Джеймс Клерк Максвелл

(англ. James Clerk Maxwell) (13.06.1831, Едінбург, -- 5.11.1879, Кембридж)

Джеймс Клерк Максвелл - англійський фізик, творець класичної електродинаміки, один із засновників статистичної фізики, організатор і перший директор (з 1871) Кавендішської лабораторії. Як і багато інші значні англійські натуралісти XVIII ... XIX століть, наприклад великі геологи Джеймс Хаттон і Чарлз Лайєль, Джеймс Клерк Максвелл був шотландцем.

Він народився 13 червня 1831 в Единбурзі в сім'ї поміщика і дворянина. Походив зі знатної шотландської прізвища клерків Пенікуік. Батько його, юрист за освітою, прийнявши прізвище Максвелл, жив у своєму маєтку в Гленлере, де і протікло дитинство Джеймса. Серед його предків можна знайти політичних діячів, поетів, музикантів і вчених.

Батько Максвелла був глибоко освіченою людиною з різнобічними інтересами. Він рідко залишав свій маєток і професійної діяльністю (в якості радника юстиції) займався лише від випадку до випадку. Він брав діяльну участь в індустріальному розвитку країни, і, крім того, його постійним заняттям були різні невеликі технічні винаходи. Після ранньої смерті матері (вона померла, коли Джеймсу було 8 років) батько дбайливо виховував хлопчика. На першому плані стояли заняття природничими науками. У Джеймса дуже рано прокинувся інтерес до техніки і розвинулися практичні навички.

У згоді з національними традиціями та громадськими умовами велике місце у вихованні приділялася релігійним повчанням в дусі англійської протестантизму. Дитячим років був зобов'язаний Максвелл і своїм дивовижним знанням тексту Біблії і віршів з «Втраченого раю» Мільтона. У іншому маленький Джеймс ріс і розвивався серед дітей службовців маєтки і дрібних селян, але, як підкреслює біограф, «з духовними запитами члена правлячого класу ».

Перший досвід уроків на дому не призвів до очікуваного успіху. На жорсткі виховні заходи домашнього вчителя хлопчик відповідав впертістю і замкнутістю. У аристократичної школі, яку він відвідував згодом, Джеймс звернув на себе увагу завдяки великим математичним здібностям. Особливо любив він геометрію. Про Ейнштейна згадують, що в 12 років він захоплювався «священної книжечкою з геометрії». Максвелл також мав славу людиною не від світу цього. Він не міг налагодити правильні відносини зі своїми шкільними товаришами. Вони дражнили його, і давали йому прізвиська. Не останню роль грала при цьому одяг, яку його батько - він багато в чому був диваком - замовляв для хлопчика.

У 1841 р. Джеймс Максвелл відданий був до гімназії в Единбурзі; До 1846 р. відноситься перша його наукова робота. У 14 років Максвелл був нагороджений медаллю за блискучі успіхи в математиці. Роком пізніше старший Максвелл представив Единбурзької Академії наук, в засіданнях якої він іноді брав участь в якості гостя, перший науковий твір свого сина, після того, як один знайомий вчений надав роботі школяра відповідну академічну форму. У творі розглядався новий, раніше невідомий математикам метод креслення еліптичних фігур. Робота називалася «Про кресленні овалів і про овалах з багатьма фокусами »(1846, опублікована в 1851).

Перейшовши у 1847 р. в Единбурзький університет, Максвелл, під керівництвом Келланда, Форбса та ін, з запалом взявся до вивчення фізики і математики; його роботи, що відносяться до цього часу, зазначають вже на незвичайні його здібності. До цього він багато займався питаннями оптики, особливо поляризацією світла і кільцями Ньютона. Їм в основному керував фізик Вільям Ніколь, ім'я якого залишилося жити в історії науки в назві призми, даному на його честь.

В областях, що не мають відношення до його предмету, Максвелл також намагався отримати міцні знання. Пізніше, вимагаючи, щоб освіта молодих дослідників природи не обмежувалося яких-небудь спеціальним предметом, він спирався на власний досвід. Для поглибленого розуміння проблем природознавства він вважав за необхідне вивчення філософії, історії науки і естетики.

У 1850р. Максвелл вступив в Кембридж, де колись працював Ньютон, а в 1854 році з академічної ступенем закінчив його. Після цього за порадою Вільяма Томсона він почав вести приватні дослідження в області електрики.

У 1855 Максвелл став членом ради Трініті-коледжу.

Перша велика робота Максвелла - «Про фарадеевих силових лініях »- з'явилася в 1855 році. Больцман, через 14 років видав цей твір німецькою мовою в «Оствальдовскіх класиків», підкреслив у своїх примітках, що вже ця перша стаття Максвелла разюче глибока за змістом і дає уявлення про те, як планомірно підходив до роботи молодий фізик.

Больцман вважав, що в області гносеологічних питань природознавства вплив Максвелла було настільки ж визначальним, як і в теоретичної фізики. Всі тенденції розвитку фізики в наступні десятиліття були вже ясно позначені в першій статті Максвелла і часто навіть наочно пояснювались тими ж порівняннями. Вони багато в чому збігалися з сформованими пізніше поглядами Кірхгофа, Маха і Герца.

Вже в роботі 1855 Максвелл висловив думку, яку він повторив у більш пізніх роботах: силові лінії Фарадея слід представляти як тонкі трубочки зі змінним перетином, за якими струмує нестисливої рідина. Цю гідродинамічну модель електричного струму, що виходить із уявлень Фарадея, Максвелл не вважав, проте, відображенням Насправді, вона повинна була служити допоміжним засобом і полегшувати новий підхід до електродинаміки шляхом застосування механічної аналогії.

Поряд з вивченням електродинаміки молодий учений займався також експериментальними дослідженнями фізіології колірного зору. Одними з перших його досліджень були роботи з фізіології і фізики кольорового зору та колориметрії (1852-72). У 1861 році Максвелл вперше демонстрував кольорове зображення, отримане від одночасного проектування на екран червоного, зеленого і синього діапозитивів, довівши цим справедливість трикомпонентною теорії колірного зору і одночасно намітивши шляху створення кольорової фотографії. Він створив один з перших приладів для кількісного вимірювання кольору, що отримав назву диска Максвелла.

Незалежно від Гельмгольца, який в тому ж році в Кенігсберзі зробив свій став знаменитим доповідь «Про зір людини», Максвелл, який був молодшим на десять років, шукав відповідь на ті ж питання і прийшов до схожих результатів. Коли я був членом ради Трініті-коледжу займався експериментами з теорії кольорів, виступаючи як продовжувач теорії Юнга і теорії трьох основних кольорів Гельмгольца. В експериментах по змішування квітів Максвелл застосував особливий дзига, диск якого був поділений на сектори, пофарбовані в різні кольори (диск Максвела). При швидкому обертанні дзиги кольору зливалися: якщо диск був закрашений так, як розташовані кольори спектру, він здавався білим; якщо одну його половину зафарбовував червоним, а іншу - жовтим, він здавався помаранчевим; змішування синього і жовтого створювало враження зеленого. У 1860 за роботи зі сприйняття кольору і оптиці Максвелл був нагороджений медаллю Румфорда.

Його кольоровий дзига незабаром вже використовувався Гельмгольцем при дослідженні дальтоніком, в ході яких підтвердилася правильність поглядів Максвелла.

Щоб показати противникам теорії блізкодействія, що він знайомий з вченням про сили дальнодії математично володіє ним, Максвелл досліджував особливо важкий випадок тяжіння мас - загадку кілець Сатурна.

У 1857 Кембриджський університет оголосив конкурс на найкращу роботу про стійкість кілець Сатурна. Ці утворення були відкриті Галілеєм на початку 17 ст. Він спостерігав їх у розпливчатою формі, але тільки Гюйгенс описав їх дійсний вигляд. Вони представляли дивовижну загадку природи: планета здавалася оточеній трьома суцільними концентричними кільцями, складаються з речовини невідомої природи. Ці кільця були предметом спору дослідників; одні вважали їх твердими, інші - рідкими. Лаплас довів, що вони не можуть бути твердими. Провівши математичний аналіз, Максвелл переконався, що вони не можуть бути і рідкими, і прийшов до висновку, що подібна структура може бути стійкою лише в тому випадку, якщо складається з рою не пов'язаних між собою метеоритів. Стійкість кілець забезпечується їх тяжінням до Сатурна і взаємним рухом планети і метеоритів. За цю роботу Максвелл отримав премію Дж. Адамса. Пізніше спектроскопічні дослідження підтвердили це тлумачення.

Однією з перших робіт Максвелла стала його кінетична теорія газів. У 1859 учений виступив на засіданні Британської асоціації з доповіддю, в якій навів розподіл молекул за швидкостями (максвелловськой розподіл). Максвелл розвинув уявлення свого попередника в розробці кінетичної теорії газів Р. Клаузіуса, який ввів поняття «Середньої довжини вільного пробігу». Максвелл виходив з уявлення про газ як про ансамбль безлічі ідеально пружних кульок, хаотично рухаються в замкнутому просторі. Кульки (молекули) можна розділити на групи по швидкостями, що при цьому в стаціонарному стані число молекул в кожній групі залишається постійним, хоча вони можуть виходити з груп і входити до них. З такого розгляду випливало, що «частки розподіляються за швидкостями по такому ж закону, за яким розподіляються помилки спостережень в теорії методу найменших квадратів, тобто відповідно до статистики Гаусса ». У рамках своєї теорії Максвелл пояснив закон Авогадро, дифузію, теплопровідність, внутрішнє тертя (теорія переносу). У 1867 показав статистичну природу другого початку термодинаміки ( «демон Максвелла »).

У 26 років здатний молодий дослідник отримав запрошення на посаду професора фізики в коледж в Абердині. Там він викладав три роки. Він не був бездоганним академічним викладачем, мабуть, тому в 1860 році, коли маленька вища школа об'єдналася з іншої, від його подальших послуг відмовилися. Заява до університету Единбурга було відхилено на аналогічних підставах. І тут досвідченого вчителя вважали за краще творчо мислячій досліднику. Максвелл деякий час провів у своєму маєтку, але в тому ж році прийняв запрошення в Лондон.

Після закінчення університету Максвелл вирішив присвятити себе науці і переїхав у 1860 р. в Кембрідж в Трініті-коледж, де протягом 4 років невпинно працював, вивчаючи улюблені науки; уважне вивчення робіт Фарадея дало напрям усієї своєї діяльності.

Розвиваючи ідеї М. Фарадея, Максвелл створив теорію електромагнітного поля (рівняння Максвелла).

П'ять лондонських років (1860 ... 1865) були найбільш продуктивними в житті вченого. Максвелл працював як експериментатор і як теоретик одночасно в багатьох областях. У вченні про фізіологію кольору він іноді експериментував разом з Гельмгольцем, з яким він познайомився під час його поїздки до Англії в 1864 році. «З одним старим берлінським одним, - писав Гельмгольц своїй дружині, - я поїхав в Кенсінгтон до професора Максвеллу, фізику Королівського коледжу, дуже гострого математичного розуму, який показав мені прекрасні апарати для досліджень в галузі вчення про колір, галузі, в якій я сам раніше працював, він запросив колегу-дальтонік, над яким ми проробили експерименти ».

У лондонські роки Максвелл значно просунувся в розробці механічної теорії теплоти, особливо кінетичної теорії газів. Цьому сприяли вивчення їм кілець Сатурна і одна з що з'явилися в цей час публікацій німецького фізика Рудольфа Клаузіуса.

Ще в Абердині Максвелл зробив доповідь з цього кола питань і запропонував ввести в кінетичну теорію газу розподіл усіх обчислення для визначення швидкостей молекул. Він зумів показати, що різні швидкості молекул газу розподілені так само - відповідно до закону Гаусса, - як помилки в спостереженнях, хто пролазить, коли одна й та сама величина заміряється багато разів за однакових обставин. Закон розподілу швидкостей молекул газу був геніально вгадав Максвелом. Цей закон став основою статистичної теорії механіки газів і наріжним каменем нової галузі статистичної фізики. Згодом вона була розвинена в першу чергу Больцманом.

Популярність Максвелла як ученого спочатку грунтувалася на математичному обгрунтуванні кінетичної теорії газу, поки його електромагнітна теорія світла не початку свого переможного ходу по світу. Багато фізики, наприклад Джеймс Джонс, навіть вважали, що найбільшим досягненням Максвелла було дослідження руху молекул газу. Свобода мислення, характерна для всієї його творчості, проявилася тут особливо плідно.

Больцман, що поряд з Максвелом найглибшою чином вникав в аналіз руху молекул, порівняв максвелловськой кінетичну теорію газів з музичною драмою. «Як музикант на перших тактів дізнається Моцарта, Бетховена, Шуберта, - писав він у некролозі, присвяченому Кірхгофа, -- так математики по декількох сторінках розрізняють Коші, Гаусса, Якобі, Гельмгольца. Найвища елегантність характеризує французів, найбільша драматична сила - англійців, перш за все Максвелла ».

Однак той же Больцман відзначає властивість великого англійця, дивним чином контрастує з зазначеним вище драматизмом -- «Часто дитячому наївний мова Максвелла, який упереміж з формулами пропонує найкращий спосіб виведення жирових плям ».

До лондонським часом відносяться основні дослідження Максвелла в області електромагнітної теорії світла.

У роботі «Про фізичні силових лініях», опублікованій чотирма частинами в 1861 та 1862 роках в одному з журналів, він продовжив математично-фізичні дослідження силових ліній Фарадея, розпочаті ним шість років тому, і привів їх до попереднього завершення. Максвелл прийшов при цьому до висновку, що електричні дії розповсюджуються з кінцевою швидкістю, відповідної швидкості світла в порожньому просторі. Ця його робота вже містить знамениті рівняння електромагнетизму, включаючи рівняння для рухомих тел.

У 1831, в рік народження Максвелла, М. Фарадей проводив класичні експерименти, які привели його до відкриття електромагнітної індукції. Максвелл приступив до дослідження електрики і магнетизму приблизно 20 років по тому, коли існували два погляди на природу електричних і магнітних ефектів. Такі вчені, як О. М. Ампер і Ф. Нейман, дотримувалися концепції дальнодії, розглядаючи електромагнітні сили як аналог гравітаційного тяжіння між двома масами. Фарадей був прихильником ідеї силових ліній, які з'єднують позитивний і негативний електричні заряди або північний і південний полюси магніту. Силові лінії заповнюють усі навколишній простір (поле, за термінологією Фарадея) і обумовлюють електричні та магнітні взаємодії. Слідуючи Фарадею, Максвелл розробив гідродинамічну модель силових ліній і висловив відомі тоді співвідношення електродинаміки на математичній мові, що відповідає механічним моделями Фарадея. Основні результати цього дослідження відображені в роботі «Фарадееви силові лінії »(Faraday's Lines of Force, 1857). У 1860-1865 Максвелл створив теорію електромагнітного поля, яку сформулював у вигляді системи рівнянь (рівняння Максвелла), що описують основні закономірності електромагнітних явищ: 1-е рівняння виражало електромагнітну індукцію Фарадея; 2-е -- магнітоелектричних індукцію, відкриту Максвелом та засновану на уявленнях про токах зміщення; 3-є - закон збереження кількості електрики; 4-е - вихровий характер магнітного поля.

Продовжуючи розвивати ці ідеї, Максвелл прийшов до висновку, що будь-які зміни електричного і магнітного полів повинні викликати зміни в силових лініях, які пронизують навколишній простір, тобто повинні існувати імпульси (або хвилі), що поширюються в середовищі. Швидкість розповсюдження цих хвиль (електромагнітного обурення) залежить від діелектричної та магнітної проникності середовища і дорівнює відношенню електромагнітної одиниці до електростатичного. За даними Максвелла та інших дослідників, це відношення становить 3Ч1010 см/с, що близько до швидкості світла, яка вимірюється сімома роками раніше французьким фізиком А. Фізо. У жовтні 1861 МаксвеллФарадею повідомив про своє відкриття: світ - це електромагнітне обурення, що розповсюджується в непроводящая середовищі, тобто різновид електромагнітних хвиль. Цей завершальний етап досліджень викладено в роботі Максвелла «Динамічна теорія електромагнітного поля» (Treatise on Electricity and Magnetism, 1864), а підсумок його робіт з електродинаміки підвів знаменитий Трактат про електрику і магнетизм (1873).

У своїх поясненнях до німецького видання цього твору в «Оствальдовскіх класиків» Больцман писав: «Те враження, яке ми отримуємо, вбачаючи в перший раз мають для всього нашого природничо світогляду революціонізуюче значення рівняння, збільшується ще тим, що Максвелл не говорить ні слава про їх роль, яку він, напевно, припускав, навіть якщо він не так ясно бачив, як ми бачимо зараз ». Примітна при цьому скромна простота, «з якою Максвелл показує, з якими труднощами він поступово пробирався вперед ».

Під час своєї лондонської професури Максвелл особисто познайомився з Фарадеєм, який вже читав його публікації і в листах до нього високо оцінював їх. Але спілкування з Фарадеєм не могло більше вплинути на його наукову розвиток. Максвелл ще студентом грунтовно пропрацював результати досліджень великого експериментатора і на час зустрічі з 70-річним вченим мав вже сформовані погляди на проблеми фізики.

Так як Максвелл не мав у своєму розпорядженні інститутом при вищій школі, він обладнав лабораторію на горищі свого будинку в облаштованому житловому кварталі на заході Лондона. Його дружина допомагала йому в експериментах. Максвелл був дуже вмілим і незвичайно спритним експериментатором.

Через поганий стан здоров'я Максвелл в 1865 році був змушений відмовитися від викладання. Його родове помістя Гленлер в Шотландії дозволяло йому повністю присвятити себе дослідженням як незалежного, вільного від академічних обов'язків вченого.

Шість років Максвелл провів у селі. У цей час він продовжував свої теоретичні та експериментальні роботи і готував обширні праці, які потім, у 70-ті роки, стали виходити один за одним. Запрошення стати ректором найстарішого шотландського університету в Сент-Ендрю він відхилив. Але все ж таки Максвелл стає університетським викладачем в третій раз.

Кембриджський університет в 1871 році вирішує створити професуру з експериментальної фізики та обладнати навчальну лабораторію. Два найвідоміших фізика того часу не могли бути залучені. Вільям Томсон не хотів залишати професуру в Глазго, яку він займав протягом усього свого життя, і, крім того, він був так тісно пов'язаний з оптичною та електротехнічної промисловістю міста як співвласник підприємств, що взагалі неохоче відлучався з Глазго, а Гельмгольц тільки що прийняв запрошення на місце професора фізики в університеті столиці Німеччини.

Керівництво університету звернулося до 40-річного приватному вченому з Шотландії, і врешті-решт його вдалося схилити прийняти нову кафедру.

Поряд з обов'язками лектора Максвелла чекала велика організаторська робота. Нова лабораторія повинна була бути побудована і обладнана за його бажанням, пропозиціями і планами, відповідно до світового рівнем експериментальної фізики. При обладнанні Кавендішської лабораторії -- вона була названа по імені мецената, який був далеким родичем геніального природодослідника Генрі Кавендіша, - знайшли своє застосування технічні знання і практичний досвід Максвелла, отримані ним замолоду під керівництвом батька. Пізніше скрізь, де була можливість, він оглядав майстерні та фабрики.

Спочатку, здійснюючи свої плани, дослідник повинен був долати старі забобони щодо навчального експерименту. У листі до австрійського фізику Лошмідт Максвелл з жалем відзначав, що саме ці забобони винні в тому, що в Англії було неприпустимо запущено навчання експериментальної фізики. Перша англійська університетська лабораторія з фізики була обладнана в Глазго Вільямом Томсоном тільки в 1846 році і довгий час залишалася єдиною в своєму роді.

У цей період велика англійська буржуазія, для гарантії конкурентоспроможності її товарів на світовому ринку разом з працюючими в промисловості хіміками, гостро потребувала також і у фізиків. Це обставина допомогла Максвеллу усунути перешкоди. Йому знадобилися його великий організаторський талант і дипломатична тонкість в політичних питаннях, що стосуються науки. Крім того, вчений створив на свої кошти і передав лабораторії багато дорогі наукові прилади. Після його смерті в власність інституту перейшла і його цінна колекція книг.

Вступну лекцію як Кавендішської професора експериментальної фізики Максвелл читав перед декількома студентами. Він написав у ній колосальну програму фундаментальної перебудови викладання фізики в англійській вищій школі. Він розвивав думку про те, що застосовувалися методи перешкоджають подальшому прогресу у вивченні і викладання фізики. «Звичні речі - перо, чорнило і папір - не будуть достатні, - говорив він, - і нам буде потрібно більший простір, ніж простір кафедри, і велика площа, ніж поверхню дошки ». Це була різка відповідь «крейдяний» фізики, яка тоді ще панувала в консервативних англійських університетах.

Навчальну лабораторію Максвелл розглядав як «школу наукової критики »і ставив перед нею завдання - стимулювати розвиток вчення про методи фізики. Дослідницька робота повинна якомога ширше здійснюватися колективними зусиллями. Максвелл апелював до моделі спільного дослідження, створеної Гумбольдтом, Гаусом і Вебером з метою охопити весь світ рекогносцировку земного магнетизму. У цій першій в історії науки колективної роботі він бачив основну форму і зародок майбутніх природничо-наукових методів дослідження.

Тоді це було лише далекою метою. Тільки десятиліття через могла бути здійснена планомірна спільна робота натуралістів, яка сьогодні є передумовою науково-технічного прогресу. Сам Максвелл ще був геніальним дослідником-одинаком, як до Фарадей нього і після нього інші відомі вчені, серед них Герц, Рентген » Планк і Ейнштейн.

Кавендішської лабораторія поклала в Англії початок традиції досліджень в галузі експериментальної фізики. Це мало велике значення для подальшого розвитку міжнародної експериментальної фізики, і особливо для підготовки атомного століття. Після Максвелла нею керували такі дослідники, як Релей, Дж. Дж.Томсон і Резерфорд, зміцнивши і помноживши її славу. Багато фізики-атомники в молоді роки вдосконалювали в Кавендішської лабораторії свою освіту, в їх числі Макс Борн, Нільс Бор, П. Л. Капіца.

За час своєї професури в Кембриджі Максвелл опублікував чимало значних робіт. У 1871 році з'явилася «Теорія теплоти», в 1873 році вийшов фундаментальний двотомний підручник - «Трактат з електрики і магнетизму ». У цій праці Максвелл зібрав і узагальнив результати своїх досліджень електромагнетизму. У маленькій роботі "Субстанція і рух »(1876), яка була задумана як введення у вивчення фізичної науки, він у простій формі, не вдаючись до вищої математики, повідомляє читачеві основи класичної фізики.

Починаючи з 1875 року Максвелл багато часу і сил витратив на розшифровку і видання, що залишилися рукописів Генрі Кавендіша. Роботам з теорії електрики він приділяв при цьому особливу увагу.

Завдяки його схильності до занять історією природознавства принаймні частина наукового архіву великого англійського природодослідника другої половини XVIII століття, який сам опублікував лише небагато що, стала надбанням потомства.

На відміну від Фарадея, який скептично ставився до теорії атома і шукав спосіб обійтися без допомоги уявлення про атом, Максвелл був відкритим прихильником атомізму. Одним з перших він припустив, що створений Бунзеном і Кірхгофа спектральний аналіз допоможе зробити більш точне висновок про внутрішню будову атома - пророкування, яке виявилося правильним.

Життя цього надзвичайно плідного дослідника, який об'єднав в собі геніального теоретика і винахідливого експериментатора, обірвалося несподівано швидко. Учений не надавав значення невеликому розладу травлення, який призвів до серйозного захворювання, від якого він помер 5 листопада 1879 на 49-му році життя.

Планк говорив про те, що ім'я Максвелла «блищить на воротах класичної фізики ». Максвелл дійсно був блискучим явищем серед фізиків нового часу. Своїми науковими працями, особливо прекрасною системою формул електродинаміки, він заклав найважливіші основи фізики атомного століття.

Його теорія електрики і світла настільки випередила свій час і була так закінчена, що через півстоліття Ейнштейн міг майже без змін включити її в свою теорію відносності.

Подібних прикладів у світовій історії науки небагато.

Роботи Максвелла присвячені електродинаміки, молекулярної фізики, загальною статистикою, оптиці, механіці, теорії пружності. Найбільш вагомий внесок Максвелл зробив у молекулярну фізику та електродинаміку. У кінетичної теорії газів, одним із засновників якої він є, встановив в 1859 році статистичний закон, що описує розподіл молекул газу за швидкостями (розподіл Максвелла). У 1866 році він дав новий висновок функції розподілу молекул за швидкостями, заснований на розгляді прямих і зворотних зіткнень, розвинув теорію переносу в загальному вигляді, застосувавши її до процесів дифузії, теплопровідності та внутрішнього тертя, ввів поняття релаксації. У 1867 році першим показав статистичну природу другого початку термодинаміки ( "демон Максвелла"), в 1878 році ввів термін "статистична механіка".

Найбільшим науковим досягненням Джеймса Максвелла є створена ним в 1860-1865 роках теорія електромагнітного поля, яку він сформулював у вигляді системи декількох рівнянь (рівняння Максвелла), що виражають всі основні закономірності електромагнітних явищ (перший диференціальні рівняння поля були записані Максвелом в 1855-1856 роках). У своїй теорії електромагнітного поля Максвелл використовував (1861) нове поняття - струм зміщення, дав (1864) визначення електромагнітного поля і передбачив (1865) новий важливий ефект: існування у вільному просторі електромагнітного випромінювання (електромагнітних хвиль) і його поширення в просторі з швидкістю світла. Останнє дало йому підставу вважати (1865) світло одним з видів електромагнітного випромінювання (ідея електромагнітної природи світла) та розкрити зв'язок між оптичними та електромагнітними явищами. Максвелл теоретично обчислив тиск світла (1873), передбачив ефекти Стюарта-Толмена і Ейнштейна-де Гааза (1878), скін-ефект.

Учений також сформулював теорему в теорії пружності (теорема Максвела), встановив співвідношення між основними теплофізичними параметрами (термодинамічні співвідношення Максвелла), розвивав теорію кольорового зору, досліджував стійкість кілець Сатурна, показав, що кільця не є твердими або рідкими, а являють собою рій метеоритів. Максвелл сконструював ряд приладів. Він був відомим популяризатором фізичних знань. Опублікував вперше (1879) рукописи робіт Генрі Кавендіша

У дослідженнях з електрики і магнетизму (статті "Про фарадеевих силових лініях", 1855-56 рр..; "Про фізичні силових лініях ", 1861-62 рр..;" Динамічна теорія електромагнітного поля ", 1864 р.; двотомний фундаментальний" Трактат про електрику і магнетизм ", 1873 р.) Максвелл математично розвинув погляди Майкла Фарадея на роль проміжної середовища в електричних і магнітних взаємодіях. Він спробував (слідом за Фарадеєм) витлумачити цю середу як всепроникаючий світовий ефір, однак ці спроби не були успішними.

Подальший розвиток фізики показало, що носієм електромагнітних взаємодій є електромагнітне поле, теорію якого (в класичній фізиці) Максвелл і створив. У цій теорії Максвелл узагальнив всі відомі на той час факти макроскопічної електродинаміки і вперше ввів уявлення про струмі зсуву, породжує магнітне поле як звичайний току (струму провідності, переміщається електричним зарядам). Максвелл висловив закони електромагнітного поля у вигляді системи 4 диференціальних рівнянь в приватних похідних (рівняння Максвелла).

Загальний і вичерпний характер цих рівнянь проявився у тому, що їх аналіз дозволив передбачити багато невідомі до того явища та закономірності.

Так, з них слід було існування електромагнітних хвиль, згодом експериментально відкритих Г. Герцем. Досліджуючи ці рівняння, Максвелл прийшов до висновку про електромагнітної природу світла (1865 р.) і показав, що швидкість будь-яких інших електромагнітних хвиль у вакуумі дорівнює швидкості світла.

Він зміряв (з більшою точністю, ніж В. Вебер та Ф. Кольрауш в 1856 році) ставлення електростатичного одиниці заряду до електромагнітної і підтвердив його рівність швидкості світла. З теорії Максвелл випливало, що електромагнітні хвилі роблять тиск.

Тиск світла було експериментально встановлено в 1899 П. М. Лебедєв.

Теорія електромагнетизму Максвелл отримала повне дослідне підтвердження і стала загальновизнаною класичною основою сучасної фізики. Роль цієї теорії яскраво охарактеризував А. Ейнштейн: "... тут стався великий перелом, який назавжди пов'язаний з іменами Фарадея, Максвелла, Герца. Левова частка в цій революції належить Максвеллу ... Після Максвелла фізична реальність мислилася у вигляді безперервних, що не піддаються механічному поясненню полів ... Ця зміна поняття реальності є найбільш глибоким і плідним з тих, яких зазнала фізика з часів Ньютона ".

У дослідженнях з молекулярно-кінетичної теорії газів (статті "Пояснення до динамічної теорії газів", 1860 р., і "Динамічна теорія газів", 1866 р.) Максвелл вперше вирішив статистичну задачу про розподіл молекул ідеального газу за швидкостями (розподіл Максвелла). Максвелл розрахував залежність в'язкості газу від швидкості і довжини вільного пробігу молекул (1860), обчисливши абсолютну величину останньої, вивів ряд важливих співвідношень термодинаміки (1860). Експериментально виміряв коефіцієнт в'язкості сухого повітря (1866). У 1873-74 рр.. Максвелл відкрив явище подвійного променезаломлення в потоці (ефект Максвела).

Максвелл був великим популяризатором науки. Він написав ряд статей для Британської енциклопедії, популярні книги - такі як "Теорія теплоти" (1870), "Матерія і рух" (1873), "Електрика в елементарному викладі" (1881), перекладені на російська мова. Важливим внеском в історію фізики є опублікування Максвелом рукописів робіт Г. Кавендіша з електрики (1879) з багатьма коментарями.

Вчення про електромагнетизмі і світлі

З середини XIX століття невпинно будувався фундамент, на якому могло бути зведено будівлю фізики XX століття. При цьому не обійшлося без зміни проектів. Основні положення природничих наук або втрачали свою загальність, або спростовувалися. Звичні переконання, що вважалися непорушними, руйнувалися. Більше ніж будь-коли фізика в ці десятиліття ставала, за словами Ейнштейна, «пригодою пізнання».

На чолі дослідників, які, подібно архітекторам, вирішальним чином брали участь у розбудові фундаменту фізики нашого часу і наново звели окремі «поверхи» будівлі, коштує Джеймс Клерк Максвелл, один з найгеніальнійших мислителів в історії розвитку фізики до Ейнштейна, що охопила в своїх дослідженнях фізику в усіх її розділах.

Заслуги Максвелла як дослідника відносяться до областям фізіологічного вчення про колір, кінетичної теорії теплоти і електромагнітної теорії світла.

Одночасно з Гельмгольцем Максвелл досліджував закони колірного зору. Як попередник австрійця Больцмана і американця Гіббса, він обгрунтував статистичне розуміння кінетичної теорії газу. Його найбільшою заслугою, проте є математична розробка нового вчення про магнетизм, електриці і світлі. Його досягнення, за словами Планка, повинні бути віднесені до «Найбільшим, дивовижним подвигам людського духу».

Коли Максвелл починав свій шлях фізика, у свідомості натуралістів повсеместно і непохитної панували закони ньютонівської механіки. Всі природні явища намагалися пояснити за допомогою простих механічних законів руху в просторі.

Підйом фізики, пов'язаний з відкриттям закону збереження і перетворення енергії, забезпечив у середині XIX століття механістичного розуміння природи нову надійну підтримку. «Тільки механічне розуміння є наукою », - заявляв берлінський фізіолог Еміль Дюбуа-Реймон. Щось подібне писав і Гельмгольц: «Кінцева мета всього природознавства - розчинитися в механіці».

Програмі цього погляду на природу, вперше викладеного в манускриптах Леонардо да Вінчі, у працях Галілея і філософськи обгрунтованого Декартом, закінчену форму надав Ньютон у 1687 році у своїй знаменитому творі про математичних засадах вчення про природу.

За Ньютону, світ речей міг бути механічно описаний за допомогою вказівки чотирьох величин: часу, простору, моменту маси і сили. Час і простір розглядалися при цьому як «абсолютні»: відірвано і незалежно від речей, які заповнюють їх, і від подій, що відбуваються в них.

Крім того, час і простір строго розмежовувалися між собою. Взаємозв'язок і взаємний вплив встановлювалися тільки між моментами мас і силами. Всі природні процеси представлялися закономірними переміщеннями матеріальних точок у просторі та часі.

Ця «механіка матеріальних точок», математично обгрунтована Ейлером і Лагранжа, блискуче виправдалася і виявилася надзвичайно плідної перш за все в області астрономії. Її основи були пізніше поширені на рух рідин і пружні коливання тіл і особливо успішно використовувалися при дослідженні акустичних явищ. Але в окремих питаннях виразно виявилася її обмеженість. Особливо часто виникали нездоланні труднощі в оптиці.

Найбільш незадовільним розділом в системі класичної фізики, створеної Ньютоном, було вчення про світло.

Ньютон, йдучи за логікою свого вчення, вважав світло природною річчю, що складається з матеріальних точок. Але вже в його час, як помітив Ейнштейн, «назрівав пекучий питання: що відбувається з матеріальними точками, що утворюють світ, коли світло поглинається? ». Так неминуче прийшли до відмінності між вагомими і невагомими частками - малопереконливо рішення, яке не могло довго вважатися вичерпним поясненням.

Незручності для глибоко мислячих фізиків крило в собі також уявлення про «силах дальнодії».

Магнетизм, електрика і гравітація зображувалися як сили, що діють в порожньому просторі і поширюються з нескінченно великою швидкістю. Таке тлумачення фізичних взаємодій, що представляє їх мало не як надприродні сили, не відповідало тверезо реалістичної механістичній картині природи. Вже Ньютон шукав вихід, але не домігся успіху.

Не було нестачі в спробах пояснити світлові явища принципово іншим способом. Геніальний голландський фізик Християн Гюйгенс, старший современ