968.

8. Зоммерфельд А. Электродинамика. М., 1950.

9. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике: Т.5. Электричество и магнетизм. М.: Изд-во «Мир», 1966.

12. Зотиков И. В Кембридже я искал Кембридж. http://www.pingvins.com/articles/25/, http://www.vokrugsveta.ru

13. Pippard A.B. The Cavendish tradition//Nature. 1974. Vol. 249. P. 602. http://www.vivovoco.msk.su

14. Дмитриев Б.С., Левин Ю.И. Об открытии электрона // Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 1997. T. 5, № 5, С. 107.

15. Электронная библиотека. Наука и техника. Лауреаты Нобелевской премии. http://n-t.ru/nl/fz/

Поступила в редакцию 29.11.2014

JAMES CLERK MAXWELL: TWO REMARKABLE DATES

O. I. Guslyakova, Yu. I. Levin

Saratov State University

This article considers events in which great Scotchman J.C. Maxwell played principal role and the significance for the evolution of the world culture, which cannot be overestimated. There are two anniversaries in 2014: first, 150 years of the publication of his final work on the theory of the electromagnetic field, and second, 140 years of the organizing Cavendish Laboratory under his leadership, becoming the world centre of science. Questionable dates associated with these events are discussed.

Keyword: James Clerk Maxwell, electromagnetic field, Maxwell’s equations, Cavendish Laboratory, University of Cambridge, winner of the Nobel Prize.

Гуслякова Ольга Игоревна — родилась в Улан-Удэ, Республика Бурятия (1987), окончила факультет нелинейных процессов Саратовского государственного университета (2010). В настоящее время — ассистент кафедры физики открытых систем, ответственный по учебной работе на факультете нелинейных процессов СГУ. Научные интересы: история науки, нелинейная динамика.

410012 Саратов, ул. Астраханская, 83

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского E-mail: olga-yuki@mail.ru

Левин Юрий Иванович — родился в Саратове (1942), окончил физический факультет Саратовского государственного университета (1965), защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук (1974). В настоящее время декан факультета нелинейных процессов СГУ, профессор, заведующий кафедрой физики открытых нелинейных систем СГУ. Автор более 100 научных статей, научно-методических пособий и руководств.

410012 Саратов, ул. Астраханская, 83

Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского E-mail: levin@nonlin.sgu.ru

Почему теорию Максвелла так трудно понять?

В 1865 году Джеймс Клерк Максвелл опубликовал свою статью “Динамическая теория электромагнитного поля» в «Философских трудах Королевского общества». Ему было тогда тридцать четыре года. Оглядываясь назад, мы можем заметить, что работа Максвелла была самым важным событием девятнадцатого века в истории физических наук. Если говорить в общем о естественных науках, то статья Максвелла была второй по значимости после «Происхождения видов» Дарвина. Но важность работ Максвелла не была очевидна для его современников. Более двадцати лет его теория электромагнетизма в основном игнорировалась. Физикам было трудно ее понять из-за обилия сложных уравнений. Математикам было трудно ее понять, потому что Максвелл использовал для объяснений физический язык. Этот труд был расценен как неясное предположение без должного количества экспериментальных доказательств. Физик Михаил Пупин в своей автобиографии «От иммигранта к изобретателю» описывает, как он путешествовал из Америки в Европу в 1883 году в поисках того, кто понимал Максвелла. Он отправился изучать теорию Максвелла, как рыцарь в поисках Святого Грааля.

Пупин сначала поступил в Кембридж с твердым намерением изучить теорию у самого Максвелла. Он не знал, что Максвелл умер четыре года назад. Узнав, что Максвелл умер, он остался в Кембридже и был назначен преподавателем колледжа. Но его наставник знал о теории Максвелла меньше, чем он сам, и был заинтересован только в том, чтобы научить Михаила решать математические задачи трипоса. Михаил Пупин был поражен, обнаружив, как он говорит, «как мало было физиков, которые уловили смысл теории, даже через двадцать лет после того, как она была сформулирована Максвеллом в 1865 году». В конце концов он бежал из Кембриджа в Берлин и поступил студентом к Герману фон Гельмгольцу. Гельмгольц понимал теорию и учил Пупина тому, что знал сам. Пупин вернулся в Нью-Йорк, стал профессором Колумбийского университета и обучал последующие поколения студентов, которые впоследствии распространили Евангелие Максвелла по всей Америке.

Как случилось, что теория Максвелла была так широко проигнорирована? В конце концов, Максвелл не был похож на своего современника Грегора Менделя, монаха, работавшего в безвестном монастырском саду в Богемии. Максвелл был известным профессором, директором Кавендишской лаборатории в Кембридже, ведущей фигурой в британском научном сообществе. Свидетельством его высокого положения можно считать то, что он был президентом секции А (математические и физические науки) Британской ассоциации содействия развитию науки, когда ассоциация провела свое ежегодное собрание в Ливерпуле в 1870 году. Он выступил с президентской речью в Ливерпуле, которая была опубликована во втором томе недавно основанного журнала «Nature». Стиль его выступления показывает нам, почему его теорию не воспринимали всерьез. Можно было ожидать, что он воспользуется возможностью, предоставленной президентской платформой, чтобы объявить миру о важности открытий, которые он сделал пять лет назад. Он не сделал ничего подобного. Он был абсурдно и раздражающе скромен.

Максвелл в первую очередь объявил тему своего выступления — обзор последних достижений, которые были сделаны на границе между математикой и физикой. Затем он с большим энтузиазмом рассказал о вихревой теории молекул, недавно предложенной сэром Уильямом Томсоном (впоследствии ставшим лордом Кельвином).

Теория, которую сэр Уильям основал на великолепных гидродинамических теоремах Гельмгольца, ищет свойства молекул в кольцевых вихрях однородной несжимаемой жидкости без трения. Гельмгольц показал, что в идеальной жидкости такое кружащееся кольцо, если оно однажды возникло, будет продолжать кружиться вечно, всегда будет состоять из той же самой части жидкости, которая была сначала закручена, и никогда не может быть разрезана надвое какой-либо естественной причиной. Эти кольцевые вихри способны к таким разнообразным связям и узловатым самоинволюциям, что свойства различных узловатых вихрей должны быть столь же различны, как и свойства различных видов молекул.

И так далее. Максвелл объяснил, как древняя теория о том, что материя состоит из атомов, столкнулась с логическим парадоксом. С одной стороны, атомы должны были быть твердыми, непроницаемыми и неразрушимыми. С другой стороны, данные спектроскопии и химии показали, что атомы имеют внутреннюю структуру и находятся под влиянием внешних сил. Этот парадокс в течение многих лет блокировал прогресс в понимании природы материи. Теперь, наконец, вихревая теория молекул разрешила парадокс. Вихри в эфире мягкие и имеют внутреннюю структуру, и тем не менее, согласно Гельмгольцу, они индивидуальны и неразрушимы. Оставалось только вывести факты спектроскопии и химии из законов взаимодействия вихрей, предсказанных гидродинамикой идеальной жидкости. Максвелл считал эту вихревую теорию материи замечательным примером плодотворного взаимодействия математики и физики.

Неясно, верил ли Максвелл всерьез в то, что говорил о вихревой теории. Возможно, он хотел, чтобы его речь развлекала слушателей, а не просвещала их. У него было хитрое чувство юмора, и вполне возможно, что он хвалил теорию вихря, зная, что более проницательные члены аудитории поймут, что теория была шуткой. Только в конце своего выступления Максвелл кратко упомянул о своей теории электромагнетизма.

Другая теория электричества, которую я предпочитаю, отрицает действие на расстоянии и приписывает электрическое действие напряжениям и давлениям во всепроникающей среде, причем эти напряжения одинаковы по характеру с теми, которые известны инженерам, и среда идентична той, в которой предполагается распространение света.

Фраза «Другая теория электричества, которую я предпочитаю», кажется, намеренно скрывает тот факт, что это была его собственная теория. Неудивительно, что вихри Кельвина произвели на его слушателей большее впечатление, чем уравнения Максвелла.

Мораль этой истории заключается в том, что скромность не всегда является добродетелью. Максвелл и Мендель оба были чрезмерно скромны. Скромность Менделя задержала прогресс биологии на пятьдесят лет. Скромность Максвелла замедлила прогресс физики на двадцать лет. Для прогресса науки будет лучше, если люди, делающие великие открытия, не будут слишком скромны, чтобы трубить в свои собственные трубы. Если бы у Максвелла было такое же эго, как у Галилея или Ньютона, он бы позаботился о том, чтобы его работы не игнорировались. Максвелл был таким же великим ученым, как Ньютон, и гораздо более приятным человеком. Но, к сожалению, он не начал президентскую речь в Ливерпуле словами, подобными тем, которые Ньютон использовал, чтобы представить третий том своей Principia Mathematica: «. исходя из тех же принципов, я теперь демонстрирую структуру системы мира». Ньютон не называл свой закон всемирного тяготения «очередной теорией тяготения, которую я предпочитаю».

Теория Максвелла и квантовая механика

Помимо скромности Максвелла, были и другие причины, по которым его теорию было трудно понять. Он заменил ньютоновскую вселенную материальных объектов, взаимодействующих друг с другом на расстоянии, вселенной полей, простирающихся через пространство и взаимодействующих только локально с материальными объектами. Понятие поля было трудно понять, потому что поля неосязаемы. Ученые того времени, включая самого Максвелла, пытались представить поля как механические структуры, состоящие из множества маленьких колесиков и вихрей, простирающихся в пространстве. Эти структуры должны были переносить механические напряжения, которые электрические и магнитные поля передавали между электрическими зарядами и токами. Чтобы поля удовлетворяли уравнениям Максвелла, система колес и вихрей должна была быть чрезвычайно сложной.

Если попытаться визуализировать теорию Максвелла с помощью таких механических моделей, она выглядит как возврат к астрономии Птолемея с планетами, движущимися по циклам и эпициклам в небе. Это не похоже на изящную астрономию Ньютона. Уравнения Максвелла, записанные в неуклюжих обозначениях, которыми пользовался Максвелл, были пугающе сложными, а его механические модели — еще хуже. Для современников теория Максвелла была лишь одной из многих теорий электричества и магнетизма. Ее было трудно осмыслить, и, казалось, не было явного преимущества перед другими теориями, которые описывали электрические и магнитные силы в ньютоновском стиле как дальнодействие между зарядами и магнитами. Неудивительно, что мало кто из современников Максвелла прилагал усилия, чтобы изучить его теорию.

Теория Максвелла становится простой и понятной только тогда, когда вы отказываетесь мыслить в терминах механических моделей. Вместо того чтобы думать о механических объектах как о первичных, а об электромагнитных напряжениях как о вторичных следствиях, вы должны думать об электромагнитном поле как о первичном, а о механических силах как о вторичном конструкте. Мысль о том, что первичными составляющими Вселенной являются поля, не сразу пришла в голову физикам поколения Максвелла. Поля — это абстрактное понятие, далекое от привычного мира вещей и сил. Уравнения поля Максвелла являются уравнениями в частных производных. Они не могут быть выражены простыми словами, такими как закон движения Ньютона: сила равна массе, умноженной на ускорение. Теория Максвелла должна была ждать следующего поколения физиков, Герца, Лоренца и Эйнштейна, чтобы раскрыть свою силу и прояснить свои концепции. Следующее поколение выросло с уравнениями Максвелла и чувствовало себя как дома во вселенной, построенной из полей. Первенство полей было так же естественно для Эйнштейна, как первенство механических структур — для Максвелла.

Современный взгляд на мир, возникший из теории Максвелла, — это мир с двумя слоями. Первый слой, слой фундаментальных составляющих мира, состоит из полей, удовлетворяющих простым линейным уравнениям. Второй слой, слой вещей, которые мы можем непосредственно потрогать и измерить, состоит из механических напряжений, энергий и сил. Эти два слоя связаны, потому что величины во втором слое являются квадратичными или билинейными комбинациями величин в первом слое. Чтобы вычислить энергии или напряжения, вы берете квадрат напряженности электрического поля или умножаете одну составляющую поля на другую. Двухслойная структура мира — основная причина, по которой теория Максвелла казалась загадочной и трудной. Объекты на первом уровне, объекты, которые действительно фундаментальны, являются абстракциями, не доступными непосредственно нашим чувствам. Объекты, которые мы можем чувствовать и осязать, находятся на втором слое, и их поведение лишь косвенно определяется уравнениями, действующими на первом слое. Двухслойная структура мира подразумевает, что основные процессы природы скрыты от нашего взгляда.

Теперь мы считаем само собой разумеющимся, что электрические и магнитные поля являются абстракциями, не сводимыми к механическим моделям. Чтобы убедиться в этом, достаточно взглянуть на единицы измерения электрического и магнитного полей. Условная единица напряженности электрического поля — квадратный корень из джоуля на кубический метр. Джоуль — это единица энергии, а метр — единица длины, но квадратный корень из джоуля — это не единица чего-то осязаемого. Мы не можем представить себе, как можно измерить непосредственно квадратный корень из джоуля. Единица измерения напряженности электрического поля — это математическая абстракция, выбранная таким образом, что квадрат напряженности поля равен плотности энергии, которую можно измерить с помощью реальных приборов. Единицей плотности энергии является джоуль на кубический метр, и поэтому мы говорим, что единицей напряженности поля является квадратный корень из джоуля на кубический метр. Это не означает, что напряженность электрического поля можно измерить с помощью квадратного корня калориметра. Это означает, что напряженность электрического поля — абстрактная величина, несоизмеримая с любыми величинами, которые мы можем измерить непосредственно.

Через шестьдесят лет после того, как Максвелл опубликовал свою теорию, Шредингер, Гейзенберг и Дирак изобрели квантовую механику. Квантовая механика была принята гораздо быстрее, чем теория Максвелла, потому что она сделала множество определенных предсказаний об атомных процессах и эксперименты показали, что все предсказания были правильными. Через год-два все поверили в квантовую механику как в практический инструмент для расчета основных процессов физики и химии. Природа, очевидно, подчинялась законам квантовой механики. Но значение квантовой механики оставалось спорным. Хотя квантовая механика была быстро принята, она не была быстро понята. Резкие расхождения во мнениях по поводу интерпретации квантовой механики сохраняются на протяжении семидесяти лет.

Прошло около тридцати лет после Максвелла, прежде чем его уравнения стали понятны всем. Для достижения согласованного понимания квантовой механики потребуется по меньшей мере вдвое больше времени. Мы все еще ведем страстные споры между сторонниками различных интерпретаций квантовой механики, Копенгагенской интерпретации, многомировой интерпретации, декогерентной интерпретации, интерпретаций скрытых переменных и многих других. Причина этих споров заключается в том, что различные интерпретаторы пытаются описать квантовый мир словами повседневного языка, а язык не подходит для этой цели. Повседневный язык описывает мир таким, каким его видят люди. Наше восприятие мира целиком связано с макроскопическими объектами, которые ведут себя в соответствии с правилами классической физики. Все понятия, которые появляются в нашем языке, являются классическими. Каждая из интерпретаций квантовой механики — это попытка описать квантовую механику на языке, в котором отсутствуют соответствующие понятия. Битвы между соперничающими интерпретациями продолжаются безостановочно, и конца им не видно.

Для понимания квантовой механики может оказаться полезным подчеркнуть сходство между квантовой механикой и теорией Максвелла. В двух отношениях теория Максвелла может дать ключ к тайнам квантовой механики.

Во-первых, попытки понять квантовую механику в терминах языка, основанного на классических понятиях, аналогичны попыткам понять теорию Максвелла в терминах механических моделей. Теория Максвелла стала изящной и понятной только после того, как были оставлены попытки представить электромагнитные поля с помощью механических моделей. Точно так же квантовая механика становится изящной и понятной только после того, как попытки описать ее словами прекращаются. Чтобы увидеть красоту теории Максвелла, необходимо отойти от механических моделей и погрузиться в абстрактный мир полей. Чтобы увидеть красоту квантовой механики, необходимо отойти от словесных описаний и погрузиться в абстрактный мир геометрии. Математика — это язык, на котором говорит природа. Язык математики делает мир максвелловских полей и мир квантовых процессов одинаково прозрачными.

Вторая связь между теорией Максвелла и квантовой механикой заключается в глубоком сходстве структуры. Подобно теории Максвелла, квантовая механика делит Вселенную на два слоя. Первый слой содержит волновые функции Шредингера, матрицы Гейзенберга и векторы состояний Дирака. Величины в первом слое подчиняются простым линейным уравнениям. Их поведение можно точно рассчитать. Но их нельзя наблюдать непосредственно. Второй слой содержит вероятности столкновений и превращений частиц, интенсивности и поляризации излучения, математические ожидания энергий и спинов частиц. Величины во втором слое могут быть непосредственно наблюдаемы, но не могут быть непосредственно вычислены. Они не подчиняются простым уравнениям. Это либо квадраты величин первого слоя, либо произведения одной величины первого слоя на другую. В квантовой механике, как и в теории Максвелла, Природа живет в абстрактном математическом мире первого слоя, но мы, люди, живем в конкретном механическом мире второго слоя. Мы можем описать Природу только абстрактным математическим языком, потому что наш вербальный язык находится дома только во втором слое.

Как и в случае с теорией Максвелла, абстрактное качество величин первого слоя проявляется в единицах, в которых они выражаются. Например, волновая функция Шредингера выражается в единице, которая является квадратным корнем из обратного кубического метра. Уже один этот факт ясно показывает, что волновая функция — это абстракция, навсегда скрытая от нашего взгляда. Никто никогда не измерит напрямую квадратный корень из кубического метра. Конечная важность теории Максвелла гораздо больше, чем ее непосредственные достижения в объяснении и объединении явлений электричества и магнетизма. Его конечная важность состоит в том, чтобы стать прототипом для всех великих триумфов физики двадцатого века. Это прототип теории относительности Эйнштейна, квантовой механики, теории обобщенной калибровочной инвариантности Янга-Миллса и единой теории полей и частиц.

Все эти теории основаны на концепции динамических полей, введенной Максвеллом в 1865 году. Все они имеют одинаковую двухслойную структуру, отделяющую мир простых динамических уравнений от мира человеческого наблюдения. Все они воплощают в себе то же качество математической абстракции, которое сделало теорию Максвелла трудной для понимания его современниками. Мы можем надеяться, что глубокое понимание теории Максвелла приведет к рассеиванию тумана непонимания, который все еще окружает интерпретацию квантовой механики. И мы можем надеяться, что глубокое понимание теории Максвелла поможет проложить путь к дальнейшим триумфам физики в XXI веке.

• уравнения максвелла
• теория поля
• электромагнитное поле
• максвелл
• персоналии

• Научно-популярное
• Физика

Ученые

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.

Джеймс Клерк Максвелл

В современном мире электронная техника развивается семимильными шагами. Каждый день появляется что-то новое, и это не только небольшие улучшения уже существующих моделей, но и результаты применения инновационных технологий, позволяющих в разы улучшить характеристики.

Не отстает от электронной техники и приборостроительная отрасль – ведь чтобы разработать и выпустить на рынок новые устройства, их необходимо тщательно протестировать, как на этапе проектирования и разработки, так и на этапе производства. Появляются новая измерительная техника и новые методы измерения, а, следовательно – новые термины и понятия.

Для тех, кто часто сталкивается с непонятными сокращениями, аббревиатурами и терминами и хотел бы глубже понимать их значения, и предназначена эта рубрика.

Джеймс Клерк Максвелл (13.06.1831, Эдинбург, — 5.11.1879, Кембридж) — английский физик, создатель классической электродинамики, один из основателей статистической физики. Член Лондонского королевского общества (1860).

Сын шотландского дворянина из знатного рода Клерков. Учился в Эдинбургском (1847-50) и Кембриджском (1850-54) университетах. Профессор Маришал-колледжа в Абердине (1856-60), затем Лондонского университета (1860-65). С 1871 профессор Кембриджского университета, где Максвелл основал первую в Великобритании специально оборудованную физическую лабораторию — Кавендишскую лабораторию, директором которой он был с 1871.

Научная деятельность Максвелла охватывает проблемы электромагнетизма, кинетической теории газов, оптики, теории упругости и многое другое. Свою первую работу «О черчении овалов и об овалах со многими фокусами» Максвелл выполнил, когда ему ещё не было 15 лет (1846, опубликована в 1851). Одними из первых его исследований были работы по физиологии и физике цветного зрения и колориметрии. В 1861 Максвелл впервые демонстрировал цветное изображение, полученное от одновременного проецирования на экран красного, зелёного и синего диапозитивов, доказав этим справедливость трёхкомпонентной теории цветного зрения и одновременно наметив пути создания цветной фотографии. Он создал один из первых приборов для количественного измерения цвета, получившего название диска Максвелла. В 1857-59 Максвелл провёл теоретическое исследование устойчивости колец Сатурна и показал, что кольца Сатурна могут быть устойчивыми лишь в том случае, если они состоят из не связанных между собой твёрдых частиц.

В исследованиях по электричеству и магнетизму (статьи «О фарадсевых силовых линиях», 1855-56; «О физических силовых линиях», 1861-62; «Динамическая теория электромагнитного поля», 1864; двухтомный фундаментальный «Трактат об электричестве и магнетизме», 1873) Максвелл математически развил воззрения Фарадея на роль промежуточной среды в электрических и магнитных взаимодействиях. Он попытался (вслед за Фарадеем) истолковать эту среду как всепроникающий мировой эфир, однако эти попытки не были успешны. Дальнейшее развитие физики показало, что носителем электромагнитных взаимодействий является электромагнитное поле, теорию которого (в классической физике) Максвелл и создал. В этой теории Максвелл обобщил все известные к тому времени факты макроскопической электродинамики и впервые ввёл представление о токе смещения, порождающем магнитное поле подобно обычному току (току проводимости, перемещающимся электрическим зарядам). Максвелл выразил законы электромагнитного поля в виде системы 4 дифференциальных уравнений в частных производных. Общий и исчерпывающий характер этих уравнений проявился в том, что их анализ позволил предсказать многие неизвестные до того явления и закономерности. Так, из них следовало существование электромагнитных волн, впоследствии экспериментально открытых Г. Герцем. Исследуя эти уравнения, Максвелл пришёл к выводу об электромагнитной природе света (1865) и показал, что скорость любых других электромагнитных волн в вакууме равна скорости света. Он измерил (с большей точностью, чем В. Вебер и Ф. Кольрауш в 1856) отношение электростатической единицы заряда к электромагнитной и подтвердил его равенство скорости света. Из теории Максвелла вытекало, что электромагнитные волны производят давление. Давление света было экспериментально установлено в 1899 П. Н. Лебедевым.

Теория электромагнетизма Максвелла получила полное опытное подтверждение и стала общепризнанной классической основой современной физики. Роль этой теории ярко охарактеризовал А. Эйнштейн: «. тут произошел великий перелом, который навсегда связан с именами Фарадея, Максвелла, Герца. Львиная доля в этой революции принадлежит Максвеллу… После Максвелла физическая реальность мыслилась в виде непрерывных, не поддающихся механическому объяснению полей. Это изменение понятия реальности является наиболее глубоким и плодотворным из тех, которые испытала физика со времен Ньютона» (Собрание научных трудов, т. 4, М., 1967, с. 138).

В исследованиях по молекулярно-кинетической теории газов (статьи «Пояснения к динамической теории газов», 1860, и «Динамическая теория газов», 1866) Максвелл впервые решил статистическую задачу о распределении молекул идеального газа по скоростям. Максвелл рассчитал зависимость вязкости газа от скорости и длины свободного пробега молекул (1860), вычислив абсолютную величину последней, вывел ряд важных соотношений термодинамики (1860). Экспериментально измерил коэффициент вязкости сухого воздуха (1866). В 1873-74 Максвелл открыл явление двойного лучепреломления в потоке (эффект Максвелла).

Максвелл был крупным популяризатором. Он написал ряд статей для Британской энциклопедии, популярные книги [такие как «Теория теплоты» (1870), «Материя и движение» (1873), «Электричество в элементарном изложении» (1881), переведённые на русский язык]. Важным вкладом в историю физики является опубликование Максвеллом рукописей работ Г. Кавендиша по электричеству (1879) с обширными комментариями Максвелла.

В честь Джеймса Клерка Максвелла названа единица измерения магнитного потока в системе СГС — максвелл. Русское сокращение — Мкс. Международное сокращение — Mx.

Введена Международной электротехнической комиссией в 1930г. (ранее эта единица называлась линией). Названа в честь английского физика Джеймса Клерка Максвелла.

1 максвелл = 1 гаусс·см² = 10 −8 вебер.

В однородном магнитном поле с индукцией 1 гаусс магнитный поток в 1 максвелл проходит через плоский контур площадью 1 см², расположенный перпендикулярно вектору индукции.