Джеймс Клерк Максвелл
Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) шотландский физик и математик, объединивший электричество, магнетизм и свет в единую теорию электромагнитного поля, предсказавший существование радиоволн за двадцать лет до их открытия и по праву занявший место рядом с Ньютоном и Эйнштейном в ряду величайших физиков всех времён.
Детство в Эдинбурге и Гленлэре
Джеймс родился 13 июня 1831 года в доме номер 14 по Индия-стрит в Эдинбурге. Его отец, Джон Клерк Максвелл, был адвокатом с выраженной тягой к технике и естественным наукам: получив в наследство поместье Миддлби в Дамфришире, он прибавил к своей фамилии «Максвелл» и перестроил на участке в полторы тысячи акров усадьбу Гленлэр в Кирккудбрайтшире, где прошло детство будущего физика. Мать Джеймса, Фрэнсис Кэй, была дочерью судьи и женщиной незаурядного ума.
Любознательность мальчика проявилась в три года: мать записала в дневнике, что он непрестанно спрашивает «покажи, как оно делается» о любом механизме, который попадает ему в руки. К восьми годам Джеймс наизусть читал длинные отрывки из Мильтона и все 176 стихов 119-го псалма. В декабре 1839 года его мать умерла от рака брюшной полости в возрасте 48 лет, и забота о сыне целиком легла на отца и тётю Изабеллу.
Первые уроки давал отец, и они оказались неожиданно результативными: Джеймс с детства привык думать о природе вещей самостоятельно, а не копировать чужие выводы. Шотландские пейзажи и усадебный быт оставили след в его привычке объяснять сложные явления через образы и механические аналогии, которым он будет верен всю жизнь.
Эдинбургская академия и первые научные опыты
В 1841 году, в возрасте десяти лет, Джеймс поступил в престижную Эдинбургскую академию. Первые месяцы дались тяжело: провинциальный говор и самодельные башмаки из деревни вызывали насмешки одноклассников, прозвавших его «Дафти» (Чудак). Положение изменилось, когда он познакомился с Льюисом Кэмпбеллом и Питером Гатри Тэйтом; оба стали учёными с мировым именем и сохранили дружбу с Максвеллом до конца его жизни.
К тринадцати годам Джеймс завоевал школьную медаль по математике и призы по английскому и поэзии. В четырнадцать лет он написал первую научную работу «Об описании овальных кривых и кривых с несколькими фокусами» (1846). Поскольку автор был признан слишком юным для публичного выступления, её представил Королевскому обществу Эдинбурга профессор Джеймс Форбс.
Университеты Эдинбурга и Кембриджа
В 1847 году, шестнадцати лет, Максвелл поступил в Эдинбургский университет, где слушал лекции Уильяма Гамильтона по логике и метафизике, Филипа Келланда по математике и Джеймса Форбса по натуральной философии. Учебная нагрузка позволяла много заниматься самостоятельно: в восемнадцать лет он представил Королевскому обществу Эдинбурга два оригинальных мемуара: «О равновесии упругих тел» и «Катящиеся кривые». В первом была заложена основа фотоупругости, метода изучения механических напряжений через поляризованный свет.
В октябре 1850 года Максвелл перевёлся в Тринити-колледж Кембриджа, рассудив, что там лучше перспективы получить стипендию. Он занимался у Уильяма Хопкинса, прославленного математического наставника, умевшего выращивать «старших рэнглеров». В 1854 году Максвелл окончил курс вторым рэнглером (второй результат по математике на выпуске) и разделил первое место с Эдвардом Рутом на экзамене Смитовской премии. В том же году он провёл серию опытов с вращающимися цветными дисками Форбса, доказав, что белый свет получается смешением красного, зелёного и синего. Статья «Опыты с цветом» была прочитана в марте 1855 года и заложила основы колориметрии.
Абердин: кольца Сатурна и брак
В 1856 году, в возрасте 25 лет, Максвелл занял кафедру натуральной философии в Маришальском колледже Абердина, став самым молодым профессором среди коллег на 15 лет. Он читал 15 часов лекций в неделю, включая бесплатные занятия для рабочих.
В том же году Сент-Джонс-колледж Кембриджа объявил темой Адамсовской премии 1857 года классическую задачу: доказать или опровергнуть устойчивость колец Сатурна. Максвелл посвятил ей два года. Он последовательно исключил твёрдые кольца (они были бы нестабильны по отношению к малым возмущениям), жидкие (их разрушили бы волны) и пришёл к единственно возможному выводу: кольца состоят из огромного числа мелких несвязанных частиц, независимо обращающихся вокруг планеты. Рукопись в 68 страниц оказалась единственной полноценной работой на конкурсе и получила премию в 130 фунтов стерлингов в 1859 году. Главный астроном Англии Джордж Айри написал: «Это одно из замечательнейших применений математики к физике, которые я когда-либо видел». В 1980-х годах зонды «Вояджер» подтвердили, что кольца действительно состоят из частиц.
В 1857 году Максвелл подружился с Деканом Маришальского колледжа Даниэлем Дьюаром. В феврале 1858 года он обручился с его дочерью Кэтрин Мэри Дьюар, а 2 июня того же года они поженились в Абердине. Кэтрин была старше мужа на семь лет и активно помогала ему в лабораторных опытах по вязкости газов.
Лондон и главные открытия
В 1860 году Маришальский колледж объединился с Королевским колледжем Абердина, и для двух профессоров натуральной философии места не осталось. После выздоровления от тяжёлой оспы, едва не убившей его, Максвелл принял кафедру натуральной философии в Королевском колледже Лондона. Лондонский период (1860-1865) стал самым плодотворным в его жизни.
В 1860 году он получил медаль Румфорда Королевского общества за исследования по теории цвета и был избран его членом. В мае 1861 года на лекции в Королевском институте Максвелл впервые продемонстрировал цветную фотографию. Фотограф Томас Саттон (изобретатель однолинзовой зеркальной камеры) трижды снял тартановую ленту через красный, зелёный и синий светофильтры. При проекции трёх диапозитивов через соответствующие фильтры они совмещались в одно цветное изображение. Результат был несовершенным: фотопластины той эпохи почти не чувствовали красный и плохо реагировали на зелёный, однако Максвелл указал, что улучшение эмульсий даст настоящую цветную фотографию. Эксперимент лёг в основу трёхканального принципа, на котором строится цветная фотография и по сей день.
Параллельно Максвелл выстраивал математическую теорию электромагнетизма. В 1861-1862 годах он опубликовал «О физических силовых линиях» с моделью из 20 дифференциальных уравнений с 20 переменными. Рассчитывая скорость распространения электромагнитных волн, он получил 310 740 000 метров в секунду, что совпало со скоростью света настолько точно, что он написал: «Вряд ли мы можем избежать вывода о том, что свет состоит из поперечных колебаний той же среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений». В 1865 году в статье «Динамическая теория электромагнитного поля» Максвелл прямо заявил, что свет есть электромагнитное возмущение, распространяющееся по законам электромагнетизма.
Уравнения Максвелла и «Трактат об электричестве»
Покинув Королевский колледж в 1865 году, Максвелл вернулся в Гленлэр и в течение нескольких лет работал над главным трудом жизни. В 1873 году вышел двухтомный «Трактат об электричестве и магнетизме», в котором система его уравнений приобрела законченную форму. Позднее Оливер Хевисайд записал её в виде четырёх векторных уравнений в частных производных, которые сегодня весь мир называет уравнениями Максвелла. Они описывают, как порождаются и взаимодействуют электрические и магнитные поля, и непосредственно предсказывают существование электромагнитных волн в вакууме, движущихся со скоростью света. В 1888 году Генрих Герц экспериментально обнаружил радиоволны, тем самым подтвердив теорию Максвелла. Альберт Эйнштейн позднее скажет: «Одна научная эпоха закончилась и другая началась с Джеймса Клерка Максвелла». Специальная теория относительности, по словам самого Эйнштейна, обязана своим происхождением именно уравнениям Максвелла.
В 1867 году в работе «О динамической теории газов» Максвелл предложил мысленный эксперимент с воображаемым существом (впоследствии названным «демоном Максвелла»), которое сортирует молекулы по скорости и тем самым кажется нарушающим второе начало термодинамики. Эксперимент поставил вопрос о связи информации и энтропии, который физика и информатика обсуждают до сих пор.
Статистика Максвелла и молекулярная теория газов
Ещё в 1859 году, параллельно с работой по кольцам Сатурна, Максвелл вывел формулу распределения скоростей молекул идеального газа. Он впервые применил статистический подход к описанию огромных ансамблей частиц, отказавшись от попыток отследить каждую молекулу в отдельности. Людвиг Больцман обобщил эту теорию, и сегодня она называется распределением Максвелла-Больцмана. Из неё следовало, что температура газа есть мера средней кинетической энергии его молекул, что объяснило множество ранее непонятных закономерностей в теплообмене и диффузии. Максвелл также ввёл понятие «длины свободного пробега» молекулы и предсказал, что вязкость газа не зависит от его давления, что было тогда неочевидно и впоследствии подтверждено экспериментально.
Питер Гатри Тэйт называл Максвелла ведущим молекулярным учёным своего времени. Когда после смерти Максвелла зашла речь о том, кто способен понять работы Гиббса по статистической термодинамике, коллеги ответили: «Только один человек мог понять работы Гиббса. Это был Максвелл, но теперь он мёртв».
Кавендишская лаборатория
В 1871 году Максвелл вернулся в Кембридж в качестве первого профессора Кавендиша и первого заведующего новой лабораторией, строительство которой финансировал герцог Девонширский Уильям Кавендиш. Максвелл лично руководил проектированием помещений и комплектованием оборудования. Лаборатория открылась в 1874 году и сразу стала одним из ведущих физических центров мира.
Одним из последних проектов Максвелла в Кавендише было издание рукописей его однофамильца Генри Кавендиша (1731-1810). Максвелл не только подготовил тексты к печати, но и дополнил их обширными собственными комментариями, воспроизведя часть опытов и тем самым показав, как далеко опередил своё время Генри Кавендиш в измерении плотности Земли и составе воды. Книга вышла в 1879 году, незадолго до смерти редактора.
Последние годы, смерть и наследие
В апреле 1879 года Максвелл почувствовал затруднения при глотании, первый признак болезни, которая оказалась раком брюшной полости, точно таким же, от которого умерла его мать в том же возрасте 48 лет. Он скончался 5 ноября 1879 года в Кембридже. Посетивший его в последние недели священник отметил ясность ума и исключительную память умирающего. Сам Максвелл сказал одному из кембриджских коллег: «Я всегда был окружён таким мягким обращением. В моей жизни не было ни одного резкого толчка». Похоронен он в церкви Партон близ Касл-Дугласа в Галлоуэе, где прошло его детство.
Опрос журнала Physics World в начале XXI века поставил Максвелла на третье место среди величайших физиков всех времён, сразу после Ньютона и Эйнштейна. Эйнштейн, посетив Кембридж в 1922 году, ответил хозяину, предположившему, что тот стоит на плечах Ньютона: «Нет. Я стою на плечах Максвелла». В своей речи 1931 года, к столетию рождения Максвелла, Эйнштейн назвал его труды «наиболее глубокими и плодотворными, которые пережила физика со времён Ньютона». Уравнения Максвелла сделали возможными радиосвязь, телевидение, радары, мобильные телефоны и МРТ. Кавендишская лаборатория воспитала 30 нобелевских лауреатов. В доме номер 14 по Индия-стрит в Эдинбурге работает музей Фонда Максвелла, а в 2008 году на Джордж-стрит открылась его бронзовая статуя работы Александра Стоддарта.