CC BY
146
УДК 537.8(09)+929 Максвелл
ДЖЕЙМС КЛЕРК МАКСВЕЛЛ: ДВЕ ЗНАМЕНАТЕЛЬНЫЕ ДАТЫ
О. И. Гуслякова, Ю. И. Левин
Саратовский государственный университет
Рассмотрены события, в которых ключевую роль сыграл великий шотландец Дж.К. Максвелл и значение которых в развитии мировой культуры невозможно переоценить. В 2014 году исполнилось 150 лет выходу в свет его итоговой работы по теории электромагнитного поля и 140 лет созданию под его руководством Кавендишской лаборатории, ставшей мировым научным центром. Обсуждаются спорные даты, связанные с этими событиями.
Ключевые слова: Джеймс Клерк Максвелл, электромагнитное поле, уравнения Максвелла, Кавендишская лаборатория, Кембридж, лауреаты Нобелевской премии.
Мы всегда чувствуем себя увереннее, когда имеем дело с физикой...
Наука захватывает нас только тогда, когда заинтересовавшись жизнью великих исследователей, мы начинаем следить за историей развития их открытий.
Дж.К. Максвелл
В 2014 году мы отмечаем две знаменательные даты, связанные с именем великого шотландца - Джеймса Клерка Максвелла. В ряде публикаций о событиях, о которых пойдет речь, называются разные даты. Разночтение в датах возникло не только из-за небрежности изложения фактов (особенно в Интернете), но и из-за не всегда четкой формулировки «точки отсчета».
Уравнения Максвелла, или аксиомы электродинамики
150 лет тому назад, в 1864 году Максвелл доложил Лондонскому королевскому обществу свою работу «Динамическая теория электромагнитного поля» [1], которая завершала цикл его работ по классической электродинамике: первая работа «О фа-радеевских силовых линиях», вторая - «О физических силовых линиях» [2]. Позже Максвелл изложил полученные результаты в двухтомном труде «Трактат об электричестве и магнетизме», первое издание которого вышло в 1873 году. Отличительной
особенностью этой работы, вероятно, явилось то, что в ней Максвелл практически отказался от изложения механических моделей электромагнитного поля. Тем не менее, основным итогом исследований электрических и магнитных явлений, начатых Максвеллом в 1854 году, явилась работа «Динамическая теория электромагнитного поля». В этой работе он вводит понятие электромагнитного поля (у Фарадея -электрическое поле), отмечает, что рассматривает электромагнитные явления, «пытаясь их объяснить свойствами поля, окружающего наэлектризованные или намагниченные тела». И далее пишет: «Та теория, которую я предлагаю, может быть названа теорией электромагнитного поля, потому что она имеет дело с пространством, окружающим электрические и магнитные тела, и она может быть названа также динамической теорией, поскольку она допускает, что в этом пространстве имеется материя, находящаяся в движении, посредством которой и производятся наблюдаемые электромагнитные явления... Таким путем мы пришли к определенным уравнениям, выражающим определенные свойства электромагнитного поля».
В 1864 году Максвелл доложил работу, а опубликована она была через несколько месяцев в «Трудах» Лондонского королевского общества в 1865 году. Однако в статье отмечается, что работа была устно доложена 8 декабря 1864 года. Первая работа «О фарадеевских силовых линиях», выполненная Максвеллом, когда он был ещё студентом Кембриджского университета, также была первоначально устно доложена им Кембриджскому философскому обществу на двух заседаниях: I часть - в конце 1855 года, II часть - в 1856 году. В те времена, вероятно, доклад имел значительно больший вес, чем в наше время.
Фундаментальная работа Максвелла «Динамическая теория электромагнитного поля» (как и две предыдущие) «первоначально не привлекла к себе внимание. Между тем появление этой статьи мы должны считать не менее выдающимся событием в истории мировой культуры, чем выход в свет в 1687 году "Математических начал натуральной философии" Ньютона» [3]. В статье [4] Макс Планк, говоря о Максвелле, отмечает, что «в учении об электричестве его гений предстает перед нами в своём полном величии. Именно в этой области... на долю Максвелла выпал такой успех, который мы должны причислить к наиболее удивительным деяниям человеческого духа... Максвелл в своей смелой фантазии и математической проницательности пошел дальше Фарадея». У Р.Э. Пайерса есть такая фраза: «Если вы разбудите физика среди ночи и скажите "Максвелл" он, наверное, отзовется: "электромагнитное поле"» [5].
В максвелловские времена были хорошо известны законы взаимодействия зарядов, постоянных токов и магнитов, которые были записаны в интегральной форме и отражали в той или иной степени идеологию «дальнодействия». Максвелл, обобщив известные факты, придал им форму дифференциальных уравнений - появилась непрерывность, появилось «близкодействие». Запись уравнений в такой форме привело к безвозвратному исчезновению «мгновенного действия» [1].
Если ограничится только этим обобщением, то уравнения получаются несовместными. В курсе общей физики, рассматривая вопросы электродинамики, обычно решают эту проблему следующим образом (ниже мы записываем уравнения не в тех обозначениях, которые использовал Максвелл в своей знаменитой статье, а в тех, которые используются в настоящее время - сути это не меняет). Проблема содержится в уравнении для магнитного поля, возбуждаемого током,
[ъв] = -С.
£оС2
Если «взять» от этого уравнения дивергенцию, то слева получаем ноль, так как дивергенция от ротора тождественно равна нулю. Следовательно, дивергенция от вектора плотности тока тоже равна нулю
V[VB] = 0, Vj = 0.
Это противоречит фундаментальному закону сохранения заряда (любой поток заряда через замкнутую поверхность равен изменению заряда внутри этой поверхности)
др
Vf = —-. J dt
Чтобы устранить противоречие в уравнениях, следует ввести в уравнение дополнительное слагаемое, которое Максвелл назвал «током смещения»,
Г^Л 1 1 дЕ
[VB] = 701*f + ? m'
С введением дополнительного слагаемого (тока смещения) получаем
v (j+7o дЕ )=o
и закон сохранения заряда выполняется с учетом VE = peo.
Максвелл пришел к необходимости введения дополнительного слагаемого, тока смещения, с других позиций. Если «наложить электрическое поле на конденсатор, в котором промежуточная среда имеет очень большую диэлектрическую постоянную, то большая часть электрической индукции фактически будет затрачена на разделение зарядов в диэлектрике от одной стороны к другой. Вполне естественно ожидать, что движение этих зарядов будет сопровождаться током - током смещения» [5]. Важным обстоятельством явилось то, что Максвелл ввел ток смещения не только для диэлектрика, но и для вакуума, который воспринимался как особая физическая среда - эфир. «Введенное Максвеллом представление о поляризации вакуума долго служило препятствием к одобрению уравнений Максвелла в научных кругах» [3]. Идея тока смещения - центральная идея теории электромагнитного поля. Анри Пуанкаре с изумлением отмечал: «Все опыты того времени, казалось, противоречили этому, так как токи наблюдались исключительно в проводниках. Как мог Максвелл примирить свою смелую гипотезу с фактом так прочно установленным?». Ответ может быть таким: Максвелл органически был неспособен думать о физике неверно [6].
В статье [5] Р.Э. Пайерс пишет: «Максвелл нигде не рассматривает вопроса, являются ли все дифференциальные уравнения, которые он окончательно написал, совместными друг с другом. Однако я ни минуты не сомневаюсь, что он был убежден в совместности этих уравнений. И действительно, он написал много решений, и если... он выписал бы уравнения с другим членом (так что уравнения не были бы совместными), я уверен, что он не был бы удовлетворен и продолжал бы работу, пока не нашел бы надлежащим образом действующую схему. Таким образом, хотя я и не могу доказать этого, я вполне убежден, что та аргументация, которую мы обычно применяем сегодня, составляла фактически, явно или не явно, часть его рассуждений».
В работах по электромагнитному полю (указанных в начале настоящей статьи) Максвелл широко использует различные механические модели, которые должны, по
его замыслу, сделать более доступными математические формулировки. В работе «Динамическая теория электромагнитного поля» Максвелл пишет: «...применяя такие термины, как "электрическое количество движения" и "электрическая упругость" в отношении известных явлений индукции токов и поляризации диэлектриков, я хочу просто направить внимание читателя на механические явления, которые помогут ему в понимании электрических явлений. Все подобные фразы в настоящей статье должны пониматься как иллюстративные, а не объясняющие». Попытки Максвелла в этом направлении оказались тщетными, и только затрудняли понимание теории. Максвелл не смог отказаться от идеи эфира. В то время, особенно после крушения корпускулярной теории света, было трудно это сделать - существование эфира воспринималось как нечто естественное и несомненное. Для иллюстрации живучести идеи эфира можно указать на следующие два факта. Профессор Московского университета Н.А. Умов опубликовал в 1902 году «Курс физики», в котором пишет: «Еще сравнительно недавно тонкая невесомая материя, проникающая тела и наполняющая все пространство, называемая эфиром, считалась местом исключительно одних световых явлений. В настоящее время мы рассматриваем свет только как частный случай явлений, возможных в эфире». В 1901-1902 годах Г.А. Лоренц прочитал в Лейденском университете курс лекций «Теория и модели эфира» (на русском языке эти лекции издаются в 1936 году [7]).
Рассуждения о введении тока смещения и совместности уравнений нельзя отнести к доказательству уравнений Максвелла. Они являются просто неким аргументом, объясняющим структуру уравнений. «Нет сомнений, - пишет Пайерс, - что можно было бы изменить уравнения другими способами, чтобы сделать их непротиворечивыми» [5]. Тем не менее, дополнительное слагаемое вводится в уравнении в той форме, которую предложил Максвелл. Уравнения Максвелла - это аксиомы электродинамики. Зоммерфельд, рассматривая аксиоматику уравнений электродинамики, отмечает: «Аксиомы электродинамики, так же как и ньютоновские аксиомы механики, основываются на опыте, точнее говоря, на обобщении всего комплекса опытных фактов в упрощенной идеализированной форме» [8].
При введении тока смещения и формулировке уравнений электродинамики Максвелл, по-видимому, прежде всего, руководствовался физическими соображениями. Подтверждением целесообразности и эффективности такого подхода, в какой-то мере, являются слова Р. Фейнмана: «Математики часто говорят: "Послушайте, эти дифференциальные уравнения - уравнения Максвелла - ведь это все, что есть в электродинамике; ведь сами физики признают, что нет ничего, чего бы не содержалось в этих уравнениях. Уравнения эти сложны; ладно, но это всего лишь математические уравнения, и если я разберусь в них математически, я разберусь и в физике". Но ничего из этого не выходит. Математики, которые подходят к физике с этой точки зрения (а таких очень много), обычно не делают большого вклада в физику, да, кстати, и в математику. Их постигает неудача оттого, что настоящие физические ситуации реального мира так запутаны, что нужно обладать гораздо более широким пониманием уравнений» [9].
«Для Максвелла математика никогда не была самоцелью, и не наслаждения он искал в математических тонкостях, а орудие познания» [6].
Кавендишская лаборатория
Вторая знаменательная дата, связанная с именем Джеймса Клерка Максвелла, - 140 лет основанию знаменитой Кавендишской лаборатории, явлению уникальному, возникшему в небольшом городке Кембридже, примерно, в двухстах километ-
рах от Лондона. В разное время в этой Лаборатории работали 29 лауреатов Нобелевской премии. Для оценки научной атмосферы в этом городке можно обратить внимание на то, что из стен Кембриджского университета, основанного в 1209 году, вышло более 80 лауреатов Нобелевской премии. Кавендишская лаборатория имеет уникальную историю открытий и созданий новых направлений в науке [10]: открытие электрона (1897); создание теории радиоактивности и планетарной модели атома; осуществление искусственной радиоактивности (1919); открытие нейтрона (1932); построение модели ДНК (1953); создание камеры Вильсона (1912), масс-спектрографа (1913) и линейного ускорителя (1932); осуществление значительных научных достижений в области кристаллографии, рентгеноструктурного анализа, молекулярной биологии, радиоастрономии и т.д.
В литературных источниках есть расхождение в дате создания Лаборатории. В одних источниках говорится, что Кавендишская лаборатория создана в 1871 году, в других - в 1874 году. Разобраться в датах в данном случае несложно.
В 1871 году в Кембриджском университете была учреждена кафедра экспериментальной физики. Само по себе явление незаурядное. В то время теоретическую физику относили к математике, а «остальную физику» относили к натуральной философии (до Кембриджа Максвелл возглавлял в ряде университетов кафедры натуральной философии). Наряду с кафедрой предусматривалось создание физической лаборатории. Первоначально возглавить кафедру предложили Вильяму Томсону (будущему лорду Кельвину), но он отказался, уже имея кафедру в Глазго. Отказался и Генри Гельмгольц. Тогда учрежденную кафедру предложили Максвеллу, кандидатуру которого поддержали Стокс, Рэлей и другие ученые. После некоторых колебаний Максвелл согласился возглавить кафедру и Лабораторию, которой практически ещё не было. Она только начинала строиться и лишь в последствии была названа Каве-дишской.
Формальное назначение Максвелла состоялось 8 марта 1871 года, а в октябре он прочитал вступительную лекцию о функциях экспериментальной работы в университетском образовании, в которой говорил: «Кембриджский университет... с большей или меньшей быстротой приспосабливается к требованиям времени и недавно ввел курс экспериментальной физики. Курс этот, требуя поддержания способностей к пониманию и анализу, ... требует также упражнения наших чувств в наблюдении и наших рук в общении с приборами. Привычные принадлежности - перо, чернила и бумага - не будут уже достаточны, и нам потребуется большее пространство, чем пространство кафедры, и большая площадь, чем поверхность доски... мы должны начать в лекционном зале с курса лекций в какой-нибудь отрасли физики, пользуясь опытами как иллюстрацией, и закончить в лаборатории рядом исследовательских опытов» [6]. То есть Лаборатория с самого начала мыслилась как исследовательская, научная.
При создании и оборудовании Лаборатории Максвелл проявил незаурядные организаторские способности. Строительство Лаборатории происходит при его активном участии. Максвелл вникает во все детали, стремясь все предусмотреть, сделать Лабораторию приспособленной и для лекционных демонстраций, и для научной деятельности. Ему удалось создать учебно-научную Лабораторию, в которой обучение студентов и глубокие научные исследования составляли единое целое, которая со временем стала крупным мировым центром физической науки. Трудно переоценить значение деятельности Максвелла по созданию этой Лаборатории. Можно с уверенностью сказать, что Лаборатория стала практическим наследием, оставленным Максвеллом потомкам [6, 10, 11].
Профессор Дж.Дж. Томсон (сидит в центре первого ряда) и его ученики: Дж.С.Таунсенд и Э.Резерфорд (сидят справа от Томсона) и Ч.Т.Р. Вильсон (стоит второй слева)
Рабочее место Э.Резерфорда
Фрэнсис Астон в лаборатории
Автоматическая конденсационная Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон
камера Патрика Блэкетта
Центр экспериментальной астрофизики
Становление Лаборатории не проходило «в радужных тонах». Встречался своеобразный саботаж: наставники студентов старших курсов отговаривали их идти в Лабораторию [7]. Максвеллу приходилось заниматься не только организацией Лаборатории, но и круто менять всю кембриджскую систему образования. Его ученик Артур Шустер вспоминал [6], что Максвелл был очень взволнован, когда ему удалось показать в вырезанной и отшлифованной им пластине двоякопреломляющего кристалла коническую рефракцию. Опыт был довольно сложным. Обрадованный Максвелл, встретив математика Тодгёнтера, спросил его: «Хотите видеть коническую рефракцию?». Ответ был таков: «Нет, я её преподавал всю свою жизнь и вовсе не хочу, чтобы все мои представления перевернулись, когда я её увижу». Тодгёнтер был образованным человеком и талантливым математиком, но это не помешало ему неприязненно отнестись к эксперименту; он считал, что достаточно, чтобы студент просто безоговорочно верил своему преподавателю.
Официальное открытие Кавендишской лаборатории состоялось 16 июня 1874 года. На торжество прибыли именитые гости, среди которых Стокс, Адамс, Левер-рье и многие другие. Лорд-канцлер, ректор Кембриджского университета, герцог Девонширский Вильям Кавендиш совершил официальный акт дарения Лаборатории университету. Очевидцем этого события был молодой русский физик профессор Московского университета Александр Григорьевич Столетов. Вот как он описывает в газете «Московские ведомости» (от 21 июня 1874 года) это событие: «Сегодня великий день в классическом Кембридже. Люди, кебы, колокола - всё в необычном движении. Праздновалось открытие одного из учреждений, ещё редких в Европе, но размножающихся с каждым годом... Едва ли не самая роскошная и комфортабельная Лаборатория, вверенная одному из первоклассных физиков нашего времени, профессору Джеймсу Клерку Максвеллу, без сомнения будет играть видную роль и в истории физики, и в истории английских университетов». Александр Григорьевич не ошибся! Далее Столетов даёт подробное описание Лаборатории. Первый этаж: комната для измерения длины, времени, массы, некоторых измерений электричества, магнетизма и теплоты; магнитная комната, на значительное расстояние от которой удалены железо и сталь; комната для весов; комната, предназначенная для теплоты; обширная кладовая; мастерская; комната для большой гальванической батареи. Второй этаж: большая аудитория; комната для приготовления лекционных демонстраций; огромная рабочая комната; комната профессора; комната для обеспечения неподвижности, столь необходимой для многих чувствительных приборов, где столы покоятся не на полу, а на особых балках, укрепленных в капитальных стенах здания. Верхний этаж: комнаты для акустики, лучистой теплоты, оптики и электричества; особая зала для вычислений; комната для фотографических работ и т.д. Здание отапливается горячей водой с помощью системы чугунных (а в магнитном отделении - медных) труб. Все комнаты обильно и удобно снабжены водой и газом.
Открытая 140 лет тому назад Лаборатория стала называться Кавендишской. Кто из Кавендишей, история рода которых восходит к эпохе норманнов, дал имя Лаборатории? Претендентов два. Первый претендент - Генри Кавендиш (1731-1810), гениальный ученый, затворник и оригинал, большую часть неопубликованных трудов которого издал Дж. Максвелл в 1879 году спустя 5 лет после открытия Лаборатории. Второй претендент - Вильям Кавендиш, лорд-канцлер Кембриджского университета, Седьмой герцог Девонширский, внучатый племянник первого кандидата. Он был большим меценатом, инициировал создание Лаборатории и пожертвовал на ее строительство 6300 фунтов.
В ряде изданий, в том числе достаточно солидных, утверждается, что Лаборатория названа в честь замечательного ученого XVIII века Генри Кавендиша, опубликовавшего при жизни работы в основном в области химии. Прямых подтверждений этому не обнаружено. Создается впечатление, что это утверждение основано, прежде всего, на нашем желании главенствования науки над кошельком с деньгами.
В других источниках, не менее авторитетных, говорится о том, что Лаборатория названа в честь Вильяма Кавендиша герцога Девонширского. Можно назвать три косвенных подтверждения этого. Во-первых, на официальном сайте Кавендиш-ской лаборатории [10] читаем: «Кавендишская лаборатории имеет экстраординарную историю открытий и инноваций в физике, начиная с момента открытия в 1874 году под руководством Джеймса Клерка Максвелла... Необходимость в практическом обучении ученых и инженеров выразилась в успехе Великой Выставки в 1851 году и требованиях индустриального общества. Введение естественно-научного экзамена (англ. Natural Sciences Tripos - экзамен для получения отличия - прим. Авт.) в 1851 году вскрыло необходимость строительства лаборатории, посвященной экспериментальной физике, и это было сделано благодаря щедрости канцлера университета Вильяма Кавендиша, Седьмого Герцога Девонширского». Ни слова о Генри Кавендише. Во-вторых, на старом здании лаборатории весит доска, на которой написано: «Кавендишская лаборатория 1874-1974 основана герцогом Девонширским...» [12]. И опять ни слова о Генри Кавендише. Можно обратить внимание еще на одно косвенное обстоятельство, если учесть традиции консервативной (во все времена) Англии. Для сотрудника Кавендишской лаборатории, ученика и коллеги Эрнеста Резерфорда, Петра Леонидовича Капицы, проводившего опыты с сильными магнитными полями на громоздком оборудовании, было построено новое здание, создана специальная лаборатория, получившая название Мондовской. Это название связано с именем крупного предпринимателя Людвига Монда, предоставившего средства для строительства лаборатории. Кто дает деньги, тот дает и имя. Только в 1970-е годы лаборатории, входящие в состав Кавендишской лаборатории, стали называть именами ученых: лаборатория Брэгга, лаборатория Мотта.
На фронтальной поверхности здания Мондовской лаборатории изображен раскрывший пасть, но совсем не страшный крокодил. Появление изображения крокодила связано с красивой легендой и является, в какой-то мере, свидетельством неформальной, дружественной обстановки в Кавендишской лаборатории, свойственной ей во все времена. Капица назвал крокодилом своего учителя Резерфорда, к которому относился с большой любовью. В первые годы своего пребывания в Кембридже (начало 1920-х годов) в одном из писем к матери Петр Леонидович шутливо писал о своих подозрениях, что в припадке гнева Резерфорд (как крокодил) может откусить ему голову. Кличка приклеилась к мэтру - так его стали называть сотрудники Лаборатории за глаза и в глаза.
В Англии есть сказка о мальчике Питере Пене и его друзьях, за которыми на неком острове охотятся пираты и кровожадный крокодил. Питер Пен отрубает руку пирату и ее проглатывает крокодил. Но на беду крокодила на отрубленной руке были часы и теперь, тикая в его брюхе, они всех предупреждают о его приближении. Причем здесь Резерфорд? Тяжелые шаги и очень громкий голос предшествовали появлению Резерфорда в комнатах Лаборатории; он никогда не появлялся внезапно [13].
Создатель и первый директор Каведишской лаборатории Джеймс Клерк Максвелл родился 13 июня 1831 года в Эдинбурге, а через 48 лет 5 ноября 1879 года его не
стало. Он похоронен не в Вестминстерском аббатстве - усыпальнице великих людей Англии, где покоится прах Ньютона, а на скромном сельском кладбище, недалеко от родового поместья. В 1931 году широко отмечалось 100-летие со дня рождения великого ученого. 30 сентября в Вестминстерском аббатстве, недалеко от надгробия Ньютона, были открыты мемориальные доски Фарадея и Максвелла. В связи с этим событием Макс Планк в статье [4] писал: «По рождению он принадлежит Эдинбургу, как личность он принадлежит Кембриджу, а труды его - достояние всего мира».
После смерти Максвелла директором Каведишской лаборатории стал Джон Уильям Стретт, который после смерти отца в 1871 году стал лордом Рэлеем. Рэлей был типичным представителем ученых, которые в те времена предпочитали работать в «домашних» условиях. В 1868 году он создал научную лабораторию в своей родовой усадьбе в Терлинг-Плейс. В 1879 году Рэлей неохотно принял предложение стать профессором экспериментальной физики и директором Кавендишской лаборатории и пробыл на этом посту 5 лет. В Кембридже он начал вместе со студентами осуществлять программу точного определения электрических единиц и «природных постоянных, которые нельзя найти при помощи чистых рассуждений» [13]. Программа выполнялась с присущими ему тщательностью и терпением, с использованием тонких инструментов, и многие ее результаты, полученные к 1884 году, в дальнейшем почти не требовали исправлений. Он также ввел для студентов лабораторную работу по физике, что было совершенно новым видом обучения для Англии того времени. Закон рассеяния света (закон Рэлея), ряд статей по акустике и оптике, фундаментальный анализ свойств спектроскопов, публикация классической двухтомной монографии «Теория звука», которая до сих пор остается востребованной, серия измерений плотности газов и открытие аргона и многое другое - все это было получено и открыто в «домашней» лаборатории. Тем не менее, Рэлей был первым из работавших в Кавендишской лаборатории, удостоенных Нобелевской премии (1904).
Во времена Максвелла и Рэлея Кавендишская лаборатория еще не стала в полной мере мировым научным центром. Тем не менее, «уже в свои ранние годы Кавендишская лаборатория выдвинулась вперед по сравнению с другими физическими лабораториями. Этим она была обязана не столько направлению работ, сколько своим первым двум профессорам - Максвеллу и Рэлею» [13]. Лаборатория стала ведущим научным центром в мире при Джозефе Джоне Томсоне и Эрнесте Резерфорде.
В 1884 году, когда Рэлей ушел в отставку, пост директора Кавендишской лаборатории занял Джозеф Джон Томсон. Ему было тогда всего двадцать семь лет и за ним еще не числились сколь-нибудь заметные успехи в экспериментальной физике. Поэтому его назначение не обошлось «без ворчания некоторых по поводу того, что какие-то мальчишки назначаются профессорами» [13]. Но Кавендишской лаборатории всегда везло на руководителей.
Дж.Дж. Томсон главным направлением исследований выбрал изучение электрической проводимости газов и добился огромных успехов на этом пути. Наиболее значимый результат - открытие электрона (см. библиографию в статье [14]). Том-сон фактически начал революцию в физике, которая привела к созданию квантовой механики. В 1906 году Томсон получил Нобелевскую премию по физике как «признание его выдающихся заслуг в области теоретических и экспериментальных исследований проводимости электричества в газах» [15].
Томсон оказал влияние на физику не только результатами своих блестящих экспериментальных исследований, но и как превосходный преподаватель и прекрасный руководитель Кавендишской лаборатории. Сотни наиболее талантливых моло-
дых физиков со всего мира выбирали местом обучения Кембридж. Из тех, кто работал в Кавендише под руководством Томсона, семеро стали в свое время лауреатами Нобелевской премии [15]. Учениками Томсона были будущие директора Кавендишской лаборатории: Эрнест Резерфорд и Лоренс Брэгг. А родители ещё одного будущего директора лаборатории познакомились, работая у Томсона.
В 1919 году Дж.Дж. Томсона сменил его ученик Э. Резерфорд, к этому времени уже известный ученый. Работы по атомной физике, выполненные им в Мак-Галльском университете (Монреаль) и университете Виктории (Манчестер), принесли ему мировую славу. В 1908 году он становится лауреатом Нобелевской премии. В 1912 году начинается плодотворное сотрудничество с датским физиком Нильсом Бором. «В Манчестере впервые "родился" атом и впервые там же был расщеплен, однако для всего мира... физику того периода символизирует Кавендиш» [13]. А. Пиппард назвал это «эмоциональной властью, которую Кембридж имеет над своими выпускниками». Приняв пост профессора Кембриджского университета и директора Кавендишской лаборатории, Резерфорд «продолжил в последующие несколько лет вести Лабораторию к положению, доминирующему во всем мире» [13]. Учениками Резерфорда считают себя многие ученые с мировым именем, в их числе: Г. Мозли, Дж. Чедвик, Д. Кокрофт, М. Олифант, В. Гейтлер, Отто Ган, П.Л. Капица, Ю.Б. Харитон, Г.А. Гамов. В то время, когда Лабораторией руководил Резерфорд, Фрэнсис Астон открыл изотопы химических элементов, Патрик Блэкетт получил снимок вынужденного взаимодействия ядер, Джеймс Чедвиг открыл нейтрон, и этот список можно долго продолжать. Период, когда Томсон и Резерфорд руководили Кавендишской лабораторией, Пип-пард определил как «золотой век веревки и сургуча». Технология эксперимента не требовала сложной и громоздкой аппаратуры. Это было время, «когда эксперименты ставились быстро, дешево, а главное, в одиночку» [13].
В 1938 году Кавендишскую лабораторию возглавил Лоренс Брэгг. Работа, проделанная Брэггом вместе с отцом Уильмом Брэггом, заложила основы современной рентгеновской кристаллографии. Анализ рентгеновских дифракционных картин стал мощным инструментом для минералогов, металлургов и других исследователей, имеющих дело с атомной структурой материалов. В 1915 году Лоренс Брэгг вместе со своим отцом был награжден Нобелевской премией «за заслуги в исследовании структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей» [15]. Брэгг-сын становится самым молодым лауреатом Нобелевской премии. После смерти Резерфорда состав Лаборатории увеличивается почти в три раза, существенно расширяется тематика научных исследований. Брэгг делит Лабораторию на исследовательские группы от 1 до 6-12 человек. Он активно поддерживает группу Фрэнсиса Крика и Джеймса Уотсона по исследованию сложных молекул, которые, в конечном итоге, приводят к открытию биспиральной структуры молекулы ДНК (Нобелевская премия совместно с сотрудником Лондонского королевского колледжа М. Уилкинсом по физиологии и медицине за 1962 год [15]). В это же время в Кавендишской лаборатории Макс Перутц проводит исследования структуры гемоглобина, которые приносят ему Нобелевскую премию по химии за 1962 год. К началу 1950-х годов, когда подходили к концу полномочия Брэгга, «физика низких температур, кристаллография (особенно та ее область, которая стала молекулярной биологией) и радиоастрономия соперничали с ядерной физикой и физикой элементарных частиц настолько, чтобы притягивать к себе самых лучших студентов» [13].
Приемником Брэгга в 1954 году стал Невилл Мотт. «Под его руководством было проведено множество инновационных исследований в области, известной сейчас как
физика конденсированного состояния, включая его собственную работу над некристаллическими полупроводниками» [10]. В 1977 году Мотт совместно с Филипом Андерсоном и Джоном Ван Флеком получил Нобелевскую премию «за фундаментальные теоретические исследования электронной стуктуры магнитных и неупорядоченных систем» [15]. Вероятно, в истории Кавендишской лаборатории это была первая Нобелевская премия за чисто теоретические исследования. Штатный состав продолжал расти, устанавливалось современное оборудование, и Лаборатория уже не могла помещаться в старых стенах, овеянных славой Максвелла, Рэлея, Томсона, Резерфор-да, Брэгга. Возникла необходимость размещения Лаборатории в более просторном помещении, оборудованном в соответствии с современными потребностями. Мотт стал последним руководителем Кавендишской лаборатории, который работал в старом здании. Переезд в новое здание был завершен в 1974 году под руководством Брайана Пиппарда, заменившего Мотта на посту руководителя Кавендишской лаборатории в 1971 году. Начался новый этап в жизни Кавендишеской лаборатории, традиционная роль которой, по словам Пиппарда, - быть на передовой.
Может быть, успех Джеймса Клерка Максвелла в создании фундаментальной теории электромагнитного поля и уникальной Кавендишской лаборатории в том, что для него «физика - это нечто намного большее, чем набор законов, применение которых дело элементарного навыка. Физика - прежде всего, живое творение рук и мозга, которое передается более примером, чем зубрежкой. Она воплощает искусство решать проблемы материального мира. И поэтому физике надо учиться, но учиться как искусству» [13].
Библиографический список
1. Maxwell James Clerk. A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field// Royal Society Transactions. 1865. Vol. CLV. P. 459. The paper was orally read Dec. 8, 1864.
2. Максвелл Дж.К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. М., 1954
3. Дорфман Я.Г. Всемирная история физики. М.: Изд-во «Наука», 1979.
4. Планк М. Джеймс Клерк Максвелл и его значение для теоретической физики в Германии// Сб. Джеймс Клерк Максвелл: Статьи речи. М.: Изд-во «Наука», 1968.
5. Пайерлс Р.Э. Теория поля со времени Максвелла// Джеймс Клерк Максвелл: Статьи речи. М.: Изд-во «Наука», 1968.
6. Кляус Е.М.Джеймс Клерк Максвелл// Джеймс Клерк Максвелл: Статьи речи. М.: Изд-во «Наука», 1968.
7. http://www.nplit.ru/books/item/f00/s00/z0000004/st037.shtml
8. Зоммерфельд А. Электродинамика. М., 1950.
9. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике: Т.5. Электричество и магнетизм. М.: Изд-во «Мир», 1966.
10. http://www.phy.cam.ac.uk/history
11. http://www.bungaloos.ru/b/kartsev-maksvell/8/
12. Зотиков И. В Кембридже я искал Кембридж. http://www.pingvins.com/articles/25/, http://www.vokrugsveta.ru
13. Pippard A.B. The Cavendish tradition//Nature. 1974. Vol. 249. P. 602. http://www.vivovoco.msk.su
14. Дмитриев Б.С., Левин Ю.И. Об открытии электрона // Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 1997. T. 5, № 5, С. 107.
15. Электронная библиотека. Наука и техника. Лауреаты Нобелевской премии. http://n-t.ru/nl/fz/
Поступила в редакцию 29.11.2014
JAMES CLERK MAXWELL: TWO REMARKABLE DATES
O. I. Guslyakova, Yu. I. Levin
Saratov State University
This article considers events in which great Scotchman J.C. Maxwell played principal role and the significance for the evolution of the world culture, which cannot be overestimated. There are two anniversaries in 2014: first, 150 years of the publication of his final work on the theory of the electromagnetic field, and second, 140 years of the organizing Cavendish Laboratory under his leadership, becoming the world centre of science. Questionable dates associated with these events are discussed.
Keyword: James Clerk Maxwell, electromagnetic field, Maxwell's equations, Cavendish Laboratory, University of Cambridge, winner of the Nobel Prize.
Гуслякова Ольга Игоревна - родилась в Улан-Удэ, Республика Бурятия (1987), окончила факультет нелинейных процессов Саратовского государственного университета (2010). В настоящее время - ассистент кафедры физики открытых систем, ответственный по учебной работе на факультете нелинейных процессов СГУ. Научные интересы: история науки, нелинейная динамика.
410012 Саратов, ул. Астраханская, 83
Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского E-mail: [email protected]
Левин Юрий Иванович - родился в Саратове (1942), окончил физический факультет Саратовского государственного университета (1965), защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук (1974). В настоящее время декан факультета нелинейных процессов СГУ, профессор, заведующий кафедрой физики открытых нелинейных систем СГУ. Автор более 100 научных статей, научно-методических пособий и руководств.
410012 Саратов, ул. Астраханская, 83
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского E-mail: [email protected]
