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 п

www.studsell.com

Реферат - Максвелл Джеймс - Физика

Джеймс Клерк

МАКСВЕЛЛ (англ. James Clerk Maxwell)

(13.06.1831, Эдинбург, — 5.11.1879,Кембридж)

Джеймс КлеркМаксвелл — английский физик, создатель классической электродинамики, один изоснователей статистической физики, организатор и первый директор (с 1871)Кавендишской лаборатории. Как и многие другие значительные английскиеестествоиспытатели XVIII...XIX веков, например крупные геологи Джеймс Хаттон иЧарлз Лайель, Джеймс Клерк Максвелл был шотландцем.

Онродился 13 июня 1831 года в Эдинбурге в семье помещика и дворянина. Происходилиз знатной шотландской фамилии Клерков Пеникуик. Отец его, юрист пообразованию, приняв фамилию Максвелл, жил в своем имении в Гленлэре, где ипротекло детство Джеймса. Среди его предков можно найти политических деятелей,поэтов, музыкантов и ученых.

ОтецМаксвелла был глубоко образованным человеком с разносторонними интересами. Онредко покидал свое имение и профессиональной деятельностью (в качествесоветника юстиции) занимался лишь от случая к случаю. Он принимал живое участиев индустриальном развитии страны, и, кроме того, его постоянным занятием былиразличные небольшие технические изобретения. После ранней смерти матери (онаумерла, когда Джеймсу было 8 лет) отец заботливо воспитывал мальчика. На первомплане стояли занятия естественными науками. У Джеймса очень рано пробудилсяинтерес к технике и развились практические навыки.

Всогласии с национальными традициями и общественными условиями большое место ввоспитании отводилось религиозным наставлениям в духе английскогопротестантизма. Детским годам был обязан Максвелл и своим удивительным знаниемтекста Библии и стихов из «Потерянного рая» Мильтона. В остальном маленькийДжеймс рос и развивался среди детей служащих поместья и мелких крестьян, но,как подчеркивает биограф, «с духовными запросами члена правящего класса».

Первыйопыт уроков на дому не привел к ожидаемому успеху. На жесткие воспитательныемеры домашнего учителя мальчик отвечал упрямством и замкнутостью. Варистократической школе, которую он посещал впоследствии, Джеймс обратил насебя внимание благодаря большим математическим способностям. Особенно любил онгеометрию. Об Эйнштейне вспоминают, что в 12 лет он восторгался «священнойкнижечкой по геометрии». Максвелл также слыл человеком не от мира сего. Он немог наладить правильные отношения со своими школьными товарищами. Они дразнилиего и давали ему прозвища. Не последнюю роль играла при этом одежда, которуюего отец – он во многом был чудаком – заказывал для мальчика.

В 1841г. Джеймс Максвелл отдан был в гимназию в Эдинбурге; к 1846 г. относится перваяего ученая работа. В 14 лет Максвелл был награжден медалью за блестящие успехив математике. Годом позже старший Максвелл представил Эдинбургской Академиинаук, в заседаниях которой он иногда принимал участие в качестве гостя, первоенаучное произведение своего сына, после того как один знакомый ученый придалработе школьника соответствующую академическую форму. В сочинениирассматривался новый, ранее неизвестный математикам метод вычерчиванияэллиптических фигур. Работа называлась «О черчении овалов и об овалах сомногими фокусами» (1846, опубликована в 1851).

Перейдяв 1847 г. в эдинбургский университет, Максвелл, под руководством Келланда,Форбса и др., с жаром принялся за изучение физики и математики; его работы,относящиеся к этому времени, указывают уже на необыкновенные его способности.До этого он много занимался вопросами оптики, особенно поляризацией света икольцами Ньютона. Им в основном руководил физик Вильям Николь, имя которогоосталось жить в истории науки в названии призмы, данном в его честь.

Вобластях, не имеющих отношения к его предмету, Максвелл также старался получитьпрочные знания. Позднее, требуя, чтобы образование молодых естествоиспытателейне ограничивалось каким-либо специальным предметом, он опирался на собственныйопыт. Для углубленного понимания проблем естествознания он считал необходимымизучение философии, истории науки и эстетики.

В1850г. Максвелл поступил в Кембридж, где некогда работал Ньютон, а в 1854году с академической степенью закончил его.После этого по совету Вильяма Томсона он начал вести частные исследования вобласти электричества.

В 1855Максвелл стал членом совета Тринити-колледжа.

Перваябольшая работа Максвелла – «О фарадеевых силовых линиях» – появилась в 1855году. Больцман, через 14 лет издавший это сочинение на немецком языке в«Оствальдовских классиках», подчеркнул в своих примечаниях, что уже эта перваястатья Максвелла поразительно глубока по содержанию и дает представление о том,как планомерно подходил к работе молодой физик.

Больцмансчитал, что в области гносеологических вопросов естествознания влияниеМаксвелла было столь же определяющим, как и в теоретической физике. Всетенденции развития физики в последующие десятилетия были уже ясно обозначены впервой статье Максвелла и часто даже наглядно пояснялись теми же сравнениями.Они во многом совпадали со сформировавшимися позднее воззрениями Кирхгофа, Махаи Герца.

Уже вработе 1855 года Максвелл высказал мысль, которую он повторил в более позднихработах: силовые линии Фарадея следует представлять как тонкие трубочки спеременным сечением, по которым струится несжимаемая жидкость. Эту гидродинамическуюмодель электрического тока, исходящую из представлений Фарадея, Максвелл несчитал, однако, отражением действительности, она должна была служитьвспомогательным средством и облегчать новый подход к электродинамике путемприменения механической аналогии.

Нарядус изучением электродинамики молодой ученый занимался также экспериментальнымиисследованиями физиологии цветового зрения. Одними из первых его исследованийбыли работы по физиологии и физике цветного зрения и колориметрии (1852-72). В1861 году Максвелл впервые демонстрировал цветное изображение, полученное отодновременного проецирования на экран красного, зелёного и синего диапозитивов,доказав этим справедливость трёхкомпонентной теории цветного зрения иодновременно наметив пути создания цветной фотографии. Он создал один из первыхприборов для количественного измерения цвета, получившего название дискаМаксвелла.

Независимоот Гельмгольца, который в том же году в Кенигсберге сделал свой ставшийзнаменитым доклад «О зрении человека», Максвелл, который был моложе на десятьлет, искал ответ на те же вопросы и пришел к сходным результатам. В бытностьчленом совета Тринити-колледжа занимался экспериментами по теории цветов,выступая как продолжатель теории Юнга и теории трех основных цветовГельмгольца. В экспериментах по смешиванию цветов Максвелл применил особыйволчок, диск которого был разделен на секторы, окрашенные в разные цвета (дискМаксвелла). При быстром вращении волчка цвета сливались: если диск был закрашентак, как расположены цвета спектра, он казался белым; если одну его половинузакрашивали красным, а другую — желтым, он казался оранжевым; смешивание синегои желтого создавало впечатление зеленого. В 1860 за работы по восприятию цветаи оптике Максвелл был награжден медалью Румфорда.

Его цветной волчок вскоре уже использовалсяГельмгольцем при исследовании дальтоников, в ходе которых подтвердиласьправильность взглядов Максвелла.

Чтобыпоказать противникам теории близкодействия, что он знаком с учением о силахдальнодействия и математически владеет им, Максвелл исследовал особенно трудныйслучай притяжения масс – загадку колец Сатурна.

В 1857Кембриджский университет объявил конкурс на лучшую работу об устойчивости колецСатурна. Эти образования были открыты Галилеем в начале 17 в. Он наблюдал их врасплывчатой форме, но только Гюйгенс описал их действительный вид. Они представляли удивительную загадку природы:планета казалась окруженной тремя сплошными концентрическими кольцами,состоящими из вещества неизвестной природы. Эти кольца были предметом спораисследователей; одни считали их твердыми, другие – жидкими. Лаплас доказал, чтоони не могут быть твердыми. Проведя математический анализ, Максвелл убедился,что они не могут быть и жидкими, и пришел к заключению, что подобная структураможет быть устойчивой только в том случае, если состоит из роя не связанныхмежду собой метеоритов. Устойчивость колец обеспечивается их притяжением кСатурну и взаимным движением планеты и метеоритов. За эту работу Максвеллполучил премию Дж. Адамса. Позднее спектроскопические исследования подтвердилиэто толкование.

Однойиз первых работ Максвелла стала его кинетическая теория газов. В 1859 ученыйвыступил на заседании Британской ассоциации с докладом, в котором привелраспределение молекул по скоростям (максвелловское распределение). Максвеллразвил представления своего предшественника в разработке кинетической теориигазов Р. Клаузиуса, который ввел понятие «средней длины свободного пробега».Максвелл исходил из представления о газе как об ансамбле множества идеальноупругих шариков, хаотически движущихся в замкнутом пространстве. Шарики(молекулы) можно разделить на группы по скоростям, при этом в стационарномсостоянии число молекул в каждой группе остается постоянным, хотя они могут выходитьиз групп и входить в них. Из такого рассмотрения следовало, что «частицыраспределяются по скоростям по такому же закону, по какому распределяютсяошибки наблюдений в теории метода наименьших квадратов, т. е. всоответствии со статистикой Гаусса». В рамках своей теории Максвелл объяснилзакон Авогадро, диффузию, теплопроводность, внутреннее трение (теорияпереноса). В 1867 показал статистическую природу второго начала термодинамики(«демон Максвелла»).

В 26лет способный молодой исследователь получил приглашение на должность профессорафизики в колледж в Абердине. Там он преподавал три года. Он не былбезукоризненным академическим преподавателем, видимо, поэтому в 1860 году,когда маленькая высшая школа объединилась с другой, от его дальнейших услуг отказались.Заявление в университет Эдинбурга было отклонено на аналогичных основаниях. Издесь опытного учителя предпочли творчески мыслящему исследователю. Максвеллнекоторое время провел в своем имении, но в том же году принял приглашение вЛондон.

Поокончании университета Максвелл решил посвятить себя науке и переехал в 1860 г.в Кембридж в Тринити колледж, где в продолжение 4 лет неустанно работал, изучаялюбимые науки; внимательное изучение работ Фарадея дало направление всей егодеятельности.

Развиваяидеи М. Фарадея, Максвелл создал теорию электромагнитного поля (уравненияМаксвелла).

Пятьлондонских лет (1860...1865) были самыми продуктивными в жизни ученого.Максвелл работал как экспериментатор и как теоретик одновременно во многихобластях. В учении о физиологии цвета он иногда экспериментировал вместе сГельмгольцем, с которым он познакомился во время его поездки в Англию в 1864году. «С одним старым берлинским другом, – писал Гельмгольц своей жене, – япоехал в Кенсингтон к профессору Максвеллу, физику Королевского колледжа, оченьострому математическому уму, который показал мне прекрасные аппараты дляисследований в области учения о цвете, отрасли, в которой я сам раньше работал;он пригласил коллегу-дальтоника, над которым мы проделали эксперименты».

Влондонские годы Максвелл значительно продвинулся в разработке механическойтеории теплоты, особенно кинетической теории газов. Этому содействовалиизучение им колец Сатурна и одна из появившихся в это время публикацийнемецкого физика Рудольфа Клаузиуса.

Еще вАбердине Максвелл сделал доклад по этому кругу вопросов и предложил ввести вкинетическую теорию газа вероятностное вычисление для определения скоростеймолекул. Он сумел показать, что различные скорости молекул газа распределенытак же – в соответствии с законом Гаусса, – как ошибки в наблюдениях, которыевкрадываются, когда одна и та же величина замеряется много раз при одинаковыхобстоятельствах. Закон распределения скоростей молекул газа был гениальноугадан Максвеллом. Этот закон стал основой статистической теории механики газови краеугольным камнем новой отрасли статистической физики. Впоследствии онабыла развита в первую очередь Больцманом.

ИзвестностьМаксвелла как ученого первоначально основывалась на математическом обоснованиикинетической теории газа, пока его электромагнитная теория света не началасвоего победного шествия по миру. Многие физики, например Джеймс Джонс, дажесчитали, что самым великим достижением Максвелла было исследование движениямолекул газа. Свобода мышления, характерная для всего его творчества,проявилась здесь особенно плодотворно.

Больцман,который наряду с Максвеллом глубочайшим образом вникал в анализ движениямолекул, сравнил максвелловскую кинетическую теорию газов с музыкальной драмой.«Как музыкант по первым тактам узнает Моцарта, Бетховена, Шуберта, – писал он внекрологе, посвященном Кирхгофу, – так математики по нескольким страницамразличают Коши, Гаусса, Якоби, Гельмгольца. Высочайшая элегантностьхарактеризует французов, величайшая драматическая сила – англичан, прежде всегоМаксвелла».

Однакотот же Больцман отмечает свойство великого англичанина, странным образомконтрастирующее с отмеченным выше драматизмом – «зачастую детски наивный языкМаксвелла, который вперемежку с формулами предлагает наилучший способ выведенияжировых пятен».

Клондонскому времени относятся основные исследования Максвелла в областиэлектромагнитной теории света.

Вработе «О физических силовых линиях», опубликованной четырьмя частями в 1861 и1862 годах в одном из журналов, он продолжил математическо-физическиеисследования силовых линий Фарадея, начатые им шесть лет назад, и привел их кпредварительному завершению. Максвелл пришел при этом к заключению, чтоэлектрические действия распространяются с конечной скоростью, соответствующейскорости света в пустом пространстве. Эта его работа уже содержит знаменитыеуравнения электромагнетизма, включая уравнения для движущихся тел.

В 1831,в год рождения Максвелла, М.Фарадей проводил классические эксперименты, которыепривели его к открытию электромагнитной индукции. Максвелл приступил кисследованию электричества и магнетизма примерно 20 лет спустя, когдасуществовали два взгляда на природу электрических и магнитных эффектов. Такиеученые, как А. М. Ампер и Ф.Нейман, придерживались концепции дальнодействия,рассматривая электромагнитные силы как аналог гравитационного притяжения междудвумя массами. Фарадей был приверженцем идеи силовых линий, которые соединяютположительный и отрицательный электрические заряды или северный и южный полюсымагнита. Силовые линии заполняют все окружающее пространство (поле, потерминологии Фарадея) и обусловливают электрические и магнитные взаимодействия.Следуя Фарадею, Максвелл разработал гидродинамическую модель силовых линий ивыразил известные тогда соотношения электродинамики на математическом языке,соответствующем механическим моделям Фарадея. Основные результаты этогоисследования отражены в работе «Фарадеевы силовые линии» (Faraday’s Lines ofForce, 1857). В 1860—1865 Максвелл создал теорию электромагнитного поля,которую сформулировал в виде системы уравнений (уравнения Максвелла),описывающих основные закономерности электромагнитных явлений: 1-е уравнениевыражало электромагнитную индукцию Фарадея; 2-е — магнитоэлектрическуюиндукцию, открытую Максвеллом и основанную на представлениях о токах смещения;3-е — закон сохранения количества электричества; 4-е — вихревой характермагнитного поля.

Продолжаяразвивать эти идеи, Максвелл пришел к выводу, что любые измененияэлектрического 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 магнитнойпроницаемости среды и равна отношению электромагнитной единицы кэлектростатической. По данным Максвелла и других исследователей, это отношениесоставляет 3Ч1010 см/с, что близко к скорости света, измеренной семью годамиранее французским физиком А.Физо. В октябре 1861 Максвелл сообщил Фарадею освоем открытии: свет — это электромагнитное возмущение, распространяющееся внепроводящей среде, т. е. разновидность электромагнитных волн. Этотзавершающий этап исследований изложен в работе Максвелла «Динамическая теорияэлектромагнитного поля» (Treatise on Electricity and Magnetism, 1864), а итогего работ по электродинамике подвел знаменитый Трактат об электричестве имагнетизме (1873).

В своихпояснениях к немецкому изданию этого сочинения в «Оствальдовских классиках»Больцман писал: «То впечатление, которое мы получаем, видя в первый раз имеющиедля всего нашего естественнонаучного мировоззрения революционизирующее значениеуравнения, увеличивается еще тем, что Максвелл не говорит ни слава об их роли,которую он, наверное, предполагал, даже если он не так ясно видел, как мы видимсейчас». Примечательна при этом скромная простота, «с которой Максвеллпоказывает, с каким трудом он постепенно пробирался вперед».

Вовремя своей лондонской профессуры Максвелл лично познакомился с Фарадеем,который уже читал его публикации и в письмах к нему высоко оценивал их. Нообщение с Фарадеем не могло более повлиять на его научное развитие. Максвеллеще студентом основательно проработал результаты исследований великогоэкспериментатора и ко времени встречи с 70-летним ученым имел уже сложившиесявоззрения на проблемы физики.

Так какМаксвелл не располагал институтом при высшей школе, он оборудовал лабораториюна чердаке своего дома в благоустроенном жилом квартале на западе Лондона. Егожена помогала ему в экспериментах. Максвелл был очень умелым и необычайнонаходчивым экспериментатором.

Из-заплохого состояния здоровья Максвелл в 1865 году был вынужден отказаться отпреподавания. Его родовое поместьеГленлэр в Шотландии позволяло ему полностью посвятить себя исследованиям вкачестве независимого, свободного от академических обязанностей ученого.

Шестьлет Максвелл провел в деревне. В это время он продолжал свои теоретические иэкспериментальные работы и подготавливал обширные труды, которые потом, в 70-егоды, стали выходить один за другим. Приглашение стать ректором старейшегошотландского университета в Сент-Эндрью он отклонил. Но все же Максвеллстановится университетским преподавателем в третий раз.

Кембриджскийуниверситет в 1871 году решает создать профессуру по экспериментальной физике иоборудовать учебную лабораторию. Два известнейших физика того времени не моглибыть привлечены. Вильям Томсон не хотел оставлять профессуру в Глазго, которуюон занимал в течение всей своей жизни, и, кроме того, он был так тесно связан соптической и электротехнической промышленностью города в качестве совладельцапредприятий, что вообще неохотно отлучался из Глазго, а Гельмгольц только чтопринял приглашение на место профессора физики в университете столицы Германии.

Руководствоуниверситета обратилось к 40-летнему частному ученому из Шотландии, и в концеконцов его удалось склонить принять новую кафедру.

Нарядус обязанностями лектора Максвелла ожидала большая организаторская работа. Новаялаборатория должна была быть построена и оборудована по его желаниям,предложениям и планам, в соответствии с мировым уровнем экспериментальнойфизики. При оборудовании Кавендишской лаборатории – она была названа по именимецената, который был дальним родственником гениального естествоиспытателяГенри Кавендиша, – нашли свое применение технические знания и практический опытМаксвелла, полученные им смолоду под руководством отца. Позднее везде, где былавозможность, он осматривал мастерские и фабрики.

Вначале,осуществляя свои планы, исследователь должен был преодолевать старыепредрассудки относительно учебного эксперимента. В письме к австрийскому физикуЛошмидту Максвелл с сожалением отмечал, что именно эти предрассудки повинны втом, что в Англии было недопустимо запущено обучение экспериментальной физике.Первая английская университетская лаборатория по физике была оборудована вГлазго Вильямом Томсоном только в 1846 году и долгое время оставаласьединственной в своем роде.

В этотпериод крупная английская буржуазия, для гарантии конкурентоспособности еетоваров на мировом рынке наряду с работающими в промышленности химиками, остронуждалась также и в физиках. Это обстоятельство помогло Максвеллу устранитьпрепятствия. Ему пригодились его большой организаторский талант идипломатическая тонкость в политических вопросах, касающихся науки. Кроме того,ученый создал на свои средства и передал лаборатории многие дорогостоящиенаучные приборы. После его смерти в собственность института перешла и его ценнаяколлекция книг.

Вступительнуюлекцию в качестве кавендишского профессора экспериментальной физики Максвеллчитал перед несколькими студентами. Он начертал в ней колоссальную программуфундаментальной перестройки преподавания физики в английской высшей школе. Онразвивал мысль о том, что применявшиеся методы препятствуют дальнейшемупрогрессу в изучении и преподавании физики. «Привычные принадлежности – перо,чернила и бумага – не будут достаточны, – говорил он, – и нам потребуетсябольшее пространство, чем пространство кафедры, и большая площадь, чемповерхность доски». Это была резкая отповедь «меловой» физике, которая тогдаеще господствовала в консервативных английских университетах.

Учебнуюлабораторию Максвелл рассматривал как «школу научной критики» и ставил передней задачу – стимулировать развитие учения о методах физики. Исследовательскаяработа должна как можно шире осуществляться коллективными усилиями. Максвеллапеллировал к модели совместного исследования, созданной Гумбольдтом, Гауссом иВебером с целью охватить весь мир рекогносцировкой земного магнетизма. В этойпервой в истории науки коллективной работе он видел основную форму и зародышбудущих естественнонаучных методов исследования.

Тогдаэто было лишь далекой целью. Только десятилетия спустя могла быть осуществленапланомерная совместная работа естествоиспытателей, которая сегодня являетсяпредпосылкой научно-технического прогресса. Сам Максвелл еще был гениальнымисследователем-одиночкой, как до него Фарадей и после него другие известныеученые, среди них Герц, Рентген» Планк и Эйнштейн.

Кавендишскаялаборатория положила в Англии начало традиции исследований в областиэкспериментальной физики. Это имело большое значение для дальнейшего развитиямеждународной экспериментальной физики, и особенно для подготовки атомноговека. После Максвелла ею руководили такие исследователи, как Рэлей, Дж. Дж. Томсон и Резерфорд, укрепившие иумножившие ее славу. Многие физики-атомщики в молодые годы совершенствовали вКавендишской лаборатории свое образование, в их числе Макс Борн, Нильс Бор, П.Л. Капица.

Завремя своей профессуры в Кембридже Максвелл опубликовал немало значительныхработ. В 1871 году появилась «Теория теплоты», в 1873 году вышел фундаментальныйдвухтомный учебник – «Трактат по электричеству и магнетизму». В этом трудеМаксвелл собрал и обобщил результаты своих исследований электромагнетизма. Вмаленькой работе «Субстанция и движение» (1876), которая была задумана каквведение в изучение физической науки, он в простейшей форме, не прибегая квысшей математике, сообщает читателю основы классической физики.

Начинаяс 1875 года Максвелл много времени и сил потратил на расшифровку и изданиеоставшихся рукописей Генри Кавендиша. Работам по теории электричества он уделялпри этом особое внимание.

Благодаряего склонности к занятиям историей естествознания по крайней мере частьнаучного архива великого английского естествоиспытателя второй половины XVIIIвека, который сам опубликовал лишь немногое, стала достоянием потомства.

Вотличие от Фарадея, который скептически относился к теории атома и искал способобойтись без помощи представления об атоме, Максвелл был открытым сторонникоматомизма. Одним из первых он предположил, что созданный Бунзеном и Кирхгофомспектральный анализ поможет сделать более точное заключение о внутреннемстроении атома – предсказание, оказавшееся верным.

Жизньэтого необычайно плодотворного исследователя, объединившего в себе гениальноготеоретика и изобретательного экспериментатора, оборвалась неожиданно быстро.Ученый не придавал значения небольшому расстройству пищеварения, приведшему ксерьезному заболеванию, от которого он скончался 5 ноября 1879 года на 49-мгоду жизни.

Планкговорил о том, что имя Максвелла «блещет на вратах классической физики».Максвелл действительно был блистательным явлением среди физиков нового времени.Своими научными трудами, особенно великолепной системой формул электродинамики,он заложил важнейшие основы физики атомного века.

Еготеория электричества и света настолько опередила свое время и была такзаконченна, что полвека спустя Эйнштейн мог почти без изменений включить ее всвою теорию относительности.

Подобныхпримеров в мировой истории науки немного.

РаботыМаксвелла посвящены электродинамике, молекулярной физике, общей статистике,оптике, механике, теории упругости. Наиболее весомый вклад Максвелл сделал вмолекулярную физику и электродинамику. В кинетической теории газов, одним изоснователей которой он является, установил в 1859 году статистический закон,описывающий распределение молекул газа по скоростям (распределение Максвелла).В 1866 году он дал новый вывод функции распределения молекул по скоростям,основанный на рассмотрении прямых и обратных столкновений, развил теорию переносав общем виде, применив ее к процессам диффузии, теплопроводности и внутреннеготрения, ввел понятие релаксации. В 1867 году первый показал статистическуюприроду второго начала термодинамики («демон Максвелла»), в 1878 годуввел термин «статистическая механика».

Самымбольшим научным достижением Джеймса Максвелла является созданная им в 1860-1865годах теория электромагнитного поля, которую он сформулировал в виде системынескольких уравнений (уравнения Максвелла), выражающих все основные закономерностиэлектромагнитных явлений (первые дифференциальные уравнения поля были записаныМаксвеллом в 1855-1856 годах). В своей теории электромагнитного поля Максвеллиспользовал (1861) новое понятие — ток смещения, дал (1864) определениеэлектромагнитного поля и предсказал (1865) новый важный эффект: существование всвободном пространстве электромагнитного излучения (электромагнитных волн) иего распространение в пространстве со скоростью света. Последнее дало емуоснование считать (1865) свет одним из видов электромагнитного излучения (идеяэлектромагнитной природы света) и раскрыть связь между оптическими иэлектромагнитными явлениями. Максвелл теоретически вычислил давление света(1873), предсказал эффекты Стюарта-Толмена и Эйнштейна-де Гааза (1878), скин-эффект.

Ученыйтакже сформулировал теорему в теории упругости (теорема Максвелла), установилсоотношения между основными теплофизическими параметрами (термодинамическиесоотношения Максвелла), развивал теорию цветного зрения, исследовалустойчивость колец Сатурна, показав, что кольца не являются твердыми илижидкими, а представляют собой рой метеоритов. Максвелл сконструировал рядприборов. Он был известным популяризатором физических знаний. Опубликовалвпервые (1879) рукописи работ Генри Кавендиша

Висследованиях по электричеству и магнетизму (статьи «О фарадеевых силовыхлиниях», 1855-56 гг.; «О физических силовых линиях», 1861-62гг.; «Динамическая теория электромагнитного поля», 1864 г.;двухтомный фундаментальный «Трактат об электричестве и магнетизме»,1873 г.) Максвелл математически развил воззрения Майкла Фарадея на рольпромежуточной 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 электромагнитныхвзаимодействий является электромагнитное поле, теорию которого (в классическойфизике) Максвелл и создал. В этой теории Максвелл обобщил все известные к томувремени факты макроскопической электродинамики и впервые ввёл представление отоке смещения, порождающем магнитное поле подобно обычному току (токупроводимости, перемещающимся электрическим зарядам). Максвелл выразил законыэлектромагнитного поля в виде системы 4 дифференциальных уравнений в частныхпроизводных (уравнения Максвелла). Общий и исчерпывающий характер этих уравнений проявился в том, что их анализпозволил предсказать многие неизвестные до того явления и закономерности. Так, из них следовало существование электромагнитных волн, впоследствииэкспериментально открытых Г. Герцем. Исследуя эти уравнения, Максвелл пришёл квыводу об электромагнитной природе света (1865 г.) и показал, что скоростьлюбых других электромагнитных волн в вакууме равна скорости света. Он измерил (с большей точностью, чем В. Вебер и Ф. Кольрауш в 1856 году)отношение электростатической единицы заряда к электромагнитной и подтвердил егоравенство скорости света. Из теории Максвелл вытекало, что электромагнитныеволны производят давление. Давление света было экспериментально установлено в 1899 П. Н. Лебедевым. Теория электромагнетизма Максвелл получила полное опытное подтверждение и сталаобщепризнанной классической основой современной физики. Роль этой теории яркоохарактеризовал А. Эйнштейн: "… тут произошел великий перелом, которыйнавсегда связан с именами Фарадея, Максвелла, Герца. Львиная доля в этой революциипринадлежит Максвеллу… После Максвелла физическая реальность мыслилась в виденепрерывных, не поддающихся механическому объяснению полей… Это изменениепонятия реальности является наиболее глубоким и плодотворным из тех, которыеиспытала физика со времен Ньютона". В исследованиях по молекулярно-кинетической теории газов (статьи«Пояснения к динамической теории газов», 1860 г., и«Динамическая теория газов», 1866 г.) Максвелл впервые решилстатистическую задачу о распределении молекул идеального газа по скоростям(распределение Максвелла). Максвелл рассчитал зависимость вязкости газа отскорости и длины свободного пробега молекул (1860), вычислив абсолютнуювеличину последней, вывел ряд важных соотношений термодинамики (1860).Экспериментально измерил коэффициент вязкости сухого воздуха (1866). В 1873-74гг. Максвелл открыл явление двойного лучепреломления в потоке (эффектМаксвелла). Максвелл был крупным популяризатором науки. Он написал ряд статей дляБританской энциклопедии, популярные книги — такие как «Теориятеплоты» (1870), «Материя и движение» (1873),«Электричество в элементарном изложении» (1881), переведённые нарусский язык. Важным вкладом в историю физики является опубликование Максвелломрукописей работ Г. Кавендиша по электричеству (1879) с обширными комментариями.

Учение об электромагнетизме и свете

Ссередины XIX столетия неустанно строился фундамент, на котором могло бытьвозведено здание физики XX века. При этом не обошлось без изменения проектов.Основные положения естественных наук либо утрачивали свою всеобщность, либоопровергались. Привычные убеждения, считавшиеся незыблемыми, рушились. Большечем когда-либо физика в эти десятилетия становилась, по словам Эйнштейна,«приключением познания».

Воглаве исследователей, которые, подобно архитекторам, решающим образомучаствовали в перестройке фундамента физики нашего времени и заново возвелиотдельные «этажи» здания, стоит Джеймс Клерк Максвелл, один из гениальнейшихмыслителей в истории развития физики до Эйнштейна, охвативший в своих исследованияхфизику во всех ее разделах.

ЗаслугиМаксвелла как исследователя относятся к областям физиологического учения оцвете, кинетической теории теплоты и электромагнитной теории света.

Одновременнос Гельмгольцем Максвелл исследовал законы цветового зрения. Как предшественникавстрийца Больцмана и американца Гиббса, он обосновал статистическое пониманиекинетической теории газа. Его величайшей заслугой, однако являетсяматематическая разработка нового учения о магнетизме, электричестве и свете. Егодостижения, по словам Планка, должны быть отнесены к «величайшим,изумительнейшим подвигам человеческого духа».

КогдаМаксвелл начинал свой путь физика, в сознании естествоиспытателей повсеместно инеколебимо царили законы ньютоновской механики. Все естественные явлениястарались объяснить с помощью простых механических законов движения впространстве.

Подъемфизики, связанный с открытием закона сохранения и превращения энергии,обеспечил в середине XIX века механистическому пониманию природы новую надежнуюподдержку. «Только механическое понимание является наукой», – заявлялберлинский физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон. Нечто подобное писал и Гельмгольц:«Конечная цель всего естествознания – раствориться в механике».

Программеэтого воззрения на природу, впервые изложенного в манускриптах Леонардо даВинчи, в трудах Галилея и философски обоснованного Декартом, законченную формупридал Ньютон в 1687 году в своем знаменитом произведении о математическихначалах учения о природе.

ПоНьютону, мир вещей мог быть механически описан посредством указания четырехвеличин: времени, пространства, момента массы и си

www.ronl.ru

Реферат: Джеймс Максвелл

Содержание

Эдинбург. 1831-1850……………………………………………………………..3

Детство и школьные годы

Первое открытие

Эдинбургский университет …………………………………………………….4

Оптико-механические исследования

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

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.

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.

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.

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.

Именно в Абердине была написана первая работа по электричеству – статья «О фарадеевских линиях силы», которая привела к обмену мнениями об электромагнитных явлениях с самим Фарадеем.

Когда Джеймс приступил к занятиям в Абердине, у него в голове уже созрела новая задача, которую пока никто не мог решить, новое явление, которое подлежало объяснению. Это были Сатурновы кольца. Определить их физическую природу, определить за миллионы километров, без каких бы то ни было приборов, пользуясь только бумагой и пером, - это была задача как будто для него. Гипотеза твердого жесткого кольца отпала сразу. Жидкое кольцо распалось бы под влиянием возникших бы в нем гигантских волн – и в результате, по мысли Джеймса Клерка Максвелла, вокруг Сатурна скорее всего витает сонм мелких спутников – «кирпичных обломков», по его восприятию. За трактат, посвященный кольцам Сатурна, в 1857 году Джеймсу была присуждена премия Адамса, а сам он признан одним из самых авторитетных английских физиков-теоретиков.

Рис.2 Сатурн. Фотография, сделанная с помощью 36-дюймового рефрактора в Ликской обсерватории.

Рис.3 Механические модели, иллюстрирующие движение колец Сатурна. Рисунки из эссе Максвелла «О стабильности вращения колец Сатурна»

В 1860 году начинается новый этап в жизни Максвелла. Он назначен на должность профессора кафедры натуральной философии в Кингс-колледж в Лондоне. Кингс-колледж по оснащенности своих физических лабораторий был впереди многих университетов мира. Здесь Максвелл не просто в 1864-1865 годах читал курс прикладной физики, здесь он пытался организовать учебный процесс по-новому. Студенты учились в процессе экспериментов. В Лондоне Джеймс Клерк Максвелл впервые вкусил плоды своего признания в качестве крупного ученого. За исследования по смешению цветов и оптике Королевское общество наградило Максвелла медалью Румфорда. 17 мая 1861 года Максвеллу была предложена высокая честь – прочесть лекцию перед Королевским институтом. Тема лекции – «О теории трех основных цветов». На этой лекции, в качестве доказательства этой теории, миру впервые была продемонстрирована цветная фотография!

В конце абердинского периода и в начале лондонского, у Максвелла появилось наряду с оптикой и электричеством новое увлечение – теория газов. Работая над этой теорией, Максвелл вводит в физику такие понятия как «вероятно», «это событие может произойти с большей степенью вероятности».

В физике произошла революция, а многие слушатели докладов Максвелла на ежегодных встречах Британской ассоциации этого даже не заметили. С другой стороны Максвелл подошел к границам механического понимания материи. И переступил их. Вывод Максвелла о господстве в мире молекул законов теории вероятностей затрагивал самые фундаментальные основы мировоззрения. Заявление о том, что в мире молекул «господствует случай», было по своей смелости одним из величайших подвигов в науке.

Работа в Кингс-колледже требовала уже куда больше времени, чем в Абердине, - лекционный курс продолжался девять месяцев в году. Тем не менее, в это время тридцатилетний Джеймс Клерк Максвелл набрасывает план своей будущей книги по электричеству. Это зародыш будущего «Трактата». Первые главы его он посвящает своим предшественникам: Эрстеду, Амперу, Фарадею. Пытаясь объяснить Фарадеевскую теорию силовых линий, индукцию электрических токов и Эрстедовскую теорию вихреобразности характера магнитных явлений Максвелл создает свою механическую модель (рис.5).

Модель представляла собой ряды молекулярных вихрей, вращающихся в одном направлении, между которыми помещен слой мельчайших шарообразных частичек, способных к вращению. Несмотря на свою громоздкость, модель объясняла многие электромагнитные явления, в том числе электромагнитную индукцию. Сенсационность модели была в том, что она объясняла теорию о действии магнитного поля под прямым углом по отношению к направлению тока, сформулированную Максвеллом («правило буравчика»).

Рис.4 Максвелл устраняет взаимодействие вращающихся в одну сторону соседних вихрей А и В, вводя между ними «холостые шестеренки»

Рис.5 Механическая модель Максвелла для объяснения электромагнитных явлений.

Продолжая опыты с электромагнитами, Максвелл приблизился к теории о том, что любые изменения электрической и магнитной силы посылают волны, распространяющиеся в пространстве.

После серии статей «О физических линиях» у Максвелла был уже, по сути дела, весь материал для построения новой теории электромагнетизма. Теперь уже для теории электромагнитного поля. Начисто исчезли шестеренки, вихри. Уравнения поля были для Максвелла ничуть не менее реальны и ощутимы, чем результаты лабораторных опытов. Теперь и электромагнитная индукция Фарадея, и ток смещения Максвелла выводились не с помощью механических моделей, а с помощью математических операций.

По Фарадею изменение магнитного поля приводит к появлению электрического поля. Всплеск магнитного поля вызывает всплеск электрического поля.

Всплеск электрической волны рождает всплеск волны магнитной, так впервые из-под пера тридцатитрехлетнего пророка появились в 1864 году электромагнитные волны, но еще не в том виде, в котором мы их понимаем сейчас. Максвелл говорил в статье 1864 года только о магнитных волнах. Электромагнитная волна в полном смысле этого слова, включающая одновременно электрическое и магнитное возмущения, появилась у Максвелла позже, в его статье, в 1868 году.

В другой статье Максвелла - «Динамической теории электромагнитного поля» - приобрела чёткие очертания и доказательность намеченная еще раньше электромагнитная теория света. На основе собственных исследований и опыта других ученых (и в наибольшей степени Фарадея) Максвелл делает вывод, что оптические свойства среды связаны с ее электромагнитными свойствами, и свет представляет собой не что иное, как электромагнитные волны.

В 1865 году Максвелл решает оставить Кингс-колледж. Он поселяется в своем родовом поместье Гленмейр, где занимается основными трудами жизни – «Теорией теплоты» и «Трактатом об электричестве и магнетизме». Им посвящается все время. Это были годы отшельничества, годы полной отрешенности от суеты, служения одной только науке, годы наиболее плодотворные, светлые, творческие. Тем не менее, Максвелла вновь тянет работать при университете, и он принимает предложение, сделанное ему Кембриджским университетом.

В 1870 году герцог Девонширский заявил сенату университета о своем желании построить и оснастить физическую лабораторию. И возглавить ее должен был ученый с мировым именем. Этим ученым стал Джеймс Клерк Максвелл. В1871 году он начинает работу по оснащению знаменитой Кавендишской лаборатории. В эти годы наконец издается его «Трактат об электричестве и магнетизме». Более тысячи страниц, где Максвелл дает описание научных опытов, обзор всех, до тех пор созданных теорий электричества и магнетизма, а также «Основные уравнения электромагнитного поля». В целом в Англии не приняли основных идей «Трактата», даже друзья не поняли его. Идеи Максвелла подхватили молодые. Большое впечатление теория Максвелла произвела на русских ученых. Всем известна роль Умова, Столетова, Лебедева в развитии и укреплении Максвелловой теории.

16 июня 1874 года – день торжественного открытия Кавендишской лаборатории. Последующие годы ознаменовались се растущим признанием.

В 1870 году Максвелл избран почетным доктором литературы Эдинбургского университета, в 1874 году – иностранным почетным членом Американской академии искусств и наук в Бостоне, в 1875 году – членом Американского философского общества в Филадельфии, а также становится почетным членом академий Нью-Йорка, Амстердама, Вены. Последующие пять лет Максвелл занимается редактированием и подготовкой к изданию двадцати пакетов манускриптов Генри Кавендиша.

В 1877 году Максвелл почувствовал первые признаки болезни, а в мае 1879 года прочел своим студентам последнюю лекцию.

Список использованной литературы:

«Жизнь замечательных людей»

Вл. Карцев «Максвелл»

Изд. Москва, «Молодая гвардия», 1974г.

www.referatmix.ru

Реферат - Джеймс Клерк Максвелл

(англ. James Clerk Maxwell) (13.06.1831, Эдинбург, — 5.11.1879, Кембридж)

Джеймс Клерк Максвелл — английский физик, создатель классической электродинамики, один из основателей статистической физики, организатор и первый директор (с 1871) Кавендишской лаборатории. Как и многие другие значительные английские естествоиспытатели XVIII...XIX веков, например крупные геологи Джеймс Хаттон и Чарлз Лайель, Джеймс Клерк Максвелл был шотландцем.

Он родился 13 июня 1831 года в Эдинбурге в семье помещика и дворянина. Происходил из знатной шотландской фамилии Клерков Пеникуик. Отец его, юрист по образованию, приняв фамилию Максвелл, жил в своем имении в Гленлэре, где и протекло детство Джеймса. Среди его предков можно найти политических деятелей, поэтов, музыкантов и ученых.

Отец Максвелла был глубоко образованным человеком с разносторонними интересами. Он редко покидал свое имение и профессиональной деятельностью (в качестве советника юстиции) занимался лишь от случая к случаю. Он принимал живое участие в индустриальном развитии страны, и, кроме того, его постоянным занятием были различные небольшие технические изобретения. После ранней смерти матери (она умерла, когда Джеймсу было 8 лет) отец заботливо воспитывал мальчика. На первом плане стояли занятия естественными науками. У Джеймса очень рано пробудился интерес к технике и развились практические навыки.

В согласии с национальными традициями и общественными условиями большое место в воспитании отводилось религиозным наставлениям в духе английского протестантизма. Детским годам был обязан Максвелл и своим удивительным знанием текста Библии и стихов из «Потерянного рая» Мильтона. В остальном маленький Джеймс рос и развивался среди детей служащих поместья и мелких крестьян, но, как подчеркивает биограф, «с духовными запросами члена правящего класса».

Первый опыт уроков на дому не привел к ожидаемому успеху. На жесткие воспитательные меры домашнего учителя мальчик отвечал упрямством и замкнутостью. В аристократической школе, которую он посещал впоследствии, Джеймс обратил на себя внимание благодаря большим математическим способностям. Особенно любил он геометрию. Об Эйнштейне вспоминают, что в 12 лет он восторгался «священной книжечкой по геометрии». Максвелл также слыл человеком не от мира сего. Он не мог наладить правильные отношения со своими школьными товарищами. Они дразнили его и давали ему прозвища. Не последнюю роль играла при этом одежда, которую его отец – он во многом был чудаком – заказывал для мальчика.

В 1841 г. Джеймс Максвелл отдан был в гимназию в Эдинбурге; к 1846 г. относится первая его ученая работа. В 14 лет Максвелл был награжден медалью за блестящие успехи в математике. Годом позже старший Максвелл представил Эдинбургской Академии наук, в заседаниях которой он иногда принимал участие в качестве гостя, первое научное произведение своего сына, после того как один знакомый ученый придал работе школьника соответствующую академическую форму. В сочинении рассматривался новый, ранее неизвестный математикам метод вычерчивания эллиптических фигур. Работа называлась «О черчении овалов и об овалах со многими фокусами» (1846, опубликована в 1851).

Перейдя в 1847 г. в эдинбургский университет, Максвелл, под руководством Келланда, Форбса и др., с жаром принялся за изучение физики и математики; его работы, относящиеся к этому времени, указывают уже на необыкновенные его способности. До этого он много занимался вопросами оптики, особенно поляризацией света и кольцами Ньютона. Им в основном руководил физик Вильям Николь, имя которого осталось жить в истории науки в названии призмы, данном в его честь.

В областях, не имеющих отношения к его предмету, Максвелл также старался получить прочные знания. Позднее, требуя, чтобы образование молодых естествоиспытателей не ограничивалось каким-либо специальным предметом, он опирался на собственный опыт. Для углубленного понимания проблем естествознания он считал необходимым изучение философии, истории науки и эстетики.

В 1850г. Максвелл поступил в Кембридж, где некогда работал Ньютон, а в 1854 году с академической степенью закончил его. После этого по совету Вильяма Томсона он начал вести частные исследования в области электричества.

В 1855 Максвелл стал членом совета Тринити-колледжа.

Первая большая работа Максвелла – «О фарадеевых силовых линиях» – появилась в 1855 году. Больцман, через 14 лет издавший это сочинение на немецком языке в «Оствальдовских классиках», подчеркнул в своих примечаниях, что уже эта первая статья Максвелла поразительно глубока по содержанию и дает представление о том, как планомерно подходил к работе молодой физик.

Больцман считал, что в области гносеологических вопросов естествознания влияние Максвелла было столь же определяющим, как и в теоретической физике. Все тенденции развития физики в последующие десятилетия были уже ясно обозначены в первой статье Максвелла и часто даже наглядно пояснялись теми же сравнениями. Они во многом совпадали со сформировавшимися позднее воззрениями Кирхгофа, Маха и Герца.

Уже в работе 1855 года Максвелл высказал мысль, которую он повторил в более поздних работах: силовые линии Фарадея следует представлять как тонкие трубочки с переменным сечением, по которым струится несжимаемая жидкость. Эту гидродинамическую модель электрического тока, исходящую из представлений Фарадея, Максвелл не считал, однако, отражением действительности, она должна была служить вспомогательным средством и облегчать новый подход к электродинамике путем применения механической аналогии.

Наряду с изучением электродинамики молодой ученый занимался также экспериментальными исследованиями физиологии цветового зрения. Одними из первых его исследований были работы по физиологии и физике цветного зрения и колориметрии (1852-72). В 1861 году 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.

Независимо от Гельмгольца, который в том же году в Кенигсберге сделал свой ставший знаменитым доклад «О зрении человека», Максвелл, который был моложе на десять лет, искал ответ на те же вопросы и пришел к сходным результатам. В бытность членом совета Тринити-колледжа занимался экспериментами по теории цветов, выступая как продолжатель теории Юнга и теории трех основных цветов Гельмгольца. В 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. В 1860 за работы по восприятию цвета и оптике Максвелл был награжден медалью Румфорда.

Его цветной волчок вскоре уже использовался Гельмгольцем при исследовании дальтоников, в ходе которых подтвердилась правильность взглядов Максвелла.

Чтобы показать противникам теории близкодействия, что он знаком с учением о силах дальнодействия и математически владеет им, Максвелл исследовал особенно трудный случай притяжения масс – загадку колец Сатурна.

В 1857 Кембриджский университет объявил конкурс на лучшую работу об устойчивости колец Сатурна. Эти образования были открыты Галилеем в начале 17 в. Он наблюдал их в расплывчатой форме, но только Гюйгенс описал их действительный вид. Они представляли удивительную загадку природы: планета казалась окруженной тремя сплошными концентрическими кольцами, состоящими из вещества неизвестной природы. Эти кольца были предметом спора исследователей; одни считали их твердыми, другие – жидкими. 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 может быть устойчивой только в том случае, если 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. Позднее спектроскопические исследования подтвердили это толкование.

Одной из первых работ Максвелла стала его кинетическая теория газов. В 1859 ученый выступил на заседании Британской ассоциации с докладом, в котором привел распределение молекул по скоростям (максвелловское распределение). Максвелл развил представления своего предшественника в разработке кинетической теории газов Р. Клаузиуса, который ввел понятие «средней длины свободного пробега». Максвелл исходил из представления о газе как об ансамбле множества идеально упругих шариков, хаотически движущихся в замкнутом пространстве. 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». 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 26 лет способный молодой исследователь получил приглашение на должность профессора физики в колледж в Абердине. Там он преподавал три года. Он не был безукоризненным академическим преподавателем, видимо, поэтому в 1860 году, когда маленькая высшая школа объединилась с другой, от его дальнейших услуг отказались. Заявление в университет Эдинбурга было отклонено на аналогичных основаниях. И здесь опытного учителя предпочли творчески мыслящему исследователю. Максвелл некоторое время провел в своем имении, но в том же году принял приглашение в Лондон.

По окончании университета Максвелл решил посвятить себя науке и переехал в 1860 г. в Кембридж в Тринити колледж, где в продолжение 4 лет неустанно работал, изучая любимые науки; внимательное изучение работ Фарадея дало направление всей его деятельности.

Развивая идеи М. Фарадея, Максвелл создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла).

Пять лондонских лет (1860...1865) были самыми продуктивными в жизни ученого. Максвелл работал как экспериментатор и как теоретик одновременно во многих областях. В учении о физиологии цвета он иногда экспериментировал вместе с Гельмгольцем, с которым он познакомился во время его поездки в Англию в 1864 году. «С одним старым берлинским другом, – писал Гельмгольц своей жене, – я поехал в Кенсингтон к профессору Максвеллу, физику Королевского колледжа, очень острому математическому уму, который показал мне прекрасные аппараты для исследований в области учения о цвете, отрасли, в которой я сам раньше работал; он пригласил коллегу-дальтоника, над которым мы проделали эксперименты».

В лондонские годы Максвелл значительно продвинулся в разработке механической теории теплоты, особенно кинетической теории газов. Этому содействовали изучение им колец Сатурна и одна из появившихся в это время публикаций немецкого физика Рудольфа Клаузиуса.

Еще в Абердине Максвелл сделал доклад по этому кругу вопросов и предложил ввести в кинетическую теорию газа вероятностное вычисление для определения скоростей молекул. Он сумел показать, что различные скорости молекул газа распределены так же – в соответствии с законом Гаусса, – как ошибки в наблюдениях, которые вкрадываются, когда одна и та же величина замеряется много раз при одинаковых обстоятельствах. Закон распределения скоростей молекул газа был гениально угадан Максвеллом. Этот закон стал основой статистической теории механики газов и краеугольным камнем новой отрасли статистической физики. Впоследствии она была развита в первую очередь Больцманом.

Известность Максвелла как ученого первоначально основывалась на математическом обосновании кинетической теории газа, пока его электромагнитная теория света не начала своего победного шествия по миру. Многие физики, например Джеймс Джонс, даже считали, что самым великим достижением Максвелла было исследование движения молекул газа. Свобода мышления, характерная для всего его творчества, проявилась здесь особенно плодотворно.

Больцман, который наряду с Максвеллом глубочайшим образом вникал в анализ движения молекул, сравнил максвелловскую кинетическую теорию газов с музыкальной драмой. «Как музыкант по первым тактам узнает Моцарта, Бетховена, Шуберта, – писал он в некрологе, посвященном Кирхгофу, – так математики по нескольким страницам различают Коши, Гаусса, Якоби, Гельмгольца. Высочайшая элегантность характеризует французов, величайшая драматическая сила – англичан, прежде всего Максвелла».

Однако тот же Больцман отмечает свойство великого англичанина, странным образом контрастирующее с отмеченным выше драматизмом – «зачастую детски наивный язык Максвелла, который вперемежку с формулами предлагает наилучший способ выведения жировых пятен».

К лондонскому времени относятся основные исследования Максвелла в области электромагнитной теории света.

В работе «О физических силовых линиях», опубликованной четырьмя частями в 1861 и 1862 годах в одном из журналов, он продолжил математическо-физические исследования силовых линий Фарадея, начатые им шесть лет назад, и привел их к предварительному завершению. Максвелл пришел при этом к заключению, что электрические действия распространяются с конечной скоростью, соответствующей скорости света в пустом пространстве. Эта его работа уже содержит знаменитые уравнения электромагнетизма, включая уравнения для движущихся тел.

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. Силовые линии заполняют все окружающее пространство (поле, по терминологии Фарадея) и обусловливают электрические и магнитные взаимодействия. Следуя Фарадею, Максвелл 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, 1857). В 1860—1865 Максвелл создал теорию электромагнитного поля, которую сформулировал в виде системы уравнений (уравнения Максвелла), описывающих 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 к электростатической. По данным Максвелла и других исследователей, это отношение составляет 3Ч1010 см/с, что 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 исследований изложен 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).

В своих пояснениях к немецкому изданию этого сочинения в «Оствальдовских классиках» Больцман писал: «То впечатление, которое мы получаем, видя в первый раз имеющие для всего нашего естественнонаучного мировоззрения революционизирующее значение уравнения, увеличивается еще тем, что Максвелл не говорит ни слава об их роли, которую он, наверное, предполагал, даже если он не так ясно видел, как мы видим сейчас». Примечательна при этом скромная простота, «с которой Максвелл показывает, с каким трудом он постепенно пробирался вперед».

Во время своей лондонской профессуры Максвелл лично познакомился с Фарадеем, который уже читал его публикации и в письмах к нему высоко оценивал их. Но общение с Фарадеем не могло более повлиять на его научное развитие. Максвелл еще студентом основательно проработал результаты исследований великого экспериментатора и ко времени встречи с 70-летним ученым имел уже сложившиеся воззрения на проблемы физики.

Так как Максвелл не располагал институтом при высшей школе, он оборудовал лабораторию на чердаке своего дома в благоустроенном жилом квартале на западе Лондона. Его жена помогала ему в экспериментах. Максвелл был очень умелым и необычайно находчивым экспериментатором.

Из-за плохого состояния здоровья Максвелл в 1865 году был вынужден отказаться от преподавания. Его родовое поместье Гленлэр в Шотландии позволяло ему полностью посвятить себя исследованиям в качестве независимого, свободного от академических обязанностей ученого.

Шесть лет Максвелл провел в деревне. В это время он продолжал свои теоретические и экспериментальные работы и подготавливал обширные труды, которые потом, в 70-е годы, стали выходить один за другим. Приглашение стать ректором старейшего шотландского университета в Сент-Эндрью он отклонил. Но все же Максвелл становится университетским преподавателем в третий раз.

Кембриджский университет в 1871 году решает создать профессуру по экспериментальной физике и оборудовать учебную лабораторию. Два известнейших физика того времени не могли быть привлечены. Вильям Томсон не хотел оставлять профессуру в Глазго, которую он занимал в течение всей своей жизни, и, кроме того, он был так тесно связан с оптической и электротехнической промышленностью города в качестве совладельца предприятий, что вообще неохотно отлучался из Глазго, а Гельмгольц только что принял приглашение на место профессора физики в университете столицы Германии.

Руководство университета обратилось к 40-летнему частному ученому из Шотландии, и в конце концов его удалось склонить принять новую кафедру.

Наряду с обязанностями лектора Максвелла ожидала большая организаторская работа. Новая лаборатория должна была быть построена и оборудована по его желаниям, предложениям и планам, в соответствии с мировым уровнем экспериментальной физики. При оборудовании Кавендишской лаборатории – она была названа по имени мецената, который был дальним родственником гениального естествоиспытателя Генри Кавендиша, – нашли свое применение технические знания и практический опыт Максвелла, полученные им смолоду под руководством отца. Позднее везде, где была возможность, он осматривал мастерские и фабрики.

Вначале, осуществляя свои планы, исследователь должен был преодолевать старые предрассудки относительно учебного эксперимента. В письме к австрийскому физику Лошмидту Максвелл с сожалением отмечал, что именно эти предрассудки повинны в том, что в Англии было недопустимо запущено обучение экспериментальной физике. Первая английская университетская лаборатория по физике была оборудована в Глазго Вильямом Томсоном только в 1846 году и долгое время оставалась единственной в своем роде.

В этот период крупная английская буржуазия, для гарантии конкурентоспособности ее товаров на мировом рынке наряду с работающими в промышленности химиками, остро нуждалась также и в физиках. Это обстоятельство помогло Максвеллу устранить препятствия. Ему пригодились его большой организаторский талант и дипломатическая тонкость в политических вопросах, касающихся науки. Кроме того, ученый создал на свои средства и передал лаборатории многие дорогостоящие научные приборы. После его смерти в собственность института перешла и его ценная коллекция книг.

Вступительную лекцию в качестве кавендишского профессора экспериментальной физики Максвелл читал перед несколькими студентами. Он начертал в ней колоссальную программу фундаментальной перестройки преподавания физики в английской высшей школе. Он развивал мысль о том, что применявшиеся методы препятствуют дальнейшему прогрессу в изучении и преподавании физики. «Привычные принадлежности – перо, чернила и бумага – не будут достаточны, – говорил он, – и нам потребуется большее пространство, чем пространство кафедры, и большая площадь, чем поверхность доски». Это была резкая отповедь «меловой» физике, которая тогда еще господствовала в консервативных английских университетах.

Учебную лабораторию Максвелл рассматривал как «школу научной критики» и ставил перед ней задачу – стимулировать развитие учения о методах физики. Исследовательская работа должна как можно шире осуществляться коллективными усилиями. Максвелл апеллировал к модели совместного исследования, созданной Гумбольдтом, Гауссом и Вебером с целью охватить весь мир рекогносцировкой земного магнетизма. В этой первой в истории науки коллективной работе он видел основную форму и зародыш будущих естественнонаучных методов исследования.

Тогда это было лишь далекой целью. Только десятилетия спустя могла быть осуществлена планомерная совместная работа естествоиспытателей, которая сегодня является предпосылкой научно-технического прогресса. Сам Максвелл еще был гениальным исследователем-одиночкой, как до него Фарадей и после него другие известные ученые, среди них Герц, Рентген» Планк и Эйнштейн.

Кавендишская лаборатория положила в Англии начало традиции исследований в области экспериментальной физики. Это имело большое значение для дальнейшего развития международной экспериментальной физики, и особенно для подготовки атомного века. После Максвелла ею руководили такие исследователи, как Рэлей, Дж. Дж. Томсон и Резерфорд, укрепившие и умножившие ее славу. Многие физики-атомщики в молодые годы совершенствовали в Кавендишской лаборатории свое образование, в их числе Макс Борн, Нильс Бор, П.Л. Капица.

За время своей профессуры в Кембридже Максвелл опубликовал немало значительных работ. В 1871 году появилась «Теория теплоты», в 1873 году вышел фундаментальный двухтомный учебник – «Трактат по электричеству и магнетизму». В этом труде Максвелл собрал и обобщил результаты своих исследований электромагнетизма. В маленькой работе «Субстанция и движение» (1876), которая была задумана как введение в изучение физической науки, он в простейшей форме, не прибегая к высшей математике, сообщает читателю основы классической физики.

Начиная с 1875 года Максвелл много времени и сил потратил на расшифровку и издание оставшихся рукописей Генри Кавендиша. Работам по теории электричества он уделял при этом особое внимание.

Благодаря его склонности к занятиям историей естествознания по крайней мере часть научного архива великого английского естествоиспытателя второй половины XVIII века, который сам опубликовал лишь немногое, стала достоянием потомства.

В отличие от Фарадея, который скептически относился к теории атома и искал способ обойтись без помощи представления об атоме, Максвелл был открытым сторонником атомизма. Одним из первых он предположил, что созданный Бунзеном и Кирхгофом спектральный анализ поможет сделать более точное заключение о внутреннем строении атома – предсказание, оказавшееся верным.

Жизнь этого необычайно плодотворного исследователя, объединившего в себе гениального теоретика и изобретательного экспериментатора, оборвалась неожиданно быстро. Ученый не придавал значения небольшому расстройству пищеварения, приведшему к серьезному заболеванию, от которого он скончался 5 ноября 1879 года на 49-м году жизни.

Планк говорил о том, что имя Максвелла «блещет на вратах классической физики». Максвелл действительно был блистательным явлением среди физиков нового времени. Своими научными трудами, особенно великолепной системой формул электродинамики, он заложил важнейшие основы физики атомного века.

Его теория электричества и света настолько опередила свое время и была так законченна, что полвека спустя Эйнштейн мог почти без изменений включить ее в свою теорию относительности.

Подобных примеров в мировой истории науки немного.

Работы Максвелла посвящены электродинамике, молекулярной физике, общей статистике, оптике, механике, теории упругости. Наиболее весомый вклад Максвелл сделал в молекулярную физику и электродинамику. В кинетической теории газов, одним из основателей которой он является, установил в 1859 году статистический закон, описывающий распределение молекул газа по скоростям (распределение Максвелла). В 1866 году он дал новый вывод функции распределения молекул по скоростям, основанный на рассмотрении прямых и обратных столкновений, развил теорию переноса в общем виде, применив ее к процессам диффузии, теплопроводности и внутреннего трения, ввел понятие релаксации. В 1867 году первый показал статистическую природу второго начала термодинамики («демон Максвелла»), в 1878 году ввел термин «статистическая механика».

Самым большим научным достижением Джеймса Максвелла является созданная им в 1860-1865 годах теория электромагнитного поля, которую он сформулировал в виде системы нескольких уравнений (уравнения Максвелла), выражающих все основные закономерности электромагнитных явлений (первые дифференциальные уравнения поля были записаны Максвеллом в 1855-1856 годах). В своей теории электромагнитного поля Максвелл использовал (1861) новое понятие — ток смещения, дал (1864) определение электромагнитного поля и предсказал (1865) новый важный эффект: существование в свободном пространстве электромагнитного излучения (электромагнитных волн) и его распространение в пространстве со скоростью света. Последнее дало ему основание считать (1865) свет одним из видов электромагнитного излучения (идея электромагнитной природы света) и раскрыть связь между оптическими и электромагнитными явлениями. Максвелл теоретически вычислил давление света (1873), предсказал эффекты Стюарта-Толмена и Эйнштейна-де Гааза (1878), скин-эффект.

Ученый также сформулировал теорему в теории упругости (теорема Максвелла), установил соотношения между основными теплофизическими параметрами (термодинамические соотношения Максвелла), развивал теорию цветного зрения, исследовал устойчивость колец Сатурна, показав, что кольца не являются твердыми или жидкими, а представляют собой рой метеоритов. Максвелл сконструировал ряд приборов. Он был известным популяризатором физических знаний. Опубликовал впервые (1879) рукописи работ Генри Кавендиша

В исследованиях по электричеству и магнетизму (статьи «О фарадеевых силовых линиях», 1855-56 гг.; «О физических силовых линиях», 1861-62 гг.; «Динамическая теория электромагнитного поля», 1864 г.; двухтомный фундаментальный «Трактат об электричестве и магнетизме», 1873 г.) Максвелл математически развил воззрения Майкла 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 (уравнения Максвелла).

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 г.) 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 году) отношение электростатической единицы заряда к электромагнитной и подтвердил его равенство скорости света. Из теории Максвелл вытекало, что электромагнитные волны производят давление.

Давление света было экспериментально установлено в 1899 П. Н. Лебедевым.

Теория электромагнетизма Максвелл 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".

В исследованиях по молекулярно-кинетической теории газов (статьи «Пояснения к динамической теории газов», 1860 г., и «Динамическая теория газов», 1866 г.) Максвелл впервые решил статистическую задачу о распределении молекул идеального газа по скоростям (распределение Максвелла). 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 гг. Максвелл открыл явление двойного лучепреломления в потоке (эффект Максвелла).

Максвелл был крупным популяризатором науки. 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.

Учение об электромагнетизме и свете

С середины XIX столетия неустанно строился фундамент, на котором могло быть возведено здание физики XX века. При этом не обошлось без изменения проектов. Основные положения естественных наук либо утрачивали свою всеобщность, либо опровергались. Привычные убеждения, считавшиеся незыблемыми, рушились. Больше чем когда-либо физика в эти десятилетия становилась, по словам Эйнштейна, «приключением познания».

Во главе исследователей, которые, подобно архитекторам, решающим образом участвовали в перестройке фундамента физики нашего времени и заново возвели отдельные «этажи» здания, стоит Джеймс Клерк Максвелл, один из гениальнейших мыслителей в истории развития физики до Эйнштейна, охвативший в своих исследованиях физику во всех ее разделах.

Заслуги Максвелла как исследователя относятся к областям физиологического учения о цвете, кинетической теории теплоты и электромагнитной теории света.

Одновременно с Гельмгольцем Максвелл исследовал законы цветового зрения. Как предшественник австрийца Больцмана и американца Гиббса, он обосновал статистическое понимание кинетической теории газа. Его величайшей заслугой, однако является математическая разработка нового учения о магнетизме, электричестве и свете. Его достижения, по словам Планка, должны быть отнесены к «величайшим, изумительнейшим подвигам человеческого духа».

Когда Максвелл начинал свой путь физика, в сознании естествоиспытателей повсеместно и неколебимо царили законы ньютоновской механики. Все естественные явления старались объяснить с помощью простых механических законов движения в пространстве.

Подъем физики, связанный с открытием закона сохранения и превращения энергии, обеспечил в середине XIX века механистическому пониманию природы новую надежную поддержку. «Только механическое понимание является наукой», – заявлял берлинский физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон. Нечто подобное писал и Гельмгольц: «Конечная цель всего естествознания – раствориться в механике».

Программе этого воззрения на природу, впервые изложенного в манускриптах Леонардо да Винчи, в трудах Галилея и философски обоснованного Декартом, законченную форму придал Ньютон в 1687 году в своем знаменитом произведении о математических началах учения о природе.

По Ньютону, мир вещей мог быть механически описан посредством указания четырех величин: времени, пространства, момента массы и силы. Время и пространство рассматривались при этом как «абсолютные»: оторванно и независимо от вещей, их заполняющих, и от событий, в них происходящих.

Кроме того, время и пространство строго разграничивались между собой. Взаимосвязь и взаимное влияние устанавливались только между моментами масс и силами. Все естественные процессы представлялись закономерными перемещениями материальных точек в пространстве и времени.

Эта «механика материальных точек», математически обоснованная Эйлером и Лагранжем, блестяще оправдалась и оказалась чрезвычайно плодотворной прежде всего в области астрономии. Ее основы были позднее распространены на движение жидкостей и упругие колебания тел и особенно успешно использовались при исследовании акустических явлений. Но в отдельных вопросах отчетливо выявилась ее ограниченность. Особенно часто возникали непреодолимые трудности в оптике.

Самым неудовлетворительным разделом в системе классической физики, созданной Ньютоном, было учение о свете.

Ньютон, следуя логике своего учения, считал свет естественной вещью, состоящей из материальных точек. Но уже в его время, как заметил Эйнштейн, «назревал жгучий вопрос: что происходит с материальными точками, образующими свет, когда свет поглощается?». Так неизбежно пришли к различию между весомыми и невесомыми частицами – малоубедительное решение, которое не могло долго считаться исчерпывающим объяснением.

Неудобства для глубоко мыслящих физиков таило в себе также представление о «силах дальнодействия».

Магнетизм, электричество и гравитация изображались как силы, действующие в пустом пространстве и распространяющиеся с бесконечно большой скоростью. Такое толкование физических взаимодействий, представляющее их едва ли не как сверхъестественные силы, не соответствовало трезво реалистической механистической картине природы. Уже Ньютон искал выход, но не добился успеха.

Не было недостатка в попытках объяснить световые явления принципиально иным способом. Гениальный голландский физик Христиан Гюйгенс, старший современник Ньютона, пытался охватить природу света своей теорией световых волн. Он предположил, что свет существует в виде продольных колебаний, которые распространяются в веществе, состоящем из мелких частиц, во все стороны от источника возбуждения, подобно звуку в воздухе.

Во всяком случае, сторонники Гюйгенса тщетно старались противопоставить его волновое представление корпускулярной теории света, которая поддерживалась высоким авторитетом Ньютона; это особенно показательно как пример тормозящего влияния, которое может оказать в науке большой авторитет. Борьба между корпускулярной и волновой теориями позднее повторилась и при объяснении других видов излучения.

Волновая теория света смогла победить только после того, как английский врач и физик Томас Юнг и французский естествоиспытатель и инженер Огюстен Френель в первых десятилетиях XIX века придали ей иной облик.

Юнг и Френель исходили из того, что свет распространяется не в виде продольных колебаний, подобных колебаниям воздуха во время игры на флейте, а в виде поперечных колебаний, подобных колебаниям скрипичной струны. С колебаниями такого рода связаны оптические явления поляризации, дифракции и интерференции света, которые не поддавались объяснению на основе ньютоновской корпускулярной теории света.

Гипотетическая основа световых колебаний (механический носитель волн света) стала со времени Гюйгенса называться световым эфиром, или, короче, эфиром.

Поскольку свет представляли себе в виде продольных волн, можно было вообразить эфир как разреженный газ. Если же распространение света предполагалось в форме поперечных волн, тогда следовало эфир мыслить как твердое упругое тело. При весьма малой плотности он должен быть тверже, чем сталь и алмаз. Одновременно световому эфиру приписывали полнейшую проницаемость, с тем, чтобы небесные тела могли двигаться сквозь него без помех, как они это и делали со всей очевидностью. Эфир должен был обладать инерционной массой, но не мог иметь гравитационной массы.

Все эти свойства не уживались между собой. Таким образом, эфир представлял собой весьма загадочное явление и был предметом постоянных забот механистического мировоззрения, ибо он упорно сопротивлялся любой попытке механического осмысления. Гипотеза эфира оказалась недостоверной в своей основе.

Радикальный обоснованный ответ на этот загадочный вопрос дал в начале XX столетия Эйнштейн, отказавшись при изложении законов электродинамики от эфира. Однако первый и важный шаг на пути к современной картине природы без эфира сделал еще Максвелл, создав электродинамическую теорию света, пошатнувшую традиционную механическую теорию.

У Максвелла было два предшественника, на исследования которых он опирался: Эрстед и Фарадей.

Ганс Христиан Эрстед, датский врач и естествоиспытатель, в первой половине XIX века был профессором физики в Копенгагене. В 1820 году, во время эксперимента, сопровождавшего лекцию, он впервые заметил магнитное действие электрических токов. Таким образом, он стал первооткрывателем электромагнетизма. Это открытие имело большое научное и техническое значение. Оно привело к изобретению электромагнитного телеграфа и в дальнейшем к созданию электромотора.

Другой физик, Майкл Фарадей, сын кузнеца и естествоиспытатель-самоучка, ставший профессором Королевского института в Лондоне, считается одним из самых изобретательных экспериментаторов в истории точных естественных наук. Максвелл исходил непосредственно из его опытов.

К достижениям Фарадея в области физической химии в числе прочих относятся обнаружение законов электролиза, исследование сжижения газов и открытие бензола, важного углеводородного соединения. Его наблюдения явлений, происходящих при достаточно высоком напряжении переменного тока на электродах в вакуумной трубке, создали предпосылку для работы с катодными лучами, сыгравшими столь важную роль в становлении современной физики.

Но наибольшее значение впоследствии приобрели исследования Фарадеем электромагнитной индукции. В 1831 году, через 11 лет после наблюдения, сделанного Эрстедом, в результате долгих поисков он открыл в обратном порядке эту природную закономерность. Еще в 1822 году, за два десятилетия до исследования процессов превращения энергии Робертом Майером, он записал в свой лабораторный дневник: «Превращаю магнетизм в электричество». Но только при пятой попытке ему действительно удалось осуществить этот замысел.

Если Эрстед узнал, что переменное электрическое поле вызывает магнитное действие и создает магнитное поле, то Фарадей нашел, что временное изменение в магнитных полях создает в проводниках электрический ток. Это открытие сделало возможным производство электрического силового тока. На нем основано действие динамо-машины и все последующее развитие электротехники.

Но и как физик-теоретик английский исследователь завоевал славу первопроходца. Фарадей в высшей степени обладал способностью делать впечатляюще наглядными результаты своих исследований при помощи геометрическо-механических моделей. Путем объединения явлений электричества и упругости он пришел к понятию «силовые линии». Фарадей с пластической ясностью представлял себе действие электрических сил от точки к точке в пространстве между ними, в их «силовом поле». «Сами электрические и магнитные силы, – писал Генрих Герц в 1889 году, – были для него чем-то существующим реально, действительным, ощутимым; электричество, магнетизм были для него вещами».

Причина возникновения электрических сил лежала, по мнению Фарадея, в процессах, происходящих в пространстве между телами. При поисках признаков различий между намагниченными предметами ему удалось доказать, что все вещества, считавшиеся до тех пор немагнитными, под действием большой магнитной силы обнаруживают явные следы намагниченности. Точно так же он смог доказать, что все считавшиеся надежными изоляторы изменяются под действием электрических сил. Выяснилось, что между проводниками и непроводниками различие не принципиальное, а лишь количественное.

Эти экспериментальные открытия привели к тому, что Фарадей, как физик, мыслящий строго эмпирически, признающий только факты, которые можно наблюдать, отверг представление об электрических силах дальнодействия.

На основе своего представления о силовых линиях Фарадей предполагал уже примерно в 1845 году глубокое родство электричества и света. Эта мысль была необычайно смела для того времени, но она была достойна исследователя, который считал, что только тот находит великое, кто исследует маловероятное. Фарадей, таким образом, пришел к мнению, что учение об электричестве и оптика, стоявшие тогда рядом, но еще не связанные между собой, взаимосвязаны и образуют единую область.

Фарадей, однако, не обладал математическим образованием. Говорили, что он не мог даже возвести в квадрат бином. Таким образом, он был не в состоянии изложить результаты своих исследований при помощи обычных математических средств, он мог охватить их лишь качественно. Формально это являлось очевидным недостатком, но содержанию все-таки в данном случае не наносило ущерба. Отсутствие академически-математической подготовки, по мнению Планка, спасло Фарадея от предубеждений, порождаемых математическими и астрономическими источниками, которые в то время неблагоприятно влияли на многих значительных исследователей.

Работы Фарадея стали исходным пунктом исследований Максвелла.

Как сказал Гельмгольц в 1881 году в своей известной лондонской «Лекции о Фарадее»: «Необходим был Клерк Максвелл – другой человек, столь же глубокий и своеобразный в своих воззрениях, – чтобы возвести в общепринятых формах систематического мышления то великое здание, план которого Фарадей начертил в своем уме, которое он так ясно представлял себе и которое он старался вызвать перед глазами своих современников». Заслуга Максвелла состоит в конечном счете в математической разработке идей Фарадея о магнетизме и электричестве.

«Перед мысленным взором Фарадея представали силовые линии, пронизывающие все пространство, там, где математики видели лишь центры притяжения сил дальнодействия», – писал Максвелл. «Фарадей искал носитель, ту физическую среду, в которой происходят электрические явления; этого оказалось достаточно, чтобы найти закон разности потенциалов, действующих на электрическую жидкость (Во времена Фарадея электрический ток представлялся в виде особой электрической жидкости.). Когда я перевел идеи Фарадея так, как я их понимал, в математическую форму, я нашел, что оба метода, в общем, ведут к одинаковым результатам, но что некоторые открытые математиками методы могут быть гораздо лучше выражены по способу Фарадея».

Используя высокоразвитые математические методы, Максвелл «перевел» модель силовых линий Фарадея в математическую форму. При этом он уточнил и расширил ее, превратив в завершенную теорию электродинамики.

Своими знаменитыми дифференциальными уравнениями Максвелл с высочайшей гениальностью охватил множество электромагнитных явлений. Его формулы ценятся математиками и физиками за их простоту и вызывают восхищение своей красотой. Известный австрийский физик Людвиг Больцман, говоря о них, повторил слова Фауста: «Начертан этот знак не Бога ли рукой?»

Создание Максвеллом уравнений электромагнетизма, открывших век электричества, может рассматриваться как важнейшее теоретическое достижение в истории физики за период, отделяющий теорию гравитации Ньютона от теории относительности Эйнштейна. При этом с точки зрения познания существенно, что электромагнитное силовое поле выступило на равных правах с материальной точкой – как новая форма проявления реальности.

Чисто математическим путем Максвелл пришел к выводу, что в пустом пространстве образуются электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью, соответствующей скорости света в вакууме. Он обосновал с помощью математических методов предположение Фарадея о том, что свет и электричество одинаковы по своей природе. Генрих Герц метко сравнил теорию Максвелла с мостом, который смелой дугой переброшен через широкую пропасть между оптическими и электромагнитными явлениями.

Электромагнитная теория света, сокрушившая преграду между электростатикой и электродинамикой, имела и несомненную эвристическую ценность. Она способствовала открытию новых природных явлений; к ним относятся, например, расщепление спектральных линий в излучении, испускаемом атомами под воздействием магнитных и электрических полей. Эти физические эффекты наблюдались и исследовались голландцем Зееманом и немцем Штарком, в честь которых они названы. Фарадей уже за много десятилетий до этого догадывался о такой взаимозависимости, но средства, которыми он располагал, обрекли его исследования на неудачу.

Среди физиков электромагнитная теория Фарадея – Максвелла не сразу завоевала признание. Отдельные выдающиеся исследователи, подобно Гельмгольцу и Больцману, признавали ее значение и выступали в ее защиту, но даже такой проницательный мыслитель-физик, как Густав Кирхгоф, до конца своей жизни – он умер в 1887 году – твердо придерживался старых представлений об электрической жидкости и в своих лекциях затрагивал теорию Максвелла лишь мимоходом.

Традиционные механистические представления об электричестве глубоко укоренились в сознании физиков, и до опытов Герца не существовало экспериментального доказательства правильности новой математической теории электричества.

Тем более примечательно, что Фридрих Энгельс, который с начала 70-х годов занимался как философ вопросами естествознания, тотчас признал гносеологическое значение теории Максвелла: и это в то время, когда ученые-специалисты еще спорили о ее физической правомерности.

В его набросках к «Диалектике природы» говорится, что благодаря представлению Максвелла о процессах излучения возникает новое положение в физической картине мира. «Таким образом, существуют темные световые лучи, – писал Энгельс, ссылаясь на Максвелла, – и пресловутая противоположность света и тьмы исчезает из естествознания в смысле абсолютной противоположности».

Идея дальнодействия как представление о силах, действующих непосредственно и с бесконечно большой скоростью в пространстве, также была общим достоянием физиков.

Гравитационная теория Ньютона была блестящим подтверждением мысли о дальнодействии. Расчеты планетных орбит стали ее величайшим и очевиднейшим триумфом. Позднее представление о физическом дальнодействии было подкреплено классическими трудами по небесной механике Лапласа и гауссовской теорией потенциалов.

По образцу ньютоновских законов гравитации французский физик Кулон построил закон электростатического притяжения, благодаря чему учение об электричестве стало наукой. Если здесь и добавлялись заряды противоположного знака, то основным все же оставался закон того же типа, что и закон притяжения масс. Казалось последовательным и естественным объяснять явления движущихся электрических зарядов посредством сил дальнодействия по примеру закона тяготения.

Одним из величайших достижений Максвелла было устранение из области электромагнетизма таинственных, непосредственно действующих на расстоянии сил в математически обязательной форме, после того как Фарадей опытным путем пришел к их отрицанию. Тем самым он создал предпосылки проникновения в электродинамику принципа близкодействия.

Лишь спустя более чем полстолетия этот теоретический подвиг получил равноценное воплощение в гравитационном учении Эйнштейна, которое помогло проложить путь принципу близкодействия в область тяготения и изгнало миф о силах дальнодействия из его последнего убежища.

Как это ни странно, Максвелл, будучи экспериментатором высокого класса и располагая отличным оборудованием, не попытался экспериментальным путем установить существование теоретически предсказанных им электрических волн и практически обосновать идею о единстве электромагнетизма и света. По-видимому, он также не предложил для этого никакой программы исследования. Очевидно, собственные математические доказательства были для него столь убедительны, что экспериментальное подтверждение своих выводов он считал излишним.

Лишь через десять лет после смерти Максвелла Генрих Герц экспериментальным путем получил электрические волны и доказал их качественное единство со световыми. Это доказательство одновременно с колоссальным упрощением картины природы после исключения из нее представлений об электрических силах дальнодействия создало основу для окончательной победы выдвинутого Фарадеем и Максвеллом учения об электромагнетизме и свете.

«Демон Максвелла»

В науке, как и в художественной литературе, встречаются фантастические персонажи. Пожалуй, больше всего их было вымышлено в процессе обсуждения второго начала термодинамики. Самым популярным из них стал демон Максвелла, которого придумал Джеймс Кларк Максвелл, автор знаменитой системы уравнений Максвелла, полностью описывающей электромагнитные поля. Второе начало (или закон) термодинамики имеет множество формулировок, физический смысл которых, однако же, идентичен: изолированная система не может самопроизвольно переходить из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное. Так, газ, состоящий из молекул, движущихся с различными скоростями, не может самопроизвольно разделиться на две части, в одной из которых соберутся молекулы, движущиеся, в среднем, быстрее среднестатистической скорости, а в другой — медленнее.

Многие физические процессы относятся к категории обратимых. Воду, например, можно заморозить, а полученный лед снова растопить, и мы получим воду в прежнем объеме и состоянии; железо можно намагнитить, а затем размагнитить и т. п. При этом энтропия (степень упорядоченности) системы в начальной и конечной точке процесса остается неизменной. Есть и необратимые в термодинамическом понимании процессы — горение, химические реакции и т. п. То есть, согласно второму началу термодинамики, любой процесс в итоге приводит либо к сохранению, либо к снижению степени упорядоченности системы. Такая дисгармоничная ситуация сильно озадачила физиков второй половины XIX столетия, и тогда Максвелл предложил парадоксальное решение, позволяющее, казалось бы, обойти второе начало термодинамики и обратить неуклонный рост хаоса в замкнутой системе. Он предложил следующий «мысленный эксперимент»: представим себе герметичный контейнер, разделенный надвое газонепроницаемой перегородкой, в которой имеется единственная дверца размером с атом газа. В начале опыта в верхней части контейнера содержится газ, а в нижней — полный вакуум.

Теперь представим, что к дверце приставлен некий микроскопический вахтер, зорко следящий за молекулами. Быстрым молекулам он дверцу открывает и пропускает их за перегородку, в нижнюю половину контейнера, а медленные оставляет в верхней половине. Понятно, что если такой мини-вахтер будет дежурить у дверцы достаточно долго, газ разделится на две половины: в верхней части останется холодный газ, состоящий из медленных молекул, а в нижней скопится горячий газ из быстрых молекул. Тем самым система упорядочится по сравнению с исходным состоянием, и второе начало термодинамики будет нарушено. Мало того, разницу температур можно будет использовать для получения работы (принцип Карно). Если такого вахтера оставить на дежурстве навечно (или организовать сменное дежурство), мы получим вечный двигатель.

Этот забавный вахтер, которому остроумные коллеги ученого дали прозвище «демон Максвелла», до сих пор живет в научном фольклоре и волнует умы ученых. Действительно, вечный двигатель человечеству бы не повредил, но вот беда: судя по всему, чтобы демон Максвелла заработал, ему самому потребуется энергопитание в виде притока фотонов, необходимых для освещения приближающихся молекул и их просеивания. Кроме того, просеивая молекулы, демон и дверца не могут не вступать с ними во взаимодействие, в результате чего они сами будут неуклонно получать от них тепловую энергию и наращивать свою энтропию, в результате чего суммарная энтропия системы всё равно уменьшаться не будет. То есть таким объяснением теоретическая угроза второму началу термодинамики была отведена, но не безоговорочно.

Первый по-настоящему убедительный контраргумент был сформулирован вскоре после зарождения квантовой механики. Для сортировки подлетающих молекул демону нужно измерять их скорость, а сделать это с достаточной точностью он не может в силу принципа неопределенности Гейзенберга. Кроме того, в силу этого же принципа он не может точно определить и местонахождение молекулы в пространстве, и часть молекул, перед которыми он распахивает микроскопическую дверцу, с этой дверцей разминутся. Иными словами, демон Максвелла на поверку оказывается макроскопическим слоном в посудной лавке микромира, который живет по собственным законам. Приведите демона в соответствие с законами квантовой механики, и он окажется не в состоянии сортировать молекулы газа и просто перестанет представлять какую-либо угрозу второму началу термодинамики.

Другой веский аргумент против возможности существования демона-вахтера появился уже в компьютерную эру. Предположим, что демон Максвелла — это компьютерная автоматизированная система управления открыванием дверцы. Система производит побитовую обработку входящей информации о скорости и координатах приближающихся молекул. Пропустив или отклонив молекулу, система должна произвести сброс прежней упорядоченной информации — а это равносильно повышению энтропии на величину, равную снижению энтропии в результате упорядочивания газа при пропускании или отклонении молекулы, информация о которой стерта из оперативной памяти компьютерного демона. Сам компьютер, к тому же, также греется, так что и в такой модели в замкнутой системе, состоящей из газовой камеры и автоматизированной пропускной системы, энтропия не убывает, и второй закон термодинамики выполняется.

www.ronl.ru

Доклад - Джеймс Клерк Максвелл

(англ. James Clerk Maxwell) (13.06.1831, Эдинбург, — 5.11.1879, Кембридж)

В 1855 Максвелл стал членом совета Тринити-колледжа.

Развивая идеи М. Фарадея, Максвелл создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла).

К лондонскому времени относятся основные исследования Максвелла в области электромагнитной теории света.

Подобных примеров в мировой истории науки немного.

Давление света было экспериментально установлено в 1899 П. Н. Лебедевым.

Учение об электромагнетизме и свете

Самым неудовлетворительным разделом в системе классической физики, созданной Ньютоном, было учение о свете.

Неудобства для глубоко мыслящих физиков таило в себе также представление о «силах дальнодействия».

У Максвелла было два предшественника, на исследования которых он опирался: Эрстед и Фарадей.

Работы Фарадея стали исходным пунктом исследований Максвелла.

«Демон Максвелла»

www.ronl.ru

Реферат - Теория Максвелла - Рефераты на репетирем.ру

Министерство образования РФ

Санкт-Петербургский Институт Машиностроения

Реферат по Физике

на тему:

"Сущность электромагнитной теории Максвелла"

Выполнила:

студентка гр. 2801

Шкенева Ю.А.

Санкт-Петербург

2003

Содержание

Содержание 3

Введение 3

Вихревое электрическое поле 6

Ток смещения 7

Уравнение Максвелла для электромагнитного поля 9

Список используемой литературы 13

Введение

Джеймс Клерк Максвелл родился 13 июня 1831г. в Эдинбурге, в семье юриста - обладателя поместья в Шотландии. В мальчике рано проявились любовь к технике и стремление постичь окружающий мир. Большое влияние на него оказал отец - высокообразованный человек, глубоко интересовавшийся проблемами естествознания и техники. В школе Максвелла увлекала геометрия, и первой его научной работой, выполненной в пятнадцать лет, было открытие простого, но не известного способа вычерчивания овальных фигур. Максвелл получил хорошее образование сначала в Эдинбургском, а затем в Кембриджском университетах.

В 1856 г. молодого, подающего надежды ученого приглашают на преподавательскую работу в качестве профессора колледжа шотландского города Абердина. Здесь Максвелл увлеченно работает над проблемами теоретической и прикладной механики, оптики, физиологии цветового зрения. Он блестяще решает загадку колец Сатурна, математически доказав, что они образованы из отдельных частиц. Имя ученого становится известным, и его приглашают занять кафедру в Королевском колледже в Лондоне. Лондонский период (1860-1865) был самым плодотворным в жизни ученого. Он возобновляет и доводит до завершения теоретические исследования по электродинамике, публикует фундаментальные работы по кинетической теории газов.

После переезда из Абердина Максвелл с неослабевающим напряжением продолжил свои исследования, уделяя особенно много внимания кинетической теории газов. Рассказывают, что его жена (бывшая Кэтрин Мэри Дьюар, дочь главы Маришальского колледжа) разводила огонь в подвальном этаже их лондонского дома, чтобы дать Максвеллу возможность проводить в мансарде опыты по изучению тепловых свойств газов. Но решающим и безусловно величайшим достижением Максвелла было создание им электромагнитной теории.

Начало девятнадцатого столетия изобиловало захватывающими открытиями. Вскоре после получения первых стационарных токов Эрстед показал, что текущий по проводнику ток порождает магнитные эффекты, аналогичные эффектам обусловленным обычным постоянным магнитом. Поэтому было сделано предположение, что два проводника с током должны вести себя подобно двум магнитам, которые, как известно, могут либо притягиваться, либо отталкиваться. Действительно, опыты Ампера и других исследователей подтвердили наличие сил притяжения или отталкивания между двумя проводниками с током. Вскоре удалось сформулировать закон притяжения и отталкивания с такой же точностью, с какой Ньютон сформулировал закон гравитационного притяжения между любыми двумя материальными телами.

Затем Фарадей и Генри открыли замечательное явление электромагнитной индукции и тем самым продемонстрировали тесную связь между магнетизмом и электричеством.

Однако ощущалась настоятельная потребность в создании единой, отвечающей необходимым требованиям теории, которая позволила бы предсказывать развитие электромагнитных явлений во времени и пространстве в самом общем случае, при любых мыслимых конкретных экспериментальных условиях.

Именно такой и оказалась электромагнитная теория Максвелла, сформулированная им в виде системы нескольких уравнений, описывающих все многообразие свойств электромагнитных полей с помощью двух физических величин – напряженности электрического поля Е и напряженности магнитного поля Н. Замечательно то, что эти уравнения Максвелла в их окончательном виде и по сей день остаются краеугольным камнем физики, давая соответствующее действительности описание наблюдаемых электромагнитных явлений.

При проектировании высоковольтной линии для передачи электроэнергии на большие расстояния уравнения Максвелла помогают создать систему, обеспечивающую минимум потерь; при проведении в лаборатории фундаментальных экспериментов по изучению свойств металлов в высокочастотном электрическом поле в условиях очень низких температур мы с помощью уравнений Максвелла определяем характер распространения электромагнитного поля внутри металла; если мы строим новый радиотелескоп, способный улавливать электромагнитные шумы космоса, то при конструировании антенн и волноводов, передающих энергию от антенны к радиоприемнику, мы неизменно пользуемся уравнениями Максвелла.

Существует закон, согласно которому сила, действующая на движущийся в магнитном поле заряд, прямо пропорциональна произведению величины заряда на перпендикулярную направлению магнитного поля составляющую скорости; эта сила известна нам как «сила Лоренца». Однако кто-то называет ее «силой Лапласа».

В отношении уравнений Максвелла такой неопределенности нет, честь этого открытия принадлежит ему одному.

Следует отметить, что в прошлом столетии он был отнюдь не единственным физиком, пытавшимся создать всеохватывающую теорию электромагнетизма, другие тоже не без оснований подозревали наличие глубокой связи между световыми и электрическими явлениями.

Главная заслуга Максвелла в том, что он своим собственным путем пришел к изящной и простой системе уравнений, которая описывает все электромагнитные явления.

Уравнения Максвелла не только охватывают и описывают все известные нам электромагнитные явления; область их применения не ограничивается даже любыми мыслимыми электромагнитными явлениями, протекающими в конкретных локальных условиях. Теория Максвелла предсказала совершенно новый эффект, наблюдавшийся в свободном от материальных тел пространстве, - электромагнитное излучение. Это, безусловно, уникальное достижение, венчающее торжество теории Максвелла.

Вихревое электрическое поле

Из закона Фарадея ei = - dФ/dt следует, что любое изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции приводит к возникновению электродвижущей силы индукции и вследствие этого появляется индукционный ток. Следовательно, возникновение э.д.с. электромагнитной индукции возможно и в неподвижном контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Однако э.д.с. в любой цепи возникает только тогда, когда в ней на носители тока действуют сторонние силы – силы неэлектростатического происхождения.

Опыт показывает, что эти сторонние силы не связаны ни с тепловыми, ни с химическими процессами в контуре; их возникновение также нельзя объяснить силами Лоренца, так как они на неподвижные заряды не действуют. Максвелл, высказал гипотезу, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока в контуре. Согласно представлениям Максвелла, контур, в котором появляется э.д.с., играет второстепенную роль, являясь своего рода лишь “прибором”, обнаруживающим это поле.

Итак, по Максвеллу, изменяющееся во времени магнитное поле порождает электрическое поле EB, циркуляция которого, по формуле,

EB dl = EBl dl = - dФ/dt (1)

где, проекция вектора EBl – проекция вектора E на направление dl; частная производная ¶Ф/¶t учитывает зависимость потока магнитной индукции только от времени.

Подставив в эту формулу (1) выражение Ф = B dS, получим

EB dl = - ¶/¶t B dS

Так как контур и поверхность неподвижны, то операции дифференцирования и интегрирования можно поменять местами. Следовательно,

EB dl = - ¶B/¶t dS (2)

Согласно Edl = Eldl = 0, циркуляция вектора напряженности электростатического поля (обозначим его EQ) вдоль замкнутого контура равна нулю:

EQ dl = EQl dl = 0 (3)

Сравнивая выражения (1) и (3), видим, что между рассматриваемыми полями (EBи EQ) имеется принципиальное различие: циркуляция вектора EB в отличие от циркуляции вектора EQ не равна нулю. Следовательно, электрическое поле EB, возбуждаемое магнитным полем, как и само магнитное поле, является вихревым.

Ток смещения

Согласно Максвеллу, если всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, то должно существовать и обратное явление: всякое изменение электрического поля должно вызывать появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля. Так как магнитное поле всегда связывается с электрическим током, то Максвелл назвал переменное электрическое поле, возбуждающее магнитное поле, током смещения, в отличии от тока проводимости, обусловленного упорядоченным движением зарядов. Для возникновения тока смещения, по Максвеллу, необходимо лишь существование переменного электрического поля.

Рис. 1

Рассмотрим цепь переменного тока, содержащую конденсатор (рис. 1). Между обкладками заряжающегося и разряжающегося конденсатора имеется переменное электрическое поле, поэтому, согласно Максвеллу, через конденсатор “протекают” токи смещения, причем в тех участках, где отсутствуют проводники. Следовательно, так как между обкладками конденсатора имеется переменное электрическое поле (ток смещения), между ними возбуждается и магнитное поле.

Найдем, количественную связь между изменяющимся электрическим и вызываемым им магнитным полями. По Максвеллу, переменное электрическое поле в конденсаторе в каждый момент времени создает такое магнитное поле, как если бы между обкладками конденсатора существовал ток проводимости силой, раной силе токов в подводящих проводах. Тогда можно утверждать, что плотности тока проводимости (j) и смещения (jсм) равны: jсм = j.

Плотность тока проводимости вблизи обкладок конденсатора j = = = ()= ds/dt, s - поверхностная плотность заряда, S – площадь обкладок конденсатора. Следовательно, jсм = ds/dt (4). Если электрическое смещение в конденсаторе равно D, то, поверхностная плотность заряда на обкладках s = D. Учитывая это, выражение (4) можно записать в виде: jсм = ¶D/¶t, где знак частной производной указывает на то, что магнитное поле определяется только быстротой изменения электрического смещения во времени.

Так как ток смещения возникает при любом изменении электрического поля, то он существует не только в вакууме или диэлектриках, но и внутри проводников, по которым течет переменный ток. Однако в данном случае он пренебрежимо мал по сравнению с током проводимости. Наличие токов смещения подтверждено экспериментально советским физиком А. А. Эйхенвальдом, изучившим магнитное поле тока поляризации, который является частью тока смещения.

В общем случае токи проводимости и смещения в пространстве не разделены, они находятся в одном и том же объеме. Максвелл ввел поэтому понятие полного тока, равного сумме токов проводимости ( а также конвекционных токов) и смещения. Плотность полного тока:

j полн = j + ¶D/¶t.

Введя понятие тока смещения и полного тока, Максвелл по-новому подошел к рассмотрению замкнутости цепей переменного тока. Полный ток в них всегда замкнут, т. е. На концах проводника обрывается лишь ток проводимости, а в диэлектрике (вакууме) между концами проводника имеется ток смещения, который замыкает ток проводимости.

Максвелл обобщил теорему о циркуляции вектора H, введя в ее правую часть полный ток Iполн = j полнdS, охватываемый замкнутым контуром L. Тогда обобщенная теорема о циркуляции вектора H запишется в виде:

H dl = (j + ¶D/¶t) dS (5)

Выражение (5) справедливо всегда, свидетельством чего является полное соответствие теории и опыта.

Уравнение Максвелла для электромагнитного поля

Введение Максвеллом понятия тока смещения привело его к завершению созданной им единой макроскопической теории электромагнитного поля, позволившей с единой точки зрения не только объяснить электрические и магнитные явления, но и предсказать новые, существование которых было впоследствии подтверждено.

В основе теории Максвелла лежат рассмотренные выше четыре уравнения:

Электрическое поле может быть как потенциальным (EQ), так и вихревым (EB), поэтому напряженность суммарного поля E = EQ + EB. Так как циркуляция вектора EQ равна нулю, а циркуляция вектора EB определяется выражением (2), то циркуляция вектора напряженности суммарного поля

E dl = -¶B/¶t dS.

Это уравнение показывает, что источником электрического поля могут быть не только электрические заряды, но и меняющиеся во времени магнитные поля.

Обобщенная теорема о циркуляции вектора H:

H dl = (j + ¶D/¶t) dS.

Это уравнение показывает, что магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическими полями.

Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике:

D dS = Q (6)

Если заряд распределен внутри замкнутой поверхности непрерывно с объемной плотностью ρ, то формула (6) запишется в виде:

D dS = ρ dV.

Теорема Гаусса для поля B:

B dS = 0.

Итак, полная система уравнений Максвелла в интегральной форме:

E dl = -¶B/¶t dS; D dS = ρ dV;

H dl = (j + ¶D/¶t) dS; B dS = 0.

Величины, входящие в уравнения Максвелла, не являются независимыми и между ними существует следующая связь:

D = e0 e E;

B = m0m H;

j = g E;

где e0 и m0 – соответственно электрическая и магнитная постоянные, e и m - соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости, g - удельная проводимость вещества.

Из уравнения Максвелла вытекает, что источниками электрического поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться либо движущимися электрическими зарядами (электрическими токами), либо переменными электрическим полями. Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрического и магнитного полей. Это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных.

Для стационарных полей ( E=const и B=const) уравнения Максвелла примут вид:

E dl = 0; D dS = Q;

H dl = I; B dS = 0.

В данном случае электрические и магнитные поля независимы друг от друга, что позволяет изучать отдельно постоянные электрическое и магнитное поля.

Воспользовавшись известными из векторного анализа теоремами Стокса и Гаусса:

A dl = rot A dS;

A dS = div A dV,

можно представить полную систему уравнений Максвелла в дифференциальной форме:

rot E = - ¶B/¶t; div D = ρ;

rot H = j + ¶D/¶t; div B = 0.

Если заряды и токи распределены в пространстве непрерывно, то обе формы уравнений Максвелла - интегральная и дифференциальная - эквивалентны. Однако когда имеются поверхности разрыва – поверхности, на которых свойства среды или полей меняются скачкообразно, то интегральная форма уравнений является более общей.

Уравнения Максвелла - наиболее общие уравнения для электрических и магнитных полей в покоящихся средах. Они играют в учении об электромагнетизме такую же роль, как законы Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле всегда связано с порождаемым им магнитным, т. е. Электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом – они образуют единое электромагнитное поле.

Теория Максвелла является макроскопической, так как рассматривает электрические и магнитные поля, создаваемые макроскопическими зарядами и токами. Поэтому эта теория не смогла вскрыть внутреннего механизма явлений, которые происходят в среде и приводят к возникновению электрического и магнитного полей. Дальнейшим развитием теории электромагнитного поля Максвелла явилась электронная теория Лоренца, а теория Максвелла – Лоренца получила свое дальнейшее развитие в квантовой физике.

Теория Максвелла, являясь обобщением основных законов электрических и магнитных явлений, смогла объяснить не только уже известные экспериментальные факты, что также является важным ее следствием, но и предсказала новые явления. Одним из важных выводов этой теории явилось существование магнитного поля токов смещения, существование электромагнитных волн – переменного электромагнитного поля, распространяющегося в пространстве с конечной скоростью. В дальнейшем было доказано, что скорость распространения свободного электромагнитного поля (не связанного и токами) в вакууме равна скорости света с = 3 · 108 м/c. Этот вывод и теоретическое исследование свойств электромагнитных волн привели Максвелла к созданию электромагнитной теории света, согласно которой свет представляет собой также электромагнитные волны. Электромагнитные волны на опыте были получены Г. Герцем (1857 – 1894), доказавшим, что законы их возбуждения и распространения полностью описываются уравнениями Максвелла. Таким образом, теория Максвелла получила блестящее экспериментальное подтверждение.

Позднее А. Эйнштейн установил, что принцип относительности Галилея для механических явлений распространяется на все другие физические явления.

Согласно принципу относительности Эйнштейна, механические, оптические и электромагнитные явления во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково, т.е. описываются одинаковыми уравнениями. Из этого принципа вытекает, что отдельное рассмотрение электрического и магнитного полей имеет относительный смысл. Так, если электрическое поле создается системой неподвижных зарядов, то эти заряды, являясь неподвижными относительно одной инерциальной системы отсчета, движутся относительно другой и, следовательно, будут порождать не только электрическое, но и магнитное поле. Аналогично, неподвижным относительно одной инерциальной системы отсчета проводник с постоянным током, возбуждая в каждой точке пространства постоянное магнитное поле, движется относительно других инерциальных систем, и создаваемое им переменное магнитное поле возбуждает вихревое электрическое поле.

Таким образом, теория Максвелла, ее экспериментальное подтверждение, а также принцип относительности Эйнштейна приводят к единой теории электрических, магнитных и оптических явлений, базирующиеся на представлении об электромагнитном поле.

Список используемой литературы

П. С. Кудрявцев. «Максвелл», М., 1976 г.
Д. Мак-Дональд. «Фарадей», Максвелл и Кельвин», М., 1967 г.
Т. И. Трофимова. «Курс Физики», М., 1983 г.
Г.М. Голин, С.Р. Филонович. Классики физической науки. "Высшая школа". М., 1989.

referat.store

Джеймс Максвелл - Реферат стр. 2

ростой 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.

Рис.1 картина напряжений в стелянном треугольнике, полученная Джеймсом при помощи поляризованного света.

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.

Абердин 1856-1860

www.studsell.com

Смотрите также

..:::Новинки:::..

Windows Commander 5.11 Свежая версия.

Новая версия
IrfanView 3.75 (рус)

Обновление текстового редактора TextEd, уже 1.75a

System mechanic 3.7f
Новая версия

Обновление плагинов для WC, смотрим :-)

Весь Winamp
Посетите новый сайт.

WinRaR 3.00
Релиз уже здесь

PowerDesk 4.0 free
Просто - напросто сильный upgrade проводника.

..:::Счетчики:::..