Статьи и речи

Замечательный русский физик Н. А. Умов, введя в 1873 г. (правда, независимо от максвелловской концепции) понятие о движении и потоке энергии, сделал существенный вклад в разработку теории поля. Умов с восхищением отзывался о теории Максвелла. «Работу Максвелла,— писал он,— можно сравнить с работой художника, разбившего вазу с изящным рисунком и из черепков этой вазы построившего новую. Получился новый рисунок, составленный из элементов старого...»

После опытов Герца борьба за теорию Максвелла вступила в новую фазу. И вновь русская физика заняла самые передовые, а в ряде направлений и главенствующие позиции. У. Брэгг говорит: «После того как Максвелл сформулировал четыре математических уравнения... радио, как мы теперь называем его, стало возможностью». Эту возможность впервые осуществил А. С. Попов, который в мае 1895 г. произвёл передачу и приём радиосигналов. Изобретение Попова вывело теорию Максвелла в широкий мир техники и многочисленных её приложений. В том же году П. Н. Лебедев получил самые короткие (6 мм) электромагнитные волны, а ещё через четыре года доказал существование светового давления. Опыты Лебедева имели для подтверждения теории Максвелла огромное значение. Лорд Кельвин, издавна скептически относившийся к электромагнитной теории, признался потом К. А. Тимирязеву: «Вы, может быть, знаете, что я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавая его светового давления, и вот ваш Лебедев заставил меня сдаться!» Работы последующего поколения русских учёных (А. А. Эйхенвальда, Д. С. Рождественского, В. Ф. Мицкевича, А. А. Глаголевой-Аркадьевой и др.) ещё более упрочили и развили теорию Максвелла. Таким образом, практика — критерий истины — подтвердила истинность электромагнитной теории.

Максвелл никогда не ставил перед собой задачи — дать законченную картину мира, но исторически сложилось так, что ему и Гельмгольцу суждено было завершить картину мира классической физики, начатую Галилеем и Ньютоном. «Имя его блистает на вратах классической физики»,— сказал М. Планк. Но, вместе с тем, Максвелл — это и конец классической физики.

Опираясь на теорию Максвелла, Г. А. Лоренц построил свою электронную теорию. Максвелл является одним из главных предшественников Эйнштейна, родившегося в год его смерти. Эйнштейн писал, что «теория относительности обязана своим возникновением уравнениям Максвелла для электромагнитного поля». И — в другом месте: «Теория Максвелла — Лоренца неизбежно вела к специальной теории относительности». Эйнштейн освещает и такой интересный вопрос — а что дала теория относительности теории Максвелла, «своей родительнице»: «До того времени электрические и магнитные поля считали существующими независимо, хотя между этими двумя видами поля благодаря уравнениям Максвелла и устанавливалась тесная причинная связь. Но специальная теория относительности показала, что эта причинная связь есть проявление тождественной сущности двух видов поля» («Новая теория поля. I», 1929 г.). И тем не менее теория Максвелла получила от теории относительности несколько серьёзных ударов, поколебавших её основы. Но ещё более сильные удары ей нанесла квантовая теория излучения Планка, возникшая в начале XX в. на стыке термодинамики и оптики. (Одним из истоков теории квантов была динамическая теория газов Максвелла). Максвелл учил: «Из всех гипотез... выбирайте ту, которая не пресекает дальнейшего мышления об исследуемых вещах». К ужасу многих, в том числе и самого Планка, казалось, что под ударами теории квантов электромагнитная теория вот-вот рухнет. Но она выстояла и даже сохранила своё значение.

В статье о Фарадее Максвелл писал: «...мы не знаем даже названия той науки, которая вырастет из ныне собираемых нами материалов...» Истинный смысл теории Максвелла раскрывается только теперь; вместе с тем становится ясным, что даже сам Максвелл, не говоря о его современниках, ещё не вполне представлял себе всю неисчерпаемую глубину, все значение своего открытия. (В истории науки такое случалось не однажды!) Это топко почувствовал уже Герц, писавший: «Нельзя изучать эту удивительную теорию, не испытывая по временам такого чувства, как будто в математических формулах есть самостоятельная жизнь, собственный разум — как будто они умнее нас, умнее даже самого автора, как будто они дают нам больше, чем в своё время было в них вложено».

«Как за Ньютоном последовала эпоха математического оформления механики, так отныне наступила пора математической обработки теории Максвелла,— писал Макс Лауэ.— В современном изложении теория Максвелла является замечательным творением, равноценным механике».

Максвелл говорил: «...прямая цель всякого научного труда — раскрывать тайны природы». Один из величайших естествоиспытателей всех времён, Максвелл с честью служил этой высокой цели. Огромного охвата ум, он поднимал и решил такие проблемы, которые питают науку вот уже целое столетие. В нём органически соединился гениальный теоретик и блестящий экспериментатор, проницательный математик и мудрый натурфилософ; его пылкую научную фантазию постоянно контролировала трезвость практика. Он был материалистом, однако материализм его — непоследовательный, подчас механистический. По складу интеллекта Максвелл близок Фарадею, но работам иным методом, что позволило ему продвинуться дальше учителя. Глубина сочеталась в нём с необыкновенной разносторонностью; его научное наследие и обширно, и разнообразно: тут и работы по теории электричества и оптике, по механике и астрономии, по молекулярно-кинетической теории газов и теории сооружений, по математике и машиностроению, по методам электрических измерений и по истории науки. Его перу принадлежит ряд образцовых популярных статей и книг, интересно и богато его эпистолярное наследие. «Всякий великий человек,— писал Максвелл,— является единственным в своём роде. В историческом шествии учёных у каждого из них своя определённая задача и своё определённое место». Имя Максвелла прочно и навсегда вошло в науку. Мы говорим: «электромагнитная теория Максвелла», «закон Максвелла», «распределение Максвелла», «статистика Максвелла — Больцмана», «число Максвелла», «маятник Максвелла», «диск Максвелла», «правило Максвелла» (правило винта), «ток Максвелла» (ток смещения), максвелл — единица измерения магнитного потока в системе ЦГС...

В своё время в Кавендишской лаборатории была учреждена стипендия имени Максвелла. «Она даётся на три года лучшему из работающих в лаборатории, и получение её считается большой честью»,— писал П. Л. Капица, которому она была присуждена в 1923 г.

Теория Максвелла сыграла огромную роль не только в науке, но и в духовном развитии человечества.

В 1931 г. широко отмечалось 100-летие со дня рождения великого учёного. На торжества в Англию съехались делегаты от учёных корпораций всего мира. 30 сентября в Вестминстерском аббатстве, неподалёку от надгробия Ньютона, были открыты мемориальные доски Фарадея и Максвелла. 1 и 2 октября с речами выступили Резерфорд, Планк, Бор, Джинс... Для юбилейного сборника написали статьи Эйнштейн и ряд других физиков.

Темой выступления Нильса Бора было — Максвелл и современная теоретическая физика. Говоря «о применении электромагнитной теории к проблеме строения атома, где теория Максвелла не только была исключительно плодотворна в истолковании явлений, но дала максимум того, что может дать какая бы то ни было теория», Бор отметил, что применение идей Максвелла к атомной теории «само по себе составляет целую главу физики». И — далее: «Когда приходится слышать как физики в наши дни толкуют об электронных волнах и фотонах, может показаться, пожалуй, что мы полностью оставили почву, на которой строили Ньютон и Максвелл». Однако, подчеркнул Бор, «теория Максвелла не перестала использоваться в качестве направляющего начала и на позднейшей стадии развития атомной теории. Хотя фундаментальное открытие лордом Резерфордом атомного ядра, приведшее к замечательному завершению наших представлений об атоме, ярче всего обнаружило ограниченность обычной механики и электродинамики, единственным путём развития в этой области осталось сохранение возможно более тесного контакта с классическими идеями Ньютона и Максвелла».

Так «старик Максвелл» входит в новую и новейшую физику — в наше время.

Е. М. Кляус

Роль Максвелла в развитии кинетической теории газов

В 1859—1860 гг. Максвелл развил ряд фундаментальных положений кинетической теории газон

Кинетическая теория газов с момента её возникновения базировалась на представлениях о дискретном строении всех тел и о беспорядочном непрерывном движении дискретных частиц, образующих газообразные тела. В самом начале своего трактата «Пояснение к динамической теории газов» Максвелл писал: «Из гипотезы, согласно которой мельчайшие частицы материи находятся в быстром движении, причём скорость этого движения возрастает с температурой, может быть выведено так много свойств материи, в особенности если её взять в газообразной форме,— что истинная природа этого движения является предметом естественного интереса^48h».

Учение о дискретной структуре материи восходит к глубокой древности. Атомистику древности и средневековья, натурфилософскую по своему существу, можно условно расчленить на «физическую атомистику» и «математический атомизм», тесно переплетающиеся между собой⁴⁸ⁱ. В начале XVII в. возрождается «физическая атомистика» (Гассенди), но уже последующее её развитие шло иными путями. Атомистика Галилея, Декарта, Бойля, Ньютона, как и вся атомистика середины и второй половины XVII в., связана в явном или скрытом виде с новыми задачами механики, физики и математики. На её основе в XVIII в. развилась атомистика Бернулли, Лесажа, Ломоносова, Бошковича и многих других, промежуточное звено между атомистиками XVIII и XIX вв. Кинетическая теория газов генетически связана со всей атомистикой в целом, но непосредственно базируется на атомистике XIX в.⁴⁹

В 1801 г. Дальтон применил атомистическую гипотезу для объяснения закона парциальных давлений. Работы Авогадро и Ампера, как и дальнейшие работы Дальтона, были тем новым этапом в развитии атомистики, который непосредственно привёл к кинетической теории газов.

Учение о беспорядочном непрерывном движении частиц газов начало усиленно разрабатываться после того, как Румфорд обратил внимание на выделение тепла при сверлении стволов пушек и подметил противоречие этого явления с господствовавшей теорией теплорода. В 1798 г. Румфорд объяснил нагревание стволов пушек тем, что теплота есть особый род движения. «Совершенно необходимо добавить, что это нечто, которое любое изолированное тело или система тел может непрерывно поставлять без ограничения, не может быть материальной субстанцией; и мне кажется чрезвычайно трудным, если не совершенно невозможным, создать какую-либо точную идею о чем-то, что в состоянии возбуждаться и передаваться подобно тому, как возбуждается и передаётся в этих экспериментах теплота; если только не допустить, что это что-то есть движение»⁵⁰

Максвелл называет в качестве своих прямых предшественников Даниеля Бернулли, Герапата, Джоуля, Крёнига, Клаузиуса и других, показавших, что отношения между давлением, температурой и плотностью в идеальном газе можно объяснить, полагая, что частицы движутся прямолинейно и равномерно, ударяются о стенки сосуда, содержащего газ, создавая тем самым давление.

В приведённой работе Максвелл не ставил перед собой задачи анализировать генезис кинетических представлений и дифференцировать взгляды их творцов.

Уже в 1845 г. Ватерстон представил для опубликования статью «О физической среде, состоящей из свободных и вполне упругих молекул, находящихся в движении», (опубликована Рэлеем в 1892 г. )⁵¹. В 1850 г. Ранкин рассматривает теплоту, как скрытое движение частиц^51a. В 1851 г. в работе «Некоторые замечания о теплоте и о строении упругих жидкостей»^51b он объясняет ряд свойств газов, полагая, что частицы движутся прямолинейно и равномерно. Джоуль полагал, что гипотеза Дэви о вращательном движении молекул также позволяет объяснить некоторые газовые законы. Он писал: «Я лично попытался показать, что вращательное движение, аналогичное описанному Дэви, способно объяснить закон Бойля — Мариотта, а также и другие явления, представляемые упругими жидкостями. (М-р Ранкин в своей работе «О механическом действии газов и паров» дал полное математическое исследование действия вихрей».) Тем не менее, принимая во внимание, что гипотеза Герапата, в которой допускается, что частицы газа постоянно летают во всех направлениях с большой скоростью и что давление газа обязано своим происхождением натиску частиц на всякую поставленную против них поверхность,— несколько проще, я воспользуюсь ею в своих последующих замечаниях о строении упругой жидкости...»^51с