James Clerk Maxwell

Полное осознание своего невежества является прелюдией к каждому реальному прогрессу в науке.

James Clerk Maxwell был шотландским ученым в области математической физики. Его самым значительным достижением было формулирование классической теории электромагнитного излучения, объединившей впервые электричество, магнетизм и свет как различные проявления одного и того же явления. Уравнения Maxwell для электромагнетизма были названы "второй великой унификацией в физике", где первая была осуществлена Isaac Newton.

С публикацией работы "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field" в 1865 году Maxwell продемонстрировал, что электрические и магнитные поля распространяются в пространстве как волны, движущиеся со скоростью света. Он предположил, что свет - это колебание в том же среде, которая является причиной электрических и магнитных явлений. Объединение света и электрических явлений привело к его предсказанию существования радиоволн. Maxwell также считается основателем современной области электротехники.

Он помог разработать распределение Maxwell–Boltzmann, статистический способ описания аспектов кинетической теории газов. Он также известен представлением первого долговечного цветного фотографического снимка в 1861 году и его основополагающей работой по анализу жесткости каркасных конструкций с стержнями и шарнирами, таких как в многих мостах.

Его открытия помогли положить начало эпохе современной физики, заложив основы для таких областей, как специальная теория относительности и квантовая механика. Многие физики считают Maxwell ученым XIX века, оказавшим наибольшее влияние на физику XX века. Его вклад в науку многие считают соизмеримым с вклади Isaac Newton и Albert Einstein. В опросе тысячелетия — опросе 100 самых видных физиков — Maxwell был признан третьим величайшим физиком всех времен, после только Newton и Einstein. В столетие со дня рождения Maxwell, Einstein описал работу Maxwell как "самую глубокую и самую плодотворную, которую испытала физика со времен Newton". Einstein, когда он посетил University of Cambridge в 1922 году, услышал от своего хозяина, что он совершил великие дела, потому что стоял на плечах Newton; Einstein ответил: "Нет, я не стою. Я стою на плечах Maxwell."

Жизнь

Ранние годы, 1831–1839

James Clerk Maxwell родился 13 июня 1831 года на улице India Street, 14, в Edinburgh, в семье John Clerk Maxwell из Middlebie, адвоката, и Frances Cay, дочери Robert Hodshon Cay и сестры John Cay. Его место рождения теперь служит музеем, управляемым James Clerk Maxwell Foundation. Его отец был человеком достаточных средств из семьи Clerk из Penicuik, обладателей баронетства Clerk of Penicuik. Брат его отца был 6-м баронетом. Он родился как "John Clerk", добавив Maxwell к своему имени после того, как унаследовал в младенчестве в 1793 году имение Middlebie, собственность Maxwell в Dumfriesshire. James был двоюродным братом как художницы Jemima Blackburn, дочери сестры его отца, так и гражданского инженера William Dyce Cay, сына брата его матери. Cay и Maxwell были близкими друзьями, и Cay выступил его шафером, когда Maxwell женился.

Родители Maxwell познакомились и поженились, когда им было за тридцать; его матери было почти 40 лет, когда он родился. У них была одна более ранняя дочь по имени Elizabeth, которая умерла в младенчестве.

Когда Maxwell был молод, его семья переехала в Glenlair в Kirkcudbrightshire, где его родители построили имение на территории площадью 1500 акров (610 га). Все признаки указывают на то, что Maxwell с раннего возраста обладал неугасимым любопытством. В возрасте трех лет все, что двигалось, светилось или издавало звук, вызывало вопрос: "что это такое?" В отрывке, добавленном к письму его отца своей свояченице Jane Cay в 1834 году, его мать описала этот врожденный дух пытливости:

Он очень счастливый человек и значительно улучшился с тех пор, как погода стала мягче; он много занимается дверями, замками, ключами и т.д., и "покажи мне, как это работает" не выходит из его уст. Он также изучает скрытый ход ручьев и проводов звонков, то, как вода попадает из пруда через стену....

Образование, 1839–1847

Признав потенциал мальчика, мать Maxwell Frances взяла на себя ответственность за его раннее образование, которое в викторианскую эпоху было главным образом задачей хозяйки дома. В восемь лет он мог читать длинные отрывки из Milton и всех 119 psalm (176 стихов). Действительно, его знание Святого Писания было уже подробным; он мог привести главу и стих почти для любой цитаты из псалмов. Его мать заболела раком брюшной полости и, после неудачной операции, умерла в декабре 1839 года, когда ему было восемь лет. Его образование затем контролировалось его отцом и свояченицей его отца Jane, которые оба играли ключевые роли в его жизни. Его формальное школьное образование началось безуспешно под руководством нанятого репетитора в возрасте 16 лет. О молодом человеке, нанятом для обучения Maxwell, известно немного, кроме того, что он относился к младшему мальчику жестоко, упрекая его за медлительность и непослушание. Репетитор был уволен в ноябре 1841 года. Отец James взял его на демонстрацию Robert Davidson электрического движения и магнитной силы 12 февраля 1842 года, опыт с глубокими последствиями для мальчика.

Maxwell был отправлен в престижную Edinburgh Academy. Во время семестров он проживал в доме своей тети Isabella. В это время его страсть к рисованию была поощрена его старшей кузиной Jemima. Десятилетний Maxwell, выросший в изоляции в загородном имении своего отца, плохо вписался в школе. Первый год был полным, что заставило его присоединиться ко второму году с одноклассниками на год старше. Его манеры и Galloway акцент показались другим мальчикам деревенскими. Явившись в первый день школы в паре самодельных туфель и туники, он получил нелюбезное прозвище "Daftie". Он, кажется, никогда не обижался на это прозвище, неся его без жалоб в течение многих лет. Социальная изоляция в Academy закончилась, когда он встретил Lewis Campbell и Peter Guthrie Tait, двух мальчиков похожего возраста, которые позже стали известными учеными. Они остались друзьями на всю жизнь.

Maxwell был увлечен геометрией с раннего возраста, переоткрыв правильные многогранники еще до того, как получил какое-либо формальное обучение. Несмотря на то, что он выиграл школьный приз по истории Писания на втором году, его академическая работа осталась незамеченной до тех пор, пока в возрасте 13 лет он не выиграл школьную математическую медаль и первый приз как по английскому языку, так и по поэзии.

Интересы Maxwell выходили далеко за пределы школьной программы, и он не уделял особого внимания результатам экзаменов. Он написал свою первую научную работу в возрасте 14 лет. В ней он описал механический способ рисования математических кривых с помощью шпагата и свойства эллипсов, декартовых овалов и связанных кривых с более чем двумя фокусами. Работа 1846 года "On the description of oval curves and those having a plurality of foci" была представлена Royal Society of Edinburgh учителем James Forbes, профессором натуральной философии в University of Edinburgh, потому что Maxwell считался слишком молодым, чтобы представить работу самостоятельно. Работа была не совсем оригинальной, так как René Descartes также исследовал свойства таких многофокусных эллипсов в XVII веке, но он упростил их построение.

University of Edinburgh, 1847–1850

Maxwell покинул Academy в 1847 году в возрасте 16 лет и начал посещать занятия в University of Edinburgh. У него была возможность посещать University of Cambridge, но он решил после первого семестра завершить полный курс своего бакалаврского образования в Edinburgh. Академический персонал University включал некоторые высокоуважаемые имена; его преподавателями на первом курсе были Sir William Hamilton, который читал ему лекции по логике и метафизике, Philip Kelland по математике и James Forbes по натуральной философии. Он не считал занятия в University сложными и поэтому был в состоянии погрузиться в частное изучение в свободное время в University и особенно когда был дома в Glenlair. Там он экспериментировал с импровизированным химическим, электрическим и магнитным аппаратом, однако его главные интересы касались свойств поляризованного света. Он конструировал блоки из желатина различной формы, подвергал их различным напряжениям и, используя пару поляризационных призм, полученных от William Nicol, смотрел на цветные полосы, которые развивались внутри желе. Благодаря этой практике он обнаружил фотоупругость, которая является средством определения распределения напряжений в физических структурах.

В возрасте 18 лет Maxwell внес две статьи в Transactions of the Royal Society of Edinburgh. Одна из них, "On the Equilibrium of Elastic Solids", заложила основу для важного открытия позже в его жизни, которым было временное двойное преломление, вызванное в вязких жидкостях сдвиговым напряжением. Его другой работой была "Rolling Curves" и, как и в случае с работой "Oval Curves", которую он написал в Edinburgh Academy, его снова считали слишком молодым, чтобы встать у ростра для ее представления. Статья была представлена Royal Society его преподавателем Kelland вместо него.

University of Cambridge, 1850–1856

В октябре 1850 года, уже будучи опытным математиком, Maxwell уехал из Scotland в University of Cambridge. Он первоначально посещал Peterhouse, однако до конца своего первого семестра перешел в Trinity, где он считал, что будет легче получить стипендию. В Trinity он был избран в элитное тайное общество, известное как Cambridge Apostles. Интеллектуальное понимание Maxwell своей христианской веры и науки быстро развивалось в годы Cambridge. Он присоединился к "Apostles", эксклюзивному дискуссионному обществу интеллектуальной элиты, где через свои эссе он старался разработать это понимание.

Теперь мой великий план, который был задуман давно, ... состоит в том, чтобы ничего не оставлять преднамеренно неисследованным. Ничто не должно быть святой землей, посвященной Неподвижной Вере, положительной или отрицательной. Вся залежь земли должна быть вспахана и должна следовать регулярная система ротации. ... Никогда ничего не скрывайте, будет ли это сорняком или нет, и не кажитесь желающим это скрыть. ... Опять же я утверждаю Право Вторжения на любой участок Святой Земли, который какой-то человек отложил в сторону. ... Теперь я убежден, что никто, кроме христианина, не может на самом деле очистить его землю от этих святых мест. ... Я не говорю, что ни один христианин не огородил места такого рода. Многие огородили много, и каждый огородил некоторые. Но в территории Scofferer, Pantheist, Quietist, Formalist, Dogmatist, Sensualist и других есть обширные и важные полосы, которые открыто и торжественно Запрещены. ..."

Христианство — то есть религия Библии — это единственная схема или форма веры, которая отказывается от каких-либо владений на таком основании. Здесь одно все свободно. Вы можете полететь на края света и не найти никакого Бога, кроме Автора Спасения. Вы можете искать в Писаниях и не найти текста, чтобы остановить вас в ваших исследованиях. ...

Ветхий Завет, Мозаический закон и иудаизм обычно считаются "Запрещенными" ортодоксами. Скептики претендуют на то, что их прочитали и нашли определенные остроумные возражения ... которые слишком многие из ортодоксов непрочитанные признают и закрывают вопрос как преследуемый. Но Свеча идет, чтобы вытеснить всех Призраков и Чудовищ. Давайте следовать свету.

Степень, в которой Maxwell "вспахал" свои христианские убеждения и поставил их на интеллектуальное испытание, может быть судима только неполностью из его писаний. Но есть достаточно доказательств, особенно из его студенческих дней, того, что он глубоко изучал свою веру. Конечно, его знание Библии было примечательным, так что его уверенность в Писаниях не была основана на невежестве.

Летом третьего года обучения Maxwell провел некоторое время в доме Suffolk Rev C.B. Tayler, дяди одного из его одноклассников, G.W.H. Tayler. Любовь Божья, проявленная семьей, произвела впечатление на Maxwell, особенно после того, как он был вылечен от болезни министром и его женой.

По возвращении в Cambridge Maxwell пишет своему недавнему хозяину беседуемое и ласковое письмо, включающее следующее свидетельство,

... Я имею способность быть более злодеем, чем любой пример, который человек мог бы мне установить, и ... если я избежу, то только благодаря милости Бога, помогающей мне избавиться от себя, частично в науке, более полностью в обществе, —но не совсем, кроме как посвящая себя Богу ...

В ноябре 1851 года Maxwell учился под руководством William Hopkins, чей успех в воспитании