Страница:
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.
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. 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 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.
В Эдинбурге Максвелл три года изучал математику и физику. 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 1854 году Максвелл с академической степенью закончил Кембридж, где некогда работал Ньютон. После этого по совету Вильяма Томсона он начал вести частные исследования в области электричества.
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 с 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. Первые результаты были получены также в 1855 году.
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. 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.
Кольца, свободно парящие вокруг планеты Сатурн, в расплывчатой форме наблюдал уже Галилей, но только Гюйгенс описал их действительный вид. Эти кольца были предметом спора исследователей; одни считали их твердыми, другие - жидкими. Максвелл математическим путем доказал, что кольца Сатурна не могут быть ни твердыми, ни жидкими, а должны состоять из скоплений крохотных спутников. Позднее спектроскопические исследования подтвердили это толкование.
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.
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 (см. факсимиле). "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.
То, что Максвелл руководствовался при этом механическими моделями, не повлияло на результат. В истории естествознания не впервые, заметил по этому поводу Макс Планк, случается, "что совершенно верный результат бывает найден посредством не вполне достаточной связи идей".
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 поместье 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.
Примечательно, что в этой книге механистическая картина природы излагается без каких-либо критических оговорок. Это подтверждает мнение Эйнштейна о том, что Максвелл, который, создавая труды по физике, на протяжении всей своей жизни помогал подрывать веру в механистическую картину природы, сознательно считал ньютоновскую механику основой всей 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.
Людвиг Бюхнер в своей книге "Сила и материя", которая в 50-е годы неоднократно переиздавалась и была переведена на многие языки, привел латинскую пословицу, которая утверждает, что среди трех естествоиспытателей и врачей двое всегда атеисты ("Tres physici - duo athei"). В том же духе Эрнст Мах писал в 1883 году в своей "Механике": "Если, войдя, мы слышим, как общество толкует о каком-то истинно набожном человеке, имя которого мы не расслышали, то мы будем думать о тайном советнике X или о господине фон Y, но едва ли когда-либо укажем на способного естествоиспытателя".
Максвелл был, очевидно, здесь в числе исключений, подтверждающих правило. Подобно Фарадею, который всю жизнь свято верил в библию и был активным проповедником, подобно Роберту Майеру, который закончил свой доклад на Инсбрукском съезде естествоиспытателей в 1869 году, к удивлению большинства участников, открытым признанием христианской религии, Максвелл тоже был "способным естествоиспытателем" и одновременно "истинно набожным человеком".
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.
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. 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 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.
В Эдинбурге Максвелл три года изучал математику и физику. 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 1854 году Максвелл с академической степенью закончил Кембридж, где некогда работал Ньютон. После этого по совету Вильяма Томсона он начал вести частные исследования в области электричества.
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 с 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. Первые результаты были получены также в 1855 году.
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. 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.
Кольца, свободно парящие вокруг планеты Сатурн, в расплывчатой форме наблюдал уже Галилей, но только Гюйгенс описал их действительный вид. Эти кольца были предметом спора исследователей; одни считали их твердыми, другие - жидкими. Максвелл математическим путем доказал, что кольца Сатурна не могут быть ни твердыми, ни жидкими, а должны состоять из скоплений крохотных спутников. Позднее спектроскопические исследования подтвердили это толкование.
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.
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 (см. факсимиле). "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.
То, что Максвелл руководствовался при этом механическими моделями, не повлияло на результат. В истории естествознания не впервые, заметил по этому поводу Макс Планк, случается, "что совершенно верный результат бывает найден посредством не вполне достаточной связи идей".
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 поместье 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.
Примечательно, что в этой книге механистическая картина природы излагается без каких-либо критических оговорок. Это подтверждает мнение Эйнштейна о том, что Максвелл, который, создавая труды по физике, на протяжении всей своей жизни помогал подрывать веру в механистическую картину природы, сознательно считал ньютоновскую механику основой всей 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.
Людвиг Бюхнер в своей книге "Сила и материя", которая в 50-е годы неоднократно переиздавалась и была переведена на многие языки, привел латинскую пословицу, которая утверждает, что среди трех естествоиспытателей и врачей двое всегда атеисты ("Tres physici - duo athei"). В том же духе Эрнст Мах писал в 1883 году в своей "Механике": "Если, войдя, мы слышим, как общество толкует о каком-то истинно набожном человеке, имя которого мы не расслышали, то мы будем думать о тайном советнике X или о господине фон Y, но едва ли когда-либо укажем на способного естествоиспытателя".
Максвелл был, очевидно, здесь в числе исключений, подтверждающих правило. Подобно Фарадею, который всю жизнь свято верил в библию и был активным проповедником, подобно Роберту Майеру, который закончил свой доклад на Инсбрукском съезде естествоиспытателей в 1869 году, к удивлению большинства участников, открытым признанием христианской религии, Максвелл тоже был "способным естествоиспытателем" и одновременно "истинно набожным человеком".