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.

---

Одна из причин столь второстепенной роли науки заключается в том, что значительные достижения промышленности и транспорта происходили от инженеров, имеющих небольшую или нулевую подготовку: Джеймс Ватт чинил инструменты, которые ломались в университете Глазго; Джордж Стефенсон, изобретатель паровоза, был неграмотным до 18 лет; и даже важный для морской навигации метод определения долготы был разработан не астрономом, а необразованным часовым мастером по имени Джон Гаррисон. Тогда зачем был нужен университет? Некоторые блестящие ученые смогли создать замечательные приборы: например, Чарльз Уитстон или Уильям Томсон изобрели хитроумные устройства для недавно появившегося телеграфа. Это оказалось экономически рентабельным предприятием благодаря усилиям офицера армии Уильяма Ф. Кука и Уитстона (профессора в Кингс-колледже в Лондоне), приложенным в 1837 году. Но данная история не изменила убежденности общества в том, что наука является отличным хобби для благородного человека, но в целом это несерьезное дело. Никто не понимал, что промышленность начнет по-настоящему пользоваться преимуществами научной специализации, когда университеты станут осуществлять ее. В будущем так и произошло. И Джеймс Клерк Максвелл лидировал в этом новом мире.

АКАДЕМИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА

К счастью, молодому Джеймсу еще не надо было принимать решения. Он планировал поступление в Эдинбургский университет, чтобы изучать математику под руководством Филипа Келланда (преподавателя, который уже одобрил его первую научную работу), натуральную философию у Джеймса Форбса и логику у метафизика Уильяма Гамильтона. Вклад последнего в философию был скудным, но он неплохо преподавал, стимулируя появление у своих учеников здорового скептицизма. Итак, в 16 лет Максвелл поступил в университет, поскольку его ум был воодушевлен наукой и математикой, но он был готов изучать право, потому что ему не хотелось огорчать отца.

Шотландские университеты гордились тем, что сыграли главную роль в промышленной революции, и объявляли миру: их образование может сделать из любого молодого человека большого предпринимателя. Джеймс особенно интересовался уроками философии (тогда ее называли «ментальной философией») Гамильтона, очень харизматичного преподавателя, которого, как заметил Максвелл, иногда ответ на некоторые вопросы приводил к еще более глубоким вопросам. Влияние Гамильтона было очень сильным. Джеймс разделял позицию своего преподавателя, которая высмеивала все попытки доказать существование Бога: хотя знание и логика — незаменимые инструменты для исследования Вселенной, они бесполезны для нахождения причины, ее породившей. Однако Максвелл пребывал в полной уверенности, что его учитель ошибается, недооценивая математику. Это было так, потому что Гамильтон в значительной степени разделял позицию интеллектуального течения под названием «здравый смысл», которое отказывалось от любого метода, не следующего напрямую из наблюдаемых результатов: для последователей данного течения научный прогресс сводится к простому накоплению экспериментальных данных. С другой стороны, он также разделял идею Канта о том, что любое знание относительно: мы знаем не о «вещах в себе», а лишь об их отношениях с другими людьми. Эта идея проникла в научную мысль Максвелла. Он писал: 

«Единственное, что можно воспринять напрямую с помощью чувств, — это сила. Ее мы можем свести к свету, теплу, электричеству, звуку и всем остальным вещам, которые мы способны воспринимать с помощью чувств». 

Максвелл придерживался данной позиции всю жизнь, и даже два десятилетия спустя он исправил в черновике книги «Трактат о натуральной философии» своих друзей Томсона и Тэта понятие массы, говоря, что «чувства никогда не воспринимают материю».

Уроки Гамильтона определили форму, в которой Максвелл проводил свои исследования. Например, его электромагнитная теория олицетворяет идею о том, что вещи, которые мы можем измерить напрямую, такие как сила, которую оказывает электрический провод на намагниченную стрелку, — это выражение более глубокого процесса, находящегося за гранью нашей способности к визуализации; в данном случае это интенсивность электромагнитного поля.

Гравюра, изображающая мастерскую Джеймса Ватта. Шотландский инженер способствовал развитию паровой машины.

Памятник Максвеллу на Джордж- стрит, Эдинбург. В возрасте 16 лет он поступил в университет этого города.

Портрет Джеймса Ватта кисти Карла Фредерика фон Бреда, 1792 год.

ЭКСПЕРИМЕНТАТОР

Джеймс был не только мыслителем; он также любил эксперименты, и ничто не могло лучше противостоять урокам философии Гамильтона, чем занятия с другом его отца, Джеймсом Форбсом (1809-1868). Молодой Максвелл проводил часы в лаборатории своего преподавателя, позволявшего ему ставить любые эксперименты. Так он научился управлять различными приборами и сконструировал необходимые ему. Этот опыт показался ему настолько полезным, что много лет спустя, когда Максвелл возглавил Кавендишскую лабораторию в Кембридже, он всегда разрешал своим студентам ставить собственные эксперименты и никогда никому не диктовал, какое исследование вести, если только его не спрашивали.

Кроме того, Форбс помог Джеймсу отшлифовать свой стиль письма до такой степени, что в итоге его работы нельзя было ни с чем спутать, как и картины Гогена или партитуры Моцарта. Инженер Бэзил Маон Как пишет в биографии Максвелла: 

<[...] у него авторитетный, но свежий и неформальный тон; уравнения естественно вытекают из аргументов. Понятия появляются настолько утонченно и оригинально, что ученые до сих пор задаются вопросом, что именно он хотел сказать». 

Все, что Форбс делал или говорил, тщательно усваивалось Максвеллом, которого он научил быть дисциплинированным в работе с данными и постановке экспериментов. Когда его учитель умер 21 декабря 1868 года, Максвелл сказал, что он «любил Джеймса Форбса».

Герой этой книги также ходил на уроки математики Филипа Келланда и уроки химии к некоему профессору Грегори, который вел занятия, не ступая в лабораторию: это он поручал во внеурочное время тому, кого называл «Кемп-практик».

В свою очередь господин Кемп был склонен описывать процессы, преподаваемые Грегори на уроках, как «бесполезные и вредные, придуманные химиками, желающими что-нибудь сделать». Из этих разочаровывающих занятий Джеймс вынес урок на всю жизнь: работа в лаборатории не только необходима для получения хорошего научного образования, но и должна быть составной частью самих занятий, а не являться чем-то необычным.

Я никогда не отговаривал никого от эксперимента; если человек не найдет то, что ищет, он может найти что-то другое.

Максвелл о свободе, которую он давал студентам Кавендишской лаборатории при постановке экспериментов

Пытливый ум Джеймса не мог питаться только университетскими занятиями. Его интеллектуальное образование также включало чтение классиков: он изучал «Оптику» Ньютона, «Дифференциальное исчисление» Коши, Трактат о механике» Пуассона и «Аналитическую теорию тепла» Фурье; он был так захвачен этой последней книгой, что потратил немалую сумму в 25 шиллингов на приобретение собственного экземпляра.

Чтение занимало значительную часть его времени, которое он посвящал не только научным, но также и философским работам, таким как «Левиафан» Гоббса или «Теория нравственных чувств» Адама Смита. Джеймс также не оставил латынь и греческий. Кроме того, на досуге он читал романы и поэзию.

Его влечение к науке привело к построению маленькой лаборатории над зданием, отведенным его отцом для стирки и глажки одежды обитателей фермы. Там он проводил долгие каникулы шотландских университетов, которые начинались в конце апреля и длились до начала ноября. Таким образом студенты могли помогать семьям в самое тяжелое для сельского хозяйства время — весной и летом. Максвелл так описывал свою лабораторию: 

«У меня есть старая дверь, которая держится на двух бочках, и два стула, из которых один надежный, и слуховое окно, которое я могу открывать и закрывать.

На двери, или столе, много мисок, кувшинов, тарелок, банок: в них содержится вода, соль, сода, серная кислота, медный купорос, графит, также разбитое стекло, железо, медные провода, пчелиный воск, воск для запечатывания, сланец, древесная смола, древесный уголь, линза, гальванический аппарат Сми [электрический прибор того времени, включавший одну батарею] и несметное число маленьких жучков, пауков и мокриц, которые падают в разные жидкости и умирают от отравления». 

Это была отличная практика. Джеймс обвивал медью старые банки с вареньем, экспериментируя с электричеством, а также развлекал местных детей химическими опытами, позволяя им плюнуть в смесь двух белых порошков и наблюдать, как они меняют цвет на зеленый. Но более всего привлекал его внимание поляризованный свет — световые волны, электромагнитные колебания которых распространяются только в одном направлении. Мы можем легко наблюдать его с помощью двух солнечных очков с поляризованными стеклами. Если мы поставим их друг перед другом так, что одно стекло окажется напротив другого, и начнем вращать одно из них, то в какой-то момент свет совсем перестанет проходить. Это происходит потому, что два стекла позволяют пройти только свету, колебание волн которого осуществляется в вертикальном направлении. Вращением второго стекла мы поместили его в положение в 90° относительно первого, следовательно, оно не позволит пройти свету (рисунок 1). Максвелла завораживали цвета, которые получаются при освещении таким светом быстроохлажденных неотпущенных стекол (стекол, в которых сохранились внутренние напряжения). Но его интерес выходил за грани чисто эстетического: он хотел понять структуру и распределение таких напряжений. Чтобы сделать это, Джеймс брал куски стекла, нагревал их докрасна и затем быстро остужал.