Джеймс Клерк Максвелл

Дальнейшее развитие физики показало, что носителем электромагнитных взаимодействий является электромагнитное поле, теорию которого (в классической физике) Максвелл и создал. В этой теории Максвелл обобщил все известные к тому времени факты макроскопической электродинамики и впервые ввёл представление о токе смещения, порождающем магнитное поле подобно обычному току (току проводимости, перемещающимся электрическим зарядам). Максвелл выразил законы электромагнитного поля в виде системы 4 дифференциальных уравнений в частных производных (уравнения Максвелла).

Общий и исчерпывающий  характер этих уравнений проявился  в том, что их анализ позволил предсказать многие неизвестные до того явления и закономерности.

Так, из них следовало  существование электромагнитных волн, впоследствии экспериментально открытых Г. Герцем. Исследуя эти уравнения, Максвелл пришёл к выводу об электромагнитной природе света (1865 г.) и показал, что скорость любых других электромагнитных волн в вакууме равна скорости света.

Он измерил (с большей  точностью, чем В. Вебер и Ф. Кольрауш в 1856 году) отношение электростатической единицы заряда к электромагнитной и подтвердил его равенство скорости света. Из теории Максвелл вытекало, что электромагнитные волны производят давление.

Давление света  было экспериментально установлено  в 1899 П. Н. Лебедевым.

Теория электромагнетизма  Максвелл получила полное опытное подтверждение и стала общепризнанной классической основой современной физики.

В исследованиях по молекулярно-кинетической теории газов (статьи "Пояснения к динамической теории газов", 1860 г., и "Динамическая теория газов", 1866 г.) Максвелл впервые решил статистическую задачу о распределении молекул идеального газа по скоростям (распределение Максвелла). Максвелл рассчитал зависимость вязкости газа от скорости и длины свободного пробега молекул (1860), вычислив абсолютную величину последней, вывел ряд важных соотношений термодинамики (1860). Экспериментально измерил коэффициент вязкости сухого воздуха (1866). В 1873-74 гг. Максвелл открыл явление двойного лучепреломления в потоке (эффект Максвелла).

Максвелл был крупным  популяризатором науки. Он написал ряд статей для Британской энциклопедии, популярные книги - такие как "Теория теплоты" (1870), "Материя и движение" (1873), "Электричество в элементарном изложении" (1881), переведённые на русский язык. Важным вкладом в историю физики является опубликование Максвеллом рукописей работ Г. Кавендиша по электричеству (1879) с обширными комментариями.

Учение  об электромагнетизме  и свете

С середины XIX столетия неустанно строился фундамент, на котором  могло быть возведено здание физики XX века. При этом не обошлось без изменения проектов. Основные положения естественных наук либо утрачивали свою всеобщность, либо опровергались. Привычные убеждения, считавшиеся незыблемыми, рушились.

Во главе исследователей, которые, подобно архитекторам, решающим образом участвовали в перестройке фундамента физики нашего времени и заново возвели отдельные “этажи” здания, стоит Джеймс Клерк Максвелл, один из гениальнейших мыслителей в истории развития физики, охвативший в своих исследованиях физику во всех ее разделах.

Заслуги Максвелла как исследователя относятся к областям физиологического учения о цвете, кинетической теории теплоты и электромагнитной теории света.

Одновременно с  Гельмгольцем Максвелл исследовал законы цветового зрения. Как предшественник австрийца Больцмана и американца Гиббса, он обосновал статистическое понимание кинетической теории газа. Его величайшей заслугой, однако является математическая разработка нового учения о магнетизме, электричестве и свете. Его достижения, по словам Планка, должны быть отнесены к “величайшим, изумительнейшим подвигам человеческого духа”.

Когда Максвелл начинал  свой путь физика, в сознании естествоиспытателей  повсеместно и неколебимо царили законы ньютоновской механики. Все  естественные явления старались  объяснить с помощью простых механических законов движения в пространстве.

Подъем физики, связанный  с открытием закона сохранения и  превращения энергии, обеспечил  в середине XIX века механистическому пониманию природы новую надежную поддержку. “Только механическое понимание  является наукой”, – заявлял берлинский физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон. Нечто подобное писал и Гельмгольц: “Конечная цель всего естествознания – раствориться в механике”.

Программе этого воззрения  на природу, впервые изложенного  в манускриптах Леонардо да Винчи, в  трудах Галилея и философски обоснованного Декартом, законченную форму придал Роберт Гук 1676 году в своем знаменитом произведении “О природе тяготения” .

Гениальный голландский  физик Христиан Гюйгенс, современник  Гука, пытался охватить природу света  своей теорией световых волн. Он предположил, что свет существует в виде продольных колебаний, которые распространяются в веществе, состоящем из мелких частиц, во все стороны от источника возбуждения, подобно звуку в воздухе.

Во всяком случае, сторонники Гюйгенса тщетно старались противопоставить его волновое представление корпускулярной теории света, которая поддерживалась высоким авторитетом Ньютона; это особенно показательно как пример тормозящего влияния, которое может оказать в науке большой авторитет. Борьба между корпускулярной и волновой теориями позднее повторилась и при объяснении других видов излучения.

Волновая теория света  смогла победить только после того, как английский врач и физик Томас  Юнг и французский естествоиспытатель и инженер Огюстен Френель  в первых десятилетиях XIX века придали ей иной облик.

Юнг и Френель исходили из того, что свет распространяется не в виде продольных колебаний, подобных колебаниям воздуха во время игры на флейте, а в виде поперечных колебаний, подобных колебаниям скрипичной струны. С колебаниями такого рода связаны оптические явления поляризации, дифракции и интерференции света, которые не поддавались объяснению на основе ньютоновской корпускулярной теории света.

Гипотетическая основа световых колебаний (механический носитель волн света) стала со времени Гюйгенса называться световым эфиром, или, короче, эфиром.

Поскольку свет представляли себе в виде продольных волн, можно  было вообразить эфир как разреженный  газ. Если же распространение света  предполагалось в форме поперечных волн, тогда следовало эфир мыслить как твердое упругое тело. При весьма малой плотности он должен быть тверже, чем сталь и алмаз. Одновременно световому эфиру приписывали полнейшую проницаемость, с тем, чтобы небесные тела могли двигаться сквозь него без помех, как они это и делали со всей очевидностью. Эфир должен был обладать инерционной массой, но не мог иметь гравитационной массы.

Все эти свойства в  то время не могли быть охвачены теорией. Таким образом, эфир представлял  собой весьма загадочное явление и был предметом постоянных поисков физического мировоззрения, ибо он упорно сопротивлялся любой попытке механического осмысления.

Радикальный удар по физике нанес релятивизм математиков  Пуанкаре и Эйнштейна в начале XX столетия, которые отказались при  изложении законов электродинамики от эфира. В результате произошло искажение и торможение развития физики на целое столетие. Однако первые и важные шаг на пути к истинной физической картине природы на основе эфира сделал еще Максвелл, создав электродинамическую теорию света.

У Максвелла было два  предшественника, на исследования которых  он опирался: Эрстед и Фарадей.

Ганс Христиан Эрстед, датский врач и естествоиспытатель, в первой половине XIX века был профессором  физики в Копенгагене. В 1820 году, во время эксперимента, сопровождавшего лекцию, он впервые заметил магнитное действие электрических токов. Таким образом, он стал первооткрывателем электромагнетизма. Это открытие имело большое научное и техническое значение. Оно привело к изобретению электромагнитного телеграфа и в дальнейшем к созданию электромотора.

Другой физик, Майкл  Фарадей, сын кузнеца и естествоиспытатель-самоучка, ставший профессором Королевского института в Лондоне, считается  одним из самых изобретательных  экспериментаторов в истории  точных естественных наук. Максвелл исходил непосредственно из его опытов.

К достижениям Фарадея  в области физической химии в  числе прочих относятся обнаружение  законов электролиза, исследование сжижения газов и открытие бензола, важного углеводородного соединения. Его наблюдения явлений, происходящих при достаточно высоком напряжении переменного тока на электродах в вакуумной трубке, создали предпосылку для работы с катодными лучами, сыгравшими столь важную роль в становлении современной физики.

Но наибольшее значение впоследствии приобрели исследования Фарадеем электромагнитной индукции. В 1831 году, через 11 лет после наблюдения, сделанного Эрстедом, в результате долгих поисков он открыл в обратном порядке эту природную закономерность. Еще в 1822 году, за два десятилетия до исследования процессов превращения энергии Робертом Майером, он записал в свой лабораторный дневник: “Превращаю магнетизм в электричество”. Но только при пятой попытке ему действительно удалось осуществить этот замысел.

Если Эрстед узнал, что переменное электрическое поле вызывает магнитное действие и создает магнитное поле, то Фарадей нашел, что временное изменение в магнитных полях создает в проводниках электрический ток. Это открытие сделало возможным производство электрического силового тока. На нем основано действие динамо-машины и все последующее развитие электротехники.

Но и как физик-теоретик английский исследователь завоевал славу первопроходца. Фарадей в  высшей степени обладал способностью делать впечатляюще наглядными результаты своих исследований при помощи геометрическо-механических моделей. Путем объединения явлений электричества и упругости он пришел к понятию “силовые линии”. Фарадей с пластической ясностью представлял себе действие электрических сил от точки к точке в пространстве между ними, в их “силовом поле”. “Сами электрические и магнитные силы, – писал Генрих Герц в 1889 году, – были для него чем-то существующим реально, действительным, ощутимым; электричество, магнетизм были для него вещами”.

Причина возникновения  электрических сил лежала, по мнению Фарадея, в процессах, происходящих в пространстве между телами. При поисках признаков различий между намагниченными предметами ему удалось доказать, что все вещества, считавшиеся до тех пор немагнитными, под действием большой магнитной силы обнаруживают явные следы намагниченности. Точно так же он смог доказать, что все считавшиеся надежными изоляторы изменяются под действием электрических сил. Выяснилось, что между проводниками и непроводниками различие не принципиальное, а лишь количественное.

Эти экспериментальные  открытия привели к тому, что Фарадей, как физик, мыслящий строго эмпирически, признающий только факты, которые можно  наблюдать, отверг представление об электрических силах дальнодействия.

На основе своего представления  о силовых линиях Фарадей предполагал уже примерно в 1845 году глубокое родство электричества и света. Эта мысль была необычайно смела для того времени, но она была достойна исследователя, который считал, что только тот находит великое, кто исследует маловероятное. Фарадей, таким образом, пришел к мнению, что учение об электричестве и оптика, стоявшие тогда рядом, но еще не связанные между собой, взаимосвязаны и образуют единую область.

Фарадей, однако, не обладал  математическим образованием. Говорили, что он не мог даже возвести в квадрат бином. Таким образом, он был не в состоянии изложить результаты своих исследований при помощи обычных математических средств, он мог охватить их лишь качественно. Формально это являлось очевидным недостатком, но содержанию все-таки в данном случае не наносило ущерба. Отсутствие академически-математической подготовки, по мнению Планка, спасло Фарадея от предубеждений, порождаемых математическими и астрономическими источниками, которые в то время неблагоприятно влияли на многих значительных исследователей.

Работы Фарадея  стали исходным пунктом исследований Максвелла.

Как сказал Гельмгольц в 1881 году в своей известной лондонской “Лекции о Фарадее”: “Необходим был Клерк Максвелл – другой человек, столь же глубокий и своеобразный в своих воззрениях, – чтобы возвести в общепринятых формах систематического мышления то великое здание, план которого Фарадей начертил в своем уме, которое он так ясно представлял себе и которое он старался вызвать перед глазами своих современников”. Заслуга Максвелла состоит в конечном счете в математической разработке идей Фарадея о магнетизме и электричестве.

“Перед мысленным  взором Фарадея представали силовые  линии, пронизывающие все пространство, там, где математики видели лишь центры притяжения сил дальнодействия”, – писал Максвелл. “Фарадей искал носитель, ту физическую среду, в которой происходят электрические явления; этого оказалось достаточно, чтобы найти закон разности потенциалов, действующих на электрическую жидкость (Во времена Фарадея электрический ток представлялся в виде особой электрической жидкости.). Когда я перевел идеи Фарадея так, как я их понимал, в математическую форму, я нашел, что оба метода, в общем, ведут к одинаковым результатам, но что некоторые открытые математиками методы могут быть гораздо лучше выражены по способу Фарадея”.