Krátka biografia Jamesa Maxwella. James Clark Maxwell: Vedec a jeho démon

13. júna 1831 sa v Edinburghu v rodine aristokrata zo starého rodu Clerkovcov narodil chlapec James. Jeho otec John Clerk Maxwell, člen advokátskej komory, mal vysokoškolské vzdelanie, ale svoju profesiu nemal rád a vo voľných hodinách sa zaujímal o techniku a vedu. Jamesova matka, Frances Kay, bola dcérou sudcu. Po narodení chlapca sa rodina presťahovala do Middleby, rodinného sídla Maxwellovcov na juhu Škótska. Čoskoro tam John postavil nový dom s názvom Glenlar.

Detstvo budúceho veľkého fyzika zatemnila až príliš skorá smrť jeho matky. James vyrastal ako zvedavý chlapec a vďaka otcovým záľubám bol od detstva obklopený „technickými“ hračkami, ako je model nebeskej sféry a „magický disk“, predchodca kinematografie. Napriek tomu sa zaujímal aj o poéziu a dokonca sám poéziu písal, mimochodom, túto činnosť neopustil až do konca svojich dní. Jamesov otec mu dal základné vzdelanie – prvého domáceho učiteľa prijali, až keď mal James desať rokov. Je pravda, že otec si rýchlo uvedomil, že takýto výcvik nie je vôbec efektívny, a poslal svojho syna do Edinburghu k svojej sestre Isabelle. Tu James nastúpil na Edinburskú akadémiu, kde deti dostali čisto klasické vzdelanie – latinčinu, gréčtinu, starovekú literatúru, Sväté písmo a trochu matematiky. Chlapcovi sa štúdium hneď nepáčilo, ale postupne sa stal najlepším študentom v triede a začal sa zaujímať predovšetkým o geometriu. V tom čase vynašiel vlastnú metódu kreslenia oválov.

V šestnástich James Maxwell vyštudoval akadémiu a vstúpil na University of Edinburgh. Tu sa konečne začal zaujímať o exaktné vedy a už v roku 1850 Kráľovská spoločnosť v Edinburghu uznala jeho prácu o teórii pružnosti za serióznu. V tom istom roku Jamesov otec súhlasil, že jeho syn potrebuje prestížnejšie vzdelanie a James odišiel do Cambridge, kde najskôr študoval na Peterhouse College a v druhom semestri prestúpil na Trinity College. O dva roky neskôr dostal Maxwell za svoj úspech univerzitné štipendium. V Cambridge však bádal veľmi málo – viac čítal, nadväzoval nové známosti a aktívne sa pohyboval medzi univerzitnými intelektuálmi. V tomto čase sa formovali aj jeho náboženské názory – bezpodmienečná viera v Boha a skepsa voči teológii, ktorú James Maxwell zaradil na posledné miesto spomedzi ostatných vied. Počas študentských rokov sa stal aj stúpencom takzvaného „kresťanského socializmu“ a podieľal sa na práci „Robotníckeho kolégia“ s populárnymi prednáškami.

V dvadsiatich troch rokoch James zložil záverečnú skúšku z matematiky a skončil na druhom mieste v zozname študentov. Po získaní bakalárskeho titulu sa rozhodol zostať na univerzite a pripraviť sa na hodnosť profesora. Učil, pokračoval v spolupráci s Robotníckym kolégiom a začal písať knihu o optike, ktorú však nikdy nedokončil. Maxwell zároveň vytvoril experimentálnu komiksovú štúdiu, ktorá sa stala súčasťou cambridgeského folklóru. Účelom tejto štúdie bolo „kotúľanie mačiek“ – Maxwell určil minimálnu výšku, z ktorej mačka stojí na labkách pri páde. Ale Jamesovým hlavným záujmom v tom čase bola teória farieb, ktorá vznikla z Newtonovej myšlienky existencie siedmich základných farieb. V tom istom období sa datuje jeho vážny záujem o elektrinu. Hneď po získaní bakalárskeho titulu začal Maxwell skúmať elektrinu a magnetizmus. V otázke podstaty magnetických a elektrických účinkov prijal stanovisko Michaela Faradaya, podľa ktorého siločiary spájajú záporné a kladné náboje a vypĺňajú okolitý priestor. Správne výsledky však získala už zavedená a prísna veda o elektrodynamike, a preto si Maxwell položil otázku skonštruovania teórie, ktorá by zahŕňala Faradayove myšlienky aj výsledky elektrodynamiky. Maxwell vyvinul hydrodynamický model siločiar a tiež sa mu prvýkrát podarilo vyjadriť v jazyku matematiky Faradayom objavené zákony – vo forme diferenciálnych rovníc.

Na jeseň roku 1855 sa James Maxwell po úspešnom zložení požadovanej skúšky stal členom univerzitnej rady, čo mimochodom v tom čase znamenalo zložiť sľub celibátu. So začiatkom nového semestra začal na vysokej škole čítať prednášky z optiky a hydrostatiky. V zime však musel odísť na rodné panstvo, aby previezol ťažko chorého otca do Edinburghu. Po návrate do Anglicka sa James dozvedel, že je voľné miesto pre učiteľa prírodnej filozofie na Aberdeen Marischal College. Toto miesto mu dalo príležitosť byť bližšie k otcovi a Maxwell pre seba nevidel v Cambridge žiadne vyhliadky. V polovici jari 1856 sa stal profesorom v Aberdeene, ale John Clerk Maxwell zomrel ešte pred vymenovaním svojho syna. James strávil leto na rodinnom sídle a v októbri odišiel do Aberdeenu.

Aberdeen bol hlavným prístavom Škótska, ale mnohé z katedier jeho univerzity boli bohužiaľ opustené. Hneď v prvých dňoch svojej profesúry začal James Maxwell túto situáciu naprávať aspoň na svojom oddelení. Pracoval na nových vyučovacích metódach a snažil sa študentov zaujať vedeckou prácou, no v tomto úsilí nebol úspešný. Prednášky nového profesora, plné humoru a slovných hračk, sa zaoberali veľmi zložitými vecami a tento fakt odstrašil väčšinu študentov, zvyknutých na obľúbenosť prezentácie, nedostatok ukážok a zanedbávanie matematiky. Z ôsmich desiatok študentov bol Maxwell schopný učiť len pár ľudí, ktorí sa naozaj chceli učiť.

V Aberdeene si Maxwell zariadil aj svoj osobný život – v lete 1858 sa oženil s najmladšou dcérou riaditeľa vysokej školy Marischala Catherine Dewar. Hneď po svadbe bol James vylúčený z rady Trinity College za porušenie sľubu celibátu.

V roku 1855 Cambridge ponúkol prácu na štúdiu Saturnových prstencov na prestížnu Adamsovu cenu a cenu v roku 1857 vyhral James Maxwell. Nebol však spokojný s cenou a pokračoval v rozvíjaní témy a nakoniec v roku 1859 vydal pojednanie „O stabilite pohybu Saturnových prstencov“, ktoré okamžite získalo uznanie medzi vedcami. Traktát bol považovaný za najbrilantnejšiu aplikáciu matematiky na fyziku, aká existuje. Maxwell sa počas svojej profesúry na Aberdeen College venoval aj téme lomu svetla, geometrickej optike a hlavne kinetickej teórii plynov. V roku 1860 zostrojil prvý štatistický model mikroprocesov, ktorý sa stal základom pre rozvoj štatistickej mechaniky.

Profesorská pozícia na univerzite v Aberdeene Maxwellovi celkom vyhovovala – kolégium vyžadovalo jeho prítomnosť len od októbra do mája a po zvyšok času bol vedec úplne voľný. V kolégiu vládla atmosféra slobody, profesori nemali striktné povinnosti a navyše Maxwell každý týždeň robil platené prednášky na Aberdeen Scientific School pre mechanikov a remeselníkov, o ktorých školenie mal vždy záujem. Tento pozoruhodný stav sa zmenil v roku 1859, keď sa rozhodlo o zjednotení dvoch kolégií univerzity a miesto profesora na katedre prírodnej filozofie bolo zrušené. Maxwell sa pokúsil získať rovnakú pozíciu na univerzite v Edinburghu, ale tento post prešiel konkurzom k jeho starému priateľovi Petrovi Tatovi. V júni 1860 dostal James ponuku profesora na katedre prírodnej filozofie na King's College v hlavnom meste. V ten istý mesiac predniesol prednášku o svojom výskume teórie farieb a čoskoro mu bola udelená Rumfordova medaila za prácu v oblasti optiky a miešania farieb. Všetok zostávajúci čas pred začiatkom semestra však strávil v Glenlare, rodinnom statku – a nie vedeckými štúdiami, ale vážne chorým na kiahne.

Byť profesorom v Londýne sa ukázalo byť oveľa menej príjemné ako v Aberdeene. King's College mala skvele vybavené fyzikálne laboratóriá a uctievanú experimentálnu vedu, ale učila aj oveľa viac študentov. Práca nechávala Maxwellovi čas len na domáce experimenty. V roku 1861 bol však zaradený do Výboru pre normy, ktorý mal za úlohu definovať základné jednotky elektriny. O dva roky neskôr boli publikované výsledky starostlivých meraní, ktoré v roku 1881 slúžili ako základ pre prijatie voltov, ampérov a ohmov. Maxwell pokračoval v práci na teórii pružnosti, vytvoril Maxwellovu vetu, ktorá uvažuje s napätím v nosníkoch pomocou grafostatických metód a analyzoval rovnovážne podmienky guľových škrupín. Za tieto a ďalšie diela významného praktického významu získal Keithovu cenu od Kráľovskej spoločnosti v Edinburghu. V máji 1861 pri prednáške o teórii farieb predložil Maxwell veľmi presvedčivé dôkazy, že mal pravdu. Toto bola prvá farebná fotografia na svete.

Ale najväčším prínosom pre fyziku Jamesa Maxwella bol objav prúdu. Keď Maxwell dospel k záveru, že elektrický prúd má translačnú povahu a magnetizmus má vírivú povahu, vytvoril nový model - čisto mechanický, podľa ktorého „molekulárne víry vytvárajú“ rotujúce magnetické pole a „voľné kolesá“ zabezpečujú ich jednosmerná rotácia. Tvorba elektrického prúdu bola zabezpečená translačným pohybom prevodových kolies (podľa Maxwella - „častice elektriny“) a magnetické pole smerujúce pozdĺž osi rotácie víru sa ukázalo byť kolmé na smer otáčania. prúdu. To bolo vyjadrené v „pravidle gimlet“, ktoré Maxwell zdôvodnil. Vďaka svojmu modelu dokázal nielen názorne ilustrovať fenomén elektromagnetickej indukcie a vírový charakter poľa, ktoré generuje prúd, ale aj dokázať, že zmeny v elektrickom poli, nazývanom posunový prúd, vedú k vzniku tzv. magnetické pole. No, posunový prúd dal predstavu o existencii otvorených prúdov. Vo svojom článku „O fyzických siločiarach“ (1861-1862) Maxwell načrtol tieto výsledky a tiež zaznamenal podobnosť vlastností vírivého média s vlastnosťami svetielkujúceho éteru - a to bol vážny krok smerom k vzniku elektromagnetickej teórie svetla.

Maxwellov článok o dynamickej teórii elektromagnetického poľa bol publikovaný v roku 1864 a v ňom bol mechanický model nahradený „Maxwellovými rovnicami“ - matematickou formuláciou rovníc poľa - a pole samotné bolo po prvýkrát považované za skutočné pole. fyzický systém s určitou energiou. V tomto článku predpovedal existenciu nielen magnetických, ale aj elektromagnetických vĺn. Súbežne so štúdiom elektromagnetizmu Maxwell uskutočnil niekoľko experimentov, ktoré testovali svoje výsledky v kinetickej teórii. Po zostrojení zariadenia, ktoré určovalo viskozitu vzduchu, sa presvedčil, že koeficient vnútorného trenia skutočne nezávisí od hustoty.

V roku 1865 bol Maxwell konečne unavený svojimi učiteľskými aktivitami. Niet sa čomu čudovať – jeho prednášky boli príliš náročné na to, aby sa v nich udržala disciplína a vedecká práca na rozdiel od výučby zamestnávala všetky jeho myšlienky. Rozhodnutie padlo a vedec sa presťahoval do rodného Glenlaru. Takmer okamžite po presťahovaní sa zranil pri jazde na koni a ochorel na erysipel. Keď sa James zotavil, začal sa aktívne venovať farmárčeniu, prestavbe a rozširovaniu svojho panstva. Nezabudol však ani na študentov – pravidelne cestoval na skúšky do Londýna a Cambridge. Bol to on, kto dosiahol zavedenie otázok a problémov aplikovaného charakteru do skúšok. Začiatkom roku 1867 lekár poradil Maxwellovej často chorej manželke, aby sa liečila v Taliansku a Maxwellovci strávili celú jar vo Florencii a Ríme. Tu sa vedec stretol s profesorom Matteucim, talianskym fyzikom, a precvičoval si cudzie jazyky. Mimochodom, Maxwell dobre ovládal latinčinu, taliančinu, gréčtinu, nemčinu a francúzštinu. Maxwellovci sa vrátili do vlasti cez Nemecko, Holandsko a Francúzsko.

V tom istom roku Maxwell zložil báseň venovanú Petrovi Taitovi. Komická óda sa volala „Hlavnému hudobníkovi z Nabla“ a bola taká úspešná, že vo vede zaviedla nový termín „nábla“, odvodený od názvu starovekého asýrskeho hudobného nástroja a označujúci symbol operátora vektorového diferenciálu. Všimnite si, že Maxwell vďačí svojmu priateľovi Taitovi, ktorý spolu s Thomsonom predstavil druhý termodynamický zákon ako JCM = dp/dt, svojmu vlastnému pseudonymu, ktorým podpisoval svoje básne a listy. Ľavá strana vzorca sa zhodovala s Jamesovými iniciálkami, a preto sa rozhodol použiť pravú stranu – dp/dt – ako podpis.

V roku 1868 bol Maxwellovi ponúknutý post rektora na University of St. Andrews, ale vedec to odmietol, pretože nechcel zmeniť svoj odľahlý životný štýl v Glenlare. Len o tri roky neskôr, po dlhom zvažovaní, viedol fyzikálne laboratórium, ktoré sa práve otvorilo v Cambridge, a preto sa stal profesorom experimentálnej fyziky. Po súhlase s týmto postom začal Maxwell okamžite organizovať stavebné práce a vybavovať laboratórium (najskôr svojimi vlastnými prístrojmi). V Cambridge začal vyučovať kurzy elektriny, tepla a magnetizmu.

V roku 1871 vyšla aj Maxwellova učebnica „Teória tepla“, ktorá bola následne niekoľkokrát vydaná. Posledná kapitola knihy obsahovala základné postuláty molekulárnej kinetickej teórie a Maxwellove štatistické myšlienky. Tu vyvrátil druhý termodynamický zákon, ktorý sformulovali Clausius a Thomson. Táto formulácia predpovedala "tepelnú smrť vesmíru" - čisto mechanické hľadisko. Maxwell tvrdil štatistickú povahu notoricky známeho „druhého zákona“, ktorý podľa jeho presvedčenia môžu porušiť iba jednotlivé molekuly, pričom v prípade veľkých agregátov zostáva platný. Túto pozíciu ilustroval paradoxom s názvom „Maxwellov démon“. Paradox spočíva v schopnosti „démona“ (riadiaceho systému) znížiť entropiu tohto systému bez vynaloženia práce. Tento paradox bol vyriešený v dvadsiatom storočí poukázaním na úlohu, ktorú zohrávajú fluktuácie v riadiacom prvku, a dokázaním, že keď „démon“ dostane informácie o molekulách, zvyšuje entropiu, a preto nedochádza k porušeniu druhého termodynamického zákona.

O dva roky neskôr vyšla Maxwellova dvojzväzková práca s názvom „Pojednanie o magnetizme a elektrine“. Obsahoval Maxwellove rovnice, ktoré viedli k Hertzovmu objavu elektromagnetických vĺn (1887). Pojednanie tiež dokázalo elektromagnetickú povahu svetla a predpovedalo účinok tlaku svetla. Na základe tejto teórie Maxwell vysvetlil vplyv magnetického poľa na šírenie svetla. Toto základné dielo však bolo veľmi chladne prijaté osobnosťami vedy - Stokes, Thomson, Airy, Tait. Obzvlášť ťažko pochopiteľný sa ukázal koncept notoricky známeho posuvného prúdu, ktorý podľa Maxwella existuje aj v éteri, teda v neprítomnosti hmoty. Navyše Maxwellov štýl, ktorý bol v podaní niekedy veľmi chaotický, značne zasahoval do vnímania.

Laboratórium v Cambridge, pomenované po Henrym Cavendishovi, bolo otvorené v júni 1874 a vojvoda z Devonshire slávnostne odovzdal Cavendishove rukopisy Jamesovi Maxwellovi. Maxwell päť rokov študoval odkaz tohto vedca, reprodukoval jeho experimenty v laboratóriu a v roku 1879 pod jeho vedením publikoval zozbierané Cavendishove diela, ktoré pozostávali z dvoch zväzkov.

Asi posledných desať rokov svojho života sa Maxwell zaoberal popularizáciou vedy. Vo svojich knihách, napísaných práve na tento účel, voľnejšie vyjadroval svoje myšlienky a názory, zdieľal s čitateľom pochybnosti a hovoril o problémoch, ktoré v tom čase ešte neboli riešiteľné. V Cavendish Laboratory pokračoval vo vývoji veľmi špecifických otázok týkajúcich sa molekulárnej fyziky. Jeho posledné dve práce vyšli v roku 1879 – o teórii riedených nehomogénnych plynov a o distribúcii plynu pod vplyvom odstredivých síl. Na univerzite vykonával aj mnohé úlohy – bol v rade univerzitného senátu, v komisii pre reformu matematickej skúšky, pôsobil ako prezident filozofickej spoločnosti. V sedemdesiatych rokoch mal študentov, medzi ktorými boli budúci slávni vedci George Crystal, Arthur Shuster, Richard Glazeburg, John Poynting, Ambrose Fleming. Obaja Maxwellovi študenti a spolupracovníci si všimli jeho zameranie, ľahkú komunikáciu, nadhľad, jemný sarkazmus a úplný nedostatok ambícií.

V zime roku 1877 sa u Maxwella prejavili prvé príznaky choroby, ktorá by ho zabila, a o dva roky neskôr mu lekári diagnostikovali rakovinu. Veľký vedec zomrel v Cambridge 5. novembra 1879 vo veku štyridsaťosem rokov. Maxwellovo telo bolo prevezené do Glenlare a pochované neďaleko sídla, na skromnom cintoríne v dedine Parton.

Úloha Jamesa Clerka Maxwella vo vede nebola jeho súčasníkmi plne ocenená, ale dôležitosť jeho práce sa pre nasledujúce storočie ukázala ako nepopierateľná. Richard Feyman, americký fyzik, povedal, že objavenie zákonov elektrodynamiky je najvýznamnejšou udalosťou devätnásteho storočia, v porovnaní s ktorým v porovnaní s ním bledne občianska vojna v Spojených štátoch, ktorá sa odohrala v rovnakom čase...

Životopis

Narodil sa v rodine škótskeho šľachtica zo šľachtickej rodiny Clerks.

Študoval najprv na Edinburgh Academy, University of Edinburgh (1847-1850), potom na University of Cambridge (1850-1854) (Peterhouse and Trinity College).

Vedecké aktivity

Maxwell dokončil svoju prvú vedeckú prácu ešte na škole, keď vynašiel jednoduchý spôsob kreslenia oválnych tvarov. Táto práca bola oznámená na stretnutí Kráľovskej spoločnosti a dokonca publikovaná v jej zborníku. Ako člen rady Trinity College sa zaoberal experimentmi s teóriou farieb, pričom pôsobil ako pokračovateľ Jungovej teórie a Helmholtzovej teórie troch základných farieb. Pri experimentoch s miešaním farieb použil Maxwell špeciálny vrch, ktorého disk bol rozdelený na sektory natreté rôznymi farbami (Maxwell disk). Keď sa vrch rýchlo otáčal, farby sa zlúčili: ak bol disk natretý rovnakým spôsobom ako farby spektra, vyzeral ako biely; ak bola jedna polovica natretá červenou a druhá žltou farbou, vyzerala oranžovo; zmiešaním modrej a žltej vznikol dojem zelenej. V roku 1860 bol Maxwell ocenený Rumfordovou medailou za prácu v oblasti vnímania farieb a optiky.

Jednou z prvých Maxwellových prác bola jeho kinetická teória plynov. V roku 1859 vedec podal správu na stretnutí Britskej asociácie, v ktorej prezentoval distribúciu molekúl podľa rýchlosti (maxwellovské rozdelenie). Maxwell rozvinul myšlienky svojho predchodcu vo vývoji kinetickej teórie plynov R. Clausiusom, ktorý zaviedol koncept „strednej voľnej cesty“. Maxwell vychádzal z myšlienky plynu ako súboru mnohých ideálne elastických guľôčok, ktoré sa chaoticky pohybujú v uzavretom priestore. Guľôčky (molekuly) je možné rozdeliť do skupín podľa rýchlosti, pričom v stacionárnom stave zostáva počet molekúl v každej skupine konštantný, hoci môžu do skupín opúšťať a vstupovať do nich. Z tejto úvahy vyplynulo, že „častice sa rozdeľujú rýchlosťou podľa rovnakého zákona, podľa ktorého sa rozdeľujú pozorovacie chyby v teórii metódy najmenších štvorcov, teda v súlade s Gaussovou štatistikou“. Maxwell v rámci svojej teórie vysvetlil Avogadrov zákon, difúziu, tepelnú vodivosť, vnútorné trenie (teóriu prenosu). V roku 1867 ukázal štatistickú povahu druhého termodynamického zákona („Maxwellov démon“).

V roku 1831, v roku Maxwellovho narodenia, uskutočnil M. Faraday klasické experimenty, ktoré ho priviedli k objavu elektromagnetickej indukcie. Maxwell začal študovať elektrinu a magnetizmus asi o 20 rokov neskôr, keď existovali dva názory na povahu elektrických a magnetických efektov. Vedci ako A. M. Ampere a F. Neumann sa držali konceptu pôsobenia na veľké vzdialenosti a považovali elektromagnetické sily za analogické s gravitačnou príťažlivosťou medzi dvoma hmotami. Faraday bol zástancom myšlienky siločiar, ktoré spájajú kladné a záporné elektrické náboje alebo severný a južný pól magnetu. Siločiary vypĺňajú celý okolitý priestor (pole, Faradayovou terminológiou) a určujú elektrické a magnetické interakcie. Po Faradayovi Maxwell vyvinul hydrodynamický model siločiar a vyjadril vtedy známe vzťahy elektrodynamiky v matematickom jazyku zodpovedajúcom Faradayovým mechanickým modelom. Hlavné výsledky tohto výskumu sa odrážajú v práci „Faraday Lines of Force“ ( Faradayove siločiary, 1857). V rokoch 1860-1865 vytvoril Maxwell teóriu elektromagnetického poľa, ktorú sformuloval vo forme sústavy rovníc (Maxwellových rovníc) popisujúcich základné zákony elektromagnetických javov: 1. rovnica vyjadrovala Faradayovu elektromagnetickú indukciu; 2. - magnetoelektrická indukcia, objavená Maxwellom a založená na predstavách o posuvných prúdoch; 3. - zákon zachovania elektriny; 4. - vírivý charakter magnetického poľa.

Pokračujúc v rozvíjaní týchto myšlienok Maxwell dospel k záveru, že akékoľvek zmeny v elektrickom a magnetickom poli musia spôsobiť zmeny v siločiarach, ktoré prenikajú okolitým priestorom, to znamená, že v médiu sa musia šíriť impulzy (alebo vlny). Rýchlosť šírenia týchto vĺn (elektromagnetické rušenie) závisí od dielektrickej a magnetickej permeability prostredia a rovná sa pomeru elektromagnetickej jednotky k elektrostatickej. Podľa Maxwella a ďalších výskumníkov je tento pomer 3,4 * 10 10 cm/s, čo je blízko rýchlosti svetla, ktorú o sedem rokov skôr nameral francúzsky fyzik A. Fizeau. V októbri 1861 Maxwell informoval Faradaya o svojom objave: svetlo je elektromagnetické rušenie šíriace sa v nevodivom prostredí, teda typ elektromagnetickej vlny. Táto posledná fáza výskumu je načrtnutá v Maxwellovom diele Dynamická teória elektromagnetického poľa (Pojednanie o elektrine a magnetizme, 1864) a výsledok jeho práce o elektrodynamike bol zhrnutý v slávnom Pojednaní o elektrine a magnetizme (1873) .

Teória elektromagnetického poľa a najmä z nej vyplývajúci záver o existencii elektromagnetických vĺn počas Maxwellovho života zostali čisto teoretickými konceptmi, ktoré nemali žiadne experimentálne potvrdenie a súčasníci ich často vnímali ako „hru mysle. “ V roku 1887 Nemecký fyzik Heinrich Hertz uskutočnil experiment, ktorý plne potvrdil Maxwellove teoretické závery.

V posledných rokoch svojho života sa Maxwell zaoberal prípravou tlače a vydávaním Cavendishovho rukopisného dedičstva. V októbri 1879 vyšli dva veľké zväzky.

James Maxwell je fyzik, ktorý ako prvý sformuloval základy klasickej elektrodynamiky. Používajú sa dodnes. Známa je slávna Maxwellova rovnica, bol to on, kto zaviedol do tejto vedy také pojmy ako posuvný prúd, elektromagnetické pole, predpovedal elektromagnetické vlny, povahu a tlak svetla a urobil mnoho ďalších dôležitých objavov.

Fyzik z detstva

Fyzik Maxwell sa narodil v 19. storočí v roku 1831. Narodil sa v Edinburghu v Škótsku. Hrdina nášho článku pochádzal z rodiny úradníkov, jeho otec vlastnil rodinný majetok v Južnom Škótsku. V roku 1826 si našiel ženu menom Frances Kay, vzali sa a o 5 rokov neskôr sa im narodil James.

V detstve sa Maxwell a jeho rodičia presťahovali na panstvo v Middleby, kde strávil svoje detstvo, ktoré bolo značne zatienené smrťou jeho matky na rakovinu. Už v prvých rokoch svojho života sa aktívne zaujímal o svet okolo seba, mal rád poéziu a bol obklopený takzvanými „vedeckými hračkami“. Napríklad predchodca kina „magic disc“.

Vo veku 10 rokov začal študovať u domáceho učiteľa, čo sa však ukázalo ako neúčinné, a tak sa v roku 1841 presťahoval do Edinburghu k svojej tete. Tu začal navštevovať Edinburskú akadémiu, ktorá kládla dôraz na klasické vzdelanie.

Štúdium na univerzite v Edinburghu

V roku 1847 tu začal študovať budúci fyzik James Maxwell. Študoval práce z fyziky, magnetizmu a filozofie a uskutočnil množstvo laboratórnych experimentov. Najviac ho zaujímali mechanické vlastnosti materiálov. Skúmal ich pomocou polarizovaného svetla. Fyzik Maxwell mal túto príležitosť po tom, čo mu jeho kolega William Nicol dal dve polarizačné zariadenia, ktoré sám zostavil.

V tom čase vyrábal veľké množstvo modelov zo želatíny, podroboval ich deformáciám, sledoval farebné maľby v polarizovanom svetle. Porovnaním svojich experimentov s teoretickým výskumom Maxwell odvodil mnoho nových zákonov a otestoval staré. V tom čase boli výsledky tejto práce pre stavebnú mechaniku mimoriadne dôležité.

Maxwell v Cambridge

V roku 1850 chce Maxwell pokračovať vo vzdelávaní, hoci jeho otec nie je touto myšlienkou nadšený. Vedec ide do Cambridge. Tam vstupuje na lacnú Peterhouse College. Učivo, ktoré tam bolo k dispozícii, Jamesa neuspokojovalo a štúdium na Peterhouse neposkytovalo žiadne vyhliadky.

Až na konci prvého semestra sa mu podarilo presvedčiť otca a prestúpiť na prestížnejšiu Trinity College. O dva roky neskôr sa stáva štipendistom a dostáva samostatnú izbu.

Zároveň sa Maxwell prakticky nevenuje vedeckej činnosti, číta a navštevuje prednášky významných vedcov svojej doby, píše poéziu a podieľa sa na intelektuálnom živote univerzity. Hrdina nášho článku veľa komunikuje s novými ľuďmi, vďaka čomu kompenzuje svoju prirodzenú plachosť.

Maxwellova denná rutina bola zaujímavá. Od 7:00 do 17:00 pracoval, potom zaspal. Opäť som vstal o 21.30, čítal a od druhej do pol tretej v noci som si išiel zabehať priamo na chodby hostela. Potom som si opäť ľahla, aby som spala až do rána.

Elektroinštalačné práce

Počas pobytu v Cambridge sa fyzik Maxwell vážne zaujímal o problémy elektriny. Skúma magnetické a elektrické efekty.

V tom čase Michael Faraday predložil teóriu elektromagnetickej indukcie, siločiar schopných spájať záporné a kladné elektrické náboje. Maxwellovi sa však tento koncept konania na diaľku nepáčil, jeho intuícia mu hovorila, že niekde sú rozpory. Preto sa rozhodol skonštruovať matematickú teóriu, ktorá by spojila výsledky získané zástancami pôsobenia na veľké vzdialenosti a Faradayovho znázornenia. Použil metódu analógie a aplikoval výsledky, ktoré predtým dosiahol William Thomson pri analýze procesov prenosu tepla v pevných látkach. Po prvýkrát teda poskytol odôvodnené matematické zdôvodnenie toho, ako dochádza k prenosu elektrického pôsobenia v určitom prostredí.

Farebné fotografie

V roku 1856 odišiel Maxwell do Aberdeenu, kde sa čoskoro oženil. V júni 1860 na kongrese Britskej asociácie, ktorý sa konal v Oxforde, hrdina nášho článku predkladá dôležitú správu o svojom výskume v oblasti teórie farieb, ktorý podporuje konkrétnymi experimentmi s použitím farebného boxu. V tom istom roku mu bola udelená medaila za prácu v oblasti kombinovania optiky a farieb.

V roku 1861 v Royal Institution poskytol nezvratný dôkaz o správnosti svojej teórie – ide o farebnú fotografiu, na ktorej pracoval od roku 1855. Toto ešte nikto na svete neurobil. Negatívy natáčal cez niekoľko filtrov – modrý, zelený a červený. Nasvietením negatívov cez rovnaké filtre sa mu podarí získať farebný obraz.

Maxwellova rovnica

V biografii Jamesa Clerka Maxwella mal na neho silný vplyv aj Thomson. V dôsledku toho prichádza k záveru, že magnetizmus má vírový charakter a elektrický prúd má translačný charakter. Vytvára mechanický model, aby všetko názorne demonštroval.

Výsledný posuvný prúd viedol k známej rovnici kontinuity, ktorá sa dodnes používa na elektrický náboj. Podľa súčasníkov sa tento objav stal najvýznamnejším Maxwellovým príspevkom do modernej fyziky.

Posledné roky života

Maxwell strávil posledné roky svojho života v Cambridge na rôznych administratívnych pozíciách a stal sa prezidentom Filozofickej spoločnosti. Spolu so svojimi študentmi študoval šírenie vĺn v kryštáloch.

Zamestnanci, ktorí s ním spolupracovali, opakovane poznamenali, že sa s ním čo najjednoduchšie komunikovalo, venoval sa výlučne výskumu, mal jedinečnú schopnosť preniknúť do podstaty samotného problému, bol veľmi bystrý a zároveň primerane reagoval na kritiku. , nikdy netúžil stať sa slávnym, no zároveň bol schopný veľmi rafinovaného sarkazmu.

Prvé príznaky vážnej choroby sa objavili v roku 1877, keď mal Maxwell iba 46 rokov. Čoraz častejšie sa začal dusiť, bolo pre neho ťažké jesť a prehĺtať jedlo a pociťoval silné bolesti.

Po dvoch rokoch bolo pre neho veľmi ťažké prednášať, verejne vystupovať, veľmi rýchlo sa unavil. Lekári poznamenali, že jeho stav sa neustále zhoršuje. Diagnóza lekárov bola sklamaním – rakovina brucha. Na konci roka sa úplne zoslabnutý vrátil z Glenlare do Cambridge. V tom čase slávny doktor James Paget sa snažil zmierniť jeho utrpenie.

V novembri 1879 Maxwell zomrel. Rakva s jeho telom bola prevezená z Cambridge na rodinné sídlo, pochovaná vedľa jeho rodičov na malom dedinskom cintoríne v Partone.

olympiády na počesť Maxwella

Spomienka na Maxwella je zachovaná v názvoch ulíc, budov, astronomických objektov, ocenení a charitatívnych nadácií. V Moskve sa každoročne koná aj Maxwellova fyzikálna olympiáda.

Prebieha pre žiakov od 7. do 11. ročníka vrátane. Pre školákov 7. – 8. ročníka sú výsledky Maxwellovej fyziky náhradou za regionálne a celoruské stupne olympiády pre školákov vo fyzike.

Pre účasť v regionálnej fáze je potrebné získať dostatočný počet bodov v predbežnom výbere. Regionálne a záverečné fázy Maxwellovej olympiády vo fyzike sa konajú v dvoch fázach. Jedna z nich je teoretická a druhá je experimentálna.

Je zaujímavé, že úlohy Maxwellovej olympiády vo fyzike sa vo všetkých fázach zhodujú v úrovni náročnosti s testami záverečných fáz všeruskej olympiády pre školákov.

MAXWELL, James Clerk

Anglický fyzik James Clerk Maxwell sa narodil v Edinburghu v rodine škótskeho šľachtica zo šľachtického rodu Clerk. Najprv študoval v Edinburghu (1847 – 1850), potom na univerzitách v Cambridge (1850 – 1854). V roku 1855 sa Maxwell stal členom rady Trinity College v rokoch 1856–1860. bol profesorom na Marischal College, University of Aberdeen, a od roku 1860 viedol katedru fyziky a astronómie na King's College, University of London. V roku 1865, kvôli vážnej chorobe, Maxwell odstúpil z oddelenia a usadil sa na svojom rodinnom majetku Glenlare neďaleko Edinburghu. Tam pokračoval v štúdiu vedy a napísal niekoľko esejí o fyzike a matematike. V roku 1871 nastúpil na katedru experimentálnej fyziky na univerzite v Cambridge. Maxwell zorganizoval výskumné laboratórium, ktoré bolo otvorené 16. júna 1874 a bolo pomenované Cavendish na počesť Henryho Cavendisha.

V roku 1857 Cambridgeská univerzita vyhlásila súťaž o najlepšiu prácu o stabilite Saturnových prstencov. Tieto útvary objavil Galileo na začiatku 17. storočia. a predstavovalo úžasné tajomstvo prírody: planéta sa zdala byť obklopená tromi súvislými sústrednými prstencami, ktoré pozostávali z látky neznámej povahy. Laplace dokázal, že nemôžu byť pevné. Po vykonaní matematickej analýzy sa Maxwell presvedčil, že nemôžu byť kvapalné, a dospel k záveru, že takáto štruktúra môže byť stabilná iba vtedy, ak pozostáva z roja nesúvisiacich meteoritov. Stabilita prstencov je zabezpečená ich priťahovaním k Saturnu a vzájomným pohybom planéty a meteoritov. Za túto prácu dostal Maxwell Cenu J. Adamsa.

Jednou z prvých Maxwellových prác bola jeho kinetická teória plynov. V roku 1859 vedec podal správu na stretnutí Britskej asociácie, v ktorej prezentoval distribúciu molekúl podľa rýchlosti (maxwellovské rozdelenie). Maxwell rozvinul myšlienky svojho predchodcu vo vývoji kinetickej teórie plynov Rudolfom Clausiusom, ktorý zaviedol pojem „stredná voľná cesta“. Maxwell vychádzal z myšlienky plynu ako súboru mnohých ideálne elastických guľôčok, ktoré sa chaoticky pohybujú v uzavretom priestore. Guľôčky (molekuly) je možné rozdeliť do skupín podľa rýchlosti, pričom v stacionárnom stave zostáva počet molekúl v každej skupine konštantný, hoci môžu do skupín opúšťať a vstupovať do nich. Z tejto úvahy vyplynulo, že „častice sa rozdeľujú rýchlosťou podľa rovnakého zákona, ako sa rozdeľujú pozorovacie chyby v teórii metódy najmenších štvorcov, t.j. podľa Gaussových štatistík." Maxwell v rámci svojej teórie vysvetlil Avogadrov zákon, difúziu, tepelnú vodivosť, vnútorné trenie (teóriu prenosu). V roku 1867 ukázal štatistickú povahu druhého zákona termodynamiky.

V roku 1831, v roku, keď sa Maxwell narodil, Michael Faraday uskutočnil klasické experimenty, ktoré ho priviedli k objavu elektromagnetickej indukcie. Maxwell začal študovať elektrinu a magnetizmus asi o 20 rokov neskôr, keď existovali dva názory na povahu elektrických a magnetických efektov. Vedci ako A. M. Ampere a F. Neumann sa držali konceptu pôsobenia na veľké vzdialenosti a považovali elektromagnetické sily za analogické s gravitačnou príťažlivosťou medzi dvoma hmotami. Faraday bol zástancom myšlienky siločiar, ktoré spájajú kladné a záporné elektrické náboje alebo severný a južný pól magnetu. Siločiary vypĺňajú celý okolitý priestor (pole, Faradayovou terminológiou) a určujú elektrické a magnetické interakcie. Po Faradayovi Maxwell vyvinul hydrodynamický model siločiar a vyjadril vtedy známe vzťahy elektrodynamiky v matematickom jazyku zodpovedajúcom Faradayovým mechanickým modelom. Hlavné výsledky tohto výskumu sa odrážajú v práci „Faraday's Lines of Force“ (1857). V rokoch 1860-1865 Maxwell vytvoril teóriu elektromagnetického poľa, ktorú sformuloval vo forme sústavy rovníc (Maxwellove rovnice) popisujúcich základné zákony elektromagnetických javov: 1. rovnica vyjadrovala Faradayovu elektromagnetickú indukciu; 2. – magnetoelektrická indukcia, objavená Maxwellom a založená na predstavách o posuvných prúdoch; 3. – zákon zachovania elektriny; 4. – vírový charakter magnetického poľa.

Pokračujúc v rozvíjaní týchto myšlienok Maxwell dospel k záveru, že akékoľvek zmeny v elektrickom a magnetickom poli by mali spôsobiť zmeny v siločiarach, ktoré prenikajú do okolitého priestoru, t.j. v médiu sa musia šíriť impulzy (alebo vlny). Rýchlosť šírenia týchto vĺn (elektromagnetické rušenie) závisí od dielektrickej a magnetickej permeability prostredia a rovná sa pomeru elektromagnetickej jednotky k elektrostatickej. Podľa Maxwella a ďalších výskumníkov je tento pomer 3·10 10 cm/s, čo je blízko rýchlosti svetla, ktorú o sedem rokov skôr nameral francúzsky fyzik A. Fizeau. V októbri 1861 Maxwell informoval Faradaya o svojom objave: svetlo je elektromagnetické rušenie šíriace sa v nevodivom prostredí, t.j. druh elektromagnetickej vlny. Táto posledná fáza výskumu je načrtnutá v Maxwellovom diele „Dynamická teória elektromagnetického poľa“ (1864) a výsledok jeho práce o elektrodynamike bol zhrnutý v slávnom „Pojednaní o elektrine a magnetizme“ (1873).

James-Clerk MAXWELL

(13.6.1831, Edinburgh, - 5.11.1879, Cambridge)

James Clerk Maxwell – anglický fyzik, tvorca klasickej elektrodynamiky, jeden zo zakladateľov štatistickej fyziky, sa narodil v Edinburghu v roku 1831.
Maxwell je synom škótskeho šľachtica zo šľachtickej rodiny úradníkov. Študoval na univerzitách v Edinburghu (1847-50) a Cambridge (1850-54). Člen Kráľovskej spoločnosti v Londýne (1860). Profesor na Marischal College v Aberdeene (1856-60), potom na Londýnskej univerzite (1860-65). Od roku 1871 je Maxwell profesorom na Cambridgeskej univerzite. Tam založil prvé britské špeciálne fyzikálne laboratórium Cavendish Laboratory, ktorého bol od roku 1871 riaditeľom.
Maxwellove vedecké aktivity zahŕňajú problémy elektromagnetizmu, kinetická teória plynov, optika, teória pružnosti a oveľa viac. Maxwell dokončil svoje prvé dielo „O kreslení oválov a o ováloch s mnohými trikmi“, keď ešte nemal 15 rokov (1846, publikované v roku 1851). Niektoré z jeho prvých štúdií boli práce o fyziológii a fyzike farebného videnia a kolorimetrie (1852-72). V roku 1861 Maxwell prvýkrát predviedol farebný obraz získaný súčasným premietaním červených, zelených a modrých diapozitívov na plátno, čím dokázal platnosť trojzložkovej teórie farebného videnia a zároveň načrtol spôsoby vytvárania farebnej fotografie. Vytvoril jeden z prvých prístrojov na kvantitatívne meranie farieb, nazvaný Maxwellov disk.
V rokoch 1857-59. Maxwell vykonal teoretickú štúdiu stability Saturnových prstencov a ukázal, že Saturnove prstence môžu byť stabilné iba vtedy, ak pozostávajú z nesúvisiacich pevných častíc.
Vo výskume elektriny a magnetizmu (články „O Faradayových siločiarach“, 1855-56; „O fyzikálnych siločiarach“, 1861-62; „Dynamická teória elektromagnetického poľa“, 1864; dvojzväzkové základné „Pojednanie o Elektrina a magnetizmus", 1873) Maxwell matematicky rozvinul názory Michaela Faradaya na úlohu stredného média v elektrických a magnetických interakciách. Pokúsil sa (po Faradayovi) interpretovať toto médium ako všadeprítomný svetový éter, ale tieto pokusy neboli úspešné.
Ďalší vývoj fyziky ukázal, že nositeľom elektromagnetických interakcií je elektromagnetického poľa, ktorej teóriu (v klasickej fyzike) Maxwell vytvoril. V tejto teórii Maxwell zhrnul všetky v tom čase známe fakty makroskopickej elektrodynamiky a po prvýkrát predstavil myšlienku posuvného prúdu generujúceho magnetické pole ako obyčajný prúd (vodivý prúd, pohybujúce sa elektrické náboje). Maxwell vyjadril zákony elektromagnetického poľa vo forme sústavy 4 parciálnych diferenciálnych rovníc ( Maxwellove rovnice).
Všeobecný a komplexný charakter týchto rovníc sa prejavil v tom, že ich analýza umožnila predpovedať mnohé dovtedy neznáme javy a vzorce.
Z nich teda vyplývala existencia elektromagnetických vĺn, ktoré neskôr experimentálne objavil G. Hertz. Štúdiom týchto rovníc dospel Maxwell k záveru o elektromagnetickej povahe svetla (1865) a ukázal, že rýchlosť akýchkoľvek iných elektromagnetických vĺn vo vákuu sa rovná rýchlosti svetla.
Zmeral (s väčšou presnosťou ako W. Weber a F. Kohlrausch v roku 1856) pomer elektrostatickej jednotky náboja k elektromagnetickej a potvrdil jej zhodnosť s rýchlosťou svetla. Maxwellova teória predpokladala, že elektromagnetické vlny vytvárajú tlak.
Svetelný tlak experimentálne stanovil v roku 1899 P. N. Lebedev.
Maxwellova teória elektromagnetizmu získala úplné experimentálne potvrdenie a stala sa všeobecne uznávaným klasickým základom modernej fyziky. Úlohu tejto teórie jasne opísal A. Einstein: „... tu nastal veľký zlom, ktorý je navždy spojený s menami Faraday, Maxwell, Hertz. Leví podiel na tejto revolúcii patrí Maxwellovi... Po Maxwellovi bola fyzikálna realita koncipovaná vo forme súvislých polí, ktoré sa nedajú mechanicky vysvetliť... Táto zmena v poňatí reality je najhlbšia a najplodnejšia z tých, ktoré fyzika zažil od čias Newtona".
V štúdiách molekulárnej kinetickej teórie plynov (články „Vysvetlenia dynamickej teórie plynov“, 1860 a „Dynamická teória plynov“, 1866) Maxwell ako prvý vyriešil štatistický problém distribúcie rýchlosti ideálneho plynu. molekuly ( Maxwellova distribúcia). Maxwell vypočítal závislosť viskozity plynu od rýchlosti a strednej voľnej dráhy molekúl (1860), vypočítal ich absolútnu hodnotu a odvodil množstvo dôležitých termodynamických vzťahov (1860). Experimentálne sa meral koeficient viskozity suchého vzduchu (1866). V rokoch 1873-74. Maxwell objavil fenomén dvojitého lomu v prúde ( Maxwellov efekt).
Maxwell bol veľkým popularizátorom vedy. Napísal množstvo článkov pre Encyclopedia Britannica, populárne knihy ako „Teória tepla“ (1870), „Hmota a pohyb“ (1873), „Elektrina v elementárnej expozícii“ (1881), preložené do ruštiny. Významným príspevkom do dejín fyziky je Maxwellova publikácia rukopisov diel G. Cavendisha o elektrine (1879) s rozsiahlymi komentármi.