Джеймс Клерк Максвелл

Джеймс Клерк Максвелл (13 июня 1831, Эдинбург, Шотландия — 5 ноября 1879, Кембридж, Англия) — британский физик, математик и механик, заложивший основы современной классической электродинамики. Создатель теории электромагнитного поля и системы уравнений (уравнений Максвелла), описывающих поведение электрических и магнитных полей, их взаимосвязь и распространение в пространстве в виде электромагнитных волн. Его работы также охватывают кинетическую теорию газов, термодинамику, теорию упругости, цветовое зрение и теорию устойчивости колец Сатурна.

Биография

Ранние годы и образование

Джеймс Клерк Максвелл родился в семье шотландского дворянина Джона Клерка Максвелла, владельца поместья Гленлейр. Мать, Фрэнсис Кей, умерла, когда мальчику было восемь лет. Начальное образование получил дома, демонстрируя необычайную любознательность и склонность к конструированию механических моделей. В 1841 году поступил в Эдинбургскую академию, где проявил способности к математике и геометрии.

В 1847 году, в возрасте 16 лет, Максвелл опубликовал свою первую научную работу «О черчении овалов и об овалах с несколькими фокусами» в трудах Эдинбургского королевского общества. В 1847–1850 годах учился в Эдинбургском университете, где изучал физику, химию и математику. В 1850 году перевёлся в Кембриджский университет (колледж Святого Петра, затем Тринити-колледж). В 1854 году окончил его с отличием, получив степень бакалавра и звание второго спорщика (Second Wrangler) по математическому трипосу.

Профессорская деятельность

После окончания Кембриджа Максвелл преподавал в Тринити-колледже. В 1856 году получил должность профессора натурфилософии в Маришаль-колледже в Абердине. В 1860 году перешёл в Королевский колледж Лондона, где проработал до 1865 года. Этот период был наиболее плодотворным в его научной карьере: он завершил разработку теории электромагнитного поля и выполнил классические работы по кинетической теории газов.

В 1871 году Максвелл стал первым профессором экспериментальной физики в Кембриджском университете. По его проекту и под его руководством была построена Кавендишская лаборатория, открытая в 1874 году. Максвелл стал её первым директором. Он также подготовил к публикации рукописи Генри Кавендиша по электричеству, сопроводив их комментариями.

Последние годы жизни Максвелл тяжело болел (рак желудка). Он скончался 5 ноября 1879 года в Кембридже в возрасте 48 лет. Похоронен в шотландской деревне Партон.

Научный вклад

Электродинамика и уравнения Максвелла

Основным достижением Максвелла является создание единой теории электричества и магнетизма. До него существовали разрозненные законы: закон Кулона, закон Ампера, закон электромагнитной индукции Фарадея. Максвелл математически обобщил их и ввёл ключевое понятие — ток смещения.

В 1864 году он представил Королевскому обществу работу «Динамическая теория электромагнитного поля», в которой сформулировал систему из 20 уравнений (в современной векторной записи — 4 уравнения). Эти уравнения описывают:

1. Закон Гаусса для электрического поля: электрические заряды являются источниками электрического поля.
2. Закон Гаусса для магнитного поля: магнитные монополи не существуют, магнитное поле является вихревым.
3. Закон электромагнитной индукции Фарадея: переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.
4. Закон Ампера — Максвелла: электрический ток и переменное электрическое поле (ток смещения) порождают вихревое магнитное поле.

Из уравнений Максвелла следовал фундаментальный вывод: переменное электромагнитное поле может распространяться в пространстве в виде волны со скоростью, равной скорости света. Максвелл вычислил эту скорость теоретически и указал, что свет является электромагнитной волной. Это предсказание было экспериментально подтверждено Генрихом Герцем в 1887–1888 годах.

Кинетическая теория газов

Максвелл внёс решающий вклад в статистическую физику. В 1859 году он вывел распределение Максвелла — закон распределения молекул газа по скоростям в состоянии теплового равновесия. Эта работа заложила основы кинетической теории газов. Позднее Людвиг Больцман обобщил её, создав распределение Максвелла — Больцмана.

Максвелл также разработал теорию переноса (вязкости, теплопроводности и диффузии) в газах, показав, что эти коэффициенты связаны между собой. Он ввёл понятие демона Максвелла — мысленного эксперимента, иллюстрирующего кажущееся противоречие второму началу термодинамики.

Теория цветов и цветное зрение

В 1855 году Максвелл предложил трёхкомпонентную теорию цветового зрения, основанную на идеях Юнга и Гельмгольца. Он доказал, что любой цвет можно получить смешением трёх основных цветов (красного, зелёного и синего). В 1861 году он продемонстрировал первую в мире цветную фотографию, спроецировав на экран изображение тартанового банта, полученное методом трёхцветного синтеза (с использованием красного, зелёного и синего светофильтров). Это был первый в истории практический пример аддитивного синтеза цвета.

Механика и астрономия

В 1857 году Максвелл опубликовал работу «Об устойчивости колец Сатурна», в которой математически доказал, что кольца Сатурна не могут быть твёрдыми или жидкими, а состоят из множества мелких частиц (метеороидов). Эта работа принесла ему премию Адамса и признание в научном мире.

В области теории упругости Максвелл разработал метод расчёта напряжений в фермах (диаграмма Максвелла — Кремоны) и ввёл понятие тензора напряжений.

Основные труды

• «О фарадеевых силовых линиях» (1855–1856) — первая работа, в которой Максвелл попытался математически описать идеи Фарадея.
• «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864) — работа, в которой сформулированы уравнения электромагнитного поля.
• «Теория теплоты» (1871) — учебник, содержащий изложение кинетической теории газов и термодинамики.
• «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873) — фундаментальный двухтомный труд, в котором систематически изложена вся теория электромагнетизма. Эта книга стала основой для дальнейшего развития физики (включая теорию относительности Эйнштейна).
• «Материя и движение» (1877) — популярное изложение основ механики.

Признание и наследие

Научные заслуги Максвелла были признаны ещё при жизни. Он был избран членом Лондонского королевского общества (1861), членом Эдинбургского королевского общества, иностранным членом Американской академии искусств и наук.

После смерти его вклад был оценён по достоинству. Уравнения Максвелла стали основой всей современной электротехники, радиотехники, оптики и физики плазмы. Альберт Эйнштейн называл работы Максвелла «самыми глубокими и плодотворными, какие знала физика со времён Ньютона».

Именем Максвелла названы:

• Единица магнитного потока в системе СГС (максвелл).
• Кратер на Луне.
• Горы Максвелла на Венере.
• Астероид (12760) Максвелл.
• Лаборатория Максвелла в Кембридже.
• Премия Максвелла (Медаль Максвелла) — награда Института физики (Великобритания).
• Уравнения Максвелла — фундаментальные уравнения электродинамики.

Интересные факты

• Максвелл был глубоко религиозным человеком (пресвитерианином), что не мешало его научной деятельности. Он считал, что наука и религия не противоречат друг другу.
• Он обладал феноменальной памятью и мог цитировать наизусть большие отрывки из Библии и поэм.
• Максвелл был автором нескольких юмористических стихотворений и пародий на научные темы.
• Он лично сконструировал и изготовил множество научных приборов, включая волчок для демонстрации гироскопического эффекта и устройство для измерения вязкости газов.

Источники

• Трактат об электричестве и магнетизме (Дж. К. Максвелл, 1873)
• Жизнь Джеймса Клерка Максвелла (Л. Кэмпбелл, У. Гарнетт, 1882)
• Максвелл и современная физика (А. Эйнштейн, 1931)
• Джеймс Клерк Максвелл: Физик и человек (И. Я. Гольдман, 1968)
• Статьи из журналов Philosophical Transactions of the Royal Society (1855–1864)