Майкл Фарадей и рождение физики поля

Юлий Львович Менцин
«Квант» №1, 2012

22 сентября 2011 года исполнилось 220 лет со дня рождения Майкла Фарадея (1791–1867) — английского физика-экспериментатора, который ввел в науку понятие «поле» и заложил основы концепции о физической реальности электрических и магнитных полей. В наши дни понятие поля известно любому старшекласснику. Начальные сведения об электрических и магнитных полях и способах их описания при помощи силовых линий, напряженностей, потенциалов и т. п. давно вошли в школьные учебники по физике. В этих же учебниках можно прочитать о том, что поле — это особая форма материи, принципиально отличная от вещества. Но вот с объяснением того, в чем именно состоит эта «особость», возникают серьезные трудности. Естественно, винить в этом авторов учебников нельзя. Ведь если поле не сводимо к каким-то другим, более простым сущностям, то тут и объяснять нечего. Надо просто принять физическую реальность поля как экспериментально установленный факт и научиться работать с уравнениями, описывающими поведение этого объекта. К этому, например, призывает в своих «Лекциях»

1 Ричард Фейнман, отметив, что ученые долгое время пытались объяснить электромагнитное поле при помощи различных механических моделей, но потом оставили эту затею и сочли, что физический смысл имеет лишь описывающая поле система знаменитых уравнений Максвелла.

Означает ли сказанное, что мы должны полностью отказаться от попыток понять, что такое поле? Думается, что существенную помощь в ответе на этот вопрос может оказать знакомство с «Экспериментальными исследованиями по электричеству» Майкла Фарадея — грандиозным трехтомным трудом, который гениальный экспериментатор создавал более 20 лет

2. Именно здесь Фарадей вводит понятие поля и шаг за шагом разрабатывает идею о физической реальности этого объекта. При этом важно отметить, что «Экспериментальные исследования» Фарадея — одна из величайших книг в истории физики — написаны прекрасным языком, не содержат ни единой формулы и вполне доступны школьникам.

Введение поля. Фарадей, Томсон и Максвелл

Термин «поле» (точнее: «магнитное поле», «поле магнитных сил») был введен Фарадеем в 1845 году в ходе исследований явления диамагнетизма (термины «диамагнетизм» и «парамагнетизм» также были введены Фарадеем) — обнаруженного ученым эффекта слабого отталкивания магнитом ряда веществ. Первоначально поле рассматривалось Фарадеем как сугубо вспомогательное понятие, по сути координатная сетка, образованная магнитными силовыми линиями и использовавшаяся при описании характера движения тел вблизи магнитов. Так, кусочки диамагнитных веществ, например висмута, перемещались из областей сгущения силовых линий в области их разрежения и располагались перпендикулярно направлению линий.

Несколько позже, в 1851–1852 годах, при математическом описании результатов некоторых экспериментов Фарадея, термин «поле» эпизодически использовал английский физик Уильям Томсон (1824–1907).³ Что же касается создателя теории электромагнитного поля Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879), то в его работах термин «поле» поначалу тоже практически не встречается и используется лишь для обозначения той части пространства, в которой можно обнаружить магнитные силы. Только в опубликованной в 1864–1865 годах работе «Динамическая теория электромагнитного поля», в которой впервые появляется система «уравнений Максвелла» и предсказывается возможность существования электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света, о поле говорится как о физической реальности.

Такова вкратце история введения в физику понятия «поле». Из нее видно, что первоначально это понятие рассматривалось как сугубо вспомогательное, обозначавшее просто ту часть пространства (она может быть и неограниченной), в которой можно обнаружить магнитные силы и изобразить их распределение при помощи силовых линий. (Термин «электрическое поле» стал использоваться только после создания Максвеллом теории электромагнитного поля.)

Важно подчеркнуть, что ни силовые линии, известные физикам до Фарадея, ни «состоящее» из них поле не рассматривались (и не могли рассматриваться!) научным сообществом XIX века как физическая реальность. Попытки же Фарадея говорить о материальности силовых линий (или Максвелла — о материальности поля) воспринимались учеными как совершенно ненаучные. Даже Томсон, старый друг Максвелла, сам много сделавший для разработки математических основ физики поля (именно Томсон, а не Максвелл, первым показал возможность «перевода» языка силовых линий Фарадея на язык дифференциальных уравнений в частных производных), называл теорию электромагнитного поля «математическим нигилизмом» и долгое время отказывался ее признавать. Понятно, что поступать подобным образом Томсон мог, лишь имея на то очень серьезные основания. И такие основания у него были.

Поле сил и сила Ньютона

Причина, по которой Томсон не мог признать реальность силовых линий и полей, проста. Силовые линии электрического и магнитного полей определяются как непрерывные линии, проведенные в пространстве так, что касательные к ним в каждой точке указывают направления действующих в этой точке электрических и магнитных сил. Величины и направления этих сил вычисляются при помощи законов Кулона, Ампера и Био–Савара–Лапласа. Однако в основе этих законов лежит принцип дальнодействия, допускающий возможность мгновенной передачи на любое расстояние действия одного тела на другое и, тем самым, исключающий существование каких-либо материальных посредников между взаимодействующими зарядами, магнитами и токами.

Следует отметить, что многие ученые со скепсисом относились к принципу, по которому тела каким-то загадочным образом могут действовать там, где их нет. Даже Ньютон, который первым использовал этот принцип при выводе закона всемирного тяготения, полагал, что между взаимодействующими телами может существовать какая-то субстанция. Но строить гипотезы о ней ученый не пожелал, предпочитая заниматься разработкой математических теорий законов, опирающихся на твердо установленные факты. Аналогичным образом поступали и последователи Ньютона. По словам Максвелла, они буквально «вымели из физики» всевозможные невидимые атмосферы и истечения, которыми в XVIII веке окружали магниты и заряды сторонники концепции близкодействия. Тем не менее в физике XIX века постепенно начинает возрождаться интерес к, казалось бы, навсегда забытым идеям.

Одной из важнейших предпосылок этого возрождения стали проблемы, возникавшие при попытках объяснения новых явлений — прежде всего, явлений электромагнетизма — на основе принципа дальнодействия. Эти объяснения становились всё более искусственными. Так, в 1845 году немецкий физик Вильгельм Вебер (1804–1890) обобщил закон Кулона, введя в него члены, определяющие зависимость силы взаимодействия электрических зарядов от их относительных скоростей и ускорений. Физический смысл такой зависимости был непонятен, а веберовские добавки в закон Кулона явно носили характер гипотезы, введенной, чтобы объяснить явления электромагнитной индукции.

В середине XIX века физики всё более осознавали, что при изучении явлений электричества и магнетизма эксперимент и теория начинают говорить на разных языках. В принципе, ученые были готовы согласиться с идеей о существовании субстанции, передающей взаимодействие между зарядами и токами с конечной скоростью, однако принять идею о физической реальности поля они не могли. В первую очередь, из-за внутренней противоречивости этой идеи. Дело в том, что в физике Ньютона сила вводится как причина ускорения материальной точки. Ее (силы) величина равна, как известно, произведению массы этой точки на ускорение. Тем самым, сила как физическая величина определяется в точке и в момент ее действия. «Сам Ньютон напоминает нам, — писал Максвелл, — что сила существует только до тех пор, пока она действует; ее действие может сохраниться, но сама сила как таковая по существу явление преходящее».

Пытаясь рассматривать поле не как удобную иллюстрацию характера распределения сил в пространстве, а как физический объект, ученые входили в противоречие с тем исходным пониманием силы, на основе которого этот объект был построен. В каждой своей точке поле определяется величиной и направлением силы, действующей на пробное тело (заряд, магнитный полюс, виток с током). По сути, поле «состоит» только из сил, но сила в каждой точке рассчитывается на основе законов, согласно которым говорить о поле как физическом состоянии или процессе бессмысленно. Поле, рассматриваемое как реальность, означало бы реальность сил, существующих вне всякого действия, что полностью противоречило исходному определению силы. Максвелл писал, что в случаях, когда мы говорим о «сохранении силы» и т. п., лучше было бы пользоваться термином «энергия». Это, безусловно, правильно, но энергией чего является энергия поля? К тому времени, когда Максвелл писал приведенные выше строки, он уже знал, что плотность энергии, например, электрического поля пропорциональна квадрату напряженности этого поля, т. е. опять-таки силы, распределенной в пространстве.

С ньютоновским пониманием силы неразрывно связана и концепция мгновенного дальнодействия. Ведь если одно тело действует на другое, удаленное, не мгновенно (по сути, уничтожая расстояние между ними), то нам придется рассматривать силу перемещающейся в пространстве и решать вопрос о том, какая «часть» силы вызывает наблюдаемое ускорение и какой смысл тогда имеет понятие «сила». Либо мы должны допустить, что движение силы (или поля) происходит каким-то особым, не укладывающимся в рамки ньютоновской механики образом.

В 1920 году в статье «Эфир и теория относительности» Альберт Эйнштейн (1879–1955) писал, что, говоря об электромагнитном поле как реальности, мы должны допустить существование особого физического объекта, который принципиально нельзя представить состоящим из частиц, поведение каждой из которых поддается изучению во времени. Позже Эйнштейн охарактеризовал создание теории электромагнитного поля как величайший, со времен Ньютона, переворот в наших взглядах на структуру физической реальности. Благодаря этому перевороту, в физику наряду с представлениями о взаимодействии материальных точек вошли представления о полях, как ни к чему другому не сводимым сущностям.

Но как оказалось возможным это изменение взглядов на реальность? Как физике удалось выйти за свои границы и «увидеть» то, что для нее раньше как реальность просто не существовало?

Исключительно важную роль в подготовке этого переворота сыграли многолетние эксперименты Фарадея с силовыми линиями. Благодаря Фарадею, эти хорошо известные физикам линии превратились из способа изображения распределения в пространстве электрических и магнитных сил в своеобразный «мостик», двигаясь по которому удалось проникнуть в мир, находящийся как бы «за силой», в мир, в котором силы становились проявлениями свойств полей. Понятно, что такое превращение потребовало таланта совершенно особого рода, таланта, которым обладал Майкл Фарадей.

Великий Экспериментатор

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в семье лондонского кузнеца, которая из-за недостатка средств не смогла дать своим детям образования. Майкл — третий ребенок в семье — не закончил и начальной школы и в 12 лет был отдан учеником в переплетную мастерскую. Там он получил возможность читать множество книг, в том числе и научно-популярных, восполняя пробелы своего образования. Вскоре Фарадей начал посещать публичные лекции, которые регулярно устраивали в Лондоне для распространения знаний среди широких слоев населения.

В 1812 году один из членов Лондонского Королевского общества, регулярно пользовавшийся услугами переплетной мастерской, пригласил Фарадея послушать лекции известного физика и химика Гемфри Дэви (1778–1829). Этот момент стал в жизни Фарадея переломным. Юноша окончательно увлекся наукой, а поскольку заканчивался срок его обучения в мастерской, Фарадей рискнул написать Дэви о своем желании заняться исследованиями, приложив к письму тщательно переплетенные конспекты лекций ученого. Дэви, который сам был сыном бедного резчика по дереву, не только ответил на письмо Фарадея, но и предложил ему место ассистента в Лондонском Королевском институте. Так началась научная деятельность Фарадея, продолжавшаяся почти до самой его смерти, наступившей 25 августа 1867 года.

История физики знает немало выдающихся экспериментаторов, но, пожалуй, только Фарадея называли Экспериментатором с большой буквы. И дело не только в его колоссальных достижениях, среди которых открытия законов электролиза и явлений электромагнитной индукции, исследования свойств диэлектриков и магнетиков и многое другое. Нередко важные открытия удавалось сделать более или менее случайно. О Фарадее сказать такое невозможно. Его исследования всегда отличались поразительной планомерностью и целеустремленностью. Так, в 1821 году Фарадей записал в рабочем дневнике, что начинает поиски связи магнетизма с электричеством и оптикой. Первую связь он обнаружил через 10 лет (открытие электромагнитной индукции), а вторую — через 23 года (открытие вращения плоскости поляризации света в магнитном поле).

В «Экспериментальных исследованиях по электричеству» Фарадея имеется около 3500 параграфов, многие из которых содержат описания проделанных им опытов. И это только то, что Фарадей счел нужным опубликовать. В многотомных «Дневниках» Фарадея, которые он вел с 1821 года, описано около 10 тысяч опытов, причем многие из них ученый поставил без чьей-либо помощи. Интересно, что в 1991 году, когда научный мир отмечал 200-летие со дня рождения Фарадея, английские историки физики решили повторить некоторые из его наиболее знаменитых опытов. Но даже на простое воспроизведение каждого из таких опытов коллективу современных специалистов потребовалось не менее дня работы.

Говоря о заслугах Фарадея, можно сказать, что его главным достижением стало превращение экспериментальной физики в самостоятельную область исследований, результаты которых нередко могут на многие годы опережать развитие теории. Фарадей считал крайне непродуктивным стремление многих ученых как можно быстрее переходить от полученных в экспериментах данных к их теоретическому обобщению. Более плодотворным Фарадею представлялось сохранение длительной связи с изучаемыми явлениями, чтобы иметь возможность детально проанализировать все их особенности, вне зависимости от того, соответствуют эти особенности принятым теориям или нет.

Этот подход к анализу опытных данных Фарадей распространил и на хорошо известные опыты по выстраиванию железных опилок вдоль силовых линий магнитного поля. Безусловно, ученый прекрасно знал, что узоры, которые образуют железные опилки, легко можно объяснить на основе принципа дальнодействия. Тем не менее, Фарадей считал, что в данном случае экспериментаторы должны исходить не из придуманных теоретиками концепций, а из явлений, свидетельствующих, по его мнению, о существовании в пространстве, окружающем магниты и токи, неких обладающих готовностью к действию состояний. Другими словами, силовые линии, по мнению Фарадея, указывали на то, что сила должна мыслиться не только как действие (на материальную точку), но и как способность к действию.

Важно подчеркнуть, что, следуя своей методике, Фарадей не пытался выдвигать какие-либо гипотезы о природе этой способности к действию, предпочитая постепенно накапливать опыт в ходе работы с силовыми линиями. Начало этой работе было положено в его исследованиях явлений электромагнитной индукции.

Затянувшееся открытие

Во многих учебниках и справочниках можно прочитать о том, что 29 августа 1831 года Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Историкам науки хорошо известно, что датировка открытий — вещь сложная и часто весьма запутанная. Не составляет исключение и открытие электромагнитной индукции. Из «Дневников» Фарадея известно, что это явление он наблюдал еще в 1822 году во время опытов с двумя проводящими контурами, надетыми на сердечник из мягкого железа. Первый контур был подключен к источнику тока, а второй — к гальванометру, который зафиксировал возникновение кратковременных токов при включении или отключении тока в первом контуре. Позже выяснилось, что подобные явления наблюдали и другие ученые, но, как и поначалу Фарадей, сочли их погрешностью эксперимента.

Дело в том, что в поисках явлений порождения электричества магнетизмом ученые были нацелены на обнаружение устойчивых эффектов, подобных, например, открытому Эрстедом в 1818 году явлению магнитного действия тока. От этой всеобщей «слепоты» Фарадея спасли два обстоятельства. Во-первых, пристальное внимание к любым явлениям природы. В своих статьях Фарадей сообщал как об удачных, так и о неудачных экспериментах, полагая, что неудачный (не обнаруживший искомый эффект), но осмысленно поставленный опыт тоже содержит какую-то информацию о законах природы. Во-вторых, незадолго до открытия Фарадей много экспериментировал с разрядами конденсаторов, что, несомненно, обострило его внимание к кратковременным эффектам. Регулярно просматривая свои дневники (для Фарадея это было постоянной составляющей исследований), ученый, судя по всему, по-новому взглянул на опыты 1822 года и, воспроизведя их, осознал, что имеет дело не с помехами, а с искомым явлением. Датой этого осознания и стало 29 августа 1831 года.

Далее начались интенсивные исследования, в ходе которых Фарадей открыл и описал основные явления электромагнитной индукции, включая возникновение индукционных токов при относительном движении проводников и магнитов. На основании этих исследований Фарадей пришел к выводу о том, что решающим условием возникновения индукционных токов является именно пересечение проводником линий магнитной силы, а не переход в области больших или меньших сил. При этом, например, возникновение тока в одном проводнике при включении тока в другом, расположенном рядом, Фарадей тоже объяснял как результат пересечения проводником силовых линий: «магнитные кривые как бы движутся (если можно так выразиться) поперек индуцируемого провода, начиная с момента, когда они начинают развиваться, и вплоть до момента, когда магнитная сила тока достигнет наибольшего значения; они как бы распространяются в стороны от провода и, следовательно, оказываются по отношению к неподвижному проводу в том же положении, как если бы он двигался в противоположном направлении поперек них».

Обратим внимание на то, сколько раз в приведенном отрывке Фарадей использует слова «как бы», а также на то, что у него пока нет привычной нам количественной формулировки закона электромагнитной индукции: сила тока в проводящем контуре пропорциональна скорости изменения числа магнитных силовых линий, проходящих через этот контур. Близкая к этой формулировка появляется у Фарадея лишь в 1851 году, причем она относится только к случаю движения проводника в статическом магнитном поле. По Фарадею, если проводник перемещается в таком поле с постоянной скоростью, то сила возникающего в нем электрического тока пропорциональна этой скорости, а количество приводимого в движение электричества пропорционально числу пересекаемых проводником силовых линий магнитного поля.

Осторожность Фарадея при формулировке закона электромагнитной индукции обусловлена, прежде всего, тем, что корректно пользоваться понятием силовой линии он мог только применительно к статическим полям. В случае же переменных полей это понятие приобретало метафорический характер, и непрерывные оговорки «как бы», когда речь идет о движущихся силовых линиях, показывают, что Фарадей это прекрасно понимал. Он также не мог не считаться с критикой тех ученых, которые указывали ему на то, что силовая линия — это, строго говоря, геометрический объект, говорить о движении которого просто бессмысленно. Кроме того, в опытах мы имеем дело с заряженными телами, проводниками с током и т. д., а не с абстракциями вроде силовых линий. Поэтому Фарадей должен был показать, что при изучении хотя бы некоторых классов явлений нельзя ограничиться рассмотрением проводников с током и не учитывать окружающее их пространство. Так, в работе, посвященной исследованиям явлений самоиндукции, ни разу не упомянув силовые линии, Фарадей выстраивает рассказ о проделанных им экспериментах таким образом, что читатель постепенно сам приходит к выводу о том, что подлинная причина наблюдаемых явлений — не проводники с током, а нечто, находящееся в окружающем их пространстве.

Поле как предчувствие. Исследования явлений самоиндукции

В 1834 году Фарадей опубликовал девятью часть «Экспериментальных исследований», которая называлась «Об индуктивном влиянии электрического тока на самого себя и об индуктивном действии токов вообще». В этой работе Фарадей исследовал явления самоиндукции, открытые в 1832 году американским физиком Джозефом Генри (1797–1878), и показал, что они представляют частный случай изученных им ранее явлений электромагнитной индукции.

Свою работу Фарадей начинает с описания ряда явлений, состоящих в том, что при размыкании электрической цепи, содержащей длинные проводники или обмотку электромагнита, в точке разрыва контакта возникает искра или ощущается удар током, если контакт разъединяют руками. В то же время, указывает Фарадей, если проводник короткий, то никакими ухищрениями получить искру или электрический удар не удается. Тем самым выяснилось, что возникновение искры (или удара) зависит не столько от силы тока, протекавшего по проводнику до разрыва контакта, сколько от длины и конфигурации этого проводника. Поэтому Фарадей в первую очередь стремится показать, что, хотя исходной причиной искры является ток (если в цепи его не было вообще, то никакой искры, естественно, не будет), сила тока решающего значения не имеет. Для этого Фарадей описывает последовательность экспериментов, в которых длина проводника сначала увеличивается, что приводит к усилению искры, несмотря на ослабление тока в цепи из-за увеличения сопротивления. Затем этот проводник перекручивают так, чтобы ток протекал только через его небольшую часть. Сила тока при этом резко возрастает, но искра при размыкании цепи исчезает. Таким образом, ни проводник сам по себе, ни сила тока в нем не могут рассматриваться как причина искры, величина которой, как выясняется, зависит не только от длины проводника, но и от его конфигурации. Так, при сворачивании проводника в спираль, а также при введении в эту спираль железного сердечника величина искры тоже возрастает.

В продолжение изучения этих явлений Фарадей подключил параллельно месту размыкания контакта вспомогательный короткий проводник, сопротивление которого значительно больше, чем у основного проводника, но меньше, чем у искрового промежутка или у тела человека, размыкающего контакт. В результате искра при размыкании контакта исчезла, а во вспомогательном проводнике возник сильный кратковременный ток (Фарадей называет его экстратоком), направление которого оказалось противоположным направлению тока, который протекал бы через него от источника. «Эти опыты, — пишет Фарадей, — устанавливают существенное различие между первичным, или возбуждающим, током и экстратоком в отношении количества, интенсивности и даже направления; они привели меня к заключению, что экстраток тождествен с описанным мной ранее индуцированным током».

Выдвинув идею о связи изучаемых явлений с явлениями электромагнитной индукции, Фарадей далее поставил ряд остроумных экспериментов, подтверждающих эту идею. В одном из таких экспериментов рядом со спиралью, подключенной к источнику тока, помещалась другая спираль, разомкнутая. При отключении от источника тока первая спираль давала сильную искру. Однако если концы другой спирали замыкались, искра практически исчезала, а во второй спирали возникал кратковременный ток, направление которого совпадало с направлением тока в первой спирали, если цепь размыкали, и было противоположно ему, если цепь замыкали.

Установив связь двух классов явлений, Фарадей смог легко объяснить выполненные ранее опыты, а именно усиление искры при удлинении проводника, сворачивании его в спираль, введении в нее железного сердечника и т. д.: «Если наблюдать индуктивное действие провода длиной в один фут на расположенный рядом провод длиной также в один фут, то оно оказывается очень слабым; но если тот же самый ток пропустить через провод длиной в пятьдесят футов, то он будет индуцировать в соседнем пятидесятифутовом проводе в момент замыкания или размыкания контакта значительно более сильный ток, как будто каждый лишний фут провода вносит нечто в суммарное действие; по аналогии мы заключаем, что такое же явление должно иметь место и тогда, когда соединительный проводник служит одновременно проводником, в котором образуется индуцированный ток». Поэтому, делает вывод Фарадей, увеличение длины проводника, сворачивание его в спираль и введение в нее сердечника усиливает искру. К действию одного витка спирали на другой прибавляется действие размагничивающегося сердечника. При этом совокупность таких действий может и компенсировать друг друга. Например, если сложить вдвое длинный изолированный провод, то из-за противоположности индуктивных действий двух его половин искра исчезнет, хотя в распрямленном состоянии этот провод дает сильную искру. К существенному ослаблению искры приводила и замена сердечника из железа на сердечник из стали, которая размагничивается очень медленно.

Итак, проводя читателя через детальные описания совокупностей проделанных экспериментов, Фарадей, не говоря ни слова о поле, формировал у него, читателя, представление о том, что решающая роль в изучаемых явлениях принадлежит не проводникам с током, а создаваемому ими в окружающем пространстве какому-то состоянию намагниченности, точнее — скорости изменения этого состояния. Однако вопрос о том, существует ли это состояние реально и может ли оно быть предметом экспериментальных исследований, оставался открытым.

Проблема физической реальности силовых линий

Существенный шаг в доказательстве реальности силовых линий Фарадею удалось сделать в 1851 году, когда он пришел к идее обобщения понятия силовой линии. «Магнитную силовую линию, — писал Фарадей, — можно определить как линию, которую описывает небольшая магнитная стрелка, когда ее перемещают в ту или иную сторону по направлению ее длины, так что стрелка все время остается касательной к движению; или, иначе, это та линия, вдоль которой можно в любую сторону перемещать поперечный провод и в последнем не появится никакого стремления к возникновению какого-нибудь тока, между тем как при перемещении его в любом ином направлении такое стремление существует».

Силовая линия, таким образом, определялась Фарадеем на основе двух различных законов (и пониманий) действия магнитной силы: ее механического действия на магнитную стрелку и ее способности (в соответствии с законом электромагнитной индукции) порождать электрическую силу. Это двойное определение силовой линии как бы «материализовало» ее, придавало ей смысл особых, экспериментально обнаруживаемых направлений в пространстве. Поэтому Фарадей назвал такие силовые линии «физическими», полагая, что теперь сможет окончательно доказать их реальность. Проводник в таком двойном определении можно было представить замкнутым и скользящим вдоль силовых линий так, чтобы, постоянно деформируясь, он не пересекал линий. Этот проводник выделил бы некоторое условное «количество» линий, сохраняющихся при их «сгущении» или «разрежении». Такое скольжение проводника в поле магнитных сил без возникновения в нем электрического тока могло бы рассматриваться как экспериментальное доказательство сохранения количества силовых линий при их «распространении», например из полюса магнита, и, тем самым, как доказательство реальности этих линий.

Безусловно, реальный проводник практически невозможно перемещать так, чтобы он не пересекал силовые линии. Поэтому гипотезу о сохранении их количества Фарадей обосновывал иначе. Пусть магнит с полюсом N и проводник abcd расположены так, что могут вращаться по отношению друг к другу вокруг оси ad (рис. 1; рисунок выполнен автором статьи на основе рисунков Фарадея). При этом часть проводника ad проходит через отверстие в магните и имеет свободный контакт в точке d. Свободный контакт сделан и в точке c, так что участок bc может вращаться вокруг магнита, не разрывая электрической цепи, подключенной в точках a и b (тоже посредством скользящих контактов) к гальванометру. Проводник bc при полном повороте вокруг оси ad пересекает все силовые линии, выходящие из полюса магнита N. Пусть теперь проводник вращается с постоянной скоростью. Тогда, сравнивая показания гальванометра при различных положениях вращающегося проводника, например в положении abcd и в положении ab’c’d , когда проводник за полный оборот вновь пересекает все силовые линии, но уже в местах их большей разреженности, можно обнаружить, что показания гальванометра одинаковы. По мнению Фарадея, это свидетельствует о сохранении некоторого условного количества силовых линий, которым можно охарактеризовать северный полюс магнита (чем больше это «количество», тем сильнее магнит).

Вращая в своей установке (рис. 2; рисунок Фарадея) не проводник, а магнит, Фарадей приходит к выводу о сохранении количества силовых линий во внутренней области магнита. При этом в основе его рассуждений лежит предположение о том, что силовые линии не увлекаются вращающимся магнитом. Эти линии остаются «на месте», а магнит вращается среди них. В этом случае ток по величине получается таким же, как при вращении внешнего проводника. Фарадей объясняет этот результат тем, что, хотя внешняя часть проводника не пересекает линий, его внутренняя часть (cd), вращающаяся вместе с магнитом, пересекает все линии, проходящие внутри магнита. Если же внешнюю часть проводника закрепить и вращать вместе с магнитом, то ток не возникает. Это тоже можно объяснить. Действительно, внутренняя и внешняя части проводника пересекают одно и то же количество силовых линий, направленных в одном направлении, поэтому токи, индуцируемые в обеих частях проводника, компенсируют друг друга.

Из экспериментов следовало, что внутри магнита силовые линии идут не от северного полюса к южному, а наоборот, образуя с внешними силовыми линиями замкнутые кривые, что позволило Фарадею сформулировать закон сохранения количества магнитных силовых линий во внешнем и внутреннем пространствах постоянного магнита: «Этим поразительным распределением сил, которое выявляется с помощью движущегося проводника, магнит в точности походит на электромагнитную катушку как по тому, что силовые линии протекают в виде замкнутых кругов, так и по равенству их суммы внутри и снаружи». Тем самым, понятие «количество силовых линий» получало права гражданства, благодаря чему формулировка закона пропорциональности электродвижущей силы индукции количеству силовых линий, пересекаемых проводником в единицу времени, приобретала физический смысл.

Однако Фарадей признавал, что полученные им результаты не являются окончательным доказательством реальности силовых линий. Для такого доказательства, писал он, надо «установить отношение силовых линий ко времени», т. е. показать, что эти линии могут перемещаться в пространстве с конечной скоростью и, следовательно, могут быть обнаружены какими-либо физическими методами.

Важно подчеркнуть, что проблема «физических силовых линий» не имела для Фарадея ничего общего с попытками непосредственного обнаружения обычных силовых линий. Со времени открытия электромагнитной индукции Фарадей верил, что и обычные силовые линии, и законы электромагнетизма — это проявления каких-то особых свойств материи, ее особого состояния, которое ученый назвал электротоническим. При этом вопрос о сущности этого состояния и его связи с известными формами материи являлся, считал Фарадей, открытым: «Каково это состояние и от чего оно зависит, мы сейчас не можем сказать. Может быть, оно обусловлено эфиром, подобно световому лучу… Может быть, это — состояние напряжения, или состояние колебания, или еще какое-либо состояние, аналогичное электрическому току, с которым так тесно связаны магнитные силы. Необходимо ли для поддержания этого состояния присутствие материи, зависит от того, что понимать под словом «материя». Если понятие материи ограничить весомыми или тяготеющими веществами, тогда присутствие материи столь же мало существенно для физических линий магнитной силы, как для лучей света и теплоты. Но если, допуская эфир, мы примем, что это — род материи, тогда силовые линии могут зависеть от каких-либо ее действий».

Столь пристальное внимание, которое Фарадей уделял силовым линиям, было обусловлено в первую очередь тем, что он видел в них мостик, ведущий в какой-то совершенно новый мир. Однако пройти по этому мостику было трудно даже такому гениальному экспериментатору, как Фарадей. Собственно, эта задача вообще не допускала чисто экспериментального решения. Однако в пространство между силовыми линиями можно было попытаться проникнуть математически. Именно это и сделал Максвелл. Его знаменитые уравнения стали тем инструментом, который позволил проникнуть в несуществующие промежутки между силовыми линиями Фарадея и, в результате, обнаружить там новую физическую реальность. Но это уже другая история — история о Великом Теоретике.

---

¹ Имеется в виду книга Р. Фейнмана, Р. Лейтона и М. Сэндса «Фейнмановские лекции по физике» (М.: Мир, 1967) (Прим. ред.)
² В русском переводе первый том этой книги вышел в 1947 году, второй — в 1951, а третий — в 1959 году в серии «Классики науки» (М.: Издательство АН СССР). (Прим. ред.)
³ В 1892 году Уильям Томсон был удостоен дворянского титула «лорд Кельвин» за фундаментальные работы в различных областях физики, в частности по прокладке трансатлантического кабеля, связавшего Англию и США.

Великий Максвелл

13 июня родился Джеймс Максвелл – английский физик, создатель классической электродинамики.

Едва ли не каждый помнит имя Джеймса Максвелла, который много раз упоминается в школьном учебнике по физике. Это удивительно, насколько широким было поле научных интересов английского ученого: от теории электромагнитных явлений, кинетической теории газов и оптики до теории упругости и многого другого. Он известен как выдающийся физик, создатель классической электродинамики, один из основателей статистической физики, а также автор представлений о токе смещения и уравнений Максвелла, распределения Максвелла, демона Максвелла и автор принципа цветной фотографии. 

Казалось бы, что история фотографии началась с того самого снимка из окна Ньепса. Но вклад в эту научную область внес и физик Максвелл. Его первые научные работы были по физиологии и физике цветного зрения и колориметрии, которые он начал в 1852 году.

В 1861 году Джеймс Максвелл впервые получил цветное изображение. Для этого он спроецировал на экран несколько диапозитивов одновременно: красный, зеленый и синий. В своих экспериментах Максвелл использовал особый волчок, диск которого был разделен на разноцветные секторы (диск Максвелла). При быстром вращении цвета сливались: если диск был закрашен так, как расположены цвета спектра, он казался белым; если одну его половину закрашивали красным, а другую — желтым, он казался оранжевым; смешивание синего и желтого создавало впечатление зеленого. Справедливость трехкомпонентной теории зрения была доказана, а пути создания цветной фотографии открыты.

Из чего состоят кольца Сатурна? На этот вопрос ответ не могли найти со времен Галилея. Но Джеймсу Максвеллу удалось. Он доказал, что кольца Сатурна могут быть устойчивы лишь в том случае, если состоят из не связанных между собой частиц (тел). 

В 1855 году ученый приступил к созданию своих основных работ по электродинамике.

Были опубликованы статьи:

 · «О фарадеевых силовых линиях» (1855),
· «О физических силовых линиях» (1861),
· «Динамическая теория электромагнитного поля» (1869).
Символическим итогом стала двухтомная монография
· «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873). 

 

Но, когда он только приступил к исследованиям электрических и магнитных явлений, многое уже было известно: законы взаимодействия неподвижных электрических зарядов (закон Кулона) и токов (закон Ампера) установлены, а то, что магнитные взаимодействия есть взаимодействия движущихся электрических зарядов уже доказано. Ученые тогда считали, что взаимодействие передается мгновенно через пустоту (теория дальнодействия). Решительный поворот к теории близкодействия сделал Майкл Фарадей в 30-е гг. XIX в. 

Согласно его концепции, электрический заряд создает в окружающем пространстве электрическое поле. И такие поля действуют друг на друга. Поле одного заряда действует на другой, и наоборот. Взаимодействие токов осуществляется посредством магнитного поля. Их распределение в пространстве Фарадей описывал с помощью силовых линий. По его представлению, они похожи на обычные упругие линии в гипотетической среде — мировом эфире. 

Такие идеи о реальности процессов в пространстве возле зарядов и токов полностью воспринял Максвелл, который считал, что тело не может действовать там, где его нет. И таким концепциям он придал новую форму, математическую. С введением понятия «поля» законы Кулона и Ампера стали выражаться наиболее полно, глубоко и изящно. А в явлении электромагнитной индукции Максвелл рассмотрел новое свойство полей: переменное магнитное поле порождает в пустом пространстве электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (так называемое вихревое электрическое поле). 

Но было и еще одно открытие в части свойств электромагнитного поля. И на этот раз обошлось без экспериментов. Физик высказал догадку о том, что переменное электрическое поле порождает магнитное поле, как и обычный электрический ток (гипотеза о токе смещения). К 1869 году ключевые закономерности поведения электромагнитного поля были окончательно установлены и оформлены в виде системы четырех уравнений.

 

 

 

Уравнения Максвелла — основные уравнения классической макроскопической электродинамики. Они описывают электромагнитные явления в произвольных средах и в вакууме. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из таких уравнений Максвелла следовал вывод: конечность скорости распространения электромагнитных взаимодействий, которая отличает теорию близкодействия от теории дальнодействия. Скорость оказалась равной скорости света в вакууме: 300000 км/с, на основе чего Максвелл сделал вывод, что свет есть форма электромагнитных волн. 

Другой фундаментальный вклад Максвелла в науку — разработка и становление молекулярно-кинетической теории (статистической механики). Ученый первым в мире высказал утверждение о статистическом характере законов природы. А в 1866 году им был открыт первый статистический закон распределения молекул по скоростям, который получил название распределение Максвелла. 

Фото на странице: LiveInternet

Фото на главной странице: Cosmos

«Фарадей и Максвелл оплатили науку на все времена»

В Москве состоялось общее заседание Российской Академии Наук, за которым мы следили, ожидая новой волны дискуссии вокруг реформы науки. Но официальной темой для академиков на этот раз стало развитие энергетики в России, а громких публичных заявлений не последовало. Однако это не означает, что реформирование науки перестало волновать РАН, более того, впервые после десятилетнего перерыва могут состояться крупные организационные действия в этой сфере. Мы попросили поделиться своим мнением по поводу реформаторских планов известного российского математика, академика-секретаря отделения математических наук РАН, директора Международного математического института им. Л.Эйлера (Санкт-Петербург), лауреата Государственной премии 2004 года Людвига Дмитриевича Фаддеева. Беседовала Ольга Орлова.

Сейчас в связи с планами реформ все чаще обсуждается разрыв связей между академической наукой и жизнью (между наукой и обществом, наукой и экономикой и образованием). РАН часто критикуется как институт, закрепляющий отрыв науки от общества. Справедливо?

Я считаю подобное мнение демагогическим. Обычно его высказывают люди, которые преследуют побочные цели. Например — завладеть академической собственностью. Иногда так рассуждают те ученые, для которых «зелен виноград». Они потеряли возможность вступить в Академию и потому недовольны именно ею, а не фундаментальной наукой как таковой.

Если не рассматривать побочные мотиваци (материального или психологического характера), а обратиться только к структурно-научным проблемам, как  на самом деле Академия  связана с обществом?

Академия даже называется общественной организацией. Она несет перед обществом ответственность за развитие науки. Надо исторически смотреть на эту проблему. Любая структура, любой общественный институт, существовавший сто лет назад, сейчас сильно расширился. В конце ХIХ века научное сообщество исчислялось десятками, а сейчас —  тысячами. Нас больше, и мы заметнее. 

Многие профессора в начале ХХ века имели собственные научные школы или, по крайней мере, – учеников…

Именно эта традиция еще сильна в нашей Академии. Сейчас принято ссылаться на Америку, где наука делается в университетах, забывая про то, что американский ученый занимается со студентами 4-6 часов в неделю, а у нас учебная нагрузка по 20 часов. Поэтому РАН оказалась уникальным учреждением, которое позволило с гораздо меньшими затратами иметь мировой научный уровень. И в то же время ведущие сотрудники Академии преподают в вузах. Это было и остается единственным способом найти себе последователей.

Возможно ли в России усилить связь науки с образованием – обязательное преподавание, но с небольшой нагрузкой и с приличной зарплатой? И надо ли это вообще?

Сегодня — нет. Для этого  нужны огромные деньги. Поэтому надо сохранить уникальную возможность, существующую в Академии, большую часть времени посвящать научной работе. А любой ученый, который хочет найти себе учеников, их найдет.

Тем не менее, большинство ученых сейчас не идут преподавать, понимая, что это большой труд за маленькие деньги. С другой стороны, нет и обратной связи. Средний возраст академических работников таков, что «научный сотрудник» и «старик» в русском понимании этих слов стали почти синонимами. Почему молодежи нет в Академии?

Конечно, мне смешно это отрицать. Но и  преподаватели в вузах тоже немолоды. Это трагедия страны. Все поколение моих учеников уехало. Сейчас деды учат внуков.

Каковы все-таки оптимальные формы связи науки и образования?

Мне кажется, в России одна из лучших систем, но ее стараются разрушить. Я не сторонник теории антироссийского заговора, но иногда посмотришь на гранты, предназначенные для реформы образования, и невольно задумаешься, не сознательное ли это разрушение. Я читал рекомендации ОБСЕ, предложенные нашим школам, которые, как уверяли их авторы, прекрасно работали в Перу и в ЮАР. Я вспоминаю свою школу с огромными классами, сложными программами, большим количеством экзаменов и не помню никакой перегрузки. А  сейчас дети тратят время у телевизора и компьютера, и им уже не до занятий. Не может быть демократического образования. Учитель – знает, а ученик – не знает. И нельзя исключать элемент насилия — конечно, не в смысле физического воздействия, а в смысле принуждения —  из процесса обучения. В шведских школах считается, что дети в первую очередь должны быть счастливы,  но в результате учат их плохо. И таким образом к тридцати пяти годам – время расцвета для ученого – они только защищают кандидатские диссертации и начинают свой путь в науке.

Европа губит своих детей по-своему, а мы —  по-своему. Ведь у нас сейчас расслоение между школами с точки зрения качества обучения огромно. Есть школы, где учат лучше, чем прежде, но их очень мало, а большинство российских школ с трудом справляются со своими задачами. А в Академии разве не та же ситуация? Есть совсем немного замечательных институтов, которые похожи на оазисы в вымирающей пустыне.

Я не призываю оставить все как есть. В недавней статье Сергея Белановского, размещенной на вашем сайте, признается, что сорок процентов сотрудников Академии соответствуют своему положению. Но если остальных разогнать, то исчезнет научная среда! Так что реформирование науки – дело тонкое.

Как развивались бы события, если бы инициатива реформирования Академии наук шла изнутри, а не от посторонних лиц или структур?

Внутри Академии не хватает ресурсов, чтобы провести серьезное кадровое реформирование. Без кардинального участия государства прекратить отъезд молодых деятельных  ученых  было невозможно. Наши зарплаты ниже, по сравнению с китайскими учеными, – я не говорю про Америку — раз в пять.

А была сама потребность? Есть такое известное выражение: легче перенести кладбище, чем изменить академические программы…

Я вообще не понимаю, откуда такое горячее желание все изменить?! Мы работали хорошо, пока нам не мешали. Мы работали честно и за небольшие деньги. А новый режим нам дал только одну замечательную вещь – свободу международного общения.

Есть ли доля ответственности Академии в том, что произошло в стране? Ну, скажем,  в колоссальном отставании России в области информационных технологий?

Да, это была очевидная ошибка конкретных людей в Академии, недооценивших важность персональных компьютеров. Хотя это не фундаментальная наука. Интернет помогает мне  жить, но не играет определяющую роль в моей научной деятельности. Да, это сокращает время на поиски нужной статьи. Я помню, когда появились первые ксероксы, казалось, что это сильно облегчает тебе получение информации, а потом замечаешь: ты делаешь копии, складываешь в портфель и в результате … не читаешь.

Но, например, без Интернета не узнать, сколько людей работают над той же проблемой и как далеко они продвинулись.

К сожалению, на Западе такой спортивный подход к науке набирает все большую силу. Существует так называемый индекс цитирования и импакт-параметр (якобы символ престижности) журнала, где ученый публикуется. И эти факторы, а не подлинные научные заслуги, иногда становятся решающими при приеме на работу. А с индексом цитирования обмануть публику – даже научную – очень легко. Известно, что, например, некоторые ученые собираются в группы и договариваются: мы будем ссылаться на вас, а вы на нас. Ну и что? Вот сейчас стали выпускать в Англии новый журнал по нелинейной динамике, и у него в три раза импакт-параметр больше, чем у самого известного международного журнала по математической физике, в котором очень трудные статьи и, следовательно, — низкие параметры цитирования. В науке не редки ситуации, когда статья сложна и опережает свое время настолько, что на нее поначалу мало ссылаются. 

Все-таки с прикладными исследованиями проще. Стоит громко объявить «Мы должны сконцентрировать интеллектуальные и финансовые ресурсы, чтобы победить СПИД», и все понимают, что это нужно. Но с теоретическими науками ситуация не столь однозначна. А если общество, которое платит налоги, требует объяснений: для чего? 

Хрестоматийный пример – Фарадей, крутивший рамочку в магните. А в результате мы получили электричество. Так что Фарадей и Максвелл оплатили фундаментальную науку на все времена. Ученый не всегда может предсказать, чем обернется то или иное исследование. Мы должны честно делать свое дело и  расширять наши знания. 

Таким образом, вы считаете, что получили от общества индульгенцию?

Совершенно верно. Мне надо верить, потому что я профессионал, и есть эксперты, которые могут это подтвердить. Я всегда говорю: нас невозможно проверять. Как-то раз еще в советское время к нам в институт пришли представители народного контроля и спрашивают: «Где ваши задания?» Я уточняю: «Какие задания?» Они в ответ: «Должна быть вышестоящая организация, которая спускает задания». Я опять уточняю: «Господь Бог на небесах?»  Общество не может понять суть проблем в теоретических науках, но оно должно понять, кто является авторитетом в той или иной области. И в этой парадоксальной ситуации Академия играет очень важную роль, и на ней лежит огромная ответственность. В этом смысле Академия – элитная организация. Когда академики занижают профессиональную планку, они не просто наносят ущерб престижу Академии  — они ее разрушают.

Если реализовать проект реформ, предложенный  Министерством науки и  образования, как это повлияет на развитие фундаментальных областей?

Я смотрю на это как на бюрократические игры. Никакой пользы от того, что делается, нет.

Вред несомненный – трата времени. Приходится постоянно читать бюрократические бумаги и решать — «за» или «против». Вместо этого я бы мог заняться математикой. Хотя считается, что после пятидесяти лет уже математикой заниматься трудно, но у меня еще получается…

Давайте посмотрим на «мэнээсов». Им не присылают на отзыв проекты, они не принимают деятельного участия в обсуждении, но значит ли это, что их не затрагивает реформа?

Если они будут получать больше денег, как было обещано, то их семьям будет легче жить, а им самим – работать. Однако в пакете с обещанными денежными суммами нам приходится соглашаться и на другие решения, связанные с сокращениями и слияниями, принимать непопулярные решения и искать компромиссы.

В советское время множество изобретений, будучи запатентованными, «скончались от старости», так и не дожив до реализации. На Западе, как правило, путь от изобретения, сделанного ученым, вооруженным карандашом (считай  —  компьютером), до внедрения этого же изобретения на поточную производственную линию довольно короток. Как вы относитесь к идее технопарков вокруг научных центров?

Идея замечательная, но технопарки должны опираться на университеты. А вот у нас в Петергофе рядом с университетом собираются сделать технопарк. Я поинтересовался у университетских коллег, какое отношение они будут иметь к технопарку. И мне ответили: «Построят и будут сдавать там офисы, а нас к сотрудничеству не приглашают». То есть все зависит от того, как будет идея реализована. А сами по себе инновации чрезвычайно важны.

Каков ваш прогноз для российской науки?

Живое выживет. Главное – не разрушать. В 30-е годы в Ленинграде Йоффе считал, что ядерная физика не интересна, и потому не нужно на ней сосредотачиваться. И если бы не нашлись молодые ученые, которые отстояли это направление, то неизвестно, как бы выглядела современная карта мира. Если наша страна хочет быть независимой, она обязана иметь специалистов по всем научным направлениям. Когда я был директором в ленинградском отделении института Стеклова и имел возможность брать на работу лучших студентов из университета, у нас можно было найти ответ на любой математический вопрос. Сейчас такого нет. Бюджет нашего института – 1 млн долларов. Бюджет обычного футбольного клуба – 50 млн долларов. Так что же нашей стране важнее: иметь среднюю футбольную команду, которая даже играть на мировом уровне не может, или передовую математику? Таково отношение к науке не только в России. В Дании министр науки заявил, что будет поддерживать только ту науку, которую он сам понимает. В результате там закрывают Институт теоретической физики. 

Когда математик разговаривает с обывателем, то зачастую все сводится к разговорам о специальной эстетике, непонятной профану, поскольку математика – это абстрактный мир, не связанный с материальными и осязаемыми объектами.

Да, я люблю говорить, что математика – это шестое чувство, которое появляется в фундаментальной науке, когда она становится таковой. Иными словами – это универсальный язык естественных наук, когда они подходят к своим основам.  В то же время математика имеет внутреннюю логику и развивается сама по себе. А у физики одна задача – понять структуру неживой материи.

Филдсовский лауреат 2002 года Владимир Воеводский заметил, что математика слишком разделилась на узкоспециализированные направления. Не только студенты мехмата – доктора наук из других математических областей не могут разобраться в сути достижений лауреатов. И это ведет математику к неизбежному кризису.

У меня после Пекинского конгресса 2002 года сложилось противоположное мнение. Я заметил, что разные специалисты – алгебраисты, математические логики, специалисты по теории чисел – говорили фактически об одних и тех же задачах. И в этом смысле математика становится более универсальной. Например, я слышал, что совсем недавно выдающийся американский физик Эдвард Виттен обнаружил связь между теорией струн и такой абстрактной теорией из алгебраической геометрии, как программа Лэнглэндса, за разработку которой француз Лоран Лаффорг получил филдсовскую медаль одновременно с Воеводским. Роль математики в развитии естественных наук во многом загадочна. Но я уверен, что со временем все хорошие теории оказываются полезными.     

См. также: 

Краткий обзор хозяйства науки, Реплика профессора Семенова, Реплика к реплике профессора Семенова, Спор о реформе науки

Тексты Сергея Белановского, сыгравшие как провокация. Оценка состояния РАН. Исследование по заказу ЦСР, Наука: от финансового аудита к власти эффективных менеджеров

Из проекта “Концепции участия Российской Федерации в управлении имущественными комплексами государственных организаций, осуществляющих деятельность в сфере науки”, Интервью министра образования и науки Андрея Фурсенко

МАКСВЕЛЛ, ДЖЕЙМС КЛЕРК | Энциклопедия Кругосвет

МАКСВЕЛЛ, ДЖЕЙМС КЛЕРК (Maxwell, James Clerk) (1831–1879), английский физик. Родился 13 июня 1831 в Эдинбурге в семье шотландского дворянина из знатного рода Клерков. Учился сначала в Эдинбургском (1847–1850), затем в Кембриджском (1850–1854) университетах. В 1855 стал членом совета Тринити-колледжа, в 1856–1860 был профессором Маришал-колледжа Абердинского университета, с 1860 возглавлял кафедру физики и астрономии в Кингз-колледже Лондонского университета. В 1865 в связи с серьезной болезнью Максвелл отказался от кафедры и поселился в своем родовом поместье Гленлэр близ Эдинбурга. Продолжал заниматься наукой, написал несколько сочинений по физике и математике. В 1871 в Кембриджском университете занял кафедру экспериментальной физики. Организовал научно-исследовательскую лабораторию, которая открылась 16 июня 1874 и была названа Кавендишской – в честь Г.Кавендиша.

Свою первую научную работу Максвелл выполнил еще в школе, придумав простой способ вычерчивания овальных фигур. Эта работа была доложена на заседании Королевского общества и даже опубликована в его «Трудах». В бытность членом совета Тринити-колледжа занимался экспериментами по теории цветов, выступая как продолжатель теории Юнга и теории трех основных цветов Гельмгольца. В экспериментах по смешиванию цветов Максвелл применил особый волчок, диск которого был разделен на секторы, окрашенные в разные цвета (диск Максвелла). При быстром вращении волчка цвета сливались: если диск был закрашен так, как расположены цвета спектра, он казался белым; если одну его половину закрашивали красным, а другую – желтым, он казался оранжевым; смешивание синего и желтого создавало впечатление зеленого. В 1860 за работы по восприятию цвета и оптике Максвелл был награжден медалью Румфорда.

В 1857 Кембриджский университет объявил конкурс на лучшую работу об устойчивости колец Сатурна. Эти образования были открыты Галилеем в начале 17 в. и представляли удивительную загадку природы: планета казалась окруженной тремя сплошными концентрическими кольцами, состоящими из вещества неизвестной природы. Лаплас доказал, что они не могут быть твердыми. Проведя математический анализ, Максвелл убедился, что они не могут быть и жидкими, и пришел к заключению, что подобная структура может быть устойчивой только в том случае, если состоит из роя не связанных между собой метеоритов. Устойчивость колец обеспечивается их притяжением к Сатурну и взаимным движением планеты и метеоритов. За эту работу Максвелл получил премию Дж.Адамса.

Одной из первых работ Максвелла стала его кинетическая теория газов. В 1859 ученый выступил на заседании Британской ассоциации с докладом, в котором привел распределение молекул по скоростям (максвелловское распределение). Максвелл развил представления своего предшественника в разработке кинетической теории газов Р.Клаузиуса, который ввел понятие «средней длины свободного пробега». Максвелл исходил из представления о газе как об ансамбле множества идеально упругих шариков, хаотически движущихся в замкнутом пространстве. Шарики (молекулы) можно разделить на группы по скоростям, при этом в стационарном состоянии число молекул в каждой группе остается постоянным, хотя они могут выходить из групп и входить в них. Из такого рассмотрения следовало, что «частицы распределяются по скоростям по такому же закону, по какому распределяются ошибки наблюдений в теории метода наименьших квадратов, т.е. в соответствии со статистикой Гаусса». В рамках своей теории Максвелл объяснил закон Авогадро, диффузию, теплопроводность, внутреннее трение (теория переноса). В 1867 показал статистическую природу второго начала термодинамики («демон Максвелла»).

В 1831, в год рождения Максвелла, М.Фарадей проводил классические эксперименты, которые привели его к открытию электромагнитной индукции. Максвелл приступил к исследованию электричества и магнетизма примерно 20 лет спустя, когда существовали два взгляда на природу электрических и магнитных эффектов. Такие ученые, как А.М.Ампер и Ф.Нейман, придерживались концепции дальнодействия, рассматривая электромагнитные силы как аналог гравитационного притяжения между двумя массами. Фарадей был приверженцем идеи силовых линий, которые соединяют положительный и отрицательный электрические заряды или северный и южный полюсы магнита. Силовые линии заполняют все окружающее пространство (поле, по терминологии Фарадея) и обусловливают электрические и магнитные взаимодействия. Следуя Фарадею, Максвелл разработал гидродинамическую модель силовых линий и выразил известные тогда соотношения электродинамики на математическом языке, соответствующем механическим моделям Фарадея. Основные результаты этого исследования отражены в работе Фарадеевы силовые линии (Faraday’s Lines of Force, 1857). В 1860–1865 Максвелл создал теорию электромагнитного поля, которую сформулировал в виде системы уравнений (уравнения Максвелла), описывающих основные закономерности электромагнитных явлений: 1-е уравнение выражало электромагнитную индукцию Фарадея; 2-е – магнитоэлектрическую индукцию, открытую Максвеллом и основанную на представлениях о токах смещения; 3-е – закон сохранения количества электричества; 4-е – вихревой характер магнитного поля.

Продолжая развивать эти идеи, Максвелл пришел к выводу, что любые изменения электрического и магнитного полей должны вызывать изменения в силовых линиях, пронизывающих окружающее пространство, т.е. должны существовать импульсы (или волны), распространяющиеся в среде. Скорость распространения этих волн (электромагнитного возмущения) зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости среды и равна отношению электромагнитной единицы к электростатической. По данным Максвелла и других исследователей, это отношение составляет 3Ч10¹⁰ см/с, что близко к скорости света, измеренной семью годами ранее французским физиком А.Физо. В октябре 1861 Максвелл сообщил Фарадею о своем открытии: свет – это электромагнитное возмущение, распространяющееся в непроводящей среде, т.е. разновидность электромагнитных волн. Этот завершающий этап исследований изложен в работе Максвелла Динамическая теория электромагнитного поля (Treatise on Electricity and Magnetism, 1864), а итог его работ по электродинамике подвел знаменитый Трактат об электричестве и магнетизме (1873).

Последние годы жизни Максвелл занимался подготовкой к печати и изданием рукописного наследия Кавендиша. Два больших тома вышли в октябре 1879. Умер Максвелл в Кембридже 5 ноября 1879.

Проверь себя!
Ответь на вопросы викторины «Физика»

Что такое изотоп, чему равно число Авогадро и что изучает наука реология?

МАКСВЕЛЛ Джеймс Клерк — это… Что такое МАКСВЕЛЛ Джеймс Клерк?

МАКСВЕЛЛ Джеймс Клерк

(Maxwell, James Clerk)

ДЖЕЙМС КЛЕРК МАКСВЕЛЛ
(1831-1879), английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики. Родился 13 июня 1831 в Эдинбурге в семье шотландского дворянина из знатного рода Клерков. Учился сначала в Эдинбургском (1847-1850), затем в Кембриджском (1850-1854) университете. В 1855 стал членом совета Тринити-колледжа, в 1856-1860 был профессором натурфилософии Маришал-колледжа Абердинского университета, с 1860 возглавлял кафедру физики и астрономии в Кингз-колледже Лондонского университета. В 1865 в связи с серьезной болезнью Максвелл отказался от кафедры и поселился в своем родовом поместье Гленлэр близ Эдинбурга. Здесь он продолжал заниматься наукой, написал несколько сочинений по физике и математике. В 1871 в Кембриджском университете была учреждена кафедра экспериментальной физики, которую Максвелл согласился занять. Здесь он взял на себя бремя по организации при кафедре научно-исследовательской лаборатории, первой физической лаборатории в Англии. Средства на ее создание были пожертвованы герцогом Девонширским, лордом-канцлером Университета, но все организационные работы велись под наблюдением и по указаниям Максвелла (кроме того, он вложил в нее немало личных средств). Лаборатория открылась 16 июня 1874 и была названа Кавендишской — в честь замечательного английского ученого конца 18 в. Г.Кавендиша, которому герцог доводился внучатым племянником. Лаборатория была приспособлена как для научной работы, так и для лекционных демонстраций. Впоследствии она стала одной из самых знаменитых физических лабораторий мира. Последние годы жизни Максвелл много занимался подготовкой к печати и изданием огромного рукописного наследия Кавендиша — его теоретических и экспериментальных работ по электричеству. Два больших тома вышли в октябре 1879. Умер Максвелл в Кембридже 5 ноября 1879. После отпевания в часовне Тринити-колледжа он был похоронен на фамильном кладбище в Шотландии. Свою первую научную работу Максвелл выполнил еще в школе: в возрасте 15 лет он придумал простой способ вычерчивания овальных фигур. Эта работа была доложена на заседании Королевского общества и даже опубликована в его «Трудах». В бытность членом Тринити-колледжа он занимался экспериментами по теории цветов, выступая как продолжатель теории Юнга и теории трех основных цветов Гельмгольца. В своих экспериментах по смешиванию цветов Максвелл применил особый волчок, диск которого был разделен на секторы, окрашенные в разные цвета («диск Максвелла»). При быстром вращении волчка цвета сливались: если диск был закрашен так, как расположены цвета спектра, он казался белым; если одну его половину закрашивали красным, а другую — желтым, он казался оранжевым; смешивание синего и желтого создавало впечатление зеленого. Разные комбинации цветов давали разные оттенки. Несколько позже Максвелл с успехом демонстрировал этот прибор на своих лекциях в Королевском обществе. В 1860 за работы по восприятию цвета и оптике он был награжден медалью Румфорда. В 1857 Кембриджский университет объявил конкурс на лучшую работу об устойчивости колец Сатурна, в котором Максвелл решил принять участие. Эти образования были открыты Галилеем в начале 17 в. и представляли удивительную загадку природы: планета казалась окруженной тремя сплошными концентрическими кольцами, состоящими из вещества неизвестной природы. Лаплас доказал, что они не могут быть твердыми. Проведя математический анализ, Максвелл убедился, что они не могут быть и жидкими, и пришел к заключению, что подобная структура является устойчивой только в том случае, если она состоит из роя не связанных между собой метеоритов. Устойчивость колец обеспечивается их притяжением к Сатурну и взаимным движением планеты и метеоритов. За эту работу Максвелл получил премию Дж.Адамса и сразу же стал лидером математической физики. Одной из первых работ Максвелла, внесших наиболее весомый вклад в науку, стала его кинетическая теория газов. В 1859 он выступил на заседании Британской ассоциации с докладом, в котором дал вывод распределения молекул по скоростям (максвелловское распределение). Максвелл развил представления своего предшественника в разработке кинетической теории газов Р.Клаузиуса, который ввел понятие «средней длины свободного пробега» (среднего расстояния, проходимого молекулой газа между ее столкновением с другой молекулой). Максвелл исходил из представления о газе как об ансамбле множества идеально упругих шариков, хаотически движущихся в замкнутом пространстве и претерпевающих лишь упругие столкновения. Шарики (молекулы) можно разделить на группы по скоростям, при этом в стационарном состоянии число молекул в каждой группе остается постоянным, хотя они могут выходить из групп и входить в них. Из такого рассмотрения следовало, что «частицы распределяются по скоростям по такому же закону, по какому распределяются ошибки наблюдений в теории метода наименьших квадратов, т.е. в соответствии со статистикой Гаусса». Так впервые в описание физических явлений вошла статистика. В рамках своей теории Максвелл объяснил закон Авогадро, диффузию, теплопроводность, внутреннее трение (теория переноса). В 1867 показал статистическую природу второго начала термодинамики («демон Максвелла»). В 1831, в год рождения Максвелла, М.Фарадей проводил классические эксперименты, которые привели его к открытию электромагнитной индукции. Максвелл приступил к исследованию электричества и магнетизма примерно 20 лет спустя, когда существовали два взгляда на природу электрических и магнитных эффектов. Такие ученые, как А.М.Ампер и Ф.Нейман, придерживались концепции дальнодействия, рассматривая электромагнитные силы как аналог гравитационного притяжения между двумя массами. Фарадей был приверженцем идеи силовых линий, которые соединяют положительный и отрицательный электрические заряды или северный и южный полюсы магнита. Они заполняют все окружающее пространство (поле, по терминологии Фарадея) и обусловливают электрические и магнитные взаимодействия. Максвелл самым тщательным образом изучил работы Фарадея и почти всю свою творческую жизнь развивал идеи поля. Следуя Фарадею, он разработал гидродинамическую модель силовых линий и выразил известные тогда соотношения электродинамики на математическом языке, соответствующем механическим моделям Фарадея. Основные результаты этого исследования отражены в работе Фарадеевы силовые линии (Faraday’s Lines of Force), направленной Фарадею в 1857. В 1860-1865 Максвелл создал теорию электромагнитного поля, которую он сформулировал в виде системы уравнений (уравнения Максвелла), описывающих все основные закономерности электромагнитных явлений: 1-е уравнение выражало электромагнитную индукцию Фарадея; 2-е — магнитоэлектрическую индукцию, открытую Максвеллом и основанную на представлениях о токах смещения; 3-е — закон сохранения количества электричества; 4-е — вихревой характер магнитного поля. Продолжая развивать эти идеи, Максвелл пришел к выводу, что любые изменения электрического и магнитного полей должны вызывать изменения в силовых линиях, пронизывающих окружающее пространство, т.е. должны существовать импульсы (или волны), распространяющиеся в среде. Скорость распространения этих волн (электромагнитного возмущения) зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости среды и равна отношению электромагнитной единицы электричества к электростатической. По данным Максвелла и других исследователей, это отношение составляет 3Ч1010 см/с, что очень близко к скорости света, измеренной семью годами ранее французским физиком А.Физо. В октябре 1861 Максвелл сообщил Фарадею о своем открытии: свет — это электромагнитное возмущение, распространяющееся в непроводящей среде, т.е. разновидность электромагнитных волн. Этот завершающий этап был отражен в работе Максвелла Динамическая теория электромагнитного поля (Treatise on Electricity and Magnetism, 1864), а итог его работ по электродинамике подвел знаменитый Трактат об электричестве и магнетизме (1873). Экспериментальная и техническая задача получения и использования электромагнитных волн в широком спектральном диапазоне, в котором на долю видимого света приходится лишь малая часть, была успешно решена последующими поколениями ученых и инженеров. Применения теории Максвелла дали миру все виды радиосвязи, включая радиовещание и телевидение, радиолокацию и навигационные средства, а также средства для управления ракетами и спутниками.
ЛИТЕРАТУРА
Максвелл Дж. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. М., 1954 Мак-Дональд Д. Фарадей, Максвелл и Кельвин. М., 1967 Максвелл Дж. Статьи и речи. М., 1968

Энциклопедия Кольера. — Открытое общество. 2000.

• МАХ Эрнст
• МАЙТНЕР Лизе

Полезное

Смотреть что такое «МАКСВЕЛЛ Джеймс Клерк» в других словарях:

• Максвелл Джеймс Клерк — Джеймс Клерк Максвелл James Clerk Maxwell Дата рождения: 13 июня 1831 Место рождения: Эдинбург, Шотландия Дата смерти: 5 ноября 1879 Место смерти …   Википедия

• Максвелл, Джеймс Клерк — Джеймс Клерк Максвелл. МАКСВЕЛЛ (Maxwell) Джеймс Клерк (1831 79), английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики. Создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла), описывающую… …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

• Максвелл, Джеймс Клерк — В Википедии есть статьи о других людях с такой фамилией, см. Максвелл. Джеймс Клерк Максвелл James Clerk Maxwell …   Википедия

• Максвелл Джеймс Клерк — (Maxwell Clerk) (1831 1879), английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики, организатор и первый директор (с 1871) Кавендишской лаборатории. Развивая идеи М. Фарадея, создал теорию… …   Энциклопедический словарь

• Максвелл Джеймс Клерк — Максвелл (Maxwell) Джеймс Клерк (Clerk) (13.6.1831, Эдинбург, ‒ 5.11.1879, Кембридж), английский физик, создатель классической электродинамики, один из основателей статистической физики. Член Лондонского королевского общества (1860). Сын… …   Большая советская энциклопедия

• Джеймс Клерк Максвелл — James Clerk Maxwell Дата рождения: 13 июня 1831 Место рождения: Эдинбург, Шотландия Дата смерти: 5 ноября 1879 Место смерти …   Википедия

• Максвелл, Джеймс — Клерк Максвелл, Джеймс (артист) …   Википедия

• МАКСВЕЛЛ (Maxwell) Джеймс Клерк — (13 июня 1831 Эдинбург, 5 ноября 1879, Кембридж), английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики, основатель одного из крупнейших мировых научных центров конца 19 нач. 20 вв. Кавендишской… …   Большой Энциклопедический словарь

• МАКСВЕЛЛ (Maxwell) Джеймс Клерк (Clerk) — (1831 79) английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики, организатор и первый директор (с 1871) Кавендишской лаборатории. Развивая идеи М. Фарадея, создал теорию электромагнитного поля… …   Большой Энциклопедический словарь

• Джеймс Максвелл — Джеймс Клерк Максвелл James Clerk Maxwell Дата рождения: 13 июня 1831 Место рождения: Эдинбург, Шотландия Дата смерти: 5 ноября 1879 Место смерти …   Википедия

Книги

• Труды по кинетической теории, Максвелл Джеймс Клерк. Перевод семи статей классика естествознания Джеймса Клерка Максвелла по кинетической теории с комментариями и примечаниями. Эти статьи сыграли огромную роль в науке, технике, образовании и… Подробнее  Купить за 531 руб
• Труды по кинетической теории, Джеймс Клерк Максвелл. Перевод семи статей классика естествознания Джеймса Клерка Максвелла по кинетической теории с комментариями и примечаниями. Эти статьи сыграли огромную роль в науке, технике, образовании и… Подробнее  Купить за 330 руб электронная книга

МАКСВЕЛЛ • Большая российская энциклопедия

МА́КСВЕЛЛ (Maxwell) Джеймс Клерк (13.6.1831, Эдин­бург – 5.11.1879, Кем­бридж), англ. фи­зик, соз­да­тель клас­сич. элек­тро­ди­на­ми­ки, один из ос­но­ва­те­лей ста­ти­сти­че­ской фи­зи­ки. Чл. Эдин­бург­ско­го (1855) и Лон­дон­ско­го (1861) ко­ро­лев­ских об­ществ. Сын шотл. дво­ря­ни­на из знат­но­го ро­да Клер­ков. Учил­ся в Эдин­бург­ском (1847–50) и Кем­бридж­ском (1850–1854) ун-тах. Проф. Ма­ри­шал-кол­лед­жа в Абер­ди­не (1856–1860), Лон­дон­ско­го ун-та (1860–65), с 1871 – Кем­бридж­ско­го ун-та, где ос­но­вал пер­вую в Ве­ли­ко­бри­та­нии фи­зич. ла­бо­ра­то­рию – Ка­вен­диш­скую ла­бо­ра­то­рию, ди­рек­то­ром ко­то­рой был с 1871.

Ра­бо­ты М. по­свя­ще­ны про­бле­мам элек­тро­маг­не­тиз­ма, ки­не­тич. тео­рии га­зов, оп­ти­ке, ме­ха­ни­ке, тео­рии уп­ру­го­сти и др. Свою пер­вую ра­бо­ту «О чер­че­нии ова­лов и об ова­лах со мно­ги­ми фо­ку­са­ми» М. вы­пол­нил в 1846 (опубл. в 1851), ко­гда ему ещё не бы­ло 15 лет. В 1852–72 М. за­ни­мал­ся ис­сле­до­ва­ния­ми фи­зио­ло­гии и фи­зи­ки цвет­но­го зре­ния, впер­вые про­де­мон­ст­ри­ро­вал (1861) цвет­ное изо­бра­же­ние при од­но­вре­мен­ном про­е­ци­ро­ва­нии на эк­ран зе­лё­но­го, крас­но­го и си­не­го изо­бра­же­ний, до­ка­зав этим спра­вед­ли­вость трёх­ком­по­нент­ной тео­рии цвет­но­го зре­ния и на­ме­тив пу­ти соз­да­ния цвет­ной фо­то­гра­фии. Он соз­дал один из пер­вых при­бо­ров для ко­ли­чест­вен­но­го из­ме­ре­ния цве­та, по­лу­чив­ший назв. дис­ка Мак­свел­ла. В 1857–59 М. тео­ре­ти­чески ис­сле­до­вал ус­той­чи­вость ко­лец Са­тур­на и по­ка­зал, что они мо­гут быть ус­той­чи­вы, ес­ли со­сто­ят из не свя­зан­ных ме­ж­ду со­бой твёр­дых час­тиц.

Наи­бо­лее зна­чи­мы ра­бо­ты М. в об­лас­ти мо­ле­ку­ляр­ной фи­зи­ки и элек­тро­ди­на­ми­ки. В ки­не­тич. тео­рии га­зов М. ус­та­но­вил (1859) ста­ти­стич. за­кон рас­пре­де­ле­ния мо­ле­кул га­за по ско­ро­стям (Мак­свел­ла рас­пре­де­ле­ние), ос­но­ван­ный на учё­те пря­мых и об­рат­ных столк­но­вений. В 1866 М. раз­вил об­щую тео­рию про­цес­сов пе­ре­но­са, при­ме­нив её к про­цес­сам диф­фу­зии, те­п­ло­про­вод­но­сти и внутр. тре­ния, ввёл по­ня­тие вре­ме­ни ре­лак­са­ции. М. по­ка­зал ста­ти­стич. при­ро­ду вто­ро­го на­ча­ла тер­мо­ди­на­ми­ки (1867), ввёл тер­мин «ста­ти­сти­че­ская фи­зи­ка» (1878). Что­бы про­ил­лю­ст­ри­ро­вать ка­жу­щий­ся па­ра­докс вто­ро­го на­ча­ла тер­мо­ди­на­ми­ки о не­воз­мож­но­сти пе­ре­да­чи те­п­ло­ты от те­ла с мень­шей тем­пе­ра­ту­рой те­лу с боль­шей тем­пе­ра­ту­рой без со­вер­ше­ния ра­бо­ты, М. при­ду­мал ги­по­те­тич. ра­зум­ное су­ще­ст­во мик­ро­ско­пич. раз­ме­ра (т. н. де­мон Мак­свел­ла).

Са­мое боль­шое на­уч. дос­ти­же­ние М. – соз­дан­ная им тео­рия элек­тро­маг­нит­но­го по­ля, ко­то­рую он сфор­му­ли­ро­вал в ви­де сис­те­мы диф­фе­рен­ци­аль­ных урав­не­ний (Мак­свел­ла урав­не­ния), вы­ра­жа­ющих осн. за­ко­но­мер­но­сти элек­тро­маг­нит­ных яв­ле­ний. В этой тео­рии М. обоб­щил все из­вест­ные к то­му вре­ме­ни фак­ты мак­ро­ско­пич. элек­тро­ди­на­ми­ки, впер­вые ввёл (1861) но­вое по­ня­тие – ток сме­ще­ния, по­ро­ж­даю­щий маг­нит­ное по­ле, по­доб­но то­ку про­во­ди­мо­сти. Ана­лиз урав­не­ний по­зво­лил пред­ска­зать су­ще­ст­во­ва­ние в сво­бод­ном про­стран­ст­ве элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния (элек­тро­маг­нит­ных волн) и его рас­про­стра­не­ние в про­стран­ст­ве со ско­ро­стью све­та. На ос­но­ве это­го М. при­шёл к вы­во­ду об элек­тро­маг­нит­ной при­ро­де све­та (1865) и по­ка­зал, что ско­рость лю­бых элек­тро­маг­нит­ных волн рав­на ско­ро­сти све­та. Из его тео­рии сле­до­ва­ло, что элек­тро­маг­нит­ные вол­ны про­из­во­дят дав­ле­ние; он тео­ре­ти­че­ски вы­чис­лил дав­ле­ние све­та (1873). Ус­та­но­вил со­от­но­ше­ние ме­ж­ду ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­стью e и по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния n: ε = n². Пред­ска­зал Эйн­штей­на – де Хаа­за эф­фект и скин-эф­фект. Тео­рия элек­тро­маг­не­тиз­ма М. по­лу­чи­ла экс­пе­рим. под­твер­ж­де­ние и ста­ла об­ще­при­знан­ной клас­сич. ос­но­вой совр. фи­зи­ки. М. был по­пу­ля­ри­за­то­ром фи­зич. зна­ний. Впер­вые опуб­ли­ко­вал (1879) ру­ко­пи­си ра­бот Г. Ка­вен­ди­ша.

На­гра­ж­дён ме­да­лью Б. Рум­фор­да Лон­дон­ско­го ко­ро­лев­ско­го об-ва (1860). В честь М. на­зва­на еди­ни­ца маг­нит­но­го по­то­ка в сис­те­ме единиц СГС (мак­свелл).

Примерно к 1860 г. благодаря работам Неймана, Вебера, Гельмгольца и Феличи электродинамика считалась уже наукой окончательно систематизированной, с четко определенными границами. Основные исследования теперь уже, казалось, должны были идти по пути нахождения и вывода всех следствий из установленных принципов и их практического применения, к которому уже и приступили изобретательные техники.

Однако перспективу такой спокойной работы нарушил молодой шотландский физик Джемс Кларк Максвелл (18311879), указав на гораздо более широкую область применений электродинамики. С полным основанием Дюэм писал: Никакая логическая необходимость не толкала Максвелла придумывать новую электродинамику; он руководствовался лишь некоторыми аналогиями и желанием завершить работу Фарадея в таком же духе, как труды Кулона и Пуассона были завершены электродинамикой Ампера, а также, возможно, интуитивным ощущением электромагнитной природы света.

Быть может, основным побуждением, которое заставило Максвелла заняться работой, вовсе не требовавшейся наукой тех лет, было восхищение новыми идеями Фарадея, столь оригинальными, что ученые того времени не способны были воспринять их и усвоить. Поколению физиков-теоретиков, воспитанных на понятиях и математическом изяществе работ Лапласа, Пуассона и Ампера, мысли Фарадея казались слишком расплывчатыми, а физикам-экспериментаторам слишком мудреными и абстрактными. Произошла странная вещь: Фарадей, который по своему образованию не был математиком (он начал свою карьеру разносчиком в книжной лавке, а затем поступил в лабораторию Дэви на положение полуассистента-полуслуги), чувствовал настоятельную необходимость в разработке некоего теоретического метода, столь же действенного, как и математические уравнения. Максвелл угадал это.

Приступив к изучению труда Фарадея, писал Максвелл в предисловии к своему знаменитому Трактату, я установил, что его метод понимания явлений был также математическим, хотя и не представленным в форме обычных математических символов я также нашел, что этот метод можно выразить в обычной математической форме и, таким образом, сравнить с методами профессиональных математиков.

Так, например, Фарадей видел силовые линии, пронизывающие все пространство, там, где математики видели центры сил, притягивающих на расстоянии; Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния. Фарадей предполагал источник и причину явлений в реальных действиях, протекающих в среде, они же были удовлетворены тем, что нашли их в силе действия на расстоянии, приписанной электрическим флюидам.

Когда я переводил то, что я считал идеями Фарадея, в математическую форму, я нашел, что в большинстве случаев результаты обоих методов совпадали, так что ими объяснялись одни и те же явления и выводились одни и те же законы действия, но что методы Фарадея походили на те, при которых мы начинаем с целого и приходим к частному путем анализа, в то время как обычные математические методы основаны на принципе движения от частностей и построения целого путем синтеза.

Я также нашел, что многие из открытых математиками плодотворных методов исследования могли быть значительно лучше выражены с помощью идей, вытекающих из работ Фарадея, чем в их оригинальной форме.

Что же касается математического метода Фарадея, Максвелл в другом месте замечает, что математики, которые считали метод Фарадея лишенным научной точности, сами не придумали ничего лучшего, как использование гипотез о взаимодействии вещей, не обладающих физической реальностью, как, например, элементов тока, которые возникают из ничего, проходят участок провода и затем снова превращаются в ничто.

Чтобы придать идеям Фарадея математическую форму, Максвелл начал с того, что создал электродинамику диэлектриков. Теория Максвелла непосредственно связана с теорией Моссотти. В то время как Фарадей в своей теории диэлектрической поляризации намеренно оставил открытым вопрос о природе электричества, Моссотти, сторонник идей Франклина, представляет себе электричество как единый флюид, который он называет эфиром и который, по его мнению, присутствует с определенной степенью плотности во всех молекулах. Когда молекула находится под действием силы индукции. эфир концентрируется на одном конце молекулы и разрежается на другом: из-за этого возникает положительная сила на первом конце и равная ей отрицательная на втором.

Максвелл целиком принимает эту концепцию В своем Трактате он пишет:

.Электрическая поляризация диэлектрика представляет собой состояние деформации, в которое тело приходит под действием электродвижущей силы и которое исчезает одновременно с прекращением этой силы. Мы можем предоставить себе ее как нечто такое, что можно назвать электрическим смещением, производимым электродвижущей силой. Когда электродвижущая сила действует в проводящей среде, она вызывает там ток, но если среда непроводящая или диэлектрическая, то ток не может проходить через эту среду. Электричество, однако, смещено в ней в направлении действия электродвижущей силы, и величина этого смещения зависит от величины электродвижущей силы. Если электродвижущая сила увеличивается или уменьшается, то в той же пропорции соответственно увеличивается или уменьшается и электрическое смещение.

Величина смещения измеряется количеством электричества, пересекающего единицу поверхности при возрастании смещения от нуля до максимальной величины. Такова, следовательно, мера электрической поляризации.

Если поляризованный диэлектрик состоит из совокупности рассеянных в изолирующей среде проводящих частиц, на которых электричество распределено определенным образом, то всякое изменение состояния поляризации должно сопровождаться изменением распределения электричества в каждой частице, т. е. настоящим электрическим током, правда ограниченным лишь объемом проводящей частицы. Иначе говоря, каждое изменение состояния поляризации сопровождается током смещения.

В том же Трактате Максвелл говорит: Изменения электрического смещения, очевидно, вызывают электрические токи. Но эти токи могут существовать лишь во время изменения смещения, а поскольку смещение не может превысить некоторой величины, не вызывая разрушительного разряда, то эти токи не могут продолжаться бесконечно в одном и том же направлении, подобно токам в проводниках.

После того как Максвелл вводит понятие напряженности поля, представляющее собой математическое истолкование фарадеевского понятия поля сил, он записывает математическое соотношение для упомянутых понятий электрического смещения и тока смещения. Он приходит к выводу, что так называемый заряд проводника является поверхностным зарядом окружающего диэлектрика, что энергия накапливается в диэлектрике в виде состояния напряжения, что движение электричества подчиняется тем же условиям, что и движение несжимаемой жидкости.

Сам Максвелл так резюмирует свою теорию: Энергия электризации сосредоточена в диэлектрической среде, будь то твердое тело, жидкость или газ, плотная среда, или разреженная, или же совершенно лишенная весомой материи, лишь бы она была в состоянии передавать электрическое действие.

Энергия заключена в каждой точке среды в виде состояния деформации, называемого электрической поляризацией, величина которой зависит от электродвижущей силы, действующей в этой точке…

В диэлектрических жидкостях электрическая поляризация сопровождается натяжением в направлении линий индукции и равным ему давлением по всем направлениям, перпендикулярным линиям индукции; величина этого натяжения или давления на единицу поверхности численно равна энергии в единице объема в данной точке.

Трудно более ясно выразить основную идею такого подхода, являющуюся идеей Фарадея: местом, в котором совершаются электрические явления, является среда. Как бы желая подчеркнуть, что это и есть главное в его трактате, Максвелл заканчивает его следующими словами: Если мы примем эту среду в качестве гипотезы, я считаю, что она должна занимать выдающееся место в наших исследованиях и что нам следовала бы попытаться сконструировать рациональное представление о всех деталях ее действия, что и было моей постоянной целью в этом трактате.

Обосновав теорию диэлектриков, Максвелл переносит ее понятия с необходимыми поправками на магнетизм и создает теорию электромагнитной индукции. Все свое теоретическое построение он резюмирует в нескольких уравнениях, ставших теперь знаменитыми: в шести уравнениях Максвелла.

Эти уравнения сильно отличаются от обычных уравнений механики они определяют структуру электромагнитного поля.

В то время как законы механики применимы к областям пространства, в которых присутствует материя, уравнения Максвелла применимы для всего пространства независимо от того, присутствуют или не присутствуют там тела или электрические-заряды. Они определяют изменения поля, тогда как законы механики определяют изменения материальных частиц. Кроме того, ньютоновская механика отказалась от непрерывности действия в пространстве и времени, тогда как уравнения Максвелла устанавливают непрерывность явлений. Они связывают события, смежные в пространстве и во времени: по заданному состоянию поля здесь и теперь мы можем вывести состояние поля в непосредственной близости в близкие моменты времени. Такое понимание поля абсолютно согласуется с идеей Фарадея но находится в непреодолимом противоречии с двухвековой традицией. Поэтому нет ничего удивительного в том, что оно встретило сопротивление.

Возражения, которые выдвигались против теории электричества Максвелла, были многочисленны и относились как к фундаментальным понятиям, положенным в основу теории, так и, может быть в еще большей степени, к той слишком свободной манере, которой Максвелл пользуется при выводе следствий из нее.

Максвелл шаг за шагом строит свою теорию с помощью ловкости пальцев, как удачно выразился Пуанкаре, имея в виду теологические натяжки, которые иногда позволяют себе ученые при формулировке новых теорий. Когда в ходе аналитического построения Максвелл наталкивается на очевидное противоречие, он, не колеблясь, преодолевает его с помощью обескураживающих вольностей.

Например, ему ничего не стоит исключить какой-нибудь член, заменить неподходящий знак выражения обратным, подменить значение какой-нибудь буквы. На тех, кто восхищался непогрешимым логическим построением электродинамики Ампера, теория Максвелла должна была производить неприятное впечатление.

Физикам не удалось привести ее в стройный порядок, т. е. освободить от логических ошибок и непоследовательностей. Но, с другой стороны, они не могли отказаться от теории, которая, как мы увидим в дальнейшем, органически связывала оптику с электричеством. Поэтому в конце прошлого века крупнейшие физики придерживались тезиса, выдвинутого в 1890 г. Герцем: раз рассуждения и подсчеты, с помощью которых Максвелл пришел к своей теории электромагнетизма, полны ошибок, которые мы не можем исправить, примем шесть-уравнений Максвелла как исходную гипотезу, как постулаты, на которые и будет опираться вся теория электромагнетизма. Главное в теории Максвелла это уравнения Максвелла, говорит Герц.

Веселовский О. Н. Шнейберг А. Я «Очерки по истории электротехники»

Гений и вера Фарадея и Максвелла — Новая Атлантида

Религиозные убеждения великих ученых-историков сегодня часто отвергаются как простая идиосинкразия. Их верования считаются прискорбными, хотя и понятными изъянами, случайными изъянами великих умов, которые помогли вывести цивилизацию из примитивизма, но не смогли полностью избежать этого. В конце концов, разве наука не должна стремиться к пониманию Вселенной, независимому от убеждений и мнений ученых, будь то религиозных, политических, социальных или эстетических?

Тем не менее, наука не существует в вакууме, и исследования в области социологии, истории и философии науки часто подчеркивают, как более широкие верования и практики ученых влияют на их работу и, следовательно, на то, как наука развивается.Некоторые ученые даже утверждают (если не совсем убедительно), что убеждения ученых влияют на устоявшееся содержание науки.

Строгое разделение, которое мы обычно наблюдаем между научными идеями исследователя и его или ее «личными убеждениями», является современной и даже недавней нормой. Со времен античности и до научной революции наука рассматривалась как форма философии, и многие мыслители, которых мы задним числом окрестили «учеными», свободно смешивали свои рассуждения о мире природы с теологическими, философскими и математическими трудами, часто очень сильно расходуя их. их научного времени и энергии на изучение религии.Например, законы движения планет Кеплера семнадцатого века кажутся его современным читателям иглами научного вдохновения, зарытыми в стоге теологических спекуляций. Ньютон и Бойль без видимых колебаний также соединили физику и философское богословие.

К XIX веку, однако, натурфилософия стала более естественной и менее философской. Богословие и естествознание были существенно разделены. Апологетическое естественное богословие, утверждающее, что Бога можно вывести из природы, теперь было в основном для богословов.Язык физики превратился в измерение и математику, а целью науки стало описание мира природы в ее собственных терминах, а не в целях Творца. В результате возникает соблазн читать науку той эпохи так, как если бы она была полностью независима от религиозных убеждений ее практиков. Но это было не так.

Поскольку викторианские ученые представляют для нас интерес в основном из-за их научного вклада, их религиозные убеждения, как правило, рассматриваются как случайные соответствия обычаям дня — как если бы эти фигуры были проторационалистами и протоматериалистами, которые без всякой пользы нашего полного нынешнего просветления, не избавились полностью от предрассудков прежних времен.Эта карикатура унизительна и ошибочна, что можно проиллюстрировать жизнями и идеями двух людей, которые, возможно, были величайшими учеными-физиками своего времени и одними из величайших ученых всех времен: Майкла Фарадея (1791–1867) и Джеймса Клерка Максвелла ( 1831–1879).

У этих двух мужчин было очень разное происхождение. Фарадей был англичанином; Максвелл шотландский. Фарадей был сыном кузнеца с ограниченными возможностями; Отец Максвелла унаследовал солидное состояние и вряд ли нуждался в юридической практике, которой он обучался.У Фарадея было только базовое образование в начальной школе; Максвелл получил самое прекрасное образование. Фарадей был одним из самых популярных научных лекторов своего времени; Максвелл приобрел плохую репутацию в классе. Фарадей практически не знал формальной математики; Максвелл был одним из лучших математиков своего времени. Исследования Фарадея стали доминирующими в экспериментах с электричеством и магнетизмом; Максвелла по теории электромагнетизма. У них был общий опыт: оба были убежденными христианами.Но даже здесь существовали поразительные контрасты между религиозными традициями, к которым они принадлежали, и тем, как их духовные обязательства повлияли и укрепили их науку.

Великий электротехник

Огромный вклад Майкла Фарадея в науку частично подтверждается дюжиной или около того законов, явлений и экспериментальных инструментов, которые носят его имя: клетка Фарадея, постоянная Фарадея, закон индукции Фарадея, эффект Фарадея (вращения), Фарад. (единица электрической емкости), и так далее.В 1823 году он стал первым человеком, который сжижил хлор, а в 1825 году он впервые выделил бензол. Его первым значительным независимым открытием в 1821 году стал элегантный эксперимент, демонстрирующий, что магнитное поле влияет на электрический ток, заставляя его двигаться перпендикулярно как току, так и полю, и наиболее известен он именно его исследованиями в области электричества. Прежде всего, в 1831 году он открыл электромагнитную индукцию: переменные магнитные поля индуцируют токи, протекающие в электрических цепях.

Тесная взаимосвязь между электричеством и химией в его исследованиях — и во всей науке того времени — лучше всего иллюстрируется законами электролиза Фарадея, которые связывают скорость электролиза веществ с их молярной массой. Его исследования прохождения электричества через ионизированные газы привели его к выявлению в 1838 году особого явления тлеющих разрядов, известного как «темное пространство Фарадея» (которое представляет для меня особый интерес, поскольку я работаю в области физики плазмы).Но прорыв, который наиболее ясно показывает как его полное владение экспериментальной техникой, так и его упорную настойчивость, является его открытие в 1845 году вращения Фарадея, в котором магнитное поле вызывает вращение поляризации света. Этот эффект, который Фарадей преследовал на протяжении двадцати лет, движимый в основном философскими убеждениями, был критической демонстрацией связи между светом и электромагнетизмом.

Наконец, есть чрезвычайно влиятельная и изначально нетрадиционная позиция Фарадея, отстаивающая значение полей.Теоретическая и философская интуиция Фарадея, выросшая за десятилетия экспериментов и достигшая высшей точки в его статье 1852 года «О физическом характере линий магнитной силы», была, оглядываясь назад, возможно, его самым прочным наследием. Молодой Джеймс Клерк Максвелл определенно воспринял его всерьез и превратил идеи в то, что мы теперь называем уравнениями электромагнетизма Максвелла. Сегодняшняя физика рассматривает силовое поле, а не материальную субстанцию, как наиболее фундаментальную природную реальность.

Предки Фарадея были из Йоркшира, но он вырос в Лондоне, в семье бедного кузнеца.Почти все, что мы знаем о его первых тринадцати годах, — это то, что он сказал о них позже: «Мое образование было самым обычным и состояло лишь из элементарных навыков чтения, письма и арифметики в обычной дневной школе. Я проводил часы вне школы дома и на улице ». В 1804 году он стал мальчиком на побегушках, а затем учеником местного книжного магазина. Его настоящее образование началось. «Будучи учеником, я любил читать научные книги, которые были у меня в руках, — сказал он, — и проводил такие простые эксперименты по химии, которые можно было оплачивать за счет нескольких пенсов в неделю, а также сконструировал электрическую машину … .”

В возрасте двадцати одного года Фарадею удалось перейти от подмастерья книготорговца к торговцу книгами для самого известного лондонского ученого того времени сэра Хамфри Дэви. Эта история была хорошо рассказана много раз, и, хотя в ней царит сказочная атмосфера, она также говорит о настойчивости и внимании Фарадея. Его скрупулезные записи некоторых публичных лекций Дэви впервые привлекли к нему внимание Дэви, в то время почетного профессора химии и директора лаборатории Лондонского Королевского института.Химические взрывы, травмы и стрельба из предшественника открыли перед Фарадеем новые возможности. Затем, всего через семь месяцев после назначения, Фарадей покинул Англию в качестве «философского помощника» Дэви в восемнадцатимесячной научной поездке на континент — замечательное научное ученичество. К 1820-м годам место Фарадея в Королевском институте было обеспечено, и он получил допуск в Королевское общество и признание в научных кругах того времени.

В 1821 году, едва не исполнившись тридцати лет, Фарадей вступил в брак с Сарой Барнард, который продлился до конца его жизни.В следующем месяце он взял на себя столь же прочное обязательство, исповедуя веру перед Сандеманианской церковью, и таким образом стал полноправным членом общины.

Сандеманианская церковь возникла на основе опыта шотландца Джона Гласа (1695–1773). Популярный служитель пресвитерианской церкви Шотландии недалеко от Данди, Глас не смог согласовать свое понимание Священных Писаний с ролью государства в существующей церкви. В 1730 году Глас и почти сотня членов его общины объединились, чтобы основать независимую церковь, приверженную только Библии, отвергнув политический завет.Роберт Сандеман (1717–1771), которого привлекла независимая община, которую Глас впоследствии основал в Эдинбурге, женился на одной из дочерей Гласа и в 1744 году стал старейшиной гласитской церкви в Перте. Сандеман много времени работал на церковь и стал ее самым влиятельным представителем в Англии и североамериканских колониях.

Сандеманианство обычно изображается как неортодоксальная и своеобразная христианская секта. Это впечатление усиливается часто цитируемым замечанием самого Фарадея о том, что он принадлежал к «очень маленькой и презираемой секте христиан».Нет сомнений в том, что секта была небольшой: в Лондоне в девятнадцатом веке было зарегистрировано всего 252 вероисповедания. Но, несмотря на их радикальное несоответствие, богословие сандеманистов было по сути ортодоксальным христианством. Что было неортодоксальным по стандартам того времени, так это их экклезиология — церковная организация, практики и политическое устройство. Они старались как можно точнее воплощать в жизнь образец Нового Завета для церкви. Новый Завет не знает официально установленного рукоположения или духовенства; Сандеманианцы тоже.В Новом Завете есть только две признанные должности: старейшины и дьяконы; таков образец руководства сандеманианцев. Христиане Нового Завета были близким сообществом, которое характеризовалось отделением от многих обычаев окружающих культур; Сандеманцы тоже наблюдали сплоченное братство, отделенное от религиозных условностей общества, ожидая взамен, как выразился один из первых членов, «ненависти той части мира, которая возьмет на себя лидерство в народной и фарисейской преданности.”

Единство братьев имело решающее значение для сандеманской общины. Они очень серьезно отнеслись к призыву Павла: «Я призываю вас, братья и сестры, именем Господа нашего Иисуса Христа, чтобы все вы были в согласии и чтобы между вами не было разделений, но чтобы вы были едины в один и тот же разум и одна и та же цель »(1 Кор. 1:10). Во имя этого единства старейшины должны были соблюдать библейские моральные нормы и дисциплину, избегая при этом любых раздоров, разделений или недовольства.Если какое-либо разделение действительно возникло, единственным оставшимся выходом было исключить противников от участия в Вечере Господней и от полных духовных благ собрания. И это происходило довольно часто, как с отдельными людьми, так и между сандеманистскими общинами в целом. Таким образом, как это ни парадоксально, наиболее отличительная черта сандеманианской церковной практики — их упор на полное единство — была основной причиной неоднократных расколов и расколов в церкви.

Фарадей вырос в орбите такой общины.Его отец был преданным сандеманином, исповедующим веру в год рождения Фарадея, и, хотя его мать никогда не входила в полноправные члены, она регулярно посещала службы. Исповедание самого Фарадея было тогда, насколько нам известно, не обращением, а формальным принятием обязанностей членства в требовательном духовном сообществе, что он хорошо понимал.

Наука и духовный авторитет

Был еще один аспект сандеманианства, который был своеобразным — и в конечном итоге фатальным для секты: отсутствие евангельских усилий.Сандеманцы не придавали значения прозелитизму. Эта черта избавила Фарадея от всякой комиссии по спору о религии с людьми, не входящими в сообщество, такими как его коллеги, и помогает объяснить, почему ему было совершенно комфортно поддерживать официальное отделение своей веры от своей профессии.

Отстраненный подход сандеманианства к религии в общественной жизни также может помочь объяснить, почему многие биографы Фарадея отмахиваются от его религиозных обязательств. Возьмем, к примеру, Джона Тиндаля, самого раннего и, возможно, самого восхищенного биографа Фарадея, чье назначение в Королевский институт в 1853 году, несомненно, во многом обязано влиянию Фарадея.Тиндаль (1820–1893), как и Фарадей, был подвижным сыном из скромной семьи и в начале своей карьеры — в случае Тиндаля — геодезиста — не получил университетского образования. Тиндаль стал близким коллегой Фарадея по Королевскому институту и, в конечном итоге, его преемником. Он продолжил фарадеевскую традицию практических исследований и популярных лекций.

В томе « Фарадей как первооткрыватель » 1868 года Тиндаль изобразил Фарадея величайшим экспериментатором всех времен, своего рода научным пророком.И это несмотря на то, что собственные религиозные взгляды Тиндаля сильно отличались от взглядов Фарадея. В его биографии не упоминалось о сандеманианстве Фарадея и критиковались его теоретические рассуждения. Тиндаль был скептиком, материалистом, другом Т. Хаксли (биолога, известного как «Бульдог Дарвина») и членом Клуба Икс из девяти человек, который в течение почти тридцати лет действовал почти как группа защиты интересов научный натурализм и либерализм, «неподвластный религиозным догмам», как выразился один из членов.Но разделение, которое Фарадей поддерживал между своей верой и профессией, позволило ему установить самые сердечные и конструктивные личные и профессиональные отношения с Тиндалем, несмотря на их различия. Тиндаль заметил, что за все время своего знакомства они с Фарадеем никогда не обсуждали религию, кроме одного раза, когда Тиндаль поднял ее.

Однако было бы неправильно предполагать, что интеллектуальное разделение, которое практиковал Фарадей, означало, что его вера не имела влияния на его науку. Он считал, что в своих научных исследованиях он читал «книгу природы… написанную перстом Божьим», как он выразился в своей лекции 1854 года «Наблюдения за умственным воспитанием».«Озабоченность Фарадея законами природы была окрашена теологическими убеждениями. «Богу было угодно действовать в своем материальном творении по законам, — заметил он, — и« Творец управляет своими материальными делами по определенным законам, проистекающим из сил, воздействующих на материю ».

Историк науки Джеффри Кантор в своей биографии Фарадея 1991 года утверждает, что понимание Фарадеем последовательности и простоты природы было не только результатом его научной работы, но и ее предпосылкой: оно было неотъемлемой частью метафизических предпосылок, которые заключались в том, что руководил его исследованием.Он искал объединяющие законы, связывающие силы мира, и очень успешно нашел эти законы для электричества, магнетизма и света. Метафизические принципы Фарадея иногда действовали как необходимые истины, а иногда как руководящие принципы.

Одним из этих руководящих принципов была концепция Фарадея о творении как о божественно планируемой экономике. В теоретических размышлениях Фарадея он ссылался на «стабильность творения» и совершенно продуктивное использование Богом «силы».В своей научной работе он говорил о «сохранении силы», намекая на сохранение энергии — до демонстрации Джоуля механической эквивалентности тепла и формулировки Кельвином законов термодинамики — и о бездивергентном характере силовых линий. . Концепции согласованности и сохранения, вытекающие из его теологических взглядов на экономику природы, были движущими идеалами его отстаивания силовых линий и, следовательно, основ теории поля.

В соответствии с представлениями своей эпохи о дисциплинах, Фарадей всегда называл себя философом, а не ученым.Но он приложил все усилия, чтобы провести различие между своим научным философствованием и христианской приверженностью. Во времена Фарадея новейший подход к теологии был рационалистическим — примером тому были либеральные англиканцы, которые стремились основывать свою религию не на откровениях или истории, которые, по их мнению, вызывали сомнения, а на интеллектуальном теоретизировании, особенно на аргументе, основанном на замысле. . Фарадей отверг их подход, о чем он прямо заявил в «Наблюдениях о психическом образовании»:

.

Пусть никто ни на мгновение не предположит, что самообразование, которое я собираюсь похвалить в отношении вещей этой жизни, распространяется на любые размышления о надежде, стоящей перед нами, как если бы человек с помощью рассуждений мог узнать Бога.Было бы неправильно здесь углубляться в этот предмет дальше, чем заявлять об абсолютном различии между религиозными и обычными убеждениями. Меня упрекнут в том, что я отказываюсь применять те умственные операции, которые я считаю хорошими в отношении высоких вещей, к самым высоким. Я доволен этим упреком…. Я никогда не видел ничего несовместимого между теми качествами человека, которые могут быть познаны духом человека, находящимся внутри него, и теми высшими вещами, касающимися его будущего, которые он не может познать с помощью этого духа.

Для Фарадея интеллектуальный авторитет никогда не мог основываться на продуктах чистого разума или необоснованного человеческого воображения. В письме 1858 года он отмечал, что был очень «изобретательным человеком и мог поверить в« Арабские ночи »так же легко, как и в« Энциклопедию »». Он сдерживал это воображение, обращаясь к фактам: «факты были важны. ко мне и спас меня ». «Фундаментальный факт, — писал он в другом месте, — как элементарная частица, никогда не подводит нас, его доказательства всегда верны.«А в науке фундаментальные факты в основном получены из экспериментов. «Без эксперимента я ничто», — сказал он. Он считал, что вся наука основана на тщательно наблюдаемых фактах, отличных от мнений или предположений. Как показывают его собственные публикации, это не означало, что наука исключала творческие озарения или интерпретации — но что оставалось важным, так это то, что всегда следует тщательно поддерживать различие между экспериментальными фактами и теоретическими интерпретациями.

Современные философы науки в основном считают фарадеевскую концепцию экспериментальных фактов наивной.Они настаивают на том, что все наблюдения основаны на теории и что не существует такой вещи, как голый факт. Но они не в привилегированном положении Фарадея. Он смог почти сразу проверить в лаборатории практически все научные отчеты, которые он читал. «Я никогда не мог сделать факт своим, не увидев его», — писал он. Если бы экспериментальная проверка была такой же немедленной сегодня, как это было во времена Фарадея, философский скептицизм по отношению к «фактам», возможно, получил бы меньше внимания.(И как экспериментатор я симпатизирую позиции Фарадея. Многие современные научные статьи можно было бы значительно улучшить, если бы проводилось более четкое различие между экспериментальными наблюдениями и их интерпретацией.)

Параллельно с этой опорой на прямое чтение книги природы Фарадей вместе со своими собратьями-сандеманианами считал, что духовный авторитет проистекает из прямого чтения другой книги Бога, Библии. Он рассматривал Библию как якорь против влияния эмоций, суеверий и духовного или политического господства.Христианин «не ищет никакой уверенности, кроме той, которую может дать ему Слово», — написал он в письме 1859 года. «Христианская религия — это откровение, а это откровение — Слово Божье. Согласно обетованию Бога, это Слово послано по всему миру ». Как и в науке, для Фарадея прямой доступ к экспериментальным наблюдениям — это то, что гарантирует надежность, поэтому в вопросах веры прямой доступ к слову Бога в Священных Писаниях является его духовной основой.

Трудность, связанная с тем, что Фарадей полагался на прямое чтение книги Бога, будь то природа или Священные Писания, — это вопрос , чье чтения.Фарадей не упускал из виду фракционные интересы, которые так часто управляют практикой как религии, так и науки. Его решения в области науки снова совпадали с его религиозными взглядами: он решил вообще избегать фракционности, наряду с патронажем и политикой. В его видении стремления к науке ученые должны были стать членами истинного братства, и если возникнут разногласия в научных мнениях, они должны быть разрешены в духе братства. В письме о споре между двумя выдающимися учеными он говорит:

Эта полемика научного мира очень досадна; они образуют великое пятно, которому подвержено прекрасное здание научной истины. Они неизбежны? Они определенно не могут принадлежать к самой науке, но к чему-то в нашей падшей природе. Как искренне я желаю во всех подобных случаях, чтобы два чемпиона были друзьями.

Фарадей стремился продолжить свои исследования в соответствии с этим идеалистическим видением науки, но признал, что его идеалы, основанные на его духовных обязательствах, расходились с практикой науки того времени. Он ограничил свое участие в политической жизни и чувствовал себя неспособным занять руководящие должности в мире.Отказавшись от поста президента Королевского общества в 1857 году, он сказал Тиндалю: «Я должен оставаться простым Майклом Фарадеем до конца». И он придерживался этого убеждения: несмотря на уговоры его жены принять кандидатуру на пост президента Королевского института в 1864 году, он отказался.

Научное братство, которое предвидел Фарадей, не было закрытым сообществом. Он не был элитарным ни в социальном, ни в интеллектуальном плане. Вместо этого он взял на себя обязательство довести результаты науки до общественности, в первую очередь посредством публичных лекций и научных демонстраций.Его должность в Королевском институте требовала этой приверженности. Королевский институт был основан в 1799 году Беном Томпсоном (графом Рамфордом) и Хамфри Дэви для распространения практических знаний среди ремесленников. Но финансовые трудности, наряду с гением и харизмой Дэви, превратили его в центр химических исследований и научно-популярных лекций. Знаменитые вечерние дискурсы Института по пятницам были стимулирующими вечерними развлечениями и основным средством для заинтересованной публики дня узнать о научных вопросах, а также важным источником дохода для Института.В течение почти четырех десятилетий, с 1825 по 1862 год, Фарадей выступал примерно с пятой частью этих вечерних лекций, что привело к посещаемости, значительно превышающей среднюю. Он представил ежегодные Рождественские лекции Института для подростков, которые продолжаются и по сей день. Сам Фарадей 19 раз читал Рождественскую лекцию. Его заключительная часть в серии, озаглавленная « Химическая история свечи », была опубликована в виде книги в 1860 году, была переведена на многие языки и никогда не выходила из печати на английском языке.

Фарадей также заботился о практическом распространении результатов науки, которые приносили материальную пользу его собратьям. Он видел силы природы как предназначенные «всегда для нашего блага», а понимание природы, таким образом, как возможность для материального совершенствования. Хотя его основной мотивацией было показать структуру Творения и тем самым прославить Создателя, он, тем не менее, считал практическое применение науки достойным занятием, наравне с его частым служением больным и нуждающимся в своем собрании.Фарадей потратил значительные усилия на консультации по разработке улучшенных источников света для маяков, и британское правительство часто обращалось к нему за своими научными знаниями. По мнению Фарадея, наука в практическом применении «передает дары Бога человеку».

К тому времени, когда Майкл Фарадей умер в 1867 году в возрасте 75 лет, его почитали как одну из величайших фигур британской науки. Можно предположить, что его неизменное религиозное несоответствие на протяжении всей жизни придавало определенный оттенок его психологическому складу, что позволило ему с комфортом отстаивать неортодоксальные научные позиции.Его теоретические взгляды — особенно его очень влиятельные идеи о физической реальности силовых линий — в лучшем случае допускались научным истеблишментом того времени, и то только из-за репутации, которую завоевали его экспериментальные исследования. Но его личного убеждения, подкрепленного тем, что он считал основными источниками знания — экспериментально подтвержденным фактом и библейскими писаниями — было ему достаточно. По крайней мере, в научных вопросах судьба истории решительно в его пользу.

Теоретик и его вера

Джеймс Клерк Научные достижения Максвелла — дело гения физической теории. Он внес вклад в оптику, цветовое зрение, упругость и динамическую теорию вращающегося тела. Работа, которая сделала его выдающимся естествоиспытателем, заключалась в его анализе колец Сатурна, в котором он показал, что они не могут быть жесткими, а должны состоять из скоплений частиц в стабильной конфигурации. Максвелл был также первым, кто применил вероятностные методы к анализу свойств газов.Он изобрел идею представления диапазона различных скоростей молекул газа математической функцией и разработал выражение для его равновесной формы, известное как распределение Максвелла – Больцмана. Максвелл разработал множество конкретных предсказаний, которые можно было получить из этой кинетической теории газов, и с помощью своей жены он провел эксперименты, чтобы подтвердить предсказания.

Тем не менее, работа, которой больше всего запомнились Максвелла, — это его формулировка системы уравнений, управляющих классическим электромагнетизмом: уравнений Максвелла.Это немедленно привело к предсказанию электромагнитных волн и, как следствие, объединению электромагнетизма и света. Его формулировка теории электромагнетизма в форме дифференциальных уравнений и его защита фундаментальной природы поля для объяснения электромагнитных явлений, в отличие от теорий о действии на расстоянии его времени, являются основой практически всех современная физика. «Одна научная эпоха закончилась, а другая началась с Джеймсом Клерком Максвеллом», — писал Альберт Эйнштейн.В дополнение к своему личному вкладу Максвелл основал и руководил строительством Кавендишской лаборатории экспериментальной физики в Кембриджском университете, которая, возможно, стала ведущим физическим факультетом в мире на следующие пятьдесят лет.

Первые годы жизни, проведенные в поместье своей семьи Гленлер в Галлоуэе, в одном дне пути от ближайшего города, Глазго, образование Максвелла полностью находилось в руках его матери. У него была потрясающая память.В возрасте восьми лет он мог цитировать длинные отрывки из Мильтона и весь Псалом 118 — сто семьдесят шесть стихов. Действительно, его знание Священного Писания уже было очень подробным; он мог дать главы и стихи почти для любой цитаты из псалмов. С раннего возраста набожная христианская практика и требовательная ментальная дисциплина были для Максвелла частью одного и того же опыта. Он также проявил большой интерес к практическим аспектам ухода за семейным имуществом и его улучшения под руководством своего отца, неформальным обучением.

Мать Джеймса умерла, когда ему было восемь лет. Он и частный репетитор, нанятый для продолжения его образования, были совершенно несовместимы, и через два года его отправили в Эдинбургскую академию, где он жил у тети. Академия была одной из самых успешных шотландских школ своего времени с упором на классику. Однако преподавание естественных наук было слабым. Звездные ученики, казалось, знали больше, чем их учителя, возможно, отчасти из-за «Философского общества», которое они создали для самообразования.После медленного старта Максвелл поселился и приобрел друзей на всю жизнь среди однокурсников. Льюис Кэмпбелл, впоследствии профессор классических наук в Университете Сент-Эндрюс и биограф Максвелла, переехал через несколько дверей. Питер Гатри Тейт, который позже занял должность профессора естественной философии в Эдинбургском университете в 1859 году, стал его однокурсником, и они вместе работали над математическими проблемами, которые они называли «подпорками» (сокращенно от пропозиций). Одно из геометрических предложений Максвелла было опубликовано, когда ему было всего четырнадцать; Было замечено, что это улучшение по сравнению с уравнениями Рене Декарта для бифокальных кривых.В шестнадцать лет Максвелл поступил в Эдинбургский университет, где изучал физику, а также основную тему курсов Эдинбурга: философию.

По общему мнению, студенты в Эдинбурге имели значительную свободу для досуга и частных занятий. Из его писем Кэмпбеллу мы можем сказать, что Максвелл использовал оба преимущества. Он пишет:

Итак, я встаю и смотрю, какой сегодня день и какие полевые работы нужно провести; затем я ловлю пони и поднимаю бочку с водой….Потом выгуливаю собак, осматриваю сад в поисках фруктов и семян и гуляю до завтрака; после этого возьмите Цицерона и посмотрите, смогу ли я его понять. Если так, я читаю, пока не придерживаюсь; если нет, я установил Xen. или Геродт. Затем я делаю реквизит, в основном на поворотах…. После реквизита идет оптика и, в основном, поляризованный свет.

Вы помните наш визит к мистеру Николь? У меня много неотожженного стекла разной формы….

Эта индустрия и широта образования были важной частью величия Максвелла, особенно его философской изысканности.Максвелл отнюдь не был узким научным техником. И он не был обычным универсалом — когда он читал Цицерона и Ксенофонта, это было на языках оригинала.

Максвелл оставался в Эдинбурге на три года, дольше, чем некоторые из его современников, возможно, потому, что столько времени потребовалось его отцу, чтобы примириться со стремлением Джеймса к научной, а не юридической карьере. Но в 1850 году Максвелл уехал из Шотландии в ведущее британское учреждение научного образования: Кембриджский университет.

Главной целью амбициозных студентов Кембриджа было стать «спорщиком», то есть получить первоклассные награды в серии экзаменов по математике. Примечательно, насколько математика преобладала в образовательной системе того времени, но следует помнить, что Исаак Ньютон был профессором математики Лукаса в свое время, как и Стивен Хокинг до 2009 года. Математика в Кембридже охватывала всю физику. . Максвелл приступил к математической подготовке и упражнениям с некоторым беспокойством, стремясь двигаться вперед быстрее, чем позволяли кембриджские традиции, для открытия новых открытий о природе.

Изучение и понимание Максвеллом своей христианской веры также быстро росло во время учебы в Кембридже. Через год в своей резиденции в Тринити-колледже он пишет Кэмпбеллу:

.

Человеку нужно больше. Он считает, что x и y непотребны, греческие и латинские — неудобоваримыми, а студенты старших курсов. тошнотворный. Он голодает, пока его забивают. Он хочет мужское мясо, а не студенческий пудинг. Истина нигде, кроме математики? Красота развивается только в элегантных мужских словах или прямо в морали Уэвелла? Природа, так же как и Откровение, должна быть исследована через канонические очки темным фонарем Традиции и измерена учеными для необразованных, все из вторых рук.

Когда Максвелл прибыл в Тринити, Уильям Уэвелл был магистром колледжа. Рукоположенный англиканский священник с евангельскими взглядами, Уэвелл внес значительный вклад в науку в качестве профессора минералогии, а также с помощью математических учебников и исследований приливов и отливов. Но наибольшую известность он получил благодаря огромному спектру знаний Уэвелла: он публиковался по архитектуре, экономике и философии (какое-то время как Кембриджский профессор моральной философии). Он является автором одного из трактатов Бриджуотера (1833) и двадцать лет спустя, О множественности миров , оба отчасти касаются отношений между наукой и христианством.И именно он придумал само слово ученый . Один сатирик сказал о нем: «наука — его сильная сторона, а всеведение — его слабость».

Наибольшее влияние на Максвелла оказал Уэвелл не техническое образование (которое не входило в обязанности магистратуры колледжа), а его книга 1840 года Философия индуктивных наук: основанная на их истории . Философия науки Уэвелла излагает «фундаментальную противоположность» знания, почти кантовскую по своему содержанию, согласно которой наука зависит не только от эмпирических наблюдений и индукции на их основе, но в равной степени и от фундаментальных идей, которые возникают необъяснимо из самого разума, чьи дедуктивные следствия являются проверено экспериментальными фактами.Основываясь на своих исторических исследованиях того, как на самом деле практиковалась наука, Уэвелл противоречил многим теориям индуктивистской ортодоксии своего времени — и пройдет столетие, прежде чем философы науки придут к взглядам, подобным его. Но мы можем быть уверены в письме, написанном Максвеллом в 1855 году — незадолго до того, как он стал членом Тринити и опубликовал свою первую статью об электричестве, — что он знал и стремился применить на практике подход Уэвелла:

Это тяжелая работа по выработке «подходящих идей», как их называет Уэвелл.Однако я думаю, что они наконец-то выходят наружу, и, столкнув их со всеми фактами и полупереваренными теориями на плаву, я надеюсь привести их в форму, после чего я надеюсь понять что-то большее в индуктивной философии, чем я. в настоящий момент.

Максвелл рассматривал саму религиозную веру как нечто, что нужно подвергнуть философскому испытанию. В более раннем письме Кэмпбеллу от 1852 года он пишет о своем «великом плане» « Поиск и Восстановление , или Пересмотр и исправление»: «Правило плана — не позволять ничего умышленно оставлять без внимания.Ничто не должно быть святой землей , посвященной Непоколебимой Вере, ни положительным, ни отрицательным ». Один из биографов Максвелла двадцатого века, Иван Толстой, полагает, что Максвелл не мог постоянно сохранять свою христианскую веру в то же время, поскольку он не оставлял ничего «преднамеренно неизученного». Но Максвелл видел все иначе, написав:

.

Христианство… это единственная схема или форма веры, которая отрицает какое-либо владение на таком сроке владения. Только здесь все бесплатно. Вы можете улететь на край света и не найти Бога, кроме Творца спасения.Вы можете искать в Священных Писаниях и не найти текст, который остановит вас в ваших исследованиях….

[A] свеча приближается, чтобы изгнать всех призраков и багбиров. Давайте все следовать за Светом.

Более того, из работ Максвелла у нас есть достаточно свидетельств того, что он действительно глубоко исследовал свою веру, от его эссе, написанных в студенческие годы, до его более поздних широких метафизических исследований с группой под названием Апостолы, эксклюзивным интеллектуальным дискуссионным обществом кембриджской элиты.В письмах, написанных в 1858 году во время помолвки с Кэтрин Мэри Дьюар, Максвелл описывает свои духовные убеждения и практику. Несмотря на протесты против своего отсутствия навыков в толковании Священных Писаний, он пишет в письмах, которые читаются как короткие проповеди, проницательные объяснения отрывков из Нового Завета и ссылается на класс воскресной школы, который он вел в гостях у Льюиса Кэмпбелла. Общая христианская вера Кэтрин и Джеймса была важной связью с самого начала их брака.

«Точка, на которой наука должна остановиться»

Летом своего третьего курса обучения Максвелл провел некоторое время в Суффолкском доме преподобного К.Б. Тайлер, дядя одноклассника. Проживание в этой большой, расширенной семье произвело впечатление на Максвелла, который сам был единственным ребенком в семье, который позже сказал, что это дало ему представление о Любви к Богу. Находясь там, он заболел больше месяца, и за ним ухаживали министр и его жена. Как позже рассказывал об этом опыте его одноклассник,

Именно тогда разговор моего дяди, казалось, произвел на него такое глубокое впечатление. Он всегда был постоянным помощником на богослужении в доме Божьем …Также он много думал и читал на религиозные темы. Но в это время (как следует из его собственного описания) его религиозные взгляды значительно углубились и укрепились.

По возвращении в Кембридж Максвелл пишет своему недавнему хозяину болтливое и нежное письмо, включая это свидетельство:

Я утверждаю, что все злые влияния, которые я могу отследить, были внутренними, а не внешними, вы понимаете, что я имею в виду — что у меня есть способность быть более нечестивым, чем любой пример, который может подать мне человек, и что если я сбегу, это только по Божьей благодати, помогающей мне избавиться от себя, частично в науке, более полно в обществе, — но не полностью, кроме как посвятив себя Богу.

Это полностью евангельское христианское утверждение зависимости от Божьей благодати для спасения от греха; но обратите внимание, как Максвелл определяет свою науку как часть Божьего плана для этого спасения. Мы можем только предполагать, какие мысли по этому поводу он и преподобный Тайлер обсуждали в дни его выздоровления.

Стипендия Максвелла в Тринити длилась всего один год и закончилась, когда он был назначен профессором естественной философии в колледже Маришаль в Абердине.(Именно благодаря этому назначению Максвелл познакомился со своей женой, отец которой был директором Marischal.) В 1860 году два колледжа Абердина были объединены, и, несмотря на его выслугу лет, Максвелл остался без работы. Однако его почти сразу же назначили на кафедру естественной философии в Королевском колледже Лондона, где он оставался до 1865 года. На вступительной лекции, которую традиционно читали новые профессора, Максвелл исследовал различные философские вопросы науки — например, «являются ли фундаментальные Физические истины следует рассматривать как простые факты, обнаруженные экспериментально, или как необходимые истины, которые разум должен признать истинными, как только на них будет обращено внимание.В целом, в соответствии с взглядами Уэвелла, Максвелл придерживается последнего взгляда на необходимость, хотя его позиция все еще далека от ясности.

Он также ссылается на идею, которую позже разовьет более подробно: «что каждый атом творения непостижим в своем совершенстве». Версия этой идеи была в конечном итоге опубликована, среди прочего, в журнале Nature в 1873 году; Обсуждая астрономические наблюдения характерных длин волн излучения атомов, Максвелл заключает:

Таким образом, мы уверены, что молекулы той же природы, что и молекулы нашего водорода, существуют в этих далеких регионах или, по крайней мере, действительно существовали, когда свет, которым мы их видим, испускался….

Таким образом, каждая молекула во всей вселенной несет на себе печать метрической системы так же отчетливо, как метр Архива в Париже или двойной королевский локоть Храма Карнака….

Ни один из процессов Природы с момента ее зарождения не произвел ни малейшего различия в свойствах какой-либо молекулы. Поэтому мы не можем приписать ни существование молекул, ни идентичность их свойств действию какой-либо из причин, которые мы называем естественными.

С другой стороны, точное равенство каждой молекулы со всеми другими молекулами того же вида придает ей, как правильно сказал сэр Джон Гершель, существенный характер произведенного изделия и исключает представление о том, что она вечна и самонадеянна. -существующий.

Таким образом, мы были приведены строго научным путем очень близко к той точке, на которой наука должна остановиться.

Он предложил более подробную информацию в письме, написанном тремя годами позже: «То, о чем я думал, было не столько единообразием результата, которое обусловлено единообразием в процессе формирования, сколько единообразием, задуманным и достигнутым той же мудростью и силой что единообразие, точность, симметрия, последовательность и непрерывность плана являются такими же важными атрибутами, как изобретение особой полезности каждой отдельной вещи.”

Это несколько незнакомая, перевернутая форма аргументации замысла: тот факт, что молекулы совершенно идентичны друг другу, предполагает, что они произведены (так сказать) в соответствии с разумным планом. Его косвенное упоминание о молекулярном совершенстве в лекции 1860 года произошло через год после публикации книги Дарвина «Происхождение видов », и он, вероятно, хорошо осознавал, в какой степени эта книга опровергает популярные аргументы в пользу дизайна, основанного на совершенстве биологической адаптации.Максвелл указывал на другое совершенство творения, которое, по его мнению, нельзя было приписать эволюционной адаптации. Хотя он был не совсем прав в том, что атомы неизменны, его целью было подчеркнуть упорядоченное единообразие природы, а не ее особенность и сложность, как признаки создателя.

В 1865 году Максвелл ушел в отставку со своей лондонской должности. Это был чрезвычайно продуктивный период пребывания в должности, во время которого была осуществлена ​​большая часть его экспериментальной работы с газами, а также была опубликована работа On Physical Lines of Force и его знаменитые уравнения.Но Максвелл хотел завершить строительство дома в поместье Гленлер, как «священный долг» своему покойному отцу. Его независимое богатство позволило ему отказаться от довольно тяжелого бремени преподавания и посвятить свое время имению, путешествиям, обширной переписке и написанию мастерского Трактат по электричеству и магнетизму (1873). Строительство дома было завершено в 1867 году, но управление им было лишь одним из аспектов статуса «лэрд» в поместье. Другими аспектами, которые усердно преследовали как Джеймс, так и его отец до него, были ежедневные молитвы и сеансы чтения Библии для слуг, а также почти собственническая поддержка церкви в Корсоке, соседней деревне.

Максвелла уговорили оставить свою пенсию в 1871 году, приняв недавно созданную Кавендишскую профессуру экспериментальной физики в Кембридже и связанные с этим обязанности общественного деятеля. Поэтому неудивительно, что епископ Глостерский и Бристольский проконсультировался с Максвеллом по поводу его идей относительно веры и науки. Епископ интересовался, можно ли гармонизировать сотворение солнца после сотворения света в Книге Бытия, рассматривая последнее как относящееся к «первичным вибрациям», то есть к эфиру.Максвелл отвечает на этот довольно наивный вопрос вежливо и мудро:

Если бы было необходимо дать толкование текста в соответствии с наукой 1876 г. (которая может не совпадать с таковой 1896 г.), было бы очень заманчиво сказать, что свет первого дня означает всеобъемлющий Этер, носитель радиации…. Но я не могу предположить, что это была та самая идея, которую первоначальный автор книги хотел передать тем, для кого он писал….

Скорость изменения научной гипотезы, естественно, намного выше, чем скорость изменения библейских интерпретаций, так что, если интерпретация основана на такой гипотезе, она может помочь сохранить гипотезу над землей еще долго после того, как ее следует похоронить и забыть. .

В то же время я думаю, что каждый отдельный человек должен делать все возможное, чтобы впечатлить свой разум масштабами, порядком и единством вселенной.

Таким образом, Максвелл проницательно критикует неправильное использование частичного научного знания для толкования Священного Писания, не говоря уже о том, чтобы укрепить веру путем предполагаемого согласования с новейшими научными достижениями.Ему не нужны научные доказательства христианства. Вместо этого он выражает обеспокоенность тем, что необдуманное увязывание конкретных научных теорий с религией будет препятствием для роста науки. В связи с наукой и верой он делает акцент на том, что наука увеличивает наше чудо во славе творения — безусловно, тема гораздо более устойчивая, чем эфир, от которого давно отказались.

Несмотря на свои глубокие философские и научные познания, видное положение и периодические публичные ссылки на религиозные вопросы, Максвелл в основном избегал ожесточенных публичных дебатов той эпохи о науке и религии.Но мы можем быть уверены, что он внимательно следил за ними, и мы можем оценить его более умеренный стиль из его ответа на «Белфастское обращение» Джона Тиндала. В 1874 году Тиндаль сделал известное обращение к Британской ассоциации содействия развитию науки, отстаивая научный материализм. Тиндаль восхвалял древних атомистов, Эпикура и Лукреция, и утверждал превосходство профессиональных ученых над духовенством: «Мы вырвем из теологии всю область космологической теории. Все схемы и системы, которые таким образом вторгаются в сферу науки, должны, , поскольку они это делают, подчиняться ее контролю и отказаться от всякой мысли о контроле над ней.Попутно он также подверг критике аргумент Максвелла о молекулярном совершенстве. Ответ Максвелла был не гневным письмом в Times (хотя были такие ответы и другими), а мягко-сатирическим изложением очень длинного выступления Тиндаля, на двух страницах стихов ни резкого, ни осуждающего, но достаточно забавного, чтобы его опубликовать в журнале Blackwood’s Magazine. . Христианским убеждениям Максвелла не угрожал растущий материализм того времени.

Максвелл умер от рака брюшной полости в 1879 году в возрасте 48 лет.Те, кто встречался с ним в последние месяцы и недели его болезни, рассказывали о его самообладании, его неизменном интересе к науке, его заботе о благополучии своей жены и его неустанном ежедневном религиозном служении.

Непредвиденные обстоятельства, согласованность и создание

Хотя культура викторианской Британии была более христианской, чем культура Великобритании или Соединенных Штатов сегодня, христианские обязательства Майкла Фарадея и Джеймса Клерка Максвелла были не просто случайным соответствием ныне исчезнувшим культурным нормам.Не были они и интеллектуальными уродствами, которые помешали этим гигантам полностью раскрыть свой научный потенциал. Напротив, их духовные убеждения были неотъемлемой частью силы характера и взглядов на природу, которые позволили им внести свой преобразующий вклад в науку.

Можно задаться вопросом об источнике твердых христианских убеждений Фарадея и Максвелла. Что позволило им решить интеллектуальные проблемы, возникшие в результате нового научного знания девятнадцатого века? Хотя их твердая вера не была чем-то необычным для ученых той эпохи, было много других, кто ее потерял: Дарвин — часто цитируемый пример, хотя его доводы, поскольку они были интеллектуальными, теперь широко рассматриваются как трудности с теодицеей. больше, чем с наукой.

Можно сделать несколько предварительных предположений относительно общих источников устойчивых религиозных убеждений Максвелла и Фарадея. Каждый основывал свою веру на личном религиозном опыте, а не только на интеллектуальных исследованиях. И каждый нашел источник духовного авторитета и убеждения больше в свидетельстве Библии и личности Иисуса, чем в естественном богословии или философских аргументах. Оба стремились выразить свою веру через христианские добродетели, милосердие, добрые дела, духовную дисциплину и служение.И оба внесли свою честность и порядочность в свою интеллектуальную работу, укрепив свою приверженность строгим научным практикам. Оба, кроме того, обладали независимостью духа и личными убеждениями, что позволяло им спокойно придерживаться взглядов, противоречащих современной моде. В этом смысле они были нонконформистами.

Духовные обязательства и идеалы Фарадея и Максвелла также повлияли на их научные идеалы. Ни Максвелл, ни Фарадей не предполагали, что разумный замысел творения позволяет нам вывести экспериментальное содержание натурфилософии.Вместо этого они подчеркивали чудо и случайность творения, полагая, что у Бога был выбор относительно того, как был создан мир, и что только прямое экспериментальное взаимодействие с природой позволяет нам определить, каковы эти выборы.

Настойчивое чувство Максвелла и Фарадея сотворенности природы, их теистическое мировоззрение не должно считаться необходимым для всей успешной науки тогда или сейчас; но для этих двух выдающихся ученых это вовсе не помеха. Это подкрепляло их веру в целостное единство природы.Он поощрял аналогию как объяснительную стратегию, посредством которой понимание одного аспекта природы могло быть концептуально передано, чтобы помочь сделать понятным другой — например, поток жидкости как аналогию для электромагнитных полей (даже несмотря на то, что реальная физическая связь между этими двумя аспектами носит весьма косвенный характер. ). И это поощряло идею сохранения как фундаментального объединяющего принципа.

Хотя эти два великих британских электрика девятнадцатого века во многом остаются исследователями биографических контрастов, их сходные взгляды на природу, веру и отношения между ними проливают свет на общую конструктивную интеллектуальную нить.Научные принципы, к которым их привел их подход, остаются основополагающими для современной физики, даже несмотря на то, что многие утверждают, что лишили ее каких-либо теистических оснований. Фарадей и Максвелл в своих исследованиях природы наиболее фундаментально стремились к открытию закономерности и согласованности: концептуального объединения явно различных явлений, таких как электричество, магнетизм и свет. В их мышлении законность не была инертной, абстрактной, логической необходимостью или полной сводимостью к картезианскому механизму; скорее, это было ожидание, которое они приписывали существованию божественного законодателя.Понимание физики этих людей стало возможным благодаря их религиозным убеждениям. Для них последовательность природы проистекает из разума ее Создателя.

Фарадей, Максвелл и электромагнитное поле: как двое изменили физику

«Это просто лучшая книга такого рода, которую я когда-либо читал, и мне она очень понравилась. Не мог оторваться. [Их открытие] было невероятным человеческим достижением », — Чарли Мангер, вице-председатель Berkshire Hathaway Corporation, на канале CNBC Squawk Box« Убедительно.… Живой рассказ о людях и их времени, а также блестящее изложение научных обстоятельств и значения их работы »- Kirkus Reviews, ЗВЕЗДНЫЙ ОБЗОР« Жизнь и наука этих двух гигантов физики девятнадцатого века прекрасно задокументированы и описаны. в этой захватывающей книге »- Эрик Д’Хокер, заслуженный профессор физики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; бывший президент Аспенского центра физики «Если книга об электромагнитном поле может быть« перелистывающим листом », то эта книга — один из них! .. . Такой концептуальный подход к тому, что может быть непростой темой. . . делает мысли этих великих ученых доступными для всех. Я настоятельно рекомендую эту книгу всем, кто увлечен наукой », — рекомендует NSTA« Возможно, имена Майкла Фарадея и Джеймса Клерка Максвелла не так хорошо известны, как Ньютон или Эйнштейн, но они должны быть. В книге прослеживается их удивительное сотрудничество … Но столь же увлекательна история открытия, как и история людей, стоящих за ним … Увлекательная правдивая история о жизнях двух выдающихся ученых-физиков! » —АстроГуйз “Сочетает в себе историю науки и живую биографию.… Доступный текст и ощущение характера делают этот обзор интересным для двух ученых, чьи работы определили эпоху и задали курс современной физике ». — Publishers Weekly« Поклонники биографий, а также все, кто интересуется наукой и технологиями… будут наслаждаться читать об этих «двух скромных и гениальных мужчинах, совместные усилия которых изменили мир» »- Библиотечный журнал
—

« «Это лучшая книга такого рода, которую я когда-либо читал, и мне она очень понравилась. Не мог оторваться.[Их открытие] было невероятным человеческим достижением », — Чарли Мангер, вице-председатель Berkshire Hathaway Corporation, на канале CNBC Squawk Box« Убедительно. … Живой рассказ о людях и их времени, а также блестящее изложение научных обстоятельств и значения их работы »- Kirkus Reviews, ЗВЕЗДНЫЙ ОБЗОР« Жизнь и наука этих двух гигантов физики девятнадцатого века прекрасно задокументированы и описаны. в этой захватывающей книге »- Эрик Д’Хокер, заслуженный профессор физики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; бывший президент Аспенского центра физики «Если книга об электромагнитном поле может быть« перелистывающим листом », то эта книга — один из них! .. . Такой концептуальный подход к тому, что может быть непростой темой. . . делает мысли этих великих ученых доступными для всех. Я настоятельно рекомендую эту книгу всем, кто увлечен наукой », — рекомендует NSTA« Возможно, имена Майкла Фарадея и Джеймса Клерка Максвелла не так хорошо известны, как Ньютон или Эйнштейн, но они должны быть. В книге прослеживается их удивительное сотрудничество … Но столь же увлекательна история открытия, как и история людей, стоящих за ним … Увлекательная правдивая история о жизнях двух выдающихся ученых-физиков! » —АстроГуйз “Сочетает в себе историю науки и живую биографию.… Доступный текст и ощущение характера делают этот обзор интересным для двух ученых, чьи работы определили эпоху и задали курс современной физике ». — Publishers Weekly« Поклонники биографий, а также все, кто интересуется наукой и технологиями… будут наслаждаться читая об этих «двух скромных и гениальных людях, чьи совместные усилия изменили мир». — Библиотечный журнал
—

Нэнси Форбс «Как два человека революционизировали физику»

История двух блестящих ученых девятнадцатого века, открывших электромагнитное поле. области, заложив основу для удивительных технологических и теоретических открытий двадцатого века.

Двумя самыми смелыми и творческими учеными всех времен были Майкл Фарадей (1791–1867) и Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879). Это история о том, как эти двое мужчин

История двух блестящих ученых девятнадцатого века, которые открыли электромагнитное поле, заложив основу для удивительных технологических и теоретических открытий двадцатого века.

Двумя самыми смелыми и творческими учеными всех времен были Майкл Фарадей (1791–1867) и Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879).Это история о том, как эти два человека, разделенные возрастом на сорок лет, открыли существование электромагнитного поля и разработали радикально новую теорию, которая перевернула строго механический взгляд на мир, преобладавший со времен Ньютона.

Авторы, ветераны научных писателей со специальными знаниями в области физики и инженерии, создали живое повествование, в котором переплетаются богатые биографические детали из жизни каждого человека с четкими объяснениями их научных достижений.Фарадей был самоучкой, преодолевшим классовые предрассудки и недостаток математической подготовки, чтобы прославиться своими острыми способностями экспериментального наблюдения, технологическими навыками и огромным научным воображением. Джеймс Клерк Максвелл был высоко оценен как один из самых блестящих физиков-математиков своего времени. Он добился огромного успеха самостоятельно. Но когда он перевел идеи Фарадея на математический язык, создав таким образом теорию поля, эта объединенная структура электричества, магнетизма и света стала основой для большей части более поздней физики 20-го века.

Совместные усилия Фарадея и Максвелла привели к появлению многих технологических инноваций, которые мы сегодня воспринимаем как должное — от производства электроэнергии до телевидения и многого другого. Эта увлекательная история их величайшей работы, в которой все они играли равную роль, и их вдохновляющая жизнь, рассказанная с размахом, теплотой и ясностью, принесет новую признательность этим гигантам науки.

8.8: Уравнение Максвелла-Фарадея — Engineering LibreTexts

В этом разделе мы обобщаем закон напряжения Кирхгофа (KVL), который ранее использовался как принцип электростатики в разделах 5.10 и 5.11. KVL утверждает, что в отсутствие изменяющегося во времени магнитного потока электрический потенциал, накопленный при прохождении замкнутого пути \ (\ mathcal {C} \), равен нулю. Вот эта идея в математической форме: \ [V = \ oint _ {\ mathcal {C}} {{\ bf E} \ cdot d {\ bf l}} = 0 \] Теперь вспомните закон Фарадея (раздел [m0055_Faradays_Law]) :

\ [V = — \ frac {\ partial} {\ partial t} \ Phi = — \ frac {\ partial} {\ partial t} \ int _ {\ mathcal {S}} {{\ bf B} \ cdot d {\ bf s}} \]

Здесь \ (\ mathcal {S} \) — любая открытая поверхность, которая пересекает все силовые линии магнитного поля, проходящие через \ (\ mathcal {C} \), с относительной ориентацией \ (\ mathcal {C} \) и \ (d {\ bf s} \) определяется обычным способом по соглашению теоремы Стокса.Обратите внимание, что закон Фарадея согласуется с KVL в магнитостатическом случае. Если магнитный поток постоянен, то закон Фарадея гласит \ (V = 0 \). Однако закон Фарадея очень четко не соответствует KVL, если магнитный поток меняется во времени. Исправление достаточно простое; мы можем просто установить эти выражения равными. Поехали:

\ [\ boxed {\ oint _ {\ mathcal {C}} {{\ bf E} \ cdot d {\ bf l}} = — \ frac {\ partial} {\ partial t} \ int _ {\ mathcal {S }} {{\ bf B} \ cdot d {\ bf s}}} \ label {m0050_eMFEI} \]

Эта общая форма известна под разными именами; здесь мы называем его уравнением Максвелла-Фарадея (MFE).

Интегральная форма уравнения Максвелла-Фарадея (Equation \ ref {m0050_eMFEI}) утверждает, что электрический потенциал, связанный с замкнутым контуром \ (\ mathcal {C} \), полностью обусловлен электромагнитной индукцией в соответствии с законом Фарадея.

Несмотря на большое значение этого выражения как одного из уравнений Максвелла, можно возразить, что все, что мы сделали, — это просто написали закон Фарадея в несколько более подробном виде. Это правда. Реальная мощность MFE высвобождается, когда она выражается в дифференциальной, а не в интегральной форме.Давайте теперь сделаем это.

Мы можем преобразовать левую часть уравнения \ ref {m0050_eMFEI} в интеграл по \ (\ mathcal {S} \), используя теорему Стокса. Применяя теорему Стокса слева, получаем

\ [\ int _ {\ mathcal {S}} {\ left (\ nabla \ times {\ bf E} \ right) \ cdot d {\ bf s}} = — \ frac {\ partial} {\ partial t} \ int _ {\ mathcal {S}} {{\ bf B} \ cdot d {\ bf s}} \]

Теперь меняем порядок интеграции и дифференцирования в правой части:

\ [\ int _ {\ mathcal {S}} {\ left (\ nabla \ times {\ bf E} \ right) \ cdot d {\ bf s}} = \ int _ {\ mathcal {S}} {\ left (- \ frac {\ partial} {\ partial t} {\ bf B} \ right) \ cdot d {\ bf s}} \]

Поверхность \ (\ mathcal {S} \) с обеих сторон одинакова, и мы никоим образом не ограничивали \ (\ mathcal {S} \).\ (\ mathcal {S} \) может быть любой математически допустимой открытой поверхностью в любом месте пространства, любого размера и любой ориентации. Единственный способ, которым приведенное выше выражение может быть универсально истинным в этих условиях, — это если подынтегральные выражения с каждой стороны равны в каждой точке пространства. Следовательно,

\ [\ boxed {\ nabla \ times {\ bf E} = — \ frac {\ partial} {\ partial t} {\ bf B}} \ label {m0050_eMFED} \]

, который является MFE в дифференциальной форме.

Что это значит? Напомним, что локон \ ({\ bf E} \) — это способ взять директиву \ ({\ bf E} \) относительно позиции (раздел 4.8). Следовательно, MFE ограничивает пространственные производные \ ({\ bf E} \) просто связанными со скоростью изменения \ ({\ bf B} \). Сказано прямо:

Дифференциальная форма уравнения Максвелла-Фарадея (Equation \ ref {m0050_eMFED}) связывает изменение электрического поля в зависимости от положения с изменением магнитного поля во времени.

Теперь, когда — это , возможно, новая и полезная информация. Теперь мы видим, что электрическое и магнитное поля связаны не только линейными интегралами и потоками, но и в каждой точке пространства.

Авторы и авторство

Фарадей и Максвелл: Большой синтез

Страница из

НАПЕЧАТАНО ИЗ ОНЛАЙН-СТИПЕНДИИ ОКСФОРДА (oxford.universitypressscholarship.com). (c) Авторские права Oxford University Press, 2021. Все права защищены. Отдельный пользователь может распечатать одну главу монографии в формате PDF в OSO для личного использования. дата: 27 октября 2021 г.

The Grand Synthesis

Глава:

(п.91) 6 Фарадей и Максвелл

Источник:

Lightspeed

Автор (ы):

Джон Ч. Спенс

Издатель:

Oxford University Press

DOI: 10.1093000 / oso / 97801988419 Майкл Фарадей и развитие теории поля в начале девятнадцатого века и его открытие магнитооптического эффекта, который впервые связал изучение оптики и света с электромагнетизмом и привело к открытию тока смещения.Интеграция электростатики и электромагнетизма Джеймсом Клерком Максвеллом и другими. Как Максвелл открыл свои великие уравнения, предсказывающие постоянную скорость света и показывающие, что свет является электромагнитной волной. Как симметрия, возникшая в результате его тока смещения, дала важный ключ к разгадке теории Эйнштейна. Прибор баланса тока и заряда Максвелла, который позволил ему измерить скорость света чисто электрическими средствами. Как уравнения Максвелла позже были использованы при открытии радиоволн.Жизнь и интересы Максвелла, от поэзии до верховой езды и игры на гитаре. Кельвина и прокладка атлантического кабеля.

Ключевые слова: Электричество, магнетизм. Максвелл. Кельвин, Фарадей, уравнения Максвелла, The Atlantic Cable

Для получения доступа к полному тексту книг в рамках службы для получения стипендии

Oxford Online требуется подписка или покупка. Однако публичные пользователи могут свободно искать на сайте и просматривать аннотации и ключевые слова для каждой книги и главы.

Пожалуйста, подпишитесь или войдите для доступа к полному тексту.

Если вы считаете, что у вас должен быть доступ к этому заголовку, обратитесь к своему библиотекарю.

Для устранения неполадок, пожалуйста, проверьте наш FAQs , и если вы не можете найти там ответ, пожалуйста связаться с нами .

«Фарадей, Максвелл и электромагнитное поле» — это биография блеска

.

Фарадей, Максвелл и электромагнитное поле: Как два человека революционизировали физику
Нэнси Форбс и Бэзил Махон
Книги Прометея, 25 долларов.95

3 апреля 1846 года Чарльз Уитстон собирался представить вечернюю лекцию в пятницу в Лондонском Королевском институте. Его пригласил Майкл Фарадей, который долгое время проводил там исследования электрических и магнитных явлений.

Но Уитстон убежал, охваченный приступом глоссофобии (боязнь публичных выступлений). Фарадей неожиданно читал лекцию вместо Уитстона, описывая недавние изобретения в области электротехники. Но на это не ушло час.Итак, Фарадей, не в своей тарелке, раскрыл свои рассуждения о физике, лежащей в основе электромагнитных явлений. Его замечания и сегодня можно признать по существу правильной теорией электромагнитного поля. Как пишут Форбс и Махон, именно теория создала современный мир, пронизывающий все аспекты жизни общества, от транспорта и связи до промышленности, торговли и быта.

Подпишитесь на последние новости от

Science News

Заголовки и резюме последних Новости науки статей, доставленных на ваш почтовый ящик

Спасибо за регистрацию!

При регистрации возникла проблема.

Но никто в Англии не понимал, о чем говорил Фарадей, пока не появился Джеймс Клерк Максвелл. Молодой шотландский гений Максвелл обладал важнейшим навыком, которого не хватало Фарадею, — знанием математики. К середине 1860-х Максвелл математизировал Фарадея, выяснил, что свет является электромагнитным излучением, и предсказал, что когда-нибудь будут открыты другие формы излучения. Эти излучения в таких формах, как радио, радары, телевизионные сигналы и рентгеновские лучи, действительно изменили современный мир, превзойдя воображение XIX века.

После того, как Майкл Фарадей (слева) построил экспериментальные основы теории электромагнетизма, Джеймс Клерк Максвелл (справа) разработал математику для идей Фарадея, обеспечив теоретическую основу для большей части современных мировых технологий. Wikimedia Commons

Конечно, практически никто не понимал, о чем говорил Максвелл, и его смерть в 1879 году в возрасте 48 лет помешала ему переформулировать свою теорию в доступной форме. Эта задача выпала на долю небольшой группы «максвеллианцев», включая Оливера Хевисайда (который упростил математику Максвелла до знаменитых «уравнений Максвелла») и Генриха Герца, который в 1888 году продемонстрировал существование максвелловских радиоволн.

Форбс и Махон представляют увлекательную биографию электромагнитного поля в форме двух подбиографий Фарадея и Максвелла и краткую главу о максвеллианцах. Это прекрасное повествование, которое не уклоняется от ответственности за описание некоторых сложных научных концепций. (Если вы когда-нибудь задумывались, что такое «завиток» в контексте электромагнетизма, вот ваш лучший шанс получить его.)

Предыстория электромагнетизма служит напоминанием о том, что блестящая прогрессирующая наука не всегда признается, пока она продолжается, и что предрассудки, укоренившиеся в научной ортодоксии (в данном случае всеобщее убеждение, что электрические и магнитные силы действуют на расстоянии), могут ослепить наука к новым открытиям.Это может даже заставить вас задуматься, какие нетрадиционные, но блестящие исследования, проводимые сегодня, игнорируются по тем же причинам.

Купите эту книгу на Amazon.com . Продажи, полученные через ссылки на Amazon.com, вносят вклад в программы Общества науки и общественности.

ФАРАДЕЙ, МАКСВЕЛЛ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ

к Роберт Грин ‧ ДАТА ВЫПУСКА: сентябрь.1, 1998

Авторы создали своего рода анти-Книгу Добродетелей в этом энциклопедическом сборнике путей и средств власти.

Каждый хочет власти, и каждый находится в постоянной двуличной игре, чтобы получить больше власти за счет других, по словам Грина, сценариста и бывшего редактора Esquire (Элфферс, упаковщик книг, разработал книгу с привлекательными полями).Сегодня мы живем так же, как когда-то придворные при королевских дворах: мы должны вести себя вежливо, пытаясь сокрушить всех, кто нас окружает. В эту силовую игру можно играть хорошо или плохо, и в этих 48 законах, взятых из истории и мудрости величайших мировых игроков, содержатся правила, которым необходимо следовать, чтобы победить. Эти законы сводятся к тому, чтобы быть максимально безжалостными, эгоистичными, манипулятивными и лживыми. Однако в каждом законе есть своя глава: «Скрывайте свои намерения», «Всегда говорите меньше, чем необходимо», «Представьте себя другом, работайте как шпион» и так далее.Каждая глава удобно разбита на разделы о том, что случилось с теми, кто нарушил или соблюдал конкретный закон, об основных элементах этого закона и способах защиты отменить этот закон, когда он используется против вас. Цитаты на полях усиливают преподанный урок. Несмотря на то, что эта книга убедительна, как автокатастрофа, это просто ерунда. Правила часто противоречат друг другу. Например, нас просят «быть заметными любой ценой», а затем «вести себя как другие».Если серьезно, Грин никогда не дает определения «власть», и он просто утверждает, а не предлагает доказательства существования гоббсовского мира всех против всего, в котором, как он утверждает, мы живем. Иногда мир может быть таким, но часто это не так. Спросить, почему это так, было бы гораздо полезнее.

Если авторы серьезны, то это глупая, неприятная книга. Если нет, это блестящая сатира.

Дата публикации: сен.1, 1998

ISBN: 0-670-88146-5

Количество страниц: 430

Издатель: Viking

Обзор Опубликовано онлайн: 20 мая 2010 г.

Обзоры Киркуса Выпуск: 15 июля 1998 г.

Поделитесь своим мнением об этой книге

Вам понравилась эта книга?

.