Джеймс Максвелл

Джеймс Клерк Максвелл (13 июня 1831, Эдинбург, Шотландия — 5 ноября 1879, Кембридж, Англия) — британский физик, математик и механик. Член Лондонского королевского общества (1861). Создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики и молекулярно-кинетической теории газов. Разработал теорию электромагнитного поля, предсказавшую существование электромагнитных волн, и сформулировал систему уравнений, описывающих электрические и магнитные явления (уравнения Максвелла).

Биография

Ранние годы и образование

Джеймс Клерк Максвелл родился в семье шотландского дворянина Джона Клерка Максвелла, владельца поместья Гленлэр в графстве Керкубришир. Мать, Фрэнсис Кей, умерла, когда Джеймсу было восемь лет. Начальное образование получил дома под руководством отца, который привил ему интерес к механике и конструированию.

В 1841 году поступил в Эдинбургскую академию, где проявил способности к математике и геометрии. В 14 лет написал первую научную работу «О черчении овалов и об овалах с двумя фокусами», которая была зачитана на заседании Эдинбургского королевского общества в 1846 году.

В 1847—1850 годах учился в Эдинбургском университете, где изучал физику, математику и философию. С 1850 по 1854 год продолжил образование в Кембриджском университете (колледж Питерхаус, затем Тринити-колледж). В 1854 году окончил курс с отличием, получив степень бакалавра и звание второго спорщика (Second Wrangler) на математическом экзамене.

Научная карьера

В 1856 году Максвелл получил должность профессора натурфилософии в Маришаль-колледже в Абердине. В 1860 году, после объединения колледжей, перешёл в Королевский колледж Лондона, где преподавал до 1865 года. В этот период он завершил свои основные работы по электродинамике и кинетической теории газов.

В 1865 году вышел в отставку и вернулся в родовое поместье Гленлэр, где занимался научными исследованиями и написанием «Трактата об электричестве и магнетизме» (1873). В 1871 году стал первым профессором экспериментальной физики в Кембриджском университете и руководителем проектирования Кавендишской лаборатории, открытой в 1874 году.

Умер от рака брюшной полости 5 ноября 1879 года в Кембридже. Похоронен в Вестминстерском аббатстве.

Научные достижения

Электродинамика и теория электромагнитного поля

Основной вклад Максвелла в науку — создание теории электромагнитного поля. В 1860-х годах он обобщил экспериментальные законы электричества и магнетизма, открытые ранее (закон Кулона, закон Ампера, закон электромагнитной индукции Фарадея), и ввёл понятие тока смещения. Результатом стала система из четырёх дифференциальных уравнений (уравнения Максвелла), описывающих взаимосвязь электрических и магнитных полей и их источников.

Из уравнений следовало, что переменное электрическое поле порождает магнитное поле, и наоборот, что приводит к существованию электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Максвелл вычислил скорость распространения электромагнитных волн и показал, что она совпадает со скоростью света, что позволило ему заключить, что свет является электромагнитной волной. Это открытие объединило оптику, электричество и магнетизм в единую физическую теорию.

В 1873 году опубликовал двухтомный «Трактат об электричестве и магнетизме», который стал основой для последующего развития электродинамики. Экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн было получено Генрихом Герцем в 1887—1888 годах.

Молекулярно-кинетическая теория и статистическая физика

Максвелл внёс фундаментальный вклад в развитие молекулярно-кинетической теории газов. В 1859 году он вывел закон распределения молекул газа по скоростям (распределение Максвелла), который описывает вероятность нахождения молекулы с определённой скоростью в равновесном состоянии. В 1866 году совместно с Людвигом Больцманом разработал обобщённое распределение (распределение Максвелла — Больцмана).

В 1867 году предложил модель «демона Максвелла» — мысленного эксперимента, иллюстрирующего возможные ограничения второго начала термодинамики. Этот парадокс стимулировал развитие теории информации и статистической физики.

Теория цветного зрения и цветная фотография

Максвелл занимался также физиологией зрения. В 1855 году предложил теорию трёхкомпонентного цветного зрения, основанную на существовании трёх типов рецепторов в сетчатке глаза, чувствительных к красному, зелёному и синему цветам. В 1861 году на лекции в Королевском институте он продемонстрировал первую в мире цветную фотографию, полученную методом трёхцветной проекции (тартановая лента). Этот эксперимент считается прообразом современной цветной фотографии и цветного телевидения.

Работы по механике и астрономии

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, движущихся по орбитам вокруг планеты. Это объяснение было подтверждено в XX веке космическими аппаратами.

Он также внёс вклад в теорию упругости, теорию механизмов (в частности, анализ кулачковых механизмов) и разработку методов решения дифференциальных уравнений.

Основные труды

• «О фарадеевых силовых линиях» (1855—1856)
• «О физических силовых линиях» (1861—1862)
• «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864)
• «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873)
• «Теория теплоты» (1871)
• «Материя и движение» (1876)

Признание и наследие

Максвелл считается одним из величайших физиков всех времён. Его работы заложили основы для развития радиосвязи, беспроводной передачи энергии, современной электротехники и оптики. В честь учёного названы:

• единица магнитного потока в Международной системе единиц (СИ) — вебер (в системе СГС — максвелл);
• кратер на Луне (Максвелл);
• горы на Венере (Максвелловы горы);
• астероид (12760) Максвелл;
• научно-исследовательские учреждения, в том числе Лаборатория Максвелла в Эдинбургском университете.

В 1861 году избран членом Лондонского королевского общества. Награждён медалью Румфорда (1860) за работы по оптике и электродинамике.

В 1999 году по опросу журнала Physics World Максвелл занял третье место среди величайших физиков всех времён после Ньютона и Эйнштейна.

Источники

• Трактат об электричестве и магнетизме (1873)
• Campbell L., Garnett W. The Life of James Clerk Maxwell (1882)
• Harman P. M. The Natural Philosophy of James Clerk Maxwell (1998)
• Матвеев А. Н. Электричество и магнетизм. — М.: Высшая школа, 1983
• Кудрявцев П. С. Курс истории физики. — М.: Просвещение, 1982