Текст книги "Максвелл"

Математика, впервые примененная Эпинусом к изучению электрических и магнитных явлений, привела его ко многим важнейшим выводам. Он заметил, что частицы как электрической, так и магнитной «жидкостей» взаимодействуют между собой «даже на значительном расстоянии», правда, ограниченном «атмосферой магнита». Эпинус постулирует, что сила взаимодействия пропорциональна электрическим зарядам и, исходя из всеобщей гармонии природы, уменьшается, как и ньютоновское взаимодействие гравитационных масс, пропорционально квадрату расстояния, – то есть предвосхищает закон Кулона!

Однако Эпинус неправильно полагал, что электричество сосредоточено во всем объеме тела, а не на его поверхности, и это помешало ему высказаться более категорично и заявить свои права на открытие. Эпинус строит первый воздушный конденсатор, выясняет роль в конденсаторе стекла не как накопителя электричества, а как сохранителя его, раньше Вольты (Вольта признавал это) изобретает простейший прибор для накопления электричества – электрофор, открывает миру пироэлектричество, образующееся не при трении, а при нагревании у турмалина.

Имя Эпинуса было в большой чести в Кембридже и стояло никак не ниже имени, например, Франклина. Мастер Тринити Вильям Вевелл в своей «Истории индуктивных наук» высоко вознес это имя в Кембридже. А во времена Кавендиша Эпинус вообще был одним из величайших авторитетов в теории электричества. Вевелл возносил Эпинуса даже в противовес Франклину, утверждая, что «та великая слава, какой он (Франклин) пользовался при жизни, зависела от ясности и искусства, с какими он излагал свои открытия, от того, что он занимался электричеством в величественной форме грома и молнии, и отчасти, может быть, оттого, что он был американец и политический человек...»

Кавендиш поначалу не соглашался с ненастойчиво выраженным мнением Эпинуса о том, что сила взаимодействия электрически заряженных тел обратно пропорциональна второй степени расстояния. Он полагал сначала, что показатель степени при расстоянии не вполне равен двум; он предполагал, что этот показатель находится где-то в области между 1 и 3. И лишь впоследствии, в 1772 году, изучая работу сферического конденсатора, он сам доказал, что, будь показатель степени при расстоянии не точно двойкой, электричество при установлении проводящего контакта между обкладками такого конденсатора неизбежно перетекало бы с внешней обкладки на незаряженную внутреннюю. А этого, как показал Кавендиш, не происходило.

Это было доказательством того, что позже будет названо законом Кулона. Почему Кулона? Потому что Кавендиш в свое время не счел необходимым публиковать свои результаты.

Говорят, слишком долго пролежавшее вино превращается в уксус. Печальный, но поучительный факт! Ни одно из открытий Кавендиша не осталось неоткрытым в течение ста лет. История науки сама поставила эксперимент, заставив гениального ученого по неясным соображениям прятать свои открытия от мира. И ни одно из них в течение ста лет не ускользнуло от внимательного любопытства других, шаг науки оказался необычайно размеренным и закономерным, несмотря на все случайные повороты пути. Многому учит нас этот эксперимент. По-видимому, бесполезно искать сейчас, через несколько десятилетий, пропавшие рукописи гениального последователя Максвелла – Хевисайда: можно определенно утверждать, что все гениальное, что в них было, уже стало нашим достоянием благодаря трудам других авторов. Печально, но не суждено в рукописях давно умерших ученых найти то, что оплодотворило бы современную науку. И Максвелл тоже убедился в этом. Своим идеям нельзя было давать отлеживаться слишком долго; скорость научного движения возрастала, и того, кто не двигался вместе с наукой, неизбежно ждала бы участь отстающего. Нельзя было терять темп. Необходимо было наверстывать упущенное время.

МАКСВЕЛЛ НАЧИНАЕТ ПОНИМАТЬ ТЕРМОДИНАМИКУ

Неизвестно, кто предложил в 1876 году организовать в Лондоне выставку исторических научных приборов, но идея эта всем понравилась. Уже стало очевидно тогда влияние наук на прогресс или отставание стран, и на этот раз научные приборы, как некогда плоды земли, должны были лишний раз продемонстрировать миру, как велика маленькая Англия и как приумножает она и хранит научную славу.

Квадрант Тихо Браге, телескоп и «оккьялино» Галилея, арифмометр Паскаля, костяшки-счеты Непера, электрический телеграф Земмеринга, старинные швейцарские часы из дуврского замка, магдебургские полушария Отто фон Герике. И как завершающий, торжественный аккорд – английская часть выставки: астролябия сэра Френсиса Дрейка, телескоп Ньютона, безопасная шахтерская лампа Дэви, магнитоэлектрические аппараты Фарадея, аппараты Форбса и Брюстера, барометр Дальтона. Да, неплохо выглядела Англия, особенно Англия XIX века, на этой выставке. Тем более что экскурсоводами этой выставки были виднейшие английские ученые, и в том числе – в отделе молекулярной физики – Максвелл.

В мае 1876 года Максвелл писал своему дяде и другу, брату покойной матери, Роберту Кею:

«Меня послали в Лондон для того, чтобы объяснить королеве, почему Отто фон Герике посвятил себя открытию „ничего“, и показать ей два полушария, в которых он содержал это „ничего“, и картины, изображающие 16 лошадей, которые не могли оторвать полушария друг от друга, и как через 200 лет В.Крукс подошел гораздо ближе к „ничего“ и запечатал его в стеклянный шар для публичного обозрения. Ее Величество, однако, отпустила нас довольно легко и не доставила нам с „ничего“ много хлопот – видимо, у нее была еще бездна тяжелой работы на конец дня...»

Можно вообразить, как на фоне уникальных приборов – научных реликвий, свидетелей прозрений гениев – стоит Джеймс Клерк Максвелл перед «маленькой дамой в сером» – королевой Викторией, живым символом процветающей викторианской Англии, перед ее сестрой, германской императрицей, перед собравшимися тут же вельможами и затерявшимися между ними виднейшими учеными Европы, как размышляет о том, что сказать ему сейчас, с этой внезапно представившейся трибуны, какие свои идеи обнародовать, подчеркнуть, во что заставить поверить эту пеструю толпу?

Сейчас они могут выслушать все, в эти отмеренные несколько минут, они будут делать понимающие глаза и кивать головами. Сейчас можно говорить все.

И Максвелл начинает говорить... о Гиббсе. О никому не известном Джозайя Уилларде Гиббсе из Йельского колледжа в Соединенных Штатах Америки, о котором и самому-то Максвеллу несколько лет назад было ничего не известно и могло бы остаться неизвестным и далее, если бы не одна его, Гиббса, своеобразная особенность.

Дело в том, что после выхода каждого очередного своего труда Гиббс, стройный тридцатисемилетний холостяк с короткой бородкой на скуластом лице, принимался за трудную работу. Справедливо полагая, что ни один серьезный европейский ученый не возьмет в руки, скажем, «Труды Коннектикутской Академии наук», где он печатался, Гиббс, положив перед собой список в 507 имен, начинал собственноручно отсылать всем известным ему ученым из двадцати стран оттиски своих трудов.

И не без умысла. Чтобы кто-нибудь начал читать его статьи и, более того, дочитал бы их до конца, потребовалось бы известное усилие, которое Гиббс и стимулировал столь искусно своим эпистолярным вниманием!

Гиббс в своих статьях не делал никаких предварительных замечаний и текущих комментариев. Все манипуляции над формулами и понятиями проделывались им в собственном мозгу, и на долю читателя оставалось взирать на неизвестно откуда и каким путем полученные формулы, несущие глубокий физический смысл.

Настолько глубокий, что труды Гиббса поразили самого Максвелла. Более того, он безо всякого кокетства зимой 1873 года в письме к Тэту вдруг объявил, что наконец стал понимать термодинамику. В новых изданиях своей книги «Теория теплоты» он делает исправления и признает, что ранее излагал второе начало термодинамики неверно. Целую зиму мастерит Максвелл в Гленлейре модель гиббсовской термодинамической поверхности воды и потом демонстрирует ее королеве на выставке исторических научных инструментов.

Склад мышления Гиббса, его привязанности к диаграммам, графикам необычайно близки Максвеллу. У Гиббса он наконец понял то, чего не мог понять у Клаузиуса, – физический смысл энтропии, которая в толковании Гиббса была вполне измеримой величиной. Оказалось, что в течение чуть не двадцати лет вслед за Тэтом и Томсоном Максвелл, не понимая работ Клаузиуса, неверно толковал томсоновское второе начало через клаузиусовскую энтропию. И внутренне, вероятно, покраснел. Ну, Тэт, это понятно. Он ни в грош не ставит Клаузиуса из шовинистических соображений, никогда всерьез не читал его, но как мог он, Максвелл, не пробиться через всю эту немецкую словесную премудрость и не постичь правильного смысла энтропии? Может быть, потому, что энтропия – понятие трудно представимое, не поддающееся прямому моделированию, не то что легко измеримые работа, давление, объем, температура. Гиббс прибавил к этим физически ясным понятиям слово «энтропия».

Зримым следом увлечения Максвелла термодинамикой остались лишь его неопубликованные заметки по равновесию гетерогенных веществ и модели гиббсовских термодинамических поверхностей, которые были вылеплены Максвеллом и подарены Вильяму Томсону и Тэту и, конечно, Гиббсу.

Гиббс, как и сам Максвелл, был сдержан и немногословен, чужд тщеславия.

Когда его ученики, прекрасно знавшие о происхождении модели, которую он демонстрировал на своих лекциях, с ясной целью спрашивали его:

– А кто сделал эту модель?

Он отвечал обычно:

– Один мой друг.

– Какой друг? – следовал углубляющий вопрос.

– Друг из Англии.

Гиббс и Максвелл никогда не встречались...

...Вряд ли на королеву Викторию и ее пышное окружение горячая речь Максвелла произвела сколько-нибудь заметное впечатление. Отшелестели платья, отзвенели шпоры, и вот уже видно в окно, как трогаются шестерки лошадей, запряженных в придворные золоченые кареты. А в первой, в которую запряжены были лимонно-желтые, как бы тоже позолоченные лошади, укатила в Букингемский дворец та, чьим именем будут названы шестьдесят лет ее правления, – королева Виктория.

Да, судьба распорядилась так, что вся жизнь Максвелла уложилась в рамки «викторианской» Англии. Он был викторианским ученым, но его идеи перерастали викторианский век. Они предвосхищали уже век новый – двадцатый.

УЧЕНИКИ

Уже через много лет после смерти Максвелла, да и через много лет после смерти его преемников на посту директора Кавендишской лаборатории лорда Релея, бывшего Джона Стрэтта, Дж.Дж.Томсона и лорда Резерфорда возникла необходимость передвинуть один из рабочих столов, стоящий в лаборатории со дня ее основания и использовавшийся по традиции всеми директорами лаборатории. Когда его отодвинули от стены, в нем стало возможным открыть еще один ряд ящиков – и в одном из них оказались забытые бумаги и приборы человека, расщепившего атом, – Резерфорда. А в глубине ящика завалялась скатанная в шарик, пожелтевшая от времени бумажка.

Ее развернули...

На ней было написано:

«Джентльмены, посещавшие практические занятия

Лент-семестр 1877

М-р Христал Корпус[47]47
  В этой графе – названия колледжей Кембриджа.


[Закрыть]

« Шустер Эмануэль

« Шоу Даунинг

« Ом[48]48
  Автору книги не удалось напасть на след этого Ома, выяснить, кто это такой. И закралась дерзкая мысль: не был ли этот Ом невинной уловкой, шуткой Максвелла? Ведь чуть не вся лаборатория занята была проверкой закона Ома, и Ом все время незримо находился в Кавендишской лаборатории. Такая шутка была бы вполне в манере Максвелла.


[Закрыть] Даунинг

« Шаррат Сент-Джон

« Харгривс Тринити

« ...йзбрук Кингс»

Не сразу признали присутствовавшие руку великого Максвелла. А когда узнали – замолкли в волнении. Как будто появились перед ними в этой комнате, перед этим старинным письменным столом Максвелл и его ученики.

Вот стоят они, только что сдавшие с отличием математический трайпос бывшие студенты. Стоят вокруг стола, окружая его, Максвелла...

...Еще тогда, когда Максвелл был только назначен первым кавендишским профессором и строительство лаборатории, по сути дела, не начиналось, он старался четко определить задачи, которые встанут перед будущей лабораторией и перед ним лично.

«Джеймс Клерк Максвелл – Миссис Максвелл

20 марта 1871

Существует два мнения относительно профессорства. Одни хотят популярных лекций, а другие больше заботятся об экспериментальной работе. Мне кажется, здесь должна быть градация – популярные лекции для масс; настоящие эксперименты для настоящих студентов и, наконец, трудоемкие эксперименты для первоклассных людей, таких, как Троттер, Стюарт и Стрэтт».

Градация градацией, а профессору Максвеллу лично было интересней всего заниматься именно «трудоемкими» экспериментами с «первоклассными» людьми, и поэтому он при первой возможности сплавил прочие задачи демонстратору Вильяму Гарнетту из колледжа Сент-Джон, мечтая наконец-то здесь, в Кавендишской лаборатории, осуществить свою мечту – завести учеников, которые бы учились, исследуя, работая под его руководством, которых предостерегал бы он от ошибок и которым передал бы все, чем владел сам.

Поначалу учеников было немного. Сперва – один Хикс, затем целая группа – Гордон, Джордж Христал, Саундерс, Дональд Макалистер, Амбруаз Флеминг, Глэйзбрук, Шустер, Нивен, Пойнтинг, Шоу.

В Кембридже только-только была введена система защиты диссертаций, и для получения степеней необходимо было найти тему, разработать ее и защитить свои мысли. Многие искали темы в физике, в эксперименте. Они-то и оказались первыми Максвелловыми учениками, фактически – первыми аспирантами.

...Вот стоят они, столпившись вокруг стола в большом помещении физической лаборатории, самый запах которой им еще неведом, и профессор Максвелл объясняет им методику измерений сопротивления с помощью мостика Уитстона, и один из них, Глэйзбрук, вдруг сожалеет, что это объяснение не состоялось всего несколько недель назад – на трайпосе, изменившем свое лицо, повернувшемся наконец к физике. Вильям Стрэтт спросил его как раз про измерение сопротивления посредством мостика Уитстона.

Через несколько дней эти зеленые новички научились довольно лихо измерять электрические сопротивления и – вершина мастерства! – прилаживать неумелыми еще пальцами зеркальце к гальванометру Томсона. Затем еще несколько полезных уроков по обращению с лабораторными приборами – и все.

Аспиранты, еще не умеющие плавать, были брошены Максвеллом в океан большой науки.

Сам выбор темы для исследований был оставлен на их усмотрение – Максвелл только советовал. Причем не отговаривал и от никчемных, на его взгляд, экспериментов.

– Я никогда не отговариваю студента от намерения, – часто говорил Максвелл, – провести какой-нибудь эксперимент. Даже если он не найдет, что искал, он найдет что-то другое.

Своеобразный взгляд был у Максвелла и на измерительные приборы.

– Воспитательная ценность экспериментов, – говорил он, – зачастую обратно пропорциональна сложности приборов. Студент, пользующийся самодельной, неточно работающей установкой, часто научается большему, нежели тот, который работает с приборами, которым можно доверять, но которые страшно разобрать на отдельные части.

Максвелл был всегда погружен в собственные мысли, и иной раз казалось, что он не слышит обращающихся к нему с вопросом учеников. Он сам говаривал, что его мозг крепко защищен броней собственных проблем, и для ученика всегда было приятным сюрпризом, когда на следующий день рядом с ним появлялся профессор и говорил:

– Кстати, вы вчера задали мне вопрос, я подумал о нем и скажу вам вот что...

Нечего и говорить о том, что ответ был исчерпывающим.

Глэйзбрук, Христал и Саундерс решили проверить, справедлив ли закон Ома. Максвелл поддержал их.

Христал и Саундерс пропускали ток от батарей Даниэля через проводник – сначала ток был очень велик, а потом – бесконечно мал.

«Проф. Джеймс Клерк Максвелл – Проф. Льюису Кемпбеллу

Скруп-Террас II

Кембридж, 4 марта 1876

...Христал... непрерывно работал с октября, проверяя закон Ома, и Ом вышел из испытания с триумфом, хотя в некоторых экспериментах проволока накалялась проходящим током докрасна...»

Закон Ома соблюдался в опытах Христала с точностью до 0,000000001 процента.

Отпали сомнения в правильности закона Ома, выдвинутые некогда Вебером и Шустером Максвелл гордился результатами своих учеников не меньше, чем своими, особенно выделяя Христала и Нивена.

Максвелл переживал, когда они уходили, его ученики Шоу уехал в Берлин к Гельмгольцу, Пойнтинг вернулся к своим измерениям плотности Земли.

Глэйзбрук нашел свою тему – она перекликалась скорее с исследованиями Стокса – решил проверить френелевскую теорию поперечных колебаний в твердом эфире на двухосном кристалле арагонита. Эта тема должна была способствовать укреплению Максвелловой теории, поскольку электромагнитная теория света также приводила к поперечным колебаниям в эфире.

Глэйзбруку была выделена мрачная комната на верхнем этаже, служащая обычно для проведения оптических исследований и проявления фотопластинок. Там были черные стены, окрашенные сажей с пивом, и постоянное натриевое пламя, необходимое для спектроскопических экспериментов. Это делало атмосферу в комнатушке весьма тяжелой. Да и работа поначалу не ладилась, и Глэйзбруку пришлось спрашивать совета у Максвелла.

– Вы знаете, – ответил Максвелл, – другие вопросы образовали вокруг моей головы такую плотную корку, что вашему придется немного подождать, пока он просочится.

А через день или два подошел и сказал: если вы сделаете так и так, то, я думаю, все будет в порядке.

Так и оказалось. В надлежащий срок диссертация была написана и посвящена Максвеллу. Измеренная скорость волн была весьма близка к величинам, предсказываемым, исходя из френелевской и Максвелловой теорий.

Глэйзбрук по представлению Максвелла был избран «феллоу» – членом совета колледжа. Дальше работа была продолжена совместно Максвеллом и Глэйзбруком на другом кристалле. Под названием «Плоские волны в двухосном кристалле» она была доложена Максвеллом Королевскому обществу в июне 1878 года. Различие между следующими из теорий Максвелла и Френеля и экспериментальными данными было менее 0,00007. Такой же результат был получен на другом кристалле – исландского шпага. Этот результат был представлен Королевскому обществу летом 1879 года. Видимо, это была последняя научная работа по экспериментальной физике, в которой Максвелл принимал участие...

Ученики Максвелла со временем заняли видные места в мире английской науки.

Замкнутый Шустер, активный велосипедист и скалолаз, меценат и страстный путешественник, стал вице-президентом Королевского общества, предложил изящный метод определения отношения заряда к массе электрона по отклонению в магнитном поле и несколько других весьма ценных идей.

Интеллигентный Глэйзбрук, разделявший с Шустером страсть к альпинизму и с сыном Питера Тэта Фредди – к гольфу, стал первым директором Национальной физической лаборатории, где в аэродинамических трубах исследовались модели первых английских самолетов.

Талантливый земляк Христал – «второй спорщик» и первый лауреат премии Смита 1875 года – по рекомендации Максвелла занял кафедру математики в Эдинбургском университете и занимался в физической лаборатории Питера Тэта. После смерти Питера в 1901 году Христал стал генеральным секретарем Эдинбургского королевского общества. Христал многое сделал для усовершенствования телефона и фотоаппарата, для объяснения формы волн в шотландских озерах – лохах. Он написал учебник алгебры и пособие по геометрии для английских школ.

Самый молодой – Шоу, стал виднейшим английским метеорологом, директором Метеорологического управления. Он ввел в практику метеорологии исследования с помощью судов, воздушных шаров, он ввел в практику новую единицу – миллибар. Его долгая жизнь, увенчанная множеством наград и почестей, окончилась всего за несколько месяцев до конца второй мировой войны.

Среди двух студентов, присутствовавших на последней лекции Максвелла, был Амбруаз Флеминг. Он посвятил жизнь вопросам практического использования электромагнитных волн, открытых его учителем и обнаруженных Герцем. Вместе с Оливером Лоджем, испытавшим сильное влияние Максвелла, Флеминг стал «мозговым центром» у молодого и процветающего Маркони. Затем Флеминг работал с Эдисоном и сделал крупнейшее, можно сказать, революционное изобретение в радиотехнике: в 1904 году он изобрел первую радиолампу – диод.

Джон Генри Пойнтинг, проводивший под руководством Максвелла в Кавендишской лаборатории эксперименты по определению средней плотности Земли (а-ля Кавендиш), занял кафедру физики в Берлинском университете. Он получил от Королевского общества Королевскую медаль «за исследования по физике, особенно в связи с гравитационной постоянной и теориями электродинамики и радиации». Таким образом, он оказался одним из самых верных по отношению к Максвелловой тематике. Он ввел в теорию электромагнитного поля Максвелла важнейшее понятие вектора потока электромагнитной энергии – «вектора Умова – Пойнтинга» (русский ученый Н.А.Умов за десять лет до Пойнтинга ввел аналогичный вектор для звука).

И еще один, не бывший формально учеником Максвелла, но находившийся под сильнейшим его влиянием гений, оригинал и отшельник – Оливер Хевисайд. Хевисайд уже после смерти учителя произвел генеральную «чистку» уравнений Максвелла, устранил повторения, придал им современный вид. Кроме того, Хевисайд ввел в электро– и радиотехнику такие важнейшие понятия, как «линия без искажений» и «слой Хевисайда». Он разработал операторный и символический методы решения дифференциальных уравнений, дал «формулу разложения Хевисайда», и по сей день весьма почитаемую электриками-теоретиками. Он предвосхитил и многие важные выводы теории относительности.

...Почти все ученики Максвелла заняли видные места в английской науке, но ни один не смог бы похвастаться тем, что превзошел учителя. Множество можно придумать причин. Не смог сам Максвелл стать таким педагогом и учителем, который жил бы делами и славой своих учеников, – не такой был он, и не такими были они; и, может быть, главное, небосвод научной истории еще не повернулся настолько, чтобы засияли на нем имена Максвелловых учеников, и лишь через много лет, после беккерелевской засвеченной фотографической пластинки, откроются новые горизонты и призовет физика новые сонмы молодых гениев. А те, кто родился раньше времени, должны будут довольствоваться скромными профессорскими должностями. И возможно, высшей славой, которой они коснулись, останется для этих людей то, что были они выпестованы и любимы великим Максвеллом.