Интернет-магазин Оптики 4glaza.ru
Рекомендую
0 0

Джеймс Клерк Максвелл.


Джеймс Клерк Максвелл родился в 1831 г. в Эдинбурге. В школе Максвелла увлекла геометрия, и первой его научной работой, выполненной в пятнадцать лет, было открытие простого, но ранее не известного способа вычерчивания овальных фигур. Максвелл получил хорошее образование сначала в Эдинбургском, а затем в Кембриджском университетах.
В 1856 г. молодого, подающего надежды ученого приглашают на преподавательскую работу в качестве профессора колледжа шотландского города Абердина. Здесь Максвелл работает над проблемами теоретической и прикладной механики, оптики, физиологии цветного зрения. Он блестяще решает загадку колец Сатурна, математически доказав, что они образованы из отдельных частиц. В 1860 г. его приглашают занять кафедру в Королевском колледже в Лондоне. Лондонский период (1860 - 1865 гг.) был самым плодотворным в жизни ученого. Он доводит до завершения теоретические исследования по электродинамике, публикует фундаментальные работы по кинетической теории газов.
В своих работах по кинетической теории газов Максвелл впервые ввел в описание физических явлений статистические методы: «Скорости распределяются между частицами по тому же закону, по которому распределяются ошибки между наблюдениями в теории «метода наименьших квадратов», т.е. в соответствии со статистикой Гаусса». Максвелл считал, что единичные акты столкновения между молекулами подчиняются законам Ньютона и в этом смысле строго детерминированы. При этом, однако, из-за невозможности точно описывать громадные ансамбли частиц для получения общей картины поведения газа приходится пользоваться вероятностными методами.
В рамках кинетической теории газов Максвелл объяснил закон Авогадро, определил среднюю длину свободного пробега и средний диаметр молекул. Он построил также теорию явлений переноса в газах.
Еще в студенческие годы Максвелл, по совету шотландского физика Уильяма Томсона (впоследствии - лорд Кельвин), знакомится с «Экспериментальными исследованиями по электричеству» Фарадея, и этот труд захватывает его. Максвелл отложил математический анализ электричества и магнетизма до того момента, пока он не одолел объемистые труды Фарадея, касающиеся экспериментальных исследований этих явлений, благодаря чему и сумел понять всю их математическую глубину, скрытую от остальных математиков.
Максвелл решил нащупать сродство между электрическими силовыми линиями и линиями тока в идеальной и бесконечно протяженной жидкости. Для этого Максвелл предположил, что внутри жидкость изливается из источника, который он отождествил с электрическим зарядом определенного знака, и уходит в небытие, в сток, отождествляемый с зарядом противоположного знака. В такой модели притяжение и отталкивание электрических зарядов объяснялись с помощью создаваемых в жидкости давлений. Такую же конструкцию Максвелл предложил и для объяснения магнитных явлений. Однако, не сумев придумать приемлемой жидкостной модели, которая могла бы объяснить электромагнитную индукцию, он просто декларировал, что его линии тока ведут себя так, чтобы к ним было применимо правило Фарадея о силовых линиях, пронизывающих замкнутый проводящий контур.
Как ни странно, оказалось, что новый математический подход, построенный Максвеллом на столь причудливом фундаменте, пригоден для описания огромного количества электромагнитных явлений. Хотя на этой, самой первой стадии своих исследований он просто искал новую математическую аналогию. По этому поводу он весьма откровенно высказался в статье, содержащей изложение его работы: «Я не считаю, что здесь содержится хоть какой-то намек на правильную физическую теорию; главная заслуга предлагаемого подхода как временного орудия исследования именно в том и состоит, что он ничего не объясняет» (выделено самим Максвеллом).
Лишь в 1861 г., через шесть лет, Максвелл, встретившись с Фарадеем, снова вернулся к проблеме электромагнетизма. На этот раз он вышел за рамки чисто математической аналогии и занялся поисками механической модели эфира, пригодной, в том числе и для объяснения электромагнитных явлений. Эрстед, в свое время, выдвинул довольно смутное предположение, что электрический ток окружен неким магнитным вихрем, оказывающим влияние на магнитные стрелки. Ампер же после тщательного анализа проблемы пришел к выводу, что магнетизм - это вторичный эффект, создаваемый круговыми электрическими токами. Максвелл, в отличие от них, считал магнетизм чем-то первичным. Следуя представлениям Фарадея и Томсона, он считал его неразрывно связанным с некими вращениями, которые, в рамках механической модели эфира, реализовывались в виде маленьких «молекулярных вихрей», или просто быстро вращающихся капелек жидкости. Предполагалось, что оси вращения этих вихрей располагаются вдоль магнитных силовых линий: если бы оказалось, что эти оси направлены в противоположные стороны, то силовые линии в конечном итоге развернули бы их так, чтобы все они имели одинаковые направления.
В процессе разработки своей вихревой модели Максвеллу пришлось повозиться с трением. Дело в том, что в однородном магнитном поле все молекулярные вихри, расположенные в большой области пространства, должны вращаться в одном и том же направлении. Но в этом случае края двух соседних вихрей в точке соприкосновения будут двигаться в противоположных направлениях. Максвелл же хотел, чтобы соседние вихри могли вращаться в одном и том же направлении без трения. Конструкторы разного рода машин и механизмов столкнулись с такой задачей давным-давно и решили ее, поместив между основными шестернями дополнительное, так называемое «паразитное» колесо. Аналогичным образом поступил и Максвелл: он отделил друг от друга соседние молекулярные вихри с помощью помещенных между ними крошечных сферических частиц. Хотя ввести сферические частицы Максвелла заставила забота о свободном вращении вихрей, он отвел им еще одну центральную и совершенно новую роль, заявив, что «их поступательное движение создает электрический ток» и что они «играют роль носителей электричества». Максвелл писал: «Концепция частицы, движение которой обусловлено идеальным роликовым контактом с вихрем, может показаться довольно сложной и неуклюжей. Но я вовсе не выдвигаю ее в качестве модели истинных связей, существующих в природе, и даже в качестве положения, которое я с готовностью назвал бы электрической гипотезой. И, тем не менее, это все же модель - модель связи, мыслимой чисто механически и легко поддающейся анализу и, как мне кажется, позволяющей обнаружить реальные механические взаимосвязи между известными электромагнитными явлениями; так что я осмелюсь утверждать, что всякий, понимающий предварительный и временный характер этой гипотезы, найдет ее скорее полезной, нежели препятствующей в его поисках правильной интерпретации этих явлений».
Хотя модель Максвелла кажется невероятно странной и причудливой, тем не менее, с ее помощью он получил систему уравнений, описывающих электромагнитное поле, которые в мельчайших математических подробностях позволяют объяснить не только открытие Эрстеда и все его модификации и доработки, выполненные знаменитым Ампером, но и закон электромагнитной индукции Фарадея, и, разумеется, все основные свойства известных в то время электромагнитных явлений. Построив свои уравнения поля, Максвелл положил их в основу разработанной им теории. Вихри и «паразитные» шестерни сделали свое дело, и отошли на второй план.
Одним из решающих, но вызвавших много споров шагов было введение Максвеллом в его уравнения так называемого тока смещения. Когда появилась теория относительности, стало ясно, что без члена, описывающего ток смещения, уравнения Максвелла противоречили бы специальной теории относительности. Включение этого члена приводит уравнения Максвелла в полное соответствие с этой теорией. Максвелл, разумеется, не мог знать обо всех этих событиях, которые произойдут много позднее. Он нашел нечто более значительное, чем думал, ибо полученные им уравнения превосходно вписались в релятивистскую теорию пространства и времени, пришедшую на смену ньютоновой, хотя все свои работы Максвелл, как до него и Френель, выполнил на основе последней.
Благодаря введению тока смещения, уравнения Максвелла могут быть записаны в такой форме, когда символы, относящиеся к электричеству и магнетизму, входят в них почти совершенно одинаково, порождая красивую формальную симметрию. С этой симметрией между электричеством и магнетизмом неразрывно связан один примечательный математический результат. Хотя самой симметрии Максвелл, по-видимому, большого значения не придавал, он все же сумел получить этот результат, суть которого состоит в том, что должны существовать электромагнитные волны, причем эти волны должны быть поперечными. Что касается скорости распространения этих волн, то из уравнений Максвелла следует, что она должна быть равна отношению двух различных единиц измерения электрического заряда. Одна, так называемая электростатическая, единица заряда используется при вычислении кулоновской силы взаимодействия двух точечных покоящихся зарядов, а вторая, электромагнитная, единица заряда применяется для вычисления силы взаимодействия двух электрических токов, то есть движущихся зарядов.
Величина этого отношения уже была известна из классического эксперимента Вебера и Кольрауша. В пределах погрешности эксперимента она оказалась равной величине скорости света. И что примечательно, ни свет, ни волны никакого существенного отношения к эксперименту Вебера - Кольрауша не имели. По этому поводу хорошо сказал сам Максвелл: «Единственным применением света в этих опытах было использование его для того, чтобы видеть инструменты». Тот факт, что эксперимент Вебера - Кольрауша давал скорость света, многие посчитали просто совпадением. Но Максвелл, для которого эта величина была неразрывно связана с теоретически открытыми им поперечными электромагнитными волнами, заявил, что свет имеет электромагнитную природу: «Значение V, найденное Фуко, было получено путем определения угла, на который поворачивается вращающееся зеркало, пока отраженный им свет прошел туда и обратно вдоль измеренного пути. При этом не пользовались каким-либо образом электричеством и магнетизмом. Совпадение результатов, по-видимому, показывает, что свет и магнетизм являются проявлениями свойств одной и той же субстанции и, что свет является электромагнитным возмущением, распространяющимся через поле в соответствии с законами электромагнетизма».
При жизни Максвелла его теория не получила всеобщего признания: она считалась непонятной, математически нестрогой, логически необоснованной. Лишь после работ Г. Герца, доказавшего существование электромагнитных волн, и опытов П. Н. Лебедева, в которых было измерено давление света, предсказанное Максвеллом, его теория завоевала признание среди ученых.

Рекомендации Друзья