Джеймс Клерк Максвелл: биография

Лондон (1860-1865)

Літо і початок осені 1860 до переїзду до Лондона Максвелл провів у рідному маєтку Гленлер, де важко захворів віспою і видужав лише завдяки турботам дружини. Робота в Кінгс-коледжі, де робився наголос на експериментальну науку (тут були одні з кращих за оснащеністю фізичні лабораторії) і де навчалося велика кількість студентів, залишала йому мало вільного часу. Втім, він встигав проводити домашні експерименти з мильними бульбашками та кольоровими скринькою, досліди з вимірювання в'язкості газів. У 1861 році Максвелл увійшов до складу Комітету з еталонів, завданням якого було визначення основних електричних одиниць. В якості матеріалу еталона електричного опору був узятий сплав платини і срібла. Результати ретельних вимірювань були опубліковані в 1863 році і стали підставою для рекомендації Міжнародним конгресом електриків (1881) ома, ампера і вольта в якості основних одиниць. Максвелл продовжував також займатися теорією пружності та розрахунком споруд, розглядав методами графостатікі напруги в фермах (теорема Максвела), аналізував умови рівноваги сферичних оболонок, розвивав методи побудови діаграм внутрішніх напружень в тілах. За ці роботи, що мають важливе практичне значення, йому була присуджена премія Кейта (Keith Medal) Единбурзького королівського товариства.

У червні 1860 року на з'їзді Британської асоціації в Оксфорді Максвелл зробив доповідь про свої результати в області теорії кольорів, підкріпивши їх експериментальними демонстраціями за допомогою кольорового ящика. Пізніше в тому ж році Лондонське королівське товариство нагородило його медаллю Румфорда за дослідження по змішуванню кольорів і оптиці. 17 травня 1861 на лекції в Королівському інституті (Royal Institution) на тему «Про теорії трьох основних кольорів» Максвелл представив ще одне переконливе доказ правильності своєї теорії - першу в світі кольорову фотографію, ідея якої виникла в нього ще в 1855 році. Разом з фотографом Томасом Саттоном (англ.Thomas Sutton) було отримано три негативу кольорової стрічки на склі, покритому фотографічної емульсією (колодій). Негативи були зняті через зелений, червоний і синій фільтри (розчини солей різних металів). Висвітлюючи потім негативи через ті ж фільтри, вдалося отримати кольорове зображення. Як було показано через майже сто років співробітниками фірми «Кодак», відтворено умови досвіду Максвелла, що були фотоматеріали не дозволяли продемонструвати кольорову фотографію і, зокрема, отримати червоне і зелене зображення. За щасливим збігом, отримане Максвеллом зображення утворилося в результаті змішування зовсім інших квітів - хвиль в синьому діапазоні і ближньому ультрафіолеті. Тим не менш, в досвіді Максвелла містився вірний принцип отримання кольорової фотографії, використаний через багато років, коли були відкриті світлочутливі барвники.

Під впливом ідей Фарадея і Томсона Максвелл прийшов до висновку, що магнетизм має вихрову природу, а електричний струм - поступальну. Для наочного опису електромагнітних ефектів він створив нову, чисто механічну модель, згідно з якою обертаються «молекулярні вихори» виробляють магнітне поле, тоді як дрібні передавальні «вільні колеса» забезпечують обертання вихорів в одну сторону. Поступальний рух цих передавальних коліс («частинок електрики», за термінологією Максвелла) забезпечує формування електричного струму. При цьому магнітне поле, спрямоване вздовж осі обертання вихорів, виявляється перпендикулярним напрямку струму, що знайшло вираз в обгрунтованому Максвеллом «правилі свердлика». У рамках даної механічної моделі вдалося не тільки дати адекватну наочну ілюстрацію явища електромагнітної індукції та вихрового характеру поля, породжуваного струмом, а й запровадити ефект, симетричний фарадеевскому: зміни електричного поля (так званий струм зміщення, створюваний зрушенням передавальних коліс, або пов'язаних молекулярних зарядів, під дією поля) повинні приводити до виникнення магнітного поля. Струм зміщення безпосередньо привів до рівняння безперервності для електричного заряду, тобто до подання про незамкнутих токах (раніше всі струми вважалися замкнутими). Міркування симетрії рівнянь при цьому, мабуть, не грали ніякої ролі. Знаменитий фізик Дж. Дж. Томсон назвав відкриття струму зміщення«Найбільшим внеском Максвелла в фізику». Ці результати були викладені у статті «Про фізичні силових лініях» (On physical lines of force), опублікованій в декількох частинах в 1861-1862 роках.