Статьи и речи - Максвелл Джеймс Клерк

В своё время в Кавендишской лаборатории была учреждена стипендия имени Максвелла. «Она даётся на три года лучшему из работающих в лаборатории, и получение её считается большой честью»,— писал П. Л. Капица, которому она была присуждена в 1923 г.

Теория Максвелла сыграла огромную роль не только в науке, но и в духовном развитии человечества.

В 1931 г. широко отмечалось 100-летие со дня рождения великого учёного. На торжества в Англию съехались делегаты от учёных корпораций всего мира. 30 сентября в Вестминстерском аббатстве, неподалёку от надгробия Ньютона, были открыты мемориальные доски Фарадея и Максвелла. 1 и 2 октября с речами выступили Резерфорд, Планк, Бор, Джинс... Для юбилейного сборника написали статьи Эйнштейн и ряд других физиков.

Темой выступления Нильса Бора было — Максвелл и современная теоретическая физика. Говоря «о применении электромагнитной теории к проблеме строения атома, где теория Максвелла не только была исключительно плодотворна в истолковании явлений, но дала максимум того, что может дать какая бы то ни было теория», Бор отметил, что применение идей Максвелла к атомной теории «само по себе составляет целую главу физики». И — далее: «Когда приходится слышать как физики в наши дни толкуют об электронных волнах и фотонах, может показаться, пожалуй, что мы полностью оставили почву, на которой строили Ньютон и Максвелл». Однако, подчеркнул Бор, «теория Максвелла не перестала использоваться в качестве направляющего начала и на позднейшей стадии развития атомной теории. Хотя фундаментальное открытие лордом Резерфордом атомного ядра, приведшее к замечательному завершению наших представлений об атоме, ярче всего обнаружило ограниченность обычной механики и электродинамики, единственным путём развития в этой области осталось сохранение возможно более тесного контакта с классическими идеями Ньютона и Максвелла».

Так «старик Максвелл» входит в новую и новейшую физику — в наше время.

Е. М. Кляус

Роль Максвелла в развитии кинетической теории газов

В 1859—1860 гг. Максвелл развил ряд фундаментальных положений кинетической теории газон

Кинетическая теория газов с момента её возникновения базировалась на представлениях о дискретном строении всех тел и о беспорядочном непрерывном движении дискретных частиц, образующих газообразные тела. В самом начале своего трактата «Пояснение к динамической теории газов» Максвелл писал: «Из гипотезы, согласно которой мельчайшие частицы материи находятся в быстром движении, причём скорость этого движения возрастает с температурой, может быть выведено так много свойств материи, в особенности если её взять в газообразной форме,— что истинная природа этого движения является предметом естественного интереса48h».

Учение о дискретной структуре материи восходит к глубокой древности. Атомистику древности и средневековья, натурфилософскую по своему существу, можно условно расчленить на «физическую атомистику» и «математический атомизм», тесно переплетающиеся между собой48i. В начале XVII в. возрождается «физическая атомистика» (Гассенди), но уже последующее её развитие шло иными путями. Атомистика Галилея, Декарта, Бойля, Ньютона, как и вся атомистика середины и второй половины XVII в., связана в явном или скрытом виде с новыми задачами механики, физики и математики. На её основе в XVIII в. развилась атомистика Бернулли, Лесажа, Ломоносова, Бошковича и многих других, промежуточное звено между атомистиками XVIII и XIX вв. Кинетическая теория газов генетически связана со всей атомистикой в целом, но непосредственно базируется на атомистике XIX в.49

В 1801 г. Дальтон применил атомистическую гипотезу для объяснения закона парциальных давлений. Работы Авогадро и Ампера, как и дальнейшие работы Дальтона, были тем новым этапом в развитии атомистики, который непосредственно привёл к кинетической теории газов.

Учение о беспорядочном непрерывном движении частиц газов начало усиленно разрабатываться после того, как Румфорд обратил внимание на выделение тепла при сверлении стволов пушек и подметил противоречие этого явления с господствовавшей теорией теплорода. В 1798 г. Румфорд объяснил нагревание стволов пушек тем, что теплота есть особый род движения. «Совершенно необходимо добавить, что это нечто, которое любое изолированное тело или система тел может непрерывно поставлять без ограничения, не может быть материальной субстанцией; и мне кажется чрезвычайно трудным, если не совершенно невозможным, создать какую-либо точную идею о чем-то, что в состоянии возбуждаться и передаваться подобно тому, как возбуждается и передаётся в этих экспериментах теплота; если только не допустить, что это что-то есть движение»50

Максвелл называет в качестве своих прямых предшественников Даниеля Бернулли, Герапата, Джоуля, Крёнига, Клаузиуса и других, показавших, что отношения между давлением, температурой и плотностью в идеальном газе можно объяснить, полагая, что частицы движутся прямолинейно и равномерно, ударяются о стенки сосуда, содержащего газ, создавая тем самым давление.

В приведённой работе Максвелл не ставил перед собой задачи анализировать генезис кинетических представлений и дифференцировать взгляды их творцов.

Уже в 1845 г. Ватерстон представил для опубликования статью «О физической среде, состоящей из свободных и вполне упругих молекул, находящихся в движении», (опубликована Рэлеем в 1892 г. )51. В 1850 г. Ранкин рассматривает теплоту, как скрытое движение частиц51a. В 1851 г. в работе «Некоторые замечания о теплоте и о строении упругих жидкостей»51b он объясняет ряд свойств газов, полагая, что частицы движутся прямолинейно и равномерно. Джоуль полагал, что гипотеза Дэви о вращательном движении молекул также позволяет объяснить некоторые газовые законы. Он писал: «Я лично попытался показать, что вращательное движение, аналогичное описанному Дэви, способно объяснить закон Бойля — Мариотта, а также и другие явления, представляемые упругими жидкостями. (М-р Ранкин в своей работе «О механическом действии газов и паров» дал полное математическое исследование действия вихрей».) Тем не менее, принимая во внимание, что гипотеза Герапата, в которой допускается, что частицы газа постоянно летают во всех направлениях с большой скоростью и что давление газа обязано своим происхождением натиску частиц на всякую поставленную против них поверхность,— несколько проще, я воспользуюсь ею в своих последующих замечаниях о строении упругой жидкости...»51с

В 1856 г. в работе «Grundzuge einer Theorie der Gase»51d Крёниг выдвинул гипотезу, согласно которой газы состоят из атомов. Эти атомы можно уподобить твёрдым идеальным упругим шарам. Атомы движутся с определёнными скоростями в вакууме. Движение атома газа продолжается до тех пор, пока он не сталкивается с другим атомом. Столкновение может произойти и со стенкой. Взаимодействие между атомами происходит при их соприкосновении на малом расстоянии.

Крёниг рассмотрел прямоугольный параллелепипед, в котором атомы, одинаковые по величине, движутся с равными скоростями по трём направлениям, параллельно рёбрам параллелепипеда. Число ударов об стенку пропорционально его скорости и обратно пропорционально двойному ребру. Крёниг рассматривает гладкую стенку как очень неровную по отношению к атомам газа. Эта неровность создаёт беспорядочность в траекториях атомов. Беспорядочность траектории и не поддаётся никакому расчёту. Однако Крёниг полагает, что понятие вероятности, введённое в теорию, устраняет не поддающуюся расчёту беспорядочность. Идеализация полной упорядоченности атомов — результат применения теории вероятности. Допустив равномерное распределение скоростей, Крёниг получил для давления на стенку величину p=mcc/2x×n/3, где m — масса атома, c — скорость атома, c/2x — число ударов, производимых в одну секунду на одну из стенок, n — число атомов, содержащихся в сосуде. Давление на единицу площади p=mcc/2x×n/3×1/yz = nmc²/6×1/V, откуда pV=nmc²/6. Неправильный подсчёт импульса привёл к величине 1/6 вместо 1/3. Таким путём можно получить не только закон Бойля — Мариотта, но и закон Гей-Люссака и Авогадро. Крёниг рассмотрел также вопрос об отклонениях от этих законов. Идеи, им высказанные, привлекли к себе внимание Р. Клаузиуса.