|
Основоположник сучасної радіотехніки і радіоелектроніки
Ян Шнейберг
Галілей і Ньютон заклали основи механічної картини світу, Фарадей і Максвелл - основи електромагнітної картини.
А. Ейнштейн
Частина 1.
У 1901 р провідний американський електротехнічний журнал Electrical World and Engineer опублікував результати своєрідного конкурсу, організованого в ознаменування настання нового, ХХ ст., Поширивши анкети серед майже 300 діячів науки і техніки та великих промисловців. В анкетах потрібно було вказати прізвища 25 найбільш видатних вчених і електротехніків світу. Серед переможців конкурсу був, звичайно, і Максвелл; його портрет разом з портретами Фарадея і Едісона був поміщений в журналі.
Незвичайні здібності Максвелла проявилися ще в шкільні роки: йому було 14 років, коли його перша наукова робота була повідомлена на засіданні Единбурзького Королівського товариства, а потім опублікована в «Працях» цього товариства.
Після блискучого закінчення в 1854 р Кембриджського університету почалася наукова та педагогічна діяльність Максвелла, що вражає широтою і різноманітністю його інтересів: гідравліка і оптика, астрономія і теорія теплових явищ, кінетична теорія газів і, нарешті, фундаментальні дослідження електричних і магнітних явищ. У своїх працях «Про фарадеевих силових лініях», «Про фізичних лініях сил» і «Динамічна теорія поля» (1855-1865) він детально викладає основи розробленої ним теорії електромагнітного поля і вперше призводить рівняння цього поля.
Найбільшою заслугою Максвелла є математична завершеність праць Фарадея, введення терміну «електромагнітне поле», яке є носієм електромагнітної енергії. Він передбачив існування електромагнітних хвиль і в своєму знаменитому «Трактаті з електрики і магнетизму» сформулював основні закони електромагнітного поля у вигляді векторних рівнянь, відомих як «рівняння Максвелла» і широко використовуваних в наші дні. На рівняннях Максвелла грунтується вся сучасна радіотехніка та радіоелектроніка. Важко уявити, щоб такі «перли людської думки», як електромагнітне поле, його рівняння, електромагнітна теорія світла, тиск світла, могли сформуватися в голові однієї людини.
Праці Максвелла набагато випередили його час, невипадково електромагнітна теорія не відразу була зрозуміла і оцінена його сучасниками. Тільки через 10 років після смерті вченого Г. Герц створив вібратор і резонатор, за допомогою яких отримав електромагнітні хвилі і досліджував їх властивості. У наступні роки стало очевидним велич і безсмертя творінь Максвелла.
Перший наукова праця чотирнадцятирічного школяра
В історії людства трапляються дивні збіги: в серпні 1831 р видатний англійський фізик М. Фарадей відкрив явище електромагнітної індукції, що ознаменувало початок нової епохи в історії електромагнетизму, і майже в той же час, в червні, в Единбурзі в сім'ї члена Единбурзького Королівського товариства Джона клерка Максвелла народився син Джеймс - майбутній великий фізик, який додав відкриттям Фарадея строгу математичну форму, що заклав основи сучасної електродинаміки і радіоелектроніки.
До 10 років Джеймс, рано втратив матері, жив в шотландському маєтку батька, одному з чудових куточків природи, на березі річки, оточеної полями і озерами. Батько і син були великими друзями, відрізнялися скромністю і доброзичливістю. З ранніх років батько прищеплював синові інтерес до природознавства, до явищ природи. На відміну від багатьох своїх однолітків Джеймс захопився астрономією і спостерігав в подаровану батьком зорову трубу небесні світила; в майбутньому цього загадкового, невідомого світу він присвятить багато свої наукові дослідження. Одночасно Джеймс багато читає, запам'ятовуючи найцікавіше - до кінця життя він міг прочитати на пам'ять вірші різних років.
Отримавши хорошу домашню освіту, Джеймс в 1841 році вступив в Единбурзьку академію, середній навчальний заклад типу класичної гімназії, відоме як «школа для обраних». Через півроку Джеймс разом з батьком відвідали Единбурзької Королівське суспільство, де були виставлені перші «електричні машини», з якими буде тісно пов'язана вся подальша життя юнака. У п'ятому класі Джеймс захоплюється геометрією і математикою, виготовляє з картону різноманітні багатогранники-піраміди, куби, пізнаючи красу геометричних фігур. Його здібності були відзначені викладачами та однокласниками. Виявилося, що такі фігури, як квадрат, круг, еліпс можуть бути описані математично.
Нескінченні пошуки привели юнака до ідеї малювання овалів, що прикрашали похоронні урни етрусків. За допомогою «забавного ниткового циркуля» і шпильок миттєво виходить овал. Батько і знайомий художник з подивом відзначили, що раніше не знали такого простого способу. Незабаром відомий член Шотландської академії наук визнав, що придуманий Джеймсом метод побудови багатофокусного фігур раніше був невідомий і тому заслуговує уявлення як відкриття на засіданні Единбурзького Королівського товариства. Чотирнадцятирічний хлопчик у чорній курточці став автором наукової статті в «Працях Единбурзького Королівського товариства». Особливе здивування викликало твердження фахівців, що метод Джеймса виявився більш простим, ніж запропонований свого часу Декартом метод побудови багатогранних фігур.
Безперечно, цей епізод зіграв чималу роль у розвитку таланту Максвелла, яке проявилося пізніше в оригінальному фізичному і математичному поясненні багатьох явищ. Невипадково наукова стаття Джеймса відкривається перший двотомне зібрання його наукових праць.
У формуванні мощі інтелекту Максвелла, його все більш зростаючої віри в необмежені можливості пізнання невідомих явищ природи за допомогою математичних розрахунків виняткову роль зіграла захоплююча історія відкриття планети Нептун в 1846 р Присутніми були переконливий доказ сили закону тяжіння Ньютона і його теорії руху планет.
У 1821 р молодий англійський астроном Дж. Адамс зацікавився публікаціями таблиць про рух планети Уран, які вказували на вплив на цей рух невідомого небесного тіла, очевидно, планети. В результаті багаторічних обчислень зоряних координат передбачуваного знаходження планети він встановив область космічного простору, в якому можна виявити цю планету за допомогою потужного телескопа. Будучи патріотом своєї країни, Адамс хотів, щоб відкриття загадкової планети неодмінно було зроблено англійським астрономом, і щоб вона носила англійська назва і була «приєднана» до англійської корони. Зафіксувавши свої обчислення в спеціальному меморандумі в 1841 р, Адамс вирішив звернутися за допомогою до головного королівському астроному і тільки в 1845 р передав свої матеріали а Грінвічську обсерваторію для відома інших англійських астрономів, що не знали про його роботу.
Але як часто буває в історії найбільших відкриттів, незалежно від Адамса, але пізніше його, в липні 1846 р французький астроном У. Леверрье, зробивши аналогічні обчислення, негайно сповістив про це астрономів інших країн. Через два місяці німецький астроном І. Галле виявив у вказаному Леверрье ділянці неба раніше невідому планету.
Англійська громадськість була обурена безпорадністю і легковажністю Адамса і Королівського астронома, вчасно не повідомили про видатне відкриття. Між англійцями і французами виникла суперечка про пріоритет, і нову планету довелося дати «нейтральне» назву Нептун.
«Гідний чоловік» в науці
У 1847 р Максвелл вступив до Единбурзького університету, де викладали першокласні педагоги і відомі вчені - фізики, математики, філософи. Вони відразу звернули увагу на широко утвореного здібного студента, залучили його до наукових досліджень. Він пише змістовні трактати і становить завдання, в яких фізичні та математичні поняття знаходили відчутну реальність, допомагали глибше зрозуміти явища природи. Під час літніх канікул Джеймс влаштував на мансарді будинку лабораторію і займався цікавими оптико-механічними експериментами. У 1850 р дев'ятнадцятирічний студент виступив з доповіддю на засіданні Единбурзького Королівського товариства, в якому дав оригінальні рішення 14 завдань з області опору матеріалів. За висновком професорів перед ними виступив вже не хлопчик в науці, а «гідний чоловік».
За роки навчання в університеті Джеймс прочитав і законспектировал десятки фундаментальних праць видатних мислителів і вчених, від Лукреція, Цицерона і Геродота до «Оптики» і «Обчислення нескінченно малих» Ньютона, «Аналітичної теорії тепла» Фур'є, «Диференціального обчислення» Коші, «Геометрії »Монжа, твори Канта, Бернуллі і багатьох інших.
Весь цей безцінний скарб знань надзвичайно збагачує його, викликає потребу в осмисленні складних процесів і явищ. Джеймс стверджує, що тільки при вивченні першоджерел «... можна угледіти момент зародження ідеї і процес її розвитку». Він неухильно дотримується цього протягом усього життя.
Можна тільки дивуватися незвичайним здібностям і природній обдарованості Джеймса, який, ще не досягнувши 20-річного віку, не тільки зумів оволодіти воістину гігантськими знаннями, а й осмислити їх настільки, що вільно обговорював багато наукових проблем зі своїми професорами і колегами. Всім, хто його знав, стало очевидно, що Джеймс виявляє безперечно геніальні здібності. Його ідеї та дослідження в різних областях природознавства відкривають йому дорогу до Кембриджського університету, в Трініті-коледж, прославлений на весь світ своїми вихованцями, перш за все І. Ньютоном (1642-1727) і Ф. Беконом (1561-1626).
У 1850 р збулася мрія Джеймса і його батька - Джеймс вступив до Кембриджського університету.
При першому знайомстві з величними будівлями університету увагу Джеймса привернула церкву Святої Трійці з її стрілчастими арками, легкими колонами і різнобарвними вітражами, мармуровими особами Ньютона і Бекона. Чи могли подумати батько і син, що не мине й тридцяти років, як в цьому храмі буде встановлено труну з тілом передчасно помер видатного фізика, і йому будуть віддані останні почесті.
Здібності і глибина знань Джеймса не забарилися проявитися вже в перший рік навчання в Кембриджі. Він успішно складає іспити, пише кілька статей в «Кембриджський і Дублінський математичний журнал», вражає своїх нових друзів здатністю буквально на льоту засвоювати складні теоретичні питання, а його професора стверджують, що Джеймс «не здатний невірно мислити про фізичні матерії». В університеті все яскравіше проявляється його життєве кредо - «нічого не залишати невивченим».
Серед найбільш видатних вчених, гідно оцінили талант Джеймса і що бачили в ньому продовжувача їхніх ідей, були його «старий друг» і наставник професор Вільям Томсон (пізніше удостоєний за великі наукові заслуги титулу лорда Кельвіна) і професор математики, автор відомої теореми Стокса - Габріель Стокс, який займав в Кембриджі той же пост, що свого часу Ньютон. Стокс успішно розробляв проблему розповсюдження поперечних світлових хвиль в ефірі, що було кроком на шляху до майбутньої теорії Максвелла. Вплив Стокса на формування Максвелла як вченого було безперечним (він був старше Джеймса на 12 років і пережив його на 30 (!) Років). Джеймс ніколи не пропускав жодної лекції Стокса.
У 1854 р Джеймс блискуче здає дуже складний іспит, удостоюється почесного «призу Сміта» стає бакалавром Кембриджа. Він продовжує дослідження з теорії колірного зору, основи якої були закладені великим Ньютоном майже 200 років тому, і береться за написання книги з оптики. Могутній розум Максвелла і вражаючі здібності до пізнання найскладніших проблем у поєднанні зі скромністю і доброзичливістю залучають до нього багато нових друзів і колег.
Максвелл починає "атакувати електрику»
Поступово Джеймс все більше схиляється до дослідження електричних явищ «в силу їх інтригуючою незрозумілості».Багато років тому в його «саморобної лабораторії» можна було побачити і саморобні магніти, і гальванічні елементи. Ще в Единбурзькому університеті він був вражений найбільшими відкриттями Фарадея. Максвелл пише лист Томсону - найвідомішому після Фарадея фізику. Лист, в якому повідомляє про свій намір ініціювати «атакувати електрику».
В кінці 1854 р Максвелл піддав докладного аналізу дослідження Ампера і Фарадея. Він захоплюється відкриттям Ампером закону взаємодії струмів, і вважає, що той проявив блискуче знання математики, проте дотримувався помилкової (в той час всіма визнаної) теорії «дальнодействия». Ампер вважав, що елементи струмів діють один на одного через простір, без участі середовища, що оточує провідники зі струмом.
Як писав один з біографів, засумніватися в теорії «дальнодії» «... міг тільки нестандартно мислячий розум».
Цій теорії Максвелл протиставляє «магнітні лінії сил», відкриті великим Фарадеєм, що не знав математики, але сміливо протиставляла «математичного камуфляжу» здоровий глузд реаліста: «Як щось може діяти на щось через ніщо?». Нагадаємо, що в 1831 р в одному з перших дослідів, що призвели до відкриття явища електромагнітної індукції, Фарадей довів, що якщо дві ізольовані один від одного дротяні котушки будуть поміщені спочатку на дерев'яне (або картонне) кільце, а потім на залізне, то в останньому випадку при розмиканні або замиканні електричного кола з первинної котушкою стрілка гальванометра в ланцюзі вторинної котушки відхиляється на значно більший кут. Отже, вплив середовища, що оточує котушки, точніше магнітне поле (але цього терміна Фарадей не вживав), різко посилюється при заміні дерева залізним сердечником.
Максвелл стверджував, що кожен електричний струм оточений магнітним полем і «метод Фарадея» можна виразити в математичній формі. Переконливою ілюстрацією справедливості твердження Максвелла служить формулювання Фарадеєм закону електромагнітної індукції: «... кількість наведеного в рух електрики прямо пропорційно числу пересічених силових ліній». В одному зі своїх рівнянь Максвелл формулює закон електромагнітної індукції, стверджуючи, що електрорушійна сила, що виникає в контурі при зміні магнітного потоку, пропорційна швидкості зміни цього потоку, і вперше вводить в своє рівняння широко відоме в наш час вираз:
Максвелл розумів, що геніальні фарадеевского магнітні лінії не придатні для розрахунків, в той час як стрімко розвивається електротехніка, зокрема, засоби зв'язку, які отримали «романтичний образ» у вигляді трансатлантичного телеграфу, вимагали математичного вирішення нових проблем. Разом з В. Томсоном Максвелл шукає фізичну аналогію електричним явищам і знаходить її в праці знаменитого французького вченого Ж. Б. Фур'є «Аналітична теорія тепла», що вийшов в 1822 р
Справедливості заради потрібно відзначити, що вперше аналогію між електричними і тепловими явищами застосував знаменитий німецький фізик Г.С. Ом, коли Максвелла ще не було на світі. У теорії Фур'є тепловий потік між двома тілами або двома частинами одного і того ж тіла пояснювався різницею температур. Ом прирівняв електричний струм в провіднику «тепловому потоку», викликаному різницею «електричних сил». За аналогією з формулою, виведеною Фур'є для теплового потоку, Ом знайшов формулу для електричного струму, яка була приведена в його фундаментальній праці в 1827 р, і дав формулювання своєму відомому закону електричного кола, що носить нині його ім'я. Ом також успішно скористався і гідравлічної аналогією - плином води в трубах, викликаним різницею рівнів розташування труб і їх діаметром.
Характерно, що Максвелл, мабуть не знаючи про роботи Ома, також створював гідродинамічну модель середовища, що передає електричні та магнітні взаємодії, і описував їх за допомогою рухомої рідини. «Я намагався, - писав Максвелл, - представити математичні ідеї в наочній формі». Після численних математичних операцій він прийшов до застосування векторного аналізу.
У 1855-1856 рр. Максвелл видає свій перший працю по електромагнітним явищам «Про фарадеевих силових лініях» і першу його частину доповідає Кембріджського філософського товариства. У 1856 р він стає професором Абердинського університету в Шотландії, а рік по тому відсилає працю Фарадею. Літній вчений був надзвичайно втішений цим подарунком і писав Максвеллу: «Ваша робота приємна мені і надає мені велику підтримку».
П'ять років по тому Максвелл викладає свою електромагнітну теорію в працях «Про фізичні лініях сил» (1861-1862 рр.) І «Динамічна теорія поля» (1864-1865 рр.). Він додав ідеям Фарадея математичну завершеність, вперше ввів термін «електромагнітне поле» і сформулював закони цього поля.
На той час Максвелл стає професором в Лондонському Кінгз-коледжі. Останній розділ своєї праці «Динамічна теорія поля» учений назвав «Електромагнітна теорія світла». У ньому він стверджував, що існують «поперечні електромагнітні хвилі», що поширюються зі швидкістю, близькою до швидкості світла, яка була встановлена в 1849 р французьким фізиком І. Фізо, і давав формулу для визначення цієї швидкості. Таким чином, можна стверджувати, «що світло складається з поперечних коливань тієї ж середовища, яка є причиною електромагнітних явищ». Електромагнітна теорія світла - найважливіше досягнення теорії Максвелла. Зміст цього розділу - ще одна ілюстрація геніальних висновків вченого.
Правда, Максвелл стверджував, що вперше думка про електромагнітної природу світла висловив Фарадей в своїй статті «Думки про променевих вібраціях» (1846).
Але Максвелл, як і всі інші фізики, не знав, що ще в березні 1832 року Фарадей передав в Королівське товариство конверт з листом, в якому повідомляв, що «електрична індукція» поширюється подібно магнітному взаємодії, і процес поширення індукції схожий «на коливання схвильованої водної поверхні »або« звукові коливання »частинок повітря, а також є« найбільш вірогідним поясненням світлових явищ ». Фарадей підкреслював, що на поширення магнітного впливу потрібен час, яке «виявляється досить незначним». На закінчення учений вказував, що він поки не має часу підтвердити свої погляди експериментально і тому хоче «закріпити свої відкриття визначеною датою», так як йому відомо, що «ніхто з учених не має подібних поглядів». Лист це було виявлено через 106 років, в 1938 р
Разюча інтуїція Фарадея, який вперше так образно порівняв поширення «магнітного взаємодії» з коливаннями «схвильованої водної поверхні». Ідеєю про існування електромагнітних хвиль і небаченої швидкості їх розповсюдження Фарадей створив своєрідний плацдарм для подальшого майбутнього розвитку електрозв'язку і радіотехніки. А праці Максвелла наблизили це розвиток і зробили його надбанням практики.
У «Динамічної теорії поля» математичні рівняння Максвелла набувають завершеного вигляду. Він формулює закони у вигляді векторних рівнянь, що зв'язують магнітну індукцію з напруженістю магнітного поля, напруженість магнітного поля з силою що створює його струму, електрорушійну силу зі зміною магнітного поля.
Їм було введено важливе поняття струмів зміщення, що характеризують стан діелектрика в електричному полі. Він виводить формулу, що дозволяє визначити енергію електричного поля, а також доводить, що світ являє собою електромагнітне явище. Максвелл вперше в історії фізики вводить термін «електромагнітне поле» і дає його визначення як «... частина простору, яке містить в собі і оточує тіла, що знаходяться в електричному і магнітному стані».
Далеко не всім відомо, що в 1865 р, в рік публікації «Динамічної теорії поля», з Максвеллом стався нещасний випадок, в результаті якого світ міг втратити найбільшого фізика, і знаменитий «Трактат з електрики і магнетизму» ніколи б не побачив світ. Під час верхової прогулянки з дружиною на заміській дачі кінь, на якій скакав Джеймс, раптово чогось злякалася і понеслася в ліс, і Максвелл сильно вдарився головою об звисала гілка. Поранення було дуже серйозним, виникло бешихове запалення голови. Лікарі заборонили йому розумову роботу, і тільки міцне здоров'я 34-річного вченого, його витримка і оптимізм допомогли подолати небезпечна недуга.
«Трактат з електрики і магнетизму»
У 1873 році вийшов головна праця Максвелла - «Трактат з електрики і магнетизму». На початку книги дається критичний огляд всіх раніше опублікованих теорій електрики і магнетизму. Автор стверджує, що «багатопудові» праці з електрики і магнетизму в більшості своїй лежать на полицях бібліотек, далекі від практичних завдань і не відповідають потребам інженерів і вчених.
У «Трактаті ...» викладено основи векторного обчислення, з допомогою якого їм, як уже зазначалося, були виведені знамениті рівняння електромагнітного поля. Ці рівняння були сформульовані раніше в його праці «Динамічна теорія поля», але їх висновок здійснено Максвеллом більш обгрунтовано, з використанням вихідних експериментів і основних понять. У «Трактаті ...» зросло число рівнянь, змінилася їх нумерація. У чотирьох частинах цієї праці знайшли відображення всі питання, які стосуються електростатики, електрокінематіке, магнетизму і електромагнетизму.
На відміну від багатьох своїх попередників, Максвелл прагнув кожну математичну величину наділяти глибоким фізичним змістом. Але при цьому рівняння виявлялися досить складними. Максвелл розумів труднощі сприйняття своїх оригінальних математичних викладок, саме тому почав писати популярний виклад своїх теорій. На жаль, передчасна смерть не дозволила йому закінчити цю працю.
|