Максвелл, Джеймс Клерк

gigatos | 8 декабря, 2021

Post Views: 247

Суммури

Джеймс Клерк Максвелл FRS FRSE (13 июня 1831 — 5 ноября 1879), шотландский ученый. Его величайшим достижением стала формулировка классической теории электромагнитного излучения, которая впервые объединила электричество, магнетизм и свет как различные проявления одного и того же явления. Уравнения Максвелла, сформулированные для электромагнетизма, широко рассматриваются как «второе великое объединение физики», первым из которых является уравнение Исаака Ньютона.

Опубликовав в 1865 году работу «Динамическая теория электромагнитного поля», Максвелл продемонстрировал, что электрическое и магнитное поля распространяются в пространстве в виде волн, движущихся со скоростью света. Максвелл также предположил, что свет является пульсацией в той же среде, через которую распространяются электромагнитные явления. Объединение световых и электрических явлений привело его к предсказанию существования радиоволн. Максвелл также считается основателем современной области электротехники.

Максвелл внес вклад в разработку распределения Максвелла-Больцмана — средства статистического описания некоторых аспектов кинетической теории газов. Он также известен тем, что в 1861 году представил первую долговечную цветную фотографию, а также своей работой по анализу жесткости ферм, которые и сегодня присутствуют во многих мостах.

Его открытия сыграли ключевую роль в начале эпохи современной физики, заложив основы таких областей, как специальная относительность и квантовая механика. Многие физики считают Максвелла ученым 19 века, оказавшим наибольшее влияние на физику 20 века. Его вклад в науку многие считают сравнимым с вкладом таких ученых, как Исаак Ньютон и Альберт Эйнштейн. В опросе тысячелетия — опросе 100 величайших физиков современности — Максвелл занял третье место, уступив только двум вышеупомянутым ученым. В столетнюю годовщину со дня рождения Максвелла Эйнштейн назвал его работу «самой глубокой и плодотворной, которую физика пережила со времен Ньютона». Когда Эйнштейн посетил Кембриджский университет в 1922 году, его хозяин сказал ему, что он совершил великие дела, потому что стоял на плечах Ньютона; Эйнштейн ответил: «Нет, не стоял. Я стою на плечах Максвелла».

Ранние годы

Джеймс Клерк Максвелл родился 13 июня 1831 года по адресу: Индия-стрит, 14, Эдинбург, сын Джона Клерка Максвелла из Миддлби, барристера, и Фрэнсис Кей (дочери Роберта Ходшона Кея и сестры Джона Кея). Его отец был человеком состоятельным и являлся шестым бароном Клерком из Пеникуика. По рождению его звали просто Джон Клерк, а фамилию Максвелл он добавил после того, как унаследовал поместье Миддлби через свои связи с самой семьей Максвелл. Джеймс был двоюродным братом художницы Джемаймы Блэкберн, а также инженера-строителя Уильяма Дайса Кея, с которым он был в очень хороших отношениях и который должен был стать его шафером, когда Джеймс женился.

Родители Максвелла встретились и поженились в тридцать лет, и его матери было почти сорок, когда он родился. У них уже был еще один ребенок, девочка по имени Илай.

Когда Максвелл был еще маленьким, его семья переехала в Гленлэр Хаус, который его родители построили на 610 гектарах земли, составлявших поместье Миддлби. Все говорит о том, что Максвелл с ранних лет проявлял ненасытное любопытство. Уже в трехлетнем возрасте он спрашивал о работе и пользе всего, что двигалось, светилось или издавало шум. Как описала его мать в отрывке, добавленном к одному из писем ее мужа:

«Он очень счастливый маленький человечек, и его состояние значительно улучшилось с тех пор, как погода стала умеренной; он очень интересуется дверями, ключами и замками, и «покажи мне, как это работает» никогда не сходит с его уст. Он также исследует скрытые части проводки, то, как вода попадает из стены в пруд…».

Его семья принадлежала к мелкому шотландскому помещичьему дворянству. Его дядя был 6-м бароном Клерком из Пеникуика. Его отец, Джон Клерк Максвелл, стал адвокатом в Эдинбурге и позже взял на себя управление его поместьями. Джон был человеком, жаждущим узнать о достижениях науки. Он привил своему сыну любовь к природе и науке. Примером тому может служить то, что среди игрушек его детства был фенакистоскоп, предок кинематографа, изобретенный бельгийцем Жозефом Плато. Джеймс обучался в семейном поместье у молодого учителя, который своей агрессивностью не смог его мотивировать. В возрасте 10 лет Джеймс был отправлен в Эдинбургскую академию, где его высмеивали сверстники за сельский акцент и необычную одежду. Однако четыре года спустя он был награжден медалью за заслуги в области математики.

Сопровождая отца, с 12 лет он часто посещал собрания Эдинбургского королевского общества, что стало началом его карьеры. В 1845 году он написал свою первую научную работу, которую, ввиду его молодости, должен был представить Эдинбургскому обществу профессор из Эдинбургского университета. В ней он описал метод построения эллипсов и фигур с более чем двумя точками, свойства которых он объяснил проще, чем это сделал Рене Декарт двумя столетиями ранее. Эта работа была опубликована Эдинбургским обществом, и он стал его членом в возрасте 14 лет.

Читайте также, биографии — Адриан

Базовые исследования

Видя большой врожденный потенциал мальчика, его мать Фрэнсис взяла на себя ответственность за его образование. Это было логично в ее время, поскольку воспитание детей обычно ложилось на плечи женщины. К семи годам Максвелл уже читал длинные отрывки из Мильтона и Псалма 119. Точнее, его знания Писания были уже очень обширными, он знал стихи Псалтири, что очень необычно для ребенка в столь юном возрасте. Затем у его матери диагностировали рак брюшной полости, похожий на тот, что будет у Максвелла 4 десятилетия спустя. Она умерла в декабре 1839 года после неудачной операции. Максвеллу было восемь лет, и с этого момента его образованием руководили отец и тетя Джейн. Они стали ключевыми фигурами в его жизни. Его формальное обучение началось, безуспешно, под опекой шестнадцатилетнего мальчика. Известно только, что он грубо обращался с Джеймсом и считал его медлительным и капризным. Отец Максвелла уволил его в ноябре 1841 года и после долгих раздумий отправил Максвелла в престижную Эдинбургскую академию. Во время учебы он жил у своей тети Изабеллы, где при поддержке своей кузины Джемаймы у него развился особый вкус к рисованию.

Одаренный десятилетний ребенок, выросший в загородном поместье своего отца, не вписывался в коллектив своей школы. Поскольку мест в первом классе не было, Максвелл был переведен в класс второго года обучения, с одноклассниками на год старше. Его манеры и акцент (типичный для Галлоуэя) были слишком грубыми для других мальчиков. За то, что в свой первый школьный день он пришел в самодельной тунике и ботинках, одноклассники дали ему недружелюбное прозвище «Dafty» (староанглийское слово, современным эквивалентом которого было бы «unhappy»). Несмотря на неприязнь, которую оно подразумевало, Максвелл, казалось, никогда не испытывал неприязни к этому прозвищу, позволяя называть себя так в течение многих лет без жалоб. Его социальная изоляция закончилась, когда он познакомился с Льюисом Кэмпбеллом и Питером Гатри Таитом, которые стали известными учеными и с которыми он оставался дружен всю жизнь.

Геометрия увлекала Максвелла с раннего возраста, он заново открыл для себя правильные многогранники еще до того, как получил формальное обучение по ним. Несмотря на получение школьной премии за написание биографии, его научная работа оставалась практически незамеченной, пока в возрасте 13 лет он не получил школьную медаль по математике и первую премию по английскому языку и поэзии.

Интересы молодого человека лежали далеко за пределами школьных предметов, и он никогда не прилагал особых усилий к своим оценкам, хотя они были очень хорошими. Свою первую научную работу он написал в возрасте четырнадцати лет, описав механический метод построения обобщенных коник с помощью куска нитки, а также свойства эллипсов, декартовых овалов и родственных им кривых (при условии, что они имеют более двух точек). Его работа «Овальные кривые» была представлена Эдинбургскому королевскому обществу Джеймсом Форбсом, профессором натурфилософии Эдинбургского университета, поскольку Максвелл считался слишком молодым, чтобы представить ее самостоятельно.

Хотя работа не была полностью оригинальной, поскольку Рене Декарт уже исследовал свойства мультифокальных эллипсов в XVII веке, Максвеллу удалось упростить метод построения.

Эдинбургский университет (1847-1850)

Максвелл покинул Академию в 1847 году в возрасте 16 лет и начал посещать занятия в Эдинбургском университете. У него была возможность учиться в Кембриджском университете, но после первого семестра он решил пройти полный курс бакалавриата в Эдинбурге. Среди сотрудников академии Эдинбургского университета были очень престижные имена; среди его наставников на первом курсе были сэр Уильям Гамильтон, который читал ему лекции по логике и метафизике, Филип Келланд по математике и Джеймс Форбс по естественной философии. Лекции в университете не казались ему очень трудными, поэтому он мог посвятить себя частной жизни в свободное от учебы в университете время и, в частности, когда возвращался домой в Гленлэр. Там он экспериментировал с химическими, электрическими и магнитными материалами, которые он импровизировал, его основное увлечение было связано с поляризованным светом. Он изготовил желатин в виде блоков, подверг их различным нагрузкам и с помощью пары поляризационных призм, которые дал ему Уильям Никол, увидел цветные края, которые образовались внутри желатина. Благодаря этой практике он открыл фотоупругость, которая является способом определения распределения напряжений в физических структурах.

В 18 лет он написал две научные работы для журнала «Transactions of the Royal Society of Edinburgh». Одна из этих научных работ, «О равновесии упругих твердых тел», заложила основы того, что позже стало главным открытием в его жизни, — временного двойного преломления, возникающего в вязких жидкостях под действием напряжения. Другой его научной работой была «Катящиеся кривые», которую вместе с научной работой «Овальные кривые», написанной им в Эдинбургской академии, Максвелл снова посчитал слишком молодой, чтобы представлять и защищать ее на трибуне. Научная статья была представлена в Королевское общество через его наставника.

Кембриджский университет

В октябре 1850 года, уже будучи математиком, Максвелл покинул Шотландию и поступил в Кембриджский университет. Сначала он учился в Питерхаусе, но не успел закончить первый семестр, как его перевели в Тринити-колледж, где он надеялся получить стипендию для научных исследований. В Тринити он был избран элитным тайным обществом, известным как «Кембриджские апостолы». Его интеллектуальное понимание христианской веры и науки быстро росло в годы учебы в Кембридже. В «Апостолах», которые были дискуссионным обществом исключительно для интеллектуальной элиты, через свои труды он стремился работать за пределами этого знания.

«Теперь мой великий план, который был задуман в прошлом, … состоит в том, чтобы ничего не оставлять не исследованным добровольно. Ничто не должно быть святой землей, освященной стационарной Верой, будь то положительное или отрицательное. Все залежные земли должны быть вспаханы и должна соблюдаться регулярная система севооборота. … Никогда ничего не скрывайте, независимо от того, есть оно или нет, и не подавайте виду, что хотите его скрыть. … И снова я утверждаю право на изнасилование на любом участке Святой земли, отведенном любому человеку. … Теперь я убежден, что только христианин может очистить свою землю от этих святых мест. … Я не утверждаю, что ни один христианин не выделял для себя подобных мест. У многих много, а у всех мало. Но на территории насмешников, пантеистов, квиетистов, формалистов, догматиков, чувственников и прочих есть обширные и важные участки, которые открыто и торжественно объявлены запретными. Христианство — то есть религия Библии — это единственная схема или форма веры, которая отказывается от владения такими участками. Только здесь все бесплатно. Можно лететь на край земли и не найти никакого Бога, кроме Автора спасения. Вы можете искать в Писании и не найти текста, который бы остановил вас в ваших исследованиях … Ветхий Завет, Закон Моисеев и иудаизм обычно считаются «табу» для ортодоксов. Скептики делают вид, что читали их, и находят некоторые гениальные возражения… которые многие из нечитавших ортодоксов признают, и замалчивают эту тему, как будто они одержимы. Но приходит свеча, чтобы изгнать все призраки и кошмары. Давайте пройдем мимо света».

О том, насколько Максвелл «перепахал» свои христианские убеждения, подвергнув их интеллектуальной проверке, можно лишь неполно судить по его трудам. Но существует множество свидетельств, особенно в студенческие годы, что он действительно глубоко исследовал свою веру. Конечно, его знание Библии было замечательным, так что его уверенность в Писании не была основана на невежестве. Летом своего младшего курса Максвелл провел некоторое время в Саффолке в доме преподобного К.Б. Тейлера, дяди одноклассника Г.У.Х. Тейлера. Божья любовь, проявленная семьей, впечатлила Максвелла, особенно после болезни, во время которой за ним ухаживали священник и его жена. По возвращении в Кембридж Максвелл пишет своему недавнему хозяину красноречивое и ласковое письмо, включающее следующее свидетельство.

» … Я способен быть более злым, чем любой пример, который кто-либо может мне подать, и… если я спасусь, то только по милости Божьей, которая поможет мне избавиться от себя, частично в науке, более полно в обществе — но не в совершенстве, разве что отдав себя Богу…».

В ноябре 1851 года Максвелл учился под руководством Уильяма Хопкинса, чьи успехи в воспитании математических гениев принесли ему прозвище «создатель номер один» (ссылка на драчунов, самых способных студентов на каждом вступительном экзамене). В 1854 году Максвелл окончил Тринити со степенью по математике. На выпускном экзамене он занял второе место после Эдварда Рута, получив звание «второго вранглера». Позже он был признан равным Руту в более требовательном испытании на премию Смита. Сразу после получения степени Максвелл прочитал свою работу «О преобразовании поверхностей путем сгибания» в Кембриджском философском обществе. Это одна из немногих написанных им чисто математических работ, демонстрирующая его рост как математика.

Максвелл решил остаться в Тринити после окончания школы и подал заявление на получение стипендии, а этот процесс мог занять пару лет. Поддерживаемый своими успехами в качестве студента-исследователя, он будет свободен, за исключением некоторых сборов за обучение и экзамены, и сможет заниматься научными интересами в свое удовольствие. Природа и восприятие цвета интересовали его еще в Эдинбургском университете, когда он был студентом Форбса. С помощью цветных вертушек, изобретенных Форбсом, Максвелл смог показать, что белый свет получается из смеси красного, зеленого и синего света. Его работа «Эксперименты с цветом» излагала принципы сочетания цветов и была представлена Эдинбургскому королевскому обществу в марте 1855 года. На этот раз Максвелл смог доставить его сам. Он был принят в Тринити 10 октября 1855 года, раньше обычного, и ему было предложено подготовить лекции по гидростатике и оптике, а также сдать экзамен. В феврале следующего года Форбс побудил его подать заявление на вакантное место преподавателя естественной философии в Маришальском колледже в Абердине. Его отец помог ему подготовить необходимые справки, но умер 2 апреля в Гленлэр, так и не узнав о результатах ходатайства сына. Максвелл принял должность профессора в Абердине, покинув Кембридж в ноябре 1856 года.

Читайте также, биографии — Анаксагор

Маришальский колледж, Абердин, 1856-1860 гг.

В свои 25 лет Максвелл был на 15 лет моложе любого другого преподавателя в колледже Маришал. Он взял на себя новые обязанности руководителя отдела, составляя программы и готовя занятия. Он обязался преподавать 15 часов в неделю, включая еженедельные занятия на общественных началах для сотрудников школы. В течение 6 месяцев учебного года он жил в Абердине, а лето проводил в Гленлэйре, месте, которое он унаследовал от своего отца.

Он сосредоточил свое внимание на проблеме, которая ускользала от ученых в течение 200 лет: природа колец Сатурна. Как они могли оставаться стабильными, не разрушаясь, не дрейфуя и не сталкиваясь с планетой, неизвестно. В то время эта проблема имела особое значение, поскольку колледж Сент-Джонс, Кембридж, выбрал ее в качестве темы для премии Адамса в 1857 году. Максвелл потратил два года на изучение этой проблемы, доказав, что обычное твердое кольцо не может быть устойчивым, а жидкое будет вынуждено под действием волн распадаться на аморфную массу. Поскольку ни одно из них не наблюдалось, Максвелл пришел к выводу, что кольца состоят из множества частиц, которые он назвал «кирпичными летучими мышами», каждая из которых независимо вращается вокруг Сатурна.

Максвелл получил 130 фунтов стерлингов премии Адамса в 1859 году за сочинение «О стабильности движения колец Сатурна». Он был единственным, кто согласился с тем, что совершил прорыв в этом вопросе. Его работа была настолько подробной и убедительной, что когда Джордж Биддел Эйри прочитал ее, он сказал: «Это одно из самых запоминающихся применений математики к физике, которые я когда-либо видел». Она считалась окончательной в этом вопросе до непосредственных наблюдений разведывательных полетов «Вояджера», которые подтвердили предсказания Максвелла.

В 1857 году Максвелл подружился с преподобным Дэниелом Дьюардом, который впоследствии стал директором Маришальского колледжа. Через него он познакомился со своей дочерью, Кэтрин Мэри Дьюар. Они обручились в феврале 1858 года и поженились в Абердине 2 июня 1858 года. Максвелл значится в реестре браков как преподаватель натурфилософии в Маришальском колледже, Абердин. Сравнивая семилетний период обучения Максвелла на старших курсах с периодом обучения Кэтрин, о ней мало что известно, хотя известно, что она помогала в лаборатории и работала с экспериментами по вязкости. Биограф и друг Максвелла Льюис Кэмпбелл проявил необычную сдержанность в отношении Кэтрин, хотя и описал ее супружескую жизнь как «беспрецедентную преданность».

В 1860 году Marischal College объединился с King»s College, который находился неподалеку, образовав Университет Абердина. Там не было места для двух профессоров натурфилософии, поэтому Максвелл, несмотря на свою научную репутацию, оказался без работы. Ему не удалось претендовать на должность, освобожденную Форбсом в Эдинбурге, так как предпочтение было отдано Таиту. Вместо этого Максвелл получил кафедру натуральной философии в Королевском колледже Лондона. После выздоровления от почти смертельного приступа оспы в 1860 году Максвелл вместе с женой переехал в Лондон.

Королевский колледж, Лондон, 1860-1865 гг.

Время обучения Максвелла в Королевском колледже было, вероятно, самым продуктивным в его карьере. В 1860 г. он получил медаль Румфорда Королевского общества за работу над цветом и был принят в члены Общества в 1861 г. В этот период своей жизни он представил первую в мире цветную фотографию, развил свои идеи о вязкости газов и предложил систему определения физических величин (сегодня известную как анализ размерностей). Максвелл часто посещал лекции в Королевском институте, где он регулярно пересекался с Майклом Фарадеем. Их отношения нельзя было назвать близкими, поскольку Фарадей был на 40 лет старше Максвелла и проявлял признаки старческого слабоумия. Однако они с большим уважением относились к талантам друг друга.

Этот период особенно примечателен благодаря достижениям Максвелла в области электричества и магнетизма. Он изучил природу электрических и магнитных полей в своей научной работе из двух частей «О физических линиях силы», которая была опубликована в 1861 году. В ней он представил концептуальную модель электромагнитной индукции, состоящую из небольших вращающихся ячеек электромагнитного потока. Впоследствии он добавил еще две части и опубликовал их в той же научной работе в 1862 году. В первой дополнительной части он объяснил природу электростатики и тока смещения. Во втором он проанализировал вращение плоскости поляризации света в магнитном поле — явление, которое было открыто Фарадеем и теперь известно как эффект Фарадея.

Последние годы, 1865-1879

В 1865 году Максвелл оставил Королевский колледж в Лондоне и вернулся в Гленлэр вместе с Кэтрин. В своей научной работе «О взаимно обратных фигурах, рамах и диаграммах сил» (1870) он исследовал жесткость различных конструкций решеток. Он написал учебник «Теория тепла» (1871) и трактат «Материя и движение» (1876). Максвелл также был первым, кто в явном виде использовал анализ размерностей в 1871 году.

В 1871 году он стал первым Кавендишским профессором физики в Кембридже. Максвелл был назначен ответственным за развитие Кавендишской лаборатории, контролируя каждый этап строительства здания и закупку лабораторного оборудования. Одним из последних крупных вкладов Максвелла в науку стало редактирование (с обширными оригинальными примечаниями) исследований Генри Кавендиша, согласно которым оказалось, что Кавендиш исследовал, среди прочего, такие вопросы, как плотность Земли и состав воды.

Максвелл умер в Кембридже от рака брюшной полости 5 ноября 1879 года в возрасте 48 лет. Его мать умерла в том же возрасте от такого же вида рака. Священник, регулярно посещавший его в последние недели жизни, был поражен его ясностью и огромной силой и размахом его ума, но особенно он комментирует следующее:

…его болезнь выявила его великое сердце, душу и дух: его твердую и беспрекословную веру в воплощение и все его результаты; во вседостаточность искупления; в работу Святого Духа. Он измерил и понял все проекты и системы философии, признал их пустыми и неудовлетворительными — «неработоспособными», так он говорил о них — и с простой верой перешел к Евангелию Спасителя.

Когда он уже был близок к смерти, Максвелл сказал коллеге из Кембриджа:

Я думал о том, как мягко со мной всегда обращались. За всю мою жизнь меня никогда не толкали с силой. Единственное желание, как у Давида, — послужить своему роду по воле Божьей, а потом уснуть.

Максвелл был похоронен в Партон Кирк, недалеко от Касл Дуглас в Галлоуэе, рядом с местом, где он вырос. В 1882 году была опубликована обширная биография «Жизнь Джеймса Клерка Максвелла», написанная его бывшим одноклассником и другом на всю жизнь профессором Льюисом Кэмпбеллом. Его работы были включены в тома издательства Кембриджского университета в 1890 году.

Личная жизнь

Он был женат на Кэтрин Клерк Максвелл, наиболее известной своими наблюдениями, которые способствовали открытиям Клерка Максвелла, и, будучи большим любителем шотландской поэзии, Максвелл читал ее стихи и писал свои собственные. Наиболее известна песня Rigid Body Sings, очень похожая на песню Роберта Бернса «Comin» through the rye», которую он пел в сопровождении гитары и которая начинается так.

Женька тело встречает тело Летит по воздуху. Gin a body hit a body, Will it fly? И куда?

Сборник его стихов был опубликован его другом Льюисом Кэмпбеллом в 1882 году.

Описания Максвелла, отмечающие его замечательные интеллектуальные качества, сопровождаются социальными трудностями. Максвелл был евангелическим пресвитерианином и в последние годы жизни стал пресвитером в Церкви Шотландии. Религиозные убеждения Максвелла и связанная с ними деятельность были в центре внимания ряда работ. В детстве Максвелл посещал Епископальную церковь Шотландии, но позже, в апреле 1853 года, принял евангельскую веру. Одна из граней этого обращения, возможно, связана с антипозитивистской позицией.

Электромагнетизм

Максвелл впервые изучал и комментировал электричество и магнетизм в 1855 году, когда его эссе «О силовых линиях Фарадея» было прочитано перед Кембриджским философским обществом. В эссе представлена упрощенная модель работы Фарадея, а также некоторые комментарии по поводу взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. Максвелл свел все знания об этом вопросе в то время к определенному набору из двадцати дифференциальных уравнений с двадцатью переменными. Эта работа была опубликована под названием «О физических линиях силы» в марте 1861 года.

Примерно в 1862 году, преподавая в Королевском колледже, Максвелл рассчитал скорость распространения электромагнитного поля, обнаружив, что она примерно равна скорости света (см. электромагнитные константы в статье о скорости света). Он счел это более чем простым совпадением, заметив: «Мы едва ли можем избежать заключения, что свет состоит из поперечных колебаний той же среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений».

Стремясь глубже изучить проблему, Максвелл показал, что его уравнения предсказывают существование волн осциллирующих электромагнитных полей, проходящих через вакуум со скоростью, которую можно предсказать на основе простых электрических экспериментов; используя имевшиеся в то время средства и данные, Максвелл получил скорость 310 740 000 метров в секунду. В своей работе 1864 года «Динамическая теория электромагнитного поля» он пишет: «Это согласие результатов, кажется, показывает нам, что свет и магнетизм являются эффектами одной и той же субстанции, и что свет — это электромагнитное возмущение, распространяющееся через поле в соответствии с электромагнитными законами.

Его знаменитые двадцать уравнений впервые появились в современной версии (четыре уравнения в частных производных) в книге «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873), причем большая часть этой работы была выполнена во время его работы в Гленлере, пока он занимал должность в Лондоне и получил профессорство Кавендиша. Максвелл изложил свою работу по электромагнетизму на основе тензоров, с электромагнитным потенциалом в центре теории. В 1881 году Оливер Хевисайд заменил электромагнитное потенциальное поле Максвелла «силовыми полями», что уменьшило сложность теории Максвелла и позволило свести ее к четырем уравнениям, которые мы теперь знаем как законы Максвелла или уравнения Максвелла. Согласно Хевисайду, электромагнитное потенциальное поле было произвольным и должно было быть «убито». Сегодня использование потенциалов (в скалярной или векторной форме) является стандартом для решения этих уравнений.

Несколько лет спустя Хевисайд и Питер Гатри Тейт провели дебаты об относительных достоинствах векторного анализа и тензоров, и в результате было признано, что нет необходимости в данных и глубоких физических знаниях, предоставляемых тензорами, если теория является чисто локальной. В результате было принято, что нет необходимости в данных и глубоких физических знаниях, предоставляемых тензорами, если теория является чисто локальной, поэтому векторный анализ стал нормой. Максвелл оказался прав, и его (количественная) связь между светом и электромагнетизмом считается одним из величайших достижений математической физики XIX века.

Максвелл также ввел понятие электромагнитного поля, в отличие от понятия силовых линий, описанного Фарадеем. Поняв распространение электромагнетизма как поля, излучаемого активными частицами, Максвелл смог продвинуть свою работу по изучению света. Со временем существование такой среды, которая теоретически пронизывала все пространство и была необнаружима механическими методами, было признано невозможным, поскольку ее нельзя было совместить с такими экспериментами, как эксперимент Майкельсона-Морли. Более того, казалось, что для справедливости его уравнений необходима абсолютная система отсчета, из-за чего его форма менялась по отношению к движущемуся наблюдателю. Такие трудности вдохновили Альберта Эйнштейна сформулировать теорию специальной относительности, которая, в свою очередь, привела к необходимости существования неподвижного светящегося эфира.

Читайте также, биографии — Рикман, Алан

Цветовое восприятие

Как и большинство физиков своего времени, Максвелл проявлял большой интерес к психологии. Следуя по стопам Исаака Ньютона и Томаса Янга, он особенно интересовался изучением восприятия цвета. С 1855 по 1872 год он нерегулярно публиковал серии исследований, посвященных цветовосприятию, цветовой слепоте и теории цвета, и был награжден медалью Румфорда за книгу «О теории цветового зрения».

Исаак Ньютон с помощью призмы показал, что белый свет, например, солнечный, состоит из нескольких монохроматических компонентов, которые можно объединить в белый свет. Ньютон также показал, что оранжевый цвет, состоящий из желтого и красного, может выглядеть так же, как монохроматический оранжевый свет, даже если он состоит из двух монохроматических желтого и красного света. Отсюда парадокс, который озадачил физиков в то время: два сложных света (состоящих из более чем одного монохроматического света) могут выглядеть одинаково, но физически быть разными, что называется метамеризмом. Спустя годы Томас Янг предложил объяснить этот парадокс тем, что цвета воспринимаются через ограниченное число каналов в глазах, которых может быть три — трихроматическая теория цвета. Максвелл использовал недавно разработанную линейную алгебру для проверки теории Янга. Любой монохроматический свет, стимулирующий три рецептора, должен быть одинаково способен стимулироваться набором из трех различных монохроматических ламп (фактически, любым набором из трех различных ламп). Он показал, что так оно и есть, придумав эксперименты по подбору цветов и колориметрии.

Максвелл также был заинтересован в применении своей теории цвета, в частности, к цветной фотографии. Опираясь непосредственно на его работу в области психологии по восприятию цвета: если сумма трех источников света может воспроизвести любой воспринимаемый цвет, то цветные фотографии могут быть получены с помощью набора трехцветных фильтров. В своей научной работе 1855 года Максвелл предположил, что если сделать три черно-белые фотографии через красный, зеленый и синий фильтры и спроецировать прозрачные копии изображений на экран с помощью аналогичных фильтров, то при наложении на экран результат будет восприниматься человеческим глазом как полное воспроизведение всех цветов в сцене.

Во время лекции 1861 года в Королевском институте, посвященной теории цвета, Максвелл представил первую в мире демонстрацию цветной фотографии с использованием этого принципа анализа и синтеза трех цветов. Томас Саттон, изобретатель однообъективной зеркальной камеры, сделал эту фотографию. Он сфотографировал клетчатую ленту три раза, через красный, зеленый и синий фильтры, а также сделал четвертую фотографию через желтый фильтр, который, по словам Максвелла, не был использован в демонстрации. Поскольку фотопластинки Саттона были нечувствительны к красному цвету и едва чувствительны к зеленому, результаты этого новаторского эксперимента были далеки от совершенства. В опубликованном отчете о конференции было сказано, что «если бы красное и зеленое изображения были сфотографированы так же идеально, как синее», то получилось бы действительно цветное изображение тканевой ленты. «Если найти фотографические материалы, более чувствительные к менее преломляющимся лучам, то цветопередача объектов может быть значительно улучшена». Исследователи в 1961 году пришли к выводу, что кажущаяся невозможность частичного успеха экспозиции с помощью красного фильтра была вызвана ультрафиолетовым светом, который сильно отражается некоторыми красными красителями, не полностью блокируется используемым красным фильтром и находится в диапазоне чувствительности мокрого коллодионного процесса, использованного Саттоном.

Кинетическая теория и термодинамика

Максвелл также работал над кинетической теорией газов. Возникнув в работах Даниила Бернулли, его гипотеза продвинулась (благодаря усилиям таких ученых, как Джон Герапат, Джон Джеймс Уотерстон, Джеймс Джоуль и особенно Рудольф Клаузиус) настолько, что ее точность стала считаться несомненной. В любом случае, Максвелл смог развить его в огромной степени, в области, где он был одновременно экспериментатором (с законами трения для газов) и математиком.

В период с 1859 по 1866 год он разработал теорию распределения скоростей внутри частиц газа, которая впоследствии была обобщена Людвигом Больцманом. Его формула, известная как распределение Максвелла-Больцмана, определяет долю частиц из всего газа, которые движутся с заданной скоростью при любой заданной температуре. В кинетической теории температура и тепло в целом вызывают только молекулярное движение. Этот подход обобщил ранее установленные законы термодинамики и объяснил некоторые эксперименты и наблюдения гораздо лучше, чем предыдущие инструменты. Работа Максвелла в области термодинамики привела его к разработке знаменитого мысленного эксперимента «Демон Максвелла», в котором второй закон термодинамики нарушается существом, способным разделять частицы в соответствии с их энергетическим уровнем.

В 1871 году он установил термодинамические соотношения Максвелла — равенства между вторыми производными термодинамических потенциалов и различными термодинамическими переменными. В 1874 году Максвелл построил гипсовую модель для визуализации фазовых изменений с термодинамической точки зрения, основываясь на идее, которую американский ученый Джозайя Уиллард Гиббс опубликовал в своих научных трудах по графической термодинамике.

Теория управления

Своей научной работой «Об управляющих устройствах», опубликованной в Трудах Королевского общества, Максвелл заложил некоторые основы современной теории управления. В этой статье автор рассмотрел некоторые аспекты центробежных регуляторов, использовавшихся для управления паровыми машинами того времени.

Имя Джеймса Клерка Максвелла отмечалось неоднократно, например:

Источники