О ввеликих людях:
Великие мысли Максвелла не были случайностью: они естественно вытекали из богатства его гения; лучше всего это доказывается тем обстоятельством, что он был первооткрывателем в самых разнообразных отраслях физики, и во всех ее разделах он был знатоком и учителем.
М. Планк
Наука захватывает нас только тогда, когда, заинтересовавшись жизнью великих исследователей, мы начинаем следить за историей развития их открытий.
Дж. К. Максвелл
1.
Его отец, Джон Клерк Максвелл, принадлежал к уважаемому шотландскому роду Клерков из Пеникуика. Среди представителей этого рода были горнопромышленники, купцы, политические деятели, музыканты, поэты, судьи... Членом коллегии адвокатов числился и сэр Джон, но, по его словам, он «питал неприязнь к грязным адвокатским делишкам» и юриспруденцией фактически не занимался.
Его молодость прошла в Эдинбурге, бывшем средоточием культурной жизни Шотландии. Сэр Джон любил путешествовать, вел дневники наблюдений, с интересом следил за развитием промышленности и за техническими новшествами (особенно в области паровых машин). Он посещал заседания Эдинбургского королевского общества (куда на особо отведенные места допускались все желающие) и даже опубликовал (в год рождения сына) научную статью прикладного характера. Но при всем том это был человек с ленцой, и ни в одном из своих ученых начинаний он не преуспел. С годами у него все усиливалась тяга к деревенской жизни, которую разделяла и жена. Когда умерла их маленькая дочь, они решили покинуть Эдинбург.
13 июня 1831 г., еще до переезда в деревню, у них родился сын Джеймс.
В свое время Джон Клерк унаследовал на юге Шотландии старое, заброшенное поместье Миддлби, а с ним и вторую свою фамилию — Максвелл. Поместье находилось на западном побережье в двух днях езды от столицы и состояло из фермы и вересковой пустоши. Построенный но проекту хозяина двухэтажный из темно-серого камня дом стоял на возвышенности, около того места, где ручей, вытекавший из торфяника, впадал в речку Вода Урра.
Миддлби стал называться Гленлейр, что значит «берлога в узкой лощине».
Через несколько лет мать Джеймса в присущей ей юмористической манере писала сестре: «Мастер Джеймс — счастливейший мужчина, у него по горло работы с дверями, замками, ключами. Кроме того, он исследует изгороди, течение ручьев, путь воды из пруда в Воду Урра, а затем в море, где плавают корабли...»1. Льюис Кемпбелл, друг и биограф Максвелла, сообщает, что одним из самых первых воспоминаний Джеймса было такое: он лежит возле дома в траве и с изумлением рассматривает солнце.
Однажды ему дали поиграть с новой оловянной тарелкой. Выбежав во двор, он, ликуя, возвестил: «Это солнце, папа! Я поймал его в оловянную тарелку!».
С годами Джеймс превратился в смелого и очень ловкого мальчика. Он лазал по деревьям, удил рыбу, а в играх отличался неистощимой изобретательностью. Практичный отец снабдил его особым шестом-ходулей. И Джеймс быстро наловчился прыгать через изгороди и ручьи, взбираться на обрывы и крыши. Он всегда был чем-нибудь занят, очень любил переделывать вещи, улучшать их, мастерил игрушки, рисовал, плел из лозы корзинки. Он научился вышивать и вязать, сам придумывал и рисовал узоры. У него был точный глаз и на редкость умелые руки. Так начинался будущий великий экспериментатор.
Мальчик любил мечтать, но при том был очень наблюдателен. Природа всегда производила на него глубокое впечатление. «Как? почему? зачем?» — он буквально осаждал окружающих своими вопросами. Он присматривался к цветам и оттенкам. («Этот камень синий, но откуда известно, что он — синий?») Он наблюдал за повадками животных, переносил с места на место осиные гнезда, мог часами смотреть, как прыгают и плавают лягушки. Чтобы лучше расслышать «тихие голоса» лягушат, он брал их в рот. Он испытывал какую-то особую нежность ко всему живому и сохранил ее навсегда. Так складывался будущий великий естествоиспытатель.
Вскоре он пристрастился к чтению. Они с матерью читали Библию, Мильтона, распевали псалмы и баллады. Так в Джеймсе пробуждался поэт.
В декабре 1839 г. Джеймс потерял мать, но тем больше укрепилась его дружба с отцом. Сэр Джон с удовольствием и с практической основательностью хозяйничал в своем имении. Он не прочь был пофилософствовать, любил шутку и острое словцо. Вещи, сделанные его руками или по его указаниям, были грубоваты и долговечны. Много внимания он уделял и воспитанию сына. В летние дни тот на своем пони повсюду следовал за фаэтоном отца. Он наблюдал, как грузят на телегу снопы, как работают машины и механизмы. Навещая Пеникуик, принадлежавший старшему брату сэра Джона, они с отцом обязательно посещали соседнюю бумажную фабрику.
К университету Джеймса хотели готовить дома. Но осенью 1841 г. отец решил определить сына в Эдинбургскую академию — учебное заведение типа классической гимназии.
Первые школьные годы были для Джеймса мучительны. После сельского приволья все в академии было ему постыло. В младших классах сидело по шестьдесят сорванцов, справиться с которыми учителям едва удавалось. Для арифметики у Джеймса, как говорили, не хватало находчивости. Да и вообще он не мог похвалиться успехами, к занятиям относился скептически, а кроме того, много болел. К пятому классу он выучил восемьсот неправильных греческих глаголов и научился сочинять латинские стихи. Интерес к учебе у него пробуждался медленно. Известный английский физик Питер Тэт, шедший классом ниже, вспоминал потом, что товарищи считали Максвелла застенчивым и тупым. В свободное время, избегая шумных компаний, он читал старинные баллады, Дрейтона, Свифта, декламировал Бернса, рисовал какие-то диаграммы и конструировал механические модели. В пятом классе стали проходить геометрию, и он вдруг увлекся. Он сообщал отцу: «Я сделал тетраэдр, додекаэдр и два других эдра, названия которых еще не знаю».
Геометрия словно бы расковала силу его ума. Максвелл становится не просто первым, а блестящим учеником академии. Один из его товарищей рассказывает: «Я помню... наш учитель трижды заполнил черную доску решением одной сложной задачи по стереометрии; едва он успел закончить, как Максвелл задал вопрос: а нельзя ли эту задачу решить геометрическим путем? И показал, как при помощи одной фигуры и нескольких линий немедленно получалось решение».
Скучая без сына, сэр Джон частенько наезжал в Эдинбург. 12 февраля 1842 г. они с Джеймсом осматривали новинку — электромагнитную машину. Они бывали на строящейся железной дороге, в порту. Иногда отец водил сына на заседания Эдинбургского королевского общества и на ученые собрания других обществ. Однажды говорили о форме этрусских погребальных урн; был затронут вопрос — как построить совершенно правильный овал? Джеймс заинтересовался задачей и остроумно решил ее. Попутно он придумал простое устройство для вычерчивания овальных кривых и эллипсов при помощи куска связанной нити и двух втыкаемых в картон (в точках фокусов) булавок; этот способ употребляется и поныне. Свое сочинение Джеймс назвал «О черчении овалов и об овалах со многими фокусами». Подростка в гимназической курточке немыслимо было выпустить на кафедру перед чопорным ученым собранием. Поэтому о работе юного Максвелла доложил профессор Форбс. Это произошло 16 апреля 1846 г. Сэр Джон записал в своей памятной книжке: «Он был выслушан с большим вниманием, сообщение всесторонне обсуждено и одобрено». Реферат работы вскоре был опубликован в «Трудах» общества.
2.
В то время Максвелл уже всерьез интересовался наукой; особенно занимали его магнетизм и поляризация света. В последнем, пожалуй, повинен Вильям Николь, профессор Эдинбургского университета, в 1828 г. изобретший прибор для линейно поляризованного света («призма Николя», или просто «николь») — две срезанные наискосок и склеенные турмалиновые призмы.
Как-то дядя Джеймса, Роберт Кей, взял племянника и Льюиса Кемпбелла в гости к Николю, который показал им несколько опытов с поляризованным светом. После того Джеймс сконструировал полярископ и занялся исследованием фигур, получающихся при просвечивании кусков неотожженного стекла и кристаллов. Наиболее интересные фигуры он нарисовал акварелью и послал Николю. В ответ ученый подарил ему пару призм, собственноручно им изготовленных. Они Максвеллу долго потом служили.
Академию он не стал кончать: осенью 1847 г., по совету Николя, Форбса и других профессоров, он был отдан в Эдинбургский университет.
В английских университетах еще жива была традиция предоставлять студентам большую свободу в организации своего обучения. Студенты имели возможность выбирать учебные предметы, следуя собственным склонностям. Но свобода в деле обучения — это одно, второе и главное — это желание и умение по-деловому ее использовать. Максвелл увлекается опытами по оптике, химии, магнетизму, штудирует книги по механике и физике, много времени проводит в математических размышлениях. Мисс Кей, его тетке, нередко за столом приходилось восклицать: «Джеймси, ты опять погрузился в математику!».
Видя непреодолимую тягу сына к науке, сэр Джон предложил устроить в Гленлейре физико-химическую лабораторию. Теперь, приезжая на каникулы, Джеймс не прерывал занятий. В марте 1850 г. он писал одному из друзей: «Я прочел «Лекции» Юнга, «Принципы механики» Уиллиса, «Технику и механику» Мозли, «Теплоту» Диксона и «Оптику» Муаньо... У меня имеются кое-какие намерения относительно кручения проволок и стержней, но привести их в исполнение не удастся до каникул; с количественными результатами экспериментов по сжатию стекла, желатина и т. п. дело сделано; далее идут вопросы о связи между оптическими и механическими постоянными, о желательности их определения и т. д., затем висячие мосты, цепные линии, упругие кривые».
Максвелл углубился в теорию упругости. Вскоре он (и на сей раз уже сам) прочитал перед Королевским обществом доклад «О равновесии упругих тел». Он доказал важную в теории упругости и в строительной механике теорему (потом она стала называться теоремой Максвелла) и занялся исследованием вращения твердого тела. Эту серьезную работу, включая оптический метод анализа напряжений в поляризованном свете, он выполнил на пороге своего 19-летия.
3.
Эдинбургский университет Максвелла уже не удовлетворял, он его перерос — хотелось вырваться в мир более широкий. Кстати, это ему советовали и Форбс, и Вильям Томсон (будущий лорд Кельвин), с которым Джеймс познакомился в Глазго, и Кемпбелл.
Осенью 1850 г. он решил перейти в Кембриджский университет: сначала, в течение полугода, учился в Петерхаусе, а затем в знаменитом Тринити-колледже, откуда вышли многие английские физики, в том числе Ньютон, и который славился высоким уровнем преподавания математических дисциплин.
Англия — страна традиций. В Тринити-колледже сохранился не только прежний уклад жизни. Физику по старинке именовали «натуральной философией», и как самостоятельная наука она не преподавалась. Оптика была частью математики, а некоторые главы теплоты входили в химию.
Питер Тэт, перешедший из Эдинбургского университета в тот же Тринити-колледж двумя годами ранее, вспоминает, что в Кембридж Максвелл прибыл с огромным запасом знаний, однако эти знания «находились в состоянии такого беспорядка, что это привело в ужас его руководителя-методиста» У. Гопкинса, одного из лучших репетиторов колледжа. Он готовил Максвелла к специальному экзамену по математике и быстро распознал таланты этого несколько эксцентричного шотландца. «Это был самый экстраординарный человек, которого я когда-либо видел,— вспоминал Гопкинс — Он органически был неспособен думать о физике неверно».
Помимо математики, Максвелл изучает механику, астрономию, физику. В учебных курсах, естественно, излагались господствовавшие тогда физические теории. Но Максвелл не оставляет без внимания и противоположные им учения, проявляя в этом большую самостоятельность. 20 февраля 1854 г. он сообщает Вильяму Томсону о своем намерении «атаковать электричество». Он начал изучать «Экспериментальные исследования по электричеству» Фарадея и был покорен их глубиной и мощью. «Я решил,— писал он,— не читать ни одного математического труда из этой области, покуда не изучу вполне основательно "Экспериментальных исследований по электричеству"». Учение Фарадея не только определило направление деятельности молодого Максвелла, но и привело его вскоре к величайшим открытиям столетия.
Кембридж славился богатой библиотекой. Максвелл много и жадно читает. Читал он быстро, легко схватывая содержание и так же легко переключаясь с предмета на предмет; у него была прекрасная память. Монтень сказал: самые лучшие дарования губятся праздностью. Максвелл отличался прилежанием и работоспособностью. При незаурядном уме это сулило многое. Прочитанные им книги далеко выходят за рамки учебной программы. Немало тут и философских, и художественных произведений.
Максвелл с интересом участвовал в общественной жизни Кембриджа. Он оказался веселым и остроумным собеседником, неистощимым на выдумки, никогда не устававшим от проказ и шуток, проповедником разного рода теорий, подчас казавшихся странными. Необычен и его режим дня тех лет. Спал он в два приема. Первый сон — от пяти до половины десятого вечера. С десяти до двух часов ночи он занимался. Затем делал получасовую разминку — бегал (к неудовольствию тех, у кого чуткий сон) по коридорам и лестницам жилого корпуса. От половины третьего до семи он снова спал. Он считал, что такой режим помогал ему поддерживать здоровье, которое у него оказалось не очень хорошим: он довольно часто болел, начала развиваться близорукость.
Летом 1850 г. Джеймс отправился в Бирмингам навестить друга. Вдогонку отец прислал письмо, содержавшее обширнейшую программу действий. «Ознакомься, если можешь,— писал он,— с работой оружейников, производством пушек и с их испытаниями, с производством холодного оружия и его испытанием; с папье-маше и лакированием; с серебрением путем цементации и путем накатки; с серебрением электрическим способом — на заводе Эклингтона; с плавкой и штампованием — на заводе Брэзиера; с обточкой и изготовлением чайников из белого металла и т. п.; с производством пуговиц различных сортов, стальных перьев, иголок, булавок и всевозможных мелких предметов, которые очень интересно изготовляют путем разделения труда и при помощи остроумных инструментов; к местной промышленности относится и производство разных сортов стекла, а также и литейное дело всех видов, производство машин, инструментов и приборов (оптических и научных), как грубых, так и тонких».
Это письмо свидетельствует не только о том, что шотландский лендлорд всерьез и глубоко интересовался техническим прогрессом, но и о том, как высоко он ценил деловые качества сына. Нет сведений, сколь полно сын выполнил поручение отца, но известно, что начал он со стекольного производства и, видимо, не без личного своего к тому интереса.
В январе 1854 г. Максвелл держал экзамен, к которому его готовил Гопкинс, и занял второе место, что было совсем неплохо. Кончив университет и получив степень магистра, Максвелл был оставлен в качестве члена Тринити-колледжа для подготовки к профессорскому званию. Он читал лекции по гидравлике и оптике, а в свободное время завершал свои прежние эксперименты по теории цветов. Он выступал как продолжатель теории Юнга, его теория была близка к теории трех основных цветов Гельмгольца. Изучая смешение цветов, Максвелл применил особый диск (волчок), разделенный на секторы, окрашенные в различные цвета («диск Максвелла»). При быстром вращении диска создавалось впечатление, что цвета смешивались: если диск был закрашен так, как расположены цвета спектра, он казался белым; если одну половину его закрашивали красным, а другую желтым — он казался оранжевым; смешение синего и желтого создавало впечатление зеленого. Различные комбинации давали различные оттенки. Все было просто и убедительно. Несколько позже Максвелл с успехом демонстрировал этот прибор на своих лекциях в Королевском обществе.
В ту пору Максвелл разрабатывал свой метод исследований. Жизненность метода определяется тем, дает ли он возможность ученому находить новые пути в познании законов природы. Жизненность своего научного метода Максвелл подтвердил мемуаром «О фарадеевых силовых линиях» (1855 — 1856) — первой из его основных работ по электромагнетизму. Он уже не только владел оригинальным методом, но был вполне сложившимся исследователем — исследователем-философом. Замечательно введение к этой работе: в нем Максвелл изложил свою научную программу — глубоко продуманную, с далеким прицелом. Об этом введении Людвиг Больцман впоследствии писал: «Оно показывает, как мало обязан он был случайности в своих позднейших открытиях; более того, оно показывает, что он работал по хорошо обдуманному заранее плану. Подобный план грезился, может быть, и другим великим исследователям, но немногие из них сознавали его так ясно и имели достаточно искренности, чтобы заранее разъяснить его так просто»2.
4.
Узнав из письма профессора Форбса, что в Маришаль-колледже Абердинского университета есть вакансия профессора кафедры натуральной философии, Максвелл решил попытать счастья. В апреле 1856 г. он получил эту кафедру.
Абердин — шотландский портовый город на Северном море с очень богатым историческим прошлым.
Ни в одном университете Англии отдельной кафедры физики тогда еще не было, но, как считалось, в шотландских университетах физика несколько ранее получила «права гражданства». Кроме того, Максвеллу хотелось быть ближе к отцу, здоровье которого все ухудшалось. Но сэр Джон не дожил до переезда сына: 2 апреля он скончался.
Лекционная нагрузка Максвелла в Абердине была небольшой. Как выяснилось, кафедра физики уже довольно давно прекратила здесь свое существование, и Максвеллу предстояло ее возродить. Много времени отнимали у него и заботы о доставшемся ему в наследство Гленлейре.
За преподавание Максвелл взялся горячо, однако нельзя сказать, что он преуспевал: ни в молодости, ни позже он не был блестящим лектором. Ему был свойствен особый юмор, в котором были и эксцентричность, и гротеск, и непрямая, с намеками и игрой слов, манера выражать свои мысли. Но едва дело доходило до существа предмета, речь Максвелла становилась точной, ясной, совершенно простой и лишенной эмоций. Таким был и стиль его сочинений. Однако в его лекциях содержалось столько сложных вещей, и до таких глубин любил он докапываться, что многих этим отпугивал. А экзаменовал он строго. В общем, ему трудно было поддерживать мир с теми, кто не возвышался над средним уровнем. Зато для тех, кто любил трудности и не боялся работы мысли, лучшего учителя не было.
Весной 1857 г. Максвелл решился наконец заявить о себе Фарадею, своему кумиру. К статье «О фарадеевых силовых линиях», которую он направил ему, было приложено почтительное письмо. Не избалованный вниманием маститый ученый был глубоко тронут. «Я не благодарю Вас за то, что Вы сообщили о силовых линиях,— писал он в ответ,— ибо Вы это сделали в интересах философской правды и из любви к ней. Но... Ваша работа приятна мне и дает мне большую поддержку...» Фарадея поразила мощь таланта юного своего последователя и то, какой силой была в его руках математика. С этого началась их переписка, много давшая им обоим.
А в феврале следующего года Максвелл сообщил своей тетке, мисс Кей, что собирается жениться. «Не бойтесь,— шутил он,— она не математик... Но она, разумеется, не станет и помехой для моей математики». Он не ошибся. Напротив, Кетрин Мери Дьюар, дочь главы Маришаль-колледжа, ставшая вскоре миссис Максвелл, помогала ему в работе, когда это позволяло ей здоровье. Мемуаристы отмечают, впрочем, что «миссис Максвелл была женщиной трудной».
5.
Когда Кембриджский университет объявил конкурс на работу об устойчивости колец Сатурна, Максвеллу захотелось принять в нем участие. К астрономии у него была давняя любовь. В Гленлейре сохранилась своеобразная и явно домашнего изготовления игрушка: карта звездного неба, разнимающаяся на части. На месте звезд (в соответствии с их звездной величиной) были вырезаны разного диаметра отверстия. Если позади ставили свечу, игрушка оживала. Кроме того, Джеймс с отцом изготовили солнечные часы, по которым (и это надолго стало обычаем) в доме регулировались все другие часы.
Работа об устойчивости колец Сатурна заняла у Максвелла почти два года, вплоть до 1859-го. Кольца Сатурна были открыты Галилеем в начале XVII в. и представляли собой удивительную загадку природы. Лаплас доказал, что они не могут быть твердыми. «Не жидкие ли они?» — предположил Максвелл. Но в таком случае, как показывал математический анализ, они разделились бы на капли. Следовательно, подобная структура может быть устойчивой только в том случае, если она состоит из роя несвязанных между собой мелких частиц. Королевский астроном Эри назвал эссе Максвелла, изложенное на 68 страницах, одним из замечательнейших приложений математики. (Теоретическое решение Максвелла со временем было подтверждено спектроскопическими исследованиями Белопольского и Килфа.) Молодой ученый, которому была присуждена премия Адамса, неожиданно «становится лидером математических физиков».
Исследование колец Сатурна пробудило интерес Максвелла к кинетической теории газов. В этой области переплетались такие важнейшие идеи века, как механическая теория теплоты, принцип сохранения энергии, атомистика. С момента своего возникновения кинетическая теория газов опиралась на представления о дискретном строении тел и о хаотическом движении дискретных частиц, составляющих газообразные тела.
Углубление в высокую теорию не притупило живого интереса Максвелла к насущным проблемам техники. В промышленности тогда все шире применялся пар, росло число паровых машин, но неизвестно было, каким в точности законам он подчиняется в их цилиндрах. А с этим, в частности, была связана проблема коэффициента полезного действия. Максвелл называет своих предшественников в деле изучения газовых законов, это — Даниил Бернулли, Джоуль, Крениг и особенно Клаузиус, термодинамические исследования которого, собственно, и вдохновили Максвелла на работы в этой области. Но до Максвелла для упрощения математических выкладок полагали, что частицы (молекулы) газа движутся по трем взаимно перпендикулярным направлениям с одинаковой скоростью (А. Крениг) или с одной и той же средней скоростью, но без взаимного столкновения (Р. Клаузиус). Правда, в ответ на критику, Клаузиус ввел понятие средней длины свободного пробега молекулы, но первоначально он исходил из самых простых предположений: идеальный газ состоял из неподвижных молекул, равномерно распределенных, а с постоянной средней скоростью двигалась только одна молекула.
Все эти допущения Максвелл отверг как нереальные и предложил свой закон распределения газовых молекул. Столкновения молекул друг с другом придают им различную скорость. В случае газа, изолированного от воздействия внешних сил, его молекулы распределены по скоростям группами. Невозможно вычислить скорость отдельных молекул газа, но можно вычислить скорость группы. Как это сделать? Основываясь на положении теории вероятностей, он ввел в кинетическую теорию статистический метод, который потом получил название распределения по скоростям газовых молекул («распределение Максвелла»). Вопрос о длине свободного пробега молекул газа он рассматривал, основываясь на предположении, что их скорость не равна некоей средней, а распределена по найденному им закону, что явилось важным этапом в развитии кинетической теории газов. Максвелл, говорит Планк, «поставил вопрос о величине скорости отдельной, произвольно взятой молекулы, и ответ на этот вопрос стал основой новой отрасли науки — статистической физики».
Однако в то время не могли экспериментально доказать правильность подобных выводов, да и представления о молекулах и законах их движения были весьма гипотетическими. Поэтому ученый обратился к своему излюбленному методу механических, или кинетических, моделей.
Одной из его первых кинетических моделей строения газа было представление о молекулах как об упругих телах конечных размеров (что не расходилось с общепринятыми тогда положениями). Затем он стал рассматривать молекулы как точечные центры, отталкивающиеся друг от друга пропорционально пятой степени расстояния.
Кинетической теории газов Максвелл посвятил две работы: «Пояснения к динамической теории газов» (1860) и «Динамическая теория газов» (1866). В них он, кроме того, рассчитал зависимость вязкости газа от скорости и длины свободного пробега молекул, вычислил абсолютную величину их свободного пробега и разработал теорию явлений переноса (внутреннего трения, диффузии, теплопроводности).
Прочитав максвелловское «Пояснения к динамической теории газов», Рудольф Клаузиус сказал: «Вот как нужно писать по теории газов!». А Столетов позже констатировал: «В работах Клаузиуса и Максвелла кинетическая теория газов получила высокую степень развития». Русский физик Н. Н. Пирогов, сын великого хирурга, впоследствии распространил закон распределения скоростей на многоатомные газы.
Иногда о Максвелле говорят как об ученом, строившем свои теории при помощи карандаша и бумаги. Это неверно. Никого так не раздражали «холодные и пустые абстракции», как Максвелла. Его главная черта (что проявилось уже в ранних работах) — органическое сочетание конкретного и абстрактного, умение мыслить наглядными образами при решении самой отвлеченной задачи, и отсюда — его стремление к геометрическим методам и кинематическим схемам. В этом он — типичное дитя своего времени, когда одни конструкции быстро сменялись другими, когда конструктивно-кинематические модели находились в центре внимания инженеров и ученых, когда дух классической механики пронизывал не только технику, но и физику. И это не случайно: механика, всесторонне и фундаментально к тому времени разработанная, была в полном смысле слова точной наукой. Поэтому физики и стремились свести к ней все физические проблемы, полагая, что в конечном счете все может быть объяснено механически. Это хорошо выразил Вильям Томсон: «...подлинный смысл вопроса — понимаем ли мы данную физическую проблему — определяется тем, можем ли мы сконструировать соответствующую механическую модель?»
Максвелл с детства любил механизмы и машины; став ученым, он увидел в них еще и механические модели, при помощи которых можно демонстрировать определенные принципы и законы. Естественно поэтому и обратное — его стремление представить вновь найденные принципы и законы в виде механических моделей и схем. Он никогда не ограничивался одной моделью, а давал их щедро, легко и как бы импровизируя, несколько, иногда — десятки: выбирайте, мол, ту, которая, по-вашему, наиболее близка к действительной сути явления. Они бывали и примитивны, бывали и грубоваты, но надо помнить, что модели Максвелла — это лишь варианты творческой мысли, наглядное ее отображение; они, предупреждал ученый, «должны пониматься как иллюстративные, а не объясняющие». И в этом — принципиально отличное от других физиков его отношение к механике: он искал в ней лишь внешнее сходство, аналогию, а не разгадку природы изучаемого явления. (Кстати сказать, метод моделей и аналогий получил широкое распространение и в современной науке.)
6.
За четыре абердинских года Максвелл с наилучшей стороны зарекомендовал себя в ученом мире. Было самое время перебираться в столицу, в Лондон, тем более, что в сентябре 1860 г. в Абердине произошло слияние двух колледжей, и Максвелл оказался «за штатом». Он занял место профессора натуральной философии в Кингс-колледже Лондонского университета. Кроме физики, он должен был читать там и астрономию.
Здесь он наконец встретился с Фарадеем. Великий ученый был стар и очень болен. Он давно жаловался на катастрофическую потерю памяти: «Моя голова так слаба, что я не знаю, правильно ли я пишу слова». Это почти лишало его возможности работать.
Однажды после лекции, заметив своего молодого друга в плотном кольце людей, Фарадей воскликнул: «Хе, Максвелл! Вы не можете выбраться?! Если кто и может пробраться сквозь толпу — так это вы, такой специалист по молекулярному движению!..» Фарадей полюбил Максвелла и с интересом следил за его работой.
Максвелл завязал знакомства и с другими физиками. «Работа — хорошая вещь, и чтение — тоже,— говорил он,— но лучше всего друзья!» Он умел распределять время таким образом, что знакомства, встречи, дружеские беседы и развлечения не мешали ему работать. Он говорил: «Человек, вкладывающий в работу всю свою душу, всегда успевает больше...»
Переезд в Лондон совпал еще с одним успехом Максвелла-ученого: за исследования по восприятию цветов и по оптике Лондонское королевское общество наградило его медалью Румфорда. С 1856 г. он состоял членом Эдинбургского королевского общества, а в 1861 г. был избран и членом Лондонского королевского общества.
Максвеллу шел 30-й год, талант его был в полном расцвете. В мае 1861 г. на лекции в Королевском институте он продемонстрировал первую в мире цветную фотографию — бант из разноцветных лент на фоне черного бархата. Правда, в современном смысле это еще не было цветной фотографией: цветное изображение давали, проецируясь на экран, три диапозитива — красный, зеленый, синий. Максвелл, признанный глава математической физики, становится «одним из главных авторитетов по цвету»; им опубликовано пять работ, относящихся к этой области (по физиологии цветного зрения, колориметрии, цветовой печати и цветной фотографии). Некоторые из них замечательны по тем экспериментальным приемам, которые в них использованы.
Навестивший несколько позже Максвелла Герман Гельмгольц писал жене в Гейдельберг: «Был темный дождливый день, но я все-таки поехал в Кенсингтон (район Лондона) к профессору Максвеллу. Он показал мне прекрасные приборы, относящиеся к учению о цветах — области, в которой я сам ранее работал... Он пригласил для меня коллегу, страдающего цветовой слепотой, профессора Поля, над которым мы делали опыты».
Максвелл потом скажет: «Чтобы вполне правильно вести научную работу посредством систематических опытов и точных демонстраций, требуется стратегическое искусство...» Сам он, как, быть может, никто тогда, владел таким искусством. Лаборатории в его распоряжении, по существу, не было. Но он жил в окружении приборов, причем дома у него их было даже больше, чем в колледже; одни были изготовлены им самим, другие — по его указаниям. Приборы служили ему еще и чем-то вроде игрушек: он придумывал забавные опыты, развлекался сам и развлекал других. С мыльными пузырями он манипулировал как заправский фокусник. Изучая смешение цветов, он часами выстаивал у окна, заглядывая в отверстие цветового ящика, похожего на черный гроб. Соседи думали, что ученый «свихнулся». Работы по измерению вязкости газов он проводил в большой мансарде своего дома. Необходимо было поддерживать постоянную температуру; на плите даже в жару кипели чайники, из которых внутрь «лаборатории» непрерывно струился пар. Хрупкая миссис Максвелл помогала мужу в качестве истопника.
Устойчивый интерес к практическим вопросам заставлял Максвелла продолжать работы по теории сооружений. Он, кроме того, деятельно участвовал как член комиссии в организации работ по определению единицы электрического сопротивления (эталона сопротивления) и по проверке закона Ома. В качестве материала для эталона был выбран сплав серебра и платины. Единица сопротивления получила название ом.
Измерениям Максвелл придавал огромное значение и даже в своих сугубо теоретических работах отводил большое место системам единиц, инструментам и методам измерений. Многие физики в точности измерений видели цель, конец работы, для Максвелла же это было средство для достижения определенной, иной, цели.
Лондонский период его жизни был плодотворным. Одна за другой выходят его работы. Он продолжает и те исследования, которые начаты были в юности. В 1861 — 1864 гг. он публикует вторую и третью из своих основных работ по электромагнетизму — «О физических линиях сил» и «Динамическую теорию электромагнитного поля». В эти годы Максвелл пришел к основным идеям в молекулярно-кинетической теории и в области электромагнетизма. Эти проблемы не только двигали науку XIX столетия, но сохранили свое значение и до сих пор.
7.
Работа в Кингс-колледже была более напряженной, чем в Абердинском университете. Девять месяцев в году читались лекции. Кроме того, по вечерам ученый читал физику мастеровому люду.
В сентябре 1865 г. Максвелл серьезно заболел. Врачи потребовали, чтобы он на время прекратил умственную работу. Плохим было и здоровье жены. Максвелл решает променять столицу на Гленлейр.
Выполняя волю отца, он перестраивает дом, занимается хозяйством, благоустраивает поместье, расширяет заложенный отцом сад. Он охотно навещает соседей, играет с их детьми (своих у него не было), ездит верхом, совершает длинные пешие прогулки. Вечера обычно посвящались чтению вслух, причем предпочтение отдавалось старым авторам — Чосеру, Мильтону, Шекспиру. Но Максвелл хорошо знал и современную ему литературу, особенно поэзию.
Весной он наезжал в Лондон на ученые совещания и на экзамены в Кембридж; в таких случаях он ежедневно писал жене.
Он вел большую переписку, изучал теологию, сочинял «каверзы» для конкурсных задач по математике, писал стихи.
Однако основное время он отдавал научному творчеству и в эти годы написал несколько сочинений по математике и физике и две книги — «Теорию теплоты» и «Трактат по электричеству и магнетизму», в которых подытожил и завершил свои основные теоретические исследования.
Теория электромагнетизма имела большую историю и до Максвелла. «Постоянное разгадывание законов электромагнетизма в течение последних полутора веков,— писал В. Брэгг,— является одним из самых удивительных достижений науки во все времена... путь был длинным и трудным. Но сами по себе основные принципы не трудны».
Изучение электромагнетизма началось в XVIII в. Максвелл констатировал: «...Кавендиш, Кулон и Пуассон — основатели точной науки об электричестве и магнетизме». (К ним, конечно, следовало бы причислить и Вольта.) В 1819 г. Эрстед открыл действие тока на магнитную стрелку, показав таким образом, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. До этого не знали, что между электричеством и магнетизмом есть какая-то связь. Вслед за тем Ампер установил, что провод с током обладает всеми свойствами магнита и «исследовал математические законы механического взаимодействия между электрическими токами», как отмечал Максвелл. Араго открыл способность тока намагничивать железо. Дэви объяснил, почему железные опилки, рассыпанные на листе картона, сквозь который перпендикулярно ему, проходит провод с током, располагаются вокруг провода по концентрическим кругам. Взаимодействие электричества и магнетизма таило в себе нечто необыкновенное. Ученый мир был взбудоражен.
Заинтересовался этим и ассистент Дэви, Майкл Фарадей. К своим опытам, составившим в науке эпоху, он приступил в 1821 г., но только через десять лет добился успеха — открыл электромагнитную индукцию.
Открытия Фарадея, Ленца, Ома обогатили науку. После изобретения телеграфа Роберт Оуэн писал: «Возможность передавать мысли людей на расстояние 200 тысяч миль в секунду представляет собой самое чудесное открытие в летописи всех народов». Но не было теории, в которой бы математически разрабатывались принципы электродинамики, и к тому же удобной для практических целей, а жизнь ее требовала.
В тот период завершающим этапом в развитии электромагнитных явлений стала теория Вильгельма Вебера, которая до поры до времени хорошо объясняла все известные электрические и магнитные явления. Когда же был установлен закон сохранения и превращения энергии, теория Вебера начала испытывать затруднения.
В объяснении притяжения и отталкивания электрических зарядов и магнитных полюсов господствовал так называемый принцип дальнодействия (actio in distans). Взаимное притяжение тел, удаленных подчас на огромные расстояния да еще разделенных непроводящей средой, казалось чем-то нереальным. Чтобы как-то найти объяснение, пространство заполнили вещественной средой — эфиром. При этом считалось, что действие и всемирного тяготения, и магнитоэлектрических сил распространяется мгновенно и без участия промежуточной среды. Все тогдашние теории (Неймана, Вебера, Грассмана и др.) базировались на принципе дальнодействия.
И лишь один Фарадей, отрицавший этот принцип, шел против течения. В его теории главное внимание было обращено на пространство, которым разделены взаимодействующие заряды или магнитные массы. Молодой Максвелл напишет потом Фарадею: «Вы — первый человек, которому пришла в голову идея о действии тел на расстоянии через посредство окружающей среды». Дж. Дж. Томсон замечает: «Фарадей был глубоко убежден в аксиоме или, если хотите, в догме, что материя не может действовать там, где ее нет». Поэтому существование эфира — упругой, непроводящей среды — он принимал. Через нее-то (быстро, но не мгновенно) и распространяется электрическое действие, последовательно от точки к точке, так что имеет место близкодействие.
Пространство, участвующее в передаче электрического действия, Фарадей назвал электрическим полем; оно пронизано потоками электрических и магнитных сил — силовых линий. Силовые линии окружают электрические заряды и магнитные полюса. «Фарадей, — писал Максвелл,— своим мудрым взором видел силовые линии, пронизывающие все пространство там, где математики видели центры сил, притягивающих на расстоянии; Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния; Фарадей предполагал источник и причину явлений в реальных действиях, протекающих в среде, они же были удовлетворены тем, что нашли их в силе действия на расстоянии, приписанной электрическим флюидам»3. Силовые линии сделали это пространство чем-то живым и вполне реальным. Фарадей считал, что понятие о силовых линиях должно раскрыть загадку природы взаимодействия магнетизма и электричества.
Теория Фарадея, однако, не была проста. Гельмгольц, например, вспоминает, как он «часами просиживал, застрявши на описании силовых линий, их числа и напряжения...» Фарадей не владел математическим методом и не делал поэтому попыток им воспользоваться. Он считал, что самые сложные вопросы можно изложить просто, не прибегая к «языку иероглифов». (Эйнштейн потом скажет о нем: «...ум, который никогда не погрязал в формулах».)
И что же получилось? В то время как теории адептов дальнодействия были блестяще математически обоснованы, гениальные фарадеевы «Экспериментальные исследования по электричеству», изложенные на языке «житейской логики», казались чем-то прикладным и пребывали вне «высокой науки». На практике, однако, открытия Фарадея использовались очень широко, но к ним, тем не менее, относились свысока, иронически сомневались: а можно ли вообще под такую теорию подвести математическую базу? «Когда Фарадей подтвердил свои гениальные физические идеи гениальнейшими открытиями в области электромагнетизма, — пишет Р. Милликен, — он этим не завоевал своим идеям даже минимального признания. Формалисты школы Ампера — Вебера, подобно современным формалистам школы Маха — Авенариуса, с тайным, а иногда и с явным презрением смотрели на «грубые материальные» силовые линии и трубки, порожденные плебейской фантазией переплетчика и лабораторного сторожа Фарадея».
Молодой Максвелл имел все основания заявить: «Современное состояние учения об электричестве представляется особенно неблагоприятным для теоретической разработки».
8.
Вот в этот-то момент Максвелл и начал сражение за теорию Фарадея.
Что же он сделал? Образно Милликен определил это так: «...облек плебейски обнаженное тело фарадеевских представлений в аристократические одежды математики».
В искусных руках Максвелла математика оказалась могучим средством. Раньше других это понял сам Фарадей. Прочитав присланную ему статью «О фарадеевых силовых линиях», великий физик в марте 1857 г. писал Максвеллу: «Сначала я даже испугался, когда увидел такую математическую силу, примененную к вопросу, но потом изумился, видя, что вопрос выдерживает это столь хорошо».
Для Максвелла математика была не самоцелью, а орудием познания. «Насколько возможно,— писал он,— я буду избегать вопросов, которые хотя и могут явиться предметом полезных упражнений для математиков, но не в состоянии расширить наших научных знаний». Вместе с тем Максвелл безоговорочно берет под защиту фарадеевский метод: «Для науки, возможно, пошло на пользу то, что Фарадей, владея в совершенстве основными понятиями пространства, времени и силы, не был профессиональным математиком. Он не стремился к тому, чтобы углубляться в многочисленные и интересные изыскания в области чистой математики, которые могли бы возникнуть на основе его открытий, если бы эти последние были облечены в математическую форму, и он не ощущал потребности ни в том, чтобы придать своим результатам форму, отвечающую математическим вкусам эпохи, ни в том, чтобы выразить эти результаты в таком виде, который позволил бы математикам заняться ими. Но тем самым он сохранил более широкую свободу для своей собственной работы, для согласования своих идей с открытыми им фактами и для выражения своих мыслей естественным, не техническим языком. Главным образом в надежде сделать его идеи основой математической теории я и предпринял написание этого труда»4.
Максвелл решительно отвергает версию о якобы «антиматематичности фарадеевского мышления». Он писал: «Приступив к изучению труда Фарадея, я установил, что его метод понимания явлений был также математическим, хотя и не представленным в форме обычных математических символов. Я также нашел, что этот метод можно выразить в обычной математической форме и таким образом сравнить с методами профессиональных математиков». И далее: «Я также нашел, что многие из открытых математиками плодотворных методов исследования могли быть значительно лучше выражены с помощью идей, вытекающих из работ Фарадея, чем в их оригинальной форме»5.
«Трактат об электричестве и магнетизме» («А treatise on electricity and magnetism») разделен на два тома, а каждый том — на две части; в первом томе — электростатика и электрический ток, во втором — магнетизм и электромагнетизм.
По характеру мышления Максвелл был геометром, поэтому ему была близка геометрическая модель Фарадея, который оперировал с электрическими и магнитными силовыми линиями. В работах В. Томсона и Гельмгольца получила завершение гидродинамическая модель трубок. Между этими двумя моделями Максвелл усматривал аналогию. Следуя, с другой стороны, по пути Ома, использовавшего гидродинамические образцы при установлении законов тока, Максвелл перенес эти образы в свое учение об электромагнетизме.
Еще в «Динамической теории поля» он писал: «Та теория, которую я предлагаю, может быть названа теорией электромагнитного поля, потому что она имеет дело с пространством, окружающим электрические или магнитные тела, и она может быть названа также динамической теорией, поскольку она допускает, что в этом пространстве имеется материя, находящаяся в движении, посредством которой и производятся наблюдаемые электромагнитные явления»6.
Свою задачу Максвелл видит в том, чтобы объяснить электромагнитные явления «при помощи механического действия, передаваемого от одного тела к другому при посредстве среды, занимающей пространство между этими телами». Эта среда — «эфирная субстанция», или просто эфир, но уже не световой эфир (как в оптике), а электромагнитный. Это был путь, указанный Фарадеем. Сосредоточив внимание на новом объекте — электромагнитном поле, Максвелл вывел электродинамику на столбовую дорогу науки.
9.
Еще в 20-х годах XIX в. стало известно, что магнитное поле возникает вокруг проводника, по которому проходит электрический ток («ток проводимости», по терминологии Максвелла). В гипотезе Максвелла утверждалось, что магнитное поле возникает и при отсутствии тока проводимости, если электрическое поле меняется во времени. Тем самым Максвелл утверждал, что существует явление, обратное явлению электромагнитной индукции и названное им магнито-электрической индукцией.
Если электрическое поле меняется в диэлектрической среде, равно и в вакууме, то изменение это вызывает смещение, т. е. движение зарядов, появляется так называемый «ток смещения». (Подобно Фарадею, Максвелл не считал вакуум пустотой в полном смысле слова.) Он говорит: «Это смещение не представляет собой настоящего тока, потому что, достигнув определенной величины, оно остается постоянным. Но это есть начало тока, и изменения смещения образуют токи в положительном или отрицательном направлении в зависимости от того, увеличивается ли смещение или уменьшается»7.
Идея тока смещения — центральная идея электромагнитной теории Максвелла, хотя она и долго оспаривалась. Анри Пуанкаре отмечал потом с изумлением: «Все опыты того времени, казалось, противоречили этому, так как токи наблюдались исключительно в проводниках. Как мог Максвелл примирить свою смелую гипотезу с фактом так прочно установленным?» На это можно ответить словами кембриджского репетитора Гопкинса: «Он органически неспособен был думать о физике неверно».
В мемуаре «Динамическая теория электромагнитного поля» (Джинс, например, считал эту работу Максвелла «наиболее важной и имевшей наибольшее влияние... из всего вообще им написанного») дана знаменитая электродинамическая система уравнений, в которой нашло отражение все то, что было тогда известно из теории электромагнетизма.
Свою современную форму (дифференциальную, более удобную для решения различных задач) уравнения Максвелла получили в результате работ Генриха Герца и Оливера Хевисайда:
где В, D, Е, Н — векторы электромагнитного поля, ρ — плотность заряда, j — плотность тока, с — скорость распространения электромагнитных колебаний в вакууме.
Уравнение (1) является математическим выражением закона электромагнитной индукции Фарадея (знак минус учитывает направление индукционного тока, согласно правилу Ленца). Уравнение (2) — обобщение на переменные поля эмпирического закона Ампера о возбуждении магнитного поля электрическими токами (током проводимости и током смещения), т. е. выражает магнито-электрическую индукцию, открытую Максвеллом и основанную на представлении о токе смещения. Уравнение (3) является обобщением закона Кулона, т. е. характеризует взаимодействие неподвижных электрических зарядов. Уравнение (4) отражает вихревой характер магнитного поля, которое порождается только токами. (Это, в частности, дало повод Энгельсу заметить: «...вихри старого Декарта снова находят почетное место во всех новых областях знания»8.)
Таким образом, уравнения Максвелла связывают величины, характеризующие электромагнитное поле, с его источниками, т. е. с распределением в пространстве электрических зарядов и токов9.
Свою роль в развитии учения Фарадея Максвелл оценивал чрезвычайно скромно: «Я лишь облек идеи Фарадея в математическую форму». Работы Максвелла развеяли миф о «нематематичности» теории Фарадея. Но возник другой: теория Максвелла якобы не физическая теория, а исключительно математическая. Теперь вряд ли надо опровергать, что это не так, что теория Максвелла — глубоко физическая теория, как не требуется доказывать и то, что Максвелл не только «пересказал» идеи Фарадея на языке математики, не только объяснил все известные в ту пору электромагнитные процессы, но и открыл для науки электромагнитное поле, представление о котором вскоре вытеснило понятие об эфире и под названием «теория поля» стало одной из основ современной физики. «Самым увлекательным предметом во времена моего учения была теория Максвелла, — вспоминал Эйнштейн. — Переход от сил дальнодействия к полям как основным величинам, делал эту теорию революционной».
Это не все. Анализируя свои уравнения, Максвелл установил, что должны существовать импульсы или волны, которые распространяются в пространстве как свободные поля (это предполагал и Фарадей). Вычислив их скорость, Максвелл получил 186 тысяч миль в секунду, т. е. скорость этих волн равнялась скорости света. И ученый приходит к выводу, что «свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая суть причина электрических и магнитных явлений»10.
К такому же выводу он пришел, разрабатывая свою гипотезу о токе смещения. Все это позволило ему уверенно заявить, что свет есть «электрическое возмущение в непроводящей среде», т. е. что это разновидность электромагнитных волн. Об этом написано в главе «Электромагнитная теория света» (4-я часть второго тома «Трактата»). Так, по меткому замечанию Луи де Бройля, благодаря Максвеллу мы можем теперь «рассматривать всю оптику как частный случай электродинамики, а это — один из наиболее замечательных примеров синтеза, которые дает нам история развития физики».
В книге Максвелла содержался и еще один замечательный вывод: «В среде, в которой распространяется волна, появляется в направлении ее распространения давящая сила, которая во всякой точке численно равна количеству находящейся там энергии, отнесенной к единице объема». И далее: «Плоское тело, подвергающееся действию солнечного света, будет испытывать это давление только на своей освещенной стороне и, следовательно, будет отталкиваться от той стороны, на которую падает свет»11. (К такому же выводу и почти одновременно с Максвеллом — в 1876 г. — пришел, но только на основе термодинамических соображений и итальянский физик Адольфо Бартоли.) Максвелл тут же подсчитывает и величину светового давления: «...среднее давление на квадратный фут равно 0,000.000.008.82 весового фунта». (Как тут не вспомнить восклицание маленького Джеймса: «Это солнце, папа! Я поймал его в оловянную тарелку!»)
10.
Гению удается понять и четко сформулировать то, что ранее подчас в течение долгих веков лишь смутно угадывалось. О существовании светового давления говорил еще Кеплер. Ломоносов, поддерживавший волновую теорию света Гюйгенса, полагал, что между светом и электричеством имеется некая связь. Эйлер считал свет волнами в эфире. К началу XIX в. теория оптических явлений была уже основательно разработана. Но это была механическая теория, и тот общепризнанный факт, что световые волны являются волнами поперечными, поставил ее перед большими трудностями. Теория Максвелла, сведя теорию света к электромагнитным волнам, вывела ее тем самым из тупика.
Мы помним, в своих исследованиях (в том числе и по электричеству) Максвелл отталкивался от механики. Он, например, писал: «Энергия электромагнитных явлений есть механическая энергия» (сегодня мы говорим «эквивалентна»). «То обстоятельство, — замечает Макс Планк, — что первоначально Максвелл вывел свои уравнения с помощью механических представлений, не изменяет существа дела». Больцман утверждает: «...этот цикл исследований, в котором Максвелл впервые пришел к своим уравнениям, принадлежит к наиболее интересному, что только знает история физики, и именно как раз по причине своей оригинальности, по причине отличия его метода от всех применявшихся ранее и позднее, а также вследствие той скромной простоты, с которой Максвелл показывает, с каким трудом он постепенно продвигался вперед и достиг наиболее абстрактной и наиболее своеобразной теории, которую только знает физика, пользуясь совершенно специальными и конкретными представлениями, связанными с тривиальными задачами обычной механики».
В «Эволюции физики» А. Эйнштейна и Л. Инфельда значение уравнений Максвелла определено так: «Их простая форма скрывает глубину, обнаруживаемую только при тщательном изучении. Формулировка этих уравнений является самым важным событием со времени Ньютона не только вследствие ценности их содержания, но и потому, что они дают образец нового типа законов».
Опираясь на механику, Максвелл пришел к тому, что глубже, чем законы механики, вскрывало взаимосвязь явлений природы, — к законам электромагнетизма, а это был уже новый метод познания. Проницательный Больцман не ошибся, утверждая, что Максвелл «был столь же крупным творцом в теории познания, как и в области теоретической физики». Джон Бернал как бы добавляет к этому: «...уравнения Максвелла составили теоретическую базу будущего электромашиностроения, представлявшего собой сложную взаимозависимость теории и практики»12.
Максвелл понимал значение разрабатываемой им области. «...Мне представляется, — писал он, — что изучение электромагнетизма во всех его проявлениях как средства движения науки вперед сейчас приобрело первостепенную важность». Эти слова актуальны и по сей день.
Макс Планк потом говорил: «Если в кинетической теории газов Максвелл выступает как вождь, хотя и делит эту роль с некоторыми другими исследователями, то в учении об электричестве его гений предстает перед нами в своем полном величии. Именно в этой области после многолетней тихой исследовательской работы на долю Максвелла выпал такой успех, который мы должны причислить к наиболее удивительным деяниям человеческого духа. Ему удалось выманить у природы в результате одного лишь чистого мышления такие тайны, которые лишь спустя целое поколение и лишь частично удалось показать в остроумных и трудоемких опытах. Тот факт, что вообще такая работа была возможна, может показаться совсем непостижимым, если не принять во внимание, что между законами природы и законами духа имеются какие-то очень тесные связи»13.
11.
25 августа 1867 г. умер Фарадей. Тремя годами позже, начиная в журнале «Природа» («Nature») серию «Портреты выдающихся ученых» с Фарадея, Максвелл писал: «Мы... рассматриваем Фарадея как наиболее полезный и одновременно наиболее благородный тип ученого. Тот факт, что Фарадей существовал, делает более великой и сильной всю нацию, и нация была бы еще более великой и сильной, если бы среди нас было бы больше Фарадеев». Лучшим памятником Фарадею мог быть только «Трактат об электричестве и магнетизме». И Максвелл работает над ним с еще большим рвением. «Трактат» — это вершина его научного творчества и вместе с тем это настоящая энциклопедия электромагнетизма, где обобщены результаты труда нескольких поколений ученых. Электромагнитной теории Максвелл отдал половину жизни, а «Трактату» — около восьми лет. Он вышел в 1873 г. Максвелл кончал его уже в Кембридже, куда переехал за два года до этого.
Старинный друг Максвелла профессор Джеймс Форбс убеждал его стать ректором университета в Сент-Эндрью, т. е. своим преемником, но Максвелл не согласился. В это время в Кембридже была учреждена кафедра экспериментальной физики. Занять ее предложили Вильяму Томсону и Гельмгольцу. Но они отказались, поскольку первый имел кафедру в Глазго, а второй — в Берлине. Тогда предложение было сделано Максвеллу. По настоянию друзей-ученых он не без колебаний все-таки согласился. Вместе с кафедрой он принял и лабораторию, только начатую строительством.
Формальное назначение состоялось 8 марта 1871 г.; в октябре Максвелл прочел так называемую вступительную лекцию. Он говорил: «Кембриджский университет... он с большей или меньшей быстротой приспособляется к требованиям времени, недавно ввел курс экспериментальной физики. Курс этот, требуя поддержки способностей и внимания к анализу... требует также упражнения наших чувств в наблюдении и наших рук в общении с приборами. Привычные принадлежности — перо, чернила и бумага — не будут уже достаточны, и нам потребуется большее пространство, чем пространство кафедры, и большая площадь, чем поверхность доски».
Максвелл на собственном примере убедился, как трудно ученому без лаборатории. Он понимал, что основа дальнейшего развития физики, будущее физики — это эксперимент. Лишь сознание этого вынудило его взять на себя бремя по организации новой лаборатории. Она строилась не только под его наблюдением, но и по его указаниям и была приспособлена как для научной работы, так и для лекционных демонстраций. Первоначально она называлась «Девонширской» (в честь лорда-канцлера университета, герцога Девонширского), но потом была переименована в «Кавендишскую» — в честь замечательного английского ученого конца XVII в. Генри Кавендиша (которому, кстати сказать, герцог Девонширский доводился внучатым племянником).
Дж. Дж. Томсон уже на склоне дней вспоминал, что в Англии 60 — 70-х годов физических лабораторий как таковых не было. Джоуль, например, свои замечательные опыты проводил у себя дома в Манчестере. Вильяму Томсону лабораторией служила клетушка по соседству с угольным подвалом. Стокс в Кембридже ставил оптические эксперименты в тех же условиях, что и Ньютон полтораста лет до него.
Но к 70-х годам XIX столетия обстановка менялась. А. Г. Столетов отмечает: «С тех пор как открыт спектральный анализ и настало новое движение в электротехнике, на физику особенно не жалеют денег, как уже издавна не жалели на химию и астрономию». Физические открытия остро были нужны промышленности. Конкурентная борьба требовала от науки новых темпов развития, толкала на поиски новых форм организации труда ученых. Ученых-одиночек с их примитивными домашними лабораториями заменяли исследовательские институты и крупные, богато оснащенные лаборатории, во главе которых стояли лучшие физики. Все увеличивался поток «пожертвований», идущих на строительство лабораторий. Появились научные школы. В 1869 г. вышло руководство лабораторных работ Фридриха Кольрауша. Лабораторные занятия начали вводиться во всех университетах. Крупные лаборатории возникают в Гейдельберге (1863), Вене, Париже (1867), Оксфорде, Страсбурге.
12.
Открытие Кавендишской лаборатории состоялось 16 июня 1874 г. Через пять дней газета «Московские ведомости» напечатала статью молодого русского физика А. Г. Столетова, очевидца этого события. «Сегодня великий день в классическом Кембридже, — писал Столетов. — Люди, кебы, колокола — все в необычайном движении. Праздновалось открытие одного из учреждений, еще редких в Европе, но размножающихся с каждым годом». Далее говорилось: «Едва ли не самая роскошная и комфортабельная из существующих, кембриджская физическая лаборатория, вверенная одному из первоклассных физиков нашего времени, профессору Джеймсу Клерку Максвеллу, без сомнения, будет играть видную роль и в истории физики, и в истории английских университетов».
Далее следует подробное описание новой лаборатории. «План дома представляет вид наугольника, т. е. двух удлиненных частей, смыкающихся под прямым углом... Нижний этаж лаборатории содержит в себе ряд комнат для работ, требующих полной неподвижности снарядов, каковы измерения длины, времени и массы, а также некоторые измерения из области электричества, магнетизма и теплоты. Магнитная комната составляет северо-западный конец наугольника, и на значительное расстояние от нее... устранены железо и сталь. Комната для весов освещается двумя широкими окнами; смежная комната, назначенная для теплоты, сообщается с нею помощью подъемного окошка, позволяющего издали наблюдать в трубу термометры и другие снаряды, которым мешало бы близкое присутствие наблюдателя. Обширная кладовая (storeroom), мастерская и комната для большой гальванической батареи составляют остальную часть нижнего этажа.
Второй этаж (first floor) содержит обширную аудиторию, комнату для приготовления лекционных опытов (preparation room), большое помещение для аппаратов, огромную рабочую комнату и комнату профессора. Лекционный стол, разделяющий аудиторию во всю ширину ее на две части, покоится на каменной стене, идущей от грунта, и представляет совершенно неподвижное помещение, где можно пользоваться даже самыми чувствительными к малейшим сотрясениям снарядами. Все рабочие столы в доме почти в такой же мере удовлетворяют этому условию неподвижности, столь необходимому для многих физических снарядов. Столы покоятся не на полу, а на особых балках, независимых от пола и укрепленных в капитальных стенах здания... Другое важное удобство представляет обилие подъемных дверок (trap doors) во всех полах; с помощью их можно делать сообщение между всеми этажами дома, проводить из одного в другой проволоки батарей, нити привеса маятников, акустические трубы и т. п. ...
Верхний этаж вмещает комнаты для акустики, лучистой теплоты, оптики и электричества. Особая зала назначена для вычисления и графической редукции наблюдений; имеется также темная комната для фотографических работ. В комнате для электричества необходимая сухость воздуха будет искусственно восстановляться, по мысли Клерка, особым снарядом, состоящим из фланелевой простыни, нагреваемой с одной стороны и вращающейся наподобие телеграфной ленты. Электричество большой машины, помещенной в этой комнате, проводится системой проволок в аудитории и рабочую залу.
Наконец, электрическая комната, а равно и аудитория металлически сообщены с металлическим шестом, водруженным на кровле здания,— коллектором атмосферного электричества. Наблюдатель, помещенный в электрической комнате или в аудитории, может в любое время измерять напряжение (потенциал) атмосферного электричества.
Здание отопляется горячей водой с помощью системы чугунных (в магнитном отделении — медных) труб. Нечего и говорить, что все комнаты обильно и удобно снабжены водой и газом. Аудитория освещена двумя газовыми люстрами, помещенными на самом верху комнаты; газ регулируется с лекционного стола и может быть мгновенно зажжен помощью небольшого гальванического снаряда. Окна аудитории закрываются черными ставнями посредством системы зубчаток, управляемой рукояткой. В одну минуту можно погрузить аудиторию в абсолютную темноту, в одну секунду — осветить ее газом или электричеством»14.
Не без умысла поместил Столетов статью в московской газете. Русские физики тоже мечтали о лабораториях. Столетов надеялся привлечь к этому внимание общественности и тем помочь делу. Однако мечты долго еще оставались мечтами. В 1883 г. Столетов напишет статью «Физические лаборатории у нас и за границей», где будет горько сетовать: «Нет во всей России ни одного здания, которое было бы построено собственно для физики...». И далее: «Вот главная причина, почему физика "не может у нас идти быстро", — еще диво, если хоть как-нибудь идет».
Кавендишская лаборатория, в которой начинали ученики и последователи Максвелла, со временем стала прославленным научным учреждением Англии. Стоять во главе ее считалось и считается большой честью. После Максвелла ее возглавляли Рэлей, Дж. Дж. Томсон, Резерфорд, Брэгг-сын — ученые с мировым именем. Здесь, например, были заложены основы для развития атомной физики.
Однако результаты первых лет работы лаборатории были незначительны, на что имелись свои причины. Построив такую лабораторию, как Кавендишская, надо было круто менять всю кембриджскую систему обучения, что в консервативной Англии совсем не просто. Упор делался на математику и на теоретическое изучение физики, а для овладения экспериментальным искусством оставалось мало времени. К тому же некоторые профессора стремились этому воспрепятствовать. Лекции сопровождались незамысловатыми демонстрациями — и это было все.
И все же влияние лаборатории и лично Максвелла на ученых Кембриджа постепенно росло. Росло и значение лаборатории. Но первые годы все держалось главным образом на энтузиазме сотрудников и на их вере, что положение должно измениться. Штат лаборатории состоял тогда из 5 — 6 человек. Артур Шустер, обучавшийся в ту пору у Максвелла, вспоминает: «Мы сами должны были заряжать наши батареи и подучиваться стеклодувному искусству и обыкновенным приемам работы в мастерской, так как ближе Лондона механика не было».
Сотрудники лаборатории, как, впрочем, и все те, кто имел дело с Максвеллом, сохранили воспоминание об его «интеллектуальном внимании и обаятельности обхождения». Всегда он был абсолютно искренен; простота и мягкость сочетались в нем с большой проницательностью, активность — со спокойствием. Всякий мог его критиковать — он воспринимал это с благодарностью, поскольку не был ни обидчив, ни самолюбив и даже в молодости никогда не стремился к славе. Но он вовсе не был каким-то ангелом, и многие побаивались его сарказма.
Максвелл, рассказывает Шустер, если он был здоров, «ежедневно посещал лабораторию и обходил помещения, в которых производились работы. Он расспрашивал о ходе опытов, но обычно больше говорил о том, что занимало в ту минуту его мысли, так как он всегда был до такой степени поглощен собственными идеями, что не мог сразу переключиться на новый предмет. Случалось, он ничего не отвечал на обращенный к нему вопрос, заставляя сомневаться, слышал ли он его, но на следующий день он обыкновенно начинал свой разговор так: „Кстати, вы вчера задали мне вопрос, я подумал о нем...". Затем следовал глубоко обдуманный, побуждающий к исследованию ответ. Тем, кто вступал с Максвеллом в отношения, запомнились его тонкие и остроумные замечания, придававшие такую прелесть его беседе. В то время, насколько я помню, мысли его были особенно заняты тем, что теперь называется равномерным распределением энергии. Работы Больцмана были только что опубликованы, и Максвелл, казалось, с ними соглашался, хотя и с некоторым колебанием: он не видел, как далеко они могут завести...»
Среднего роста, плотный, Максвелл фигурой и одеждой напоминал сельского джентльмена с севера Англии. Его редко видели гуляющим без собаки, а то и двух — Тоби и Гуни. С Тоби он часто появлялся в лаборатории. Казалось, он зашел сюда случайно, посреди прогулки. Что же касается Тоби, то он ориентировался в лаборатории, как у себя дома, и был знаком с действием некоторых аппаратов, так как одно время «участвовал» в опытах с электрическими разрядами. В конце концов Максвеллу, стало жаль его. Он сказал: «Лучше живая собака, чем мертвый лев!» (Но серия соответствующих опытов была, конечно, доведена до конца.)
Немало времени у Максвелла уходило на участие в делах по руководству университетом. Он считал, что научные работы в университете должны вестись в тесном союзе с другими научными учреждениями, что в работы по математике необходимо включать и задачи из разных отделов физики, что естественникам — для широты развития — следует «поддерживать живую связь с гуманитарными курсами Кембриджа». Обеспокоенный состоянием английской науки, Максвелл писал, что растет число профессоров и студентов, увеличивается количество учебников и популярных книг, а «творческая исследовательская работа — источник благосостояния нации — падает. Польза, которую ученый как таковой приносит нации, измеряется количеством новых знаний, которыми он ее обогащает... нам нужны еще Фарадеи, другими словами, нужны люди, работающие над созданием новых знаний». Он говорит: «...для развития науки требуется... не только, чтобы люди мыслили вообще, но чтобы они концентрировали свои мысли на той части обширного поля науки, которое в данное время требует разработки».
13.
1869 год — крупнейшая веха в истории науки: Менделеевым была открыта периодическая система элементов.
Максвелл проявляет большой интерес к атомистике и строению вещества. В начавшей тогда выходить Британской энциклопедии печатается серия его популярных статей — «Молекулы», «Атом», «Строение тел», «Эфир» и др. Будучи сторонником атомистического учения Демокрита, Эпикура и Лукреция, он придерживался концепции неизменных атомов и молекул: они остаются такими, какими-де создал их творец. Однако вместе с тем он готов повторить вслед за Фарадеем: «Я не люблю слова „атом"» (в смысле „неделимый"). Он всегда твердо стоял на позициях материализма. «Наука,—говорил он, — не может рассуждать о сотворении мира из ничего».
Его статья «Атом» начинается определением: «Атом есть тело, которое нельзя рассечь пополам». И — почти одновременно — в своей прекрасной популярной книге «Материя и движение» (1873) он писал: «Даже атом, когда мы приписываем ему способность вращаться, нужно представлять состоящим из многих материальных частиц». Понятие дискретности и непрерывности Максвелл рассматривал, не отдавая предпочтения ни тому, ни другому, допуская, так сказать, возможность того и другого. «Всякое наше знание как о времени, так и о месте, в сущности, относительно»,— писал он. И это отсутствие предубежденности позволяло ему, не владея еще достоверным знанием, проявлять большую широту в мыслях, в догадках, прогнозах. «Великой задачей ученых нашего века является распространение наших знаний о движении вещества от тех случаев, в которых мы можем видеть и измерять движение, к тем, в которых наши чувства не могут его обнаружить».
Заявление Максвелла о том, что должны существовать «молекулы электричества» («молекулярный заряд»), было встречено, даже его учениками, скептически. Об этом вспомнили лет через двадцать, когда был открыт электрон. Максвелл был единственным, пожалуй, в Европе ученым, оценившим значение термодинамических работ американского физика-теоретика Гиббса. Словно бы предвосхищая появление гипотезы Планка, Максвелл говорил тогда: «Принципы термодинамики бросают яркий свет на все явления природы, и, вероятно, многие важные применения этих принципов могут быть получены в будущем»15.
Он продолжал размышлять и над электромагнитной теорией, однако после «Трактата» ничего существенного к ней уже не добавил.
Работу над книгой «Электричество в элементарном изложении» он закончить не успел. Она вышла посмертно.
14.
В последние годы жизни ученый предпринял еще одно интересное исследование, относящееся к истории науки, — занялся (по поручению герцога Девонширского) подготовкой к изданию трудов Генри Кавендиша. Он был поражен и пленен фигурой этого великого оригинала, отшельника, отдавшего всю свою жизнь науке, искусного экспериментатора, сделавшего ряд замечательных открытий в физике и химии. Однако физических работ Кавендиш почему-то не публиковал (напечатал лишь две из них). Никому не известные, они более ста лет пролежали в архиве. Двадцать пакетов ценнейших манускриптов! Максвелл получил их в 1874 г. и не только изучил, но собственноручно все переписал, повторил большую часть описанных Кавендишем опытов и многие результаты уточнил. Такую работу никто лучше и добросовестнее Максвелла выполнить бы, конечно, не смог. Это был достойный подражания образец экспериментального, творческого подхода к историко-научным исследованиям.
В итоге Максвелл открыл науке Кавендиша-физика, и в этом открытии было немало удивительного: оказалось, что Кавендиш за двенадцать лет до Кулона установил закон взаимодействия электрических зарядов, за 65 лет до Фарадея изучил вопрос о влиянии диэлектрика, разделяющего обкладки конденсатора, на его емкость; он предвосхитил открытие закона Ома и т. д.
Два больших тома трудов Кавендиша увидели свет в октябре 1879 г. На пять лет растянулась у Максвелла эта работа. Он по-прежнему был бодр, деятелен, все успевал, никогда ни на что не жаловался и как бы все больше уходил в себя. Некогда отъявленный спорщик, он теперь уклонялся от споров, предпочитая, уединившись, написать о предмете спора язвительные стихи (и не только язвительные). Иногда — под секретом — он читал их своим друзьям. Иногда публиковал в «Природе», подписываясь псевдонимом dp/dt. (Кстати, одному историку стихи ученого, подписанные таким псевдонимом, помогли установить, когда был впервые употреблен термин «ток смещения».)
За эти годы Максвелл сильно поседел — «стал серый, как железо». Но здоровье его не вызывало опасений.
Весной 1877 г. у него внезапно начались боли в груди. Он никому об этом не говорил и почему-то не обращался к врачам, хотя самочувствие его ухудшалось. Он еще держался, походка его оставалась твердой, но к весне 79-го года настолько ослабел, что еле дотянул семестр. В лаборатории он бывал почти ежедневно, но не подолгу. В июне, сдав рукописи Кавендиша в типографию, он уехал в Гленлейр. Все надеялись, что физические упражнения и благодатный воздух родных мест восстановят его здоровье. Этого не случилось. Больному становилось все хуже, он потерял аппетит и сон. В октябре, узнав от эдинбургского врача, что ему остается жить не более месяца, Максвелл поспешил в Кембридж: его главной заботой оставалась жена, прикованная в те дни к постели.
Кембридж был печален. «Максвелл уходит», — говорили друг другу при встрече люди. Умер он 5 ноября 1879 г. сорока восьми лет, как и его мать, и от той же болезни — рака. «Не было человека,— писал его врач,— который бы встретил смерть с большим спокойствием и в более ясном сознании». После панихиды в Тринити-колледже Максвелл был погребен на кладбище Корсокской церкви, близ Гленлейра, рядом с могилами его родителей.
15.
Максвелл не дожил до торжества своей теории. Почти ни одно из основных ее положений не было при его жизни подтверждено опытом, поэтому теория фактически оставалась на правах гипотезы. Маститые физики относились к ней с недоверием, а молодые — приняли ее, безоглядно в нее поверили, но, полагая (справедливо, конечно), что опыты по её доказательству сопряжены с огромными трудностями, не помогали ей завоевать признание. Для ученого, казалось бы, нет большего несчастья, чем остаться непонятым, не увидеть торжества своих идей. Однако для Максвелла это не обернулось трагедией. Он не подталкивал других, потому что не в его принципах было кому-то что-то навязывать, но и сам ничего не предпринимал, спокойно предоставив событиям идти своим чередом (эту черту мы встретим потом и у Планка, и у Эйнштейна). Так что подтверждение гипотезы о токе смещения и открытие электромагнитных волн и светового давления — все это дело рук не английских физиков.
Но английские физики тоже внесли лепту в разработку и распространение теории своего великого соотечественника. Назовем хотя бы О. Хевисайда, Д. Пойнтинга, А. Шустера, Дж. Дж. Томсона. Шустер в 1875/76 учебном году в Оуэн-колледже (Манчестер) прочитал первый систематический курс физики, основанный на теории Максвелла. «Сэр Джозеф Томсон,— вспоминает он,— был одним из тех трех (!) студентов, которые слушали мой курс».
«Научная слава Максвелла при его жизни поддерживалась главным образом британскими теоретиками физики, в особенности кембриджской школы,— писал Д. Лармор.— Но с тех пор, как Гельмгольц занялся изучением его теории... и подвергнул ее обсуждению в многочисленных серьезных работах, внимание, уделявшееся произведениям Максвелла за границей, стало возрастать...»
Горячим пропагандистом идей Максвелла в Германии выступил также Людвиг Больцман, благодаря которому электромагнитная теория в значительной степени перестала быть, говоря его словами, «книгой за семью печатями».
И все же до работ Генриха Герца теория Максвелла не была широко известна на континенте.
Электромагнитные волны Герц получил в 1888 г. После этого уже ничто не могло остановить победоносного шествия теории Максвелла.
Кроме того, Герц и Хевисайд придали уравнениям Максвелла их современную форму. Больцман по этому поводу замечает: «Я мог бы сказать, что последователи Максвелла в этих уравнениях, пожалуй, ничего, кроме букв, не переменили. Однако это было бы слишком. Конечно, не тому следует удивляться, что к этим уравнениям вообще что-то могло бы быть добавлено, а гораздо более тому, как мало к ним было добавлено».
В борьбе за утверждение теории Максвелла, которая велась в науке на разных этапах, исключительная заслуга принадлежит русским ученым. Первым профессором, излагавшим теорию Максвелла в Петербургском университете, был Иван Иванович Боргман (конец 80-х годов). А. Г. Столетов был не только активным пропагандистом первых статей Максвелла, он предложил свой метод для экспериментального измерения «постоянной Максвелла», выражающей скорость распространения волны. В «Трактате» Максвелл потом отметил, что метод Столетова является одним из самых надежных и точных.
Для подтверждения теории Максвелла важное значение имела проверка соотношения n2 = ε (квадрат показателя преломления равен диэлектрической постоянной)16. В 1872 — 1874 гг. Больцман предпринял серию работ по проверке и уточнению n и ε для ряда твердых и газообразных тел. В 1874 г. ученик Столетова Н. Н. Шиллер, следуя указаниям Максвелла, первым стал измерять диэлектрические постоянные в переменных магнитных полях. А через год П. А. Зилов провел в лаборатории Столетова измерение диэлектрических постоянных жидкостей. О точности и большом значении результатов Больцмана, Шиллера и Зилова Максвелл писал в своей последней книге «Электричество в элементарном изложении», которую в 1886 г. издал киевский профессор М. А. Авенариус. Это была первая на русском языке книга Максвелла.
Замечательный русский физик Н. А. Умов, введя в 1873 г. (правда, независимо от максвелловской концепции) понятие о движении и потоке энергии, сделал существенный вклад в разработку теории поля. Умов с восхищением отзывался о теории Максвелла. «Работу Максвелла, — писал он, — можно сравнить с работой художника, разбившего вазу с изящным рисунком и из черепков этой вазы построившего новую. Получился новый рисунок, составленный из элементов старого...»
После опытов Герца борьба за теорию Максвелла вступила в новую фазу. И вновь русские физики (А. С. Попов, П. Н. Лебедев и др.) заняли самые передовые, а в ряде направлений и главенствующие позиции.
16.
Максвелл никогда не ставил перед собой задачи дать законченную картину мира, но исторически сложилось так, что ему и Гельмгольцу суждено было завершить картину мира классической физики, начатую Галилеем и Ньютоном. «Имя его блистает на вратах классической физики», — сказал Макс Планк. Но вместе с тем Максвелл — это и конец классической физики.
Опираясь на теорию Максвелла, Г. А. Лоренц построил свою электронную теорию. Максвелл является одним из главных предшественников Эйнштейна, который писал, что «частная теория относительности обязана своим возникновением уравнениям Максвелла для электромагнитного поля». И в другом месте: «Теория Максвелла — Лоренца неизбежно вела к специальной теории относительности...». «Специальная теория относительности... явилась просто развитием электродинамики Максвелла и Лоренца...»17.
Эйнштейн освещает и такой интересный вопрос — а что дала теория относительности теории Максвелла, «своей родительнице»: «До того времени электрические и магнитные поля считали существующими независимо, хотя между этими двумя видами поля благодаря уравнениям Максвелла и установилась тесная причинная связь. Но специальная теория относительности показала, что эта причинная связь есть проявление тождественной сущности двух видов поля»18. И еще: «Теория относительности придала теории Максвелла — Лоренца такую степень очевидности, что физики были бы полностью убеждены в ее справедливости даже в том случае, если бы эксперимент говорил бы в ее пользу не столь убедительно». И, тем не менее, теория Максвелла получила от теории относительности несколько серьезных ударов, которые едва не поколебали ее основы.
Но еще более сильные удары ей нанесла квантовая теория излучения Планка, возникшая в самом начале XX в. на стыке термодинамики и оптики. (Интересно отметить, что одним из истоков теории квантов была динамическая теория газов Максвелла.) К ужасу многих, в том числе и самого Планка, казалось, что под ударами теории квантов электромагнитная теория вот-вот рухнет. Однако она не только выстояла, но и сохранила свое значение.
В статье о Фарадее Максвелл писал: «...мы не знаем даже названия той науки, которая вырастет из ныне собираемых нами материалов...»
Истинный смысл теории Максвелла раскрывается только теперь; вместе с тем становится ясным, что даже сам Максвелл, не говоря уже о его современниках, еще не вполне представлял себе всю неисчерпаемую глубину, все значение своего открытия (в истории науки такое случалось, впрочем, не однажды!). Это тонко почувствовал уже Генрих Герц, сказавший: «Нельзя изучать эту удивительную теорию, не испытывая по временам такого чувства, что ее математическим формулам присущи самостоятельная жизнь и собственный разум, что они умнее нас, умнее даже своего автора, что они дают нам больше, чем в них было в свое время заложено».
«Как за Ньютоном последовала эпоха математического оформления механики, так отныне наступила пора математической обработки теории Максвелла, — писал Макс Лауэ.— В современном изложении теория Максвелла является замечательным творением, равноценным механике».
По складу интеллекта Максвелл близок Фарадею, но работал иным методом, что позволило ему продвинуться дальше своего учителя.
Имя Максвелла прочно вошло в науку. Мы говорим: «электромагнитная теория Максвелла» и «уравнения Максвелла», «закон Максвелла», «распределение Максвелла», «статистика Максвелла — Больцмана», «число Максвелла», «маятник Максвелла», «диск Максвелла», «правило Максвелла» (правило винта), «ток Масквелла» (ток смещения), максвелл (Мкс) — единица измерения магнитного потока в системе СГС...
Теория Максвелла сыграла огромную роль не только в науке, но и в духовном развитии человечества.
В 1931 г. широко отмечалось 100-летие со дня рождения великого ученого. На торжества в Англию съехались делегаты от ученых корпораций всего мира. 30 сентября в Вестминстерском аббатстве, неподалеку от надгробия Ньютона, были открыты мемориальные доски в честь Фарадея и Максвелла. 1 и 2 октября с речами выступили Резерфорд, Планк, Бор, Джинс и др. Для юбилейного сборника написали статьи Эйнштейн и ряд других выдающихся физиков.
Темой выступления Бора было — Максвелл и современная теоретическая физика. Говоря «о применении электромагнитной теории к проблеме строения атома, где теория Максвелла не только была исключительно плодотворна в истолковании явлений, но давала максимум того, что может дать какая бы то ни было теория...», Бор отметил далее, что применение идей Максвелла к атомной теории «само по себе составляет целую главу физики». И еще: «Когда приходится слышать, как физики в наши дни толкуют об электронных волнах и фотонах, может показаться, пожалуй, что мы полностью оставили почву, на которой строили Ньютон и Максвелл». Однако, подчеркнул Бор, «теория Максвелла не перестала использоваться в качестве направляющего начала и на позднейшей стадии развития атомной теории. Хотя фундаментальное открытие Резерфордом атомного ядра, приведшее к замечательному завершению наших представлений об атоме, ярче всего обнаружило ограниченность обычной механики и электродинамики, единственным путем развития в этой области осталось сохранение возможно более тесного контакта с классическими идеями Ньютона и Максвелла»19.
Так Максвелл наравне с Ньютоном входит в новую и новейшую физику — в наше время.
Воспроизведено по изданию:
Кляус Евгений Михайлович. Поиски и открытия (Т. Юнг, О. Френель, Дж. К. Максвелл, Г. Герц, П.Н. Лебедев, М. Планк, А. Эйнштейн). — М.: Наука, 1986. — 176 с, ил. — (Серия «История науки и техники»).
- 1. Здесь и далее письма и дневниковые записи цит. по кн: Campbell L., Gamett W. The life of J. G. Maxwell. London, 1884.
- 2. Цит. по кн.: Максвелл Д. К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. М.: Гостехтеоретиздат, 1954, с. 90 — 91.
- 3. Максвелл Д. К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля, с. 349.
- 4. Цит. по кн.: Из предыстории радио. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1948, с. 110.
- 5. Максвелл Д. К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля, с. 350.
- 6. Там же, с. 253.
- 7. Там же, с. 163.
- 8. Маркс К. и Энгельс Ф. Соч., т. 20, с. 438.
- 9. См.: Максвелл Д. К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля, с. 476 — 489; Мякишев Г. Я. Уравнения Максвелла.— В кн.: БСЭ. М., 1974, т. 15, с. 252 — 253.
- 10. Цит. по кн.: Из предыстории радио, с. 71.
- 11. Максвелл Д. К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля, с. 563.
- 12. Бернал Д. Наука в истории общества. М.: Изд-во иностр. лит. 1956, с. 317.
- 13. Планк М. Единство физической картины мира. М.: Наука, 1966, с. 177.
- 14. Столетов А. Г. Собр. соч. М.; Л.: Гостехтеоретиздат, 1941, т. 1, с. 341 — 344.
- 15. Максвелл Д. К. Статьи и речи. М.: Наука, 1968, с. 33.
- 16. На этот фундаментальный результат Максвелла обратил внимание Энгельс, который писал: «У эфирной теории можно уже отметить один бесспорный успех. Как известно, существует по крайней мере один пункт, в котором электричество прямо изменяет движение света: оно вращает плоскость поляризации его. Клерк Максвелл, опираясь на свою вышеуказанную теорию, вычислил, что удельная диэлектрическая постоянная какого-нибудь тела равна квадрату его показателя преломления света» (Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 20, с. 439).
- 17. Эйнштейн А. Физика и реальность. М.: Наука, 1965, с. 249.
- 18. Там же, с. 258.
- 19. Бор Н. Избр. науч. тр. М.: Наука, 1971, т. 2, с. 73.
Добавить комментарий