Основоположник современной радиотехники и радиоэлектроники
Ян Шнейберг
Галилей и Ньютон заложили основы механической картины мира,Фарадей и Максвелл – основы электромагнитной картины.
А. Эйнштейн
Часть 1.
В 1901 г. ведущий американский электротехнический журнал Electrical World and Engineer опубликовал результаты своеобразного конкурса, организованного в ознаменование наступления нового, ХХ в., распространив анкеты среди почти 300 деятелей науки и техники и крупных промышленников. В анкетах нужно было указать фамилии 25 наиболее выдающихся ученых и электротехников мира. Среди победителей конкурса был, конечно, и Максвелл; его портрет вместе с портретами Фарадея и Эдисона был помещен в журнале.
Необыкновенные способности Максвелла проявились еще в школьные годы: ему было 14 лет, когда его первая научная работа была доложена на заседании Эдинбургского Королевского общества, а затем опубликована в «Трудах» этого общества.
После блестящего окончания в 1854 г. Кембриджского университета началась научная и педагогическая деятельность Максвелла, поражающая широтой и разнообразием его интересов: гидравлика и оптика, астрономия и теория тепловых явлений, кинетическая теория газов и, наконец, фундаментальные исследования электрических и магнитных явлений. В своих трудах «О Фарадеевых силовых линиях», «О физических линиях сил» и «Динамическая теория поля» (1855–1865) он подробно излагает основы разработанной им теории электромагнитного поля и впервые приводит уравнения этого поля.
Величайшей заслугой Максвелла является математическая завершенность трудов Фарадея, введение термина «электромагнитное поле», которое служит носителем электромагнитной энергии. Он предсказал существование электромагнитных волн и в своем знаменитом «Трактате по электричеству и магнетизму» сформулировал основные законы электромагнитного поля в виде векторных уравнений, известных как «уравнения Максвелла» и широко используемых в наши дни. На уравнениях Максвелла основывается вся современная радиотехника и радиоэлектроника. Трудно представить, чтобы такие «перлы человеческой мысли», как электромагнитное поле, его уравнения, электромагнитная теория света, давление света, могли сформироваться в голове одного человека.
Труды Максвелла намного опередили его время, неслучайно электромагнитная теория не сразу была понята и оценена его современниками. Только через 10 лет после смерти ученого Г. Герц создал вибратор и резонатор, с помощью которых получил электромагнитные волны и исследовал их свойства. В последующие годы стало очевидным величие и бессмертие творений Максвелла.
Первый научный труд четырнадцатилетнего школьника
В истории человечества случаются удивительные совпадения: в августе 1831 г. выдающийся английский физик М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, ознаменовавшее начало новой эпохи в истории электромагнетизма, и почти в то же время, в июне, в Эдинбурге в семье члена Эдинбургского Королевского общества Джона Клерка Максвелла родился сын Джеймс – будущий великий физик, придавший открытиям Фарадея строгую математическую форму, заложивший основы современной электродинамики и радиоэлектроники.
До 10 лет Джеймс, рано лишившийся матери, жил в шотландском имении отца, одном из чудесных уголков природы, на берегу реки, окруженной полями и озерами. Отец и сын были большими друзьями, отличались скромностью и доброжелательностью. С ранних лет отец прививал сыну интерес к естествознанию, к явлениям природы. В отличие от многих своих сверстников Джеймс увлекся астрономией и наблюдал в подаренную отцом зрительную трубу небесные светила; в будущем этому загадочному, неведомому миру он посвятит многие свои научные исследования. Одновременно Джеймс много читает, запоминая самое интересное – до конца жизни он мог прочесть на память стихи разных лет.
Получив хорошее домашнее образование, Джеймс в 1841 г. поступил в Эдинбургскую академию, среднее учебное заведение типа классической гимназии, известное как «школа для избранных». Полгода спустя Джеймс вместе с отцом посетили Эдинбургское Королевское общество, где были выставлены первые «электрические машины», с которыми будет тесно связана вся последующая жизнь юноши. В пятом классе Джеймс увлекается геометрией и математикой, изготавливает из картона разнообразные многогранники-пирамиды, кубы, познавая красоту геометрических фигур. Его способности были отмечены преподавателями и одноклассниками. Оказалось, что такие фигуры, как квадрат, круг, эллипс могут быть описаны математически.
Бесконечные поиски привели юношу к идее рисования овалов, украшавших погребальные урны этрусков. С помощью «забавного ниточного циркуля» и булавок мгновенно получается овал. Отец и знакомый художник с удивлением отметили, что ранее не знали столь простого способа. Вскоре известный член Шотландской академии наук признал, что придуманный Джеймсом метод построения многофокусных фигур ранее был неизвестен и поэтому заслуживает представления как открытие на заседании Эдинбургского Королевского общества. Четырнадцатилетний мальчик в черной курточке стал автором научной статьи в «Трудах Эдинбургского Королевского общества». Особое удивление вызвало утверждение специалистов, что метод Джеймса оказался более простым, чем предложенный в свое время Декартом метод построения многогранных фигур.
Бесспорно, этот эпизод сыграл немалую роль в развитии таланта Максвелла, проявившегося позднее в оригинальном физическом и математическом объяснении многих явлений. Неслучайно научная статья Джеймса открывала первое двухтомное собрание его научных трудов.
В формировании мощи интеллекта Максвелла, его все более возрастающей веры в неограниченные возможности познания неизвестных явлений природы посредством математических расчетов исключительную роль сыграла захватывающая история открытия планеты Нептун в 1846 г. Налицо было убедительное доказательство силы закона тяготения Ньютона и его теории движения планет.
В 1821 г. молодой английский астроном Дж. Адамс заинтересовался публикациями таблиц о движении планеты Уран, которые указывали на влияние на это движение неизвестного небесного тела, по-видимому, планеты. В результате многолетних вычислений звездных координат предполагаемого нахождения планеты он установил область космического пространства, в котором можно обнаружить эту планету с помощью мощного телескопа. Будучи патриотом своей страны, Адамс хотел, чтобы открытие загадочной планеты непременно было сделано английским астрономом, и чтобы она носила английское название и была «присоединена» к английской короне. Зафиксировав свои вычисления в специальном меморандуме в 1841 г., Адамс решил обратиться за помощью к главному королевскому астроному и только в 1845 г. передал свои материалы а Гринвичскую обсерваторию для сведения других английских астрономов, не знавших о его работе.
Но как часто бывает в истории величайших открытий, независимо от Адамса, но позднее его, в июле 1846 г., французский астроном У. Леверрье, произведя аналогичные вычисления, незамедлительно известил об этом астрономов других стран. Через два месяца немецкий астроном И. Галле обнаружил в указанном Леверрье участке неба ранее неизвестную планету.
Английская общественность была возмущена беспомощностью и легкомыслием Адамса и Королевского астронома, вовремя не сообщивших о выдающемся открытии. Между англичанами и французами возник спор о приоритете, и новой планете пришлось дать «нейтральное» название Нептун.
«Достойный муж» в науке
В 1847 г. Максвелл поступил в Эдинбургский университет, где преподавали первоклассные педагоги и известные ученые – физики, математики, философы. Они сразу обратили внимание на широко образованного способного студента, привлекли его к научным исследованиям. Он пишет содержательные трактаты и составляет задачи, в которых физические и математические понятия обретали ощутимую реальность, помогали глубже понять явления природы. Во время летних каникул Джеймс устроил на мансарде дома лабораторию и занимался интересными оптико-механическими экспериментами. В 1850 г. девятнадцатилетний студент выступил с докладом на заседании Эдинбургского Королевского общества, в котором дал оригинальные решения 14 задач из области сопротивления материалов. По заключению профессоров перед ними выступил уже не мальчик в науке, а «достойный муж».
За годы обучения в университете Джеймс прочел и законспектировал десятки фундаментальных трудов выдающихся мыслителей и ученых, от Лукреция, Цицерона и Геродота до «Оптики» и «Исчисления бесконечно малых» Ньютона, «Аналитической теории тепла» Фурье, «Дифференциального исчисления» Коши, «Геометрии» Монжа, сочинения Канта, Бернулли и многих других.
Весь этот бесценный клад знаний необычайно обогащает его, вызывает потребность в осмыслении сложных процессов и явлений. Джеймс утверждает, что только при изучении первоисточников «…можно усмотреть момент зарождения идеи и процесс ее развития». Он неуклонно придерживается этого в течение всей жизни.
Можно только поражаться необычным способностям и природной одаренности Джеймса, который, еще не достигнув 20-летнего возраста, не только сумел овладеть поистине гигантскими знаниями, но и осмыслить их настолько, что свободно обсуждал многие научные проблемы со своими профессорами и коллегами. Всем, кто его знал, стало очевидно, что Джеймс проявляет бесспорно гениальные способности. Его идеи и исследования в различных областях естествознания открывают ему дорогу в Кембриджский университет, в Тринити-колледж, прославленный на весь мир своими воспитанниками, прежде всего И. Ньютоном (1642–1727) и Ф. Бэконом (1561–1626).
В 1850 г. сбылась мечта Джеймса и его отца – Джеймс поступил в Кембриджский университет.