Miguel Sabadell - Магнетизм высокого напряжения. Максвелл. Электромагнитный синтез

• Название: Магнетизм высокого напряжения. Максвелл. Электромагнитный синтез
• Автор: Miguel Sabadell
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Научпоп
• Год: 2015

Джеймс Клерк Максвелл был одним из самых блестящих умов XIX века. Его работы легли в основу двух революционных концепций следующего столетия — теории относительности и квантовой теории. Максвелл объединил электричество и магнетизм в коротком ряду элегантных уравнений, представляющих собой настоящую вершину физики всех времен на уровне достижений Галилея, Ньютона и Эйнштейна. Несмотря на всю революционность его идей, Максвелл, будучи очень религиозным человеком, всегда считал, что научное знание должно иметь некие пределы — пределы, которые, как ни парадоксально, он превзошел как никто другой.

---

Дружба с Льюисом положила конец изолированности Максвелла в школе, и через некоторое время он уже входил в группу учащихся, обладавших пытливым умом. Среди них был и Питер Гатри Тэт, который также в итоге стал его другом на всю жизнь.

Как обычно, летние каникулы Джеймс провел со своим отцом в Гленлэре. Там он катался на лошади, гулял по лугам и холмам, стрелял из лука, ходил на пикники, помогал отцу в делах фермы и работникам в сборе урожая... Единственное, что никогда ему не нравилось,— это охота: он не осуждал это занятие, но никогда не участвовал в нем, испытывая огромную симпатию ко всем животным. Перейдя на следующий курс, в 14 лет Максвелл начал посещать заседания Эдинбургского королевского общества.

Способ нарисовать эллипс с помощью карандаша, соединенного шнуром с двумя булавками.

ОВАЛЫ

Первый научный интерес Джеймс Клерк Максвелл проявил к математике: он разрабатывал метод черчения овалов с помощью булавок, нитей и карандаша. Мы все знаем: чтобы начертить круг, достаточно привязать нить к булавке, а к другому концу — карандаш. Если взять две булавки, соединенные свободно провисающей нитью, и пытаться нарисовать непрерывную линию вокруг обеих булавок, все время держа нить натянутой, получится эллипс (см. рисунок). Места, где находятся булавки, называются фокусами эллипса.

Если приблизить две булавки друг к другу, то начерченная кривая будет каждый раз все больше похожа на окружность — фигуру, которая появляется, когда обе булавки находятся на одном и том же месте. И напротив, при их постепенном разделении овальная форма каждый раз будет все более выраженной.

Максвелл в возраста около 12 лат.

Питер Гатри Тэт — шотландский физик, пионер термодинамики, одноклассник Максвелла в Эдинбургской академии. Их связывала крепкая дружба.

Снимок Гленлэра, сделанный до того, как ужасный пожар разрушил значительную часть дома в 1029 году. Там Максвелл жил с 1832 года до самой своей смерти в 1870 году.

Максвелл продолжил изучать способ вычерчивания кривых с двумя фокусами с помощью булавок, шнура и карандаша. Математическое развлечение привело его к написанию первой научной статьи, когда ему еще не исполнилось 15 лет. Узнав об этом, отец подростка решил послать статью своему другу Джеймсу Д. Форбсу, профессору натуральной философии Эдинбургского университета. Эта работа настолько увлекла профессора, что он рассказал о ней своему коллеге-математику Филипу Келланду, и они оба принялись искать в университетской библиотеке, не делал ли кто-то нечто подобное раньше. И нашли: Рене Декарт. Их удивление было огромным: французский философ, физик и математик изучал двухфокусные кривые, но метод черчения молодого Джеймса был проще, а его результаты — более общими. Джеймс сделал вывод, что можно получить целое семейство овалов, описываемых следующим уравнением: m·p + n·q = s, где m и n — два любых целых числа, р и q — расстояния от карандаша до булавок (фокусов овала), a s — длина шнура. В случае m = n - 1 получается уравнение эллипса. Максвелл не мог знать этого, но в последующие годы его открытие оказало очень сильное влияние на оптику и конструирование линз.

Форбс написал отцу Джеймса:

«Его [Келланда] мнение совпадает с моим в том, что статья Вашего сына очень содержательна и достойна похвалы. Мы считаем, что это новый метод построения многофокусных фигур. [...] Если он пожелает, я думаю, что простота и элегантность метода дает ему право быть представленным в Королевском обществе».

Таким образом, первая научная статья Джеймса Клерка Максвелла «К описанию овалов и многофокусных овальных кривых» 6 апреля 1846 года была прочитана перед членами Эдинбургского королевского общества самим Форбсом, поскольку он считал, что Джеймс был слишком молод для этого. Его отец записал в своем дневнике: «Овалы Джеймса были приняты с большим вниманием и всеобщим одобрением». Он не мог бы гордиться сыном еще больше.

ПОДГОТОВКА УМА

Библиотечные изыскания Форбса позволили Джеймсу познакомиться с впечатляющей математической работой Декарта. Именно тогда он принял решение, которое очень сильно повлияло на его научную карьеру: не предпринимать никакого исследования ни в одной области науки, не прочитав предварительно по данной теме работы всех предыдущих авторов. Максвелл также нашел небольшую ошибку в расчетах француза и усвоил, что даже самые лучшие ученые ошибаются. Это было не напрасно, поскольку он сам понял, что часто допускает неточности в расчетах.

Максвелл всегда спокойно относился к ошибкам в расчетах других ученых, но был абсолютно нетерпим к отсутствию честности и ясности по отношению к читателю. Он часто выражал глубокое недовольство физиком и математиком Симеоном Дени Пуассоном за то, что он «сказал неправду о способе изготовления барометров», а также физиком Андре-Мари Ампером за то, что тот опубликовал только свои лучшие эксперименты, демонстрировавшие взаимодействие между двумя электрическими проводами, когда по ним протекал электрический ток, и намеренно скрыл результаты (более грубые и менее ясные), благодаря которым открыл закон, носящий его имя.

УИЛЬЯМ ТОМСОН, ЛОРД КЕЛЬВИН

Уильям Томсон, родившийся в Белфасте в 1824 году, в десять лет уже был студентом университета Глазго. Он обладал более чем примечательной способностью находить практическое применение научным знаниям. Благодаря ей ему удалось скопить небольшое состояние, которое он после окончания Кембриджского университета растратил во время недолгого пребывания в Париже. Через некоторое время после подобной экономической «неудачи» Томсону предложили кафедру натуральной философии в университете Глазго. Ему тогда было 22 года, и он остался на ней до самой смерти, несмотря на многочисленные предложения, которые получал в дальнейшем. Томсон посвящал свое время двум занятиям: исследованиям и работе в тогда еще новой сфере телеграфной связи (что приносило неплохие деньги). Первенство Британии в международной связи и подводном телеграфе стало возможным благодаря работам Томсона над проблемами передачи сигналов на большое расстояние. Также он запатентовал телеграфный аппарат, который был выбран как официальный аппарат всех телеграфных офисов Британской империи.

Портрет Уильяма Томсона кисти Губерта фон Геркомера, хранящийся в Музее Глазго.

Основы термодинамики

Однажды в Оксфорде Томсон прослушал доклад молодого ученого по имени Джеймс Джоуль, в котором тот излагал результаты своих исследований природы тепла. Томсон не мог выбросить эти идеи из головы и впоследствии опубликовал статью «О динамической теории тепла». В данной работе он утверждал, что все процессы, в которых участвует тепло, могут быть объяснены, если признать существование двух фундаментальных законов. Один из них недавно сформулировал Джоуль — закон сохранения энергии. Другой, говорил он, показывает фундаментальную асимметрию природы: тепло спонтанно передается от теплого тела к холодному. Эти два закона — ключевые элементы термодинамики. Уильям Томсон, который получил титул барона Кельвина за свои заслуги и был председателем Лондонского королевского общества в течение пяти лет, скончался 17 декабря 1907 года в Ларгсе, Шотландия. Его состояние и достижения в области телеграфной связи оказались преданы забвению, остались только надгробная плита в Вестминстерском аббатстве и память о его интеллектуальном подвиге в науке.

Джеймс наслаждался двумя последними годами в школе, хотя в этот период перенес ряд болезней: несмотря на силу и атлетическое телосложение, он не обладал крепким здоровьем. Читал Джеймс запоем, что было чрезвычайно полезным для него, поскольку он обладал завидной способностью запоминать практически все из прочитанного. И когда Максвелл не был погружен в книжные страницы, он занимался тем, что сочинял стихи, соблюдая правильный размер и ритм. В 1847 году, когда закончилось его школьное обучение, Джеймс был первым в классе по математике и английскому языку, а также обладал призами за знание истории, географии и французского языка. По успеваемости в целом он был вторым в классе. Преподавательский состав академии, желая произвести впечатление на родителей будущих учеников, добавил новый предмет в учебный план: физические науки. Один из его одноклассников через некоторое время вспоминал, что Максвелл и Тэт знали по этому предмету больше, чем преподаватель...

Я вполне способен написать фантастическую формулу.

Максвелл о своих ошибках в расчетах

Время от времени Джеймс проводил время с сестрой своей матери, тетей Джейн. Она ясно понимала, в чем состоит ее задача: смягчить излишнюю неординарность своего племянника и научить его быть адекватным членом общества. Когда он застывал неподвижно, наблюдая за игрой света от свечей на стеклянной поверхности, она отвлекала его словами: «Джеймс, ты витаешь в облаках». Религия также присутствовала в юношеской жизни Максвелла; он посещал службы как англиканской, так и пресвитерианской церквей. Тетя посылала его на уроки катехизиса к своему другу Дину Рэмси, хорошему человеку, больше всего обеспокоенному тем, чтобы молодые люди не попадали под влияние новых религиозных организаций, которые возникали в стране. Такой, например, была Свободная пресвитерианская церковь Шотландии — ответвление национальной церкви этой страны, которая называлась Церковью Шотландии.