Джеймс Клерк Максвелл -James Clerk Maxwell

Джеймс Клерк Максвелл ФРСЭ ФРС
Родился	( 1831-06-13 )13 июня 1831 г. Эдинбург , Шотландия
Умер	5 ноября 1879 г. (1879-11-05)(48 лет) Кембридж , Англия
Место отдыха	Партон, Кирккадбрайтшир 55,006693° с.ш. 4,039210° з.д. 55°00′24″ с.ш. 4°02′21″ з.д. /  / 55.006693; -4.039210
Альма-матер
Известен
Супруг	Кэтрин Клерк Максвелл ​ ​ ( м.   1858 )
Награды
Научная карьера
Поля	Физика и математика
Учреждения
Академические консультанты	Уильям Хопкинс
Известные студенты
Влияния	Сэр Исаак Ньютон , Майкл Фарадей , Томас Янг
Под влиянием	Практически вся последующая физика
Подпись

Джеймс Клерк Максвелл FRSE FRS (13 июня 1831 - 5 ноября 1879) был шотландским математиком и ученым, ответственным за классическую теорию электромагнитного излучения , которая была первой теорией, описывающей электричество, магнетизм и свет как различные проявления одного и того же явления. Уравнения Максвелла для электромагнетизма были названы « вторым великим объединением в физике » , первое из которых было реализовано Исааком Ньютоном .

Опубликовав в 1865 году « Динамическую теорию электромагнитного поля », Максвелл продемонстрировал, что электрические и магнитные поля распространяются в пространстве как волны , движущиеся со скоростью света . Он предположил, что свет представляет собой волнистость в той же среде, которая является причиной электрических и магнитных явлений. Объединение световых и электрических явлений привело его к предсказанию существования радиоволн . Максвелл также считается основателем современной области электротехники .

Он помог разработать распределение Максвелла-Больцмана , статистическое средство описания аспектов кинетической теории газов . Он также известен тем, что представил первую долговечную цветную фотографию в 1861 году и за свою основополагающую работу по анализу жесткости стержневых каркасов ( ферм ), подобных тем, что используются во многих мостах.

Его открытия помогли открыть эру современной физики, заложив основу для таких областей, как специальная теория относительности и квантовая механика . Многие физики считают Максвелла ученым 19-го века, оказавшим наибольшее влияние на физику 20-го века. Многие считают, что его вклад в науку не уступает вкладу Исаака Ньютона и Альберта Эйнштейна . В опросе тысячелетия — опросе 100 самых выдающихся физиков — Максвелл был признан третьим величайшим физиком всех времен, уступая только Ньютону и Эйнштейну. К столетию со дня рождения Максвелла Эйнштейн назвал работу Максвелла «самой глубокой и самой плодотворной из всех, что пережила физика со времен Ньютона». Когда Эйнштейн посетил Кембриджский университет в 1922 году, хозяин сказал ему, что он совершил великие дела, потому что стоял на плечах Ньютона; Эйнштейн ответил: «Нет, я стою на плечах Максвелла».

Жизнь

Молодость, 1831–1839 гг.

Место рождения Клерка Максвелла на Индии, 14 в Эдинбурге, теперь является домом для Фонда Джеймса Клерка Максвелла .

Джеймс Клерк Максвелл родился 13 июня 1831 года на Индиа-стрит, 14 в Эдинбурге в семье Джона Клерка Максвелла из Миддлби , адвоката, и Фрэнсис Кей, дочери Роберта Ходшона Кея и сестры Джона Кея . (В его месте рождения сейчас находится музей, управляемый Фондом Джеймса Клерка Максвелла .) Его отец был человеком с хорошим достатком из семьи Клерков Пеникуика , обладателей титула баронета Клерка Пеникуика . Брат его отца был 6-м баронетом . Он родился «Джон Клерк», добавив «Максвелл» к своему собственному после того, как унаследовал (в младенчестве в 1793 году) поместье Миддлби, собственность Максвелла в Дамфрисшире. Джеймс приходился двоюродным братом художнице Джемайме Блэкберн (дочери сестры его отца) и инженеру-строителю Уильяму Дайсу Кею (сыну брата его матери). Кей и Максвелл были близкими друзьями, и Кей был его шафером, когда Максвелл женился.

Родители Максвелла познакомились и поженились, когда им было далеко за тридцать; его матери было почти 40, когда он родился. У них был один более ранний ребенок, дочь по имени Элизабет, которая умерла в младенчестве.

Когда Максвелл был молод, его семья переехала в Гленлэр , графство Кирккадбрайтшир, который его родители построили на территории поместья площадью 1500 акров (610 га). Все указывает на то, что Максвелл с раннего возраста проявлял неутолимое любопытство. К трем годам все, что двигалось, светилось или шумело, вызывало вопрос: «А что с того?» В отрывке, добавленном к письму его отца невестке Джейн Кей в 1834 году, его мать описала это врожденное чувство любознательности:

Он очень счастливый человек и сильно поправился с тех пор, как погода стала умеренной; он отлично работает с дверями, замками, ключами и т. д., и «покажи мне, как это делается» никогда не выходит из его уст. Он также исследует скрытое течение ручьев и колокольных проводов, то, как вода из пруда проникает через стену...

Образование, 1839–1847 гг.

Признавая потенциал мальчика, мать Максвелла Фрэнсис взяла на себя ответственность за его раннее образование, которое в викторианскую эпоху в основном было работой домохозяйки. В восемь лет он мог читать длинные отрывки из Джона Мильтона и весь 119-й псалом (176 стихов). Действительно, его знание Священных Писаний уже было подробным; он мог дать главу и стих почти любой цитате из псалмов. Его мать заболела раком брюшной полости и после неудачной операции умерла в декабре 1839 года, когда ему было восемь лет. За его образованием тогда наблюдали его отец и невестка его отца Джейн, которые сыграли ключевую роль в его жизни. Его формальное обучение началось безуспешно под руководством 16-летнего наемного репетитора. Мало что известно о молодом человеке, нанятом для обучения Максвелла, за исключением того, что он жестоко обращался с младшим мальчиком, упрекая его за медлительность и своенравие. Наставник был уволен в ноябре 1841 года. 12 февраля 1842 года отец Джеймса отвел его на демонстрацию Робертом Дэвидсоном электрического движения и магнитной силы, что имело глубокие последствия для мальчика.

Эдинбургская академия, где Максвелл получил образование

Максвелла отправили в престижную Эдинбургскую академию . Во время семестра он жил в доме своей тети Изабеллы. В это время его страсть к рисованию поощряла его старшая кузина Джемайма. 10-летний Максвелл, выросший в одиночестве в загородном поместье своего отца, плохо вписывался в школу. Первый год был полным, что вынудило его присоединиться ко второму курсу с одноклассниками на год старше его. Его манеры и акцент Галлоуэя казались другим мальчикам простоватыми. Придя в свой первый день в школу в самодельных туфлях и тунике, он заслужил недоброе прозвище « Ненормальный ». Казалось, он никогда не обижался на этот эпитет, безропотно перенося его в течение многих лет. Социальная изоляция в Академии закончилась, когда он встретил Льюиса Кэмпбелла и Питера Гатри Тейта , двух мальчиков того же возраста, которые позже стали известными учеными. Они остались друзьями на всю жизнь.

Максвелл был очарован геометрией в раннем возрасте, заново открыв для себя правильные многогранники , прежде чем он получил какие-либо формальные инструкции. Несмотря на то, что на втором курсе он выиграл школьную премию за биографию Священных Писаний, его академическая работа оставалась незамеченной, пока в возрасте 13 лет он не выиграл школьную медаль по математике и первую премию как по английскому языку, так и по поэзии.

Интересы Максвелла выходили далеко за рамки школьной программы, и он не уделял особого внимания экзаменационной успеваемости. Свою первую научную работу он написал в возрасте 14 лет. В ней он описал механические средства рисования математических кривых с помощью куска шпагата, а также свойства эллипсов , декартовых овалов и связанных с ними кривых с более чем двумя фокусами . Работа 1846 года «Об описании овальных кривых и кривых, имеющих множество фокусов» была представлена ​​Королевскому обществу Эдинбурга Джеймсом Форбсом , профессором натурфилософии Эдинбургского университета , поскольку Максвелл был сочтен слишком молодым . самому представить работу. Работа не была полностью оригинальной, так как Рене Декарт также исследовал свойства таких мультифокальных эллипсов в 17 веке, но Максвелл упростил их построение.

Эдинбургский университет, 1847–1850 гг.

Старый колледж, Эдинбургский университет

Максвелл покинул Академию в 1847 году в возрасте 16 лет и начал посещать занятия в Эдинбургском университете . У него была возможность поступить в Кембриджский университет , но после первого семестра он решил пройти полный курс бакалавриата в Эдинбурге. В состав академического персонала университета входили некоторые уважаемые имена; среди его наставников на первом курсе были сэр Уильям Гамильтон , который читал ему лекции по логике и метафизике , Филип Келланд по математике и Джеймс Форбс по натурфилософии . Он не считал свои занятия требовательными и поэтому мог погрузиться в частные занятия в свободное время в университете и особенно дома в Гленлере. Там он экспериментировал с импровизированными химическими, электрическими и магнитными приборами; однако его главные заботы касались свойств поляризованного света . Он сконструировал фигурные блоки из желатина , подверг их различным нагрузкам и с помощью пары поляризационных призм , подаренных ему Уильямом Николем , рассмотрел цветные полосы, образовавшиеся внутри желе. Благодаря этой практике он открыл фотоупругость , которая является средством определения распределения напряжения в физических структурах.

В возрасте 18 лет Максвелл представил две статьи для трудов Королевского общества Эдинбурга . Один из них, «О равновесии упругих тел», заложил основу для важного открытия в его жизни, которое заключалось в временном двойном лучепреломлении , возникающем в вязких жидкостях под действием напряжения сдвига . Другой его статьей была «Качающиеся кривые», и, как и в случае со статьей «Овальные кривые», которую он написал в Эдинбургской академии, его снова сочли слишком молодым, чтобы стоять на трибуне, чтобы представить ее самому. Вместо этого статью доставил в Королевское общество его наставник Келланд.

Кембриджский университет, 1850–1856 гг.

Молодой Максвелл из Тринити-колледжа в Кембридже держит в руках один из своих цветовых кругов .

В октябре 1850 года, уже состоявшийся математик, Максвелл уехал из Шотландии в Кембриджский университет . Сначала он учился в Питерхаусе , но перед окончанием своего первого срока перешел в Тринити , где, по его мнению, было бы легче получить стипендию . В Тринити он был избран в элитное тайное общество, известное как Кембриджские Апостолы . Интеллектуальное понимание Максвеллом своей христианской веры и науки быстро росло в годы его пребывания в Кембридже. Он присоединился к «Апостолам», исключительному дискуссионному обществу интеллектуальной элиты, где через свои эссе стремился выработать это понимание.

Теперь мой великий план, который был задуман давным-давно, ... состоит в том, чтобы ничего не оставлять умышленно неисследованным. Ничто не должно быть святой землей, посвященной Стабильной Вере, будь то положительное или отрицательное. Все залежные земли должны быть распаханы с соблюдением регулярной системы севооборота. ... Никогда ничего не скрывайте, будь то травка или нет, и не желайте этого скрывать. ... Опять же, я заявляю о праве вторжения на любой участок Святой Земли, выделенный кем-либо. ... Теперь я убежден, что никто, кроме христианина, не может на самом деле очистить свою землю от этих святых мест. ... Я не говорю, что ни у одного христианина нет закрытых мест такого рода. У многих много, и у каждого есть. Но есть обширные и важные трактаты на территории Насмешников, Пантеистов, Спокойников, Формалистов, Догматиков, Сладострастников и прочих, которые открыто и торжественно Табуированы. ..."

Христианство, то есть библейская религия, является единственной системой или формой веры, которая отрекается от любой собственности при таком владении. Только здесь все бесплатно. Вы можете полететь на край света и не найти Бога, кроме Творца Спасения. Вы можете исследовать Писание и не найти текста, который остановил бы вас в ваших исследованиях. ...

Ветхий Завет, Моисеев закон и иудаизм обычно считаются «табуированными» ортодоксами. Скептики делают вид, что читали их, и нашли некоторые остроумные возражения... которые допускают слишком многие из ортодоксальных непрочитанных, и затыкают тему как назойливую. Но приходит Свеча, чтобы изгнать всех призраков и медвежатников. Давайте следовать за светом.

Летом на третьем курсе Максвелл провел некоторое время в Саффолке , в доме преподобного С. Б. Тайлера , дяди одноклассника Г. В. Х. Тайлера. Любовь Бога, проявленная семьей, произвела впечатление на Максвелла, особенно после того, как священник и его жена вылечили его от болезни.

По возвращении в Кембридж Максвелл пишет своему недавнему хозяину болтливое и нежное письмо, включающее следующие показания:

... У меня есть способность быть более злым, чем любой пример, который мог бы подать мне человек, и ... если я убегу, то только по милости Божьей, помогающей мне избавиться от себя, частично в науке, более полно в обществе , — но не в совершенстве, кроме как вверив себя Богу...

В ноябре 1851 года Максвелл учился у Уильяма Хопкинса , чей успех в воспитании математического гения принес ему прозвище « старший спорщик ».

В 1854 году Максвелл окончил Тринити со степенью математика. Он получил второе место на выпускном экзамене, уступив Эдварду Рауту и ​​заработав себе титул второго спорщика. Позже он был объявлен равным Раусу в более требовательном испытании на получение премии Смита . Сразу после получения степени Максвелл прочитал свою статью «О преобразовании поверхностей путем изгиба» в Кембриджском философском обществе . Это одна из немногих написанных им чисто математических статей, демонстрирующая его растущий статус математика. Максвелл решил остаться в Trinity после выпуска и подал заявку на стипендию, что, как он предполагал, могло занять пару лет. Воодушевленный своим успехом в качестве студента-исследователя, он будет свободен, помимо некоторых обязанностей по обучению и экзаменам, заниматься научными интересами на досуге.

Природа и восприятие цвета были одним из таких интересов, которым он начал заниматься в Эдинбургском университете, когда был студентом Forbes. С помощью цветных волчков , изобретенных Forbes, Максвелл смог продемонстрировать, что белый свет возникает в результате смешения красного, зеленого и синего света. В его статье «Опыты с цветом» излагались принципы сочетания цветов, и она была представлена ​​Эдинбургскому королевскому обществу в марте 1855 года. На этот раз Максвелл смог представить ее сам.

Максвелл стал членом Тринити 10 октября 1855 г., раньше, чем это было принято, и его попросили подготовить лекции по гидростатике и оптике , а также сдать экзаменационные работы. В феврале следующего года журнал Forbes призвал его подать заявку на вновь освободившуюся кафедру естественной философии в Маришаль-колледже в Абердине . Его отец помог ему подготовить необходимые рекомендации, но умер 2 апреля в Гленлере, прежде чем кто-либо из них узнал результат кандидатуры Максвелла. Он принял должность профессора в Абердине, покинув Кембридж в ноябре 1856 года.

Маришальский колледж, Абердин, 1856–1860 гг.

Максвелл доказал, что кольца Сатурна состоят из множества мелких частиц.

25-летний Максвелл был на добрых 15 лет моложе любого другого профессора Маришальского университета. Он занялся своими новыми обязанностями заведующего кафедрой, разработав программу и подготовив лекции. Он взял на себя обязательство читать лекции 15 часов в неделю, включая еженедельные бесплатные лекции в местном рабочем колледже. Он жил в Абердине со своим двоюродным братом Уильямом Дайсом Кеем , шотландским инженером-строителем, в течение шести месяцев учебного года и проводил лето в Гленлере, который он унаследовал от своего отца.

Джеймс Клерк Максвелл и его жена, Джемайма Блэкберн

Он сосредоточил свое внимание на проблеме, которая ускользала от внимания ученых в течение 200 лет: природе колец Сатурна . Было неизвестно, как они могли оставаться стабильными, не распадаясь, не улетая и не врезаясь в Сатурн. Проблема приобрела особый резонанс в то время, потому что Колледж Святого Иоанна в Кембридже выбрал ее в качестве темы для премии Адамса 1857 года . Максвелл посвятил два года изучению проблемы, доказав, что обычное сплошное кольцо не может быть устойчивым, в то время как жидкое кольцо под действием волн вынуждено распадаться на капли. Поскольку ни того, ни другого не наблюдалось, он пришел к выводу, что кольца должны состоять из множества мелких частиц, которые он назвал «кирпичными летучими мышами», каждая из которых независимо вращается вокруг Сатурна. Максвелл был удостоен премии Адамса в размере 130 фунтов стерлингов в 1859 году за эссе «Об устойчивости движения колец Сатурна»; он был единственным участником, добившимся достаточного прогресса, чтобы подать заявку. Его работа была настолько подробной и убедительной, что, когда Джордж Бидделл Эйри прочитал ее, он прокомментировал: «Это одно из самых замечательных приложений математики к физике, которые я когда-либо видел». Это считалось последним словом в этом вопросе, пока непосредственные наблюдения пролетов " Вояджеров " в 1980-х годах не подтвердили предсказание Максвелла о том, что кольца состоят из частиц. Однако теперь стало понятно, что частицы колец вовсе не стабильны, поскольку их притягивает гравитация к Сатурну. Ожидается, что кольца полностью исчезнут в течение следующих 300 миллионов лет.

В 1857 году Максвелл подружился с преподобным Дэниелом Дьюаром, который тогда был директором Маришаля. Через него Максвелл познакомился с дочерью Дьюара, Кэтрин Мэри Дьюар . Они были помолвлены в феврале 1858 года и поженились в Абердине 2 июня 1858 года. В записи о браке Максвелл указан как профессор естественной философии в Маришальском колледже в Абердине. Кэтрин была на семь лет старше Максвелла. О ней известно сравнительно немного, хотя известно, что она помогала в его лаборатории и работала над экспериментами по вязкости . Биограф и друг Максвелла, Льюис Кэмпбелл, проявлял нехарактерную сдержанность в отношении Кэтрин, хотя и описывал их супружескую жизнь как «беспримерную преданность».

В 1860 году Маришальский колледж объединился с соседним Королевским колледжем и образовал Абердинский университет . Для двух профессоров естествознания не нашлось места, поэтому Максвелл, несмотря на свою научную репутацию, оказался уволен. Ему не удалось подать заявку на недавно освободившееся кресло Forbes в Эдинбурге, вместо этого пост достался Тейту . Вместо этого Максвелл получил кафедру естественной философии в Королевском колледже в Лондоне . Выздоровев после почти смертельного приступа оспы в 1860 году, он вместе с женой переехал в Лондон.

Королевский колледж, Лондон, 1860–1865 гг.

Празднование уравнений Максвелла в Королевском колледже. Одна из трех одинаковых мемориальных досок IEEE Milestone, остальные находятся на месте рождения Максвелла в Эдинбурге и в семейном доме в Гленлере.

Время, проведенное Максвеллом в King's, было, вероятно, самым продуктивным в его карьере. Он был награжден медалью Рамфорда Королевского общества в 1860 году за свою работу над цветом, а позже был избран в Общество в 1861 году. В этот период своей жизни он показал первую в мире светостойкую цветную фотографию, что дало дальнейшее развитие его идеям о вязкости . газов и предложить систему определения физических величин, известную теперь как размерный анализ . Максвелл часто посещал лекции в Королевском институте , где он регулярно общался с Майклом Фарадеем . Отношения между двумя мужчинами нельзя было назвать близкими, потому что Фарадей был на 40 лет старше Максвелла и проявлял признаки дряхлости . Тем не менее они сохраняли сильное уважение к талантам друг друга.

Голубая табличка, 16 Palace Gardens Terrace, Кенсингтон, дом Максвелла, 1860–1865 гг.

Это время особенно примечательно достижениями Максвелла в области электричества и магнетизма. Он исследовал природу как электрических, так и магнитных полей в своей статье « О физических силовых линиях », состоящей из двух частей , которая была опубликована в 1861 году. В ней он представил концептуальную модель электромагнитной индукции , состоящей из крошечных вращающихся ячеек магнитного потока . Позже к той же статье в начале 1862 года были добавлены и опубликованы еще две части. В первой дополнительной части он обсуждал природу электростатики и тока смещения . Во второй дополнительной части он занимался вращением плоскости поляризации света в магнитном поле — явлением, открытым Фарадеем и теперь известным как эффект Фарадея .

Поздние годы, 1865–1879 гг.

Надгробие в Партон-Кирк (Галлоуэй) Джеймса Клерка Максвелла, его родителей и жены.

Этот мемориальный камень Джеймсу Клерку Максвеллу стоит на лужайке перед церковью, рядом с военным мемориалом в Партоне (Галлоуэй).

В 1865 году Максвелл оставил кафедру в Королевском колледже в Лондоне и вернулся в Гленлэр с Кэтрин. В своей статье «О регуляторах» (1868 г.) он математически описал поведение регуляторов — устройств, контролирующих скорость паровых машин, — тем самым заложив теоретическую основу техники управления. В своей статье «О взаимных фигурах, каркасах и диаграммах сил» (1870 г.) он рассмотрел жесткость различных конструкций решетки. Он написал учебник «Теория тепла» (1871 г.) и трактат « Материя и движение» (1876 г.). Максвелл также был первым, кто явно использовал анализ размерностей в 1871 году.

В 1871 году он вернулся в Кембридж, чтобы стать первым Кавендишским профессором физики . Максвелл был назначен ответственным за развитие Кавендишской лаборатории , контролируя каждый шаг в ходе строительства и закупки коллекции оборудования. Одним из последних крупных вкладов Максвелла в науку было редактирование (с обильными оригинальными примечаниями) исследования Генри Кавендиша , из которого выяснилось, что Кавендиш исследовал, среди прочего, такие вопросы, как плотность Земли и состав воды. В 1876 году он был избран членом Американского философского общества .

• 

  Копия 1879 г. «Электрические исследования достопочтенного Генри Кавендиша FRS» под редакцией Максвелла.

• 

  Титульный лист экземпляра 1879 года «Электрические исследования достопочтенного Генри Кавендиша FRS»

• 

  Введение Максвелла в копию «Электрических исследований достопочтенного Генри Кавендиша FRS» 1879 года.

В апреле 1879 года у Максвелла начались проблемы с глотанием, что стало первым симптомом его смертельной болезни.

Максвелл умер в Кембридже от рака брюшной полости 5 ноября 1879 года в возрасте 48 лет. Его мать умерла в том же возрасте от того же типа рака. Министр, который регулярно навещал его в последние недели его жизни, был поражен его ясностью сознания, огромной силой и широтой его памяти, но более конкретно отмечает:

... его болезнь вытянула все сердце, душу и дух человека: его твердую и несомненную веру в Воплощение и все его результаты; в полной достаточности Искупления; в работе Святого Духа. Он измерил и измерил все схемы и системы философии и нашел их совершенно пустыми и неудовлетворительными — «неработоспособными» было его собственное слово о них, — и с простой верой обратился к Евангелию Спасителя.

Когда смерть приблизилась, Максвелл сказал коллеге из Кембриджа:

Я думал о том, как очень нежно со мной всегда обращались. У меня за всю жизнь ни разу не было сильного толчка. Единственное желание, которое у меня может быть, это, подобно Давиду, послужить своему поколению по воле Божией, а затем уснуть.

Максвелл похоронен в Партон - Кирке, недалеко от замка Дуглас в Галлоуэе, недалеко от того места, где он вырос. Расширенная биография «Жизнь Джеймса Клерка Максвелла », написанная его бывшим школьным товарищем и давним другом профессором Льюисом Кэмпбеллом , была опубликована в 1882 году. Его собрание сочинений было выпущено в двух томах издательством Кембриджского университета в 1890 году.

Распорядителями имущества Максвелла были его врач Джордж Эдвард Пэджет , Г. Г. Стоукс и Колин Маккензи, двоюродный брат Максвелла. Перегруженный работой, Стоукс передал документы Максвелла Уильяму Гарнетту , который фактически хранил документы примерно до 1884 года.

Рядом с хоровой ширмой в Вестминстерском аббатстве ему установлена ​​памятная надпись .

Джеймс Клерк Максвелл, Джемайма Блэкберн

Личная жизнь

Будучи большим любителем шотландской поэзии , Максвелл запоминал стихи и писал свои собственные. Самая известная из них — «Rigid Body Sings », основанная на « Comin' Through the Rye » Роберта Бернса , которую он, по-видимому, пел, аккомпанируя себе на гитаре. Он имеет начальные строки

Джин тело встречает тело

Летать по воздуху.
Джин тело ударил тело,

Будет ли он летать? И где?

Сборник его стихов был опубликован его другом Льюисом Кэмпбеллом в 1882 году.

В описаниях Максвелла отмечается, что его замечательные интеллектуальные качества сочетаются с социальной неловкостью.

Максвелл был евангелическим пресвитерианином и в последние годы жизни стал старейшиной Шотландской церкви . Религиозные верования Максвелла и связанные с ними действия были в центре внимания ряда статей. Посещая в детстве службы как в Шотландской церкви (деноминация его отца), так и в епископальной церкви (конфессия его матери), Максвелл прошел евангелистское обращение в апреле 1853 года. Один аспект этого обращения, возможно, связал его с антипозитивистской позицией.

Научное наследие

Электромагнетизм

Открытка от Максвелла Питеру Тейту

Максвелл изучал и комментировал электричество и магнетизм еще в 1855 году, когда его статья «О силовых линиях Фарадея» была прочитана в Кембриджском философском обществе . В документе представлена ​​упрощенная модель работы Фарадея и то, как связаны электричество и магнетизм. Он свел все текущие знания в связанный набор дифференциальных уравнений с 20 уравнениями с 20 переменными. Позднее эта работа была опубликована под названием « О физических силовых линиях » в марте 1861 года.

Примерно в 1862 году, читая лекции в Королевском колледже, Максвелл вычислил, что скорость распространения электромагнитного поля примерно равна скорости света . Он считал это большим, чем просто совпадение, комментируя: «Едва ли мы можем избежать вывода, что свет состоит из поперечных волнистостей той же самой среды, которая является причиной электрических и магнитных явлений.

Работая над проблемой дальше, Максвелл показал, что уравнения предсказывают существование волн колеблющихся электрических и магнитных полей , которые распространяются в пустом пространстве со скоростью, которую можно было бы предсказать из простых электрических экспериментов; используя имеющиеся в то время данные, Максвелл получил скорость 310 740 000 метров в секунду (1,0195 × 10 ⁹  футов/с). В своей статье 1865 года « Динамическая теория электромагнитного поля » Максвелл писал: «Совпадение результатов, по-видимому, показывает, что свет и магнетизм являются воздействиями одного и того же вещества, и что свет представляет собой электромагнитное возмущение, распространяющееся через поле в соответствии с электромагнитные законы».

Его знаменитые двадцать уравнений в их современной форме дифференциальных уравнений в частных производных впервые появились в полностью разработанной форме в его учебнике «Трактат об электричестве и магнетизме » в 1873 году. и то, что он занял кресло Кавендиша. Оливер Хевисайд сократил сложность теории Максвелла до четырех дифференциальных уравнений в частных производных , известных теперь под общим названием законы Максвелла или уравнения Максвелла . Хотя потенциалы стали гораздо менее популярными в девятнадцатом веке, использование скалярных и векторных потенциалов теперь является стандартным при решении уравнений Максвелла.

Как описывают Барретт и Граймс (1995):

Максвелл выразил электромагнетизм в алгебре кватернионов и сделал электромагнитный потенциал центральным элементом своей теории. В 1881 году Хевисайд заменил электромагнитное потенциальное поле силовыми полями в качестве центрального элемента электромагнитной теории. По словам Хевисайда, электромагнитное потенциальное поле было произвольным, и его нужно было «убить». ( sic ) Несколько лет спустя между Хевисайдом и [Питером Гатри] Тейтом ( sic ) состоялись дебаты об относительных достоинствах векторного анализа и кватернионов . Результатом стало осознание того, что нет необходимости в более глубоком физическом понимании, обеспечиваемом кватернионами , если теория была чисто локальной, и векторный анализ стал обычным явлением.

Максвелл оказался прав, и его количественная связь между светом и электромагнетизмом считается одним из величайших достижений математической физики 19 века .

Максвелл также ввел понятие электромагнитного поля по сравнению с силовыми линиями, описанными Фарадеем. Поняв распространение электромагнетизма как поля, испускаемого активными частицами, Максвелл смог продвинуть свою работу над светом. В то время Максвелл считал, что для распространения света необходима среда для волн, названная светоносным эфиром . Со временем существование такой среды, пронизывающей все пространство и все же явно не обнаруживаемой механическими средствами, оказалось невозможным согласовать с такими экспериментами, как эксперимент Майкельсона-Морли . Более того, по-видимому, требовалась абсолютная система отсчета, в которой уравнения были бы справедливы, с неприятным результатом, заключающимся в том, что уравнения меняли форму для движущегося наблюдателя. Эти трудности вдохновили Альберта Эйнштейна на формулировку специальной теории относительности ; в процессе Эйнштейн отказался от требования неподвижного светоносного эфира .

Цветовое зрение

Первое стойкое цветное фотографическое изображение, продемонстрированное Максвеллом на лекции 1861 года.

Как и большинство физиков того времени, Максвелл сильно интересовался психологией. Следуя по стопам Исаака Ньютона и Томаса Янга , он особенно интересовался изучением цветового зрения . С 1855 по 1872 год Максвелл периодически публиковал серию исследований, касающихся восприятия цвета, дальтонизма и теории цвета, и был награжден медалью Румфорда за «Теорию цветового зрения».

Исаак Ньютон продемонстрировал с помощью призм, что белый свет, такой как солнечный свет , состоит из ряда монохроматических компонентов , которые затем можно рекомбинировать в белый свет. Ньютон также показал, что оранжевая краска, состоящая из желтого и красного, может выглядеть точно так же, как монохроматический оранжевый свет, хотя и состоит из двух монохроматических желтого и красного огней. Отсюда парадокс, который озадачил физиков того времени: два сложных света (состоящие из более чем одного монохроматического света) могли выглядеть одинаково, но быть физически разными, называемыми метамерами . Позже Томас Янг предположил, что этот парадокс можно объяснить тем, что цвета воспринимаются через ограниченное количество каналов в глазах, которые он предложил тройственными, трехцветная теория цвета . Максвелл использовал недавно разработанную линейную алгебру для доказательства теории Юнга. Любой монохроматический свет, стимулирующий три рецептора, должен в равной степени стимулироваться набором из трех разных монохроматических источников света (фактически, любым набором из трех разных источников света). Он продемонстрировал, что это так, изобретя эксперименты по сопоставлению цветов и колориметрию .

Максвелл также интересовался применением своей теории восприятия цвета, а именно в цветной фотографии . Вытекает непосредственно из его психологической работы по восприятию цвета: если сумма любых трех источников света может воспроизвести любой воспринимаемый цвет, то цветные фотографии можно создавать с помощью набора из трех цветных фильтров. В своей статье 1855 года Максвелл предположил, что если три черно-белые фотографии сцены сделать через красный, зеленый и синий фильтры , а прозрачные отпечатки изображений проецировать на экран с помощью трех проекторов, оснащенных подобных фильтров, при наложении на экран результат воспринимался бы человеческим глазом как полное воспроизведение всех цветов сцены.

Во время лекции Королевского института 1861 года по теории цвета Максвелл представил первую в мире демонстрацию цветной фотографии с использованием этого принципа трехцветного анализа и синтеза. Снимок сделал Томас Саттон , изобретатель зеркального фотоаппарата с одним объективом . Он трижды сфотографировал шотландскую ленту через красный, зеленый и синий фильтры, а также сделал четвертую фотографию через желтый фильтр, который, по словам Максвелла, не использовался в демонстрации. Поскольку фотопластинки Саттона были нечувствительны к красному и едва чувствительны к зеленому, результаты этого новаторского эксперимента были далеки от совершенства. В опубликованном отчете о лекции было отмечено, что «если бы красное и зеленое изображения были сфотографированы так же полно, как синее», это «было бы действительно цветное изображение ленты». менее преломляемыми лучами, представление цветов объектов может быть значительно улучшено». Исследователи в 1961 году пришли к выводу, что, казалось бы, невозможный частичный успех воздействия с красным фильтром был связан с ультрафиолетовым светом, который сильно отражается некоторыми красными красителями, не полностью блокируется используемым красным фильтром и находится в диапазоне чувствительности влажного коллодия . процесс , который использовал Саттон.

Кинетическая теория и термодинамика

Демон Максвелла , мысленный эксперимент, в котором энтропия уменьшается

Максвелл также исследовал кинетическую теорию газов. Созданная Даниэлем Бернулли , эта теория была развита последовательными работами Джона Герапата , Джона Джеймса Уотерстона , Джеймса Джоуля и особенно Рудольфа Клаузиуса до такой степени, что ее общая точность не вызывает сомнений; но огромное развитие она получила от Максвелла, который в этой области выступил как экспериментатор (по законам газового трения), так и как математик.

Между 1859 и 1866 годами он разработал теорию распределения скоростей в частицах газа, которую впоследствии обобщил Людвиг Больцман . Формула, называемая распределением Максвелла-Больцмана , дает долю молекул газа, движущихся с определенной скоростью при любой заданной температуре. В кинетической теории температура и тепло связаны только с молекулярным движением. Этот подход обобщил ранее установленные законы термодинамики и объяснил существующие наблюдения и эксперименты лучше, чем это было достигнуто ранее. Его работа по термодинамике привела его к разработке мысленного эксперимента , который стал известен как демон Максвелла , в котором второй закон термодинамики нарушается воображаемым существом, способным сортировать частицы по энергии.

В 1871 году он установил термодинамические соотношения Максвелла , которые представляют собой утверждения о равенстве вторых производных термодинамических потенциалов по различным термодинамическим переменным. В 1874 году он построил гипсовую термодинамическую визуализацию как способ изучения фазовых переходов на основе графических работ по термодинамике американского ученого Джозайи Уилларда Гиббса .

Теория управления

Максвелл опубликовал статью «О губернаторах» в Proceedings of the Royal Society , vol. 16 (1867–1868). Эта статья считается центральной статьей первых дней теории управления . Здесь «регулятор» относится к регулятору или центробежному регулятору , используемому для регулирования паровых двигателей .

Наследие

Памятник Джеймсу Клерку Максвеллу в Эдинбурге работы Александра Стоддарта . По заказу Королевского общества Эдинбурга; представлен в 2008 году.

Публикации

• Максвелл, Джеймс Клерк (1873 г.), Трактат об электричестве и магнетизме, том I , Оксфорд: Clarendon Press
• Максвелл, Джеймс Клерк (1873 г.), Трактат об электричестве и магнетизме, том II , Оксфорд: Clarendon Press
• Максвелл, Джеймс Клерк (1881 г.), Элементарный трактат об электричестве , Оксфорд: Clarendon Press
• Максвелл, Джеймс Клерк (1890 г.), Научные статьи Джеймса Клерка Максвелла Том I , Dover Publication
• Максвелл, Джеймс Клерк (1890 г.), Научные статьи Джеймса Клерка Максвелла Том II , Кембридж, University Press
• Максвелл, Джеймс Клерк (1908), Теория тепла , Longmans Green Co.
• Три вклада Максвелла в Британскую энциклопедию появились в девятом издании (1878 г.): Atom , Atom Attraction , Attraction и Ether Ether ; и три в одиннадцатом издании (1911 г.): капиллярное действие , диаграмма и Фарадей, Майкл .

Заметки

использованная литература

• Барретт, Теренс Уильям; Граймс, Дейл Миллс (1995). Расширенный электромагнетизм: основы, теория и приложения . Всемирная научная. ISBN 978-981-02-2095-2.
• Дюэм, Пьер Морис Мари (2015). Электрические теории Дж. Клерка Максвелла . Бостонские исследования философии и истории науки. Том. 314. Перевод Аверсы, Алана. Спрингер. doi : 10.1007/978-3-319-18515-6 . ISBN 978-3-319-18515-6. Проверено 8 июля 2015 г.
• Кэмпбелл, Льюис; Гарнетт, Уильям (1882 г.). Жизнь Джеймса Клерка Максвелла (PDF) . Эдинбург: Макмиллан. OCLC  2472869 .
• Эйджес, Леонард (1972). Классическое электромагнитное поле . Нью-Йорк: Довер. ISBN 9780486639475.
• Гарднер, Мартин (2007). Последние воссоздания: гидры, яйца и другие математические мистификации . Спрингер-Верлаг. ISBN 978-0-387-25827-0.
• Глейзбрук, RT (1896 г.). Джеймс Клерк Максвелл и современная физика . 811951455. OCLC  811951455 .
• Харман, Питер М. (1998). Натурфилософия Джеймса Клерка Максвелла . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-00585-Х.
• Харман, Питер М. (2004). «Максвелл, Джеймс». Оксфордский национальный биографический словарь (онлайн-изд.). Издательство Оксфордского университета. doi : 10.1093/ref:odnb/5624 . (Требуется подписка или членство в публичной библиотеке Великобритании .)
• Махон, Бэзил (2003). Человек, который изменил все - жизнь Джеймса Клерка Максвелла . Уайли. ISBN 0-470-86171-1.
• Портер, Рой (2000). Научно-биографический словарь Хатчинсона . Ходдер Арнольд H&S. ISBN 978-1-85986-304-6. OCLC  59409209 .
• Руссо, Ремихио (1996). Математические задачи упругости . Всемирная научная. ISBN 981-02-2576-8.
• Тейт, Питер Гатри (1911). «Максвелл, Джеймс Клерк»  . В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия . Том. 17 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета.
• Тимошенко, Стивен (1983). История сопротивления материалов . Курьер Довер. ISBN 978-0-486-61187-7.
• Толстой, Иван (1982). Джеймс Клерк Максвелл: биография . Издательство Чикагского университета. ISBN 0-226-80787-8. OCLC  8688302 .
• Уорик, Эндрю (2003). Магистр теории: Кембридж и рост математической физики . Издательство Чикагского университета. ISBN 0-226-87374-9.
• Уотерстон, Чарльз Д.; Макмиллан Ширер, А. (июль 2006 г.). Бывшие члены Королевского общества Эдинбурга 1783–2002 гг.: Биографический указатель (PDF) . Том. II. Эдинбург: Королевское общество Эдинбурга . ISBN 978-0-902198-84-5.
• Вильчек, Франк (2015). «Максвелл I: Эстетика Бога. II: Двери восприятия» . Красивый вопрос: в поисках глубинного замысла природы . Аллен Лейн. стр. 117–164. ISBN 978-0-7181-9946-3.

внешние ссылки

• Портреты Джеймса Клерка Максвелла в Национальной портретной галерее, Лондон
• Работы Джеймса Клерка Максвелла в Project Gutenberg
• Работы Джеймса Клерка Максвелла или о нем в Internet Archive
• Работы Джеймса Клерка Максвелла в LibriVox (аудиокниги, являющиеся общественным достоянием)
• О'Коннор, Джон Дж. ; Робертсон, Эдмунд Ф. , «Джеймс Клерк Максвелл» , архив истории математики MacTutor , Сент-Эндрюсский университет
• «Генеалогия и герб Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879)» . Нумерикана.
• «Фонд Джеймса Клерка Максвелла» .
• «Максвелл, Джеймс Клерк (последняя воля и завещание Максвелла)» . scotlandspeople.gov.uk. 31 мая 2013 г.
• «Опубликованные научные статьи и книги Джеймса Клерка Максвелла» (PDF) . Клерк Фонда Максвелла.
• «Библиография» (PDF) . Клерк Фонда Максвелла.
• Джеймс Клерк Максвелл, «Эксперименты по восприятию цвета глазом, с замечаниями по дальтонизму» . Труды Королевского общества Эдинбурга , том. 3, нет. 45, стр. 299–301. (цифровое факсимиле из библиотеки Линды Холл )
• Максвелл , дискуссия на BBC Radio 4 с Саймоном Шаффером, Питером Харманом и Джоанной Хей ( In Our Time , 2 октября 2003 г.)
• Эйнштейн из Шотландии: Джеймс Клерк Максвелл - Человек, изменивший мир , документальный фильм BBC Two, 2015 г.