Статьи и речи - Максвелл Джеймс Клерк

В январе 1854 г. Максвелл держал экзамен, к которому его готовил Гопкинс, и занял второе место, что было блестяще. Кончив университет и получив степень магистра, Максвелл был оставлен в качестве члена Тринити-колледжа для подготовки к профессорскому званию. Оп читал лекции по гидравлике и оптике, а в свободное время завершал свои прежние эксперименты по теории цветов. Он выступал как продолжатель теории Юнга, его теория была близка к теории трёх основных цветов Гельмгольца. Изучая смешение цветов, Максвелл применил особый волчок, диск которого был разделён на сектора, окрашенные в различные цвета («диск Максвелла»), При быстром вращении волчка создавалось впечатление, что цвета смешивались: если диск был закрашен так, как расположены цвета спектра, он казался белым; если одну половину его закрашивали красным, а другую жёлтым — он казался оранжевым; смешение синего и жёлтого создавало впечатление зеленого. Различные комбинации давали различные оттенки. Все было просто и убедительно. Несколько позже Максвелл с успехом демонстрировал этот прибор на своих лекциях в Королевском обществе.

В ту пору Максвелл разрабатывал свой метод исследований. Жизненность метода определяется тем, даёт ли он возможность учёному находить новые пути в познании законов природы. Жизненность своего научного метода Максвелл подтвердил мемуаром «О фарадеевых силовых линиях» (1855—1856)—первой из его основных работ по электромагнетизму. Оказалось, что он не только владел оригинальным методом, но был уже вполне сложившимся исследователем — исследователем-философом. Замечательно введение к этой работе: в нём Максвелл изложил свою научную программу — глубоко продуманную, с далёким прицелом. Об этом введении Людвиг Больцман впоследствии писал: «Оно показывает, как мало обязан он был случайности в своих позднейших открытиях; более того, оно показывает, что он работал ко хорошо обдуманному заранее плану. Подобный план грезился, может быть, и другим великим исследователям, но немногие из них сознавали его так ясно и имели достаточно искренности, чтобы заранее разъяснить его так просто».

Д. К. Максвелл в молодости

В 1856 г. Максвелл принял назначение в Абердинский университет на кафедру натурфилософии Маришаль-колледжа. Абердин — шотландский порт на Северном море. Ни в одном университете Англии отдельной кафедры физики ещё не было, но «в шотландских университетах,— как отмечал Столетов,— физика несколько ранее получила право гражданства». Кроме того, Максвеллу хотелось быть ближе к отцу, здоровье которого все ухудшалось. Но сэр Джон не дожил ни до переезда сына, ни до своего 60-летия. Это было самое сильное потрясение в жизни Максвелла.

Его лекционная нагрузка в Абердине была небольшой. Помимо чтения лекций, много времени отнимали заботы о доставшемся ему в наследство Гленлэре. За преподавание Максвелл взялся горячо, однако нельзя сказать, что он преуспевал: ни в молодости, ни позже он не был блестящим лектором. Своему приятелю, читавшему проповеди у них в деревне, Максвелл советовал: «Почему бы тебе не дать им этого поменьше?» Но сам таким путём никогда не шёл. Он был обаятельным человеком, его лекции были сдобрены особым юмором, в котором была и эксцентричность, и гротеск, и непрямая, с намёками и игрой слов, манера выражать свои мысли. Но едва дело доходило до существа предмета, речь Максвелла становилась точной, ясной, совершенно простой и лишённой эмоций. Таким был и стиль его писаний. Однако в его лекциях содержалось столько сложных вещей и до таких глубин любил он докапываться, что многих этим отпугивал. А экзаменовал он строго. В общем, ему трудно было поддерживать мир с теми, кто не возвышался над средним уровнем. Зато для тех, кто любил трудности и не боялся работы мысли — лучшего учителя не было.

Весной 1857 г. Максвелл решился наконец заявить о себе Фарадею, своему кумиру. К статье «О фарадеевых силовых линиях», которую он направлял ему, было приложено почтительное письмо. Не избалованный вниманием, маститый учёный был глубоко тронут. «Я не благодарю Вас за то, что Вы сообщили о силовых линиях,— писал он,— ибо Вы это сделали в интересах философской правды и из любви к ней. Но... Ваша работа приятна мне и даёт мне большую поддержку...» Фарадея поразила сила таланта 25-летнего своего последователя и то, какой силой была в его руках математика. С этого началась их переписка, так много давшая им обоим.

А следующей весной Максвелл сообщил своей тётке, мисс Кей, что собирается жениться. «Не бойтесь,— шутил он,— она не математик... Но она, разумеется, не станет и помехой для моей математики». Он не ошибся. Напротив того, Кетрин Мери Дьюар, дочь директора Маришаль-колледжа, ставшая вскоре миссис Максвелл, помогала ему в работе, пока позволяло здоровье. Мемуаристы отмечают, впрочем, что «миссис Максвелл была женщиной трудной»...

Когда Кембриджский университет объявил конкурс на работу об устойчивости колец Сатурна, Максвеллу захотелось попытать счастья. К астрономии у него была давняя любовь. В Гленлэре сохранилась своеобразная и явно домашнего изготовления игрушка: карта звёздного неба, разнимающаяся на созвездия. На месте звёзд (в соответствии с их звёздной величиной) были вырезаны разного диаметра отверстия. Если позади ставили свечу, игрушка оживала. Кроме того, Джемс с отцом сделали солнечные часы, по которым (и это надолго стало обычаем) в доме регулировались все другие часы.

Работа об устойчивости колец Сатурна заняла у Максвелла почти два года (1857—1859). Кольца Сатурна были открыты Галилеем в начале XVII в. и представляли собой удивительную загадку природы: планета казалась окружённой тремя сплошными концентрическими кольцами. Лаплас доказал, что они не могут быть твёрдыми. «Не жидкие ли они?» — предположил Максвелл. Но в атом случае, как показал математический анализ, они разделились бы на капли. Следовательно, подобная структура может быть устойчивой только в том случае, если она состоит из роя несвязанных между собой метеоритов. Королевский астроном Эри назвал эссе Максвелла, изложенное на 68 страницах, одним из замечательнейших приложений математики. (Теоретическое решение Максвелла было со временем подтверждено спектроскопическими исследованиями Белопольского и Килфа.) Молодой учёный, которому была присуждена премия Адамса, «становится лидером математических физиков».

В науке, как и в жизни, все взаимосвязано. Исследование колец Сатурна пробудило интерес Максвелла к кинетической теории газов. В этой области переплетались такие важнейшие идеи века, как механическая теория теплоты, принцип сохранения энергии, атомистика. С момента своего возникновения кинетическая теория газов опиралась на представления о дискретном строении тел и о хаотическом движении дискретных частиц, составляющих газообразные тела. Углубление в высокую теорию не притупило живого интереса Максвелла к насущным проблемам техники. В промышленности тогда все шире применялся пар, росло число паровых машин, но неизвестно было, каким законам он подчиняется в их цилиндрах. А с этим, в частности, была связана проблема коэффициента полезного действия. Максвелл называет своих прямых предшественников в деле изучения газовых законов, это — Д. Бернулли, Джоуль, Крёниг и Р. Клаузиус. Но до Максвелла, для упрощения математических выкладок, полагали, что частицы (молекулы) газа движутся равномерно, прямолинейно и что их скорости одинаковы. Это допущение Максвелл отверг, как нереальное. Столкновение молекул друг с другом придаёт им различную скорость. В случае газа, изолированного от воздействия внешних сил, его молекулы распределены по скоростям группами. Невозможно вычислить скорость отдельных молекул газа, но вполне возможно вычислить скорость группы молекул. Как это сделать? Он воспользовался методом теории вероятностей и ввёл в кинетическую теорию статистический подход, который потом получил название — распределение скоростей газовых молекул («распределение Максвелла») и явился важным этапом в развитии кинетической теории газов. Однако тогда не имелось фактов, доказывающих правильность выводов Максвелла, да и сами представления о молекулах и законах их движения были весьма гипотетическими. Поэтому учёный обращается к своему излюбленному методу механических, или кинетических моделей. Одной из его первых кинетических моделей строения газа было представление о молекулах как об упругих телах конечных размеров (что не расходилось с общепринятыми тогда положениями). Затем Максвелл стал рассматривать молекулы как точечные центры, отталкивающиеся друг от друга пропорционально 5-й степени расстояния... Прочитав максвелловское «Объяснение динамической теории газов», Клаузиус сказал: «Вот как нужно писать по теории газов!» А Столетов позже констатировал: «В работах Клаузиуса и Максвелла кинетическая теория газов получила высокую степень развития». Впоследствии русский физик Н. Н. Пирогов, сын великого хирурга, распространил закон распределения скоростей на многоатомные газы.