1831–1879
«Всемогущий Бог, создавший человека по Своему образу и подобию, ожививший душу его, чтобы он мог искать Тебя и господствовать над Твоим творением; научи нас познавать творения рук Твоих, чтобы мы возделывали землю для нашей пользы, укрепляли наш разум для служения Тебе и таким образом получали Твоё благословенное Слово; чтобы мы верили в Того, Кого Ты послал, чтобы нам познать спасение и прощение грехов. Всё это мы просим во имя Его же, Иисуса Христа, Господа нашего». Это – молитва одного из самых выдающихся учёных ХІХ века. Именно он заложил основы классической электродинамики (уравнения, лежащие в их основе, сегодня называют его именем), ввёл понятие электромагнитного поля, предсказал существование и свойства электромагнитных волн. Кроме того, он же первым применил в физике статистические подходы, разработал кинетическую теорию газов (установил распределение молекул газа по скоростям), заложил основы цветной фотографии. И все это – за непродолжительную жизнь длиной в 48 лет…
Джон Клерк Максвелл, отец героя нашей очередной истории, получил образование в Эдинбургском университете и был адвокатом, но большой любви к своей работе не питал. Зато каждый раз, кода ему выпадала свободная минута, он всей душой отдавался научным изысканиям и техническим опытам, а также был завсегдатаем на популярных лекциях Эдинбургского королевского общества. В 1826 г. он повстречал Фрэнсис Кей, дочь судьи Адмиралтейского суда (как-никак Джон был адвокатом), и женился на ней. А пять лет спустя, 13 июня 1831 г. в шотландском Эдинбурге, родился их сын – Джеймс Клерк Максвелл.
Фрэнсис Кей была образованной женщиной и много времени посвящала тому, чтобы дать сыну начальное образование. К сожалению, она была больна раком и умерла рано. Поэтому Максвеллу-старшему пришлось взять на себя все заботы по воспитанию будущего «отца классической электродинамики». Вместе они проводят много времени на природе, наблюдают за окружающим миром, мастерят «научные игрушки» (например, «магический диск» – предшественник современного кино, модель небесной сферы и т. п.). А ещё Джеймс увлекается поэзией и даже пробует писать собственные стихи. Позднее, будучи уже знаменитым учёным он осуществит невероятный эксперимент – попытку преподавать физику в стихах!
В 10 лет Максвелл-младший поступает в школу, гордо именуемую «Эдинбургская академия», где усиленно штудирует греческий и латынь, английский язык и римскую литературу, а также скрупулёзно исследует Священное Писание. Откровенно говоря, первые шаги в учёбе юноша делает без особого вдохновения, но затем, почувствовав успех и проникшись интересом, берётся за ум. Его оценки по математике и английскому – высшие в классе, и он становится лучшим учеником.
Особенным увлечением Джеймса стала геометрия: он вырезает из картона различные многогранники, разрабатывает способ построения эллипса и окружности с помощью булавок, нитей и карандаша, а затем, благодаря поддержке профессора Джеймса Форбса публикует результаты в «Трудах» Эдинбургского королевского общества.
Спустя 6 лет, успешно завершив учёбу в академии, Максвелл становится студентом Эдинбургского университета. Помимо посещения лекций знаменитых профессоров – Форбса, Келланда, Гамильтона, он самостоятельно изучает множество книг по философии, физике и математике, а также пытается проводить собственные исследования. Будучи студентом, он пишет статью о кривых качения, изучает механические свойства различных веществ. Юный исследователь догадался, что внутренние напряжения твёрдых тел можно изучать с помощью поляризованного излучения. Для этого он наловчился изготавливать модели тел разной формы из желатина, а затем, деформируя их, наблюдал в поляризованном свете цветные картины, по которым можно было определить кривые сжатия и напряжения. Таким образом, молодому учёному удалось решить 14 задач по теории упругости, связанных с напряжением внутри стержней, дисков, полых сфер и плоских треугольников. Сегодня результаты, полученные Максвеллом, активно используются в строительных расчётах.
В 19 лет Максвелл поступает в Кембриджский университет, где учатся несколько его шотландских друзей. Здесь он знакомится с уже известным нам Уильямом Томсоном (будущим лордом Кельвином), посещает лекции Джорджа Стокса и приобщается к «клубу апостолов» (так называли компанию, состоявшую из 12 студентов с наиболее смелыми и серьёзными идеями). Кроме того он вырабатывает привычку работать с 7 утра до 5 вечера, затем ложиться спать до половины десятого, а потом до двух–трёх часов ночи снова садился за книги.
Помимо сугубо научных изысканий, Джеймс Максвелл формирует здесь своё мировоззрение и христианские убеждения, продолжая возрастать в той вере, которую обрёл ещё в детстве, посещая пресвитерианскую и епископальную церкви. «Я считаю, – заявляет он, – что учёные, равно как и остальные люди, должны учиться у Христа. Я также считаю, что христиане, чей разум склонен к научному размышлению, обязаны изучать науки, чтобы продолжать открывать для себя славу Господню настолько, насколько способно вместить их существо».
Спустя четыре года после поступления в Кембридж Максвелл получает степень бакалавра, заняв на итоговом экзамене по математике второе место. Поскольку его привлекает перспектива стать профессором, он остаётся в университете: занимается с учениками, принимает экзамены и начинает писать книгу по оптике. Последняя увлекает его загадками теории цветов. Вслед за Исааком Ньютоном, выдвинувшим идею семи основных цветов, и Томасом Юнгом, считавшим, что основных цветов всего три, Максвелл приступает к экспериментам по смешиванию цветов. Он использует «цветовой волчок» (диск, секторы которого были окрашены в разные цвета) и «цветовой ящик» (специальное устройство для смешивания основных цветов). Эксперименты Максвелла показали, что белый цвет не может быть получен в результате смешивания синего, красного и жёлтого, как тогда полагали, а основными цветами являются красный, зелёный и синий.
Примерно в это же время пробуждается интерес учёного к электричеству и магнетизму. Первым делом он попросил Уильяма Томсона посоветовать ему книги для изучения этих явлений, а затем приступил к собственным исследованиям. Используя опыт своих предшественников, усердный шотландец предпринял попытку с помощью дифференциальных уравнений математически описать единство и взаимосвязь электрических и магнитных явлений. Позже, в свои 33 года Максвелл опубликует статью «Динамическая теория электромагнитного поля», где впервые в истории появится термин «электромагнитное поле». Там он приведёт свои уравнения (названные позже уравнениями Максвелла). В этой же статье он предскажет существование электромагнитных волн, скорость которых равняется скорости света. Таким образом, будет сформировано представление о свете как об электромагнитной волне.
В 1856 г. Максвелл занимает должность профессора натуральной философии Маришаль-колледжа в Абердине. Движимый стремлением вдохнуть новую жизнь в запущенное к тому времени преподавание естественных наук, он ищет лучшую методику обучения, стремится приучить студентов к научной работе, читает лекции с юмором, уделяет много внимания математической стороне физических процессов. Спустя два года здесь же, в Абердине, он женится на Кэтрин Мэри Дьюар, младшей дочери директора Маришаль-колледжа Дэниела Дьюара, профессора церковной истории. Из писем, написанных ими друг другу, можно узнать о ценностях, царивших в этой семье. В одном из них, датированном 23 июня 1864 г., Максвелл пишет: «Только подумай о том, что Бог уготовил тем, кто подчинится Его праведности и кто готов принять Его дар. Они уподобятся Сыну Его, и когда это свершится и Бог увидит их уподобившимися Христу, уже не будет осуждения, ибо эту награду даёт Сам Бог, Чей суд праведен».
Наряду с преподаванием, учёный исследует природу трёх колец Сатурна, открытых ещё в XVII веке Галилео Галилеем. Рассмотрев различные варианты строения колец, с помощью математического анализа Максвелл доказал, что они не могут быть ни твёрдыми, ни жидкими. Вывод, полученный им, гласил, что кольца – это множество не связанных между собой метеоритов, а их устойчивость обеспечивается их притяжением к Сатурну и взаимным движением самой планеты и метеоритов. За это исследование в 1857 г. Максвелл получил премию Адамса, а два года спустя опубликовал трактат «Об устойчивости движения колец Сатурна». Кроме астрономии, учёный занимается кинетической теорией газов, согласно которой теплота определяется движением частичек (атомов или молекул) газа. Он показал, что молекулы газа распределяются по скоростям в соответствии с кривой Гаусса (это распределение позже назовут максвелловским). С помощью функции распределения были определены: число частиц в определённом диапазоне скоростей, средняя скорость и средний квадрат скорости молекул. Таким образом, в итоговой работе 1860 г. Максвелл создал первую в истории физики статистическую модель микропроцессов, которой было суждено определить будущее развитие статистической механики.
17 мая 1861 г. на лекции «О теории трёх основных цветов» в Королевском институте Максвелл представляет слушателям первую в мире цветную фотографию, идея которой возникла у него ещё в 1855 г. Вместе с фотографом Томасом Саттоном он получил три негатива цветной ленты на стекле, покрытом фотографической эмульсией. Негативы были сняты через зелёный, красный и синий фильтры (растворы солей различных металлов). При освещении негативов через те же фильтры, можно было увидеть цветное изображение.
В 1871 г. Максвелл принял предложение возглавить недавно созданную физическую лабораторию Кембриджского университета и занять должность профессора экспериментальной физики. Лаборатория была названа в честь учёного-отшельника Генри Кавендиша, чей внучатый племянник герцог Девонширский был в то время канцлером университета и профинансировал её строительство. Джеймс руководит работой по строительству и оснащению лаборатории (на первых порах там используются его личные приборы), читает лекции по термодинамике, электричеству и магнетизму.
Несмотря на то, что Максвелл достиг успехов в науке, опередив многих талантливых коллег-современников, он оставался скромным, простым, открытым и богобоязненным человеком. Он был старейшиной церковной общины и глубоко верил, что изучать природу нужно для того, чтобы лучше познать Бога и обрести в Нем спасение. Рассуждая о служении Христу и поклонении в церкви, он говорил: «Думаю, чем больше мы совместно участвуем в труде Христа, тем больше Он трудится в нас. Ибо Ему угодно, чтобы мы всегда были едины, потому что тогда Он сможет объединиться с нами. Наше поклонение должно быть совместным, и Христос всегда будет там, где двое или трое соберутся во имя Его». За шесть лет до своей смерти Максвелл писал в письме своей любимой жене: «Я всегда с тобою духом, но есть Тот, Кто гораздо ближе к тебе и ко мне, чем мы когда-либо будем друг другу, – и только через Него и в Нём мы по-настоящему узнаем друг друга. Будем пытаться постичь великую тайну, о которой идёт речь в 5 главе Послания к Ефесянам, и тогда мы сумеем правильно относиться к окружающему миру, к тем людям, которых Христос пришёл спасти от греха».
В начале 1879 г. врачи ставят учёному неутешительный диагноз – рак брюшной полости. А в конце того же года, 5 ноября, в Кембридже Джеймс Клерк Максвелл завершил свой земной путь. Его похоронили в скромной могиле рядом с его любимой церковью в шотландской деревушке, недалеко от родового поместья.
О роли Максвелла в развитии науки замечательно сказал американский физик Ричард Фейнман: «В истории человечества (если посмотреть на неё, скажем, через десять тысяч лет) самым значительным событием ХІХ столетия, несомненно, будет открытие Максвеллом законов электродинамики. На фоне этого важного научного открытия гражданская война в Америке в том же десятилетии будет выглядеть провинциальным происшествием».
Наконец, отметим, что труды учёного так и не были по достоинству оценены его современниками. Идеи о существовании электромагнитного поля многим казались произвольными и неплодотворными. Только после того, как Генрих Герц, спустя 10 лет после смерти Максвелла, экспериментально доказал существование электромагнитных волн, предсказанных великим учёным, его теория получила всеобщее признание.