Магнетизм высокого напряжения. Максвелл. Электромагнитный синтез [Мигель Анхель Сабадель] (fb2) читать онлайн

Miguel Angel Sabadell Наука. Величайшие теории: выпуск 25: Магнетизм высокого напряжения. Максвелл. Электромагнитный синтез

НАУКА. ВЕЛИЧАЙШИЕ ТЕОРИИ

Пер. с исп. — М.: Де Агостини, 2015. — 176 с.

ISSN 2409-0069

© Miguel Angel Sabadell, 2013 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2013

© ООО «Де Агостини», 2014-2015

Еженедельное издание

Иллюстрации предоставлены:

Archivo RBA: 36,43а, 62,66,74,77,79а, 79Ь, 98,115ai, 115ad, 115Ы, 115bd, 119,127,143а, 147,154,164,165; Getty Images: 93,143Ы, 143bd; Immanuel Giel: 39; James Clerk Maxwell Foundation: 25ai, 25b; NASA: 95; National Portrait Gallery: 43bd; Scottish National Portrait Gallery: 25ad; Kim Traynor: 43Ы; Universidad de Glasgow: 28; Joan Pejoan.

Введение

Когда во второй половине XVIII века Лавуазье представил список элементов, из которых состоит мир, он разделил их на четыре группы. В первую входили металлы, такие как свинец и железо (всего 17), во вторую — «земельные»: кремний, магний, кальций и алюминий, в третью — элементы, образующие кислоты, такие как сера, фосфор и углерод; и, наконец, четвертая группа состояла из кислорода, азота и водорода. Кроме того, отдельно значились вещества, не имеющие массы, невесомые — свет, теплород, эфир (субстанция, которая заполняла пространство и позволяла свету путешествовать по нему), электрический и магнитный флюиды. Эти пять веществ оставались загадочными, двойственными и недостижимыми до самого XIX века. «Невесомые тепло, электричество и любовь владеют миром», — писал в 1858 году Оливер Венделл Холмс, американский врач, обладавший тонким чувством юмора.

Однако к середине XIX века представления изменились. Теплород (вещество, которое, как считали, ответственно за нагрев предметов) исчез из книг по физике благодаря усилиям многих ученых: Бенджамина Томпсона, Джеймса Джоуля, Уильяма Томсона, Германа фон Гельмгольца... А вот исчезновением электрической и магнитной субстанций мы обязаны, прежде всего, работе единственного человека — Джеймса Клерка Максвелла. Верно, что идеи Максвелла основывались на работах таких гигантов, как великий Майкл Фарадей, но концептуальная революция, к которой Максвелл привел нас и которая открыла двери физике XX века, была исключительно его достижением. Не зря Альберт Эйнштейн писал: «Одна научная эпоха закончилась, а другая началась с Джеймсом Клерком Максвеллом».

Его электромагнитная теория сводится к четырем знаменитым законам Максвелла и остается одним из столпов нашего знания о Вселенной. Действительно, теория относительности частично возникла из-за невозможности примирить электромагнитную теорию Максвелла с механикой Ньютона. Нужно было выбрать либо одну, либо другую, и Эйнштейн решил противостоять Ньютону. Кроме того, электромагнитная теория Максвелла, которую он сформулировал в «Трактате об электричестве и магнетизме» (1873), выстояла во время глубоких изменений и революций, происходивших в физике в течение XX века. Это в высшей степени основной элемент нашего понимания реальности, от мельчайших ее представителей — мира атомов — до самых больших —скоплений галактик. Идеи Максвелла настолько отличались от общепринятых взглядов того времени, что его современники не знали, что с ними делать; большинство ученых были растеряны, и даже его самые верные друзья считали его просто фантазером. Мало того: ученый говорил им, что пространство, окружающее электрические заряды и магниты, не пустое, а содержит «нечто», придающее ему новые свойства, видимый эффект которых заключается в существовании электрической и магнитной сил. Каждый раз, когда магнит движется или меняется электрический ток, образуется волна, и она распространяется по пространству так же, как это делают волны в пруду, если бросить в него камень. И самое удивительное: эта волна и есть свет. Таким образом, Максвелл объединил в одной формулировке электричество, магнетизм и свет. Неудивительно, что в ответ на такой концептуальный поворот его коллеги молчали. Только в 1888 году, почти через десять лет после его смерти, его электромагнитная теория света, как он окрестил ее в 1864 году, была принята. И все благодаря тому, что один из лучших немецких физиков того времени, Герман фон Гельмгольц, предложил Берлинской академии наук выдать премию тому, кто экспериментально докажет, что теория Максвелла верна. Сегодня его подход к проблеме электромагнетизма стал тем способом, которым физики изучают остальные основные силы природы. А его работа по кинетической теории газов открыла двери двум большим научным революциям XX века, вызванным теорией относительности и квантовой теорией.

Только этого было бы достаточно для того, чтобы имя Максвелла светилось яркими неоновыми буквами в истории науки. Однако этот ученый сделал гораздо больше. Он был первым, кто создал количественную теорию цвета и объяснил, как можно образовать любой оттенок любого цвета на основе трех первичных (красного, зеленого и синего), в чем мы убеждаемся каждый день, когда включаем телевизор. Он сделал первую цветную фотографию в истории и доказал, что кольца Сатурна образованы мириадами метеоритов. Кроме того, Максвелл ввел статистические методы в физику, создав целую дисциплину, которая получила название статистической физики и занимается изучением материи. Ученый заложил основы кинетической теории газов, объясняющей поведение газа на основе движения образующих его молекул, и связал скорость и энергию каждой частицы газа с его макроскопическими свойствами, такими как температура или давление. Он также участвовал в постройке Кавендишской лаборатории в Кембриджском университете и был первым ее руководителем. Этот центр на сегодняшний день вырастил наибольшее число нобелевских лауреатов. Все вышеперечисленное ставит Максвелла в один ряд с Ньютоном и Эйнштейном, хотя очень небольшому числу людей знакомы его имя и его интеллектуальный подвиг.

Как ни удивительно, один из самых острых умов XIX века не получил заслуженного признания в собственной стране. Нет пророка в своем отечестве. При жизни Максвеллу вручили мало наград (например, была признана работа по теории цветов). Это забвение длилось долгое время. Когда Лондонское королевское общество в 1960 году отмечало 300-летие своего создания, на празднике присутствовала королева Елизавета, которая в своей речи похвалила работу большого числа его членов, и мы можем предположить, что этот список был предоставлен ей самим обществом; Максвелл не был упомянут.

Джеймс Клерк Максвелл верил в научный прогресс, в «приближение истины», как он сказал в своей инаугурационной лекции в Кембридже, когда начал руководить Кавендишской лабораторией. Хотя чувство долга вынуждало его постоянно занимать определенные научные должности, его истинной молчаливой обязанностью всегда была роль исследователя, получающего удовольствие от познания природы. Как писал его друг и биограф Льюис Кэмпбелл, «со святой отдачей он продолжил во взрослой жизни то, что было наслаждением его детства». Его взгляд на ценность науки не совпадал с общепринятым, который сформировался в середине XIX века, в частности в результате публикации «Происхождения видов» Чарльза Дарвина. Будучи глубоко религиозным человеком, хотя ни в коем случае не догматиком и не фундаменталистом, Максвелл указывал на то, что моральные и религиозные ценности важнее достижений материального прогресса. Он связывал изучение науки с личным совершенствованием и предупреждал об опасности уверенности в том, что только с помощью науки можно прийти к какому-либо интеллектуальному озарению. Для ученого существовали пределы познания, и он отвергал тщеславное представление о том, что мы насколько угодно близко можем подойти к «божественному предвидению». Тем не менее Максвелл на собственном примере доказал, каких интеллектуальных высот может достичь разум, лишенный предрассудков.

1831 Джеймс Клерк Максвелл родился 13 июня в Эдинбурге, Шотландия. Он был единственным сыном Джона Клерка и Фрэнсис Кей. Вскоре его родители переехали в фамильный дом Гленлэр.

1841 Начал учиться в Эдинбургской академии.

1848 Опубликовал первую научную статью об овалах.

1847 Начал изучать математику в Эдинбургском университете.

1848 Опубликовал статью «Теория кривых качения».

1850 Опубликовал работу «О равновесии упругих тел» и переехал в Кембриджский университет.

1854 Закончил обучение в Кембридже, получил вторую высшую оценку на выпускном экзамене.

1855 Опубликовал «Эксперименты с цветом, восприятие глаза» и первую часть «О фарадеевых силовых линиях». Вторая часть вышла в следующем году.

1858 Смерть отца. Максвелл назначен преподавателем натуральной философии в Маришал колледже в Абердине.

1858 Получил премию Адамса за изучение колец Сатурна. Женился на Кэтрин Мэри Дьюар.

1880 Опубликовал статьи «Пояснения к динамической теории газов» и «О теории составных цветов и отношений между цветами в спектре». Назначен преподавателем натуральной философии в Кингс-колледже в Лондоне. Получил медаль Румфорда Лондонского королевского общества. Перенес оспу.

1881 Сделал первую цветную фотографию. Опубликовал первую часть «Физических силовых линий» (вторая часть вышла в следующем году).

1885 Отказался от должности в Кингс-колледже. Вернулся в Гленлэр. Опубликовал «Взаимные фигуры и диаграммы силы» и «Динамическую теорию электромагнитного поля».

1888 Опубликовал «О вязкости, или внутреннем трении воздуха и других газов».

1887 Посетил Италию.

1871 Опубликовал книгу «Теория тепла». Назначен преподавателем экспериментальной физики в Кембриджском университете.

1873 Увидела свет работа Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме».

1879 Опубликовал книгу «Электрические исследования достопочтенного Генри Кавендиша». Умер 5 ноября от рака брюшной полости.

ГЛАВА 1 Математик-вундеркинд

Любящие и участливые родители из высшего общества, семья, интересующаяся наукой и техникой, уже дающие о себе знать незаурядные умственные способности... Все это — детство и отрочество Максвелла, шотландского юноши, который произвел революцию в физике.

В первый же день учебы он вернулся домой в изорванной в лохмотья одежде — товарищи были к нему безжалостны. Десятилетний новичок пришел на занятия в Эдинбургскую академию в оригинальной твидовой мантии с воротником, украшенным рюшами, и в новых ботинках с латунными пряжками. Другие ученики никогда не видели ничего подобного и с жестокостью, свойственной детям, начали его травить. Насмешки и издевки летели со всех сторон. Бедный новичок защищался, говоря с акцентом Гэллоуэя (области на юго-западе Шотландии, традиционно известной лошадьми и животноводством), что еще больше подзадоривало одноклассников. Он казался самым глупым в классе, и на него навесили прозвище Недоумок. Жестокое обращение продолжалось, а несчастный мальчишка терпел его со стоицизмом и большой долей юмора, пока, наконец, не взорвался. Его сила заставила обидчиков на какое-то время лишиться дара речи, и с тех пор они выказывали ему больше уважения. Но прозвище осталось.

Джеймс Клерк Максвелл принадлежал к благородной семье Клерков из Пениквика, расположенного в графстве Мидлотиан, на юге Шотландии, в 16 километрах от Эдинбурга. С 1707 по 1755 год его прапрадедушка, сэр Джон Клерк, являлся одним из баронов Палаты шахматной доски Шотландии, а также был успешным музыкантом, произведения которого мы все еще можем услышать. Второй сын Джона Клерка, Джордж, женился на Доротее Максвелл, наследнице Миддлби, деревни в графстве Дамфрисшир, на юго-западе Шотландии, и добавил фамилию Максвелл к своей. Ряд неудачных инвестиций в шахты и фабрики заставил его продать часть своих земель в Миддлби, а уцелевшее оставить в наследство внуку Джону, который также взял фамилию Максвелл. Его старший брат, Джордж, получил в наследство Пениквик и титул баронета.

Джон изучал адвокатское дело, но его страстью была наука, особенно ее практическое применение. Он жил со своей матерью-вдовой в Эдинбурге до ее смерти в 1824 году. Двумя годами позже он женился на Фрэнсис Кей и первые годы брака с ней прожил в Эдинбурге: скудное владение в Миддлби не имело даже дома, в котором его владелец мог бы жить. На самом деле жилища там никогда и не было, потому что хозяева предпочитали контролировать владения на расстоянии. Но через некоторое время Джон купил соседнее имение, построил особняк, который назвал Гленлэр, и переехал туда со своей женой. Некоторое время они кочевали между Гленлэром и Эдинбургом. И именно там, в Эдинбурге, в старом доме, где Джон раньше жил со своей матерью, по адресу Индиан-стрит, 14, и родился его единственный сын Джеймс 13 июня 1831 года. Это были поздние роды, поскольку Фрэнсис уже исполнилось 40 лет, и радость от рождения сына позволила ей смириться с потерей дочери, умершей буквально через несколько дней после появления на свет.

В 1830-х годах Гленлэр находился в самой что ни на есть сельской местности, в долине реки Урр: чтобы доехать до Эдинбурга, требовались два дня пути по дорогам, не слишком привычным к каретам; самое большое, что они знали, — двухколесные крытые повозки, которые тянула одна-единственная лошадь. Само владение также не было очень большим (около 600 га), но этого было достаточно для того, чтобы Джеймс наслаждался им как никто. Первые восемь лет его детства действительно были очень счастливыми. Жизнь в деревне дала ему свободу, которая была бы недоступна в городе: он забирался на деревья, дрался с другими детьми, исследовал поля и леса и с интересом наблюдал за животными, особенно за птицами.

Вскоре все обитатели имения привыкли к тому, что внезапно мог прийти маленький Джеймс и начать спрашивать, что они сейчас делают. Родители его обожали. Едва Джеймс встал на ноги и начал говорить, они поняли, что их сын не только интересуется всем вокруг (это характерно для детей), но и немного опережает свой возраст в первых исследованиях мира.

Например, Джеймс не довольствовался простым знанием о том, как позвонить в звонок, чтобы позвать прислугу с кухни, но и хотел узнать, какой молоточек заставляет звучать каждый колокольчик и как работает вся эта система.

Счастье и несчастье должны увеличиваться неизбежно с ростом власти и знаний... переход от одного к другому действительно чудесен, в то время как прогресс — нечто естественное.

Джеймс Клерк Максвелл

Под руководством матери он научился читать и писать. Будучи очень образованной в области искусства и гуманитарных наук, она привила сыну страсть к истории, географии и особенно к литературе. До того как Джеймс научился делать осознанный выбор, он читал все, что попадалось ему в руки, и его любимыми авторами были Джон Мильтон и Уильям Шекспир.

Кроме того, у него была завидная способность: мальчик мог запомнить большую часть того, что читал. Говорят, люди любят то, что впитывают еще с молоком матери, и Джеймс на протяжении всей жизни испытывал пылкую страсть к литературе: не зря одно из развлечений его семьи состояло в том, чтобы собираться и вслух читать романы, стихи и театральные пьесы. Религия также играла важную роль в повседневной жизни Максвеллов: каждый день хозяева и слуги собирались, чтобы помолиться, а в воскресенье они ходили в церковь в Партоне, в восьми километрах от дома. Несмотря на то что отец был пресвитерианином, а мать англиканкой, в семье царила гармония, поскольку они были весьма терпимы друг к другу.

Как предписывали социальные нормы того времени, Клерки Максвеллы участвовали в ярмарках и балах, а также обменивались визитами с другими семьями того же социального положения, жившими в Счастливой Долине, как называли долину Урра ее жители. Джон, который был адвокатом в Эдинбурге, получал более чем приемлемый доход и совсем не стремился к успеху на судебном поприще. Его сердце принадлежало науке и технике: он был дружен со многими людьми, занимавшимися промышленностью и сельским хозяйством, а также с теми, кто имел отношение к университетскому образованию. Джон очень любил быть в курсе новых научных идей.

Его спокойный и тихий мир изменился, когда в возрасте примерно 40 лет он влюбился в Фрэнсис — решительную женщину, которая, образно выражаясь, вдохновила его словами «встань и иди», необходимыми ему. Он, унаследовавший Миддлби годами ранее, думал обосноваться там и держал в голове эту мысль, но не решался осуществить ее. Пыл жены подтолкнул его к тому, чтобы начать строить сначала дом, а затем и семейную жизнь в поместье.

Гленлэр

Проект дома был составлен самим Джоном вместе с Вальтером Ньюволом — самым признанным местным архитектором, известным проектами ферм, дач (знаменитых британских коттеджей) и церквей (церковь в Партоне была его творением). Любопытно, что первоначально Ньювол планировал постройку четырехэтажных башен, а также каминов, крыш со ступенчатыми щипцами, то есть типичных элементов дворянского шотландского стиля того времени. Однако у Джона был другой вкус, и в последующей упрощенной версии здания были исключены все эти дворянские элементы, а план оказался сведен к типичной двухэтажной ферме в долине Урра. Щипцы потеряли религиозные изображения (обычно это были кресты), их место заняли ботанические и астрономические мотивы, которые больше интересовали Джона.

Летом 1842 года Джон Клерк Максвелл следил за возведением хозяйственных построек, отличающихся стилем, прославившим Ньювола как архитектора ферм и хуторов. Он также устроил пруд для уток, соединенный с рекой Урр, где молодой Джеймс позже проводил время, наблюдая за птицами и водой.

Полностью проникнутый духом фермерства, Джон даже придумал одежду и ботинки для рабочих и своего сына Джеймса. Действительно, за год до этого он прочитал статью о технических аспектах производства ботинок в издании Шотландского королевского общества искусств. Его основал физик Дэвид Брюстер, который внес огромный вклад в теорию поляризации света.

В каждой области знания прогресс пропорционален количеству фактов, на которых он основывается, и, следовательно, на легкости получения данных.

Джеймс Клерк Максвелл

В Гленлэре не было ничего, что напоминало бы о благородном происхождении предков будущего ученого: ни гербов, ни семейных символов, ни галерей, полных портретов. Джон хранил лишь несколько испорченных волынок, которыми воспользовался его дедушка, когда, будучи капитаном корабля Британской Ост-Индской компании, потерпел кораблекрушение: они помогли ему удержаться на плаву. Отсутствие церемоний, обычных среди малого английского дворянства, стало ключевым фактором в личном развитии молодого Джеймса: его мать стала его наставницей, отец научил его вести хозяйство, и они оба позволяли ему резвиться и играть с другими местными детьми. От них он перенял манеру речи Гэллоуэя и его характерный акцент, от которого так и не избавился.

Но когда Джеймсу было семь лет, у его матери нашли рак брюшной полости. Фрэнсис подверглась хирургической операции, которая в то время проводилась без анестезии; вероятность успеха была мала, но она решила рискнуть, чтобы дольше пробыть со своим мужем и сыном. Однако фортуна отвернулась от нее, и после столь ужасного лечения женщина вскоре умерла; ей было 47 лет.

Фрэнсис словно была маяком, который направлял семью, так что когда ее не стало, Гленлэр показался своим обитателям холодным и опустошенным местом. Потеря еще сильнее сблизила отца и сына, но их жизнь нуждалась в переменах. Например, следовало ускорить окончание Джеймсом школы, которое они планировали на то время, когда ему исполнится 13 лет, после чего он должен был пойти в университет. Но Джон не мог заниматься образованием сына: заботы по хозяйству отнимали слишком много времени. Поскольку школы рядом не было, а Джон не хотел отсылать ребенка далеко, чувствуя, что не выдержит одиночества, он нанял в качестве наставника для сына молодого человека 16 лет, который получил прекрасные оценки в школе, но затянул с поступлением в университет; в глазах отца это был идеальный кандидат. Реальность оказалась совсем другой.

Нанятый юноша, не имевший никакого опыта в преподавании, учил так же, как учили его, следуя старому афоризму: «Без муки нет науки». Джеймс, одаренный мальчик, хотел порадовать отца, но не понимал, почему ему нужно запоминать бессмысленные цифры и слова. Надранные уши и подзатыльники не могли заставить его изменить мнение о таком способе обучения. Но наконец, после года мучений, он взбунтовался. Рядом с прудом для уток у Джеймса была старая ванна, которую он использовал как корабль. В середине урока он выбежал из дома и отплыл на середину пруда, не обращая внимания на крики и угрозы учителя. И там остался.

Эдинбургская академия

За актом бунта последовала взбучка от отца, но она, по крайней мере, заставила последнего задуматься. Тогда в дело вмешалась его свояченица Джейн, младшая сестра Фрэнсис, которая жила в Эдинбурге. Она поняла, что десятилетнему мальчику нужно ходить в школу. С помощью сестры Джона, Изабеллы Веддерберн, которая также жила в Эдинбурге, им удалось убедить неуступчивого отца в том, что Джеймсу необходимо получить формальное образование. Кроме того, Изабелла жила рядом с Эдинбургской академией, одной из лучших школ в Шотландии. Выбор был сделан.

К несчастью, первый класс уже был окончен, так что новичку Джеймсу пришлось пойти во второй и бороться — в странной одежде, придуманной отцом, и вооружившись деревенским акцентом — с 70 мальчишками, происходившими из лучших семей города. Его противники были закалены в обычных школьных конфликтах, обладали утонченными манерами и говором, а их одежду, помимо прочего, составляли аккуратные жакеты и узкие ботинки.

Благодаря участию теток, Джейн и Изабеллы, Джеймс начал одеваться как его товарищи, но, к огорчению Джейн, не вел себя как они. Он редко участвовал в спортивных мероприятиях, в которых, как ожидалось, должен участвовать мальчик его положения. Случалось, он играл на перемене с товарищами, однако чаще Джеймс уходил в угол двора, где было несколько деревьев и немного травы. Там он проводил время, наблюдая за жуками и пчелами или придумывая гимнастические упражнения, которые он отрабатывал на ветвях. Однако не отношения с одноклассниками (практически отсутствующие) заставляли мальчика с подозрением относиться к урокам, а бессмысленные повторения упражнений греческого и латыни, которые напоминали ему занятия с наставником. Кроме того, говоря на публике, он запинался, из-за чего шквал его слов чередовался с длинными периодами молчания. Этот недостаток сопровождал большую часть его жизни. Постепенно Джеймс начал демонстрировать ум: он быстро отличился в истории литературы и английском языке (чему способствовала его жизнь в Гленлэре), в то время как из-за отсутствия предыдущей подготовки по арифметике и латыни в этих дисциплинах он держался на втором плане.

[У Джеймса] были качества, которыми его одноклассники не могли перестать восхищаться: проворство и ловкость рук, непобедимая смелость и природное добродушие.

Слова Льюиса Кэмпбелла, одноклассника Максвелла в Эдинбургской академии, а позже его биографа

В доме тети Изабеллы (№ 31 на углу улиц Индиа-стрит и Хериот Роу; его в семье называли «Старый 31») было кое-что очень притягательное для мальчика. Джеймс восхищался библиотекой, намного лучше укомплектованной, чем библиотека в Гленлэре. Вскоре он открыл для себя творчество ирландского писателя Джонатана Свифта, а также поэта, драматурга и критика Джона Драйдена, который был звездой английской литературы второй половины XVII века. В области философии, занимавшей важное место в жизни Джеймса, он начал с текстов Томаса Гоббса.

Джон приезжал в Эдинбург при первой возможности, и субботние вечера отец и сын обычно проводили в окрестностях города. Увлечение наукой и техникой присутствовало почти во всем, чем они занимались в эти радостные дни. Они либо наблюдали за строительством железной дороги до порта Грантон, одной из морских гаваней Эдинбурга, либо рассматривали геологические слои на утесах Солисбари — холмах, рядом с которыми с 1768 по 1797 год жил основатель современной геологии Джеймс Геттон. Выводы, которые сделал Геттон, изучая эти слои, позволили ему усомниться в данных о возрасте Земли, основанных на библейских текстах, и увеличить его до нескольких миллионов лет. Отец и сын также ходили на различные аттракционы, которые оживляли город по выходным. Одним из них была выставка «электромагнитных машин», которую они посетили в феврале 1842 года. Вид этих примитивных устройств, очень далеких от двигателей и генераторов, известных нам сегодня, пробудил интерес Джеймса к теме, которая разделит физику на периоды «до» и «после».

Большинство информации о жизни Максвелла в это время у нас есть благодаря его переписке с отцом. Из писем хорошо видно, какую нежность они испытывали друг к другу и как сильно стремился Джеймс порадовать отца и отвлечь его от грустного одиночества в Гленлэре. В них мы также находим первое упоминание о его исследованиях в области математики, состоявшихся через несколько дней после его 13-го дня рождения: «Я построил тетраэдр, додекаэдр и еще два эдра, названий которых не знаю». Уроки геометрии еще не начались, и, вероятно, мальчик не знал о том, что существуют всего пять правильных многогранников. Однако, как говорит его товарищ и биограф Льюис Кэмпбелл в «Жизни Джеймса Клерка Максвелла», нельзя отрицать, что «его привлекали эти типы [твердых тел] с абсолютной симметрией, и его воображение привело к тому, что он построил их своими руками».

Несмотря на то что Джеймсу совершенно не нравился метод преподавания, и его наставник, господин Кармайкл, очень увлекался тем, что было известно как tawse (кожаный ремень с несколькими хвостами на конце — преподаватели нередко били им по ладоням своих учеников), постепенно мальчик продвигался в своих занятиях. Из последних рядов он поднялся на 19-е место. Положение Джеймса в классе значительно улучшилось, когда он понял, что имеет смысл учить греческий и латынь. Его знание Библии было таким хорошим, что на второй год он получил премию, которая вручалась самому лучшему студенту.

А на третьем году потенциал Джеймса раскрылся полностью. Благодаря впечатляющим успехам двух предыдущих лет, в октябре 1844 года его записали на занятия к ректору академии, Джону Уильямсу. По счастливой случайности один из его товарищей, Льюис Кэмпбелл, переехал в дом, соседний с домом тети Изабеллы. Льюис был местной звездой в классе, и Джеймс по-дружески соревновался с ним за первые места. После переезда их отношения переросли в большую дружбу, которая длилась всю жизнь. Наконец-то Джеймс нашел кого- то своего возраста, с кем мог беседовать на интересующие его темы. Одной из их общих тем стала геометрия.

Дружба с Льюисом положила конец изолированности Максвелла в школе, и через некоторое время он уже входил в группу учащихся, обладавших пытливым умом. Среди них был и Питер Гатри Тэт, который также в итоге стал его другом на всю жизнь.

Как обычно, летние каникулы Джеймс провел со своим отцом в Гленлэре. Там он катался на лошади, гулял по лугам и холмам, стрелял из лука, ходил на пикники, помогал отцу в делах фермы и работникам в сборе урожая... Единственное, что никогда ему не нравилось,— это охота: он не осуждал это занятие, но никогда не участвовал в нем, испытывая огромную симпатию ко всем животным. Перейдя на следующий курс, в 14 лет Максвелл начал посещать заседания Эдинбургского королевского общества.

Способ нарисовать эллипс с помощью карандаша, соединенного шнуром с двумя булавками.

ОВАЛЫ

Первый научный интерес Джеймс Клерк Максвелл проявил к математике: он разрабатывал метод черчения овалов с помощью булавок, нитей и карандаша. Мы все знаем: чтобы начертить круг, достаточно привязать нить к булавке, а к другому концу — карандаш. Если взять две булавки, соединенные свободно провисающей нитью, и пытаться нарисовать непрерывную линию вокруг обеих булавок, все время держа нить натянутой, получится эллипс (см. рисунок). Места, где находятся булавки, называются фокусами эллипса.

Если приблизить две булавки друг к другу, то начерченная кривая будет каждый раз все больше похожа на окружность — фигуру, которая появляется, когда обе булавки находятся на одном и том же месте. И напротив, при их постепенном разделении овальная форма каждый раз будет все более выраженной.

Максвелл в возраста около 12 лат.

Питер Гатри Тэт — шотландский физик, пионер термодинамики, одноклассник Максвелла в Эдинбургской академии. Их связывала крепкая дружба.

Снимок Гленлэра, сделанный до того, как ужасный пожар разрушил значительную часть дома в 1029 году. Там Максвелл жил с 1832 года до самой своей смерти в 1870 году.

Максвелл продолжил изучать способ вычерчивания кривых с двумя фокусами с помощью булавок, шнура и карандаша. Математическое развлечение привело его к написанию первой научной статьи, когда ему еще не исполнилось 15 лет. Узнав об этом, отец подростка решил послать статью своему другу Джеймсу Д. Форбсу, профессору натуральной философии Эдинбургского университета. Эта работа настолько увлекла профессора, что он рассказал о ней своему коллеге-математику Филипу Келланду, и они оба принялись искать в университетской библиотеке, не делал ли кто-то нечто подобное раньше. И нашли: Рене Декарт. Их удивление было огромным: французский философ, физик и математик изучал двухфокусные кривые, но метод черчения молодого Джеймса был проще, а его результаты — более общими. Джеймс сделал вывод, что можно получить целое семейство овалов, описываемых следующим уравнением: m·p + n·q = s, где m и n — два любых целых числа, р и q — расстояния от карандаша до булавок (фокусов овала), a s — длина шнура. В случае m = n - 1 получается уравнение эллипса. Максвелл не мог знать этого, но в последующие годы его открытие оказало очень сильное влияние на оптику и конструирование линз.

Форбс написал отцу Джеймса:

«Его [Келланда] мнение совпадает с моим в том, что статья Вашего сына очень содержательна и достойна похвалы. Мы считаем, что это новый метод построения многофокусных фигур. [...] Если он пожелает, я думаю, что простота и элегантность метода дает ему право быть представленным в Королевском обществе».

Таким образом, первая научная статья Джеймса Клерка Максвелла «К описанию овалов и многофокусных овальных кривых» 6 апреля 1846 года была прочитана перед членами Эдинбургского королевского общества самим Форбсом, поскольку он считал, что Джеймс был слишком молод для этого. Его отец записал в своем дневнике: «Овалы Джеймса были приняты с большим вниманием и всеобщим одобрением». Он не мог бы гордиться сыном еще больше.

ПОДГОТОВКА УМА

Библиотечные изыскания Форбса позволили Джеймсу познакомиться с впечатляющей математической работой Декарта. Именно тогда он принял решение, которое очень сильно повлияло на его научную карьеру: не предпринимать никакого исследования ни в одной области науки, не прочитав предварительно по данной теме работы всех предыдущих авторов. Максвелл также нашел небольшую ошибку в расчетах француза и усвоил, что даже самые лучшие ученые ошибаются. Это было не напрасно, поскольку он сам понял, что часто допускает неточности в расчетах.

Максвелл всегда спокойно относился к ошибкам в расчетах других ученых, но был абсолютно нетерпим к отсутствию честности и ясности по отношению к читателю. Он часто выражал глубокое недовольство физиком и математиком Симеоном Дени Пуассоном за то, что он «сказал неправду о способе изготовления барометров», а также физиком Андре-Мари Ампером за то, что тот опубликовал только свои лучшие эксперименты, демонстрировавшие взаимодействие между двумя электрическими проводами, когда по ним протекал электрический ток, и намеренно скрыл результаты (более грубые и менее ясные), благодаря которым открыл закон, носящий его имя.

УИЛЬЯМ ТОМСОН, ЛОРД КЕЛЬВИН

Уильям Томсон, родившийся в Белфасте в 1824 году, в десять лет уже был студентом университета Глазго. Он обладал более чем примечательной способностью находить практическое применение научным знаниям. Благодаря ей ему удалось скопить небольшое состояние, которое он после окончания Кембриджского университета растратил во время недолгого пребывания в Париже. Через некоторое время после подобной экономической «неудачи» Томсону предложили кафедру натуральной философии в университете Глазго. Ему тогда было 22 года, и он остался на ней до самой смерти, несмотря на многочисленные предложения, которые получал в дальнейшем. Томсон посвящал свое время двум занятиям: исследованиям и работе в тогда еще новой сфере телеграфной связи (что приносило неплохие деньги). Первенство Британии в международной связи и подводном телеграфе стало возможным благодаря работам Томсона над проблемами передачи сигналов на большое расстояние. Также он запатентовал телеграфный аппарат, который был выбран как официальный аппарат всех телеграфных офисов Британской империи.

Портрет Уильяма Томсона кисти Губерта фон Геркомера, хранящийся в Музее Глазго.

Основы термодинамики

Однажды в Оксфорде Томсон прослушал доклад молодого ученого по имени Джеймс Джоуль, в котором тот излагал результаты своих исследований природы тепла. Томсон не мог выбросить эти идеи из головы и впоследствии опубликовал статью «О динамической теории тепла». В данной работе он утверждал, что все процессы, в которых участвует тепло, могут быть объяснены, если признать существование двух фундаментальных законов. Один из них недавно сформулировал Джоуль — закон сохранения энергии. Другой, говорил он, показывает фундаментальную асимметрию природы: тепло спонтанно передается от теплого тела к холодному. Эти два закона — ключевые элементы термодинамики. Уильям Томсон, который получил титул барона Кельвина за свои заслуги и был председателем Лондонского королевского общества в течение пяти лет, скончался 17 декабря 1907 года в Ларгсе, Шотландия. Его состояние и достижения в области телеграфной связи оказались преданы забвению, остались только надгробная плита в Вестминстерском аббатстве и память о его интеллектуальном подвиге в науке.

Джеймс наслаждался двумя последними годами в школе, хотя в этот период перенес ряд болезней: несмотря на силу и атлетическое телосложение, он не обладал крепким здоровьем. Читал Джеймс запоем, что было чрезвычайно полезным для него, поскольку он обладал завидной способностью запоминать практически все из прочитанного. И когда Максвелл не был погружен в книжные страницы, он занимался тем, что сочинял стихи, соблюдая правильный размер и ритм. В 1847 году, когда закончилось его школьное обучение, Джеймс был первым в классе по математике и английскому языку, а также обладал призами за знание истории, географии и французского языка. По успеваемости в целом он был вторым в классе. Преподавательский состав академии, желая произвести впечатление на родителей будущих учеников, добавил новый предмет в учебный план: физические науки. Один из его одноклассников через некоторое время вспоминал, что Максвелл и Тэт знали по этому предмету больше, чем преподаватель...

Я вполне способен написать фантастическую формулу.

Максвелл о своих ошибках в расчетах

Время от времени Джеймс проводил время с сестрой своей матери, тетей Джейн. Она ясно понимала, в чем состоит ее задача: смягчить излишнюю неординарность своего племянника и научить его быть адекватным членом общества. Когда он застывал неподвижно, наблюдая за игрой света от свечей на стеклянной поверхности, она отвлекала его словами: «Джеймс, ты витаешь в облаках». Религия также присутствовала в юношеской жизни Максвелла; он посещал службы как англиканской, так и пресвитерианской церквей. Тетя посылала его на уроки катехизиса к своему другу Дину Рэмси, хорошему человеку, больше всего обеспокоенному тем, чтобы молодые люди не попадали под влияние новых религиозных организаций, которые возникали в стране. Такой, например, была Свободная пресвитерианская церковь Шотландии — ответвление национальной церкви этой страны, которая называлась Церковью Шотландии.

Но с Максвеллом подобные меры предосторожности были излишни. Вера стала одним из главных принципов, которые вели его по жизни, и она являлась плодом интенсивного личного размышления, практически не оставляя места для доктрины какой-либо секты.

Другим очень важным человеком для Максвелла был старший брат его матери, дядя Джон. Адвокат и судья по профессии, он разделял с отцом Джеймса страсть к технике. Однажды дядя Джон отвез племянника к одному из самых известных физиков-оптиков того времени, Уильяму Николя, который изобрел способ поляризации света с помощью призм, очень осторожно разрезая кристаллы исландского шпата. Его работа была столь удачной, что призмы, сделанные таким образом, носят название «призмы Николя». Джеймс настолько остался впечатлен визитом, что решил сам исследовать поляризацию света. Кроме того, Максвелл часто навещал свою двоюродную сестру Джемиму в Глазго. Она была замужем за Хью Блэкберном, профессором математики в университете, большим другом одного из самых великих физиков того времени, ставшим патриархом английской науки, — Уильямом Томсоном. Профессор натуральной философии разглядел в молодом Джеймсе огромный потенциал, и между ними завязалась дружба, которая длилась всю жизнь. Более того, он и Фарадей более других ученых повлияли на научную жизнь нашего героя.

А пока молодой Максвелл не терял ни минуты: он читал, писал или работал в своей лаборатории. Его единственным «вольным» развлечением была игра с диаболо, в которой он стал экспертом благодаря постоянной практике. Нет сомнений в том, что он стремился стать ученым, хотя отец считал, что ему следует изучать юриспруденцию. О карьере ученого для своего сына Джон не хотел и слышать.

ГЛАВА 2 Теория упругости

XIX век был эпохой промышленной революции, и с ним родились либерализм, марксизм и промышленный капитализм. Во второй половине XVIII века Англия поднялась на вершину своего экономического могущества, в то время как континентальной Европе пришлось ждать индустриализации еще несколько десятилетий. Однако мы говорим о технике, а не о науке, которая считалась скорее времяпрепровождением для дворян и дилетантов. Таковым было общество, в котором Максвелл собирался найти свое место.

Промышленная революция превратила аграрное общество в индустриальное. Паровая машина осушала болота и топи, прокладывала новые маршруты на земле и на море, она начала заменять ручной труд человека, начиная с текстильной промышленности и шахт и заканчивая любой экономической деятельностью. Все это произошло благодаря шотландцу Джеймсу Ватту.

Шел 1765 год. Уже восемь лет как Джеймс Ватт (1736- 1819), меланхоличный и неутомимый инженер, родившийся в маленьком городе Гринок, работал мастером научных инструментов в мастерской при университете Глазго. Он вернулся в родную Шотландию, отказавшись от предыдущей работы в мастерской научных инструментов в Лондоне. В университете он столкнулся с моделью паровой машины, придуманной необразованным кузнецом Томасом Ньюкоменом. Ей ученые пользовались в своих опытах. Ватт много размышлял о том, как можно улучшить такую машину, и после долгих теоретических и практических изысканий ему это удалось.

После разработки следующим шагом стал запуск машины в производство. Ватту был нужен партнер-капиталист, и он нашел его в лице богатого, жизнерадостного и гостеприимного Мэттью Болтона. Он являлся владельцем мануфактуры в Сохо (Бирмингем), выпускающей пуговицы, рукояти для шпаг, пряжки для ботинок, часы, цепи и многое другое. Убежденный в огромном потенциале машины, Болтон одолжил деньги, необходимые для ее производства. Чтобы реализовать свою идею, Ватту пришлось использовать новейшие металлургические технологии своего времени, в частности очень точные сверлильные станки Джона Уилкинсона.

В 1769 году Ватт запатентовал первую действительно эффективную паровую машину. Вместо того чтобы продавать это изобретение, Болтон убедил своего партнера сдавать машины потенциальным клиентам — угольным шахтам. Они были нужны им для выкачивания воды из туннелей. В качестве платы компаньоны просили только треть денег, которые предприятие сэкономило бы на топливе в течение первых трех лет.

Таким оригинальным способом оба шотландца очень быстро стали миллионерами, и их доходы умножились, когда один из помощников Ватта, Уильям Мердок, разработал передачу, превращавшую возвратно-поступательное движение водяного насоса в круговое движение: это была планетарная передача.

С новой передачей то, что было только выкачивающим воду насосом, стало революционной машиной, которая изменила облик планеты. К 1795 году машина Ватта использовалась практически во всех производственных процессах в Англии.

Бирмингемская фабрика оказалась предвестницей новой эры, и не только из-за паровой машины. Там родились два серьезных нововведения: одно от Ватта, а другое от Мердока. Ватт внес удачные изменения в конструкцию своих двигателей с целью максимально увеличить производительность труда. Весь процесс производства был разбит на ряд специфических операций, и появились рабочие, занимавшиеся каждый своей операцией. В свою очередь, Мердок превратил темные английские ночи в светлые дни. Он первым ввел газовое освещение в широкий обиход. В 1802 году он установил газовые горелки на фабрике Ватта.

ДИССИДЕНТЫ

Промышленная революция мало обязана науке, хотя люди, которые руководили ей, были полностью охвачены научным духом. Пользу науки поняли промышленники севера Англии: они открыли, что причина ее неудач в прошлом заключалась в отсутствии у людей, которые ею занимались, практического подхода. Старыеуниверситеты с их закосневшими традициями не способствовали развитию новых идей. Единственными местами, пригодными для обучения, были академии-диссиденты и противящиеся норме шотландские университеты. В течение всего XVIII века эти учреждения давали лучшее научное образование в мире.

Технологическая мощь Англии находилась в руках наследников тех, кого преследовало правительство, хотя они комфортно жили, одновременно играя с социальными правилами жесткой и циничной английской морали. Однако на континенте и конкретно во Франции дела шли немного по-другому. Если Англия была колыбелью технической революции, то Франция стала началом нового политического порядка. В последние дни французской монархии, когда революционное воодушевление заполнило Париж, ученые полностью находились под влиянием духа прогресса и приближающихся изменений. Великая «Энциклопедия искусств, наук и ремесел» Дидро и д’Аламбера стала библией нового либерализма, соединенного со свободомыслием, наукой и промышленностью.

Французская революция предоставила ученым возможность, которую они ждали. Это была эпоха разума, и разрушение феодальной науки сыграло в ней главную роль.

В строительстве нового общества ученые взяли на себя изменение устаревшей машины государства и образования. В первую очередь они провели реформу единиц мер и весов с насаждением десятичной метрической системы в 1799 году. Задача была трудоемкой и сложной, как об этом свидетельствует «сопротивление» старых систем мер в тех странах, в которые не проникли идеи революции. Второй большой задачей была реформа образования. Следуя стилю шотландских диссидентских школ и университетов, французы основали Высшую нормальную школу, Медицинскую школу и Политехническую школу. Они станут маяками, которые еще через века будут светить научно-исследовательским институтам, образованным позднее.

ЧУМАЗЫЙ МИР

Каменный уголь был топливом промышленной революции. Ничто не могло работать без него. Он был известен с древности, но его массовая добыча началась в XVIII веке, после изобретения паровой машины. Так, от 30 млн т мирового производства каменного угля в 1820 году перешли к 125 млн в 1860 году и 340 млн в 1880 году.

Газ, необходимый для освещения, получался перегонкой каменного угля, которая высвобождала большую часть летучих компонентов, содержащихся внутри него, и превращала его в кокс.

Желтоватое пламя каменноугольного газа осветило улицы Лондона в 1812 году; оно позволило давать вечерние концерны в Брайтонском павильоне с 1821 года и читать газеты в домах в 1829 году. Но у нового освещения также были недоброжелатели. Английский китобойный промысел оказался под угрозой, поскольку раньше китовый жир активно применялся в уличных фонарях. Использование для освещения газа делало невыгодным данный промысел, что сокращало количество опытных моряков, а Великобритания нуждалась в них для своего флота из-за войны с Францией. В 1824 году шотландец Джеймс Бомон Нилсон запатентовал метод увеличения эффективности сжигания угля в доменной печи. Если предварительно нагреть холодный воздух, подаваемый в печь, до 300 °С, то эффективность печи увеличится. При том же самом количестве каменного угля можно произвести в три раза больше железа. Через 11 лет все шотландские заводы использовали метод Нилсона.

Шотландский изобретатель Джеймс Бомон Нилсон (1792-1865).

Новые продукты

Перегонка каменного угля также имела свои минусы. Главным из них был остаток, черный и плохо пахнущий,— смола. Заводы выбрасывали ее как абсолютно бесполезный продукт, в реку или ближайшее водохранилище. В середине XIX века Темза была так загрязнена, что из-за ужасного запаха парламент был вынужден держать двери закрытыми. Проблема оказалась серьезной. Нельзя было перестать производить газ, необходимый для освещения, но и нельзя было продолжать отравлять воду. Группа немецких химиков нашла решение: перерабатывать также и смолу. Благодаря этому появились такие полезные продукты, как керосин для ламп, синтетические красители, антисептики и аспирин (точнее, фенол, из которого легко и с минимальными затратами получалась ацетилсалициловая кислота).

Ученый-любитель с лабораторией, расположенной в его собственном доме, превратился в ученого, который получал зарплату, исследовал и преподавал. Новое образование открыло двери молодежи всех социальных слоев: теперь лучшие умы, откуда бы они ни происходили, могли посвятить себя науке. Приход к власти Наполеона не изменил этого состояния дел. Император поддерживал и подталкивал развитие науки. Более того, наполеоновские войны способствовали тому, чтобы французская наука достигла превосходства, которое в значительной степени проявилось в первой половине XIX века. Континентальная блокада, например, особенно отразилась на обеспечении содой и сахаром, что вынудило химическую промышленность искать новые пути. Вследствие этого Франция доминировала в химических исследованиях Европы более 30 лет.

СОЦИАЛЬНЫЙ ОТБОР

В то время когда революция побеждала в Париже, в Лондоне шло противоположное течение приверженности старым социальным институтам, которое не затрудняло движение науки, но замедляло его. Единственное научное событие, аналогичное происходившему на континенте, заключается в основании в 1799 году Королевского института. Его создание оказалось возможным благодаря Бенджамину Томпсону, графу Румфорду (1753-1814). Школьный учитель Томпсон был одним из первых североамериканских поселенцев и подполковником английского флота.

Он быстро понял, что триумф промышленной революции зависит от нового типа инженера, более ориентированного на научное знание и менее — на слепую традицию. Томпсон убедил состоятельных людей Англии сделать щедрые пожертвования и таким образом основать институт под покровительством Короны, который, по его собственным словам... 

«[...] развивал бы знания и предоставлял бы общее образование в области текущих механических изобретений, философское образование, а также экспериментировал и применял науку в обычных повседневных делах». 

Но мечта Томпсона осуществилась ненадолго. Первый директор Королевского института Гемфри Дэви (1778-1829) был самым экстравагантным ученым тех дней, любителем роскоши и хорошей жизни. Он был членом Королевского общества, посвященным в рыцари в 1812 году, и обладателем ордена Почетного легиона, который учредил сам Наполеон, за работы по гальванизму и электрохимии (можно считать его родоначальником этой дисциплины). В своей речи 1802 года 23-летний Дэви идеально выразил ощущение эпохи: 

«Неравное разделение собственности и труда, неравенство человеческого рода — это источники власти в цивилизованной жизни, ее движущие силы и даже ее настоящая душа». 

Дэви поддерживал тенденцию среди ученых (по большей части принадлежавших к буржуазии) по-разному оценивать интеллект людей в зависимости от их расы и социального происхождения. При таких консервативных взглядах неудивительно, что Королевский институт превратился в конформистский центр, доступный только высшим слоям общества. Несмотря на эти препятствия, именно в такой обстановке процветала единственная субсидируемая лаборатория, где было проведено большинство открытий того времени. И хотя образовательная деятельность университета ограничивалась публичными лекциями, именно они привлекли внимание молодого ученика переплетчика по имени Майкл Фарадей — ученого-экспериментатора, который затем главенствовал в институте в течение более 40 лет. К сожалению, не было мест для сотен потенциальных Фарадеев, способных воспользоваться этой лабораторией. Так Англия потеряла множество прекрасных ученых.

ПАДЕНИЕ И ВОЗВЫШЕНИЕ

Диссиденты появились в 1660 году, когда потухло пламя социальных и политических реформ, зажженное Кромвелем после победы в английской гражданской войне. С восстановлением королевской власти новое законодательство обязало все протестантские церкви (почитавшие Кромвеля) признать свое поражение и поклясться в верности монархии и англиканской церкви. Те, кто не принял данной клятвы, были названы диссидентами, и их жизнь практически превратилась в ад. Парламент издал серию законов, собранных позже в Кларендонском кодексе, согласно которым диссиденты лишались права работать на правительство или церковь и проводить собрания. Муниципальные чиновники должны были быть англиканцами, и никто из священников не мог изменить что-либо, установленное Церковью. Вследствие принятия этого кодекса более тысячи священников были изгнаны из своих приходов. В 1664 году появился и другой закон, который запрещал любое религиозное собрание с участием более пяти человек, если они не принадлежали к англиканской церкви. Наказанием было изгнание в колонии, кроме пуританской Новой Англии, где диссиденты, возможно, были бы приняты с распростертыми объятиями. Диссидентским преподавателям и священнослужителям запрещалось приближаться к городу по меньшей мере на восемь километров.

Центры мудрости

Условия жизни стали очень тяжелыми, что породило волну эмиграции в Америку или Голландию. Тем, кто остался, правительство предложило лишь один свободный путь: посвятить себя торговле и промышленности. Поэтому неудивительно, что в начале XVIII века большая часть промышленности находилась в руках у диссидентов и безжалостное преследование, которому они подвергались, способствовало развитию их свободомыслия. Школы, изначально задуманные для тех, кто хотел носить рясы, превратились в центры изучения инженерного дела и финансов. Именно те, кто обучался в подобных заведениях, развивали английскую технику.

Роза ветров — основа эмблемы англиканской общины, которая напоминает о распространении англиканского сообщества по всему свету. На фото — роза ветров, изображенная на полу Кентерберийского собора.

Значение Максвелла в истории научной мысли сравнимо со значением Эйнштейна (который основывался на нем) и Ньютона (влияние которого он уменьшил).

Иван Толстой, биограф Максвелла, «Джеймс Клерк Максвелл, биография» (1983)

Из-за всего этого в середине XIX века в Великобритании не использовалось слово «ученый». Физики и химики называли себя «философами природы», а биологи — «историками природы». Мало кто работал в науке профессионально, и многие занимавшиеся исследованиями были дилетантами, благородными людьми из обеспеченного класса с достаточными доходами для того, чтобы посвящать время любимому делу. Другие были священнослужителями, врачами, адвокатами и предпринимателями, для которых наука являлась хобби; это был случай отца Джеймса. Возможность зарабатывать себе на жизнь должностью в университете, обсерватории или в таких местах, как Королевский институт, была очень призрачной: мест было очень мало, и они редко оказывались свободны, поскольку их владельцы обычно занимали свои должности всю жизнь. Так что в те редкие случаи, когда место освобождалась, за него велась серьезная борьба, кроме того, подобная работа оплачивалась довольно скромно. В противоположность тому, что происходило во Франции, институционализация профессии ученого не получила большого развития. В максвелловской Англии науку считали интересной, но бесполезной. Возможно, поэтому историк Чарльз Гиллеспи сказал, что модель науки во Франции и в Великобритании можно описать как модель чиновника и модель волонтера.

Одна из причин столь второстепенной роли науки заключается в том, что значительные достижения промышленности и транспорта происходили от инженеров, имеющих небольшую или нулевую подготовку: Джеймс Ватт чинил инструменты, которые ломались в университете Глазго; Джордж Стефенсон, изобретатель паровоза, был неграмотным до 18 лет; и даже важный для морской навигации метод определения долготы был разработан не астрономом, а необразованным часовым мастером по имени Джон Гаррисон. Тогда зачем был нужен университет? Некоторые блестящие ученые смогли создать замечательные приборы: например, Чарльз Уитстон или Уильям Томсон изобрели хитроумные устройства для недавно появившегося телеграфа. Это оказалось экономически рентабельным предприятием благодаря усилиям офицера армии Уильяма Ф. Кука и Уитстона (профессора в Кингс-колледже в Лондоне), приложенным в 1837 году. Но данная история не изменила убежденности общества в том, что наука является отличным хобби для благородного человека, но в целом это несерьезное дело. Никто не понимал, что промышленность начнет по-настоящему пользоваться преимуществами научной специализации, когда университеты станут осуществлять ее. В будущем так и произошло. И Джеймс Клерк Максвелл лидировал в этом новом мире.

АКАДЕМИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА

К счастью, молодому Джеймсу еще не надо было принимать решения. Он планировал поступление в Эдинбургский университет, чтобы изучать математику под руководством Филипа Келланда (преподавателя, который уже одобрил его первую научную работу), натуральную философию у Джеймса Форбса и логику у метафизика Уильяма Гамильтона. Вклад последнего в философию был скудным, но он неплохо преподавал, стимулируя появление у своих учеников здорового скептицизма. Итак, в 16 лет Максвелл поступил в университет, поскольку его ум был воодушевлен наукой и математикой, но он был готов изучать право, потому что ему не хотелось огорчать отца.

Шотландские университеты гордились тем, что сыграли главную роль в промышленной революции, и объявляли миру: их образование может сделать из любого молодого человека большого предпринимателя. Джеймс особенно интересовался уроками философии (тогда ее называли «ментальной философией») Гамильтона, очень харизматичного преподавателя, которого, как заметил Максвелл, иногда ответ на некоторые вопросы приводил к еще более глубоким вопросам. Влияние Гамильтона было очень сильным. Джеймс разделял позицию своего преподавателя, которая высмеивала все попытки доказать существование Бога: хотя знание и логика — незаменимые инструменты для исследования Вселенной, они бесполезны для нахождения причины, ее породившей. Однако Максвелл пребывал в полной уверенности, что его учитель ошибается, недооценивая математику. Это было так, потому что Гамильтон в значительной степени разделял позицию интеллектуального течения под названием «здравый смысл», которое отказывалось от любого метода, не следующего напрямую из наблюдаемых результатов: для последователей данного течения научный прогресс сводится к простому накоплению экспериментальных данных. С другой стороны, он также разделял идею Канта о том, что любое знание относительно: мы знаем не о «вещах в себе», а лишь об их отношениях с другими людьми. Эта идея проникла в научную мысль Максвелла. Он писал: 

«Единственное, что можно воспринять напрямую с помощью чувств, — это сила. Ее мы можем свести к свету, теплу, электричеству, звуку и всем остальным вещам, которые мы способны воспринимать с помощью чувств». 

Максвелл придерживался данной позиции всю жизнь, и даже два десятилетия спустя он исправил в черновике книги «Трактат о натуральной философии» своих друзей Томсона и Тэта понятие массы, говоря, что «чувства никогда не воспринимают материю».

Уроки Гамильтона определили форму, в которой Максвелл проводил свои исследования. Например, его электромагнитная теория олицетворяет идею о том, что вещи, которые мы можем измерить напрямую, такие как сила, которую оказывает электрический провод на намагниченную стрелку, — это выражение более глубокого процесса, находящегося за гранью нашей способности к визуализации; в данном случае это интенсивность электромагнитного поля.

Гравюра, изображающая мастерскую Джеймса Ватта. Шотландский инженер способствовал развитию паровой машины.

Памятник Максвеллу на Джордж- стрит, Эдинбург. В возрасте 16 лет он поступил в университет этого города.

Портрет Джеймса Ватта кисти Карла Фредерика фон Бреда, 1792 год.

ЭКСПЕРИМЕНТАТОР

Джеймс был не только мыслителем; он также любил эксперименты, и ничто не могло лучше противостоять урокам философии Гамильтона, чем занятия с другом его отца, Джеймсом Форбсом (1809-1868). Молодой Максвелл проводил часы в лаборатории своего преподавателя, позволявшего ему ставить любые эксперименты. Так он научился управлять различными приборами и сконструировал необходимые ему. Этот опыт показался ему настолько полезным, что много лет спустя, когда Максвелл возглавил Кавендишскую лабораторию в Кембридже, он всегда разрешал своим студентам ставить собственные эксперименты и никогда никому не диктовал, какое исследование вести, если только его не спрашивали.

Кроме того, Форбс помог Джеймсу отшлифовать свой стиль письма до такой степени, что в итоге его работы нельзя было ни с чем спутать, как и картины Гогена или партитуры Моцарта. Инженер Бэзил Маон Как пишет в биографии Максвелла: 

<[...] у него авторитетный, но свежий и неформальный тон; уравнения естественно вытекают из аргументов. Понятия появляются настолько утонченно и оригинально, что ученые до сих пор задаются вопросом, что именно он хотел сказать». 

Все, что Форбс делал или говорил, тщательно усваивалось Максвеллом, которого он научил быть дисциплинированным в работе с данными и постановке экспериментов. Когда его учитель умер 21 декабря 1868 года, Максвелл сказал, что он «любил Джеймса Форбса».

Герой этой книги также ходил на уроки математики Филипа Келланда и уроки химии к некоему профессору Грегори, который вел занятия, не ступая в лабораторию: это он поручал во внеурочное время тому, кого называл «Кемп-практик».

В свою очередь господин Кемп был склонен описывать процессы, преподаваемые Грегори на уроках, как «бесполезные и вредные, придуманные химиками, желающими что-нибудь сделать». Из этих разочаровывающих занятий Джеймс вынес урок на всю жизнь: работа в лаборатории не только необходима для получения хорошего научного образования, но и должна быть составной частью самих занятий, а не являться чем-то необычным.

Я никогда не отговаривал никого от эксперимента; если человек не найдет то, что ищет, он может найти что-то другое.

Максвелл о свободе, которую он давал студентам Кавендишской лаборатории при постановке экспериментов

Пытливый ум Джеймса не мог питаться только университетскими занятиями. Его интеллектуальное образование также включало чтение классиков: он изучал «Оптику» Ньютона, «Дифференциальное исчисление» Коши, Трактат о механике» Пуассона и «Аналитическую теорию тепла» Фурье; он был так захвачен этой последней книгой, что потратил немалую сумму в 25 шиллингов на приобретение собственного экземпляра.

Чтение занимало значительную часть его времени, которое он посвящал не только научным, но также и философским работам, таким как «Левиафан» Гоббса или «Теория нравственных чувств» Адама Смита. Джеймс также не оставил латынь и греческий. Кроме того, на досуге он читал романы и поэзию.

Его влечение к науке привело к построению маленькой лаборатории над зданием, отведенным его отцом для стирки и глажки одежды обитателей фермы. Там он проводил долгие каникулы шотландских университетов, которые начинались в конце апреля и длились до начала ноября. Таким образом студенты могли помогать семьям в самое тяжелое для сельского хозяйства время — весной и летом. Максвелл так описывал свою лабораторию: 

«У меня есть старая дверь, которая держится на двух бочках, и два стула, из которых один надежный, и слуховое окно, которое я могу открывать и закрывать.

На двери, или столе, много мисок, кувшинов, тарелок, банок: в них содержится вода, соль, сода, серная кислота, медный купорос, графит, также разбитое стекло, железо, медные провода, пчелиный воск, воск для запечатывания, сланец, древесная смола, древесный уголь, линза, гальванический аппарат Сми [электрический прибор того времени, включавший одну батарею] и несметное число маленьких жучков, пауков и мокриц, которые падают в разные жидкости и умирают от отравления». 

Это была отличная практика. Джеймс обвивал медью старые банки с вареньем, экспериментируя с электричеством, а также развлекал местных детей химическими опытами, позволяя им плюнуть в смесь двух белых порошков и наблюдать, как они меняют цвет на зеленый. Но более всего привлекал его внимание поляризованный свет — световые волны, электромагнитные колебания которых распространяются только в одном направлении. Мы можем легко наблюдать его с помощью двух солнечных очков с поляризованными стеклами. Если мы поставим их друг перед другом так, что одно стекло окажется напротив другого, и начнем вращать одно из них, то в какой-то момент свет совсем перестанет проходить. Это происходит потому, что два стекла позволяют пройти только свету, колебание волн которого осуществляется в вертикальном направлении. Вращением второго стекла мы поместили его в положение в 90° относительно первого, следовательно, оно не позволит пройти свету (рисунок 1). Максвелла завораживали цвета, которые получаются при освещении таким светом быстроохлажденных неотпущенных стекол (стекол, в которых сохранились внутренние напряжения). Но его интерес выходил за грани чисто эстетического: он хотел понять структуру и распределение таких напряжений. Чтобы сделать это, Джеймс брал куски стекла, нагревал их докрасна и затем быстро остужал.

РИСУНОК 1:

Чтобы понятъ поляризацию света, надо представить себе веревку, которая колеблется вертикально (то ость вартикально поляризована) и проходит через два заграждения.

РИСУНОК 2:

Благодаря отражению пучка света от стекла он оказывается поляризованным

Вначале у него не было никаких приборов, которые позволили бы ему получить поляризованный свет, так что ему пришлось импровизировать. Максвелл знал, что когда пучок света отражается под некоторым углом от поверхности стекла, часть отраженного пучка оказывается поляризованной (рисунок 2). Так что он сконструировал поляризатор, который состоял из спичечного коробка и двух кусков железа, соединенных воском для фиксации под нужным углом. Кроме того, он знал, что существуют природные кристаллы, которые поляризуют свет, когда он проходит через них; молодой ученый провел немало времени, шлифуя тонкие пластинки таких кристаллов, чтобы получить нужный эффект. Однажды он записал: 

«Вчера мы были в замке Дуглас, и я достал кристаллы селитры, которые сегодня разрезал на пластинки. Надеюсь увидеть кольца». 

Изображения, полученные им данным способом, были еще более завораживающими. Чтобы сохранить их, ученый использовал камеру-люциду. Она была описана немецким астрономом Иоганном Кеплером (1571-1630) в книге «Диоптрика», однако оказалась забыта до тех пор, пока в 1806 году ее вновь не изобрел британский физик Уильям Хайд Волластон (1766-1828). Он разбогател, совершенствуя методы обработки платины, а также открыл палладий и родий. Джеймс зарисовал цветные изображения акварелью и послал их Уильяму Николю, знаменитому оптику, с которым его познакомил дядя за два года до этого. Николь был так впечатлен его работой, что подарил ему две своих призмы из исландского шпата, и этот подарок Джеймс ценил всю жизнь.

Но зарисовка акварелью картин, созданных поляризованных светом, не была целью, которую преследовал Максвелл, он скорее искал принцип чего-то более глубокого. Смог бы он воспользоваться своим методом, чтобы увидеть механические напряжения твердых тел различных форм, подверженных нагрузкам? Джеймс знал, что данная тема очень интересовала инженеров. Для проверки этой идеи ему нужно было прозрачное твердое тело, которому он мог бы придавать различные формы: растягивать, скручивать, сжимать... Подойдет ли желатин? Получить его было несложно: достаточно пойти на кухню. Итак, он сделал кольцо из желатина и скрутил его, чтобы создать в нем напряжение. После этого Максвелл пропустил сквозь него поляризованный свет и смог наглядно увидеть области напряжения: он разработал метод фотоупругости, хорошо известный сегодня инженерам.

КРИВЫЕ И УПРУГИЕ ТВЕРДЫЕ ТЕЛА

В то же время Максвелл занимался математическими исследованиями, продолжая свою первую работу об овалах: в феврале 1849 года Келланд прочел его статью « кривых » в Эдинбургском королевском обществе. В ней речь идет о кривой, которая появляется, когда круг катится вдоль другой кривой. Один из примеров — это циклоида, получаемая в результате перемещения заданной точки круга, катящегося по прямой линии (см. рисунок).

Статья демонстрирует стиль работы, который проявился у ученого и далее. Он был исчерпывающим в используемых понятиях, а также в библиографии, где упоминались как классические работы по предмету, так и самые современные. Джеймс также был систематичным в изложении, не упуская ничего и стараясь сделать наибольшее возможное число обобщений. Один из самых простых результатов, который он нашел в этой математической работе, следующий: 

«Если кривая А при качении по прямой линии образует кривую С и кривая А, катясь по самой себе, образует В, то когда кривая В катится по С, она образует прямую линию». 

На втором курсе Максвелл продолжил ходить на занятия по математике, а также на метафизику к Гамильтону. На этом же курсе он перешел в первую группу из трех, на которые Форбс делил учеников на своих занятиях естественными науками, поскольку на первом курсе из-за недостаточных познаний ему пришлось остаться во второй.

Если приставить карандаш к одной из точек окружности и вращать окружность без скольжении по прямой, образуется циклоида с началом в точке А и максимальной высотой в точке В.

Максвелл продолжил исследования изображений, возникающих при прохождении поляризованным светом тела, подвергнутого нагрузке, и начал пытаться объяснить полученные результаты, прибегая к теории упругости. Руководство Форбса в этом было неоценимым, поскольку тот сам недавно представил в Эдинбургском королевском обществе работу об измерении способности тел к растяжению. Результатом стала великолепная статья «О равновесии упругих тел». Максвелл вывел новые закономерности и создал понятийный аппарат для дальнейшего обсуждения упругости и фотоупругости. И все это получилось в результате умственной работы молодого человека, которому было всего лишь 18 лет.

В статье излагалась общая математическая теория упругости, которая затем была применена к частным случаям упругой деформации (некоторые из них уже были открыты другими авторами). Заканчивалась эта работа описанием фотоупругости. Некоторые теоретические результаты Максвелл проверил собственными экспериментами и проиллюстрировал статью аккуратными акварельными зарисовками, в которых показал цветные картины, возникающие при использовании поляризованного света. Молодой человек усердно работал над статьей, но писал ее очень запутанным стилем и не заботился чрезмерно о математической формулировке, что делало его объяснения трудными для понимания. Как только Форбс получил эту работу, он сурово отчитал Джеймса: 

«Совершенно очевидно, что бесполезно публиковать статью для научного пользования, если во многих местах есть переходы, за которыми не может проследить даже такой знаток математики, как профессор Келланд». 

Джеймс усвоил урок. После этого выговора он выработал стиль написания, который затем применял во всех остальных работах.

РАСТЯНУТЬ, СКРУТИТЬ И РАСКРАСИТЬ

Математическая теория упругости была разработана такими крупными учеными, как Навье, Пуассон и Коши. Для этого они сформулировали различные гипотезы о молекулярных взаимодействиях в упругих телах. Максвелл решил не идти их путем. Он предпочитал идею, которую ирландский физик Джордж Габриель Стокс (1819-1903) представил в Кембриджском философском обществе в 1845 году в докладе под названием «О теории внутреннего трения в движущихся жидкостях и о равновесии и движении упругих твердых тел». Стокс хотя и был убежден, что конечная причина поведения упругих твердых тел лежит во взаимодействии между молекулами, которые его образуют, решил проблему с чисто геометрической точки зрения, представив модель, не зависящую ни от каких гипотез о молекулярных силах.

Следуя Стоксу, Максвелл для своей теории отказался от всех предположений о физических силах, отбросив теории Навье и Пуассона, которые пытались объяснить упругость с точки зрения молекул, действующих на расстоянии. Подход Максвелла был феноменальным: основываясь на результатах, полученных им в ходе экспериментов, которые устанавливали отношения между давлением и сжатием упругих тел, он вывел уравнения, объясняющие все экспериментальные закономерности, полученные на тот момент. Этим способом подхода к проблеме, где он четко разграничивал геометрическую модель и физические гипотезы, Максвелл вновь воспользовался во всей его мощи, когда несколько лет спустя столкнулся с электромагнитным полем и силовыми линиями, о которых объявил Фарадей.

Такое разграничение не являлось его оригинальной идеей: оно было характерно для математиков Кембриджа, и его уже активно использовали Эйри, Томсон и сам Стокс. Любопытно, что Максвелл, не учась в Кембридже, уже приспосабливался к его манере проводить исследования.

Другая работа юности Максвелла (и одна из самых главных) также была написана под влиянием Форбса и была посвящена теории цвета. В 1849 году профессор познакомил молодого студента со своими экспериментами по смешению цветов для обзора проблемы представления метода и номенклатуры для их классификации. Эксперименты Максвелла состояли в том, чтобы наблюдать за тонами, производимыми вращающимся диском, разделенным на секторы различных цветов, площадь которых можно было варьировать. Но его основная работа по классификации цветов была впереди. Сначала ему нужно было покинуть Эдинбург и уехать в Кембридж.

На первом курсе Эдинбургского университета Максвелл наслаждался компанией своих друзей Льюиса Кэмпбелла и Питера Гатри Тэта. Но по его окончании Льюис уехал в Оксфорд, а Тэт — в Кембридж. На втором курсе в Эдинбурге Джеймс почувствовал, что он стоит на месте. Он поговорил с отцом, и они оба решили, что лучшим выбором для его будущего станет переезд в Кембридж. Форбс посоветовал ему поехать в его альма- матер, Тринити-колледж. Тэт был в маленьком и изолированном колледже Святого Петра, тогда известном как Питерхаус. Младший брат Льюиса Кэмпбелла, Роберт, учился в Кайюс- колледже, очень престижном, но настолько заполненном студентами, что новые ученики должны были размещаться вне его здания, так что Максвелл решил обосноваться в Питерхаусе.

Джеймс покинул Эдинбург в возрасте 19 лет и приехал в утонченный Кембридж со своим акцентом Гэллоуэя, ничего не зная об элегантности, полностью безразличный к любому типу роскоши: он ехал в третьем классе, поскольку предпочитал твердые сиденья. Друг Максвелла Льюис Кэмпбелл так описывал его в своем дневнике: 

«Его манеры очень странные, но его здравый смысл, хорошее настроение и неистощимое обаяние стирают все его странности в социальной жизни колледжа. У меня нет никаких сомнений в том, что он выдающийся человек». 

С таким багажом 18 октября 1850 года Джеймс приехал в Питерхаус, самый старинный колледж в университете.

ГЛАВА 3 На реке Кам

В XIX веке английское университетское образование большей частью было сосредоточено в двух университетах — Оксфорде и Кембридже. Естественные науки в основном преподавались во втором из них. Самый престижный из выпускных экзаменов Кембриджа назывался математическим трайпосом, и с ним пришлось столкнуться молодому Максвеллу. Это сильно повлияло на его манеру исследования, особенно на умение излагать идеи на языке математики.

Джеймс поехал в Кембридж со своим отцом. По дороге они остановились, чтобы посетить два самых значительных собора английской архитектуры. Один из них, собор в Питерборо, входит в число самых представительных зданий Англии XII века; здесь похоронена Екатерина Арагонская, первая из шести жен самого абсолютистского английского короля, Генриха VIII. Второй, собор Или, является одним из чудес английского готического искусства. Кроме того, это самый близкий к Кембриджу кафедральный собор.

Как и многие английские города, знаменитый город-университет, название которого происходит от реки Кам, заметно вырос в XIX веке. В 1845 году, после бурного протеста со стороны населения, сюда пришла железная дорога, что повлекло за собой значительное экономическое развитие.

По прибытии крайне воодушевленный Максвелл представился своему наставнику (каждому студенту колледжа назначается наставник, чтобы следить за его образованием) и проследовал в свою комнату, где начал осторожно распаковывать инструментарий, с помощью которого осуществлял исследования в Шотландии: магниты, желатин, стекло... и крайне ценные призмы Николя. Далее было чаепитие с другом Тэтом, которое чрезмерно затянулось, а на следующий день — традиционный осмотр достопримечательностей Кембриджа, включая памятники Ньютону и Фрэнсису Бэкону в часовне Тринити. Максвелла даже позабавила надпись, увиденная им на доске объявлений в прихожей Питерхауса: в ней грозили отчислением любому, кто посетит конюшни, расположенные на территории колледжа, из-за «аморальной природы этого учреждения».

[Максвелл] необычный и застенчивый юноша, но очень умный и упорный [...], автор нескольких подающих надежды статей в «Эдинбургских записках».

Отрывок из рекомендательного письма Максвеллу, которое Форбс адресовал Уильяму Уэвеллу, ректору Тринити-колледжа

Джеймс был в восторге. Кембридж оказался красивым городом, где на каждом углу чувствовалась атмосфера культуры и традиции. Однако не все было так сказочно: на занятиях он снова вспомнил горечь школьных дней, когда нужно было дословно разбирать Евклида или делать синтаксический разбор древнегреческой драмы. Товарищи Джеймса также не были склонны к долгим дискуссиям, которые очень занимали молодого человека, или к тому, чтобы выслушивать его идеи. Максвеллу стало дискомфортно, и он начал вынашивать идею перебраться в Тринити-колледж. Одновременно отец, который интересовался делами своего сына, начинал беспокоиться, что Джеймсу не удастся получить место в колледже после его окончания. В области математики здесь обычно был конкурс на одно место в году, а на курсе Джеймса учился Эдвард Джон Раус, у которого была репутация математического гения. Единственным вариантом для Максвелла оставалось перевестись в Тринити после первого же триместра.

НАУКА И ВЕРА

Жизнь в Тринити-колледже была приятнее, чем в Питерхаусе. Джеймс быстро нашел друзей, с которыми вступал в шумные дискуссии на разные темы, от философии и морали до конных забегов в Ньюмаркете и, естественно, девушек. Ректором Тринити являлся Уильям Уэвелл, выдающийся философ и историк науки, а также поэт, переводчик Гете и автор примечательных проповедей и теологических трактатов. Неудивительно, что под его руководством Тринити кипел идеями и дискуссиями обо всем на свете. Среди тем, которые были затронуты, одна была особенно приятна Джеймсу, поскольку разжигала его самые сокровенные чувства: вечный конфликт между наукой и религией.

С обеих сторон диспута находились люди, которые думали, что это две абсолютно несовместимые дисциплины; но для Джеймса они дополняли друг друга. Его вера была слишком глубока и сильна для того, чтобы ее потрясли аргументы атеистов, но ум ученого не позволял забросить в темный угол противоречия, существующие между религией и наукой; если они есть, нужно их исследовать. Позиция Максвелла ставила его в очень сложное положение, поскольку каждое новое открытие вынуждало ученого пересматривать свои религиозные убеждения.

Глубокая христианская вера Джеймса и его безграничная преданность научному исследованию в течение жизни часто ставили его в чрезвычайно деликатные ситуации. Самая сложная из них возникла, когда он, будучи уже светилом физики, получил несколько предложений войти в состав Института Виктории. Это организация, основанная в 1865 году в качестве ответа на публикацию «Происхождения видов» Дарвина, ставила себе, среди прочих целей, задачу «защитить Истину Священного Писания от нападок, которые исходят не от науки, а от псевдонауки»'. Институт давал очень четкую формулировку псевдонауки: все те научные теории, которые противоречат дословному толкованию Библии, «должны быть чистой псевдонаукой, то есть ложным восприятием природы». В марте

1875 года Максвелл получил письменное приглашение, и от его ответа осталась только неполная часть: 

«Я думаю, что выводы, к которым приходит каждый человек в своей попытке примирить науку с христианством, не должны рассматриваться как нечто, имеющее значение для кого-либо, кроме него самого, и только на какое-то время, и на них не должна стоять печать общества. Это связано с природой науки, особенно в тех областях, где открываются какие-то новые сферы и которые непрерывно меняются». 

Из этих нескольких строчек (ничего не проясняющих) родилось множество вопросов у биографов Максвелла. Каковы были причины того, что столь ревностный христианин, как он, отказался вступать в Институт Виктории? Этому существуют различные объяснения. Во-первых, узость взглядов, отраженная в учредительных документах общества, особенно требование дословного принятия Библии. Во-вторых, широта взглядов личной религии Максвелла, которая проявлялась в терпимости в вопросах богословия. Она была привита ученому еще в детстве, так как его родители принадлежали к различным церквям. Любимое утверждение ученого — «У меня нет чутья на ересь» — свидетельствует о том, что вера для Максвелла была чем-то очень личным. И наконец, он всегда старался не выражать публично своего мнения по поводу того, в чем не считал себя экспертом.

Отдельного внимания заслуживает тема очень популярного в те времена спиритизма. Он зародился в Хайдсвилле, маленькой деревушке на севере штата Нью-Йорк, благодаря двум девочкам, сестрам Кейт и Мэгги Фокс. Они начали общаться с духом, задавая ему вопросы, на которые он отвечал ударами в стену. Свой дар сестры открыли 31 марта 1848 года. Через четыре года, в 1852-м, у них было около 750 тысяч последователей.

Британцы узнали о чудесах спиритизма благодаря американке-медиуму по имени У. Р. Хайден, супруге бывшего владельца газеты в Новой Англии. Когда она приехала в Лондон в 1852 году, то за одну гинею позволяла желающим услышать стуки в различных местах комнаты. Хайден была знатоком холодного чтения — техники, с помощью которой медиум получает информацию о своем клиенте благодаря его малозаметным реакциям. Так думал Джордж Генри Льюис, владелец и редактор журнала »Лидер». Чтобы доказать это, он тщательно подготовил ловушку. В нужный момент — при произнесении определенных букв — его голос дрожал. Духи с удовольствием реагировали стуком на эти буквы. Полученные сообщения были абсолютно нереалистичными. Согласно духам, контролируемым Хайден, у призрака отца Гамлета было 19 носов.

Я думаю, вместе с теологами Вестминстера и их предшественниками, что до скончания времен «главная цель человека — восхвалять Бога и вечно радоваться Ему».

Максвелл в письме Льюису Кэмпбеллу, датированном ноябрем 1851 года

Неудивительно, что университетская молодежь заинтересовалась темой спиритуализма и даже воодушевилась ей. Максвелл тоже отдал дань этой моде, но скорее для развлечения.

Однако он испытывал и беспокойство: 

«Каждый день я вижу все больше причин думать, что вопрос «оккультных наук» должен быть исследован. Я считаю, то, что называется склонностью к суеверию, сегодня более значимо, чем многие полагают. Преобладание ошибочной тенденции показывает, что наука идет по неверному пути. Природа и суть этой тенденции требуют изучения».

ЖИЗНЬ В ТРИНИТИ

В колледже Джеймсу было комфортно, и он пытался утвердить свой жизненный распорядок, в некоторых моментах раздражавший других учащихся. Например, он выходил в два часа ночи, чтобы побегать полчаса по коридорам общежития, пока не начинал попадать под град из щеток, ботинок и других предметов, летящих из комнат товарищей. Но несмотря на эти «неудобства», присутствие Максвелла очень ценили на различных встречах и студенческих ужинах. В большинстве случаев он отказывался от приглашений на подобные мероприятия, потому что не хотел, чтобы его университетская жизнь была потрачена на пирушки. Зато молодой человек не отказался вступить в число «Апостолов» (формальное название — Select Essay Club) — группы из 12 студентов, которые считались сливками студенческого общества Кембриджа, куда каждый год избирались новые члены, чтобы заменить тех, кто ушел. Их встречи заключались в том, чтобы собираться вечером по субботам, пить чай и есть тосты с сардинами (они называли их «китами»), после чего один из членов читал очерк на любую тему, который затем обсуждали. Присутствующие от руки записывали свои разговоры, и их коллекция сегодня известна как «шкатулка», в противоположность «книге» — последующей практике записывать все в тетради с кожаным переплетом.

Сложная структура науки [...] иногда похожа на крошечную модель природы, а иногда на нечто, естественным образом выросшее в человеческом разуме.

Высказывание Максвелла о том, что законы природы связаны с человеческим разумом

«Апостолы» действительно были элитной группой: в нее входили такие выдающиеся личности, как английский поэт Альфред Теннисон (1809-1892), британский философ Бертран Рассел (1872-1970), австрийский философ Людвиг Витгенштейн (1889-1951), британский экономист Джон Мейнард Кейнс (1883-1946) и британский математик Годфри Харолд Харди (1877-1947). В этой дискуссионной группе большее значение имела форма, чем суть, и это была отличная возможность попрактиковаться в ораторском искусстве и риторике.

В «Апостолах» Максвелл пользовался возможностью отстаивать свой подход к науке, согласно которому и теория, и эмпирические данные важны для понимания мира. Очерк об использовании аналогий в научном исследовании («Существуют ли действительные аналогии в природе?»), подготовленный Максвеллом в феврале 1856 года, происходил из темы, которая заинтересовала его на занятиях по философии Гамильтона: существуют ли аналогии в реальном мире или это продукт человеческого разума?

Очерк для «Апостолов» заканчивался так: 

«Единственные законы материи — те, что может изобрести наш разум, и единственные законы разума — это законы, изобретенные для него материей». 

Помимо интереса к философии научного исследования, Максвелл проявлял себя и в других сферах деятельности. Он также писал множество разнообразных стихов: от переводов эпических од с латыни и греческого до стихотворений, пропитанных тонкой иронией, призванных посмешить друзей. Даже рассказывают, что ради развлечения и мести, поскольку в Тринити не разрешалось держать в комнатах собак, он вынуждал товарищей, владельцев котов, поучаствовать в специфическом исследовании. Его целью было установить высоту, с которой их любимые домашние животные способны упасть на лапы.

Постепенно эта история перешла все границы, превратившись в жестокий эксперимент, во время которого котов выбрасывали из окон колледжа. Спустя много лет Максвелл вернулся в Кембридж, а эта история все еще была там на слуху и даже обросла более ужасными подробностями, в связи с чем ему пришлось все отрицать.

В любом случае, когда Джеймс не выбрасывал котов из окна, он уделял довольно много времени окружавшим его людям. Если какому-то товарищу была нужна помощь или он просто болел и ему требовался уход, Джеймс был тут как тут. Он подбадривал тех, кто грустил, помогал новичкам, у которых были проблемы с учебой, читал вслух свои учебные конспекты каждый вечер и, кроме того, находил время писать отцу, тете Джейн и друзьям.

Подобная гиперактивность иногда чревата последствиями: в течение лета, проведенного в Суффолке, где Джеймс навещал семью друга, у него были ужасные приступы жара, из-за которых он пробыл в бреду две недели.

ФАРАДЕЙ И СПИРИТИЗМ

Летом 1854 года британский физик и химик Майкл Фарадей (1791-1867) провел самое авторитетное исследование спиритизма, особенно явления вращающихся столов, которые левитировали, двигались или наклонялись, чтобы ответить посредством стука на вопросы присутствующих. В свои 60 лет человек с бесспорно мировым именем решил определить, что может оказаться причиной такого захватывающего явления.

«Ни один тип эксперимента или способ наблюдения, которые я мог бы провести, не дал мне ни малейшего указания на какую-то особенную силу. Никакого притяжения или отталкивания... ничего, что можно приписать чему-либо, кроме как механическому давлению, оказываемому непроизвольно субъектом».

ГЛАВА 4 Изучение цвета и света

Максвелл успешно справился с испытаниями Кембриджа и понимал, что настала пора вернуться к собственным исследованиям. Пребывание в университете подарило ему уверенность, ясность мысли и отработанную методику — все это он был готов применить при решении стоявших перед ним задач. К данному периоду относится одно из самых интересных исследований Максвелла, получившее широкую известность, — теория цветов.

Благодаря ей он стал известен как физик- экспериментатор с хорошим знанием математики.

В середине XVII века молодой английский ученый захотел выяснить, почему мы видим листья деревьев зелеными, небо голубым, а хлопок белым. Для этого он смотрел прямо на Солнце до тех пор, пока цвета в его глазах не изменялись. Он так увлекся своим занятием, что ему пришлось закрыться на несколько дней в абсолютно темной комнате, пока скопления светящихся точек, которые постоянно плавали перед его глазами, не исчезли. Этим «несознательным» исследователем был великий Исаак Ньютон.

Через несколько лет он вернулся к данной теме, но уже с большей осторожностью. Модная теория того времени, распространенная в академических кругах, утверждала, что цвета — это смешение света и темноты. Существовала даже шкала, которая шла от ярко-красного (чистого белого света с минимальным количеством темноты) до темно-синего цвета, предшествующего черному, то есть абсолютному исчезновению света в полной темноте. Однако Ньютона такое объяснение не устраивало: если делать запись черными чернилами на белой бумаге, то написанное не становится цветным...

Ньютон начал исследовать то, что было известно как «знаменитый феномен цветов». Ученые использовали призму для своих работ и думали, что в ней есть что-то, ответственное за придание свету различных цветов. Проблема была в том, что они помещали экран, на который падал свет, исходящий из призмы, очень близко от нее, поэтому видели только разноцветное пятно. Ньютон отдалил экран от призмы насколько это было возможно, и... появилась радуга. Тогда он усложнил эксперимент. В экране, на который падал свет, разложенный на цвета, ученый сделал маленькую щель как раз на той высоте, где проходил зеленый пучок, и поставил позади другую призму. Ньютон выяснил, что свет, который проходит через эту вторую призму, остается зеленым. Так он доказал, что белый свет является простым смешением цветов, а единственное, что делает призма, — разделяет их. Следующим его шагом стал поиск правил, регулирующих смешение цветов. И Ньютон создал то, что сегодня известно как цветовой круг Ньютона (см. рисунок).

С помощью этой диаграммы Ньютон хотел теорию смешения цветов,согласно которой из основных цветов спектра можно образовать любой другой.

Он разделил окружность на семь дуг, по числу цветов спектра. Каждая дуга была окрашена в один из этих цветов, в то время как белый центр круга, О, представлял собой смешение всех цветов спектра (как это происходит с белым светом Солнца). Таким образом, пространство между О и окружностью представляло собой гамму ненасыщенных, тусклых цветов, которые мы наблюдаем в реальном мире. Ньютон нашел метод для вычисления хроматичности (то есть тона и чистоты) заданного цвета.

Как можно видеть на рисунке на этой странице, в центр каждой дуги Ньютон поместил маленький круг, размер (или вес) которого пропорционален числу лучей рассматриваемого цвета. Данные лучи входят в состав определенного смешения, а точка Y указывает, какой цвет составлен на основе этого смешения цветов спектра; в данном случае представлен краснооранжевый.

В заключение своего рассуждения Ньютон заметил: 

«Если бы точка Yпопала на линию OD или оказалась рядом с ней, основными ингредиентами были бы красный и фиолетовый и получившийся цвет не был бы ни одним из призматических цветов [тех, что появляются при пересечении призмы лучом света], а был бы пурпурным, ближе к красному или фиолетовому; следовательно, точка Y находилась бы со стороны линии DO ближе к Е или Сив целом составной фиолетовый был бы ярче и более выражен [насыщен], чем несоставной».

Наука о цвете должна считаться, по сути, наукой о разуме.

Джеймс Клерк Максвелл

Однако Ньютон знал ограничения своего построения: была одна неудобная точка непрерывности в том месте, где сталкивались два цвета краев спектра — красный и фиолетовый. Кроме того, что произойдет, если смешать в одинаковых частях два цвета, которые находятся в местах, диаметрально противоположных друг другу? В чистом виде новый цвет попал бы в центр (О) и должен был быть белым, но, как высказался сам ученый, «это был бы не идеально белый, а некий слабый и неизвестный [разбавленный и безымянный] цвет». Он также признал, что ему не удалось произвести белый на основе двух цветов, несмотря на то что голландский физик Христиан Гюйгенс (1629-1695) утверждал, что это можно сделать, смешав синий и желтый цвета. Зато Ньютон признавал, что такое возможно при помощи «смешения трех цветов, взятых на одинаковом расстоянии от окружности». Однако он говорил о разнице между белым, который производится при смешивании некоторых из семи цветов радуги, и «белым цветом света, непосредственно идущего от Солнца»: по его мнению, это были два разных белых.

Ньютон совершил несколько ошибок при разработке своей теории, которые из-за его невероятного авторитета достаточно долго никто не опровергал. Поскольку при объяснении своих экспериментов он четко не разграничил свет и пигменты, последующие ученые предположили, что смешивать свет и пигменты — одно и то же. Ньютон также считал очевидным то, что цвет пигмента эквивалентен цвету света, который он отражает (например, желтый пигмент отражает желтый свет), и эта ошибка еще «жива». В эпоху Максвелла теория Ньютона была самой лучшей из всех имевшихся.

ЦВЕТНЫЕ КРУГИ

Между тем художники и текстильные фабрики в понимании смешивания цветов находились на несколько световых лет впереди от ученых. Начиная с XVII века они прекрасно знали, как получить нужный цвет на основе красного, синего и желтого — триады «первичных» цветов. Но почему их три? Английский физик и врач Томас Юнг (1773-1829) предположил в своем «Курсе лекций по натуральной философии» (1807), что в основе может лежать физиологическая причина. Возможно, у нас в глазу «три типа ощущений на сетчатке», различные рецепторы, и смешение их сигналов в мозге дает воспринимаемый цвет.

Цвет, который мы воспринимаем, — это функция с тремя независимыми переменными. По крайней мере три я считаю достаточным, но время покажет, так ли это.

Максвелл в письме Уильяму Томсону

Джеймс начал интересоваться проблемой цветов начиная с дней, проведенных в лаборатории Форбса в Эдинбурге. Его наставник думал, что можно образовать любой цвет, используя классический цветовой круг (см. рисунок), измененный должным образом. Поскольку если быстро крутить его, наш глаз неспособен различить каждый из цветов, нарисованных на круге, в итоге мы видим их смешение. Это характеристика глаза, но не слуха: если разделить звуки на самые простые компоненты, мы способны услышать мелодию, а не единое смешение всех нот. Следуя предположению Юнга, Форбс думал, что можно воспроизвести любой цвет, включая белый, расположив подходящим образом три первичных цвета на круге. Итак, он пытался получить белый на основе красного, желтого и синего, распределяя их по кругу в секторах различного размера. Напрасно. Также Форбс попытался воспроизвести зеленый на основе синего и желтого, как это делали художники на своих палитрах, но не добился этого: к своему удивлению, он получил розовый.

Первый цветной круг, показывающий отношении, существующие между первичными и вторичными цветами, — это работа Исаака Ньютона. Здесь мы приводим два круга, которые появляются в «Трактате о живописи в миниатюре» (1708), приписываемом французскому художнику Клоду Буте. Справа показан более древний пример цветового круга с 12 оттенками.

Ученый был обескуражен. Сегодня мы знаем, что смешивать цвета и пигменты — не одно и то же: первое смешение — аддитивное, а второе — субтрактивное. Мы видим желтый цвет на стенах, потому что наш глаз воспринимает желтый свет, который не поглощается, а отражается желтой краской. Именно это обнаружил Максвелл: он открыл, что если экспериментировать с цветовым кругом, содержащим красный, зеленый и синий в качестве первичных цветов, то все работает идеально.

Джеймс Клерк Максвелл начал исследование цветов в подходящий момент — во время большого интереса к данной теме.

Шотландский физик-оптик Дэвид Брюстер (1781-1868) сформулировал теорию об ощущении цвета, а немец Герман фон Гельмгольц (1821-1894) опубликовал в 1852 году свою первую статью по этой теме. Согласно Брюстеру, тремя первичными цветами являются красный, синий и желтый; и они соответствуют (следуя Юнгу) трем типам объективного света. Но фон Гельмгольц указал на глубинное несоответствие: эксперименты, поставленные на тот момент, осуществлялись смешиванием пигментов, за исключением немногих, сделанных с помощью цветового круга, а нужно было смешивать свет разных цветов, чтобы можно было сравнить результаты. Для этого фон Гельмгольц сконструировал прибор, способный смешивать свет двух цветов спектра любой интенсивности. У этих экспериментов были удивительные результаты: при смешении красного и зеленого получился желтый, а зеленого и фиолетового — синий.

Максвелл учел замечания немецкого ученого и сконструировал свой прибор в 1852 году. Однако ранее ему нужно было провести собственные исследования с цветовым кругом.

КРУТИСЬ, КРУТИСЬ, ВОЛЧОК

Первое, что нужно было сделать, — получить количественные измерения смешения цветов. Для этого Максвелл изменил круг (своего рода волчок) таким образом, чтобы можно было выбрать количество каждого цвета, который он собирался использовать. В ходе экспериментов Максвелл выяснил, что с помощью белого, черного, красного, зеленого, желтого и синего можно получить любой цвет. Но нужно было сделать результаты более точными, и он использовал второй круг меньшего размера, который поместил поверх первого. Таким образом, на нижний круг накладывались три цвета, например черный, желтый и синий, а на верхний — красный и зеленый. Чтобы количественно оценить пропорцию каждого цвета, который был на обоих кругах, ему нужно было только посмотреть на нанесенную на них шкалу.

Эскиз Ньютона к одному из его экспериментов с цветами. В числе многочисленных разработок английского математика и физика — теория цвета.

Джеймс Клерк Максвелл (в возрасте 23 лет) держит цветовой круг в Тринити- колледже в Кембридже. Максвелл основывался на теории цвета Ньютона и был первым ученым, предложившим количественную теорию цвета, что принесло ему признание коллег.

Можно ли получить один и тот же цвет на обоих кругах? Оказалось, что да. Во время одного из своих экспериментов он обнаружил, что получает один и тот же цвет, грязный желтый, из 46,8 части черного, 29,1 желтого и 24,1 синего, а также из 66,6 части красного и 33,4 части зеленого. Но черный — не цвет: Максвелл включил его, чтобы контролировать блеск и тональность смешения синего и зеленого. Получалось, что 29,1 части желтого и 24,1 синего производят тот же цвет, что и 66,6 части красного и 33,4 части зеленого. Если обозначить цвета как А, В, С и D, а количество каждого цвета — как а, b, с и d, мы можем обобщить этот результат:

cC+dD = aA+bB,

где символ + означает «в сочетании с», а символ = «совпадает по окраске». Точно так же мы можем сказать, что

dD = аА + bВ - сС.

В этом случае символ — означает, что для приравнивания цветов мы должны сочетать С и D и тогда это совпадет со смешением А и В. Следовательно, можно утверждать, что для любого цвета X существует такое смешение из трех цветов, что

хХ = аА + bВ+сС.

Если знак какой-нибудь из величин а, b или с отрицательный, то это значит, что цвет должен сочетаться с X для совпадения по окраске со смешением двух других. В январе 1855 года Максвелл написал: 

«Нет необходимости определять какие-либо цвета как типичные для этих ощущений. Юнг выбрал красный, зеленый и фиолетовый, но он мог выбрать любую другую группу из трех цветов, которые дадут белый, если их смешать подходящим образом».

Юнг включил в свою теорию цветовой треугольник, на котором он показывал, что все цвета, включая белый, можно получить на основе трех первичных: красного, зеленого и фиолетового. Это противоречие с триадой цветов, принятой среди художников, в 1849 году Форбс обозначил как «исключительное мнение».

В том же году в январе Максвелл согласился с идеей Юнга, но подчеркнул, что ключевым моментом выбора первичных цветов является их сочетание в нужных пропорциях для получения белого цвета. Благодаря своим экспериментам он чувствовал себя готовым к классификации цветов. Он исходил из предположения немецкого ученого Германа Грассмана (1809-1877), изложенного в его статье «О теории смешения цветов» (Oberdie Theorie der Farbenmischung), опубликованной в 1853 году. В ней говорилось, что с точки зрения цветов существуют три переменные: тон, или спектральный цвет; блеск, или интенсивность цвета; а также блеск белого. Исходя из этого Грассман ввел две производные величины: общий блеск, то есть сумма блесков цвета и белого, и степень насыщенности, или причина блеска одного цвета в общем цвете. Ученый доказал, что каждый цвет может быть представлен через свое положение и определенный «вес» в хроматическом круге Ньютона, так что, например, произведение общего блеска на расстояние от центра дает в результате интенсивность цвета.

Основываясь на всем этом, Максвелл показал, что данные переменные можно представить на диаграмме, которая включает в себя треугольную схему Юнга, цветовой круг Ньютона и классификацию цветов Грассмана. Его геометрическое представление цвета известно как «треугольник Максвелла».

ЦВЕТОВОЙ ТРЕУГОЛЬНИК

Три первичных цвета — красный, зеленый и синий (на самом деле это киноварь, изумрудный и ультрамарин) — представлены вершинами равностороннего треугольника (см. рисунок на следующей странице). Каждая точка треугольника изображает цвет, который можно получить определенным смешением этих трех цветов, а центральная точка представляет собой белый цвет. Каждая точка треугольника соответствует решению уравнения

Цвет = %К + %3 + %С,

где — это процент красного, определяемый как 100 k/(k+3+ с), %3 — процент зеленого, 100 з/(k+3+ с), а %C процент синего, 100 с/ (k+з+с), а и с — расстояния до точки треугольника. Кроме того, спектральный цвет задан угловым положением прямой к центру тяжести треугольника (белому), а уровень насыщенности — расстоянием от него.

Однако Максвелл осознавал, что не все цвета могут образовываться в качестве сочетания этих трех первичных: в его геометрическом представлении были цвета, которые оказывались вне границ треугольника. Какие? Те, что, как мы видели, получаются при вычитании первичного цвета, либо (то же самое) имеющие отрицательное значение с, з или к.

Система Максвелла была устойчивой, поскольку не зависела от выбора первичных цветов, но Джеймс выяснил, что его личный выбор этих цветов очень близок к идеальной триаде, поскольку подавляющее большинство цветов оказывалось внутри треугольника.

Результаты исследования Максвелла были опубликованы в 1855 году в журнале Эдинбургского королевского общества под названием «Эксперименты с цветом, восприятие глаза». Сегодня мы ежедневно сталкиваемся с тремя первичными цветами, когда включаем телевизор.

Конкретный цвет может быть определен в этом треугольнике по расстоянию от каждой из его сторон, как поясняется в тексте. Геометрический центр треугольника соответствует белому.

В письме Форбсу в ноябре 1857 года Максвелл объяснял:

«Раскрашенные листы бумаги и волчки, хотя и довольно точны в большинстве спектральных экспериментов, не предоставляют никаких абсолютных фактов по определению цветов».

Причину этого он изложил еще в статье 1855 года:

«Цвета на дисках никоим образом не воспроизводят первичных цветов, они просто представляют различные типы красок».

Следовательно, уравнения, которые нашел Максвелл, описывали всего лишь отношения «между цветами определенных пигментов».

Схема «цветовой коробки», сконструированной Максвеллом, где лучи света показаны пунктирной линией.

По этой причине еще в 1852 году он сконструировал (следуя фон Гельмгольцу) собственную «цветовую коробку» с рядом призм и щелей для экспериментов со светом (см. рисунок ниже). На тот момент наибольшая сложность была в качественной шлифовке оптики коробки. В 1855 году Максвелл сконструировал коробку, в которой мог наблюдать смешения двух чистых цветов, и на ее основе в следующем году — другую, портативную, «чтобы показывать явление, хотя и в грубом виде, другим людям».

С помощью своей идеально откалиброванной коробки и идей Грассмана, Юнга и Ньютона в качестве теоретической основы, Максвелл смог нарисовать кривые распределения светимости каждого стандартного цвета в зависимости от длины его волны, представив механизм физиологической реакции глаза. Его интересовал принцип работы глаза, животного или человеческого. Но у него не было приборов для таких исследований, так что ему пришлось сконструировать офтальмоскоп, изобретенный фон Гельмгольцем за год до этого, о чем Джеймс не имел ни малейшего понятия. Максвелл провел много времени, изучая с помощью офтальмоскопа глаза людей и собак. Чтобы убедить людей согласиться на исследование, он позволял им сначала посмотреть внутрь его собственных глаз.

Женитьба Максвелла в 1858 году придала ему сил, и он смог доказать, что при смешении любого цвета спектра от красного до зеленого с небольшой частью синего получается определенное смешение красного и зеленого. Точно так же любой цвет, полученный в результате смешения цвета от зеленого до фиолетового с небольшим количеством красного, можно получить смешением зеленого и фиолетового. Таким образом, он смог заменить хроматический круг Ньютона кривой, основанной на его треугольнике. Очевидно, форма данной кривой зависит от глаза наблюдателя, но Максвелл открыл, что большинство людей воспринимают цвета почти одинаково. Отдельный случай представляют собой люди с дисхроматопсией (нарушением цветового зрения): если они не видят красный, то для них практически все цвета сводятся к смешению зеленого и фиолетового. В 1860 году Джеймс опубликовал последнюю большую работу по теории цвета, в которую включил все свои заключения: «О теории составных цветов».

Работа Максвелла по теории цвета ввела в обиход исключительно точные измерения и математические уравнения, что очень понравилось научному «истеблишменту» Кембриджского университета, особенно Стоксу, который занимал престижную Лукасовскую кафедру по математике (ее когда-то возглавлял сам Исаак Ньютон), и ректору Тринити, Уэвеллу. В июне 1859 года его номинировали на медаль Королевского общества «за математическую теорию разложения цветов, проверяемую количественными экспериментами», что означало публичное признание создания математической теории, основанной на количественных изменениях. Впрочем, эту медаль Максвелл не получил. Зато в следующем году он был удостоен медали Румфорда (специально созданной для поощрения исследований в области оптических и тепловых явлений). Как раз в том году он отправил свою статью не в журнал Эдинбургского королевского общества, где опубликовал два предыдущих исследования, а в журнал Лондонского королевского общества, по просьбе самого Стокса, секретаря общества. Таким образом, работа в области цвета превратила Максвелла в значимую фигуру в мире британской науки. Он стал известен в научных кругах как физик-экспериментатор из Эдинбурга, который одновременно был прекрасным математиком из Кембриджа.

ВОЗВРАЩЕНИЕ В ШОТЛАНДИЮ

Пока в лаборатории Максвелла кипела бурная деятельность, в мире за ее пределами жизнь продолжала идти своим чередом.

На рождественских каникулах 1854 года отец ученого подхватил серьезную легочную инфекцию, и Джеймс временно оставил работу, чтобы ухаживать за ним. Он не мог вернуться в Кембридж до последнего триместра курса. В письме отцу он выражал радость, поскольку Уильям Томсон «начинает верить в теорию, что все цвета можно получить из трех основных», и в то же время жаловался на то, что в Кембридже он чувствует себя одиноко.

Сложно поддерживать интерес к интеллектуальным темам, когда друзей в интеллектуальном мире становится все меньше.

Из письма Максвелла к отцу, в котором он рассказывает о пребывании в Кембридже

Максвелл успешно сдал экзамен на звание фелло в Тринити и был официально назначен им 10 октября 1855 года. Он сразу же попросил разрешения вести занятия по гидростатике и оптике в колледже студентам третьего курса, в то же время отказавшись быть чьим-либо наставником: он хотел посвятить все свое время занятиям, ученикам и исследованиям. В феврале 1856 года он получил письмо от своего наставника и друга Форбса, в котором тот сообщал ему о вакантной должности преподавателя натуральной философии в Маришал колледже в Абердине, на севере Шотландии, и предлагал ему откликнуться на нее. Джеймс решил, что подаст заявку, если это одобрит его отец. «Думаю, — писал он, — чем раньше я получу постоянную работу, тем будет лучше, и самый легкий способ добиться этого — подать заявку на должность преподавателя».

Отец был воодушевлен этой возможностью и начал ходить по инстанциям в Эдинбурге, стремясь поддержать сына. Когда Джеймс вернулся в Шотландию в середине марта, все уже было готово. Оба приехали в Гленлэр, проведя несколько дней в Эдинбурге, когда 2 апреля Максвелл-старший внезапно скончался: 

«Мой отец внезапно умер ровно в 12 часов. Он раздавал распоряжения в саду, после чего сказал, что ненадолго присядет отдохнуть, как обычно. Через несколько минут я сказал ему, чтобы он прилег на диван, но он не обратил на меня внимания; тогда я принес ему немного эфира, поскольку знал, что он ему помогает. Еще до того как он смог выпить его, он слегка вздрогнул, и все кончилось». 

После смерти отца Максвелл был избран на должность преподавателя, которую он занял в ноябре, проведя грустное лето в Гленлэре, осуществляя в имении то, что собирался и не успел сделать его отец.

Когда Максвелл обосновался на новом месте, его настигла первая неожиданность: в свои 25 лет он был самым молодым преподавателем в колледже, и хотя он и надеялся найти коллег своего возраста, младше 40 лет никого не было. Средний возраст преподавателей был около 50 лет. Вторая неожиданность заключалась в том, как тепло его приняли коллеги. Действительно, они все были хорошими друзьями, и очень скоро он чаще стал ужинать вне дома. Хотя существовало одно «но»: 

«Здесь никто не понимает ни одной шутки. Я не рассказал ни одной за два месяца, и когда замечаю, что одна из них хочет сорваться у меня с языка, я вынужден прикусить его». 

Маришал колледж был вторым старейшим шотландским учебным заведением после Эдинбургского университета. Он выпускал магистров искусств (МА), и обязательными предметами здесь были греческий, латынь, естественная история, математика, натуральная философия, моральная философия и логика. Большинство студентов жили в городе или его окрестностях. Учащиеся в основном происходили из семей торговцев, но также из семей фермеров, священнослужителей, учителей и адвокатов. Дети первых двух категорий обычно не хотели следовать по стопам родителей и мечтали о карьере врачей, священнослужителей, преподавателей или юристов.

Как требовала традиция, любой новый преподаватель должен был прочитать инаугурационную лекцию, на которой присутствовало все университетское сообщество, и объяснить, каким правилам он собирается следовать на своем отделении. Максвелл подготовил ее добросовестно. Он ясно дал понять, что будет не только распространять знания, но также учить студентов думать самостоятельно: 

«Я верю, что благодаря тщательному и аккуратному изучению законов природы мы будем способны избежать опасностей туманных и безосновательных форм мышления и приобретем здравую привычку энергичного мышления, которое позволит нам признать ошибку в любом ее виде». 

Ученый добавил, что собирается покончить с академической привычкой презрения к эксперименту: лаборатория должна быть основной частью занятий. К счастью, его предшественник был энтузиастом исследования и оставил после себя хорошо оснащенную лабораторию.

Максвелл четко знал, что он хочет делать на своих занятиях, но было необходимо составить письменный план обучения. Его будни были достаточно загружены работой: лекции и практические сессии в колледже, а также (раз в неделю) занятия в Абердинском механическом институте — центре, который открыл свои двери в ответ на новые требования промышленной революции дать техническое образование рабочим. В течение трех десятилетий предшественники Максвелла занимались тем, что по вечерам читали лекции слушателям раз в неделю, и он был очень рад продолжить эту традицию. Таким образом, его еженедельная аудиторная нагрузка занимала 15 часов, к чему добавлялось время, которое он посвящал административным и бюрократическим формальностям своего отделения, а также подготовке к занятиям.

Кроме того, Максвелл стремился уделять время исследованиям.

Джеймс обосновался в уникальном городе: во всей Шотландии было пять университетов, и два из них находились в Абердине — Маришал и Кингс-колледж. Это было несколько необычно, и учебные заведения собирались объединять, несмотря на сложность задачи, поскольку между ними существовало нездоровое соперничество. Джеймс, сердечный человек по натуре, быстро подружился с самыми молодыми представителями Кингс-колледжа, но сразу понял, что между двумя колледжами на самом деле существовала лишь ледяная вежливость: никто не общался с представителями «другой стороны».

Итак, Максвелл начал чувствовать себя одиноко. Он недавно стал частью общества, которое выглядело дружелюбным, но на самом деле оказалось довольно закрытым, и в этой среде он должен был работать в течение всего учебного года, с ноября по апрель. В Гленлэре он тоже жил один, заботясь о поместье и редко принимая друзей. Обычно Максвелл навещал родственников, но его отношения с наиболее близкими людьми складывались в основном по переписке. Письма Джеймса того периода рисуют нам образ человека, увлеченного своей работой и высоко ценящего дружбу. Но ему было очень сложно справиться с болью и одиночеством.

ГЛАВА 5 Кольца Сатурна

В 1857 году одна проблема занимала практически все свободное время Максвелла.

И она же интриговала астрономов в течение более 200 лет: речь идет о кольцах газового гиганта Сатурна. Его система колец интересовала научное сообщество настолько, что за выяснение их природы была обещана премия Адамса.

В 1848 году несколько сотрудников Колледжа Святого Иоанна в Кембридже учредили премию Адамса в честь молодого математика, который предсказал — одновременно с французом Урбеном Леверье (1811-1877) — существование планеты за орбитой Урана. Обе работы доказывали истинность законов небесной механики: дело в том, что реальная орбита Урана отличалась от рассчитанной. Наиболее рациональным объяснением этого факта было существование планеты, расположенной дальше, которая притягивает Уран к себе и влияет на его орбиту.

Нептун официально открыли в 1846 году, когда астроном в Берлинской обсерватории обратил внимание на письмо, присланное ему Леверье, в котором тот просил его направить телескоп в указанную им точку. Так и был найден Нептун. В то же время в середине сентября 1845 года молодой и блестящий математик по имени Джон Куч Адамс (1819-1892), который окончил университет двумя годами ранее, завершил свои расчеты с целью определить, где может находиться таинственная планета. Честь открытия была отдана французскому астроному, а ученый из Кембриджа остался ни с чем, и это было несправедливо. Более того, в 1846 году самая престижная награда Королевского общества (и первая научная почесть в мире), медаль Копли, была присуждена исключительно Леверье за «доказательство существования и предсказание местоположения новой планеты». Сообщество Кембриджа не могло пройти мимо такого оскорбления и по прошествии двух лет создало премию Адамса, вручаемую раз в два года. Любопытно, что именно тогда Королевское общество признало свою забывчивость и вручило медаль Копли Адамсу.

При этом члены Колледжа Святого Иоанна установили, что согласно принятым нормативам данная премия будет присуждаться только бывшим ученикам Кембриджа и только за достижения по одной из тем, предварительно избранных комитетом. Первые три работы, выдвинутые на соискание премии, касались небесной механики. Они привлекли так мало ученых, что премию предоставили только в одном случае (в 1850 году) — некоему Роберту Пирсону, о котором ничего не известно. По остальным проблемам премию не присвоили.

ОТКРЫТИЕ НЕПТУНА

После двух лет работы, в 1845 году, Джон Куч Адамс вычислил, где может находиться планета, которая вызывала необъяснимые искажения орбиты Урана, замеченные астрономами. Он показал свои результаты Джеймсу Чэллису, директору Кембриджской обсерватории, а тот, увидев их, заявил, что должен переслать их сэру Джорджу Бидделю Эйри, настоящему астроному и директору Гринвичской обсерватории. К несчастью, вычисления Адамса совсем не понравились Эйри. Во-первых, потому что у Адамса, крестьянского сына, не было должного социального положения. Во-вторых, потому что он был исключительно практиком и не любил чистую теорию; он считал, что предсказывать математически, а затем проверять вычисления неприемлемо: начинать надо с эксперимента. Несмотря на свое негативное отношение, Эйри послал данные Адамса астроному-любителю, чтобы тот поискал планету. Но этот любитель не мог ничего искать, так как лежал в постели с вывихнутой лодыжкой. Между тем Нептун находился практически в том месте, которое вычислил Адамс.

Наблюдение из Берлина

Француз Урбен Жан Жозеф Леверье вычислил положение Нептуна, не зная ничего о результатах Адамса, и 31 августа 1846 года представил свои данные в докладе Французской академии наук, в котором указывал местонахождение планеты в «5 градусах к западу от звезды 6 Козерога». Но Леверье преследовал тот же самый рок, что и Адамса: ни один французский астроном не искал планету. За два месяца до этого, 23 июня, Эйри получил предварительный доклад Леверье, в котором он рассчитывал с меньшей точностью положение Нептуна. Оно отличалось только на один градус от того, что вычислил Адамс.

Эйри начал думать, что, возможно, восьмая планета существует: Леверье был гораздо более известным математиком, чем Адамс. Он намеренно прокомментировал различным английским астрономам идеи французского ученого, но никак не упомянул Адамса. Даже 2 июля, когда он посетил Кембридж, Эйри случайно встретил Адамса и не сказал ему ничего о том, что происходит во Франции. Между тем Адамс уточнил расчеты и решил представить свои результаты на собрании Британской ассоциации развития науки, но когда он пришел, заседание, посвященное астрономии, уже закончилось.

Он не смог убедить ни одного астронома поискать планету.

Леверье, рассерженный тем, что во Франции не обратили на него внимания, написал помощнику директора Берлинской обсерватории, Иоганну Галле. В тот самый день, 24 сентября 1846 года, когда письмо Леверье было доставлено, Галле и Генрих д’Арре, один из студентов, работавших в обсерватории, начали наблюдать за точкой, указанной французом, и меньше чем за час нашли планету.

Гравюра примерно 1880 года, на которой изображен Урбен Леверье в 1846 году, вычисляющий положение Нептуна.

Для премии 1857 года попросили Джеймса Чэллиса (1803- 1882) предложить подходящую тему, способную привлечь внимание возможных кандидатов. Чэллис занимал должность профессора престижной кафедры астрономии и был директором Кембриджской обсерватории. По иронии судьбы, Чэллис был замешан в «деле* Нептуна. Адамс показывал ему свои расчеты, но он, должно быть, не поверил в них. А когда Чэллис все-таки начал искать Нептун, то стал исследовать обширные зоны неба вместо того, чтобы использовать координаты, предоставленные Адамсом. Когда Нептун был открыт, Чэллис хотел подняться на помост славы, но получил серьезную критику на собрании Королевского астрономического общества. Таким образом, он был самым подходящим человеком для того, чтобы возобновить премию, которая фактически еще не существовала. Однако Чэллис был пессимистично настроен и не верил в воодушевление молодых исследователей. Так он и сообщил Уильяму Томсону:

«Боюсь, математики Кембриджа ничего не понимают в исследованиях, требующих долгих математических расчетов. Я бы обрадовался, если бы мог предложить какую-нибудь тему, которая привлекла бы кандидатов».

ПЛАНЕТА С КОЛЬЦАМИ

С помощью своего примитивного телескопа Галилей заметил в 1610 году, что нечто странное сопровождает Сатурн, — как будто у планеты есть ручки или два больших спутника с каждой стороны:

«Я заметил, что самая дальняя планета — это тройная система... Они почти соприкасаются».

Но еще большее замешательство ученый испытал, когда два года спустя эта картина исчезла. «Сатурн пожирает собственных детей?» — написал он Марку Вельзеру, члену влиятельной семьи на юге Германии, который подогрел его интерес к астрономии, увлекшись открытием солнечных пятен. В последующие годы многие астрономы наблюдали кольца в различных ситуациях, но никто не решался дать объяснение, полностью охватывающее такой странный объект, и на время он был предан забвению.

От Гюйгенса до Кассини

В 1655 году голландец Христиан Гюйгенс с помощью своего брата построил телескоп и открыл спутник Титан — небольшую планету, которая сопровождала Сатурн. Она имела период обращения 16 дней и 4 часа. Но больше всего Гюйгенса заинтересовали странные придатки, которые показались ему двумя ручками. Поразмыслив, ученый предположил, что они не могут находиться в состоянии покоя, а должны вращаться вокруг планеты, и так как они сохраняют свой облик, то, должно быть, это что-то вроде колец. Исчезновение «ручек» в 1656 году доказало ему. что данное образование должно быть очень тонким и плоским. Так что в 1659 году в работе Systems Saturnium он писал:

•Сатурн окружен тонким и плоским кольцом, которое нигде не касается его и расположено под наклоном к эклиптике [...] Здесь я должен покончить с подозрением тех. кто считает странным и нерациональным то, что я придал форму небесному телу. Раньше этого никто не делал, ведь кажется точным и естественным то, что тела приобретают только сферическую форму. [...] Нужно иметь в виду, что мне подобное пришло в голову не из-за каприза, (...) но я ясно видел кольцо собственными глазами».

Решение, найденное Гюйгенсом для загадки Сатурна, не пришло просто с помощью построения мощного телескопа (который был грубым и неуклюжим по сравнению даже с теми, что сегодня доступны любому астроному-любителю), оно было результатом тщательных рассуждений. Пришлось ждать 1675 года, когда итальянец Джованни Доменико Кассини (1625-1712) открыл, что у этих колец есть структура и внутри них существует щель. Сегодня она известна как щель Кассини.

Изображение Сатурна, сделанное в 1980 гаду с помощью автоматического зонда Вояджер-1. На кольцах Сатурна можно увидеть тень планеты.

Чэллис включил в свое письмо список из четырех вариантов. Две проблемы были связаны с небесной механикой, и одна — с аберрацией света, его любимой темой. Аберрация света — это различие, которое возникает между наблюдаемым положением звезды и ее реальным положением из-за комбинированного эффекта скорости Земли и скорости света. Данное явление подобно тому, которое мы переживаем, идя под дождем: даже если капли падают вертикально, при перемещении нам кажется, что они летят под углом. Четвертой темой в списке значилось «Исследование возмущений в формах колец Сатурна при предположении, что они текучие». Это также была одна из любимых тем Чэллиса, и в то время о ней говорили многие астрономы благодаря выводам, к которым пришел известный русский астроном Отто Струве (1819-1905) о «приближении внутреннего кольца к планете Сатурн».

Проблема колец превратилась в жаркую тему с тех пор, как в 1850 году американский астроном Джордж Филлипс Бонд (1825-1864) из Гарвардского университета нашел «темное кольцо», расположенное внутри уже двух известных и открытых Кассини ранее. На следующий год он посетил Европу и обсудил свое открытие со своими коллегами. В Пулковской обсерватории в Санкт-Петербурге Бонд смог наблюдать за Сатурном вместе с Отто Струве. В своем дневнике он записал, что ему показалось, будто Струве в первый раз видит новое кольцо. После того как они обсудили это явление с ним, а также с его отцом, Вильгельмом Струве, был сделан вывод, что система колец находится «в процессе изменения».

Открытие Бонда подстегнуло интерес Струве к Сатурну, и он начал ряд наблюдений и тщательное штудирование соответствующей литературы, пока не заключил, что темное кольцо образовалось недавно. Изучив результаты двухвекового наблюдения системы колец, он сделал вывод:

«Нижний предел самого внутреннего кольца постепенно приближается к диску планеты, и в то же время общая ширина двух блестящих колец находится в постоянном увеличении».

У этого утверждения было важное теоретическое значение, потому что если кольца действительно меняли форму с течением времени, это подтверждало бы гипотезу о том, что они — текучие, а не твердые тела, как и думал Чэллис, предлагая данную тему для премии.

Итак, с учетом этой идеи Чэллис объявил об условиях премии 1857 года, которая касалась стабильности колец. Он предполагал, что стабильность появляется, если только учитыватьисключительно силу тяготения, и объяснил Томсону:

«Я отделил часть проблемы, которую мы можем принять как решенную, от той, на которую едва лишь можно ответить без учета этой заданной гипотезы».

Обсуждение данных гипотез сыграло главную роль в ответе Максвелла на утверждение Струве о том, что с течением времени в кольцах Сатурна должно произойти изменение. И что более важно, рассмотрение трения как чего-то изменяющего стабильность системы привело его к размышлению о вязкости газов, и отсюда он перешел к исследованию кинетической теории газов — одной из своих самых главных работ.

КОЛЬЦО ДЛЯ ПРЕМИИ

Дело колец было чем-то, как говорил Чэллис, «в духе математики Кембриджа». Действительно, ректор Тринити-колледжа, эрудит Уильям Уэвелл, предложил в качестве экзаменационного вопроса для студентов Кембриджа, которые сдавали экзамен на премию Смита, «доказать, что жидкость может вращаться в виде идеального кольца, как кольцо Сатурна. Каким было бы кольцо Сатурна, если бы оно не было твердым телом?»

Этот вопрос был тесно связан с дискуссией, которая шла на эту тему у Лапласа в главе 6 Книги III его знаменитого «Трактата о небесной механике», где он утверждал, что движение твердого кольца нестабильно. Лаплас сделал вывод, что кольца должны быть неправильными твердыми телами, центры тяжести которых не совпадают с их геометрическими центрами. С другой стороны, первая часть вопроса Уэвелла могла быть сформулирована под влиянием предположения бельгийского физика Жозефа Антуана Фердинана Плато (1801-1883), высказанного после экспериментального установления законов поведения мыльных пузырей. Согласно Плато, динамика колец Сатурна может быть аналогичной эффекту, получаемому при вращении масляного шара в растворе воды и спирта. В данном случае шар превращается в «идеально правильное кольцо», и вывод ученого заключался в том, что «тело со структурой, аналогичной нашему жидкому кольцу, — это кольцо Сатурна». Плато также говорил, что его модель служит «миниатюрным изображением образования планет согласно небесной космологии Лапласа», по которой Солнечная система возникла из-за конденсации газообразной материи, окружившей первоначальное Солнце. Более того, сам Лаплас указывал, что спутники и кольца Сатурна образовались таким же образом на основе газа атмосферы планеты. В случае с премией Адамса спрашивали, при каких условиях кольцо было бы стабильным, если бы оно: (1) было твердым телом, (2) было текучим и (3) состояло из множества различных твердых частей.

МЫЛЬНЫЕ ПУЗЫРИ

В публичных научных опытах XIX века обычно использовали такие продукты, как желатин, пластик, стекло и мыло.

Ученые XIX века думали, что за мыльными пузырями скрываются загадки материи: они были моделью и проявлением основного вещества природы.

Это может показаться удивительным, но банальное мыло сыграло важную роль в изучении света. Один из великих умов того времени, Уильям Томсон, имел интеллектуальную смелость идентифицировать эфир, проводивший волны света, с «воздушной материей», из которой делались мыльные пузыри.

В 1852 году этот профессор в Глазго объяснял своим ученикам, что интерференция света на тонких пленках мыла доказывает причудливость этого эфирного материала, который, как считалось, имел природу, близкую к природе воздуха. Однако в 1870 году сам Томсон, основываясь на данных, полученных при экспериментальном изучении мыльных пленок, доказал в статье, посланной в журнал Nature, что молекулы воздуха не равны молекулам гипотетического светового эфира. Это не лишило тему привлекательности. На своих публичных лекциях Томсон показывал на большом экране цвета, которыми переливался мыльный пузырь, говоря:

«Те. кто занимается мыльными пузырями, имеют возможность восхищаться одним из самых интересных явлений физики. Достаточно надуть мыльный пузырь и наблюдать за его поведением, изучая саму жизнь в ее целостности и мимоходом усваивая еще один урок физики».

Гравюра, изображающая бельгийского физика Жозефа Антуана Фердинана Плато, 1890 год.

Но настоящим знатоком данной темы, проделавшим более детальные исследования в 1840-х годах, был бельгийский физик Жозеф Антуан Фердинан Плато. Ученый ослеп после десятилетий, посвященных изучению выносливости зрения, поэтому при наблюдении движений мыла, масла и других текучих веществ ему помогали родственники и друзья. Плато разработал несколько очень хитроумных техник для работы с пузырями и их пленками. В одном из его экспериментов капля масла, помещенная в раствор спирта и воды такой же плотности, помогла ему определить, что происходит с маслом при отсутствии тяготения. И когда он изучил свойства коммерческого глицерина и установил, какова самая подходящая для его исследований смесь мыла и воды, он смог делать долгоживущие мыльные пузыри и пленки, которыми его помощники управляли с помощью проволочных петель различной формы. Кроме того, он объяснил, как его вращающиеся капли масла имитируют кольца Сатурна, поскольку они превращаются в последовательные круглые кольца. Эта работа имела большой отклик в Англии, поскольку Джеймс Чэллис ее перевел, а лондонская газета опубликовала в 1846 году.

Точно не ясно, когда Максвелл начал работать над задачей, выдвинутой на премию Адамса. В июле 1856 года, когда ученый оставил Кембридж, чтобы занять место преподавателя натуральной философии в Маришал колледже в Абердине, он уже был полностью поглощен проблемой. Джеймс рассказал своему другу Р. Б. Личфилду, что «посвящает значительную часть времени кольцам Сатурна, проблеме чрезвычайно сложной, но любопытной, особенно в случае с движущимся текучим кольцом». В следующем письме в октябре он поведал о результатах, касающихся условий стабильности колец. Окончательный вариант статьи Максвелл написал и послал в жюри 16 декабря. Она оказалась единственной работой, представленной на конкурс.

«О СТАБИЛЬНОСТИ ДВИЖЕНИЯ КОЛЕЦ САТУРНА»

Статья была разделена на две части, как того требовали условия конкурса. В первой изучалось движение твердого кольца, а во второй — движение жидкого, образованного несвязанными частицами. В своей математической работе Максвелл использовал хорошо известные методы, такие как теорема Тейлора, анализ Фурье и теория потенциала, но примененные не очень обычным способом.

Максвелл исходил из классической работы Лапласа и искал способ определения условий, в которых жесткое вращающееся кольцо было бы стабильным на основе уравнений теории потенциала, развитых самим Лапласом в его «Небесной механике*: «Мы должны определить силы, действующие между кольцом и сферой, и мы это сделаем с помощью потенциала, V, относительно кольца». Получив уравнения движения для вращения кольца вокруг центра тяжести, он вывел условия, при которых возможно его однородное вращение. К своему удивлению, Максвелл открыл, что твердое однородное кольцо может быть стабильным, в противоположность доказанному Лапласом. Должно быть, что-то было не так, и именно Чэллис отыскал ошибку, указав на уравнения гравитационного потенциала кольца. Он попытался снова решить задачу, но не смог. Когда в августе Максвелл переделал свою работу, он сумел исправить ошибку и доказать, что твердое однородное кольцо полностью нестабильно. Он выяснил, что твердое кольцо может быть стабильным в крайне странном положении, когда 4/5 части массы кольца находятся в одной точке окружности, а оставшаяся часть распределена неравномерно. Очевидно, что такая структура не была свойственна кольцам Сатурна.

Вторая часть его работы была посвящена текучему кольцу.

В данном случае «каждая частица кольца должна считаться спутником Сатурна». Таким образом, он предположил, что различные части кольца способны двигаться независимо; следовательно, «мы должны учитывать в каждой зоне кольца действующее притяжение, вызванное нерегулярностью в других зонах». В этом случае Максвелл доказал, что текучее кольцо в итоге разобьется на ряд отдельных капель. Итак, методом исключения получалось, что кольца должны состоять из огромного числа мелких тел, каждое из которых независимо вращается вокруг планеты и подвержено взаимодействиям и столкновениям друг с другом. Однако регламент премии требовал математического исследования условий стабильности кольца. Очевидно, что способ рассмотрения уравнений движения каждого из тел, составляющего кольцо, непригоден.

Но чтобы показать то, что может происходить, Максвелл исследовал отдельный случай: единое кольцо, в котором каждый кусок равномерно расположен в пространстве. В такой ситуации он доказал, что подобное кольцо было бы стабильным.

Если бы существовали два кольца — внутреннее и внешнее, — нестабильность системы можно было бы предсказать в зависимости от отношения между двумя соответствующими радиусами, поскольку было бы несколько значений, при которых система разрушилась бы, однако имелись бы и другие значения, при которых этого не произошло бы.

[...] интересный пример красивого метода, умело примененного к решению очень сложной проблемы.

Похвала королевского астронома Джорджа Бидделя Эйри доказательствам, использованным Максвеллом в его работе «О стабильности...»

Это был предел того, куда Максвелл смог зайти. В статье он признал: если учесть возможность взаимодействия между собой различных тел, образующих кольца (по сути, это присутствовало в уравнениях в виде трения), то можно ожидать, что внутреннее кольцо будет приближаться к планете, а внешнее — удаляться. Из этого следует, что вывод Струве об изменении системы колец со временем верен: «Это единственный наш наблюдаемый результат или который, как считается, был наблюдаем», — написал Максвелл. Кольца Сатурна оказались «облаком метеоритов», вращающихся вокруг газового гиганта. Когда зонды Вояджер сфотографировали Сатурн и его кольца в 1980-х годах, мы получили прямое доказательство того, что ученый был прав.

Максвелл получил за свою работу 30 мая 1857 года премию Адамса. Но это был не конец. Следующие два года ученый продолжал работать над проблемой, стремясь сделать ее более понятной и разработав модель, сооруженную им с помощью абердинского ремесленника. Благодаря ряду шариков из слоновой кости, вставленных в деревянное кольцо, которые могли по-разному вибрировать, Максвелл обеспечил способ визуального представления своих математических результатов. Возможно, его вдохновителем в данном вопросе был Уильям Томсон, который обычно говорил, что единственный способ узнать, понял ли кто-то тему, — это спросить его: «Ты можешь построить механическую модель этого?» Сегодня такую модель можно увидеть в Кавендишской лаборатории в Кембридже как свидетельство того, что математическую абстракцию можно превратить в физическую реальность.

ГЛАВА 6 Тепло, энергия, энтропия и атомы

Никто не мог представить себе, что изучение динамической эволюции «облака метеоритов» в пространстве (колец Сатурна) может послужить основой работы о поведении газов. Но именно так и было. В Абердине Максвелл осуществил одну из самых важных работ в своей карьере — в области, которая была очень актуальна для физиков того времени, несмотря на то что эту тему обсуждали еще со времен античности. Кроме того, Максвелл сформулировал первый статистический закон в истории физики, известный сегодня как распределение молекул газа по скоростям.

Максвелл сильно подружился с ректором колледжа, преподобным Дэниелом Дьюаром. Он часто приходил к нему домой, и однажды Дьюар предложил ему провести каникулы с его семьей. Джеймс и дочь преподобного, Кэтрин Мэри Дьюар, начали испытывать взаимное влечение. Насколько нам известно, Максвелла впервые поразила стрела Купидона после разочарования, которое он пережил за пять лет до этого. Тогда он влюбился в свою двоюродную сестру Элизабет (Лиззи) Кей и попросил ее руки. Она согласилась. Однако свадьба не состоялась: семья, обеспокоенная кровным родством, убедила молодых людей расстаться. Максвелл объявил о своем браке родным 18 февраля 1858 года: 

«Дорогая тетя, этим письмом я хочу сообщить Вам, что у меня будет супруга. Не бойтесь: она не математик, ведь есть и другие вещи, кроме этого». 

Свадьбу отпраздновали в начале июня. Это был необычный союз для того времени, поскольку новобрачной было 34 года, то есть она была на семь лет старше своего мужа. Медовый месяц они провели в Гленлэре, и Кэтрин как могла помогала Максвеллу в его экспериментах с цветом. Их работа была настолько эффективной, что кривые смешения цветов, которые они получили, оказались очень близки к принятым в 1931 году Международной комиссией по освещению.

Менее чем через год, в апреле 1859-го, в руки Джеймса попала статья, привлекшая его внимание к актуальной физической проблеме, которая пересекалась с его работой над кольцами Сатурна. Речь шла о явлении диффузии газов, которое происходит, когда мы, например, открываем флакон духов и его запах распространяется по комнате. Данная статья была написана немецким физиком Рудольфом Клаузиусом (1822-1888), чье имя осталось навсегда связанным с термодинамикой — наукой о тепле.

НОВАЯ НАУКА

В XIX веке была установлена связь между механической и тепловой энергией. Это способствовало в свою очередь распространению механической концепции природы. Трое ученых, родившихся между 1818 и 1824 годами, — Джеймс Джоуль, Уильям Томсон и Рудольф Клаузиус — превратили изучение тепла в полноправную научную дисциплину — термодинамику. Данный термин вначале обозначал изучение только тепла, сегодня же он применяется к науке о трансформациях энергии в любой ее форме. Джоуль и Томсон, набожные люди, видели в энергии подарок Бога, награду Всевышнего, которая будет всегда. Физические силы, в их понимании, управляли только недолговечными явлениями мира. Физика была на грани того, чтобы перестать быть наукой о силах и стать наукой об энергии.

Первым ключевым моментом грядущих перемен можно считать июль 1847 года, когда сын богатого пивовара из Манчестера, Джеймс Прескотт Джоуль, представил результаты своих исследований на собрании Британской ассоциации содействия развитию науки в Оксфорде. Он делал это с 1845 года, но никто не обращал на него внимания. Ему удалось количественно оценить механический эквивалент тепла и доказать, что два понятия, ранее считавшиеся абсолютно различными, — тепло и движение — на самом деле взаимозаменяемы. Однако никто не осознал последствий открытий Джоуля, кроме блестящего молодого ученого по имени Уильям Томсон, который двумя годами ранее, в возрасте 20 лет, окончил Кембриджский университет. Этот шотландский физик вышел с собрания в Оксфорде очень встревоженным. «Идеи Джоуля немного сводят меня с ума», — признался он своему брату Джеймсу.

В тот момент, когда Томсона одолевали подобные мысли, в его руки попала работа под заголовком «О сохранении силы* (1847). Ее автором был немецкий физик и врач Герман фон Гельмгольц. Он написал ее на основе лекции с тем же названием, которую он прочел в Берлинском физическом обществе в том же году. Фон Гельмгольц, используя математику, впервые дал определение тому, что через несколько лет стало известным как «первое начало термодинамики», или «принцип сохранения энергии»: 

«Каково бы ни было число трансформаций, производимых во Вселенной, и какого бы они ни были типа, общая сумма всех сил [энергий) Вселенной остается постоянной». 

Сказанное фон Гельмгольцем по сути повторяло то, что до этого говорил Джоуль: работа и тепло — два проявления одного и того же. Тщательные эксперименты Джоуля доказали: понятие «тепла тела» обманчиво, поскольку оно заставляет думать, что мы говорим о каком-то типе вещества, когда на самом деле объект может увеличить свою температуру двумя способами — войдя в контакт с другими, более теплыми телами, или совершив работу. Результат обоих действий идентичен.

Томсон объединил идеи Джоуля и фон Гельмгольца и в 1851 году опубликовал статью «О динамической теории тепла», в которой разработал весь математический аппарат, лежащий в основе принципа сохранения энергии. В следующем году Томсон очень подробно развил эти рассуждения в своей немаловажной работе «О проявляющейся в природе общей тенденции к рассеянию механической энергии», где он впервые использовал термин «энергия», введенный в 1807 году англичанином Томасом Юнгом. В заглавии вышеупомянутой работы было описано то, что происходит в реальности, а не в идеальном мире, лишенном механического трения. Она отвечает на вопрос, что происходит с механической энергией в настоящей Вселенной с мельницами и блоками. В ней доказывается, вне всякого сомнения, что тепло связано с движением.

Замена силы энергией не предполагала ничего ужасного, это не вызвало столкновений и жарких теологических дебатов, как в случае с Коперником и Дарвином. Однако то, что физика отвела главную роль энергии, забрав ее у ньютоновской силы, определило последующее развитие науки и позволило достичь результатов, которые были бы невозможны без данной замены. Вне всякого сомнения, это было большим достижением науки XIX века, понятием, объединяющим такие разные явления, как движение, тепло, электричество и магнетизм. Без него Максвелл не смог бы решить проблему колец Сатурна, воспользовавшись принципом сохранения для создания и решения уравнений.

Первое начало термодинамики скрывает большой интеллектуальный потенциал. Затасканное слово «энергия» является термином, который сложно избавить от скрытой в нем понятийной сложности, несмотря на то что его значение интуитивно очевидно и мы понимаем его как способность системы или тела осуществлять движение и взаимодействия. Однако формулировка первого начала привела к появлению нового закона. Он был сформулирован Клаузиусом в 1850 году после детального изучения устройств, превращающих тепло в механическую работу, таких как паровая машина Джеймса Ватта. Следует подчеркнуть, что закон был выведен не теоретически, а с помощью наблюдений за процессами, в которых задействовано тепло. Он просто предполагает наличие существенной асимметрии в природе: теплые тела охлаждаются, но холодные спонтанно не нагреваются; мячи катятся, пока не остановятся, но ни один мяч в состоянии покоя не начинает катиться; стаканы разбиваются, но ни один не восстанавливается сам по себе. Сначала Клаузиус, а затем Томсон осознали, что происходит. Хотя общая энергия должна сохраняться в любом процессе, существуют ограничения на направление процессов в термодинамических системах. Первое начало термодинамики говорит нам, что операции с энергией не могут заставить ее исчезнуть, а второе показывает, куда направлены данные операции.

Эти два начала отлично объясняли работу паровой машины. Но чего-то не хватало. Клаузиус заметил, что в любом цикличном процессе система вновь принимает свое исходное состояние, как будто ничего не произошло. И все-таки что- то же случилось: вода была накачана, поезд приехал по месту назначения, станок соткал... Как возможно, что в реальной Вселенной произошло явление, но не существует никакой физической величины, которая указывала бы на произошедшее изменение? Если мы по примеру Клаузиуса вернемся к двум началам термодинамики, то найдем ответ.

Первое начало связано с величиной под названием «энергия», которую можно оценить количественно и выразить математически. Однако ничего подобного не существует во втором начале: нет никакой физической величины, с которой мы могли бы составить математические уравнения или провести эксперименты, как это сделал Джоуль с энергией. Однако Клаузиус сумел найти ее, и эта новая величина многое говорит нам об основных свойствах материи. Он назвал ее энтропией (по-немецки Entropie), данный термин происходит от греческого корня и означает «поворот» или «превращение». В рассуждениях, с помощью которых Клаузиус пришел к понятию энтропии, использовались разнообразные математические концепции, достаточно сложные и абстрактные для того, чтобы заставить сдаться самого бесстрашного читателя.

Самое простое определение энтропии выглядит следующим образом: энтропия процесса равна количеству теплоты, сообщенной системе или отведенной от системы, разделенному на температуру системы. Очевидно, что если нагреть систему, то энтропия будет расти; если охладить, то энтропия будет уменьшаться; если нет теплообмена, то энтропия не изменится. Таким образом, Клаузиус пришел к формулировке второго начала: 

«Естественные процессы, — это процессы, в которых соблюдается увеличение энтропии Вселенной. В обратимых процессах энтропия не подвергается никакому изменению». 

Благодаря этому началу можно указать направление всех процессов, которые мы можем себе представить и в которых предполагается изменение состояния системы. Естественным образом будут происходить только те, которые, кроме того что выполняют принцип сохранения энергии, еще и приводят к увеличению энтропии системы.

АТОМНЫЕ ВЕРОЯТНОСТИ

Следующим образом рассуждали некоторые ученые второй половины XIX века: если принять, что материя состоит из атомов, и с учетом того, что планеты, бильярдные шары и частицы пыли движутся согласно законам Ньютона, почему бы и атомам не поступать точно так же? Основная сложность для ученых состояла не в том, что они ничего не знали о силах, которые возникают между атомами, а в другом, более практичном аспекте. Возникал вопрос: как описать движение миллионов атомов, которые находятся в небольшом объеме газа? Нужно одно уравнение для каждого атома, что предполагает решение миллиона уравнений одновременно. Подобное было невозможно для физиков, у которых и так уже хватало сложностей при описании более простых явлений, таких, например, как движение восьми планет вокруг Солнца (еще не был открыт Плутон).

Решение в 1859 году нашел Максвелл, который занимался изучением диффузии газов. Проблема, добавившаяся к предыдущей, касалась скорости диффузии. Вернемся к нашему флакончику духов. Изначально при нормальном давлении и температуре молекулы должны двигаться очень быстро, со скоростью сотни метров в секунду. Тогда почему запах духов распространяется так медленно? В своей статье Клаузиус предположил, что каждая молекула подвергается очень большому числу столкновений, при которых не происходит потери энергии (в физике они называются «упругими столкновениями»), и при каждом из них она полностью меняет направление. Таким образом, чтобы запах духов дошел до другого конца комнаты, молекула должна пройти многокилометровый путь. Максвелл объяснил проблему, с которой столкнулся, предельно ясно: 

«Если ты едешь со скоростью 17 миль в минуту и полностью меняешь направление 1700000000 раз в секунду, где ты будешь через час?» 

Клаузиус предположил, что все молекулы газа движутся на одной и той же скорости, и это было похоже на правду. Но ему не приходило в голову взглянуть на проблему по-другому. Для Максвелла эта проблема была похожа на ту, с которой он столкнулся, размышляя о кольцах Сатурна. Как и в том случае, он не мог составить уравнение для каждого из атомов газа. Что делать? Это был момент вдохновения, приправленный, кроме того, большой дозой смелости. Максвелл решил отложить вездесущие законы Ньютона и подойти к проблеме, как будто он ставит эксперимент у себя в лаборатории, а именно применить теорию вероятностей и статистику к газам. Как хороший экспериментатор, он знал, что ошибки при измерениях подчиняются статистическим законам, используемым социологами для изучения населения. То, что сделал Джеймс, было прыжком в бездну, потому что никому в голову не приходило применять данные законы к физическим процессам.

Речь шла не о том, чтобы рассматривать свойства каждого отдельного атома, а о том, чтобы усреднять эти свойства в их совокупности. Мы не сможем назвать, например, скорость конкретной молекулы, зато можем дать распределение скоростей совокупности молекул, которые составляют газ. Это означает, что нам удастся вычислить с некоторой точностью, сколько молекул перемещается с заданной скоростью, и мы можем сделать то же самое для энергии каждой частицы. Максвелл осуществил гигантский прорыв в физике, впервые в истории сформулировав статистический закон в одном-единственном уравнении. Такой подход к изучению газов сразу приводит нас к интересным последствиям.

На микроскопическом уровне можно описать то, что происходит с газом при заданном распределении скоростей и значений энергии составляющих его молекул. Кроме того, на макроскопическом уровне можно точно так же описать сам газ, измерив его термодинамические свойства, такие как давление, температура или внутренняя энергия. Следовательно, так как в обоих случаях мы имеем дело с описанием одного и того же объекта, то они должны быть связаны между собой: мы должны уметь связать, например, температуру газа с механическими свойствами составляющих его молекул. Более того, температура, тепло и работа — всего лишь следствия того, что происходит внутри газа на микроскопическом уровне.

Эта интерпретация тепла как следствия молекулярного состава материи восходит, как мы хорошо знаем, к временам Демокрита. Однако появлению первой рациональной и серьезной формулировки мы обязаны Джону Джеймсу Уотерстону (1811-1883), инженеру-железнодорожнику. В 1845 году он послал в Королевское общество статью, в которой доказывал, что давление газа на стенки сосуда может быть объяснено столкновениями с ними молекул газа. Эта работа закладывала основы молекулярной интерпретации тепла, а вместе с тем и начало новой отрасли физики — статистической механики. Статья была отвергнута и отправлена в архив, потому что тем, кто ее оценивал, было сложно поверить в то, что атомы могут свободно двигаться внутри сосуда, от стенки к стенке, и свойства газов сводятся к простой механике. Уотерстон также был крайне непредусмотрителен, забыв упомянуть, что один из великих ученых всех времен, Даниил Бернулли, профессор математики и физики в Базельском университете, уже писал о подобном в своем классическом трактате 1738 года под названием «Гидродинамика».

В главе «О свойствах и движении упругих флюидов [газов], в особенности воздуха» Бернулли выдвинул гипотезу о том, что газ — это скопление частиц, движущихся очень быстро, и его давление вызвано столкновениями данных частиц со стенками емкости, в которой он находится. Предположив, что кинетическая энергия этих частиц пропорциональна температуре, ученый сделал вывод: давление также пропорционально температуре. Таким образом он предвосхитил появление закона Гей-Люссака. Гипотеза Бернулли не имела успеха, поскольку в то время полагали, что тепло является ощутимым выражением действия таинственной невесомой субстанции, которая движется от тела к телу, — теплорода. И хотя данный трактат стал основой для тех, кто пожелал бы узнать все необходимое о гидродинамике, это предположение было забыто.

Двумя годами позже, в 1847 году, Джон Герапат предположил в своей «Математической физике», что свойства газа — это результат кинетической энергии частиц. Однако и на него никто не обратил внимания.

Мы можем найти примеры самых высоких научных доктрин в играх и спорте, путешествиях по земле и воде, в грозе и шторме — везде, где есть движущаяся материя.

Джеймс Клерк Максвелл

Работа Уотерстона спала сном праведников, пока в 1892 году Джон Уильям Стретт (1842-1919), или третий барон Рэлей, как он известен в мире физики, не нашел ее в архивах и не опубликовал. Но Уотерстон уже этого не увидел.

В 1839 году он работал в Индии по контракту с Ост-Индской компанией. В1857 году Уотерстон вернулся в родной Эдинбург, чтобы полностью посвятить себя изучению тепла, а 18 июня 1883 года вышел прогуляться и бесследно исчез.

Бедному Уотерстону не повезло: была отвергнута не только его статья. Его идеи также проигнорировали, когда он представил их Британской ассоциации содействия развитию науки на ежегодном собрании 1851 года. Там он сказал следующее: 

«Равенство давления и температуры в газах происходит, когда количества атомов на единицу объема равны и живая сила [кинетическая энергия] каждого атома одинакова».

Он сравнил две величины, которые, по мнению его уважаемых коллег, было невозможно сравнивать: кинетическую энергию частиц и температуру газа. Утверждая, что средняя кинетическая энергия молекул газа одинакова, он дал первую формулировку того, что позже стало известно как теорема о равнораспределении кинетической энергии. Таким образом, Уотерстон дал физическое объяснение температуры, но, вероятно удрученный отсутствием интереса со стороны своих коллег, не смог увидеть, какие возможности открывает его предположение. Вместо него это сделал Максвелл в работе 1860 года «.Пояснения к динамической теории газов».

КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ

Теоретический гений Максвелла позволил ему сделать на основе тех же идей, которые высказывал и Уотерстон, интересные выводы о некоторых свойствах газов, подтвержденных экспериментами. Основная идея расчетов Максвелла заключалась в ряде довольно простых предположений. Во-первых, газы состоят из огромного числа одинаковых частиц, которые интенсивно двигаются. Во-вторых, размер частиц ничтожен по сравнению со свободным пространством между ними, и когда они сталкиваются (а частицы это делают постоянно), то отскакивают, не теряя ни малейшей части первоначальной энергии. В лучшем случае часть энергии может перейти от одной частицы к другой (молекулы также выполняют принцип сохранения энергии, и мы предполагаем, что они совсем не передают энергию молекулам, составляющим сосуд). В-третьих, частицы обладают единственной энергией — собственно, кинетической энергией их движения по сосуду. Все эти условия возможны только тогда, когда газ является одноатомным, то есть его атомы не образуют между собой связей. В противном случае у частиц газа имеется и иная энергия из-за того, что в таком газе существуют другие виды собственного движения: например, колебания и вращения вокруг центра тяжести.

Максвелл и его супруга Кэтрин в 1869 году.

Людвиг Больцман дал объяснение энтропии с точки зрения микропроцессов. В 1870-х годах австрийский физик опубликовал ряд статей, в которых признавал важность электромагнитной теории Максвелла.

Джон Джеймс Уотерстои. Его объяснения давления газа и тепла игнорировали, пока в 1892 году Джон Уильям Стретт не опубликовал его статью, которая была отвергнута Лондонским королевским обществом.

Немецкий физик Герман фон Гельмгольц был первым, кто математически сформулировал принцип сохранения энергии. Портрет кисти Людвига Кнауса 1881 года. Старая национальная галерея, Берлин.

Вооружившись этими предположениями, Максвелл воспроизвел результат Уотерстона и, кроме того, получил один из самых важных результатов недавно зародившейся кинетической теории газов: средняя кинетическая энергия зависит исключительно от температуры, а не от массы или числа атомов, составляющих молекулу. Следствия из этого вывода невероятны. Последний доказывает существование связи между микроскопическими и макроскопическими свойствами газов, но в основном предлагает новый взгляд на то, что такое температура и тепло. Если сравнить два газа при разной температуре, самым теплым из них будет тот, молекулы которого имеют наибольшую кинетическую энергию. А если мы нагреваем самый холодный газ, чтобы он достиг той же температуры, что и теплый, то на самом деле мы увеличиваем кинетическую энергию его молекул или, что то же самое, увеличиваем их скорость.

Газы отличаются от других форм материи не только способностью неопределенно распространяться, а также занимать любой сосуд, каким бы большим он ни был (поскольку тепло оказывает большое действие на его расширение), но и однородностью, и простотой законов, которые регулируют эти изменения.

Джеймс Клерк Максвелл, «Теория тепла» (1871)

С помощью кинетической теории мы также способны объяснить, почему если смешать два газа с разной температурой, она стремится выровняться. Молекулы более теплого газа имеют большую кинетическую энергию, чем молекулы холодного. При смешении молекулы обоих газов начинают сталкиваться друг с другом, и, как это обычно происходит с бильярдными шарами, молекулы с наибольшей энергией обычно передают часть ее молекулам с наименьшей энергией. Результат: если мы позволим пройти достаточному количеству времени, в итоге получим одно и то же распределение энергии во всех молекулах, то есть достигнем теплового равновесия.

С микроскопической точки зрения энергия газа — просто сумма всех значений энергии молекул, которые его составляют. Но можем ли мы разграничить два типа передачи энергии — работу и тепло? Определенно да. Представим поршень паровой машины, превращающей тепло в работу. При нагревании пар, закрытый в цилиндре, толкает поршень. Мы сказали, что внутренняя энергия газа — это только кинетическая энергия частиц, или, что то же самое, движение частиц. То есть получается передача движения. Но движение частиц газа беспорядочное, все они идут в разных направлениях. Однако когда поршень двигается, его молекулы все перемещаются в одном и том же направлении: это упорядоченное движение. Вот в чем различие между теплом и работой — в типе движения частиц. Передача энергии в виде тепла (нагревание газа) — это всего лишь частицы, движущиеся беспорядочно, каждая сама по себе. Однако когда перемещение происходит в виде работы, все они движутся упорядоченно. Следовательно, тепловая машина, функция которой — превращать тепло в работу, на самом деле трансформирует беспорядочное движение (движение частиц газа) в упорядоченное (движение частиц поршня).

Теперь подумаем: что общего у энтропии с кинетической теорией? За микроскопической интерпретацией энтропии стоит одна печальная история. Ее открыватель, австрийский физик Людвиг Больцман (1844-1906), покончил жизнь самоубийством, не успев получить признание своих коллег.

АТОМНОЕ КАЗИНО

На одном из надгробий на кладбище в Вене выгравировано уравнение:

S = k·logW.

Буква S означает энтропию системы, k — константа, которая сегодня известна как постоянная Больцмана, log — обозначение математической функции под названием логарифм, a W- число соответствующих микросостояний системы. Последствия данного уравнения в нашем мире огромны. Дело в том, что энтропия — это мера беспорядка системы. Это переменная хаоса.

Чтобы понять вышесказанное, мы должны сделать небольшую остановку в специфическом казино, где есть только два игровых стола: один с монетами, другой с картами. За первым столом крупье вручает нам большую монету и просит нас бросить ее в воздух шесть раз подряд. На бумаге мы должны записывать то, что получается: решка, решка, орел, решка, орел, орел. Теперь нам предлагают повторить наши действия: решка, решка, орел, орел, решка, решка. Когда мы сделаем это много раз подряд, то получим, кроме боли в пальце, список всех возможных сочетаний орла и решки. Если исключить все повторяющиеся сочетания, у нас их получится только 64. Главная их особенность в том, что все они равновероятны, то есть если мы сделаем еще одну серию бросков, любое сочетание имеет ту же вероятность выпасть, что и другие. А теперь крупье говорит нам, что его не беспокоит порядок, в котором выходят орлы и решки; он только хочет знать, сколько решек выпало. В этом случае дело проще. Наш список из 64 вариантов можно упорядочить в зависимости от числа решек. Есть только 1 вариант со всеми решками, 6 — где выходят пять решек, 15 — где их четыре, 20 — три, 15 — две, 6 — одна, и, наконец, 1 — где нет ни одной решки, то есть только орлы. Такой способ сбора информации подсказывает нам вывод, на который мы сначала не обратили внимания: если есть 20 различных вариантов, при которых могут выпасть три решки, и только один, где выпадает шесть решек, то если мы сделаем шесть бросков еще раз, более вероятно, что выпадут три решки, чем что выпадут все.

Теперь перейдем к столу с картами. Там нас ждет фокусник. Он профессионально тасует колоду и, в конце концов, кладет ее рубашкой вверх на стол. В ожидании магического трюка мы предполагаем, что они окажутся упорядоченными каким-то удивительным образом: сначала пики, начиная с туза и заканчивая двойкой, и так все остальные масти. Однако наше удивление становится еще больше, когда мы видим, что появляется четверка пик, затем семерка червей, валет червей, девятка бубей, туз пик... Все крайне беспорядочно. Мы в возмущении говорим, что это не магический трюк, что подобное мы могли бы сделать и сами, просто перетасовав карты. «Да? — отвечает нам фокусник. — Вы можете повторить тот же порядок, в котором я вытащил карты колоды? Думаете, это так же легко, как вытащить упорядоченные масти? Попробуйте!»

Фокусник прав. Порядок карт, который он получил, так же вероятен, как и тот, что мы ожидали. На самом деле у любого порядка есть равная вероятность, и существует 10⁴⁸ возможных комбинаций, следовательно, вероятность получить какую-то определенную равна одному к 10⁴⁸, то есть она невообразимо мала. Если считать чудом явление, вероятность которого равна одному к биллиону (10¹²), то, согласно магу, любой порядок, в котором оказывается колода после тасования, является чудом. Но интуиция подсказывает нам: то, что сделал маг, — не чудо. Когда тасуется колода, она в любом случае будет каким-либо образом упорядоченной (по крайней мере в том смысле, который мы вкладываем в слово «упорядоченный»).

ТЕПЛОВОЙ ХАОС

Если наполнить стакан водой и смотреть на него, мы увидим однородную прозрачную жидкость без какого-либо движения (конечно, если только мы не будем трясти стакан), в которой не чувствуется никакой внутренней структуры. Однако такая однородность воды — только кажущаяся. Если посмотреть на нее при увеличении в несколько миллионов раз, мы обнаружим структуру, образованную бесчисленным количеством частиц, очень похожих друг на друга. Кроме того, мы обнаружим, что вода очень далека от покоя.

Ее молекулы находятся в состоянии бурного движения, они вращаются и толкают друг друга, как толпа людей, заполнившая бар в праздничный день.

Это хаотичное движение молекул воды получило название теплового движения по той простой причине, что его суть скрыта в тепле. Мы не видим данного молекулярного движения, зато оно вызывает некое раздражение, если можно так сказать, в наших нервных клетках, порождая ощущение, которое мы обозначаем как «тепло».

Портрет шотландского ботаника Роберта Броуна кисти английского художника Генри Уильяма Пикерсгилла (1782-1875).

Броуновское движение

Для гораздо меньших организмов, чем мы, например для бактерий, живущих в луже, упомянутый эффект выражен более ярко. Их постоянно «пинают», толкают и двигают беспокойные молекулы воды. Это явление известно как «броуновское движение», оно получило такое название в честь своего первооткрывателя Роберта Броуна (1773-1858). Он открыл его, изучая крошечные частицы пыльцы. Мы получим ясное и четкое представление о вышесказанном, если проведем следующий эксперимент. Наполним стакан водой из-под крана. В другой стакан нальем подогретую воду. Если добавить несколько капель чернил в оба сосуда, то они быстрее распространятся по стакану с теплой водой, чем с холодной. Причина очень проста: молекулы воды двигаются быстрее по мере того, как приобретают больше тепла и чаще ударяют по частицам чернил, посылая их быстро в дальние точки внутри стакана. Это также связано с тем, что мы называем «температурой». По сути температура — всего лишь мера теплового движения молекул воды, содержащихся в стакане: она является видимым нашему глазу результатом того, что молекулы сталкиваются друг с другом. 

ДЕМОН МАКСВЕЛЛА

Чтобы доказать, что второе начало термодинамики имеет лишь «статистическую природу», Максвелл предложил мысленный эксперимент, который известен как «демон Максвелла». Он впервые упомянул о нем в письме 11 декабря 1867 года, адресованном его другу Питеру Гатри Тэту, а затем включил эксперимент в свою книгу «Теория тепла» (1871), в раздел «Ограничения второго начала термодинамики». Его формулировка была следующей: представим себе сосуд, такой как на рисунке, разделенный на две части, А и В; между ними находится перегородка с отверстием, которое можно по желанию открывать и закрывать. Обе части содержат один и тот же газ при той же температуре. Теперь представим себе, что существо, «способное следить за движением каждой молекулы... открывает и закрывает это отверстие так, что позволяет пройти только самым быстрым молекулам из А в В и только самым медленным из В в А. Таким образом, не подводя никакой энергии к системе, существо увеличило бы температуру в В и уменьшило бы ее в А, что противоречит второму началу термодинамики». С помощью этого «демона» (название введено Томсоном, и Максвеллу оно никогда не нравилось) ученый хотел доказать, что любая попытка разработать динамическую теорию термодинамики ничтожна:

«Мы вынуждены принять то, что я описал как статистический метод, и отказаться от строгого динамического подхода».

Второе начало термодинамики имеет статистическую природу.

ЭНТРОПИЯ И РЕКВИЕМ

Все эти рассуждения нам нужны для иллюстрации значения энтропии. Вспомним, что в формуле Больцмана присутствует число W, которое, можно сказать, связано с мерой беспорядка. Углубимся в это. Вернемся к столу с монетами. Здесь W представляет собой число различных способов, спомощью которых может появиться одна, две, три, четыре, пять или шесть решек. Не важно, как они появились, важно только число решек и орлов. В случае с молекулами газа W представляет собой возможное число состояний (определяемых положением, скоростью, энергией рассматриваемой частицы), в которых они могут находиться и которые предоставляют нам одно и то же физическое описание газа, то есть дают нам те же значения давления, внутренней энергии, температуры, объема... Так, состояние молекулы представляет собой решку или орел конкретной монеты, в то время как термодинамические свойства — это общее число решек. Проще говоря, W является числом способов, которыми можно организовать систему внутри так, чтобы внешний наблюдатель не заметил никакой разницы.

С другой стороны, если карты в колоде способны образовывать огромное число возможных комбинаций, то состояния молекул газа могут принимать бесконечное количество значений. И если в большинстве случаев колода представляется нам беспорядочной, точно так же происходит и с газами: самое вероятное состояние частиц газа — беспорядок. Но что означает порядок для газа? В колоде его легко оценить, поскольку он подразумевает очередность карт, которая вызывает у нас особое внимание. И с газом примерно так же: все молекулы движутся в одном и том же направлении; два газа, которые, находясь в одном и том же сосуде, не смешиваются и разделены; газ, который сосредоточен, без внешнего воздействия, в одной части содержащей его емкости, а остальная емкость полностью пуста... Все подобные ситуации могут произойти, нет никакого закона, который бы их запрещал. Из-за большого числа столкновений, которому подвергаются молекулы, может случиться, что, например, все они в итоге сдвинутся в правую часть сосуда. Однако это практически невероятно, даже более невероятно, чем то, что после обычного тасования колоды она окажется упорядоченной по рангам карт и мастям. Такое происходит по очень простой причине, которую нельзя забывать: существует гораздо больше возможных беспорядочных сочетаний, чем упорядоченных. Следовательно, поскольку W определяет число микросостояний и поскольку более вероятны беспорядочные состояния, то W связано с беспорядком системы. Чем больше беспорядок, тем больше значение W. Из всего вышесказанного самый очевидный вывод: более вероятное состояние газа — это хаотичное.

Предположим, что у нас есть идеально упорядоченный газ, в котором частицы все движутся вправо на одной и той же скорости. Когда они дойдут до стенки сосуда, они оттолкнутся.

Первые, которые это сделают, изменив направление, столкнутся с теми, что идут за ними. Начинается беспорядок: во время столкновений частицы будут передавать друг другу энергию и изменят свои скорости таким образом, что в конце концов исчезнет какой-либо след организованного движения. Бесконечное количество столкновений может привести и к тому, что все частицы будут двигаться влево, но это в высшей степени маловероятно.

[...] Цель точной науки — свести явления природы к определению величин посредством операций с числами.

Джеймс Клерк Максвелл

Теперь мы уже готовы понять, что такое энтропия: это мера хаоса в природе. И так как хаос более вероятен, чем упорядоченность, энтропия стремится к росту, как говорит второе начало. Но с одной маленькой разницей. Если до сих пор второе начало «запрещало» уменьшение энтропии в любом естественном процессе, то с молекулярной точки зрения во втором начале говорится, что эти события не невозможны, но крайне маловероятны. Точнее, может случиться так, что разбитый стакан восстановится или тепло перейдет от холодного тела к теплому. И конечно, возможно, что мы никогда не увидим ничего подобного, даже за период, в несколько раз превышающий нынешний возраст Вселенной...

Этому была посвящена работа Больцмана. Он установил связь между свойствами материи, определенными Томсоном и Клаузиусом, и поведением образующих ее частиц. Кроме того, его уравнение отражает другой важный аспект. Не важно, каким образом будет рассеиваться энергия в определенном процессе: это в любом случае приведет к росту энтропии. Вот в чем сила уравнения Больцмана: оно позволяет понять причину деградации всего существующего. Хотя у Больцмана и было плохо со зрением, он был способен смотреть намного дальше своих коллег, которые даже не могли поверить в то, что атомы действительно существуют. Многие сомневались в его аргументах, думая, что Вселенная имеет цель, предназначение, и ее эволюция не является продуктом просто случайных процессов. В результате Больцман следовал по тому же безрадостному пути, что и многие ученые до него. Униженный и разочарованный во всем, в 1906 году он покончил жизнь самоубийством. По иронии судьбы, примерно в то же время молодой работник патентного бюро в Швейцарии по имени Альберт Эйнштейн опубликовал статью в журнале *Анналы физики». В ней он доказывал, что с помощью предположений Больцмана можно объяснить броуновское движение — загадку, которую не могли решить с 1828 года.

РАСПРЕДЕЛЯЯ ЭНЕРГИЮ

Один из первых шагов в развитии кинетической теории газов состоял в том, чтобы вычислить число молекул, движущихся с заданной скоростью. Интуиция Максвелла подсказала ему, что для этого надо игнорировать законы Ньютона, способные дать четкий прогноз движения частиц, и начать исследовать молекулярное движение как простую азартную игру. Оказалось, что он не сильно ошибся. Движение шарика в рулетке определяется законами Ньютона, которые неспособны, тем не менее, предсказать число, на котором он остановится. Как мы уже сказали ранее, для применения вероятностных методов Максвеллу нужно было сделать еще одно предположение: любое состояние системы настолько же вероятно, как и любое другое.

Случай с рулеткой изучать очень легко. Очевидно, что на рулетке любое число имеет равную вероятность выпасть. Но с газами все не так просто. Мы должны вернуться к принципу сохранения энергии, в котором говорится, что если у нас есть замкнутая система (которая не обменивается с внешним миром ни теплом, ни работой), то ее общая энергия должна оставаться постоянной. Но молекулы газа должны распределять энергии наилучшим возможным способом так, чтобы в итоге полная сумма всех их давала значение общей энергии системы. Если мы сейчас обратимся к вероятностям, то очевидный вывод в том, что все возможные состояния системы с одной и той же общей энергией равновероятны.

Он гений, но надо проверить его расчеты.

Слова прусского физика Густава Кирхгофа (1824-1887), отца спектроскопии.

О МАТЕМАТИЧЕСКИХ ОШИБКАХ МАКСВЕЛЛА

Максвелл применил данную гипотезу к распределению энергии поступательного движения молекул газа. Это самый простой случай, поскольку нужно учитывать только поступательное движение в сосуде и не учитывать другие типы движения, такие как вращательное или колебательное движение.

Так как кинетическая энергия связана со скоростью, если мы узнаем, сколько молекул имеет определенную кинетическую энергию, то поймем, каково распределение в системе молекул газа по скоростям.

Для чего все это было нужно? Проще говоря, для всего.

При известном распределении скоростей можно вычислить макроскопические свойства газов: давление, температуру, а также то, что интересует нас сейчас,— энергию молекул.

Один из самых важных результатов, полученных Максвеллом, заключался в следующем: если мы сравниваем два различных газа, которые находятся при одинаковой температуре, то средняя кинетическая энергия каждой молекулы одинакова, она зависит исключительно от абсолютной температуры системы и никак не соотносится с массой или числом атомов, составляющих молекулу. Средняя кинетическая энергия прямо пропорциональна температуре. При таком отношении, справедливом только когда газ находится в равновесии (когда молекулы со- . ответствуют распределению, полученному Максвеллом), мы можем вычислить значение кинетической энергии молекулы, умножив ее абсолютную температуру на константу к. И, в качестве примера общности различных областей науки, перед нами снова та же самая константа, которая позволила Больцману вычислить значение энтропии системы на основе ее микроскопических свойств: так называемая постоянная Больцмана.

Этот расчет Максвелла является на самом деле применением самого общего следствия из кинетической теории, называемого «теорема о равнораспределении» и описывающего отношения между средней молекулярной энергией и температурой для всех типов движения, которые может осуществлять частица. Во-первых, теорема о равнораспределении предполагает, что молекулы различных веществ, когда находятся при одной и той же температуре, имеют одну и ту же среднюю кинетическую энергию. Но различные типы молекул имеют различную массу (вода в 18 раз тяжелее водорода, а кислород в 16 раз тяжелее), следовательно, если средняя энергия должна быть одной и той же, то средняя скорость не может быть таковой. Самые тяжелые молекулы будут двигаться медленно, а самые легкие — быстро. Во-вторых, средняя кинетическая энергия молекулы равна половине произведения постоянной k на абсолютную температуру системы, умноженного на число степеней свободы. Следовательно, если мы увеличим в два раза значение температуры, средняя энергия также увеличится вдвое. Или, как мы уже знаем, температура — это всего лишь макроскопическая мера кинетической энергии частиц системы.

Однако, проверяя истинность своей теории на практических примерах, Максвелл допустил математические огрехи. Делая вычисления, связанные с теплопроводностью, он несколько раз ошибся, выводя соответствующие уравнения. Также ученый ошибся на 8000 при вычислении теплопроводности меди относительно воздуха: он спутал килограммы с фунтами, а часы не перевел в секунды. Но проблемой, которая больше всего волновала Максвелла с тех пор, как он опубликовал свою первую статью по кинетической теории и до конца его дней, было вычисление удельной теплоемкости, отражающей количество тепла, которое нужно передать единичной массе вещества, чтобы его температура увеличилась на один градус Цельсия. Разногласия между теорией и экспериментальными значениями были слишком большими: «Здесь мы сталкиваемся лицом к лицу с самой большой сложностью, с которой встречалась молекулярная теория». Но это была неразрешимая проблема с точки зрения классической физики.

ПЕЧАЛЬНЫЙ КОНЕЦ

К несчастью, история о кинетической теории заканчивается печально из- за инцидента, который характеризует больше человеческую природу, чем природу газов. С 1857 года в течение 15 лет Клаузиус и Максвелл обменивались письмами и научными статьями, и мы видим, какую большую роль это сыграло в создании и развитии кинетической теории газов. Таким образом, статьи Клаузиуса быстро появились в переводе на английский язык в •Философском журнале». Однако теоретических разногласий становилось все больше — до такой степени, что Клаузиус в конце концов отказался от статистического подхода в целом. Он также пытался определить энтропию на основе молекулярного движения, следуя чисто динамическому подходу, что породило значительное количество критических замечаний, особенно со стороны Максвелла. Питер Гатри Тэт проявил националистические чувства: он воспользовался случаем, чтобы защитить первенство и указать на больший вклад в развитие термодинамики своего друга Томсона. Клаузиус начал протестовать, говоря, что британцы приписывают себе больше заслуг в разработке теории тепла, чем есть на самом деле. Максвелл, хороший друг Тэта и Томсона, указал на тщеславие Клаузиуса и в своей книге «Теория тепла»(1871) полностью проигнорировал его работу. Немец пожаловался на это, что вынудило Максвелла исправить свою ошибку в следующем издании книги. Он так объяснил свое мнение Тэту: 

«Посмотри, как мое упрямое игнорирование определенного образа мысли привело к тому, что Клаузиус разошелся со мной во взглядах, и я неудачно попытался по возможности закрыть на это глаза, поэтому его нет в моей книге о тепле, хотя он заслуживает быть там благодаря другим своим достоинствам».

Немецкий физик и математик Рудольф Клаузиус, который считается одним из столпов термодинамики.

НОВЫЙ ПОВОРОТ СУДЬБЫ

Джеймс представил свои идеи на собрании Ассоциации содействия развитию науки, проведенном в Абердине в сентябре 1859 года. В следующем году он изложил их в виде статьи под названием «Пояснения к динамической теории газов*. Но его дни в Маришал колледже были сочтены: объединение двух учебных заведений с целью создания нового Абердинского университета должно было состояться к 1860-1861 учебному году. Проблема была в том, что в Кингс-колледже также имелся пост профессора натуральной философии, а в новом университете не должно было быть двух одинаковых должностей. В Кингс-колледже это место занимал Дэвид Томсон, который, кроме того, являлся заместителем ректора и секретарем. Он столь мастерски вел переговоры, что его называли «коварным». Не стоит и говорить, что в данном столкновении выиграл он. Превосходство научных работ Максвелла могло бы перевесить чашу весов в его пользу, но в Абердине не было никого, кто мог их оценить.

Как раз в это время его наставник Джеймс Форбс оставил должность преподавателя в Эдинбургском университете. Перед Максвеллом открылась отличная возможность, и он представил свою кандидатуру на должность. Однако то же самое сделал его друг Тэт, который тогда находился в Белфасте. И Максвелл снова проиграл. Ему повезло лишь на третий раз: Кингс-колледж в Лондоне через некоторое время пригласил Максвелла преподавать, и тот согласился. Время до начала новой работы он провел в Гленлэре, приводя в порядок владение и занимаясь написанием важной статьи по теории газов, а также другой, об упругих шарах, и, кроме того, доклада о своих экспериментах с цветами для Королевского общества. Практически сразу ему сообщили, что Королевское общество предоставило ему медаль Румфорда.

Этим же летом 1860 года Максвелл оказался на грани смерти. Он заболел оспой, но, к счастью, поправился. В октябре того же года Максвеллы собрали вещи, готовясь перебраться в столицу Британской империи.

ГЛАВА 7 Электрическая вселенная

Самой важной работой Максвелла было создание электромагнитной теории, что потребовало серьезных интеллектуальных усилий. С ее помощью был объяснен ряд явлений, которые вызывали головную боль у нескольких поколений физиков. Но прежде всего революционность данной теории заключалась во введении в научный обиход в строгом, математически сформулированном виде одного из основных понятий физики — электромагнитного поля.

В начале XIX века электричество стало новой научной игрушкой благодаря открытию гальванических элементов. Ответственность за создание первого из них лежит не на человеке, а на лягушке... Точнее, на препарированной лапе лягушки и серии хитроумных экспериментов итальянского врача, физиолога и физика Луиджи Гальвани (1737-1798) в 1786 году. В том году Гальвани заметил, что мышцы лапы препарированной лягушки начинают сокращаться, когда ее кладут на стол рядом с электрической машиной — аппаратом, способным давать электрические разряды. Работы Гальвани по данному электрическому эффекту (он назвал это «животным электричеством») привлекли внимание другого итальянца, физика Алессандро Вольты (1745-1827). Для него в таких сокращениях не было ничего необычного, ученый не счел это новым типом электричества, отличным от уже известных. Просто нервы и мышцы лягушки работали как чрезвычайно чувствительный аппарат, способный обнаружить очень слабый электрический ток, намного более слабый, чем тот, что могли измерить в то время. Вольта подкрепил свои идеи изобретением первой электрической батареи, которую он описал в своем письме Королевскому обществу в 1800 году. Батарея Вольты состояла из чередующихся между собой пластин из меди и цинка. Пластины были разделены картонными дисками, смоченными в соленой воде. Сочетание этих элементов и составляло батарею, «вольтов столб», а количество вырабатываемого электричества зависело от числа использованных пластин.

Батарея Вольты открыла дорогу к разложению веществ на их составные элементы. С ее помощью британский химик Гемфри Дэви и его молодой помощник Майкл Фарадей разложили воду на водород и кислород, а также получили азот и хлор. Данный процесс электрического разложения и причина выделения химических элементов на полюсах батареи стали предметом оживленного спора. Вскоре было установлено, что причиной является химическая реакция между раствором соли и куском цинка, который постепенно растворялся. Когда цинк заканчивался, химическая реакция останавливалась, и электрический ток переставал вырабатываться. Интересно, что химические реакции производили электричество, а электричество осуществляло химические реакции. Но если электричество хранило в себе такие сюрпризы, то магнетизм был еще более загадочным.

НЕПОНЯТНЫЙ МАГНИТ

Пожалуй, существует мало настолько же завораживающих вещей, как поведение пары магнитов, и возможно поэтому магнетизм всегда был окутан ореолом загадки. Для древних он являлся ощутимым доказательством присутствия невидимых сил. Есть ли что-то более удивительное, чем наблюдать за куском железа, таинственно притягиваемым магнитом? Или ощущать невидимое противостояние, когда мы пытаемся приблизить друг к другу одинаковые полюса двух из них?

В Китае еще в древности открыли, что удлиненный кусок магнетита, плавающий в ведре с водой, ориентируется в направлении север-юг. В 376 году до н.э. генерал Хуан Ти использовал столь любопытное явление для ориентации при движении своей армии. Но применять магнит в морской навигации китайцы начали только через 900 лет. Этот примитивный компас был заимствован арабами и с ними пришел в Европу.

В то время как корабли начинали использовать новый инструмент, Петрус Перегринус де Марикур (ок. 1260) исследовал природу магнетизма и был первым, открывшим существование двух магнитных полюсов. Он обозначил их как северный и южный. По его мнению, таинственные силы, благодаря которым железо двигается к магниту, были похожи на силы, которые заставляют планеты и Солнце вращаться вокруг Земли.

Свою самую знаменитую работу, «Послание о магните» (1269), де Марикур написал в военном лагере во время осады Лучеры.

Это был великий пример эмпиризма в эпоху, которую характеризует практически полное отсутствие интереса к наблюдению и экспериментам.

Уравнения Максвелла имели большее влияние на историю человечества, чем десять президентов.

Карл Саган, американский астроном и популяризатор науки

Пришлось ждать до 1600 года, пока появилось то, что по заслугам считается первой значимой научной книгой в Англии:

«О магните, магнитных телах и Большом Магните — Земле».

Ее написал Уильям Гильберт (1544-1603), врач королевы Елизаветы I, отец экспериментальной английской науки. Ему мы обязаны словом «электричество», произошедшим от греческого elektron. В работе описываются многочисленные эксперименты с железом и железняком, лабораторные инструменты, разработанные самим Гильбертом, и многочисленные разоблачения заблуждений, свойственных тому времени. Но прежде всего, в ней содержится объяснение поведения компаса.

Для этого Гильберт сделал магнитную сферу, названную им терреллой (маленькой Землей), которая служила ему лабораторным образцом для описания Большого Магнита — Земли.

Он сравнил направление, которое указывает компас, когда меняется его положение на террелле, с меридианами, и назвал полюсами те точки, где они пересекаются. Гильберт сделал вывод, что наша планета ведет себя так же, как террелла: это Большой Магнит.

К несчастью, значительные исследования Гильбертом магнетизма, которые он смог осуществить благодаря большой пенсии, предоставленной королевой (это был один из первых грантов на исследование в истории), были заброшены и забыты почти на два века, потому что его коллеги больше интересовались изучением электричества.

ДЛЯ ЧЕГО НУЖЕН МЛАДЕНЕЦ?

До 1819 года считалось, что магнетизм и электричество — абсолютно разные явления. Зимой, в начале этого года, профессор физики Копенгагенского университета по имени Ханс Кристиан Эрстед сообщил на публичной лекции о магнетизме, что при приближении компаса к электрическому проводу стрелка изменяет направление и перестает показывать на север. «Никто в аудитории не был впечатлен этим», — прокомментировал он через некоторое время. Эрстед интересовался возможной связью между обоими явлениями с 1807 года, и его интерес к теме обозначился в 1813 году, когда он написал: 

«Нужно проверить, не производит ли электричество в своем самом латентном состоянии какое-то действие на магнит как таковой». 

В статье от 21 июня 1820 года Эрстед сообщил научному сообществу о своем открытии, делая акцент на зависимости от расстояния и от относительного положения провода и компаса: намагниченная стрелка поворачивается, если только не расположена перпендикулярно проводу (см. рисунок).

Любопытно, что столь удивительное открытие французская наука встретила враждебно. «Это просто еще одна немецкая блажь», — утверждал физик Пьер Луи Дюлонг (1785-1838). Однако его соотечественник Франсуа Араго (1786-1853) воспроизвел эксперимент Эрстеда в Женеве, all сентября 1820 года сделал это в Парижской академии наук. Он также открыл, что медный провод, по которому проходит электрический ток, притягивает железные опилки: они облепляют его, но отделяются, когда ток пропадает. Четыре года спустя, в 1824-м, Араго обнаружил, что если начать вращать медный диск, над которым размещена намагниченная стрелка, то она будет отклоняться от первоначального положения. Точно так же, если этому препятствовать (закрепив стрелку), движение диска стремится к замедлению.

Эксперимент Эрстеда: при включении цепи намагниченная стрелка отклоняется и становится перпендикулярно проводу.

Данные открытия заставили Андре-Мари Ампера (1775— 1836) подумать, что электрический ток ведет себя как магнит, потому что он в некоторой степени и должен быть магнитом. Ампер также доказал, что два электрических провода взаимно отталкиваются или притягиваются так же, как два магнита. Точное определение закона, описывающего это явление, потребовало у него тщательно проведенного исследования: проблема была сложной из-за векторного характера как задействованной силы, так и магнитного поля, создаваемого током. Вспомним, что вектор представляет собой физическую величину, определяемую значением, которое она принимает, ориентацией и направлением. Так, скорость машины на 234 км автомагистрали А-2 — это вектор: 90 км/ч — это его значение (называемое модулем), ориентация — это шоссе, а направление указывает на то, в какую сторону по шоссе двигается машина. Кроме того, ученый обнаружил, что можно усилить эффект, открытый Араго, если намотать провод спирально, образовав катушку: так родился электромагнит. В последующие годы Ампер приложил массу усилий, чтобы получить математическую теорию, которая объяснила бы полученные экспериментальные результаты. В 1825 году он опубликовал свою великую работу «Мемуары о математической теории электродинамических явлений, выведенной исключительно из опыта», которую позже назвали «Началами» электродинамики.

Экспериментальное исследование, которое установило закон Ампера о механическом взаимодействии между электрическими токами, — одно из самых блестящих достижений науки.

Джеймс Клерк Максвелл, «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873)

Таким образом, Ампер отрицал теорию двух флюидов (электричества и магнетизма) в пользу существования только одного. Но, возможно, его более важный вывод состоял в том, что магнит — это только множество электрических токов, иначе говоря, магнитные силы — лишь проявление кругового движения электрических токов вокруг магнитной оси. Данное утверждение было довольно спорным, и друг Ампера, Огюстен Френель (1788-1827), попытался доказать его с помощью ряда хитроумных экспериментов. Но в 1821 году, после их провалов, Ампер принял идею Френеля о том, что у этих токов молекулярная природа. В основе такой гипотезы лежало предположение о том, что постоянный магнетизм и электромагнетизм — две стороны одного и того же явления. Не все соглашались с этим мнением, и среди самых известных противников гипотезы был Фарадей. Френель пошел еще дальше, утверждая, что можно вызвать ток в цепи, если она примыкает к другой цепи, по которой уже течет электрический ток. Ему не удалось это доказать, и пришлось ждать еще десять лет, пока подобное смогли наблюдать.

В 1831 году тот, кто до этого был помощником Дэви, Майкл Фарадей, теперь являлся директором лаборатории Королевского института. В этом году, самом плодотворном во всей его жизни, он доказал рядом хитроумных и блестящих экспериментов, что можно индуцировать электрический ток в медной катушке с помощью магнита. Важной деталью, которую Фарадей открыл почти случайно, было то, что ток появляется, только если двигать магнит в присутствии провода. Если магнит находится в состоянии покоя рядом с проводом, ничего нельзя измерить (см. рисунок). Для примера представим себе круглую петлю провода. Если мы поместим и вытащим магнит через центр петли, то с помощью подходящего инструмента (амперметра) обнаружим наличие электрического тока. В тот момент, когда мы перестанем двигать магнит, течение тока прекратится. То же самое происходит с двумя расположенными рядом проводниками: только в тот момент, когда включается или выключается ток в одном из них, появляется индуктивный ток в другом. Открытие магнитной индукции было одним из великих достижений Фарадея.

Великое открытие Фарадея: только при движении магнита индуцируется электрический ток. Если он неподвижен, ничего не происходит.

Таким образом было доказано, что магнетизм и электричество — аспекты одного и того же явления. Существует анекдот о том, как Фарадей представил свои открытия на публичной лекции. Когда пришла очередь вопросов, одна дама, типичная представительница викторианской эпохи, спросила его:

— Господин Фарадей, для чего нужно все то, о чем Вы нам рассказали?

На это Фарадей ответил:

— А для чего нужен новорожденный младенец?

Согласно другой, не столь популярной версии этой истории, ученый сказал:

— Через несколько лет вы будете платить за это налоги.

ЭФИР И СИЛОВЫЕ ЛИНИИ

Ампер свел магнетизм к движению молекулярных токов и попытался объяснить воздействие, оказываемое одним проводником на другой, колебаниями в эфире, который рассматривался как нейтральная субстанция. Эту модель материи, обремененную гипотетическими и практически призрачными сущностями, было довольно трудно принять экспериментальному духу Фарадея. Он двояко относился к Амперу: признавал его важную экспериментальную работу, но проявлял твердый скептицизм к его теоретическим выкладкам.

Майкл Фарадей вошел в историю науки как один из лучших ученых-экспериментаторов всех времен. Кроме того, он был одним из самых значимых теоретиков XIX века, что оказалось забытым из-за полного отсутствия у него математических знаний; как сказал один его коллега, математика была для него закрытой книгой. Это не исключает его чрезвычайно точных догадок в данной области, как мы видим по одному из его шедевров, «Экспериментальным исследованиям по электричеству». Фарадей никогда не проявлял осторожности, анализируя свои эксперименты, но его окончательные выводы всегда были хорошо подкреплены результатами, полученными в лаборатории.

После прочтения его «Экспериментальных исследований» Максвелл был поражен: 

«Фарадей... показывает нам как неудачные эксперименты, так и успешные; его идеи в чистом виде крайне проработаны. Читатель, хотя и ниже его по способностям, испытывает к нему симпатию и даже восхищение». 

С 1831 по 1838 год жизнь Фарадея была чрезвычайно активной, и он записал первые 14 выпусков своих «Экспериментальных исследований». Большую часть времени в данный период он посвящал электрохимии, но все еще интересовался природой электричества. Именно с 1831 по 1833 год Фарадей пришел к выводам, что все известные до того дня виды электричества, включая электричество скатов, — одно и то же и, что особенно важно, электричество — это не вещество. К несчастью, в 1839 году он серьезно заболел и затем шесть лет не мог работать. В 1845 году Фарадей вернулся к исследованиям, имея одну цель: определить природу электрических и магнитных взаимодействий. Он был убежден, что они проявляются через силовые линии, наполняющие пространство, как частая решетка, по которой передаются силы, будь то электрические, магнитные или даже гравитационные. Ученый также был уверен в том, что свет, электричество и магнетизм связаны между собой, что предполагаемого эфира нет, а силовые линии действительно существуют, независимо от их источника. Последнее доказывалось таким образом: если положить бумагу с железными опилками под магнит, опилки упорядочиваются, образуя «линии», которые идут от северного полюса магнита к южному.

В 1852 году, в возрасте более 60 лет, Фарадей обобщил свои идеи в статье под названием «О физическом характере силовых линий». В ней он категорически отрицал точку зрения, принятую в то время большинством ученых (в том числе французами Ампером и Пуассоном), будто электрические заряды и магниты действуют друг на друга на расстоянии и ничего не содержится и не происходит в пространстве, находящемся между ними. Считалось, что такую точку зрения разделял и великий Ньютон, якобы утверждавший, что гравитация может действовать непосредственно на расстоянии. Что любопытно, Ньютон думал как раз наоборот: 

«[...] то, что тело может действовать на другое на расстоянии, через пустоту, без посредничества чего-то прочего, (...) настолько абсурдно для меня, что я думаю, никакой человек, являющийся интеллектуально компетентным для того, чтобы размышлять на философские темы, не может согласиться с подобным». 

Фарадей, сам того не зная, был последователем этого полностью забытого высказывания Ньютона, думая, что электрические заряды и магниты наполняют пространство силовыми линиями, взаимодействующими с теми линиями, которые возникают от других зарядов или магнитов. Многие критиковали его подход. Среди них был английский астроном Джордж Эйри: 

«Мне сложно представить, что кто-то, знакомый на практике и численно с соответствием (между расчетами, основанными на действии на расстоянии, и экспериментальными результатами], может хотя бы на мгновение колебаться между, с одной стороны, таким простым и точным действием и, с другой, чем-то столь неясным и переменным, как силовые линии». 

Фарадей не обращал внимания на подобные нападки и продолжил развивать свои идеи. Результатом стала его знаменитая статья «О возвращении в твердое состояние, или о сохранении силы» 1859 года, в которой он анализировал проблему взаимодействия двух тел. Если есть только одно тело, нет никакого типа взаимодействия, но в тот момент, когда появляется второе, классическая теория требует мгновенного появления силы, действующей на него. Такое утверждение совсем не нравилось Фарадею. Ему было гораздо легче предположить существование некоторой «структуры» в пространстве, созданной силовыми линиями, связанными с телом. Но все эти идеи выглядели бы плохо, если не были бы сформулированы математически, что позволяло получить количественные результаты; это уже была работа Максвелла, который начал осознавать, что понятие силовых линий является чем-то несоизмеримо большим, чем просто идеей, речь шла об очень серьезной теории.

К счастью, Уильям Томсон, будучи студентом Кембриджского университета, сделал необыкновенное открытие: уравнение, которое описывает величину и направление силы взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в состоянии покоя, имеет тот же самый вид, что и уравнение, описывающее процесс теплопередачи в твердом теле. Разве это не безумие — связать статическую силу с движущимся потоком? Конечно, да, но Максвеллу было интереснее постигнуть явление природы, чем сохранить свою репутацию. Джеймс в шутку написал Томсону, что собирается «вскрыть его электрические консервы».

Максвеллу нужна была сильная аналогия, которая позволила бы ему лучше понять проблему силовых линий. Он выбрал аналогию с невесомым и несжимаемым флюидом, который может течь по пористой среде: линии флюида представляют собой магнитные или электрические силовые линии, в то время как пористость — физические свойства задействованных материалов.

Для Фарадея силовые линии были чем-то вроде щупалец; Джеймс превратил их в субстанцию, присутствующую в каждой точке пространства, и большая плотность флюида означала, что электрическая или магнитная сила более интенсивна. Следуя его аналогии, если двигаться флюид заставляет разница в давлении в двух точках (например, ветер дует из зон высокого давления в зоны низкого) и поток пропорционален перепадам давления, разница в электрическом или магнитном потенциале должна быть пропорциональна интенсивности поля.

Максвелл приводил данную аналогию, чтобы объяснить все особенности электростатики и магнитостатики: положительные и отрицательные заряды — это источники и выходы для электрического поля, а материалы с различной электрической или магнитной восприимчивостью означают разную степень пористости. Итоговая математическая формулировка не только совпадала с той, что получалась из гипотезы дальнодействия, но также объясняла происходящее на границе между двумя материалами с различными электрическими и магнитными свойствами.

Ключевым понятием всех этих рассуждений была несжимаемость флюида: в каждом кубическом сантиметре пространства всегда содержится одно и то же количество флюида, независимо от скорости, с которой он движется. Таким образом, можно было сделать вывод: электромагнитные силы обратно пропорциональны квадрату расстояния.

Теория относительности обязана своим происхождением уравнениям электромагнитного поля Максвелла.

Альберт Эйнштейн

Прояснив эту проблему, Максвелл взялся за другие два закона, которые успешно подтверждались при экспериментах: один позволял рассчитать магнитную силу, создаваемую цепью, по которой идет электрический ток, другой — количество электрического тока, произведенного в цепи переменным магнитным полем. Джеймс понял: единственный способ дать общее математическое описание для них обоих — посмотреть, что произойдет в крошечной области пространства. Математически это означало переформулировать законы в дифференциальном виде, пользуясь векторами в каждой точке пространства вместо того, чтобы складывать величины вдоль всей цепи. Когда он это сделал, естественным образом всплыло одно из самых абстрактных понятий, введенных Фарадеем, — электротоническое состояние, известное сегодня как векторный потенциал: векторное поле, ротор которого равен заданному векторному полю.

В уравнениях Максвелла появилась величина, которая, пока оставалась постоянной, не производила никакого эффекта, но в тот момент, когда изменялась, порождала электрические или магнитные силы. Это был настоящий успех, но существовала одна загвоздка: Максвелл не знал, как интерпретировать это физически, даже с учетом аналогии, которую он использовал. Зимой 1855-1856 годов Джеймс рассказывал в Кембриджском философском обществе о своем первом большом вкладе в электромагнетизм. В статье под заглавием «О фарадеевых силовых линиях» он объяснял с их помощью статичные электромагнитные явления. В своем изложении Максвелл с осторожностью подчеркнул, что его аналогия с движущимся флюидом не имеет физического значения, это всего лишь «помощь мысли». Фарадей поблагодарил Максвелла за усилие, которое он совершил, и сознался, что «был потрясен объемом математической работы, связанной с данной темой».

Гравюра, изображающая Уильяма Гильберта, намагничивающего железные бруски. В работе «О магните, магнитных телах и Большом Магните — Земле» (1600) Гильберт объединил свои исследования магнитных тел и электричества.

Максвелл, исследующий магнетизм, свет и молекулярные токи (примерно 1860 год).

Максвелл в 1860-х годах.

В КИНГС-КОЛЛЕДЖЕ

Максвеллы, недавно приехавшие из Шотландии, обосновались в Лондоне, в районе Кенсингтон (дом № 8 по Пэлас Гардене, примерно 6,5 км от колледжа). Рядом с ними находились Кенсингтонские сады и Гайд-парк, где Кэтрин могла кататься на своем пони по кличке Чарли, который также проделал долгое путешествие на поезде из Гленлэра до Лондона.

Кингс-колледж был основан в 1829 году в качестве англиканской альтернативы Университетскому колледжу, расположенному в полутора километрах к северу. Последний, в свою очередь, открыли в 1826 году как альтернативу университетам строгой религиозной традиции Оксфорда и Кембриджа. Естественно, приезд Максвелла в качестве нового преподавателя предполагал предварительное знакомство со студентами. Здесь, как и в Абердине, ученый объявил о том, что хочет научить своих подопечных думать самостоятельно: 

«Надеюсь, на этих занятиях вы усвоите не только результаты или формулы, применимые к практическим ситуациям, но и принципы, от которых зависят эти формулы и без которых они — всего лишь умственный мусор».

Ученый закончил свое выступление пророческим абзацем: 

«В итоге у нас есть электрическая и магнитная науки; в них речь идет о притяжении, тепле, свете, а также о химических явлениях, зависящих от свойств материи, о которых у нас есть лишь частичные и предварительные знания. Было собрано огромное количество фактов; они должны быть приведены в порядок и выражены в виде экспериментальных законов, но форма, в которой эти законы должны появиться, выведенные из главных принципов, пока является чем-то неточным. Нынешнее поколение не имеет права жаловаться на то, что уже были сделаны великие открытия, — как будто больше нечего исследовать. На самом деле были лишь расширены границы науки».

Так Максвелл критиковал тех, кто думал, что в природе уже почти не осталось тайн. Через четыре года он сам доказал, что это не так, сформулировав одну из самых важных в физике теорий.

И вот началась его новая преподавательская деятельность. Лекционная нагрузка в Кингсе была немного меньше, чем в Абердине, но учебный год длился на два месяца дольше. Максвелл также должен был вести каждую неделю вечерние занятия для рабочих, что входило в обязанности преподавателей колледжа. За неделю до того, как ему исполнилось 30 лет, Максвелла избрали членом Королевского общества в качестве признания за его работы по теории цветов и исследованию колец Сатурна. Таким образом, Джеймса официально приветствовали в этой элитарной группе, в которую входили лучшие ученые Британской империи. Однако ученого не покидали беспокойные мысли о незаконченном исследовании.

Пять лет назад Максвелл опубликовал работу об электромагнетизме, и у него было ощущение, будто чего-то не хватает. Ученый вывел все формулы, которые объясняли, что происходит со статическими электрическим и магнитным полями. Благодаря аналогии с потоком тепла ему также удалось ввести в эту схему постоянные во времени электрические токи. Но вне ее оказались все динамические электрические и магнитные явления. В этом случае его аналогия была абсолютно бесполезной.

У Максвелла были только два пути: оставить направление, намеченное Фарадеем, и вернуться к таинственному дальнодействию или пойти дальше чистой аналогии и придумать механическую модель электромагнитного поля — механизма, который вел бы себя точно так же, как реальное явление. Такая модель должна была учитывать четыре эффекта, известных в то время: силы между электрическими зарядами в состоянии покоя, силы между магнитными полюсами, магнитное поле, создающее ток, и электрический ток, создающий магнитное поле в катушке. В этот раз целью Максвелла было найти не аллегорию, а физическую модель — наподобие той, которую он описал в «Пояснениях к динамической теории газов». И вдохновение снова пришло от Томсона.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВИХРИ

Томсон пытался объяснить некое явление, открытое Фарадеем, при котором электромагнитное поле влияет на характеристики света (так называемый «магнитооптический эффект»). Он говорил, что силовые линии Фарадея — это вращающиеся оси эфира, тонкого флюида, который, как считалось, заполняет пространство. Колебания, образующие, как предполагалось, свет, взаимодействовали с этим круговым движением элементов эфира, ось которого параллельна магнитному полю.

Данный вопрос пробудил интерес Максвелла, и в ноябре 1857 года он написал Фарадею, объяснив, что хочет найти обобщение теории Томсона, которая приведет его к «возможному подтверждению физической природы магнитных силовых линий». Так начался поиск того, что назвали теорией молекулярных вихрей. В январе 1858 года Максвелл писал Томсону о своей убежденности в том, что «магнетизм проистекает из вращения какого-то типа материи». Ученый продолжил описывать план эксперимента с магнитом в свободном вращении, который он сконструировал в 1861 году с целью обнаружить подобные вихри. «Я не нашел никакого доказательства этому», — признался он Томсону в декабре того же года.

ПЕРВАЯ ЦВЕТНАЯ ФОТОГРАФИЯ

В мае 1861 года Королевский институт пригласил Максвелла рассказать о его теории цветов. Вместо того чтобы говорить о принципах, Джеймс решил, что лучше сделать демонстрацию того, как на основе трех первичных цветов можнообразовать любой другой. Он хотел сделать три фотографии одного и того же объекта с помощью разных светофильтров — зеленого, красного и синего — и показать их одновременно наложенными друг на друга. Но существовала одна проблема: фотографические пластинки того времени были чувствительны к синему цвету, и очень мало — к красному. Тем не менее попробовать все же стоило. Один коллега Максвелла в Кингсе — знаток фотографии Томас Саттон (1819-1875) — вызвался ему помочь. Ученые сделали три фотографии ленты из ткани-шотландки и наложили их друг на друга: она выглядела чудесно. Публика, которая присутствовала в тот день в Королевском институте, смогла увидеть первую в истории цветную фотографию. И самое удивительное: никто больше не мог повторить подобное еще много лет. Как такое возможно? Эксперты из лаборатории «Кодак» решили загадку век спустя. По их мнению, эксперимент Максвелла не должен был сработать, потому что фотографическая пластинка была абсолютно нечувствительной к красному свету. Задуманное у него получилось только благодаря последовательной цепи счастливых совпадений. С одной стороны, шотландка, кроме красного света, отражала немного ультрафиолетового излучения, и красный фильтр Саттона пропускал эту часть спектра. С другой стороны, эмульсия, использованная в пластинках, была чувствительна совсем не к красному цвету, а к ультрафиолету. На самом деле фотография, сделанная якобы в красном свете, была получена в области спектра, невидимой человеческому глазу: в ультрафиолете.

Первая цветная фотография (ее назвали «Ленточка из шотландки»), сделанная в 1861 году Томасом Саттоном по указаниям Джеймса Клерка Максвелла.

Несколькими месяцами ранее, в период с марта по май, Максвелл опубликовал две части своей статьи «Физические силовые линии» в «Философском журнале». Работа над ней была долгой и практически секретной. О ней ничего не упоминалось в переписке ученого с января 1858 по октябрь 1861 года, когда она уже была опубликована.

Максвелл говорил о существовании некоего физического механизма, который служит субстратом электромагнитного поля. По сути он предположил, что все пространство полно крошечных круглых ячеек, упакованных компактно, с очень низкой плотностью и способных вращаться (см. рисунок на стр. 149, где круглые ячейки для наглядности заменены на шестиугольные). Сосредоточимся на одной из них. Когда она вращается, центробежная сила изменяет ее форму, расширяя по экватору и сжимая вдоль оси вращения так же, как это происходит с нашей планетой. Естественно, расширяясь посередине, она будет толкать остальные ячейки, которые ее окружают. А если все станет вращаться в одном направлении, то система будет осуществлять эффективное давление (толкать) в направлении, перпендикулярном оси вращения. Если мы посмотрим на ось вращения, то увидим точно противоположное. Так как в полюсах ячейки имеют тенденцию сжиматься, можно это истолковать так, что появляется натяжение. Следовательно, если все ячейки образуют линию в пространстве, то ось вращения и направление, перпендикулярное ей, будут вести себя как силовые линии, предложенные Фарадеем: появятся сила притяжения вдоль оси вращения и сила отталкивания в направлениях, перпендикулярных ей. Более того, так как эти ячейки могут вращаться по часовой стрелке или против нее, обе ситуации позволяют определить два направления поля (представленные на рисунке знаками + и -).

Здесь Максвелл столкнулся с маленькой проблемой: железо и дерево в присутствии магнита не ведут себя одинаково. Как отразить данное различие? Джеймс понял, что различную магнитную чувствительность можно включить в модель, просто поменяв плотность ячеек. В терминах механики это означает, что высокая магнитная чувствительность железа равносильна наличию более плотных ячеек в этом металле.

Механическая модель молекулярных вихрей, которую Максвелл использовал для объяснения электромагнитных явлений.

У него уже была построена модель: оси вращения ячеек определяли направление магнитного поля в любой точке пространства, а их плотность и скорость вращения — его интенсивность. Но что начинало вращать эти ячейки? Более того, как можно наблюдать на рисунке, если две смежные ячейки вращаются в одном и том же направлении, их поверхности (которые находятся в контакте, чтобы соблюсти компактное расположение) трутся друг о друга в противоположном направлении, что в итоге остановит вращение. Джеймс предположил, что между ячейками есть другие, более мелкие частицы, которые действуют как подушечки. Максвелл высказал мнение, что эти «подушечки» являются частичками электричества, поэтому в присутствии электрического поля они начнут двигаться вдоль зазоров между ячейками: появится электрический ток. Оказывается очевидным, что именно данное перемещение наших особенных «подушечек» вызывает вращение ячеек.

С помощью этой модели Максвелл был готов объяснять электромагнитные явления. Например, если бы частички электричества (подушечки) перемещались по каналам, не вращаясь, ячейки с обеих сторон начали бы вращаться в противоположных направлениях, что именно и происходит, когда создается магнитное поле вокруг электрического провода. Единственным явлением, которое не объясняла такая модель, было отталкивание двух статических электрических зарядов.

Джеймс был не слишком доволен результатом: он не смог получить полной теории, что было его главной целью. Летние каникулы в Гленлэре и занятие хозяйственными делами должны были помочь ему отвлечься и несколько месяцев спустя окончательно решить эту проблему. Максвелл не планировал ни работать, ни читать книги по данной теме, но он не мог помешать возникновению в своей голове новых идей.

Прежде ученый думал, что каждая ячейка вращается как нечто целое, не рассеивая энергию. Это предполагало, что материал, из которого они сделаны, должен иметь некоторую упругость. Может ли такая упругость быть источником сил между электрическими зарядами? В проводниках электрический ток появляется, потому что «подушечки» перемещаются под действием электрического поля. Подобного не происходит в изоляторах: там они прикреплены к ячейкам. Но упругие ячейки могут деформироваться, позволяя частицам электричества — подушечкам — перемещаться на короткие расстояния. Как далеко? Как позволит деформация ячеек, потому что они будут стремиться вернуться в исходное положение подобно пружине, когда ее натягивают: частицы будут двигаться, пока эта восстанавливающая сила не будет равна силе электрического поля. Это означает, что появится небольшое смещение частичек электричества в изоляторе; говоря другими словами, перед нами — электрический ток. Электрическая чувствительность веществ отражена в модели как упругость ячеек: чем больше чувствительность, тем более упругими становятся ячейки, и ток смещения становится больше.

Максвелл полностью предсказал новое явление: небольшой электрический ток можно измерить в изоляторах и даже в вакуумном пространстве. Этот новый тип тока появится, если электрическое поле будет изменяться. Ученый назвал его током смещения.

Счастлив тот, кто может признать в своей нынешней работе то, что связано с работой его жизни, а также с работой вечности.

Джеймс Клерк Максвелл

При введении данного понятия в уравнения все приобретало чудесный вид. И все-таки чего-то не хватало. Любой упругий материал имеет способность передавать волновое движение, как это происходит с водой в пруду, когда бросают камень. В модели Максвелла мельчайшее возмущение в одном столбике «подушечек» привело бы к колебанию смежных ячеек, что вызвало бы возмущение в магнитном поле вдоль оси вращения ячеек. Что это означало? Что любое возмущение в электрическом поле вызывает подобное возмущение в магнитном поле, и наоборот. Волны, вызванные любым типом возмущения в одном из полей, передаются на оба поля: мы находимся перед электромагнитными волнами. Более того, это поперечные волны, то есть колебание наблюдается в направлении, перпендикулярном распространению возмущения.

Есть ли какой-нибудь вид известной поперечной волны, которая связана с электромагнитными явлениями? Конечно, есть!

Это свет! Максвелл должен был вычислить скорость, с которой перемещаются его электромагнитные волны, и сравнить ее со скоростью света. К несчастью, он не мог сделать этого в Гленлэре, поскольку оставил все справочные пособия с нужными ему данными в Лондоне, но вернувшись в октябре, снова взялся задело.

НОВАЯ ТЕОРИЯ

Оказавшись в своем кабинете в Лондоне, Максвелл не мог ждать. Получив свежие экспериментальные данные, он вычислил, что электромагнитные волны перемещаются со скоростью 310740 км/с. Французский физик Физо до этого измерил скорость света в воздухе и получил 314850 км/с. Обе величины были слишком похожи для того, чтобы считаться совпадением: свет должен был быть электромагнитной волной.

Максвелл решил дополнить свою статью «Физические силовые линии* двумя новыми частями, которые вышли в 1862 году. В третьей части речь шла об электростатике, и в ней было введено понятие тока смещения и электромагнитных волн. В четвертой ученый воспользовался своей моделью для объяснения явления, открытого Фарадеем и заключавшегося в том, что при пересечении магнитного поля наблюдается вращение плоскости поляризации света.

Модель молекулярных вихрей, предложенная для объяснения силовых линий Фарадея, развилась в частички электричества, вращающиеся ячейки, а затем в упругие ячейки. Гипотеза о вихрях оказалась одной из самых продуктивных в истории физики. В данном случае настойчивость Максвелла к проведению физических аналогий естественным явлениям оказалась намного более плодотворной, чем в случае с кинетической теорией газов. Был лишь один довольно обременяющий вопрос, хотя и философского характера: общая справедливость его результатов была связана с механической моделью эфира. А это Максвеллу совсем не нравилось.

Уже в декабре 1861 года, до публикации двух последних частей статьи, Максвелл написал своему другу по Кембриджу: 

«[...] я пытаюсь найти точное математическое выражение всему тому, что известно об электромагнетизме, без помощи гипотез».

В статье он сообщал, что «гипотеза вихрей» является «вероятной», но модель эфира с вращающимися ячейками и частицами-подушечками крайне «неудобна»: это «предварительная и временная гипотеза». Максвелл решил оставить в стороне свою модель и использовать исключительно принципы динамики — математически сформулированные законы, которые управляют материей и движением. Чтобы вывести уравнения электромагнетизма без использования своей молекулярной модели, ему потребовался метод, разработанный в XVIII веке французом Жозефом Луи Лагранжем и описанный в его «Аналитической механике». Главным для Джеймса было то, что данный метод позволял анализировать систему, работая с ней, словно это черный ящик, и не требовал знаний о том, как она действует изнутри. Точная природа лежащего в основе механизма могла быть скрытой, но если система следовала законам динамики, то Максвелл был способен вывести уравнения, регулирующие электромагнитные процессы, без помощи какого- либо типа модели.

Цель была действительно мощной: расширить динамику Лагранжа до электромагнетизма. Чтобы сделать это, Максвеллу пришлось воспользоваться понятиями, введенными десятилетием ранее его другом Томсоном: энергия и принцип ее сохранения. С помощью данных понятий, математического мастерства и нескольких лет работы ученому удалось завершить великую статью «Динамическая теория электромагнитного поля», которую он разделил на семь частей и представил на собрании Королевского общества в декабре 1864 года. В ней Максвелл описал то, что назвал «электромагнитной теорией света». В сентябре этого года он признался одному из своих ассистентов: 

«(...) я очистил теорию от любых необоснованных предположений, следовательно, мы можем определить скорость света, измерив притяжение между двумя телами, которые находятся при определенной разности потенциалов». 

В резюме, с которого начинается любая научная статья, Максвелл подчеркнул утверждение, выведенное из его недавно сформулированной теории:

ПОДТВЕРЖДЕНИЕ

В 1888 году немецкий преподаватель физики Генрих Герц (1857-1894) показывал своим ученикам экспериментальное подтверждение теорий Джеймса Клерка Максвелла. Однажды утром Герц принес на занятие пару приборов, придуманных и сконструированных им самим. Одним из них был излучатель электромагнитных волн, а другим — приемник. Он поставил каждый из них в разных углах класса и, как и предсказывал шотландский гений, заставил выскочить искру из приемника при включении излучателя. Словно исполняя магический трюк, Герц послал таинственную и утонченную электромагнитную волну, которая вызвала искру в другой цепи. Если тщательно подумать, тот факт, что электрическая цепь вызывает искру в другой цепи, отделенной почти десятком метров, должен показаться нам чистым волшебством. После демонстрации один из студентов спросил, будет ли подобное явление когда-нибудь применяться на практике. Герц ответил: 

«Никоим образом. Это просто интересный лабораторный эксперимент, который доказывает, что Максвелл прав».

Генрих Герц был великим физиком, но никудышным пророком. Если бы он не умер в 1894 году, когда ему было только 36 лет, он осознал бы свою ошибку, потому что как раз в 1895 году молодой итальянец, Гульельмо Маркезе Маркони (1874-1937), пользуясь прибором, разработанным Герцем, передал и получил сообщение в доме своего отца в Болонье.

Немецкий физик Генрих Герц.

«Что такое свет с точки зрения электромагнитной теории? Он состоит из поперечных магнитных колебаний, быстрых и переменных, сопровождающихся электрическим смещением, где направление этих смещений перпендикулярно магнитным возмущениям и они оба, в свою очередь, перпендикулярны направлению луча».

Так начиналась его статья: 

«Теория, которую я предлагаю, могла бы называться теорией электромагнитного поля, поскольку она связана с пространством, расположенным в непосредственной близости от электрических и магнитных тел, и может называться динамической теорией, поскольку предполагает, что в пространстве есть движущаяся материя (а именно она производит наблюдаемые электромагнитные явления)». 

Нет необходимости дальше медлить с ответом, какими же были эти полученные уравнения. Выраженные современным языком, они выглядят так.

Е — это напряженность электрического поля. D — электрическое смещение, величина, связанная с первой через константу, называемую электрической проницаемостью среды, которую поле пересекает. Она описывает, как электрическое поле воздействует и испытывает воздействие среды. В — это магнитная индукция. H — напряженность магнитного поля, связанная с В на этот раз через магнитную проницаемость. Наконец,J — это плотность тока.

Первое из уравнений — это закон Гаусса, который описывает поток электрического поля (количество силовых линий), пересекающего закрытую в пространстве поверхность. Если внутри такой поверхности нет никакого электрического заряда, получается, что V · E = 0. Второе уравнение — это закон Гаусса для магнитного поля, и в нем говорится, что невозможно найти северный магнитный полюс или южный полюс отдельно: они всегда встречаются парами.

Третье — это закон индукции Фарадея, утверждающий, что электрическое напряжение, индуцированное в замкнутой цепи, прямо пропорционально скорости, с которой изменяется во времени магнитный поток. Четвертое — это закон Ампера, в котором устанавливается, что стационарный электрический ток порождает статичное магнитное поле. Его Максвелл исправил, когда ввел ранее упомянутый ток смещения. В случае с вакуумом, не содержащим ни зарядов, ни электрических токов, уравнения приобретают следующий вид:

Они соответствуют электромагнитной волне, проходящей по пространству. При этом

где ε₀ и μ₀ — электрическая и магнитная проницаемость вакуума соответственно.

В данных уравнениях сведены все электромагнитные явления. Но, как это обычно происходит, когда появляется великая теория, доступность которой находится во многом за гранью понимания ученых ее времени, никто не обратил на нее особого внимания и не понял, что стоит перед настоящей научной революцией.

ГЛАВА 8 Кавендиш

Максвелл имел отличную репутацию физика- экспериментатора, хотя и казался несколько эксцентричным из-за своей «странной» электромагнитной теории, которую мало кто понимал. Именно тогда ему предложили стать директором нового исследовательского центра, строящегося в Кембридже. Это была Кавендишская лаборатория, призванная стать цитаделью физических наук.

Летом 1865 года Максвелл снова находился на грани смерти из-за воспаления раны, полученной им во время верховой поездки при ударе о ветку. К счастью, благодаря заботе Кэтрин он полностью поправился. В том же году ученый отказался от должности профессора в Кингс-колледже, покинул Лондон и вернулся в родную Шотландию.

Следующие шесть лет Максвелл прожил в Гленлэре, работая над своей теорией электричества и иногда посещая Лондон и Кембридж. Одновременно он занимался местными делами: например, поддерживал на собственные деньги школу в соседней деревне, которую местный школьный совет хотел закрыть. Он также исполнил желание отца и достроил усадьбу: 

«[Мой отец] хотел построить дом подобающим образом, потому что, как он думал, тот понадобится ему в качестве дома местного судьи, но к тому моменту, когда пришла его смерть, он построил только его небольшую часть. Мы достраиваем его по возможности, всегда в соответствии с его идеями». 

В описываемый период Максвелл опубликовал книгу «Теория тепла», 16 научных статей и начал готовить свой знаменитый «Трактат об электричестве и магнетизме». Литература являлась одним из его увлечений, и он вслух читал жене Чосера, Мильтона и Шекспира, а также большое количество теологических и философских трактатов.

Летом 1867 года Максвеллы собрались в длинное путешествие по Италии. Оно началось не так, как предполагалось: по прибытии в Марсель их корабль поставили на карантин, и Джеймс направил свои силы на помощь другим пассажирам. Уже во Флоренции супруги встретились со своим другом Льюисом Кэмпбеллом, который был любителем итальянской музыки и архитектуры. Джеймс не разделял его интересов, зато достаточно хорошо выучил итальянский для того, чтобы обсуждать научные вопросы с коллегой из Пизы.

Жизнь ученого проходила в основном в Гленлэре, но не ограничивалась им. Максвеллы обычно посещали встречи, которые Британская ассоциация содействия развитию науки организовывала в различных местах страны. Кроме того, они проводили достаточно много времени в Лондоне и ежегодно навещали Кембридж: университет пригласил Джеймса стать ассистентом, а затем и экзаменатором математического трайпоса. В 1868 году наставник Максвелла Форбс оставил свободным свое место ректора Сент-Эндрюсского университета, самого старого в Шотландии, и ему предложили подать заявку на эту должность. Ученый отказался, так как не считал себя готовым к подобному: «Мое дело — работа, а не руководство». Любопытно, что этот же университет отказал в должности преподавателя натуральной философии Джеймсу П. Джоулю — физику, установившему связь между механической работой и теплом. По мнению одного из членов комиссии, небольшое искривление позвоночника, от которого страдал Джоуль, делало его неподходящим кандидатом на этот пост.

В 1871 году Кембриджский университет предложил Максвеллу занять должность преподавателя экспериментальной физики. Герцог Девонширский пожертвовал большую сумму денег на постройку исследовательской лаборатории, и если бы Джеймс согласился, он был бы обязан привести ее в действие.

Ректорский совет Кембриджа понимал, как важно было нанять прекрасного ученого-экспериментатора. Первым и самым очевидным выбором казался Уильям Томсон — самый известный ученый того времени. Однако он не хотел покидать свой любимый университет Глазго, где в течение нескольких лет создавал прекрасный исследовательский центр, который начался как простая лаборатория в бывшем винном погребе. С 1870 по 1872 годы министерство финансов выделило 120 тысяч фунтов на строительство нового университета в Глазго, где физическая лаборатория Томсона занимала почетное место: 

«Здесь, в Глазго, на новом факультете, у меня есть возможности, которых не было бы ни в каком другом месте: я располагаю приборами и подходящими помощниками, а также комфортными условиями для осуществления работы по механике». 

Следующим в списке совета был немец Герман фон Гельмгольц. Томсон написал ему, рассказав о преимуществах центра, но Гельмгольцу предложили отличное место в Берлине, и он также не согласился. Максвелл был третьим в списке. Безусловно, его рассматривали как блестящего ученого, хотя и несколько эксцентричного: должно быть, он был немного странным, раз смог сформулировать такую электромагнитную теорию. Было известно, что Максвелл — умелый экспериментатор, который проводит демонстрации своим ученикам, однако он не имел прямого опыта руководства исследовательской лабораторией. Джеймс колебался какое-то время, но в конце концов согласился. В марте 1871 года Максвелла официально утвердили в должности, и он снова собрал вещи. В этот раз для того, чтобы вернуться в Кембридж.

БЕСПОЛЕЗНОСТЬ ЛАБОРАТОРИЙ

Создание исследовательской лаборатории в таком знаменитом городе, как Кембридж, вызвало противостояние части ученых университета. Среди них были бывший заместитель ректора Эдвард Пероун и известный математик Исаак Тодхантер.

По их мнению, математика и англиканизм лучше усваивались на занятиях и в часовнях, чем в лаборатории. Сам Тодхантер в 1873 году утверждал, что экспериментальные науки подобны «наемным работникам» и, несмотря на то что «постоянное взаимодействие с каким-нибудь преподавателем, с блестящими и оригинальными способностями к экспериментированию» может быть полезным, доказательства в экспериментальных науках не имеют ценности. Многие взывали к мнению Уильяма Уэвелла, который был ректором Тринити, когда там учился Максвелл. Он утверждал, что физика «не должна входить в компетенцию колледжей». В том же 1873-м, за год до того, как лаборатория открыла свои двери, уважаемый колледж Корпус-Кристи обвинил будущее заведение на другой стороне переулка Фри-Скул в том, что оно нарушает права «древнего светила знания», и потребовал 600 фунтов в качестве компенсации. Иск не имел успеха, потому что через некоторое время поступил приказ пренебрегать подобными заявлениями.

Принципиальным вопросом были деньги, так как университет получил только 30 % от требуемой суммы. Именно тогда в игру вступил настоятель Уильям Кавендиш (1808-1891), седьмой герцог Девонширский, обладатель премии Смита и второй спорщик. Он взялся покрыть необходимые расходы. Такова была ситуация, когда приехал Максвелл. Стокс, профессор Лукасовской кафедры математики, сказал ему, что «основным долгом нового преподавателя будет, в первую очередь, консультировать по вопросам строительства физической лаборатории и музея». Примечательно, что университетские науки викторианского периода заметно беспокоились о музеях: «рациональное расположение коллекций видов и макетов так же преобладало в инженерии и физических науках, как и в ботанике или анатомии», — утверждает историк науки Симон Шаффер. Действительно, многие научные инициативы середины XIX века вращались вокруг музеев.

Максвелл принялся за работу. Вместе с физиком и заместителем декана Тринити, Коуттсом Троттером, он занялся осмотром известных лабораторий, чтобы использовать их опыт. В апреле 1871 года ученый ездил в Эдинбург и Глазго, чтобы обсудить свои планы по обустройству лаборатории в Кембридже. В первом городе он встретился со своим другом Питером Гатри Тэтом, стыдившимся «бедной лачуги», которой он руководил в университете. Максвелл, охваченный собственными идеями, объяснил ему каждую деталь: например, что необходимо повесить на стены достаточное количество деревянных полок для размещения на них оборудования. Джеймс уже задумал несколько экспериментальных программ, и здание должно было быть построено соответствующим образом. Самой содержательной была его встреча с Томсоном, обладателем лучшей лаборатории во всей Великобритании. Они долго и подробно обсуждали каждую деталь, какой бы ничтожной она ни казалась.

В конце марта Максвелл сделал эскиз, демонстрирующий его планы, и послал его Томсону. На тот момент он хотел иметь три помещения с точными электромагнитными и гравиметрическими приборами, отдельный кабинет для профессоров, зал для подготовки в задней части большой аудитории на втором этаже и место для опытов с теплом и оптических экспериментов на чердаке. Троттер предупредил его о сложностях поиска подходящего архитектора. Максвелл согласился: 

«Надеюсь, он будет не из Лондона. [...] На мой взгляд, ни у кого из известных кандидатов нет хотя бы отдаленного представления о том, что нужно для физической лаборатории. Кажется, единственная возможность построить нужное мне здание — это позвать кого-то, кто будет способен учитывать мои советы». 

Существует мнение, что архитекторы строят не здания, а памятники самим себе, и Максвелл хотел избежать этой крайности. В результате был приглашен местный архитектор, который до того времени получил в Кембридже только один заказ, связанный с ремонтом Колледжа Святой Екатерины в 1868 году. Им был Уильям Фосетт. В ноябре 1871 года он вручил Максвеллу план здания, довольно близко отражающий то, что хотел видеть физик. Между тем критики продолжали гнуть свою линию; научный журнал Nature, основанный в 1869 году, сомневался в том, что лаборатория сможет добиться успехов в исследованиях: в лучшем случае, говорилось там, за десять лет она достигнет уровня немецкого провинциального университета.

Лабораторию строили с весны 1872-го до осени 1873 года. В это время как раз появилась великая работа Максвелла — двухтомный «Трактат об электричестве и магнетизме», важность которого подобна «Математическим началам» Исаака Ньютона. Примерно на тысяче страницах Максвелл сделал великолепный синтез всего, что было известно до того времени об электромагнетизме, и изложил свою теорию, которая стала известна как классическая электродинамика.

КАВЕНДИШ, ОДЕРЖИМЫЙ ОТШЕЛЬНИК

Генри Кавендиш (1731-1810), сын английского лорда, родившийся в Ницце, учился в Кембриджском университете, но оставил его до окончания учебы из- за полного отсутствия интереса к формальностям. У Кавендиша был эксцентричный и рассеянный характер.

Он провел всю свою жизнь затворником: не выносил компании других мужчин и ужасался компании женщин до такой степени, что запретил слугам встречаться с ним в коридорах. Генри общался с ними исключительно с помощью записок. Для такого угрюмого и погруженного в себя человека было только два выхода: самоубийство или одержимость чем-либо. Кавендиша спасла исключительная любовь к науке и экспериментам. Его увлеченность достигала такой степени, что в экспериментах по электричеству он измерял силу тока по тяжести разрядов, которые он сам испытывал в качестве амперметра.

Все для науки

Кроме работ по электричеству, Кавендиш был первым, кто разложил воду на кислород и водород. Обладая таким характером, он абсолютно не думал о славе и едва лишь беспокоился о том, чтобы остальные ученые узнали результаты его исследований. Кавендиш жил ради науки в полном одиночестве. Даже когда его здоровье оказалось подорванным, он решил умереть так же, как и жил, — один. О работах Кавендиша смогли узнать из конспектов, которые он оставил, и этот одиночка вошел в историю благодаря проведению одного из самых утонченных и тщательных экспериментов в физике: он измерил значение гравитационной постоянной. Кавендиш сделал это, когда ему было около 70 лет. Ученый хотел измерить прямое гравитационное притяжение между двумя телами. С этой целью он закрепил на нити брусок железа, на концах которого повесил по свинцовому шарику, а затем приблизил два больших шара, также свинцовых, к двум маленьким. Но он поставил их не в линию, а под некоторым углом, что вызвало вращение бруска на нити. Измерив это тонкое и почти незаметное вращение, Кавендиш смог вычислить величину силы, с которой они притягиваются друг к другу, и на основе этих данных получить — впервые в истории — массу и плотность Земли.

Иллюстрация аппарата, созданного Генри Кавендишам для измерения гравитационной постоянной.

В трактате он сделал и другое удивительное предположение: свет оказывает давление. По его расчетам, солнечный свет давит на поверхность Земли с силой 7 граммов на гектар. В 1900 году русский физик Петр Лебедев (1866-1912) проверил эту гипотезу и попытался объяснить, почему структура звезды сохраняется, а не разрушается из-за гравитации, или почему хвост кометы всегда находится в направлении, противоположном Солнцу.

Здание, которое должно было стать оплотом экспериментальной физики в Кембридже, было открыто на шумной университетской церемонии в июне 1874 года. Первоначально его хотели окрестить Девонширской лабораторией, но, по предложению Максвелла, название изменили на Кавендишскую — не только в честь герцога, но также по имени одного из его предков, замечательного физика-экспериментатора по имени Генри Кавендиш. В этом году герцог вручил Джеймсу неопубликованные рукописи, в которых содержались эксперименты с электричеством, проведенные его родственником с 1771 по 1781 год, предположив, что тот сможет подготовить их к публикации. Максвелл был впечатлен элегантностью и оригинальностью этих работ. Кавендиш не только тщательно продумал эксперименты, о которых Максвелл никогда не слышал, но и оказался первооткрывателем многих явлений, что до тех пор приписывалось другим ученым. Например, за полгода до немца Георга Симона Ома он открыл закон, который связывает силу тока с напряжением и сопротивлением. Джеймс был глубоко убежден в том, что история науки не может проигнорировать данный факт, и в последующие годы посвятил значительную часть своего времени подготовке издания работ этого впечатляющего ученого-экспериментатора. Книга была опубликована в 1879 году, за несколько недель до смерти Максвелла.

МЕЖДУ ДВУМЯ МИРАМИ

Проект Кавендишской лаборатории вскрыл противоречие, которое тогда существовало между любовью к уединенности, традиционной для профессоров, и новым, публичным характером их работы в качестве преподавателей и исследователей. Историк науки Симон Шаффер рассказывает:

«Разделение между работой и престижем было ясным. Швейцарская и помещения профессуры на втором этаже были оформлены должным образом. Лаборатория магнетизма занимала восточный конец первого этажа, почетное место, с мощными полками и относительно большим пространством для дополнительного оборудования». 

Максвелл предоставил для лаборатории свои приборы и сконструировал другие. В первые годы существовала традиция, согласно которой новички начинали работать с магнитометром Кью. Очевидно, что самые большие ресурсы были направлены на новые предметы, которые были включены в трайпос: тепло и магнетизм изучались на первом этаже, а электричество — в большом зале на чердаке.

Эта книга — не атлас, а доклад исследователя.

Комментарий инженера-электрика Бэзила Маона о работе Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873)

Программа исследования была согласована с планами Максвелла. Одной из тем, которая волновала его больше всего, было точное измерение основных физических констант, чего требовали такие области, как электричество и магнетизм. Например, вышеупомянутый закон Ома был подтвержден, но не было известно, является сопротивление на участке цепи постоянной величиной или оно зависит от силы тока, как оно зависит от температуры проводника. Корректное определение единицы электрического сопротивления было одной из главных целей Кавендишской лаборатории. Это заслуживало внимания, поскольку развитие телеграфа требовало, чтобы были хорошо определены как единицы измерения электромагнитных явлений, так и их законы.

По сути, Максвелл в Кембридже выполнял две обязанности: преподавал теорию электричества, магнетизма и тепла для подготовки к математическому трайпосу и определял направления исследований лаборатории. Его целью было привлечь студентов-математиков к экспериментальной физике.

Молодым студентам, которые приходили в лабораторию, Максвелл позволял исследовать то, что они хотели. Это была норма, которой он следовал всю жизнь, никогда не предлагая никаких тем, если только его не спрашивали. В результате ученый заслужил высокую оценку тех, кто его знал как внутри, так и вне лаборатории. Если в качестве преподавателя он не особенно блистал, так как публичные выступления давались ему с трудом, то в качестве руководителя в мире экспериментальной науки Джеймс был важной величиной.

Конечно, он совершал ошибки. Одной из них, и самой главной, стало предположение, что присущую ему страсть к знаниям испытывают все, кто с ним работает. Артур Шустер (1851-1934) — физик, который внес важный вклад в спектроскопию и был хорошо знаком с организацией работы как в Кембридже, так и в Берлине, — прокомментировал проблемы, существовавшие, по его мнению, у Кавендишской лаборатории. Например, не было возможности одновременно ставить разные эксперименты первостепенной важности. Кроме того, занятия в аудитории не были связаны с теми, что велись в лаборатории, не контролировалась работа учеников:

«[...] даже знающий человек абсолютно беззащитен в первый раз, когда входит в лабораторию. Он не имеет представления о времени, которое занимает обдумывание и осуществление всех деталей эксперимента, и о том, как непредвиденные сложности могут отложить основное исследование, почти затмить его».

Шустер удачно показал, что существует принципиальная разница между работой в частной лаборатории и в лаборатории в центре, полностью посвященном исследованиям. Проблема в том, что Максвелл провел практически все свои исследования в лабораториях первого типа: в своей мастерской в Гленлэре и в лаборатории Форбса в Эдинбурге он научился необходимым основам; значительные эксперименты по электромагнетизму, теплу и вязкости газов он осуществил в мастерской в подвалах Кингс-колледжа, в чулане в Кенсингтоне и в мастерских, которые помогли устроить в его домах в Лондоне знатоки электромагнетизма...

БОЛЕЗНЬ И СМЕРТЬ

Чета Максвеллов жила, удобно расположившись в Скуп- Террас. Любой, кто знал Джеймса и приходил к нему домой, мог убедиться, что внутри не хватало чего-то, что присутствовало всегда в его жилище: лаборатории. Она была ему не нужна.

Через некоторое время после прибытия здоровье Кэтрин ухудшилось, и Джеймс посвящал значительную часть своего времени уходу о ней. О ее характере известно очень мало, однако чаще всего встречается утверждение, что она была «сложной» женщиной. Двоюродная сестра Кэтрин, Джемима Блэкберн, говорила, что она «ни красива, ни здорова, ни приятна» и обладает «подозрительным и ревнивым характером». Некоторые биографы сомневаются в том, что эти слова действительно отражают объективную картину. Как бы то ни было, супруги были преданны друг к другу, и Джеймс всегда ставил благополучие своей жены выше собственного.

Из-за своего нового положения директора Кавендиша ученый не покинул Гленлэр; он проводил четыре месяца в году на своих землях, где наслаждался деревенской жизнью, которая так ему нравилась. Максвелл находился на пике зрелости — как человеческой, так и умственной. Но вскоре его самочувствие ухудшилось.

Весной 1877 года он начал страдать хронической изжогой. Питьевая сода смягчала симптомы, и в течение последующих полутора лет Максвелл продолжал обычную работу. Он управлял Кавендишем, давал уроки и писал статьи и книги: среди прочих — еще одно его сокровище под названием «Материя и движение», являющееся прекрасным введением в механику, где с помощью минимального использования математики объясняются понятия и законы этой физической дисциплины.

Как обычно, в июне супружеская пара вернулась в Гленлэр; в сентябре Джеймс начал испытывать сильные боли. Максвелл ждал приезда Уильяма Гарнетта, который впечатлил его ответами на трайпосе. Кэтрин предложила отменить это приглашение, но Джеймс отказался. Приехав в Гленлэр, супруги Гарнетты увидели хозяина дома очень больным, но он нашел в себе силы участвовать в вечерней молитве и любезно ухаживать за гостями.

Максвелл вспомнил болезнь своей матери и начал подозревать, что с ним происходит то же самое. Второго октября выяснилось, что у него рак брюшной полости и ему осталось жить самое большее месяц. Ученому советовали вернуться в Кембридж, где доктор Педжет мог бы дать ему лекарства, способные притупить боль. Восьмого октября Максвелл уже был так слаб, что почти не мог дойти от вагона до кареты. Его врач в Гленлэре, доктор Лоррейн, написал Педжету сообщение, в котором объяснил ситуацию, добавив:

«Должен сказать, что это один из лучших людей, которых я знал.

Кроме его огромных научных заслуг, этот человек является, насколько можно такое представить, идеальным примером христианина».

Джеймс Клерк Максвелл умер 5 ноября 1879 года. Похороны прошли в следующее воскресенье в церкви Святой Марии. После церемонии его перевезли в Гленлэр, чтобы похоронить на кладбище прихода в Партоне, рядом с отцом и матерью. Кэтрин умерла семь лет спустя.

Личная библиотека Максвелла была передана Кавендишской лаборатории вместе с 6000 фунтами. Его усадьба в Гленлэре перенесла два разрушительных пожара — один в 1899 году, а другой в 1929-м, — которые полностью ее разрушили. В 1993 году наиболее старая ее часть была восстановлена новым владельцем. И даже сегодня на дороге, идущей от шоссе, соединяющего Далбитти с Корсоком, можно увидеть каминные трубы и щипцы дома, в котором когда-то жил один из самых чудесных умов XIX века.

Список рекомендуемой литературы

Asimov, I., Introduction a la tientia I. Cientias ftsicas, Barcelona, Plaza & Janes, 1973.

Atkins, P.W., La segunda ley, Barcelona, Prensa Cientifica, 1992.

Bernal, J.D., Historia social de la tientia, volumen II, Madrid, Ediciones Peninsula, 1976 (cuarta edicion).

Bodanis, D., El universe electrico, Barcelona, Planeta, 2006.

Burke, J., The Pinball Effect, Londres, Little, Brown and Co., 1996.

Butterfield, H., Los origenes de la tientia modema, Madrid, Taurus, 1982.

Gamow, G., Biografia de la fisica, Madrid, Alianza Editorial, 2007.

Gribbin, J., Historia de la tientia, 1543-2001, Barcelona, Critica, 2003.

Pullman, B., The Atom in the History of Human Thought, Oxford, Oxford University Press, 1998.

Smorodinsky, Y., La temperatura, Moscu, Editorial Mir, 1983.

Spielberg, N. y Anderson, B.D., Siete ideas que modificaron el mundo, Madrid, Ediciones Piramide, 1990.

Thuillier, P., De Arqutmedes a Einstein. Las caras ocultas de la investigation cientifica (II), Madrid, Alianza, 1990.

Указатель

Адамс, Джон Куч 91-94, 98, 99, 102

Ампер, Андре-Мари 27, 135, 136, 138, 139, 156

«Апостолы» 60, 61

Болтон, Мэттью 33, 34

Больцман, Людвиг 115, 117, 121, 123, 124, 126

броуновское движение 119

Брюстер, Дэвид 19, 78

Ватт, Джеймс 33, 34, 41, 43, 108

векторный потенциал 142

Вольта, Алессандро 131, 132

Галле, Иоганн 93

Гальвани, Луиджи 131

Гамильтон, Уильям 41, 42, 44, 49, 61

Гельмгольц, Герман фон 7, 8, 78, 83, 107, 115, 161

Герапат, Джон 113

Герц, Генрих 154

Геттон, Джеймс 22

Гильберт, Уильям 133, 134, 143

Гленлэр 11, 16, 18-23, 25, 86, 88, 105, 128, 144, 150, 151, 159, 160, 168-170

Грассман, Герман 81, 83

двухфокусные кривые 26

Девонширский герцог 160, 162, 166 (см. также Кавендиш, Уильям)

демон Максвелла 120, 121

Джоуль, Джеймс 7, 28, 106, 107, 109, 160

«Динамическая теория электромагнитного поля» 11, 153

диссиденты 35-37, 39

диффузия газов 106, 110

Дьюар, Кэтрин Мэри 11, 27, 29, 105, 115, 128, 144, 159, 169, 170

Дэви, Гемфри 38, 132, 137

закон Гей-Люссака 113

Кавендиш, Генри 164-166

Кавендишская лаборатория 9, 10, 44, 45, 102, 157, 166-170

Кавендиш, Уильям 162

каменный уголь 36

Кей, Фрэнсис 11, 16

Кембриджский предварительный экзамен 64

Кингс-колледж 11, 41, 88, 128, 144-146, 159, 168

Клаузиус, Рудольф 106, 108-111, 120, 123, 127

колледж

Корпус-Кристи 162

Святого Иоанна 91, 92

Святой Екатерины 163

кольца Сатурна 9, 11, 89, 94-101, 103, 106, 108, 111, 145

компас 133-134

«К описанию овалов и многофокусных овальных кривых» 26

Королевский институт 37, 38, 40, 137, 147

Кэмпбелл, Льюис 10, 22-23, 52, 59, 160

Лагранж, Жозеф Луи 64, 65, 153

Леверье, Урбен 91-93

магнетизм 8, 67, 108, 132-134, 136-139, 143, 146, 167

магнитооптический эффект 146

Маришал колледж 11, 86-88, 99, 128

Маркони, Гульельмо 154

математика Англии 64

Кембриджа 51, 65, 85, 97

математический трайпос 62-69

«Материя и движение» 169

медаль

Копли 91, 92

Румфорда 9, 11, 85, 128

механическая модель электромагнитного поля 146

мыльные пузыри 98, 99

Нептун 91-94

Николь, Уильям 29, 48, 55

Николя призма 29, 48, 55

Ньютон, Исаак 8, 9, 40, 45, 56, 64, 65, 73-77, 79, 81, 83, 84, 110, 111, 124, 140, 164

«О равновесии упругих тел» 11, 50

«О теории составных цветов» 84

«О фарадеевых силовых линиях» 11, 144

«О физических силовых линиях» 11, 148, 152

паровая машина 33, 34, 36, 43, 108, 109, 177 (см. также Ватт, Джеймс)

первичные цвета 76, 77, 81-83, 147

Перегринус де Марикур, Петрус 133

Питерхаус 52, 56, 67

поляризованный свет 46-48, 50

постоянная Больцмана 117, 126

«Пояснения к динамической теории газов» 11, 114, 128

премия Адамса 11, 91, 92, 98, 99, 102

премия Смита 64, 69, 97, 162

революция

промышленная 31, 33, 35-37, 42, 43, 88

французская 35

силовые линии 51, 138-144, 146, 148, 152, 155

спорщик,второй 66-69

статистическая механика 112

Стретт, Джон Уильям 113, 115

Струве, Отто 96, 97, 102

теорема о равнораспределении 114, 126

теория

кинетическая газов 9, 97, 114- 117, 124, 126, 127, 152

математическая упругости 50, 51

цвета 9, 51, 75, 79, 82, 84

«Теория кривых качения» 11, 49

тепловое равновесие 113, 116

теплопроводность 126

термодинамика 25, 28, 67, 106— 109, 112, 120, 122, 127

второе начало 109, 120, 121, 123

первое начало 107-109

ток смещения 151, 152, 155

Томпсон, Бенджамин 7, 37, 38

Томсон, Уильям 7, 28, 29, 37, 41, 42, 51, 67, 76, 85, 94, 97, 98, 99, 102, 106, 107, 108, 120, 123, 127, 128, 141, 146, 147, 153, 161, 163

«Трактат об электричестве и магнетизме» 8, 11, 136, 159, 164, 167

треугольник Максвелла 81

цветовой 81, 82

Тринити-колледж 52, 56-57, 59- 61, 69, 79, 84, 85, 97, 162, 170

Тэт, Питер Гатри 23, 25, 27, 42, 52, 55, 120, 127, 128, 163

тяготение 97, 99, 101, 140

Уилкинсон, Джон 34

Университетский колледж 144

Уотерстон, Джон Джеймс 112-116

Уран 91, 92

Уэвелл, Уильям 56, 57, 67, 84, 97, 162

Фарадей, Майкл 8, 11, 30, 40, 51, 62, 63, 132, 136-142, 144, 146, 148, 152, 156

Форбс, Джеймс 26, 27, 41, 44, 45, 50-52, 56, 62, 70, 76, 77, 81, 82, 86, 128, 160, 168

Фосетт, Уильям 163

фотоупругости метод 48, 50

Хопкинс, Уильям 63, 66, 68, 69

цветная фотография, первая 9, 11, 147

цветовая коробка 78, 83

цветовой круг 76-79

цветовой круг Ньютона 74, 81

Чэллис, Джеймс 92-97, 99, 100

Эдинбург

академия 11, 15, 20-23, 25

университет 11, 26, 41, 52, 128

Эйри, Джордж Биддель 51, 92, 101, 140

«Эксперименты с цветом, восприятие глаза» 11, 82

электричество 7, 8, 46, 67, 108, 131-134, 137, 139, 150, 159, 164, 166, 167

электролитическое разложение 132

электромагнетизм 9, 27, 136, 144, 145, 152, 153, 164, 168

электромагнитное поле 44, 51, 142, 146, 148, 154

электромагнитные волны 151, 152, 154

энергия 9, 28, 103, 106-117, 122, 123, 125, 126, 150, 153, 154

энтропия 103, 109, 110, 115, 117, 118, 121, 123, 125, 126, 127

Эрстед, Ханс Кристиан 134, 135

Джеймс Клерк Максвелл был одним из самых блестящих умов XIX века. Его работы легли в основу двух революционных концепций следующего столетия - теории относительности и квантовой теории. Максвелл объединил электричество и магнетизм в коротком ряду элегантных уравнений, представляющих собой настоящую вершину физики всех времен на уровне достижений Галилея, Ньютона и Эйнштейна. Несмотря на всю революционность его идей, Максвелл, будучи очень религиозным человеком, всегда считал, что научное знание должно иметь некие пределы - пределы, которые. как ни парадоксально, он превзошел как никто другой.

Оглавление

Miguel Angel Sabadell Наука. Величайшие теории: выпуск 25: Магнетизм высокого напряжения. Максвелл. Электромагнитный синтез

Введение

ГЛАВА 1 Математик-вундеркинд

ГЛАВА 2 Теория упругости

ГЛАВА 3 На реке Кам

ГЛАВА 4 Изучение цвета и света

ГЛАВА 5 Кольца Сатурна

ГЛАВА 6 Тепло, энергия, энтропия и атомы

ГЛАВА 7 Электрическая вселенная

ГЛАВА 8 Кавендиш

Список рекомендуемой литературы

Указатель