Чтение онлайн

Первое из уравнений — это закон Гаусса, который описывает поток электрического поля (количество силовых линий), пересекающего закрытую в пространстве поверхность. Если внутри такой поверхности нет никакого электрического заряда, получается, что V · E = 0. Второе уравнение — это закон Гаусса для магнитного поля, и в нем говорится, что невозможно найти северный магнитный полюс или южный полюс отдельно: они всегда встречаются парами.

Третье — это закон индукции Фарадея, утверждающий, что электрическое напряжение, индуцированное в замкнутой цепи, прямо пропорционально скорости, с которой изменяется во времени магнитный поток. Четвертое — это закон Ампера, в котором устанавливается, что стационарный электрический ток порождает статичное магнитное поле. Его Максвелл исправил, когда ввел ранее упомянутый ток смещения. В случае с вакуумом, не содержащим ни зарядов, ни электрических токов, уравнения приобретают следующий вид:

Они соответствуют электромагнитной волне, проходящей по пространству. При этом

где 0 и 0 — электрическая и магнитная проницаемость вакуума соответственно.

В данных уравнениях сведены все электромагнитные явления. Но, как это обычно происходит, когда появляется великая теория, доступность которой находится во многом за гранью понимания ученых ее времени, никто не обратил на нее особого внимания и не понял, что стоит перед настоящей научной революцией.

Максвелл имел отличную репутацию физика- экспериментатора, хотя и казался несколько эксцентричным из-за своей «странной» электромагнитной теории, которую мало кто понимал. Именно тогда ему предложили стать директором нового исследовательского центра, строящегося в Кембридже. Это была Кавендишская лаборатория, призванная стать цитаделью физических наук.

Летом 1865 года Максвелл снова находился на грани смерти из-за воспаления раны, полученной им во время верховой поездки при ударе о ветку. К счастью, благодаря заботе Кэтрин он полностью поправился. В том же году ученый отказался от должности профессора в Кингс-колледже, покинул Лондон и вернулся в родную Шотландию.

Следующие шесть лет Максвелл прожил в Гленлэре, работая над своей теорией электричества и иногда посещая Лондон и Кембридж. Одновременно он занимался местными делами: например, поддерживал на собственные деньги школу в соседней деревне, которую местный школьный совет хотел закрыть. Он также исполнил желание отца и достроил усадьбу: 

«[Мой отец] хотел построить дом подобающим образом, потому что, как он думал, тот понадобится ему в качестве дома местного судьи, но к тому моменту, когда пришла его смерть, он построил только его небольшую часть. Мы достраиваем его по возможности, всегда в соответствии с его идеями». 

В описываемый период Максвелл опубликовал книгу «Теория тепла», 16 научных статей и начал готовить свой знаменитый «Трактат об электричестве и магнетизме». Литература являлась одним из его увлечений, и он вслух читал жене Чосера, Мильтона и Шекспира, а также большое количество теологических и философских трактатов.

Летом 1867 года Максвеллы собрались в длинное путешествие по Италии. Оно началось не так, как предполагалось: по прибытии в Марсель их корабль поставили на карантин, и Джеймс направил свои силы на помощь другим пассажирам. Уже во Флоренции супруги встретились со своим другом Льюисом Кэмпбеллом, который был любителем итальянской музыки и архитектуры. Джеймс не разделял его интересов, зато достаточно хорошо выучил итальянский для того, чтобы обсуждать научные вопросы с коллегой из Пизы.

Жизнь ученого проходила в основном в Гленлэре, но не ограничивалась им. Максвеллы обычно посещали встречи, которые Британская ассоциация содействия развитию науки организовывала в различных местах страны. Кроме того, они проводили достаточно много времени в Лондоне и ежегодно навещали Кембридж: университет пригласил Джеймса стать ассистентом, а затем и экзаменатором математического трайпоса. В 1868 году наставник Максвелла Форбс оставил свободным свое место ректора Сент-Эндрюсского университета, самого старого в Шотландии, и ему предложили подать заявку на эту должность. Ученый отказался, так как не считал себя готовым к подобному: «Мое дело — работа, а не руководство». Любопытно, что этот же университет отказал в должности преподавателя натуральной философии Джеймсу П. Джоулю — физику, установившему связь между механической работой и теплом. По мнению одного из членов комиссии, небольшое искривление позвоночника, от которого страдал Джоуль, делало его неподходящим кандидатом на этот пост.

В 1871 году Кембриджский университет предложил Максвеллу занять должность преподавателя экспериментальной физики. Герцог Девонширский пожертвовал большую сумму денег на постройку исследовательской лаборатории, и если бы Джеймс согласился, он был бы обязан привести ее в действие.

Ректорский совет Кембриджа понимал, как важно было нанять прекрасного ученого-экспериментатора. Первым и самым очевидным выбором казался Уильям Томсон — самый известный ученый того времени. Однако он не хотел покидать свой любимый университет Глазго, где в течение нескольких лет создавал прекрасный исследовательский центр, который начался как простая лаборатория в бывшем винном погребе. С 1870 по 1872 годы министерство финансов выделило 120 тысяч фунтов на строительство нового университета в Глазго, где физическая лаборатория Томсона занимала почетное место: 

«Здесь, в Глазго, на новом факультете, у меня есть возможности, которых не было бы ни в каком другом месте: я располагаю приборами и подходящими помощниками, а также комфортными условиями для осуществления работы по механике». 

Следующим в списке совета был немец Герман фон Гельмгольц. Томсон написал ему, рассказав о преимуществах центра, но Гельмгольцу предложили отличное место в Берлине, и он также не согласился. Максвелл был третьим в списке. Безусловно, его рассматривали как блестящего ученого, хотя и несколько эксцентричного: должно быть, он был немного странным, раз смог сформулировать такую электромагнитную теорию. Было известно, что Максвелл — умелый экспериментатор, который проводит демонстрации своим ученикам, однако он не имел прямого опыта руководства исследовательской лабораторией. Джеймс колебался какое-то время, но в конце концов согласился. В марте 1871 года Максвелла официально утвердили в должности, и он снова собрал вещи. В этот раз для того, чтобы вернуться в Кембридж.

Создание исследовательской лаборатории в таком знаменитом городе, как Кембридж, вызвало противостояние части ученых университета. Среди них были бывший заместитель ректора Эдвард Пероун и известный математик Исаак Тодхантер.

По их мнению, математика и англиканизм лучше усваивались на занятиях и в часовнях, чем в лаборатории. Сам Тодхантер в 1873 году утверждал, что экспериментальные науки подобны «наемным работникам» и, несмотря на то что «постоянное взаимодействие с каким-нибудь преподавателем, с блестящими и оригинальными способностями к экспериментированию» может быть полезным, доказательства в экспериментальных науках не имеют ценности. Многие взывали к мнению Уильяма Уэвелла, который был ректором Тринити, когда там учился Максвелл. Он утверждал, что физика «не должна входить в компетенцию колледжей». В том же 1873-м, за год до того, как лаборатория открыла свои двери, уважаемый колледж Корпус-Кристи обвинил будущее заведение на другой стороне переулка Фри-Скул в том, что оно нарушает права «древнего светила знания», и потребовал 600 фунтов в качестве компенсации. Иск не имел успеха, потому что через некоторое время поступил приказ пренебрегать подобными заявлениями.

Принципиальным вопросом были деньги, так как университет получил только 30 % от требуемой суммы. Именно тогда в игру вступил настоятель Уильям Кавендиш (1808-1891), седьмой герцог Девонширский, обладатель премии Смита и второй спорщик. Он взялся покрыть необходимые расходы. Такова была ситуация, когда приехал Максвелл. Стокс, профессор Лукасовской кафедры математики, сказал ему, что «основным долгом нового преподавателя будет, в первую очередь, консультировать по вопросам строительства физической лаборатории и музея». Примечательно, что университетские науки викторианского периода заметно беспокоились о музеях: «рациональное расположение коллекций видов и макетов так же преобладало в инженерии и физических науках, как и в ботанике или анатомии», — утверждает историк науки Симон Шаффер. Действительно, многие научные инициативы середины XIX века вращались вокруг музеев.

Максвелл принялся за работу. Вместе с физиком и заместителем декана Тринити, Коуттсом Троттером, он занялся осмотром известных лабораторий, чтобы использовать их опыт. В апреле 1871 года ученый ездил в Эдинбург и Глазго, чтобы обсудить свои планы по обустройству лаборатории в Кембридже. В первом городе он встретился со своим другом Питером Гатри Тэтом, стыдившимся «бедной лачуги», которой он руководил в университете. Максвелл, охваченный собственными идеями, объяснил ему каждую деталь: например, что необходимо повесить на стены достаточное количество деревянных полок для размещения на них оборудования. Джеймс уже задумал несколько экспериментальных программ, и здание должно было быть построено соответствующим образом. Самой содержательной была его встреча с Томсоном, обладателем лучшей лаборатории во всей Великобритании. Они долго и подробно обсуждали каждую деталь, какой бы ничтожной она ни казалась.