Владимир Карцев - Максвелл

• Название: Максвелл
• Автор: Владимир Карцев
• Издательство: Молодая гвардия
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 1976

Когда нескольких видных ученых попросили назвать, каковы, по их мнению, три величайших физика всех времен, мнения разделились, но ни один не забыл Максвелла.

И действительно, трудно переоценить значение работ этого поистине гениального человека, чьи исследования не только легли в основу современной радио- и телевизионной техники, но и стали краеугольным камнем современного понимания материи.

---

Максвелл, присутствовавший на демонстрации радиометра в Королевском обществе, был очень взволнован. Он описывает это событие в письме Вильяму Томсону следующим образом:

«...трехдюймовая свеча действует на внутренний диск так же быстро, как магнит действует на стрелку компаса. Нет времени для воздушных потоков, а сила гораздо больше веса всего воздуха, оставшегося в сосуде. Очень живое, сильное притяжение куском льда. Все это — в лучшем доступном вакууме...»

Как все это прекрасно согласуется со строками только что вышедшего его «Трактата»! Там было прямо сказано, что сконцентрированный свет электрической лампы, «падающий на тонкий металлический диск, деликатно подвешенный в вакууме, возможно, сможет произвести ощутимый механический эффект, доступный для наблюдения». Он высчитал даже, что давление солнечных лучей на перпендикулярно расположенную пластину будет в десять раз слабее горизонтальной составляющей магнитной силы в Англии. Разумеется, Максвелл был весьма подготовлен к положительному восприятию «радиационного» объяснения работы радиометра.

И поэтому, когда редакция «Философских трудов» прислала ему на рецензирование статью Крукса с таким объяснением действия радиометра, он написал на нее 24 февраля 1874 года положительную рецензию. Он, конечно, вполне согласен с тем, что «отталкивание от теплоизлучающего тела» ... «обязано своим происхождением излучению».

Но что-то все-таки мучит Максвелла, омрачает его радость, не дает полностью почувствовать вкус победы. И это — то, что эффект слишком уж велик, слишком уж показателен, он непохож на то слабенькое давление, которого ожидал Максвелл. Поэтому он пишет в рецензии на статью Крукса, что, хотя он и предсказал в своем «Трактате» «возможное отталкивающее действие излучения», «эффект, обнаруженный м-ром Круксом, как будто бы обнаруживает силы значительно большей величины». Максвелл рекомендовал статью к опубликованию.

В то лето над Европой видна была большая комета, и ее явное присутствие на небе, ее характерный вид с отогнутым от Солнца хвостом вызвал в английских научных салонах новый прилив разговоров о возможной причине отклонения хвоста кометы от Солнца: не вызвано ли это отклонение предсказанным Максвеллом давлением солнечных лучей?

Большие споры происходили и на. Скруп-Террас, II. И гости, и хозяин часто и подчас горячо поминали хвост кометы. Как-то один из гостей заметил, что любимый терьер Максвелла Тоби вертушкой вертится на одном месте, пытаясь ухватить себя за одноименный орган. Под всеобщий смех выяснилось, что Максвелл, не подозревая еще о грядущем появлении небесного тела, натаскал терьера по команде «хвост» гоняться за собственным хвостом. Во время бурных споров об отклонении кометного хвоста бедняге Тоби приходилось вертеться как белке в колесе. Да, бурные были споры, и Максвеллу скорее пришлось в них выступать против гипотезы об отклонении кометного хвоста за счет солнечного света, уже почти общепризнанной. Ему постепенно становилось ясно, что радиометр Крукса никак не подтверждал этой гипотезы. Эффект был слишком велик!

Вместе с Максвеллом, но совсем по другой причине, еще один человек противодействовал теории отклонения кометных хвостов за счет солнечных лучей. Это был резкий, тридцатидвухлетний манчестерский профессор со странными манерами и пренеприятной привычкой видеть за всеми действиями других исключительно корыстные мотивы. Это был Осборн Рейнольдс. Он был силен в прикладных, инженерных науках, но его познания в высокой физике были столь же невинны, как изощрены были познания Максвелла. Иногда знать меньше полезно, так как именно Рейнольдс предложил правильный ключ к решению проблемы радиометра.

Причина, по которой Максвелл противодействовал собственной теории, происходила от безбрежной широты и отдаленности горизонтов, где витала его мысль, от того, что не было для него в науке и природе «святых земель», которые не подлежали исследованию. Не было для него «плохих» фактов. Факты были хороши уже потому, что они таковыми являлись.

Рейнольдс, стоящий на более практической, приземленной точке зрения, работавший над проблемой осаждения пара из паровоздушных смесей на холодных поверхностях паровых машин, не верил в существование еще неизвестных сил и фактов. Он предположил, что действие радиометра вызывается все тем же: испарением с лопаток вертушки под действием тепла сконденсировавшейся на них смеси газов.

Как раз в это время вернулся из Сиама, где он наблюдал солнечное затмение, молодой сотрудник Рейнольдса Артур Шустер. Он свежим взглядом окинул проблему радиометра. Предложил поставить простой, но решающий эксперимент. Вызывается ли вращение вертушки радиометра внешними или внутренними причинами?

Установить это просто. Нужно проверить, не вращается ли одновременно с вращением вертушки и сам сосуд? Если да, и причем в другую сторону, то причина вращения — внутри, если нет — снаружи. Прозрачное стекло сосуда не должно было испытывать никакого механического действия излучения. Если причина в излучении, сосуд должен оставаться в покое. Поскольку Рейнольдс не захотел ставить такой эксперимент, Шустер провел его сам, подвесив сосуд на тонкой нити.

Как только к баллону подносили теплый предмет, вертушка начинала вращаться. Но и сосуд тоже начинал вращаться — только в другую сторону. Это можно было легко наблюдать по движению зайчика от зеркальца, прикрепленного к сосуду.

ПОСЛЕДНЯЯ СТАТЬЯ МАКСВЕЛЛА

Эксперимент Шустера был, конечно, сокрушительным: причина, как и предполагал Осборн Рейнольдс, находилась «внутри», а не «вне».

К тому времени выяснилось и еще одно обстоятельство. Тоже немалой значимости. Никто раньше не заметил этого. Все вертушки вертелись совсем не так, как они должны были бы вертеться под действием излучения — известного или таинственного! Любое излучение должно было бы больше давить на отполированную, светлую сторону крылышек вертушки, чем на зачерненную. А все вертушки крутились в обратном направлении!

Стало ясно, что тепло и свет вносили в сосуд радиометра не столько механический момент, сколько тепловую энергию. Ключ к разгадке, очевидно, заключался во взаимодействии разреженного газа с поверхностью крылышек, во взаимодействии, проистекающем из разности температур зачерненной и светлой сторон лопаточек.

Максвелл мало интересовался в то время проблемой радиометра. Но в 1877 году в Кавендишскую лабораторию перешел из Манчестера бывший коллега Рейнольдса Шустер. Он привез с собой четыре радиометра и описание своего сокрушительного эксперимента.

Интерес к радиометру повсеместно уже почти угас, когда к нему вернулся интерес Максвелла. Величайший авторитет в молекулярной теории, Максвелл стал решать в ее рамках и проблему радиометра: его интересовала величина силы, которая могла бы давить на крылышки радиометра за счет разницы температур на двух их поверхностях. Статья по этому вопросу была в первый раз отправлена в редакцию в 1877 году.

Статья, как это было положено, пошла на отзыв анонимному рецензенту.

Рецензия затем была передана секретарем Королевского общества Джорджем Габриэлем Стоксом Максвеллу перепечатанной на машинке, без подписи.

Но трудно было бы Максвеллу не узнать льва по столь хорошо ему знакомым когтям. Томсон был мгновенно узнан по литературному стилю и по сделанному автору статьи замечательно дельному предложению: рассматривать поверхность крылышек не абсолютно ровной, а содержащей выпуклости, впадины и иные несовершенства. Столкновение молекул газа с этими выступами давало необходимую для работы радиометра тангенциальную силу.

Работая в направлении, указанном рецензентом, Максвелл полностью переделал статью и уже «добил» теорию радиометра, когда к нему от Стокса попала на рецензию статья Осборна Рейнольдса, посвященная тому же вопросу. В ней содержалось все то же здоровое предложение рассматривать взаимодействие газа с поверхностью и воздвигнутая вокруг этого громоздкая теория, не позволяющая достаточно точно вычислить усилия, воздействующие на крылышки.

Но разумное в статье Рейнольдса присутствовало явно. Это разумное нужно было учесть. Сославшись, конечно, на Рейнольдса в своей статье.

«До того, как я познакомился со статьей профессора Рейнольдса, я не рассматривал физических условий на поверхностях, расположенных в газе, так что все, что я сделал здесь, — это распространил на поверхностные явления метод, который, мне кажется, лучше всего подходит для изучения внутренних условий в газе. Мне кажется, что этот метод в некоторых отношениях удачней метода, принятого профессором Рейнольдсом. Мы должны признать, что его метод вполне удовлетворителен для определения существования самого эффекта, но непригоден для его численной оценки».