Джэймс Максвел

Джэ́ймс Клерк Ма́ксвел (; ,  — , ) — брытанскі фізік, матэматык і механік. Шатландзец па паходжанні. Член Лонданскага каралеўскага таварыства (1861). Максвел заклаў асновы сучаснай класічнай электрадынамікі (ураўненні Максвела), увёў у фізіку паняцці току зрушэння і электрамагнітнага поля, атрымаў шэраг следстваў з сваёй тэорыі (прадказанне электрамагнітных хваль, электрамагнітная прырода святла, ціск святла і іншыя). Адзін з заснавальнікаў кінетычнай тэорыі газаў (усталяваў размеркаванне малекул газу па скарасцях). Адным з першых увёў у фізіку статыстычныя прадстаўлення, паказаў статыстычную прыроду другога пачатку тэрмадынамікі («дэман Максвела»), атрымаў шэраг важных вынікаў у малекулярнай фізіцы і тэрмадынаміцы (тэрмадынамічныя суадносін Максвела, правіла Максвела для фазавага пераходу вадкасць-газ і іншыя). Піянер колькаснай тэорыі колераў; аўтар трохкаляровыя прынцыпу каляровай фатаграфіі. Сярод іншых работ Максвела — даследаванні па механіцы (тэарэма Максвела ў тэорыі пругкасці, працы ў галіне тэорыі ўстойлівасці руху, аналіз ўстойлівасці кольцаў Сатурна), оптыцы, матэматыцы. Ён падрыхтаваў да публікацыі рукапісы работ Генры Кавендыша, шмат увагі надаваў папулярызацыі навукі, сканструяваў шэраг навуковых прыбораў.

 Агляд жыцця і творчасці 

 Паходжанне і юнацкасць. Першая навуковая праца (1831—1847) 
Джэймс Клерк Максвел прыналежаў да старажытнага шатландскага роду Клеркаў з . Яго бацька, Джон Клерк Максвел, быў уладальнікам фамільнага маёнтка Міддлбі ў Паўднёвай Шатландыі (другое прозвішча Максвел адлюстроўвае менавіта гэты факт). Ён скончыў Эдынбургскі ўніверсітэт і быў членам адвакацкай калегіі, але не меў прыхільнасці да юрыспрудэнцыі, захапляючыся ў свабодны час навукай і тэхнікай (ён нават апублікаваў некалькі артыкулаў ужытковага характару) і рэгулярна наведваючы ў якасці гледача пасяджэнні Эдынбургскага каралеўскага таварыства. У 1826 годзе ён жаніўся з Фрэнсіс Кэй (Frances Cay), дачкой суддзі Адміралцейскага суда, якая праз пяць гадоў нарадзіла яму сына.

Неўзабаве пасля нараджэння сына сям'я пераехала з Эдынбурга ў свой закінуты маёнтак Міддлбі, дзе быў пабудаваны новы дом, што атрымаў назву Гленлэр (Glenlair, то бок «бярлог у вузкай лагчыне»). Тут Джэймс Клерк Максвел правёў свае дзіцячыя гады, апанураныя ранняй смерцю маці ад раку. Жыццё на прыродзе зрабіла яго цягавітым і цікаўным. З ранняга дзяцінства ён выяўляў цікавасць да навакольнага свету, быў аточаны рознымі «навуковымі цацкамі» (прыкладам, «магічным дыскам» — папярэднікам кінематографа У 1861 годзе Максвел стварыў удасканалены варыянт гэтай прылады, які захоўваецца ў Кавендышскай лабараторыі., мадэллю нябеснай сферы, ваўчком-«д’яблам» і інш.), многае запазычыў з зносін са сваім бацькам, захапляўся паэзіяй і здзейсніў першыя ўласныя паэтычныя спробы. Толькі ў дзесяцігадовым узросце ў яго з'явіўся спецыяльна наняты хатні настаўнік, аднак такое навучанне аказалася неэфектыўным, і ў лістападзе 1841 года Максвел пераехаў да сваёй цёткі Ізабелы, сястры бацькі, у Эдынбург. Тут ён паступіў у новую школу — так званую , дзе робяць упор на класічную адукацыю — вывучэнне лацінскай, грэчаскай і англійскай моў, рымскай літаратуры і Святога Пісання.


Спачатку навучанне не прыцягвала Максвела, аднак паступова ён адчуў да яе густ і стаў лепшым вучнем класа. Тым часам ён захапіўся геаметрыяй, рабіў з кардону шматграннікі. Яго разуменне прыгажосці геаметрычных выяў узрасло пасля лекцыі мастака Дэвіда Рамзая Хея пра мастацтва этрускаў. Разважанні над гэтай тэмай прывялі Максвела да вынаходства спосабу малявання авалаў. Гэты метад, што ўзыходзіў да прац Рэнэ Дэкарта, складаўся ў выкарыстанні шпілек-фокусаў, нітак і алоўка, што дазваляла будаваць акружнасці (адзін фокус), эліпсы (два фокусы) і складанейшыя авальныя фігуры (большая колькасць фокусаў). Гэтыя вынікі былі дакладзены прафесарам Джэймсам Форбсам на пасяджэнні Эдынбургскага каралеўскага таварыства і потым апублікаваны ў яго «Працах». За час навучання ў акадэміі Максвел блізка сышоўся з аднакласнікам , пазней вядомым філолагам-класіцыстам і біёграфам Максвела, і будучым вядомым матэматыкам Пітэрам Гатры Тэтам, які вучыўся класам маладзей.

 Эдынбургскі ўніверсітэт. Фотапругкасць (1847—1850) 
У 1847 годзе тэрмін навучання ў акадэміі скончыўся, і ў лістападзе Максвел паступіў у Эдынбургскі ўніверсітэт, дзе слухаў лекцыі фізіка Форбса, матэматыка Філіпа Келанда, філосафа Уільяма Гамільтана; вывучаў шматлікія працы па матэматыцы, фізіцы, філасофіі, ставіў вопыты па оптыцы, хіміі, магнетызме. За час навучання Максвел падрыхтаваў артыкул пра крывыя качэння, аднак асноўную ўвагу ён надаваў вывучэнню механічных уласцівасцей матэрыялаў з дапамогай палярызаванага святла. Ідэя гэтага даследавання ўзыходзіць да яго знаёмства вясной 1847 года з вядомым шатландскім фізікам , які падарыў яму два палярызацыйныя прыборы сваёй канструкцыі (прызмы Ніколя). Максвел зразумеў, што палярызаванае выпраменьванне можна выкарыстоўваць для вызначэння ўнутраных высілкаў нагружаных цвёрдых цел. Ён рабіў мадэлі цел розных форм з жэлаціна і, падвяргаючы іх дэфармацыям, назіраў ў палярызаваным святле каляровыя карціны, адпавядалыя крывым напрамкаў сціску і расцяжэння. Параўноўваючы вынікі сваіх доследаў з тэарэтычнымі разлікамі, Максвел праверыў многія старыя і вывеў новыя заканамернасці тэорыі пругкасці, у тым ліку ў тых выпадках, якія былі занадта складаныя для разліку. Усяго ён вырашыў 14 задач аб высілках ўнутры полых цыліндраў, стрыжняў, круглых дыскаў, полых сфер, плоскіх трохвугольнікаў, зрабіўшы, такім чынам, значны ўклад у развіццё метаду фотапругкасці. Гэтыя вынікі таксама прадстаўлялі значную цікавасць для будаўнічай механікі. Максвел далажыў іх у 1850 годзе на адным з пасяджэнняў Эдынбургскага каралеўскага таварыства, што стала сведчаннем першага сур'ёзнага прызнання яго прац.

 Кембрыдж (1850-1856) 

 Вучоба ва ўніверсітэце 
У 1850 годзе, нягледзячы на жаданне бацькі пакінуць сына бліжэй да сябе, было вырашана, што Максвел адправіцца ў Кембрыджскі ўніверсітэт (усе яго сябры ўжо пакінулі Шатландыю для атрымання больш прэстыжнай адукацыі). Увосень ён прыбыў у Кембрыдж, дзе паступіў у самы танны каледж , атрымаўшы пакой у будынку самога каледжа. Аднак ён не быў задаволены вучэбнай праграмай Пітэрхауса, да таго ж не было практычна ніякіх шанцаў застацца ў каледжы пасля заканчэння навучання. Многія яго сваякі і знаёмыя, у тым ліку прафесара Джэймс Форбс і Уільям Томсан (будучы лорд Кельвін), раілі яму паступаць у Трыніці-каледж; тут жа вучыліся некаторыя яго шатландскія сябры. У выніку пасля першага семестра ў Пітэрхаусе Джэймс пераканаў бацьку ў неабходнасці пераводу ў Трыніці.


У 1852 годзе Максвел стаў стыпендыятам каледжа і атрымаў пакой непасрэдна ў яго будынку. У гэты час ён мала займаўся навуковай дзейнасцю, затое шмат чытаў, наведваў лекцыі Джорджа Стокса і семінары Уільяма Хопкінса, які рыхтаваў яго да здачы экзаменаў, заводзіў новых сяброў, пісаў дзеля забавы вершы (многія з іх былі пасля апублікаваныя Льюісам Кэмбэлам). Максвел прымаў актыўны ўдзел у інтэлектуальным жыцці ўніверсітэта. Ён быў абраны ў «клуб апосталаў», які аб'ядноўваў дванаццаць чалавек з самымі арыгінальнымі і глыбокімі ідэямі; там ён выступаў з дакладамі на самыя розныя тэмы. Зносіны з новымі людзьмі дазволіла яму кампенсаваць сарамлівасць і стрыманасць, якія выпрацаваліся ў яго за гады спакойнага жыцця на радзіме. Распарадак дня Джэймса таксама ўяўляўся незвычайным: з сямі раніцы да пяці вечара ён працаваў, потым клаўся спаць, ўставаў а палове дзесятай і прымаўся за чытанне, з двух да паловы трэцяй ночы ў якасці зарадкі бегаў па калідорах інтэрната, пасля чаго зноў спаў, ужо да самай раніцы.

Да гэтага часу канчаткова сфармаваліся яго філасофскія і рэлігійныя пагляды. Апошнія характарызаваліся значнай эклектычнасцю, што ўзыходзіла да гадоў яго дзяцінства, калі ён наведваў як прэсвітарыянскую царкву бацькі, гэтак і епіскапальную царкву цёткі Ізабелы. У Кембрыджы Максвел стаў прыхільнікам тэорыі хрысціянскага сацыялізму, якая развіваецца тэолагам Фрыдэрыкам Дэнісанам Морысам, ідэолагам «шырокай царквы» (broad church) і адным з заснавальнікаў Працоўнага коледжа (Working Men’s College). Лічачы галоўным спосабам дасканалення грамадства адукацыю і развіццё культуры, Джэймс браў удзел у працы гэтай установы, чытаў там па вечарах папулярныя лекцыі. Разам з тым, нягледзячы на безумоўную веру ў Бога, ён не быў занадта рэлігійны, неаднаразова атрымваючы папярэджанні за пропускі царкоўных служб. У лісце свайму сябру Льюісу Кэмпбелу, які рашыў абраць тэалагічную кар'еру, Максвел наступным чынам рангаваў навукі:

У кожнай вобласці ведаў прагрэс сумерны колькасці фактаў, на якіх яно пабудавана, і, такім чынам, злучаны з магчымасцю атрымання аб'ектыўных дадзеных. У матэматыцы гэта простае. <…> Хімія — далёка наперадзе ўсіх навук Прыродазнаўчай гісторыі; усе яны — наперадзе Медыцыны, Медыцына наперадзе Метафізікі, Заканазнаўства і Этыкі; і ўсе яны наперадзе Тэалогіі. …я лічу, што больш прыземленыя і матэрыяльныя навукі зусім не могуць быць пагарджаны ў параўнанні з узнёслым вывучэннем Розуму і Духу.

У іншым сваім лісце ён так сфармуляваў прынцып сваёй навуковай працы і жыцця зусім:

Вось мой вялікі план, які задуманы ўжо даўно, і які то памірае, то вяртаецца да жыцця і паступова робіцца ўсё больш дакучлівым… Асноўнае правіла гэтага плана — упарта не пакідаць нічога невывучаным. Нішто не павінна быць «святой зямлёй», святой Непарушнай Праўдай, пазітыўнай ці негатыўнай.

У студзені 1854 года Максвел здаў выніковы трохступеністы экзамен па матэматыцы (Mathematical Tripos) і, заняўшы другое месца ў спісе студэнтаў (Second Wrangler), атрымаў ступень бакалаўра. У наступным выпрабаванні — пісьмовым матэматычным даследаванні на спашуканне традыцыйнай прэміі Сміта — ён вырашыў заданне, прапанаванае Стоксам, якое тычыла довады тэарэмы, якая цяпер завецца тэарэмай Стокса. Па выніках гэтага выпрабавання ён падзяліў прэмію са сваім аднакурснікам Эдвардам Раусам.

 Тэорыя колераў 
Пасля здачы экзамену Максвел вырашыў застацца ў Кембрыджы для падрыхтоўкі да прафесарскага звання. Ён займаўся з вучнямі, прымаў экзамены ў Чэлтэнхем-коледжы, заводзіў новых сяброў, працягваў супрацоўнічаць з Рабочым коледжам, па прапанове рэдактара Макмілана пачаў пісаць кнігу па оптыцы (яна гэтак і не была скончана), а ў свабодны час наведваў у Гленлэры бацьку, здароўе якога рэзка пагоршылася. Да гэтага ж часу ставіцца жартоўнае эксперыментальнае даследаванне па «катавярчэнні», якое ўвайшло ў кембрыджскі фальклор: яго мэтай было вызначэнне мінімальнай вышыні, падаючы з якой, котка ўстае на чатыры лапы.

Аднак галоўнай навуковай цікавасцю Максвела тым часам была праца па тэорыі колераў. Яна бярэ пачатак у творчасці Ісаака Ньютана, які прытрымліваўся ідэі пра сем асноўных колераў. Максвел выступіў як прадаўжальнік тэорыі Томаса Юнга, які высунуў ідэю трох асноўных колераў і звязаў іх з фізіялагічнымі працэсамі ў арганізме чалавека. Важную інфармацыю ўтрымвалі сведчанні хворых колеравай слепатой, ці дальтанізмам. У эксперыментах па змешванні колераў, што шмат у чым незалежна паўтаралі доследы Германа Гельмгольца, Максвел ужыў «колеравы турок», дыск якога быў падзелены на афарбаваныя ў розныя колеры сектары, а таксама «колеравую скрыню», распрацаваную ім самім аптычную сістэму, што дазваляла змешваць эталонныя колеры. Падобныя прылады выкарыстоўваліся і раней, аднак толькі Максвел пачаў атрымваць з іх дапамогай колькасныя вынікі і даволі дакладна прадказваць ўзнікаючыя ў выніку змешвання колеры. Так, ён прадэманстраваў, што змешванне сіняга і жоўтага колераў дае не зялёны, як часта меркавалі, а ружаватае адценне. Доследы Максвела паказалі, што белы колер не можа быць атрыманы змешваннем сіняга, чырвонага і жоўтага, як меркавалі Дэвід Брустэр і некаторыя іншыя навукоўцы, а асноўнымі колерамі з'яўляюцца чырвоны, зялёны і сіні. Для графічнага ўяўлення колераў Максвел, як і Юнг, выкарыстоўваў трохвугольнік, пункты ўсярэдзіне якога пазначаюць вынік змешвання асноўных колераў, размешчаных у вяршынях фігуры.

 Першая праца па электрычнасці 
Да гадоў працы ў Кембрыджы ставіцца і першая сур'ёзная цікавасць Максвела да праблемы электрычнасці. Неўзабаве пасля здачы экзамену, у лютым 1854 года, ён звярнуўся да Уільяма Томсана з просьбай парэкамендаваць літаратуру па гэтай тэматыцы і парадак яе чытання. У той час, калі Максвел прыступіў да даследавання электрычнасці і магнетызму, існавалі два пагляды на прыроду электрычных і магнітных эфектаў. Большасць кантынентальных навукоўцаў, такіх як Андрэ Мары Ампер, Франц Нейман і Вільгельм Вебер, прытрымлівася канцэпцыі далёкадзеяння, разглядаючы электрамагнітныя сілы як аналог гравітацыйнага прыцягнення паміж дзвюма масамі, якія імгненна ўзаемадзейнічаюць на адлегласці. Электрадынаміка, развітая гэтымі фізікамі, уяўляла сабою аформіленую і строгую навуку. З іншага боку, Майкл Фарадэй, першаадкрывальнік з'явы электрамагнітнай індукцыі, высунуў ідэю сілавых ліній, якія злучаюць станоўчы і адмоўны электрычныя зарады або паўночны і паўднёвы полюсы магніта. Згодна з Фарадэем, сілавыя лініі запаўняюць ўсё навакольную прастору, фарміруючы поле, і абумоўліваюць электрычныя і магнітныя ўзаемадзеяння. Максвел не мог прыняць канцэпцыю дзеяння на адлегласці, яна супярэчыла яго фізічнай інтуіцыі, таму неўзабаве ён перайшоў на пазіцыі Фарадэя:

Калі мы назіраем, што адно цела дзейнічае на іншае на адлегласці, то, перш чым прыняць, што гэта дзеянне прамое і непасрэднае, мы звычайна даследуем, ці няма паміж целамі якой-небудзь матэрыяльнай сувязі… Каму ўласцівасці паветра не знаёмыя, таму перадача сілы з дапамогай гэтай нябачнай асяроддзя будзе здавацца гэтак жа незразумелай, як і любы іншы прыклад дзеянні на адлегласці… Не варта глядзець на гэтыя [сілавыя] лініі як на чыста матэматычныя абстракцыі. Гэта кірункі, у які сярод адчувае напружанне, падобнае нацяжэнню вяроўкі…

Перад Максвелам устала пытанне пабудовы матэматычнай тэорыі, якая ўлучала б як фарадэееўскія ўяўленні, гэтак і слушныя вынікі, атрыманыя прыхільнікамі далёкадзеяння. Максвел вырашыў скарыстацца метадам аналогій, паспяхова ўжытым Уільямам Томсанам, які яшчэ ў 1842 годзе прымеціў аналогію паміж электрычным узаемадзеяннем і працэсамі цеплаперадачы ў цвёрдым целе. Гэта дазволіла яму дастасаваць да электрычнасці вынікі, атрыманыя для цеплыні, і даць першае матэматычнае абгрунтаванне працэсам перадачы электрычнага дзеяння з дапамогай некаторага асяроддзя. У 1846 годзе Томсан вывучыў аналогію паміж электрычнасцю і пругкасцю. Максвел скарыстаўся іншай аналогіяй: ён распрацаваў гідрадынамічную мадэль сілавых ліній, зраўнаўшы іх трубкам з ідэальнай несціскальнай вадкасцю (вектары магнітнай і электрычнай індукцый аналагічныя вектару хуткасці вадкасці), і ўпершыню выказаў заканамернасці палявой карціны Фарадэя на матэматычнай мове (дыферэнцыяльныя ўраўненні). Па вобразным выразе Роберта Мілікена, Максвел «увасобіў па-плебейску аголенае цела фарадэееўскіх уяўленняў у арыстакратычныя адзенні матэматыкі». Аднак выкрыць сувязь паміж зарадамі ў стане спакою і «рухомай электрычнасцю» (токамі), адсутнасць якой, мабыць, была адной з асноўных яго матывацый у працы, яму ў той час не ўдалося.

У верасні 1855 года Максвел наведаў кангрэс Брытанскай асацыяцыі (British Science Association) у Глазга, заехаўшы па шляху наведаць хворага бацьку, а па вяртанні ў Кембрыдж з поспехам здаў экзамен на права стаць членам савета коледжа (гэта мела на ўвазе аброк бясшлюбнасці). У новым семестры Максвел пачаў чытаць лекцыі па гідрастатыцы і оптыцы. Узімку 1856 года ён вярнуўся ў Шатландыю, перавёз бацьку ў Эдынбург і ў лютым вярнуўся ў Англію. Тым часам ён даведаўся пра з’яўленне вакансіі прафесара натуральнай філасофіі Марышаль-коледжа (Marischal College) у Абердыне і вырашыў паспрабаваць атрымаць гэта месца, спадзеючыся быць бліжэй да бацькі і не бачачы ясных перспектыў у Кембрыджы. У сакавіку Максвел адвёз бацьку назад у Гленлэр, дзе таму, здавалася, стала лепш, аднак 2 красавіка бацька сканаў. Пад канец красавіка Максвел атрымаў прызначэнне на пост прафесара ў Абердыне і, правядучы лета ў радавым маёнтку, у кастрычніку прыбыў на новае месца працы.

 Абердын (1856—1860) 

 Выкладніцкая праца. Жаніцьба 
З першых дзён свайго знаходжання ў Абердыне Максвел прыступіў да наладжвання выкладання на кафедры натуральнай філасофіі, якая была ў закінутым стане. Ён шукаў дакладную методыку навучання, спрабаваў прызвычаіць студэнтаў да навуковай працы, аднак не вельмі атрымаў поспех у гэтым. Яго лекцыі, закрашаныя гумарам і гульнёй слоў, часта дакраналіся гэтак складаных рэчаў, што гэта шмат каго адпуджвала Тым не менш, яго клас быў адным з самых наведвальных, гл.: . Яны адрозніваліся ад прынятага раней узору меншым упорам на папулярнасць выкладу і шырату тэматыкі, больш сціплай колькасцю дэманстрацый і вялікай увагай, якое надавалася матэматычнаму боку справы. Больш за тое, Максвел адным з першых стаў прыцягваць студэнтаў да практычных заняткаў, а таксама арганізаваў для студэнтаў апошняга года дадатковыя заняткі за рамкамі стандартнага курса.

 Асноўныя працы 














 Крыніцы 

 Літаратура 
  (Серия «Жизнь замечательных людей»)
 Артыкулы з дадатку да складанкі: 




 Артыкулы з нумара часопіса УФН, прысвечанага 150-годдзю з дня нараджэння Максвела:






 Максвел //  С. 543—544.

 Спасылкі 








Катэгорыя:Фізікі Вялікабрытаніі
Катэгорыя:Вікіпедыя:Істотныя артыкулы