1831
Джеймс Клерк Максвелл (James Clerk Maxwell)
(продолжение)
Последние работы по термодинамике и молекулярной физике
В Кембридже Максвелл продолжал разрабатывать конкретные вопросы молекулярной физики. В 1873 году, следуя данным работ Иоганна Лошмидта, он вычислил размеры и массы молекул ряда газов, определил значение постоянной Лошмидта. В результате дискуссии о равновесии вертикального столба газа он дал простой вывод обобщённого распределения молекул в потенциальном силовом поле, ранее полученного Больцманом (распределение Максвелла — Больцмана). В 1875 году, после появления работы Яна Дидерика Ван-дер-Ваальса, он доказал, что на кривой перехода между газообразным и жидким состояниями прямая, соответствующая переходной области, отсекает равные площади (правило Максвелла). В последние годы Максвелл уделял много внимания работам Уилларда Гиббса, развивавшего геометрические методы в приложении к термодинамике. Эти методы были взяты Максвеллом на вооружение при подготовке переизданий «Теории теплоты» и всячески пропагандировались в статьях и выступлениях. На их основе он дал правильное истолкование понятия энтропии (и даже приблизился к её трактовке как свойства, зависящего от знаний о системе) и получил четыре термодинамических соотношения (так называемые соотношения Максвелла). Он изготовил несколько моделей термодинамических поверхностей, одну из которых послал Гиббсу. В 1879 году вышли две последние работы Максвелла по молекулярной физике. В первой из них были даны основы теории неоднородных разрежённых газов. Он также рассмотрел взаимодействие газа с поверхностью твёрдого тела в связи с тепловым действием света в радиометре, изобретённом Уильямом Круксом (первоначально предполагалось, что этот прибор фиксирует давление света). Во второй статье, «О теореме Больцмана о среднем распределении энергии в системе материальных точек» (On Boltzmann’s theorem on the average distributionof energy in a system of material points), Максвелл ввёл использующиеся поныне термины «фаза системы» (для совокупности координат и импульсов) и «степень свободы молекулы», фактически высказал эргодическую гипотезу для механических систем с постоянной энергией, рассмотрел распределение газа под действием центробежных сил, то есть заложил основы теории центрифугирования. Эта работа стала важным этапом на пути создания статистической механики, развитой впоследствии в работах Гиббса.
Арка на входе в Кавендишскую лабораторию
Последние годы жизни
В Кембридже Максвелл выполнял различные административные обязанности, являлся членом совета сената университета, был членом комиссии по реформе математического экзамена и одним из организаторов нового, естественнонаучного экзамена, избирался президентом Кембриджского философского общества (1876—1877). В это время появились первые его ученики — Джордж Кристал (англ. George Chrystal), Ричард Глэйзбрук (Максвелл исследовал совместно с ним распространение волн в двухосных кристаллах), Артур Шустер, Амброз Флеминг, Джон Генри Пойнтинг. Как правило, Максвелл оставлял выбор темы исследований на усмотрение учеников, но при необходимости был готов дать полезный совет. Сотрудники отмечали его простоту, сосредоточенность на своих исследованиях, способность глубоко проникать в суть проблемы, проницательность, восприимчивость к критике, отсутствие стремления к славе, но в то же время способность к утончённому сарказму.
Болезнь и смерть
Первые симптомы болезни появились у Максвелла ещё в начале 1877 года. Постепенно у него затруднялось дыхание, стало трудно проглатывать пищу, появились боли. Весной 1879 года он с трудом читал лекции, быстро уставал. В июне вместе с женой он вернулся в Гленлэр, его состояние постоянно ухудшалось. Врачи определили диагноз — рак брюшной полости. В начале октября окончательно ослабевший Максвелл вернулся в Кембридж под присмотр известного доктора Джеймса Паджета. Вскоре, 5 ноября 1879 года, учёный скончался. Гроб с телом Максвелла был перевезён в его имение, он был похоронен рядом с родителями на маленьком кладбище в деревне Партон (Parton).
Значение работ Максвелла в истории науки
Хотя вклад Максвелла в развитие физики (особенно электродинамики) не был оценён должным образом при его жизни, в последующие годы росло осознание истинного места его трудов в истории науки. Многие крупные учёные отмечали это в своих оценках. Так, Макс Планк обратил внимание на универсализм Максвелла как учёного:
«Великие мысли Максвелла не были случайностью: они, естественно, вытекали из богатства его гения; лучше всего это доказывается тем обстоятельством, что он был первооткрывателем в самых разнообразных отраслях физики, и во всех её разделах он был знатоком и учителем.»
Однако, по мнению Планка, именно работы Максвелла по электромагнетизму являются вершиной его творчества:
«…в учении об электричестве его гений предстаёт перед нами в своём полном величии. Именно в этой области после многолетней тихой исследовательской работы на долю Максвелла выпал такой успех, который мы должны причислить к наиболее удивительным деяниям человеческого духа. Ему удалось выманить у природы в результате одного лишь чистого мышления такие тайны, которые лишь спустя целое поколение и лишь частично удалось показать в остроумных и трудоёмких опытах.»
Как отметил Рудольф Пайерлс, работы Максвелла по теории электромагнитного поля способствовали принятию идеи о поле как таковом, которая нашла широкое применение в физике XX века:
«Хорошо, что после усвоения идей Максвелла физики привыкли к восприятию в качестве основного физического факта утверждения, что существует некоторое поле определённого рода в определённой точке пространства, так как уже давно нельзя было ограничиваться электромагнитным полем. Много других полей появилось в физике и, конечно, мы не желаем и не ожидаем объяснения их через модели разного типа.»
На важность концепции поля в творчестве Максвелла указывали в своей популярной книге «Эволюция физики» Альберт Эйнштейн и Леопольд Инфельд:
«Формулировка этих уравнений [то есть уравнений Максвелла] является самым важным событием со времени Ньютона не только вследствие ценности их содержания, но и потому, что они дают образец нового типа законов. Характерную особенность уравнений Максвелла, которая проявляется и во всех других уравнениях современной физики, можно выразить в одном предложении: уравнения Максвелла суть законы, выражающие структуру поля… Теоретическое открытие электромагнитной волны, распространяющейся со скоростью света, является одним из величайших достижений в истории науки.»
Эйнштейн также признал, что «теория относительности обязана своим возникновением уравнениям Максвелла для электромагнитного поля». Стоит также отметить, что теория Максвелла была первой калибровочно-инвариантной теорией. Она дала толчок дальнейшему развитию принципа калибровочной симметрии, который лежит в основе современной Стандартной модели. Наконец, заслуживают упоминания многочисленные практические приложения электродинамики Максвелла, дополненной концепцией максвелловского тензора напряжений (Maxwell stress tensor). Это расчёт и создание промышленных установок, и использование радиоволн, и современное численное моделирование электромагнитного поля в сложных системах.
Нильс Бор в своём выступлении на праздновании столетнего юбилея Максвелла указал, что развитие квантовой теории отнюдь не уменьшило значения достижений британского учёного:
«Развитие атомной теории, как известно, скоро вывело нас за пределы прямого и последовательного применения теории Максвелла. Однако я должен подчеркнуть, что именно возможность анализа явлений излучения благодаря электромагнитной теории света привела к признанию существенно новых особенностей в законах природы… И всё же при таком положении теория Максвелла продолжала оставаться ведущей теорией… Не следует забывать, что только классические идеи материальных частиц и электромагнитных волн имеют недвусмысленное поле применения, между тем как понятия фотона и электронных волн его не имеют… В самом деле, мы должны осознать, что недвусмысленное истолкование любого измерения должно быть по существу выражено в терминах классических теорий, и мы можем сказать, что в этом смысле язык Ньютона и Максвелла останется языком физиков на все времена.»
На момент смерти Максвелл был известен прежде всего благодаря вкладу в молекулярно-кинетическую теорию, в разработке которой был признанным лидером. Большое значение в развитии науки, помимо множества конкретных результатов в этой области, имела разработка Максвеллом статистических методов, приведших в итоге к развитию статистической механики. Сам термин «статистическая механика» был введён Максвеллом в 1878 году. Ярким примером понимания важности такого подхода является статистическое толкование второго начала термодинамики и парадокс «демона Максвелла», повлиявшие на формулировку уже в XX веке теории информации. Методы Максвелла в теории процессов переноса также нашли плодотворное развитие и применение в современной физике в работах Поля Ланжевена, Сидни Чепмена, Давида Энскога (David Enskog), Джона Леннард-Джонса и других.
Труды Максвелла по теории цветов заложили основы методов точного количественного определения цветов, получаемых в результате смешения. Эти результаты были использованы Международной комиссией по освещению при разработке цветовых диаграмм с учётом как спектральных характеристик цветов, так и уровня их насыщенности. Анализ устойчивости колец Сатурна, проведённый Максвеллом, и его работы по кинетической теории находят своё продолжение не только в современных подходах к описанию особенностей строения колец, многие из которых ещё не объяснены, но и в описании похожих астрофизических структур (например, аккреционных дисков). Более того, идеи Максвелла об устойчивости систем частиц нашли применение и развитие в совершенно иных областях — анализе динамики волн и заряженных частиц в кольцевых ускорителях, плазме, нелинейных оптических средах и так далее (системы уравнений Власова — Максвелла, Шрёдингера — Максвелла, Вигнера — Максвелла).
В качестве итоговой оценки вклада Максвелла в науку уместно привести слова лорда Рэлея (1890):
«Можно не сомневаться, что последующие поколения будут рассматривать как высшее достижение в этой области [то есть в области электромагнетизма] его электромагнитную теорию света, благодаря которой оптика становится разделом электричества. …лишь немного менее важным, если вообще менее важным, чем его труды по электричеству, было участие Максвелла в развитии динамической теории газов…»
Награды: Премия Смита ( Smith's Prize) (1854); Член Эдинбургского королевского общества (1856); Премия Адамса (Adams Prize) (1857); Медаль Румфорда (1860); Член Лондонского королевского общества (1861); Бейкеровская лекция (1866); Почётный доктор литературы Эдинбургского университета (1870); Иностранный член Американской академии искусств и наук (1874); Член Американского философского общества (1875); Член-корреспондент Гёттингенской академии наук (1875); Почётный доктор гражданского права Оксфордского университета (1876); Почётный член Нью-Йоркской академии наук (1876); Член Нидерландской королевской академии наук (1877); Иностранный член-корреспондент Венской академии наук (1877); Премия Вольта (Volta Prize) (1878); Почётный доктор физики Падуанского университета (1878).
Память: Имя Максвелла носит единица магнитного потока в системе СГС. Мост Максвелла — одна из разновидностей моста Уитстона для измерения индуктивности. Катушка Максвелла — катушка индуктивности постоянного магнитного поля большой силы. Поскольку детей у Максвелла не было, его жена Кэтрин Мэри, умирая, завещала почти всё состояние Кавендишской лаборатории. На эти деньги была основана стипендия Максвелла для лучших аспирантов, которую в своё время получали многие известные учёные, в том числе Пётр Капица. В 1961 году британский Институт физики учредил медаль и премию Максвелла для молодых учёных за выдающийся вклад в теоретическую, математическую или вычислительную физику. В Лондонском университете учреждён пост максвелловского профессора и студенческое общество имени Максвелла. В 1977 году был основан Фонд имени Максвелла (James Clerk Maxwell Foundation), проводящий на его родине конференции для физиков, математиков и инженеров. В честь Максвелла названы премии IEEE Maxwell Award, James Clerk Maxwell Prize in Plasma Physics, Максвелловская лекция. Скульптуры. В октябре 1931 года в Вестминстерском аббатстве были открыты мемориальные плиты в честь Майкла Фарадея и Джеймса Клерка Максвелла. В ознаменование столетия со дня назначения Максвелла профессором Маришаль-колледжа в картинной галерее Абердинского университета был установлен бюст учёного (скульптор Чарльз д’Орвилль Пилкингтон Джексон). 25 ноября 2008 года в Эдинбурге по улице George Street состоялось открытие бронзовой статуи Максвелла работы известного шотландского скульптора Александра Стоддарта. Астрономические объекты: ударный кратер на обратной стороне Луны; самый большой горный массив на планете Венера; щель Максвелла в кольцах Сатурна; крупнейший телескоп для работы в субмиллиметровом диапазоне — телескоп Джеймса Клерка Максвелла, находящийся на Гавайях. Здания: здание в Эдинбургском университете (James Clerk Maxwell Building), где находятся отделения физики, математики и метеорологии; здание в кампусе Ватерлоо лондонского Кингс-колледжа (James Clerk Maxwell Building); основное здание Сэлфордского университета и его концертный зал (Maxwell Building и Maxwell Hall). В 2006 году в Эдинбургской академии был открыт Центр Джеймса Клерка Максвелла (James Clerk Maxwell Centre). Улицы: одна из улиц вблизи Кавендишской лаборатории (James Clerk Maxwell Road); улица в Кинкорте, пригороде Абердина (Clerk Maxwell Crescent). В 2002 году Максвелл попал на 91-е место в опросе радиостанции BBC «100 величайших британцев», а в 2006 году его достижения оказались на 4-м месте по результатам публичного опроса телеканала BBC Scotland с целью определения десяти самых выдающихся событий в шотландской истории (стоит отметить, что эксперты-историки, приглашённые каналом, вообще о нём не вспомнили). Согласно опросу, проводившемуся Национальной библиотекой Шотландии в 2005—2006 годах, Максвелл был признан самым популярным шотландским учёным. В 2006 году в Шотландии и других странах мира широко отмечалась 175-я годовщина со дня рождения Максвелла. В честь Максвелла названа архитектура видеопроцессоров Nvidia 2014 года — микроархитектура Maxwell. В Москве ежегодно проходит олимпиада по физике «Максвелл».
Основные труды
Оригиналы: J. Clerk Maxwell. On the stability of the motion of Saturn's rings. — Cambridge, London: Macmillan and Co., 1859; J. Clerk Maxwell. Theory of heat. — London: Longmans, Green and Co., 1871; J. Clerk Maxwell. Introductory lecture on experimental physics. — London, 1871. J. Clerk Maxwell. A treatise on electricity and magnetism. — Oxford: Clarendon Press, 1873. — Т. 1; J. Clerk Maxwell. A treatise on electricity and magnetism. — Oxford: Clarendon Press, 1873. — Т. 2; J. Clerk Maxwell. Matter and motion. — London, 1873; J. Clerk Maxwell. An elementary treatise on electricity. — Oxford: Clarendon Press, 1881; J. Clerk Maxwell. The scientific papers. — Cambridge: University Press, 1890. — Т. 1; J. Clerk Maxwell. The scientific papers. — Cambridge: University Press, 1890. — Т. 2; The Scientific Letters and Papers of James Clerk Maxwell (1846—1862) / ed. P. M. Harman. — Cambridge: University Press, 1990. — Т. 1; The Scientific Letters and Papers of James Clerk Maxwell (1862—1873) / ed. P. M. Harman. — Cambridge: University Press, 1995. — Т. 2; The Scientific Letters and Papers of James Clerk Maxwell (1874—1879) / ed. P. M. Harman. — Cambridge: University Press, 2002. — Т. 3.
Переводы на русский язык: Дж.К.Максвелл. Теория теплоты. — Санкт-Петербург, 1888; Дж.К.Максвелл. Электричество в элементарной обработке. — Киев, 1886; Дж.К.Максвелл. Речи и статьи. — Москва-Ленинград, 1940; Дж.К.Максвелл. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. — Москва: ГИТТЛ, 1952. Сборник содержит переводы основных статей Максвелла — «О фарадеевых силовых линиях», «О физических силовых линиях», «Динамическая теория электромагнитного поля»; Дж.К.Максвелл. Статьи и речи. — Москва : Наука, 1968; Дж.К.Максвелл. Вступительная лекция, прочитанная Джеймсом Клерком Максвеллом в Лондонском Королевском колледже // УФН. — 1981. — Том 135, выпуск 11. — Страницы 371—380; Дж.К.Максвелл. Трактат об электричестве и магнетизме. — Москва : Наука, 1989. — Том 1; Дж.К.Максвелл. Трактат об электричестве и магнетизме. — Москва : Наука, 1989. — Том 2; Дж.К.Максвелл. Материя и движение. — Москва —Ижевск: РХД, 2001.
Литература: Бублейников Ф.Д.Джеймс Клерк Максвелл (1831—1879). — Москва: Знание, 1960. — 48 страниц. — (Всесоюзное общество по распространению политических и научных знаний ; 19. Серия 9, Физика и химия). — 24 500 экземпляров; В.П.Карцев. Максвелл. — Москва: Молодая гвардия, 1974. (Серия «Жизнь замечательных людей»); Статьи из приложения к сборнику: Дж.К.Максвелл. Статьи и речи. — Москва: Наука, 1968; У. Нивен. Жизнь и научная деятельность Дж.К.Максвелла (краткий очерк 1890 года) // Дж.К.Максвелл. Материя и движение. — Москва—Ижевск: РХД, 2001. — Страницы 14—39; К. Коулсон. Межатомные силы — от Максвелла до Шрёдингера // УФН. — 1963. — Том 81, выпуск 11. — Страницы 545—556; И.С.Шапиро. К истории открытия уравнений Максвелла // УФН. — 1972. — Том 108, выпуск 10. — Страницы 319—333; Р.П.Поплавский. Демон Максвелла и соотношения между информацией и энтропией // УФН. — 1979. — Том 128, выпуск 5. — Страницы 165—176; Статьи из номера журнала УФН, посвящённого 150-летию со дня рождения Максвелла: М.А.Ельяшевич, Т.С.Протько. Вклад Максвелла в развитие молекулярной физики и статистических методов // УФН. — 1981. — Том 135, выпуск 11. — Страницы 381—423; М.Л.Левин, М.А.Миллер. Максвелловский «Трактат об электричестве и магнетизме» // УФН. — 1981. — Том 135, выпуск 11. — Страницы 425—440; Храмов Ю.А.Максвелл Джеймс Клерк (Maxwell James Clerk) // Физики: Биографический справочник / Под редакцией А.И.Ахиезера. — Издание 2-е, исправленное и дополненное. — Москва: Наука, 1983. — Страницы 175—176. — 400 страниц — 200 000 экземпляров (в переплёте); Э.Уиттекер. История теории эфира и электричества. — Москва — Ижевск: РХД, 2001; Специальный выпуск, посвящённый 150-летию назначения Максвелла на пост в Абердине // Philosophical Transactions of the Royal Society A. — 2008. — Vol. 366, № 1871; L. Campbell, W. Garnett. The Life of James Clerk Maxwell. — London: Macmillan & Co., 1882; P. M. Harman. The natural philosophy of James Clerk Maxwell. — Cambridge: University Press, 2001.
Читать далее...
