Джеймс Максвелл
Біографія
ЗмістЕдинбург. 1831-1850 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 3
Дитинство і шкільні роки
Перше відкриття
Единбурзький університет ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .4
Оптико-механічні дослідження
Кембридж. 1850-1856 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 5
Заняття електрикою
Абердін. 1856-1860 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 7 Трактат про кільця Сатурна
Лондон - Гленлейр. 1860-1871 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .9
Перша кольорова фотографія
Теорія ймовірностей
Механічна модель Максвелла
Електромагнітні хвилі і електромагнітна теорія світла
Кембридж 1871-1879 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 11
Кавендішської лабораторія
Світове визнання
Список використаної літератури ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 13
Единбург. 1831-1850
Дитинство і шкільні роки
13 червня 1831р. в Единбурзі в будинку номер 14 по вулиці Індії Франсез Кей, дочка единбурзького судді, після заміжжя - місіс Клерк Максвелл, народила сина Джеймса. У цей день у всьому світі не відбулося нічого скільки-небудь значного, ще не здійснилося головна подія 1831 року. Але вже одинадцять років геніальний Фарадей намагається осягнути таємниці електромагнетизму, і лише зараз, влітку 1831 року, він напав на слід вислизає електромагнітної індукції, і Джеймсу буде всього лише чотири місяці, коли Фарадей підіб'є підсумок своєму експерименту «з отримання електрики з магнетизму». І тим самим відкриє нову епоху - епоху електрики. Епоху, для якої має бути жити й творити маленькому Джеймсу, нащадку славних родів шотландських Клерків і Максвелл.Батько Джеймса, Джон Клерк Максвелл, адвокат за професією, ненавидів юриспруденцію і годував неприязнь, як він сам говорив, до «брудних адвокатським справами». Як тільки траплялася можливість, Джон припиняв нескінченне човгання по мармурових вестибюлям Единбурзького суду і присвячував себе науковим експериментам, якими він мимохідь, по-аматорськи займався. Він був дилетантом, усвідомлював це і важко переживав. Джон був закоханий в науку, у вчених, у людей практичної кмітливості, в свого вченого діда Джорджа. Саме досліди сконструювати повітродувні міхи, які проводилися спільно з братом Франсез Кей, звели його з майбутньою дружиною; весілля відбулася 4 жовтня 1826 року. Повітродувні міхи так ніколи і не запрацювали, зате на світ з'явився син Джеймс.
Коли Джеймсу було вісім, померла його мати, і він залишився жити з батьком. Його дитинство заповнено природою, спілкуванням з батьком, книгами, розповідями про рідних, «науковими іграшками», першими «відкриттями». Рідних Джеймса непокоїло те, що він не отримує систематичної освіти: випадкове читання всього того, що є в будинку, уроки астрономії на ганку будинку і у вітальні, де Джеймс разом з батьком збудував «небесний глобус». Після невдалої спроби навчання у приватного викладача, від якого Джеймс часто збігав до більш захоплюючим заняттям, було вирішено відправити його вчитися в Единбург.
Незважаючи на домашню освіту, Джеймс задовольняв високим вимогам Единбурзької академії і був зарахований туди у листопаді 1841 року. Його успіхи в класі були далеко не блискучі. Він легко міг би виконувати завдання краще, але дух змагання в малоприємних заняттях був для нього глибоко чужим. Після першого ж шкільного дня він не зійшовся з однокласниками, і, тому, більше всього на світі Джеймс любив бувати один і розглядати навколишні предмети. Одним з найяскравіших подій, безсумнівно, скрасити похмурі шкільні дні, було відвідування разом з батьком Единбурзького королівського товариства, де були виставлені перші «електромагнетіческіе машини».
Единбурзького королівського суспільство змінило життя Джеймса: саме там він отримав перші поняття про піраміду, кубі, інших правильних багатогранників. Досконалість симетрії, закономірні перетворення геометричних тіл змінили поняття Джеймса про вчення - він побачив у вченні зерно краси і досконалості. Коли прийшов час іспитів, учні академії здивувалися - «дурило», як вони називали Максвелла, став одним з перших.
Перше відкриття
Якщо раніше батько зрідка брав Джеймса на своє улюблене розвага - засідання Единбурзького королівського товариства, то тепер відвідування цього товариства, а також Единбурзького товариства мистецтв разом з Джеймсом стали для нього регулярними й обов'язковими. У засіданнях Товариства мистецтв найвідомішим, збирає юрби людей лектором був містер Д. Р. Хей, художник-декоратор. Саме його лекції наштовхнули Джеймса на його перше серйозне відкриття - простий інструмент для малювання овалів. Джеймс знайшов оригінальний і в теж час дуже простий спосіб, а головне, абсолютно новий. Принцип свого методу він описав у коротенькій «статті», яка була прочитана в Единбурзькому королівському товаристві - честь, якої домагалися багато, а удостоївся чотирнадцятирічний школяр.Единбурзький університет
Оптико-механічні дослідження
У 1847 році навчання в Единбурзької академії закінчується, Джеймс - один з перших, забуті образи і переживання перших років.Після закінчення академії Джеймс надходить до Единбурзького університету. У цей же час він серйозно починає цікавитися оптичними дослідженнями. Твердження Брюстера наштовхнули Джеймса на думку, що вивчення шляху променів можна використовувати для визначення пружності середовища в різних напрямках, для виявлення напружень в прозорих матеріалах. Таким чином,
Рис.1 картина напружень в стеляться трикутнику, отримана Джеймсом за допомогою поляризованого світла.
дослідження механічних напружень можна звести до оптичного дослідженню. Два промені, які розділились у напруженому прозорому матеріалі, будуть взаємодіяти, народжуючи характерні барвисті картини. Джеймс показав, що кольорові картини носять цілком закономірний характер і можуть бути використані для розрахунків, для перевірки виведених раніше формул, для виведення нових. Виявилося, що деякі формули невірні, або неточні, або потребують поправок.
Більш того, Джеймсу вдалося розкрити закономірності в тих випадках, де раніше не вдавалося нічого зробити з-за математичних труднощів. Прозорий і навантажений трикутник з неотпущенного скла (рис.1) дав Джеймсу можливість дослідити напруги і в цьому, неподдавашемся розрахунку випадку.
Дев'ятнадцятирічний Джеймс Клерк Максвелл вперше піднявся на трибуну Единбурзького королівського товариства. Його доповідь не міг залишитися непоміченим: занадто багато нового й оригінального містив він.
1850-1856 Кембридж
Заняття електрикою
Тепер уже ніхто не ставив під сумнів обдарованість Джеймса. Він явно переріс вже Единбурзький університет і, тому, восени 1850 року вступив в Кембридж. У січні 1854 року Джеймс закінчує з відзнакою університет зі степовою бакалавра. Він вирішує залишитися в Кембриджі для підготовки до професорського звання. Тепер, коли не потрібно готуватися до іспитів, він отримує довгоочікувану можливість витрачати весь свій час на експерименти, продовжує свої дослідження в області оптики. Особливо його цікавить питання про основні кольорах. Перша стаття Максвелла називалася «Теорія квітів у зв'язку з колірною сліпотою» і була навіть власне не статтею, а листом. Максвелл відправив його доктору Вільсону, а той вважав лист настільки цікавим, що подбав про його публікації: помістив його цілком у свою книгу, присвячену колірної сліпоти. І все ж Джеймса несвідомо тягнуть до себе таємниці більш глибокі, речі куди більш неочевидні, чим змішання квітів. Саме електрику в силу його інтригуючою незрозумілості, неминуче, рано чи пізно, мала залучити енергію його молодого розуму. Джеймс досить легко сприйняв фундаментальні принципи напруженого електрики. Вивчивши теорію дальнодії Ампера, він, незважаючи на її видиму незаперечність, дозволив собі в ній засумніватися. Теорія дальнодії здавалася безсумнівно справедливою, тому що підтверджувалася формальним схожістю законів, математичних виразів для, здавалося б, різних явищ - гравітаційного та електричної взаємодії. Але ця теорія більш математична, ніж фізична, не переконала Джеймса, він все більше схилявся до фарадеевскому сприйняттю дією через посередництво магнітних силових ліній, що заповнюють простір, до теорії блізкодействія.Намагаючись створити теорію, Максвелл вирішив використати для дослідження метод фізичних аналогій. Перш за все, потрібно було знайти правильну аналогію. Максвелл завжди захоплювався, тоді ще тільки поміченою, аналогією існує між питаннями тяжіння електрично заряджених тіл і питаннями усталеною теплопередачі. Це, а також фарадеевскіе ідеї блізкодействія, амперовское магнітне дію замкнутих провідників, Джеймс поступово вибудовував в нову теорію, несподівану і сміливу.
У Кембриджі Джеймса призначають читати важкі глави курсів гідростатики і оптики найбільш здібним студентам. Крім того, від електричних теорій його відволікає робота над книгою з оптики. Максвелл скоро приходить до висновку, що оптика більше не цікавить його, як раніше, а лише відволікає від вивчення електромагнітних явищ.
Продовжуючи шукати аналогію, Джеймс порівнює силові лінії з плином якоїсь нестисливої рідини. Теорія трубок з гідродинаміки дозволила замінити силові лінії силовими трубками, які легко пояснювали досвід Фарадея. У рамки теорії Максвелла легко і просто вкладалися поняття про опір, явища електростатики, магнітостатики та електричного струму. Але в цю теорію поки ніяк не вкладалося відкрите Фарадеєм явище електромагнітної індукції.
Джеймсу довелося на деякий час закинути свою теорію у зв'язку з погіршенням стану батька, який вимагав догляду. Коли ж після смерті батька Джеймс повернувся в Кембридж, він з-за віросповідання, не зміг отримати більш високу ступінь магістра. Тому в жовтні 1856 року Джеймс Максвелл заступає на кафедру в Абердіні.
Абердін 1856-1860
Трактат про кільця Сатурна
Саме в Абердіні була написана перша робота з електрики - стаття «Про фарадеевскіх лініях сили», яка призвела до обміну думками про електромагнітні явища з самим Фарадеєм.Коли Джеймс приступив до занять в Абердіні, у нього в голові вже дозріла нова задача, яку поки ніхто не міг вирішити, нове явище, яке підлягало поясненню. Це були сатурнова кільця. Визначити їх фізичну природу, визначити за мільйони кілометрів, без яких би то не було приладів, користуючись тільки папером і пером, - це було завдання як ніби для нього. Гіпотеза твердого жорсткого кільця відпала відразу. Рідке кільце розпалася б під впливом виникли б у ньому гігантських хвиль - і в результаті, на думку Джеймса Клерка Максвелла, навколо Сатурна швидше за все витає сонм дрібних супутників - «цегляних уламків», за його сприйняттю. За трактат, присвячений кільцям Сатурна, в 1857 році Джеймсу була присуджена премія Адамса, а сам він визнаний одним з найбільш авторитетних англійських фізиків-теоретиків.
Рис.2 Сатурн. Фотографія, зроблена за допомогою 36-дюймового рефрактора в Лікської обсерваторії.
Рис.3 Механічні моделі, що ілюструють рух кілець Сатурна. Малюнки з есе Максвелла «Про стабільність обертання кілець Сатурна»
Лондон - Гленлейр 1860-1871
Перша кольорова фотографія
У 1860 році починається новий етап в житті Максвелла. Він призначений на посаду професора кафедри натуральної філософії в Кінгс-коледж у Лондоні. Кінгс-коледж по оснащеності своїх фізичних лабораторій був попереду багатьох університетів світу. Тут Максвелл не просто в 1864-1865 роках читав курс прикладної фізики, тут він намагався організувати навчальний процес по-новому. Студенти вчилися в процесі експериментів. У Лондоні Джеймс Клерк Максвелл вперше скуштував плоди свого визнання в якості великого вченого. За дослідження по змішуванню кольорів і оптиці Королівське товариство нагородило Максвелла медаллю Румфорда. 17 травня 1861 Максвеллу була запропонована висока честь - прочитати лекцію перед Королівським інститутом. Тема лекції - «Про теорії трьох основних кольорів». На цій лекції, як доказ цієї теорії, світу вперше була продемонстрована кольорова фотографія!Теорія ймовірностей
В кінці абердинського періоду і на початку лондонського, у Максвелла з'явилося поряд з оптикою і електрикою нове захоплення - теорія газів. Працюючи над цією теорією, Максвелл вводить у фізику такі поняття як «ймовірно», «ця подія може статися з більшим ступенем імовірності».У фізиці відбулася революція, а багато слухачів доповідей Максвелла на щорічних зустрічах Британської асоціації цього навіть не помітили. З іншого боку Максвелл підійшов до кордонів механічного розуміння матерії. І переступив їх. Висновок Максвелла про панування у світі молекул законів теорії ймовірностей торкався самі фундаментальні основи світогляду. Заява про те, що в світі молекул «панує випадок», було по своїй сміливості одним з найбільших подвигів в науці.
Механічна модель Максвелла
Робота в Кінгс-коледжі вимагала вже куди більше часу, ніж в Абердіні, - лекційний курс тривав дев'ять місяців на рік. Тим не менш, в цей час тридцятирічний Джеймс Клерк Максвелл накидає план своєї майбутньої книги з електрики. Це зародок майбутнього «Трактату». Перші глави його він присвячує своїм попередникам: Ерстед, Амперу, Фарадею. Намагаючись пояснити Фарадеевскую теорію силових ліній, індукцію електричних струмів і Ерстедовскую теорію віхреобразний характеру магнітних явищ Максвелл створює свою механічну модель (мал. 5).Модель представляла собою ряди молекулярних вихорів, що обертаються в одному напрямку, між якими поміщений шар дрібних кулястих частинок, здатних до обертання. Незважаючи на свою громіздкість, модель пояснювала багато електромагнітні явища, в тому числі електромагнітну індукцію. Сенсаційність моделі була в тому, що вона пояснювала теорію про дію магнітного поля під прямим кутом по відношенню до напрямку струму, сформульовану Максвеллом («правило свердлика»).
Рис.4 Максвелл усуває взаємодія обертаються в одну сторону сусідніх вихорів А і В, вводячи між ними «холості шестерінки»
Рис.5 Механічна модель Максвелла для пояснення електромагнітних явищ.
Електромагнітні хвилі і електромагнітна теорія світла
Продовжуючи досліди з електромагнітами, Максвелл наблизився до теорії про те, що будь-які зміни електричної та магнітної сили посилають хвилі, що поширюються в просторі.Після серії статей «Про фізичні лініях» у Максвелла був уже, по суті справи, весь матеріал для побудови нової теорії електромагнетизму. Тепер вже для теорії електромагнітного поля. Чисто зникли шестерінки, вихори. Рівняння поля були для Максвелла нітрохи не менш реальні і відчутні, ніж результати лабораторних дослідів. Тепер і електромагнітна індукція Фарадея, і струм зміщення Максвелла виводилися не за допомогою механічних моделей, а за допомогою математичних операцій.
За Фарадею зміна магнітного поля призводить до появи електричного поля. Сплеск магнітного поля викликає сплеск електричного поля.
Сплеск електричної хвилі народжує сплеск хвилі магнітній, так вперше з-під пера тридцятитрирічного пророка з'явилися в 1864 році електромагнітні хвилі, але ще не в тому вигляді, в якому ми їх розуміємо зараз. Максвелл говорив у статті 1864 тільки про магнітні хвилях. Електромагнітна хвиля в повному сенсі цього слова, куди входять одночасно електричне і магнітне обурення, з'явилася у Максвелла пізніше, в його статті, в 1868 році.
В іншій статті Максвелла - «Динамічної теорії електромагнітного поля» - придбала чіткі обриси і доказовість намічена ще раніше електромагнітна теорія світла. На основі власних досліджень та досвіду інших вчених (і найбільшою мірою Фарадея) Максвелл робить висновок, що оптичні властивості середовища пов'язані з її електромагнітними властивостями, і світло являє собою не що інше, як електромагнітні хвилі.
У 1865 році Максвелл вирішує залишити Кінгс-коледж. Він поселяється у своєму родовому маєтку Гленмейр, де займається основними працями життя - «Теорії теплоти» і «Трактат про електрику і магнетизм». Їм присвячується весь час. Це були роки самітництва, роки повної відчуженості від суєти, служіння одній тільки науці, роки найбільш плідні, світлі, творчі. Тим не менш, Максвелла знову тягне працювати при університеті, і він приймає пропозицію, зроблену йому Кембриджським університетом.
Кембридж 1871-1879
Кавендішської лабораторія
У 1870 році герцог Девонширський заявив сенату університету про своє бажання побудувати й оснастити фізичну лабораторію. І очолити її повинен був учений зі світовим ім'ям. Цим ученим став Джеймс Клерк Максвелл. У 1871 році він починає роботу з оснащення знаменитої Кавендішської лабораторії. У ці роки нарешті видається його «Трактат про електрику і магнетизм». Більше тисячі сторінок, де Максвелл дає опис наукових дослідів, огляд всіх, до тих пір створених теорій електрики і магнетизму, а також «Основні рівняння електромагнітного поля». У цілому в Англії не прийняли основних ідей «Трактату», навіть друзі не зрозуміли його. Ідеї Максвелла підхопили молоді. Велике враження теорія Максвелла справила на російських вчених. Всім відома роль Умова, Столєтова, Лебедєва в розвитку і зміцненні Максвелловой теорії.16 червня 1874 - день урочистого відкриття Кавендішської лабораторії. Наступні роки ознаменувалися се зростаючим визнанням.
Світове визнання
У 1870 році Максвелл обраний почесним доктором літератури Единбурзького університету, в 1874 році - іноземним почесним членом Американської академії мистецтв і наук у Бостоні, в 1875 році - членом Американського філософського товариства у Філадельфії, а також стає почесним членом академій Нью-Йорка, Амстердама, Відня . Наступні п'ять років Максвелл займається редагуванням і підготовкою до видання двадцяти пакетів манускриптів Генрі Кавендіша.У 1877 році Максвелл відчув перші ознаки хвороби, а в травні 1879 року прочитав своїм студентам останню лекцію.
Список використаної літератури:
«Життя чудових людей»
Вл. Карцев «Максвелл»
Вид. Москва, «Молода гвардія», 1974р.