В физике его относят к той же категории, что Эйнштейн или Ньютон. Тем не менее, внешнему миру его имя зачастую неизвестно:Джеймс Клерк Максвелл. Он сделал важные шаги в понимании электричества, магнетизма и света. Возможно, его храбрый характер стал причиной его относительно ограниченной славы. Блестящий шотландец с большим энтузиазмом поговорил с Кеннислинком.
Яркая молния в небе и ты сразу понимаешь, что электричество – одна из самых впечатляющих сил в природе. Долгое время люди не знали точно, что такое электричество. Во многом благодаря шотландцу Джеймсу Клерку Максвеллу (1831–1879), который мы теперь знаем. С помощью математических уравнений он установил, что электричество, магнетизм и свет являются выражениями одного и того же:электромагнитного поля. Тот факт, что сегодня мы уже не можем представить себе мир без электричества, во многом благодаря ему.
Менее известно то, что он также добился успехов в других областях, таких как цветовое зрение, работа газов и кольца Сатурна. Он также сделал самую первую цветную фотографию и был поэтом-виртуозом. Максвелл был любимым человеком с теплым и обаятельным характером. Кеннислинк дал «вымышленное интервью» с математиком и физиком.
Г-н Клерк Максвелл, приятно с вами поговорить. Знаете ли вы, что вы самый молодой из физиков, с которыми мы общаемся в нашей серии «Красивые головы»? «Ну, спасибо за приглашение. Я чувствую себя польщенным. Очевидно, моя работа оказала необходимое влияние, потому что сам я этого не испытал. Я подозреваю, что моя работа по электромагнетизму откроет новые области, но не могу предвидеть, какие последствия это будет иметь для науки».
Мы знаем ваши уравнения электромагнетизма, о которых мы поговорим подробно чуть позже, как уравнения Максвелла, но их чуть ли не называли «уравнениями Клерка», не так ли? «Правильно, моего отца изначально звали Джон Клерк. Однако он оказался наследником земельного участка в районе Миддлби на юго-западе Шотландии. Этот район принадлежал семье Максвелл, и условием получения земли было то, что он взял имя Максвелл. Следовательно, он изменил свое имя на Джон Клерк Максвелл. Вот как я получил эти две фамилии."
Большую часть своего детства вы провели в Миддлби. Было ли здесь приятно расти? «Да, у моих родителей был небольшой, но уютный дом – Glenlair House. – построен в городе Гленлэр. У нас была ферма посреди большого участка земли. Было так много всего, что можно было увидеть и открыть. Я с детства был очень любопытным.
Я хотел знать, как работает каждое устройство. «Покажи мне, как это боксировать! — крикнул я. И мой отец всегда был готов это объяснить. Еще я любил животных, особенно с нашими собаками, у меня сложилась тесная связь».
Ваш талант к математике проявился в начальной школе Эдинбургской академии. Какие у вас впечатления от школы? «Поначалу требовалось некоторое привыкание. Я начал через месяц после начала учебного года, поэтому группы уже были сформированы. Группа хулиганов назвала меня «Глупый». (по-шотландски «болван» или «тупой», ред.), потому что я носил свою фермерскую одежду и имел странный акцент в их глазах. Ну ладно, я мог посмеяться над этим, мне было все равно. Это действительно означало, что поначалу мне было очень одиноко в школе, но позже я подружился с Питером Гатри Тейтом и Льюисом Кэмпбеллом.
Занятия в школе мне не показались такими интересными. И только когда я закончил пятый год обучения, мне стало весело. Нас учили геометрии, и мне это показалось очень интересным. Меня увлекло то, как можно рисовать эллипсы с помощью ручки, которая вращается на двух закрепленных веревочках. Я исследовал более сложные способы рисования эллипсов и описал их математику. Когда мой отец увидел мою работу, он сразу же показал ее профессору Джеймсу Форбсу из Эдинбургского университета, он нашел ее настолько впечатляющей. Что произошло по версии Forbes? Я проделал ту же работу, что и Рене Декарт (известный французский философ, ред.) в семнадцатом веке. Они подумали, что это очень умно для пятнадцатилетнего мальчика."
В каком-то смысле это было началом вашей профессиональной карьеры. Карьеру вы продолжили в Эдинбурге, а затем в Кембридже. Ваш интерес к цветам и тому, как мы их воспринимаем, зародился еще во время учебы. Как это произошло? «В детстве меня уже увлекали цвета. Однажды мой дядя Джон отвёл меня в лабораторию Уильяма Никола. Он создал призмы, с помощью которых можно было поляризовать свет. Это повлияло на то, какие цвета вы видели. Потрясающе! Поэтому я был приятно удивлен, когда Джеймс (Форбс, ред.) попросил меня в 1849 году принять участие в экспериментах по зрению цветов.
Мы работали с дисками, на которых можно разместить кусочки цветной бумаги. Если вы повернете диск, то увидите, какой цвет эти кусочки окрашивают друг друга. Например, мы попытались выяснить, с помощью каких сочетаний цветов можно сделать серый или белый. Позже, окончив Кембридж, я продолжил эксперименты. Только сейчас я посмотрел, как можно сделать другие цвета из сочетания зеленого, синего и красного."
Значит, так же, как раньше сделал англичанин Томас Янг? «Действительно, он и Гельмгольц разработали теорию, согласно которой наши глаза видят цвета как смесь основных цветов:красного, зеленого и синего. Я разработал своего рода окно просмотра цвета, с помощью которого можно было регулировать количество красного, зеленого или синего света. Это позволило мне измерить чувствительность людей к основным цветам. Например, я обнаружил, что дальтонизм варьируется от человека к человеку и что дальтонизм является результатом пониженной чувствительности к красному или зеленому цвету».
В 1860 году за вашу работу вы были награждены медалью Рамфорда от Лондонского королевского общества. Но, возможно, более прекрасным признанием стала цветная фотография, которую вы сделали следующей. «Я попросил Томаса Саттона сделать три фотографии ленты тартана (шотландская ткань, из которой также делают килты, ред.), каждый раз с фильтром разного цвета — красным, зеленым или синим — перед объективом. Проецируя три фотографии друг на друга, вы получили цветную фотографию. Мы представили его на лекции в Королевском институте в 1861 году. Они были поражены. »
Вы также сделали себе имя в другой области:астрономии. Вы сосредоточились на кольцах Сатурна в 1855 году. Почему? «На самом деле очень просто:Кембриджский университет в 1855 году наградил премию Адамса за эссе, которое лучше всего объяснило стабильность колец Сатурна. Я только что закончил учебу и мог проводить время в Кембридже, занимаясь тем, что мне нравилось. Меня эта тема завораживала с детства.
Недавние наблюдения показали, что кольца не всегда имели одинаковую структуру. Вопрос был:из какого материала сделаны кольца? Пьер-Симон Лаплас ранее говорил, что если бы кольца были цельными, то они должны были бы состоять из рыхлых концентрических колец. Я основывался на этом и использовал механику Ньютона, чтобы показать, что кольца не могут быть массивными, потому что тогда их нужно будет притягивать к планете. И кольца газа или жидкости тоже были невозможны, потому что в них возникали бы неустойчивые волны.
Моё решение:кольца состояли из мелких рыхлых частиц. Я назвал их «кирпичными летучими мышами». В качестве дополнительного доказательства я также построил модель колеса с маленькими шариками. Я был рад выиграть приз! Я получил приятный комплимент от сэра Джорджа Биделла Эйри, одного из судей:моя работа была «одним из самых замечательных приложений математики в физике, которые я когда-либо видел».
Размышления об энергии газов в кольцах Сатурна привели вас к новому пониманию скорости атомов в газе. На тот момент ваша самая известная работа. Расскажи мне об этом. «Я наткнулся на работу немца Рудольфа Клаузиуса, в которой он утверждал, что частицы в газе сталкиваются друг с другом. Количество столкновений сильно определяет, насколько быстро движется газ. В то время все думали, что все молекулы газа имеют одинаковую скорость. Этого не может быть, потому что не все молекулы сталкиваются одинаково часто. По моему мнению, невозможно точно знать скорость каждой молекулы. Что вы могли бы сделать, так это создать своего рода распределение вероятностей, основанное на том, сколько молекул имеют определенную скорость. Я разработал формулу этого распределения».
Сегодня мы знаем эту формулу как распределение Максвелла-Больцмана, потому что Людвиг Бульцман расширил эту работу. Сенсационная находка, ведь вы привнесли в термодинамику понятие статистики. «Знаете, я знал, что иду по новому пути, но понятия не имел, что это принесет с физикой. Я мог только догадываться об этом. Область термодинамики была еще совершенно новой, и концепция «молекул» еще не получила широкого распространения. Но приятно слышать, что я был на правильном пути».
Давайте поговорим об электромагнетизме. Как возникли ваши идеи по этому поводу? «В мое время многих людей интересовали электричество и магнетизм. Это было создано в двадцатых годах (девятнадцатого века, ред.) благодаря датскому физику Гансу Кристиану Эрстеду. Он видел, как магнитная стрелка компаса двигалась, когда ток пробежал по медному проводу поблизости. Это было первое указание на то, что электричество и магнетизм должны иметь какое-то отношение друг к другу.
Майкл Фарадей был одним из многих, кого вдохновила эта работа. Сам он также проводил эксперименты с электричеством и магнетизмом и обнаружил, среди прочего, эффект, заключающийся в том, что движущийся магнит в катушке генерирует электрический ток, или «магнитную индукцию». Когда я начал работать профессором в Королевском колледже в Лондоне, я начал изучать электромагнетизм. Объяснение Фарадея эффектов, которые он видел, мне очень понравилось."
Какое это было объяснение? «Многие люди в мое время думали о силе, действующей на расстоянии, как Ньютон описал гравитацию. Фарадей, с другой стороны, рассматривал силы как поля, распространяющиеся через среду в нашем пространстве. Свои явления он объяснял электрическими и магнитными источниками, которые излучают силы в виде волн вдоль так называемых силовых линий, силовых линий. ».
Я связался с Фарадеем письмом, которое он нашел примечательным, поскольку я был на сорок лет моложе его. Затем я развил его концепции полей и силовых линий в математические уравнения поля в трех измерениях. Мой школьный друг Питер (Гатри Тейт, ред.) помог мне со сложной векторной алгеброй, которая прилагалась к нему. Так у меня получилась коллекция, описывающая известные теперь электрические и магнитные эффекты. Но потом я обнаружил нечто удивительное…»
«Я обнаружил, что закон Ампера несовершенен. Согласно этому закону вокруг провода, по которому течет электрический ток, создается круговое магнитное поле. Когда я сравнил уравнения этого закона с другими уравнениями, я заметил, что они не совсем совпадают. Чтобы сделать его симметричным, я добавил в уравнение дополнительный член — ток смещения. Добавив этот член, мое уравнение показало, что изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле. Верно, это еще не было продемонстрировано в экспериментах, но это должно быть вопросом времени».
Теперь, когда уравнения стали симметричными, что можно с ними сделать? «Да, приложив немного алгебры, вы получили два почти идентичных уравнения:одно для электрического поля, а другое для магнитного поля. Решением этих уравнений являются волны электрического и магнитного полей. Но теперь происходит самое чудесное:когда я рассчитал скорость, с которой должны были двигаться эти волны, я получил число, очень близкое к скорости света!
Полная неожиданность. Я вообще не любил свет. У меня никогда не было ни малейшего подозрения, что свет может иметь какое-то отношение к электричеству или магнетизму. И вот это просто вышло из моих уравнений. Я знал, что такое свет:электромагнитная волна. Фактически, свет, электричество и магнетизм можно описать как электромагнитные поля!
Давайте закончим немного поэзией. За свою жизнь вы написали много стихов. Хотите закончить красивым стихотворением? "Конечно. А как насчет стихотворения о любви? Это часть стихотворения, которое я написал для своей жены Кэтрин в 1858 году:
<блок-цитата>Часто по ночам из этой одинокой комнаты Я жажду полететь над сушей и морем, Прорваться сквозь тьму, разделяющую мрак, И соединиться с тобой.
<блок-цитата>И ты ко мне охотно прилетела бы, Я хорошо тебя знаю, моя верная жена! Мы чувствуем, что, живя не рядом, Мы теряем венец жизни.
<блок-цитата>Но скоро я надеюсь, глухой ночью, Встретиться там, где все вокруг чуждо, И посреди громкого полета поезда Быть рядом со мной."
Хотите ли вы сами задать вопрос Джеймсу Клерку Максвеллу? Который может! Нам интересно узнать ваши самые смешные, безумные и волнующие вопросы Максвеллу. Отправьте их не позднее 19 апреля на адрес [электронная почта защищена] с указанием:«Конкурс красивых голов». Мы включили в статью самый оригинальный вопрос и постараемся ответить на него как можно лучше. У вас также есть шанс выиграть прекрасную книгу «Канон физики» стоимостью 42,50 евро, которую предлагает Голландская физическая ассоциация (NNV). Подробнее об этом конкурсе читайте здесь.
