Научные труды Джеймс Максвелл. Максвелл Джеймс - биография, факты из жизни, фотографии, справочная информация
"Нет стремления более естественного, чем стремление к знанию." - М.Монтень
МАКСВЕЛЛ, Джеймс Клерк (1831 - 1879) - выдающийся английский физик. Его наиболее замечательные исследования относятся к кинетической теории газов и электричеству; является создателем теории электромагнитного поля и электромагнитной теории света.
Согласно опросу, проведенному среди ученых журналом "Физик уолд", физик Джеймс Клерк Максвелл вошел в первую тройку названных: Максвелл, Ньютон, Эйнштейн.
Его страсть к исследованиям и приобретению новых знаний была беспредельна. С юности Максвелл решил посвятить себя физике. Его наставник Гопкинс писал: «Это был самый экстраординарный человек, которого я когда-либо видел.
Он органически был неспособен думать о физике неверно. Я растил его как великого гения, со всей его эксцентричностью и пророчеством о том, что он в один прекрасный день будет сиять в физике – пророчеством, с которым убежденно были согласны и его коллеги-студенты».
Однажды при приеме экзамена у аспирантов профессор поставил цель отсеять как можно больше студентов и давал неразрешимые, по его мнению, задачи. Однако, Максвелл с такой задачей справился!
Так Максвелл открыл знаменитое распределение молекул по скоростям в газе, впоследствии названное его именем (распределение Максвелла), еще в годы своей учебы.
С 1871 года Максвелл становится профессором Кембриджского университета.
В 1873 году Максвелл пишет двухтомный фундаментальный «Трактат об электричестве и магнетизме», в котором сформулирована знаменитая максвелловская теория электромагнитного поля.
Максвелл сумел выразить законы электромагнитного поля в виде системы 4 дифференциальных уравнений в частных производных (уравнения Максвелла ), из которых следовало существование электромагнитных волн Теория электромагнетизма Максвелла получила опытное подтверждение и стала общепризнанной классической основой современной физики.
Многочисленные его увлечения другими отраслями физики были тоже очень плодотворны: он изобрел волчок, поверхность которого, окрашенная в разные цвета, при вращении образовывала самые неожиданные сочетания. При смещении красного и желтого получался оранжевый цвет, синего и желтого – зеленый, при смешении всех цветов спектра получался белый цвет – действие, обратное действию призмы – «диск Максвелла»; он нашел термодинамический парадокс, много лет не дававший покоя физикам – «дьявол Максвелла»; в кинетическую теорию были введены им «распределение Максвелла» и «статистика Максвелла – Больцмана»; есть «число Максвелла».
Кроме того, его перу принадлежит изящное исследование об устойчивости колец Сатурна, за которое ему была присуждена академическая медаль и после которого он становится «признанным лидером математических физиков". Максвелл создал множество небольших шедевров в самых разнообразных областях – от осуществления первой в мире цветной фотографии до разработки способа радикального выведения с одежды жировых пятен
Максвелл написал ряд статей для Британской энциклопедии, популярные книги: "Теория теплоты", "Материя и движение", "Электричество в элементарном изложении", переведённые на русский язык.
Интересно, что одна из форм записи второго начала термодинамики: dp/dt = JCM. Левая часть этой формулы часто встречалась в произведениях Максвелла, далеких от физики, в качестве подписи!
Но главная память о Максвелле, вероятно, единственном в истории науки человеке, в честь которого имеется столько названий, – это «уравнения Максвелла», «электродинамика Максвелла», «правило Максвелла», «ток Максвелла» и, наконец, –максвелл– единица магнитного потока в системе CGS.
Знаете ли вы?
О наклонной плоскости
Исследуя перекатывание шара «с горки на горку», Галилей предположил, что, говоря современным языком, приобретаемая при спуске скорость не зависит от формы пути, по которому движется тело. Галилей, естественно, не знал, что такое положение вытекает из закона сохранения энергии, однако он этот закон предчувствовал и применял в простейших случаях падения тела или движения по наклонной плоскости и в опытах с маятником.
(13.06.1831 - 05.11.1879)
((1831-1879), английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики. Родился 13 июня 1831 в Эдинбурге в семье шотландского дворянина из знатного рода Клерков. Учился сначала в Эдинбургском (1847-1850), затем в Кембриджском (1850-1854) университете. В 1855 стал членом совета Тринити-колледжа, в 1856-1860 был профессором натурфилософии Маришал-колледжа Абердинского университета, с 1860 возглавлял кафедру физики и астрономии в Кингз-колледже Лондонского университета. В 1865 в связи с серьезной болезнью Максвелл отказался от кафедры и поселился в своем родовом поместье Гленлэр близ Эдинбурга. Здесь он продолжал заниматься наукой, написал несколько сочинений по физике и математике.
В 1871 в Кембриджском университете была учреждена кафедра экспериментальной физики, которую Максвелл согласился занять. Здесь он взял на себя бремя по организации при кафедре научно-исследовательской лаборатории, первой физической лаборатории в Англии. Средства на ее создание были пожертвованы герцогом Девонширским, лордом-канцлером Университета, но все организационные работы велись под наблюдением и по указаниям Максвелла (кроме того, он вложил в нее немало личных средств). Лаборатория открылась 16 июня 1874 и была названа Кавендишской - в честь замечательного английского ученого конца 18 в. Г.Кавендиша, которому герцог доводился внучатым племянником. Лаборатория была приспособлена как для научной работы, так и для лекционных демонстраций. Впоследствии она стала одной из самых знаменитых физических лабораторий мира.
Последние годы жизни Максвелл много занимался подготовкой к печати и изданием огромного рукописного наследия Кавендиша - его теоретических и экспериментальных работ по электричеству. Два больших тома вышли в октябре 1879. Умер Максвелл в Кембридже 5 ноября 1879. После отпевания в часовне Тринити-колледжа он был похоронен на фамильном кладбище в Шотландии.
Свою первую научную работу Максвелл выполнил еще в школе: в возрасте 15 лет он придумал простой способ вычерчивания овальных фигур. Эта работа была доложена на заседании Королевского общества и даже опубликована в его "Трудах". В бытность членом Тринити-колледжа он занимался экспериментами по теории цветов, выступая как продолжатель теории Юнга и теории трех основных цветов Гельмгольца. В своих экспериментах по смешиванию цветов Максвелл применил особый волчок, диск которого был разделен на секторы, окрашенные в разные цвета ("диск Максвелла"). При быстром вращении волчка цвета сливались: если диск был закрашен так, как расположены цвета спектра, он казался белым; если одну его половину закрашивали красным, а другую - желтым, он казался оранжевым; смешивание синего и желтого создавало впечатление зеленого. Разные комбинации цветов давали разные оттенки. Несколько позже Максвелл с успехом демонстрировал этот прибор на своих лекциях в Королевском обществе. В 1860 за работы по восприятию цвета и оптике он был награжден медалью Румфорда.
В 1857 Кембриджский университет объявил конкурс на лучшую работу об устойчивости колец Сатурна, в котором Максвелл решил принять участие. Эти образования были открыты Галилеем в начале 17 в. и представляли удивительную загадку природы: планета казалась окруженной тремя сплошными концентрическими кольцами, состоящими из вещества неизвестной природы. Лаплас доказал, что они не могут быть твердыми. Проведя математический анализ, Максвелл убедился, что они не могут быть и жидкими, и пришел к заключению, что подобная структура является устойчивой только в том случае, если она состоит из роя не связанных между собой метеоритов. Устойчивость колец обеспечивается их притяжением к Сатурну и взаимным движением планеты и метеоритов. За эту работу Максвелл получил премию Дж.Адамса и сразу же стал лидером математической физики.
Одной из первых работ Максвелла, внесших наиболее весомый вклад в науку, стала его кинетическая теория газов. В 1859 он выступил на заседании Британской ассоциации с докладом, в котором дал вывод распределения молекул по скоростям (максвелловское распределение). Максвелл развил представления своего предшественника в разработке кинетической теории газов Р.Клаузиуса, который ввел понятие "средней длины свободного пробега" (среднего расстояния, проходимого молекулой газа между ее столкновением с другой молекулой). Максвелл исходил из представления о газе как об ансамбле множества идеально упругих шариков, хаотически движущихся в замкнутом пространстве и претерпевающих лишь упругие столкновения. Шарики (молекулы) можно разделить на группы по скоростям, при этом в стационарном состоянии число молекул в каждой группе остается постоянным, хотя они могут выходить из групп и входить в них. Из такого рассмотрения следовало, что "частицы распределяются по скоростям по такому же закону, по какому распределяются ошибки наблюдений в теории метода наименьших квадратов, т.е. в соответствии со статистикой Гаусса". Так впервые в описание физических явлений вошла статистика. В рамках своей теории Максвелл объяснил закон Авогадро, диффузию, теплопроводность, внутреннее трение (теория переноса).
В 1867 показал статистическую природу второго начала термодинамики ("демон Максвелла"). В 1831, в год рождения Максвелла, М.Фарадей проводил классические эксперименты, которые привели его к открытию электромагнитной индукции. Максвелл приступил к исследованию электричества и магнетизма примерно 20 лет спустя, когда существовали два взгляда на природу электрических и магнитных эффектов. Такие ученые, как А.М.Ампер и Ф.Нейман, придерживались концепции дальнодействия, рассматривая электромагнитные силы как аналог гравитационного притяжения между двумя массами. Фарадей был приверженцем идеи силовых линий, которые соединяют положительный и отрицательный электрические заряды или северный и южный полюсы магнита. Они заполняют все окружающее пространство (поле, по терминологии Фарадея) и обусловливают электрические и магнитные взаимодействия. Максвелл самым тщательным образом изучил работы Фарадея и почти всю свою творческую жизнь развивал идеи поля.
Следуя Фарадею, он разработал гидродинамическую модель силовых линий и выразил известные тогда соотношения электродинамики на математическом языке, соответствующем механическим моделям Фарадея. Основные результаты этого исследования отражены в работе Фарадеевы силовые линии (Faraday"s Lines of Force), направленной Фарадею в 1857. В 1860-1865 Максвелл создал теорию электромагнитного поля, которую он сформулировал в виде системы уравнений (уравнения Максвелла), описывающих все основные закономерности электромагнитных явлений: 1-е уравнение выражало электромагнитную индукцию Фарадея; 2-е - магнитоэлектрическую индукцию, открытую Максвеллом и основанную на представлениях о токах смещения; 3-е - закон сохранения количества электричества; 4-е - вихревой характер магнитного поля. Продолжая развивать эти идеи, Максвелл пришел к выводу, что любые изменения электрического и магнитного полей должны вызывать изменения в силовых линиях, пронизывающих окружающее пространство, т.е. должны существовать импульсы (или волны), распространяющиеся в среде. Скорость распространения этих волн (электромагнитного возмущения) зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости среды и равна отношению электромагнитной единицы электричества к электростатической. По данным Максвелла и других исследователей, это отношение составляет 3Ч1010 см/с, что очень близко к скорости света, измеренной семью годами ранее французским физиком А.Физо.
В октябре 1861 Максвелл сообщил Фарадею о своем открытии: свет - это электромагнитное возмущение, распространяющееся в непроводящей среде, т.е. разновидность электромагнитных волн. Этот завершающий этап был отражен в работе Максвелла Динамическая теория электромагнитного поля (Treatise on Electricity and Magnetism, 1864), а итог его работ по электродинамике подвел знаменитый Трактат об электричестве и магнетизме (1873). Экспериментальная и техническая задача получения и использования электромагнитных волн в широком спектральном диапазоне, в котором на долю видимого света приходится лишь малая часть, была успешно решена последующими поколениями ученых и инженеров. Применения теории Максвелла дали миру все виды радиосвязи, включая радиовещание и телевидение, радиолокацию и навигационные средства, а также средства для управления ракетами и спутниками. 1831-1879), английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики.
Эдинбург. 1831-1850 ……………………………………………………………..3
Детство и школьные годы
Первое открытие
Эдинбургский университет …………………………………………………….4
Кембридж. 1850-1856 ……………………………………………………………5
Занятия электричеством
Абердин. 1856-1860 ………………………………………………………………7 Трактат о кольцах Сатурна
Лондон – Гленлейр. 1860-1871 ………………………………………………….9
Первая цветная фотография
Теория вероятностей
Механическая модель Максвелла
Электромагнитные волны и электромагнитная теория света
Кембридж 1871-1879 ……………………………………………………………11
Кавендишская лаборатория
Мировое признание
Список использованной литературы ………………………………………..13
Эдинбург. 1831-1850
Детство и школьные годы
13 июня 1831г. в Эдинбурге в доме номер 14 по улице Индии Франсез Кей, дочь эдинбургского судьи, после замужества – миссис Клерк Максвелл, родила сына Джеймса. В этот день во всем мире не произошло ничего сколько-нибудь значительного, еще не свершилось главное событие 1831 года. Но уже одиннадцать лет гениальный Фарадей пытается постичь тайны электромагнетизма, и лишь сейчас, летом 1831 года, он напал на след ускользающей электромагнитной индукции, и Джеймсу будет всего лишь четыре месяца, когда Фарадей подведет итог своему эксперименту «по получению электричества из магнетизма». И тем самым откроет новую эпоху – эпоху электричества. Эпоху, для которой предстоит жить и творить маленькому Джеймсу, потомку славных родов шотландских Клерков и Максвеллов.
Отец Джеймса, Джон Клерк Максвелл, адвокат по профессии, ненавидел юриспруденцию и питал неприязнь, как сам он говорил, к «грязным адвокатским делишкам». Как только случалась возможность, Джон прекращал бесконечное шарканье по мраморным вестибюлям Эдинбургского суда и посвящал себя научным экспериментам, которыми он между делом, по-любительски занимался. Он был дилетантом, сознавал это и тяжело переживал. Джон был влюблен в науку, в ученых, в людей практической сметки, в своего ученого деда Джорджа. Именно опыты сконструировать воздуходувные мехи, которые проводились совместно с братом Франсез Кей, свели его с будущей женой; свадьба состоялась 4 октября 1826 года. Воздуходувные мехи так никогда и не заработали, зато на свет появился сын Джеймс.
Когда Джеймсу было восемь, скончалась его мать, и он остался жить с отцом. Его детство заполнено природой, общением с отцом, книгами, рассказами о родных, «научными игрушками», первыми «открытиями». Родных Джеймса беспокоило то, что он не получает систематического образования: случайное чтение всего того, что есть в доме, уроки астрономии на крыльце дома и в гостиной, где Джеймс вместе с отцом построил «небесный глобус». После неудачной попытки обучения у частного преподавателя, от которого Джеймс часто сбегал к более увлекательным занятиям, было решено отправить его учиться в Эдинбург.
Несмотря на домашнее образование, Джеймс удовлетворял высоким требованиям Эдинбургской академии и был зачислен туда в ноябре 1841 года. Его успехи в классе были далеко не блестящи. Он легко мог бы выполнять задания лучше, но дух соревнования в малоприятных занятиях был для него глубоко чуждым. После первого же школьного дня он не сошелся с одноклассниками, и, поэтому, больше всего на свете Джеймс любил бывать один и рассматривать окружающие предметы. Одним из самых ярких событий, несомненно, скрасившее унылые школьные дни, было посещение вместе с отцом Эдинбургского королевского общества, где были выставлены первые «электромагнетические машины».
Эдинбургское королевское общество изменило жизнь Джеймса: именно там он получил первые понятия о пирамиде, кубе, других правильных многогранниках. Совершенство симметрии, закономерные превращения геометрических тел изменили понятие Джеймса об учении – он увидел в учении зерно красоты и совершенства. Когда пришло время экзаменов, ученики академии поразились – «Дуралей», как они называли Максвелла, стал одним из первых.
Первое открытие
Если раньше отец изредка брал Джеймса на свое любимое развлечение – заседания Эдинбургского королевского общества, то теперь посещения этого общества, а также Эдинбургского общества искусств вместе с Джеймсом стали для него регулярными и обязательными. В заседаниях Общества искусств самым известным, собирающим толпы людей лектором был мистер Д.Р.Хей, художник-декоратор. Именно его лекции натолкнули Джеймса на его первое серьезное открытие – простой инструмент для рисования овалов. Джеймс нашел оригинальный и в тоже время очень простой способ, а главное, абсолютно новый. Принцип своего метода он описал в коротенькой «статье», которая была прочитана в Эдинбургском королевском обществе – честь, которой добивались многие, а удостоился четырнадцатилетний школьник.
Эдинбургский университет
Оптико-механические исследования
В 1847 году обучение в Эдинбургской академии заканчивается, Джеймс – один из первых, забыты обиды и треволнения первых лет.
После окончания академии Джеймс поступает в Эдинбургский университет. В это же время он всерьез начинает интересоваться оптическими исследованиями. Утверждения Брюстера натолкнули Джеймса на мысль, что изучение пути лучей можно использовать для определения упругости среды в разных направлениях, для обнаружения напряжений в прозрачных материалах. Таким образом,
Рис.1 картина напряжений в стелянном треугольнике, полученная Джеймсом при помощи поляризованного света.
исследование механических напряжений можно свести к оптическому исследованию. Два луча, разделившиеся в напряженном прозрачном материале, будут взаимодействовать, рождая характерные красочные картины. Джеймс показал, что цветные картины носят вполне закономерный характер и могут быть использованы для расчетов, для проверки выведенных ранее формул, для выведения новых. Оказалось, что некоторые формулы неверны, или неточны, или нуждаются в поправках.
Более того, Джеймсу удалось вскрыть закономерности в тех случаях, где раньше не удавалось ничего сделать из-за математических трудностей. Прозрачный и нагруженный треугольник из неотпущенного стекла (рис.1) дал Джеймсу возможность исследовать напряжения и в этом, неподдавашемся расчету случае.
Девятнадцатилетний Джеймс Клерк Максвелл впервые поднялся на трибуну Эдинбургского королевского общества. Его доклад не мог остаться незамеченным: слишком много нового и оригинального содержал он.
1850-1856 Кембридж
Занятия электричеством
Теперь уже никто не ставил под сомнение одаренность Джеймса. Он явно перерос уже Эдинбургский университет и, поэтому, осенью 1850 года поступил в Кембридж. В январе 1854 года Джеймс заканчивает с отличием университет со степнью бакалавра. Он решает остаться в Кембридже для подготовки к профессорскому званию. Теперь, когда не нужно готовиться к экзаменам, он получает долгожданную возможность тратить все свое время на эксперименты, продолжает свои исследования в области оптики. Особенно его интересует вопрос об основных цветах. Первая статья Максвелла называлась «Теория цветов в связи с цветовой слепотой» и была даже собственно не статьей, а письмом. Максвелл отправил его доктору Вильсону, а тот счел письмо настолько интересным, что позаботился об его публикации: поместил его целиком в свою книгу, посвященную цветовой слепоте. И все же Джеймса безотчетно влекут к себе тайны более глубокие, вещи куда более неочевидные, чем смешение цветов. Именно электричество в силу его интригующей непонятности, неизбежно, рано или поздно, должно было привлечь энергию его молодого ума. Джеймс довольно легко воспринял фундаментальные принципы напряженного электричества. Изучив теорию дальнодействия Ампера, он, несмотря на ее видимую неопровержимость, позволил себе в ней усомниться. Теория дальнодействия казалась несомненно справедливой, т.к. подтверждалась формальным сходством законов, математических выражений для, казалось бы, разных явлений – гравитационного и электрического взаимодействия. Но эта теория более математическая, нежели физическая, не убедила Джеймса, он все больше склонялся к фарадеевскому восприятию действием через посредство магнитных силовых линий, заполняющих пространство, к теории близкодействия.
Пытаясь создать теорию, Максвелл решил использовать для исследования метод физических аналогий. Прежде всего, нужно было найти правильную аналогию. Максвелл всегда восхищался,тогда еще только замеченной, аналогией существующей между вопросами притяжения электрически заряженных тел и вопросами установившейся теплопередачи. Это, а также фарадеевские идеи близкодействия, амперовское магнитное действие замкнутых проводников, Джеймс постепенно выстраивал в новую теорию, неожиданную и смелую.
В Кембридже Джеймса назначают читать труднейшие главы курсов гидростатики и оптики наиболее способным студентам. Кроме того, от электрических теорий его отвлекает работа над книгой по оптике. Максвелл скоро приходит к выводу, что оптика больше не интересует его, как раньше, а лишь отвлекает от изучения электромагнитных явлений.
Продолжая искать аналогию, Джеймс сравнивает силовые линии с течением какой-то несжимаемой жидкости. Теория трубок из гидродинамики позволила заменить силовые линии силовыми трубками, которые легко объясняли опыт Фарадея. В рамки теории Максвелла легко и просто укладывались понятия о сопротивлении, явления электростатики, магнитостатики и электрического тока. Но в эту теорию пока никак не укладывалось открытое Фарадеем явление электромагнитной индукции.
Джеймсу пришлось на некоторое время забросить свою теорию в связи с ухудшением состояния отца, требовавшего ухода. Когда же после смерти отца Джеймс вернулся в Кембридж, он из-за вероисповедания, не смог получить более высокую степень магистра. Поэтому в октябре 1856 года Джеймс Максвелл заступает на кафедру в Абердине.
Джеймс Кларк Максвелл прожил всего 48 лет, но его вклад в математику, физику и механику трудно переоценить. Сам Альберт Эйнштейн заявил, что теорией относительности он обязан уравнениям Максвелла для электромагниного поля.
В Эдинбурге на улице Индии есть дом, на стене которого висит мемориальная доска:
"Джеймс Кларк Максвелл
Естествоиспытатель
Родился здесь 13 июня 1831 года".
Будущий великий ученый принадлежал к старинной дворянской семье и большую часть детства провел в имении своего отца Миддлби, располагавшемся в Южной Шотландии. Он рос любопытным и активным ребенком, и уже тогда родные отмечали, что его любимые вопросы: "Как это сделать?" и "Как это происходит?".
Когда Джеймсу исполнилось десять, по решению семьи, он поступил в Эдинбургскую академию, где учился прилежно, хотя и не проявляя никаких особых талантов. Однако увлекшись геометрией, Максвелл изобрел новый способ рисования овалов. Содержание его работы, посвященной геометрии овальных кривых, было изложено в "Трудах Эдинбургского королевского общества" за 1846 год. Автору тогда исполнилось только четырнадцать лет. В шестнадцать Максвелл отправился в Эдинбургский университет, выбрав основными предметами физику и математику. Кроме того, он заинтересовался проблемами философии, прослушал курсы логики и метафизики.
Уже упомянутые "Труды Эдинбургского королевского общества" опубликовали еще два сочинения талантливого студента - о кривых качения и об упругих свойствах твердых тел. Последняя тема имела важное значение для строительной механики.
Проучившись в Эдинбурге, девятнадцатилетний Максвелл перебрался в Кембриджский университет, сначала в колледж Святого Петра, потом в более престижный колледж Святой Троицы. Изучение математики там было поставлено на более глубоком уровне, и требования к студентам заметно выше, чем в Эдинбурге. Несмотря на это, Максвеллу удалось показать второй результат на публичном трехступенчатом экзамене по математике на степень бакалавра.
В Кембридже Максвелл много общался с разными людьми, вступил в клуб апостолов, состоявший из 12 членов, объединенных широтой и оригинальностью мышления. Он участвовал в деятельности Рабочего колледжа, созданного для образования простых людей, читал там лекции.
Осенью 1855 года, когда Максвелл закончил учебу, его приняли в состав колледжа Святой Троицы и предложили остаться преподавать. Чуть позже он вошел в Эдинбургское королевское общество - национальное научное объединение Шотландии. В 1856 году Максвелл покинул Кембридж ради профессорского места в Маришальском колледже шотландского города Абердина.
Подружившись с директором колледжа преподобным Дэниэлом Дьюаром, Максвелл познакомился с его дочерью Кэтрин Мэри. Они объявили о помолвке в конце зимы 1858 года, а в июне обвенчались. По воспоминаниям биографа и друга ученого Льюиса Кэмпбелла, их брак оказался примером невероятной преданности. Известно, что Кэтрин помогала мужу в лабораторных исследованиях.
В целом, абердинский период был очень плодотворным в жизни Максвелла. Еще в Кембридже он занялся исследованием строения колец Сатурна, и в 1859 году в свет вышла его монография, где он доказывал, что они представляют собой твердые тела, вращающиеся вокруг планеты. Тогда же ученый написал статью "Пояснения к динамической теории газов", в которой вывел функцию, отражающую распределение молекул газа в зависимости от их скорости, впоследствии названную распределением Максвелла. Это был один из первых примеров статистических законов, которые описывают поведение не одного объекта или отдельной частицы, а поведение множества объектов или частиц. Придуманный исследователем позже "демон Максвелла" - мысленный эксперимент, в котором некое разумное бестелесное существо разделяет молекулы газа по скоростям, - продемонстрировал статистический характер второго закона термодинамики.
В 1860 году несколько колледжей объединили в Абердинский университет и часть кафедр упразднили. Под сокращение попал и молодой профессор Максвелл. Но он недолго оставался без работы, практически сразу его пригласили преподавать в Лондонский королевский колледж, где он пробыл последующие пять лет.
В том же году на собрании Британской ассоциации ученый прочел доклад о своих разработках, касающихся восприятия цвета, за которые позже получил медаль Румфорда от Лондонского королевского общества. Доказывая правоту собственной теории цвета, Максвелл предъявил на суд публики новинку, поразившую ее воображение, - цветную фотографию. До него никто не мог ее получить.
В 1861 году Максвелл получил назначение в Комитет по эталонам, созданный для того, чтобы определить главные электрические единицы.
Кроме того, Максвелл не отказался от исследований упругости твердых тел и за полученные результаты удостоился премии Кейта Эдинбургского королевского общества.
Работая в Лондонском королевском колледже, Максвелл завершил создание своей теории электромагнитного поля. Саму идею поля предложил знаменитый физик Майкл Фарадей, но его знаний не хватало, чтобы представить свое открытие на языке формул. Математическое описание электромагнитных полей стало главной научной проблемой для Максвелла. Опираясь на метод аналогий, благодаря которому было зафиксировано сходство между электрическим взаимодействием и теплопередачей в твердом теле, ученый перенес данные исследований теплоты на электричество и первым смог математически обосновать передачу электрического действия в среде.
1873 год ознаменовался выходом "Трактата об электричестве и магнетизме", чье значение сопоставимо со значением "Математических начал философии" Ньютона. С помощью уравнений Максвелл описал электромагнитные явления, сделал выводы о том, что существуют электромагнитные волны, что они распространяются со скоростью света и сам свет имеет электромагнитную природу.
"Трактат" издали, когда Максвелл уже два года (с 1871) занимал должность главы физической лаборатории Кембриджского университета, чье создание означало признание в ученом сообществе огромной важности экспериментального подхода к исследованиям.
Не менее значимой задачей Максвелл видел популяризацию науки. Для этого он писал статьи для энциклопедии "Британника", работы, где пытался на простом языке объяснить основные представления о материи, движении, электричестве, атомах и молекулах.
В 1879 году здоровье Максвелла сильно пошатнулось. Он знал, что тяжело болен, и его диагноз - рак. Понимая, что обречен, он мужественно переносил боли и спокойно встретил смерть, наступившую 5 ноября 1879 года.
Хотя труды Максвелла получили достойную оценку еще при жизни ученого, но их настоящая значимость стала понятна только годы спустя, когда в ХХ веке понятие поля надежно закрепилось в научном обиходе, а Альберт Эйнштейн заявил, что уравнения Максвелла для электромагнитного поля предшествовали его теории относительности.
Память ученого увековечена в названиях одного из строений Эдинбургского университета, главного корпуса и концертного холла Сэлфордского университета, Центра Джеймса Клерка Максвелла Эдинбургской академии. В Абердине и Кембридже можно найти улицы, названные в его честь. В Вестминстерском аббатстве есть мемориальная плита, посвященная Максвеллу, а посетители картинной галереи Абердинского университета могут увидеть бюст ученого. В 2008 году в Эдинбурге был установлен бронзовый памятник Максвеллу.
Множество организаций и наград также связаны с именем Максвелла. Физическая лаборатория, которой он руководил, учредила стипендию для самых способных аспирантов. Британский Институт физики вручает медаль и премию Максвелла молодым физикам, которые внесли значительный вклад в науку. В Университете Лондона есть должность максвелловского профессора и студенческое общество Максвелла. Созданный в 1977 году, Фонд Максвелла организует конференции по физике и математике.
Наряду с признанием Максвелл был назван самым известным шотландским ученым по итогам опроса 2006 года, всё это свидетельствует о той великой роли, которую он сыграл в истории науки.
Джеймс Кларк Максвелл родился 13 июня 1831 г. в доме 14 по ул. Индии в Эдинбурге. Он был очень любознательным. В трехлетнем возрасте его основная просьба: "Покажи мне, как это делается", а основной вопрос: "Как это происходит?" Его настойчивость в выяснении характерных особенностей действия какого-либо устройства или окружающих явлений природы выражалась в следующем вопросе: "Но в чем же особенность этого?".
Мать Джеймса умерла от рака, когда Джеймсу было восемь лет. Вся дальнейшая его жизнь была связана с отцом, который был его большим другом и первым наставником в научных делах. Когда Максвеллу исполнилось 10 лет, его отдали в Эдинбургскую академию. Еще во время учебы в Эдинбургской академии была написана его первая статья об овальных кривых, реферат которой был опубликован в "Трудах Эдинбургского Королевского Общества" в апреле 1846 г. Поскольку автору статьи было всего 14 лет, то статья Максвелла была зачитана на заседании общества профессором Форбсом: школьнику обращаться непосредственно к членам общества считалось неприличным. Идея работы состояла в том, что с помощью двух булавок и нитки можно рисовать эллипс. Максвелл обобщил этот метод для построения кривых различной сложной формы.
Возможность обобщения научного метода, анализ наблюдений является одним из важных факторов в истинном исследовании.
Открытие закона тяготения Ньютоном обусловлено тем, что Ньютон смог сделать блестящее обобщение, допустив, что та же самая сила, которая притягивает к Земле яблоко, притягивает и Луну. Вениамин Франклин сделал другое обобщение, установив, что молния и маленькие электрические искры, которые можно было получить в те времена в лаборатории, явления одного и того же рода. Идея Фарадея об электрических и магнитных силовых линиях, первоначально развитая на основании наблюдений над поведением железных опилок вблизи магнита, была чрезвычайно смелым обобщением. Проявившееся в самом раннем возрасте стремление Максвелла понимать природу окружающих его вещей, его решимость не отступать, не докопавшись до объяснений, вместе с не менее важной способностью к обобщениям весьма отчетливо раскрыли в юном Максвелле задатки первоклассного ученого.
По окончании школы, с 1847 по 1850 гг., Максвелл учился в Эдинбургском университете, а затем перевелся в Питерхауз, известный в то время колледж Святого Петра в Кембриджском университете. В Эдинбургском университете Максвелл ревностно изучал математику, некоторые вопросы физики и химии, а также философию. Кембелл и Гарнетт (сокурсники Максвелла) пишут: "Лекции по философии очень интересовали его Его не знающая границ любознательность находила пищу в неистощимой эрудиции профессора". Девятнадцати лет Максвелл написал статью "О равновесии упругих тел", в которой предложил новый плодотворный научный метод в области сопротивления материалов - метод фотоупругости. Эта статья примечательна. Красивые цветные картинки, которые Максвелл наблюдал на прозрачных образцах, освещаемых поляризованным светом, позволили ему найти направления и величину максимальных напряжений внутри твердых тел сложной формы.
Начав свою учебу в Кембриджском университете студентом Питерхауза, Максвелл вскоре перешел в Тринити-колледж. Требования к уровню математической подготовки в Кембриджском университете были очень высокими. Максвелл был вторым, лауреатом стал Раут. Однако премию Смита, экзамен на получение которой проходил сразу после "Математического экзамена для получения отличия" и, судя по всему, рассматривался как еще более строгая проверка истинных математических способностей и оригинальности мышления, Раут разделил с Максвеллом.
В 1854 г. Максвелл окончил Кембриджский университет, получив степень бакалавра с отличием. Ему 22 года. Он среднего роста, темноволос. Глубоко сидящие карие глаза. Крайняя простота в одежде. Немногословность. Странный, не всем понятный юмор. Дружелюбие. И главное - умение ставить задачи, видеть интересные проблемы в привычных явлениях, в прозе повседневности. После выпускных экзаменов Максвелл стал преподавателем в Тринити-колледже. Преподавание в колледже Кембриджа или Оксфорда в то время было довольно приятным занятием. Отец Джеймса мечтал о том, что сын получит кафедру в Глазго, и сделал все возможное для этого. Профессор Форбс сообщил ему, что в Абердине в Маршальском колледже есть вакансия профессора физики. О том, что Максвелл получил кафедру, было объявлено в апреле 1856 г., когда ему было только 24 года. Печально, что его отец скончался всего лишь за несколько дней до этого известия.
По-видимому, Максвелл никогда не был блестящим лектором и никогда особенно не увлекался чтением лекций. Преподавание Максвелла в Абердине оказалось недолгим, ибо в 1860 г. произошло объединение колледжей в Абердинский университет. Некоторые профессорские должности были ликвидированы, в число сокращенных попал и Максвелл. В том же году он был принят на кафедру физики в Лондонское Королевское Общество.
Годы, проведенные в Абердине, были очень продуктивными для научной работы. В 1856 г. он получил премию Адамса за научную работу, посвященную структуре колец Сатурна. В 1857 г. он пишет Люису Кэмбеллу (в будущем его биографу): "Я снова обрушился на Сатурн Я уже пробил несколько брешей в твердом кольце, а сейчас окунулся в жидкую среду, погрузившись в мир поистине удивительных символов и обозначений. Вскоре я углублюсь в туманность, напоминающую чем-то состояние воздуха, скажем, во время осады Севастополя. Лес пушек, занимающих площадь прямоугольника со сторонами 100 и 30000 миль, изрыгают ядра, которые никогда не останавливаются, а вращаются по кругу радиусом 170000 миль". Проблемой Сатурна Максвелл занимался упорно в течение трех лет, в этом проявилась его способность отдаваться на долгое время одной проблеме. В это же время он начал заниматься кинетической теорией газов и в 1859 г. представил Британской ассоциации свою первую статью по кинетической теории газов. Именно на базе теоретических исследований Максвелла и выдающегося австрийского физика Л. Больцмана (1844-1906) была создана статистическая механика. К статистической механике непосредственно примыкает термодинамика. В это же время им получены соотношения между основными теплофизическими параметрами, известными теперь как "термодинамические соотношения Максвелла". В это же время он опубликовал оригинальную работу, в которой развивал теорию цветового зрения. Помимо всего этого Максвелл уделял большое внимание проблемам электромагнетизма и особенно открытиям Фарадея.
В течение пяти лет Максвелл занимал должность профессора физики в Лондонском королевском колледже, а в 1871 г. был назначен первым профессором экспериментальной физики в Кембридже. Таким образом, последние годы жизни Максвелла связаны с созданием в Кембриджском университете Кавендишской лаборатории и преподаванием там физики. Мы все знаем Максвелла как физика-теоретика, но им оказалось сконструировано и построено много приборов и экспериментального оборудования. В Кавендишской лаборатории имеется целая коллекция максвелловских приборов, которую там весьма высоко ценят.
Еще за два года до смерти Максвелл почувствовал симптомы заболевания пищеварительного тракта, но серьезные изменения были обнаружены только в 1879 г. В сентябре 1979 г. во время пребывания в Гленлейре Максвелл почувствовал себя плохо и вернулся с женой в Кембридж. Он уже знал, что умирает от рака - болезни, от которой в этом же возрасте умерла его мать. Его страдания были велики, но он никогда не жаловался. Его ум оставался ясным до конца. Даже близость смерти не лишила его самообладания, и 5 ноября он тихо скончался.
Максвелл был не только физиком, но и замечательным человеком. Его шотландский врач доктор Дж.У. Лоррейн писал: "Должен сказать, что это один из лучших людей, с которыми мне приходилось встречаться, его облик как человека, насколько я могу судить, являет собой наиболее совершенный пример джентльмена и это, пожалуй, гораздо ценнее всех его научных достижений".
В противоположность Фарадею, удостоившемуся многих почестей и наград, Максвелл получил только две степени отличия - в 1872 г. доктора права в Эдинбургском университете и в 1876 г. доктора права в Оксфорде. Правда, в возрасте 24 лет он был избран членом Эдинбургского Королевского общества, а в 1861 г. - членом Лондонского Королевского общества (ЛКО). В 1860 г. ЛКО наградило его медалью Румкорфа.