Кем был Джеймс Клерк Максвелл?

Пол М. Саттер — астрофизик из SUNY Stony Brook и Института Флэтайрон, ведущий программ «Спроси космонавта» и «Космическое радио» и автор книги «Как умереть в космосе».

Все являются поклонниками Альберта Эйнштейна, и не зря: он изобрел по крайней мере четыре новых раздела физики, создал совершенно новую теорию гравитации из ткани своего собственного воображения и научил нас истинной природе времени и пространства.

Но кем был поклонник Эйнштейна? Джеймс Клерк Максвелл. Кто? О, он всего лишь ученый, ответственный за объяснение сил, стоящих за радио в вашей машине, магнитов на вашем холодильнике, жары теплого летнего дня и заряда аккумулятора.

Большинство людей не знакомы с Максвеллом, шотландским ученым и эрудитом XIX века. Тем не менее, он, возможно, был величайшим ученым своего поколения и произвел революцию в физике, чего никто не ожидал.

Фактически, коллегам Максвелла потребовались годы, чтобы понять, насколько он классный и правый. В то время одним из основных направлений научного интереса были странные и загадочные свойства электричества и магнетизма. Хотя эти две силы были известны человечеству на протяжении тысячелетий, чем больше ученые изучали эти силы, тем более странными они казались.

Древние люди знали, что некоторые животные, такие как электрические угри, могут шокировать вас, если вы дотронетесь до них, и что определенные вещества, такие как янтарь, могут притягивать вещи, если вы их потрете. Они знали, что молния может вызвать возгорание. Они нашли магические камни, называемые магнитными камнями, которые могли притягивать куски металла.

И они освоили использование компаса, хотя и не понимали, как он работает. К тому времени, как Максвелл вмешался, множество экспериментов расширили масштабы странностей этих сил. Такие ученые, как Бенджамин Франклин, обнаружили, что электричество от молнии можно накапливать. Луиджи Гальвани обнаружил, что поражение живых организмов электричеством заставляет их двигаться.

Между тем французские ученые обнаружили, что электричество, движущееся по проводу, может притягивать — или отталкивать, в зависимости от направления потока — другой провод, и что наэлектризованные сферы могут притягивать или отталкивать с силой, пропорциональной квадрату их разделения.

Что самое удивительное, казалось, что между электричеством и магнетизмом существует странная связь. Электрифицированные провода могут отклонять движение компаса. Запуск потока электричества в одном проводе может стимулировать поток электричества в другом, даже если провода не были подключены. Размахивание магнитом может генерировать электричество. Все это было абсолютно захватывающе, но никто не понимал, что происходит.

Великий объединитель

Затем появился Максвелл. Он слышал обо всей этой путанице с электричеством и магнетизмом, когда работал над другой проблемой: как работает цветовое зрение. (Действительно, он изобрел цветную фотографию.) Всего за несколько лет Максвелл представил физику и математику, необходимые для объяснения всех экспериментов, связанных с электричеством и магнетизмом.

Для этого ему просто нужно было мыслить, как будущий ученый. Сегодня современная физика основана на концепции поля, сущности, которая охватывает все пространство и время и сообщает другим объектам, как двигаться. Хотя Максвелл не был первым, кто придумал такое поле, он был первым, кто заставил его работать и превратил из удобного математического трюка в реальную физическую сущность.

Например, Максвелл предполагал, что силы электричества и магнетизма переносятся и передаются посредством электрических и магнитных полей. Максвелл сказал, что электрический заряд создаст окружающее его электрическое поле. Любые другие заряды могут почувствовать это поле, и, основываясь на силе и направлении поля, он будет знать, как реагировать на силу исходного заряда.

То же самое и с магнитным полем, и Максвелл пошел еще дальше. Он понял, что электрическое и магнитное поля — это две стороны одной медали: электричество и магнетизм не были двумя отдельными, разными силами, а просто двумя выражениями одной и той же объединенной электромагнитной силы. Вы не можете думать об электричестве, не думая также о магнетизме, и наоборот.

Да будет свет

Идеи Максвелла приняли форму 20 взаимосвязанных уравнений, которые несколько лет спустя были сведены к четырем уравнениям электромагнетизма, которым учат ученых и инженеров по сей день. Его революция последовала за первым объединением физики Исаака Ньютона, в котором гравитация Земли соединилась с гравитацией небес по единому закону, а уравнения Максвелла стали известны как второе великое объединение в физике.

Понимание Максвелла было огромным — кто бы мог подумать, что электричество и магнетизм не просто связаны, а являются одним и тем же? Задача современной физики — найти единые объединяющие принципы для описания обширных областей природных явлений, и Максвелл вывел объединение на новый уровень.

Но Максвелл на этом не остановился. Он понял, что изменяющиеся электрические поля могут вызывать магнитные поля, и наоборот. Поэтому он сразу начал задаваться вопросом, может ли такая установка быть самоусиливающейся, когда изменяющееся электрическое поле будет создавать изменяющееся магнитное поле, которое затем могло бы создать изменяющееся электрическое поле и так далее.

Максвелл понял, что это будет волна — волна электромагнетизма. Он приступил к вычислению скорости этих электромагнитных волн, используя силу сил электричества и магнетизма, и выскочил… скорость света.

Введя понятие поля в анализ электричества и магнетизма, Максвелл обнаружил, что свет — во всех его формах, от инфракрасного до радиоволн и цветов радуги — на самом деле был волнами электромагнитного излучения. С помощью одного набора уравнений, одного блестящего скачка интуиции и проницательности Максвелл объединил три великие области физики: электричество, магнетизм и оптику. Неудивительно, что Эйнштейн восхищался им.