Люди и формулы

Джемс Клерк МАКСВЕЛЛ (1831–1879) — его уравнения физики и уравнения жизни

Вот наследство, которое этот человек нам оставил: уравнение Максвелла, правило Максвелла, ток Максвелла, теория Максвелла. Просто максвелл — единица измерения магнитного потока. При изменении потока на один максвелл в секунду в контуре индуктируется электродвижущая сила, равная одной стомиллионной доле вольта.

Так далеко — через всю Европу, через десятилетия протянулась нить от Алессандро Вольта к Джемсу Клерку Максвеллу. Потом она потянется еще дальше и глубже. Максвелл был великим ученым и человеком сильной воли. Что бы он успел сделать еще, подари ему судьба хотя бы лет десять жизни…

Джемс Клерк Максвелл носил бы более скромное имя и назывался бы просто Джемсом Клерком, если бы его отец не получил в наследство от деда — от семейства Максвеллов, небольшое именьице Миддлби. Старший брат отца унаследовал от деда — сэра Джемса Клерка и титул баронета, и богатейшую усадьбу, а отец будущего великого физика, кроме Миддлби, не получил ничего. Впрочем, и этот дар деда — старого моряка, капитана, — отец Джемса не принял как щедрый подарок судьбы. До мозга костей он был горожанином, служил юристом, увлекался наукой, и необходимость заботиться об имении, необходимость им управлять скорее тяготила его.

Биографы Максвелла иногда пишут, что он происходил из старинной, знатной семьи. Это не так. Вся знатность началась вот с этого сурового моряка, с деда, да и то досталась она другой линии Клерков.

А родился Максвелл не в Миддлби, а в Эдинбурге, старинном шотландском городе, ощетинившемся бессчетным частоколом каминных труб, из которых вечно струился дым. Сами шотландцы называли свой город «старым курилкой».

Улица, где стоял дом Максвеллов, осталась такой же, как и сто сорок лет назад, когда Джемс родился, и дом тоже остался — массивное трехэтажное сооружение с толстыми стенами и высокими окнами.

Говорят, что улица действительно нисколько не изменилась, наверное, это так, но одна деталь на ней все же прибавилась — это доска на доме Максвеллов, на которой выбиты слова: «Джемс Клерк Максвелл, физик, родился здесь 13 июня 1831 года».

И еще есть одно отличие в жизни этой окраинной улочки: раньше она была тиха, неприметна, теперь люди с разных концов света приходят сюда, чтобы постоять немного у дома Максвелла…

Вскоре после рождения Джемса с отцом случается невероятное: он вдруг заговорил о радостях сельской жизни и неожиданно для многих друзей отбыл со всем семейством в Миддлби. Он не расстался совсем с городской жизнью, да и, наверное, не смог бы этого сделать, просто ему хотелось, чтобы сын рос на лоне природы, а не в каменных, отдающих холодом стенах большого города.

Максвелл, конечно, бы вырос Максвеллом и в городе, но в деревне было все, чтобы рано пробудить его мозг.

Мать Джемса написала очень милое письмо родственнице о своем маленьком сыне — это письмо сохранилось: «Этот мужчина очень счастлив, он намного поправился с тех пор, как погода стала умеренной, у него много работы с дверями, замками, ключами, а слова „покажи мне, как это делается“ постоянно сопутствуют ему… Что касается звонков, то они не заржавеют, он стоит на часах в кухне… или звонит сам, посылая при этом наблюдать и кричать ему о том, что в это время происходит, потом таскает всюду отца, заставляя показывать дыры, сквозь которые проходят проволоки». Мальчику в это время было всего три года.

Почему нас всегда так интересует — каким было детство гения, проявлялось ли как-то его дарование в те времена, когда никто бы не смог сказать — выйдет ли из него что-нибудь путное? Может быть, потому, что, не признаваясь себе, мы надеемся отыскать общие штрихи и в своем собственном детстве, и в детстве наших детей, потому что так хочется верить и в себя и в них… А может, это интересует нас потому, что просто любопытно проследить путь гения, его развитие от самых первых шагов в жизни до зрелости. Может быть, так.

Максвелл-младший жил в деревне до десяти лет, и это действительно было для него счастливым временем. А потом отец надумал отвезти его в Эдинбург, в школу, которая почему-то называлась академией. Здесь он впервые в жизни остался один — без совета отца и без ласки матери и сразу же натолкнулся на отчужденный прием своих однокашников. Для них он был простым деревенщиной, и они с ходу окрестили его «дуралеем». Возможно, кое-какие основания для э^того были: Джемс не очень общителен, в науках на самых первых порах, мягко говоря, не блистал, а по арифметике будущий гениальный математик учился из рук вон плохо.

В академии десятилетний мальчик очень скучает по дому, часто вспоминает прогулки с отцом по перелескам, полям, когда они вместе собирали интересные камни, растения, наблюдали за лягушками и ящерицами.

Близких друзей у него в первые годы в академии не было. Скучающий без всего, что он любил, мальчик как-то написал отцу: «Мой дорогой папа, в тот день, когда ты уехал, мы пошли в зоопарк, и там был слон, и Лиза испугалась его некрасивой морды. А у одного джентльмена был мальчик, который спрашивал, не индийская ли это корова. Собачка Аски думает, что она тоже школьник, и хочет идти со мной в школу… Твой почтительный слуга

Джемс Клерк Максвелл».

А потом Джемс здорово разочаровал всех своих насмешников: в школе начали читать геометрию, и он вдруг увлекся ею и доказал, что нет в академии никого, кто бы знал геометрию лучше его.

Однажды отец навестил Джемса в школе и взял с собой на заседание Королевского общества. Там Джемс услышал, как ученые мужи рассуждали об одной из загадок древних этрусков: не ведая формул высшей математики, те могли придавать погребальным урнам идеально правильную овальную форму. Ученые так ни до чего и не договорились, а Джемс потерял покой, стараясь придумать такой способ. Отец был поражен и горд неимоверно, когда сын воткнул в деревянную доску две иглы, положил вокруг них толстую нить, связал ее концы и, натягивая нить карандашом, вычертил идеальный овал, а потом рассказал о том, как он применил этот метод для кривых, у которых сумма расстояния до первого фокуса и утроенного расстояния до второго остается постоянной.

Сейчас этот метод знают многие, но мало кто помнит, что первым обобщил идею этого метода школьник прошлого века по имени Джемс Клерк Максвелл.

Решение Максвелла не было счастливой случайностью — это был его первый научный труд, прошедший официальную научную апробацию и опубликованный в «Трудах Эдинбургского королевского общества». Поскольку случай был беспрецедентный и доклад должен был бы делать школьник, а это считалось непринятым, на заседании общества с чтением статьи выступил известный ученый — профессор Форбс. Джентльменов смутило то обстоятельство, что им пришлось бы с почтением выслушивать мальчика…

Максвеллу тогда исполнилось пятнадцать лет. Через три года он публикует еще одну научную работу — по теории кривых качения, чуть позже — третью — об упругих твердых телах.

Люди по-разному ищут свое призвание. Одни не спеша, подолгу присматриваясь, выбирают себе дело, потом, испытав разочарование, находят что-то иное. Другие берутся буквально за все, что попадается им на пути, и так же легко бросают, в надежде, что так быстрее найдут то, «свое».

Максвелл никогда не искал свое призвание. Оно само пришло к нему.

После академии Джемс поступает в Эдинбургский университет, потом, окончив его, едет в Кембридж — Тринити-колледж, где учился когда-то Ньютон. Здесь Максвелл впервые берет в руки труды Фарадея и поражается необъятности горизонтов, открывшихся в них. Двадцатилетний Максвелл писал: «Я решил не читать ни одного математического труда в этой области, пока основательно не изучу „Экспериментальных исследований по электричеству“». Так назывался труд Фарадея.

Иногда говорят о соперничестве Максвелла и Фарадея, спорят, кто из них сделал больше в науке. Соперничества никакого не было, да и быть не могло: Джемс еще только родился, когда Фарадей уже сделал многие свои великие открытия. Максвелл всегда с огромным почтением относился и к самому Фарадею, и к его вкладу в науку. Да и спорить о том, кто из них больше сделал, тоже не стоит: Фарадей был великим экспериментатором, Максвелл — великим теоретиком. Один из них клал первые камни в фундамент науки, другой ставил стены на этот фундамент.

Профессором Джемс Клерк Максвелл стал в двадцать четыре года. До этого он уже преподавал два года в Кембридже, но не на профессорской кафедре, и потому почти сразу же согласился принять место в Шотландском университете. Наверное, роль в этом решении сыграло даже не столько то, что он втайне желал повышения в должности, сколько соблазнила возможность перебраться ближе к родному дому, к отцу. Но отец так и не узнал этой радостной новости: он не дожил всего нескольких дней до получения от сына письма о назначении.

Молодой профессор с жаром берется за работу и с головой уходит в исследования. Уж очень все удачно сложилось на новом месте: он не преподавал теперь, и это, естественно, прибавило времени, и потом он подолгу замыкался в старом родительском доме, где его покой никто не мог потревожить. В это время он увлекся кольцами Сатурна — тогда о них шли самые разнообразные споры — какие это кольца: жидкие или твердые? И около трех лет занимался только этой проблемой.

В тиши огромного дома, похожего на неприступный замок, Максвелл все глубже погружался в расчеты, буквально кончиком пера ведя нить к открытию. Думалось ему хорошо, ум был молод и быстр, и работа шла успешно. В те дни он писал другу: «…Я снова обрушился на Сатурн… Я уже пробил несколько брешей в твердом кольце, а сейчас окунулся в жидкую среду, погрузившись в мир поистине удивительных символов и обозначений. Вскоре я углублюсь в туманность, напоминающую чем-то состояние воздуха, скажем, во время осады Севастополя. Лес пушек, занимающих площадь прямоугольника со сторонами 100 и 30 000 миль, изрыгает ядра, которые никогда не останавливаются, а вращаются по кругу радиусом 170 000 миль…» Наверное, это письмо Максвелла было продиктовано не только желанием объяснить другу — объяснить возможно более просто — то, над чем он работал тогда. Очень похоже, что он сам для себя хотел нарисовать картину далекого фантастического мира, в который вторгался, сплетя сложнейшую вязь формул. Может быть, ему просто хотелось представить зримей то, что пряталось за длинными вереницами значков и цифр, которыми он покрывал за страницей страницу.

Когда Максвелл закончил эту работу, Кембридж издал его книгу о кольцах Сатурна. Он получил желанную для многих физиков премию Адамса — тоже за эти кольца. Он умел и любил работать — Джемс Клерк Максвелл, ему нравился сам процесс работы, когда малейшее продвижение вперед стоило многих серьезных усилий. Он всегда, если брался за что-то, забывал обо всем, что могло бы отвлечь или рассеять внимание. Он был талантлив необычайно, но без трудолюбия он вряд ли бы добился такого успеха.

Он мог появиться в лаборатории налегке, с видом человека, у которого здесь нет никаких дел и который зашел лишь для того, чтобы перекинуться с коллегами парой ничего не значащих фраз. Бывало, что он заглядывал в лабораторию даже с собакой, чем немало шокировал тех, кто его плохо знал. Поэтому многие считали, что Максвелл и всегда-то работает так — легко и непринужденно, что все его открытия сделаны без всяких усилий. Но это не так. Он работал много, сосредоточенно, яростно.

Иногда ему хотелось оставить формулы и взяться за стихи. Как-то он написал:

Эти, в общем-то, наивные стихи он написал для себя, не надеясь и не думая о том, что они станут тем штрихом, который дополнит картину его характера, расскажет о его отношении к жизни, к труду.

Он избрал для себя совершенно невероятный режим дня и строго следил за его выполнением: вставал в семь утра, работал до пяти вечера, потом снова спал — обязательно четыре с половиной часа. С половины десятого до двух ночи снова запирался в своем кабинете, а потом полчаса отводил для гимнастики. Впрочем, вряд ли можно назвать гимнастикой то, что он делал: эти тридцать минут Максвелл просто бегал по пустым коридорам и лестницам погруженного в сон преподавательского общежития. Только в половине третьего ночи он ложился спать. И после этого находились люди, которые считали, что он мало работает…

Максвелл прожил недолгую жизнь, но успел сделать много. На основе его теоретических исследований, а также работ знаменитого австрийского физика Людвига Больцмана взошло могучее древо статистической механики. Максвелл видел газы не как нечто неосязаемое, но обладающее некими свойствами, а как гигантское скопление молекул, находящихся в непрерывном движении. Эти невидимые частицы вещества все время сталкиваются, разлетаются в разные стороны — и снова сталкиваются, теряя свою скорость или, наоборот, приобретая ее. Если бы можно было увидеть, услышать этот бурный, меняющийся в ничтожные доли секунды мир…

Максвелл и Больцман открыли и сформулировали статистический закон, описывающий распределение молекул газа по скоростям. Этот закон всегда будет носить их имена. Известный английский физик Д. Макдональд в своей книге о Максвелле написал: «Я думаю, что если бы Максвелл не сделал больше ничего в своей жизни, то и этого было бы достаточно, чтобы увековечить его имя в памяти потомков».

Но он сделал и еще очень много. Он развил теорию цветового зрения, по-прежнему занимался электромагнетизмом. Впрочем, «занимался» — не то слово: по существу, он стал создателем электромагнитной теории. Ампер, Фарадей, Генри — они были первооткрывателями электромагнитных явлений. Максвелл все объяснил и построил теорию, сумев выразить ее в виде системы нескольких уравнений, в которые он ухитрился вместить все. Эти уравнения во всем мире называются не иначе как «уравнения Максвелла», и, наверное, ни один современный физик не сможет сказать, что он может обойтись без этих красивых, поразительно емких математических описаний. Это о них, об уравнениях Максвелла, о его теории сказал Генрих Герц: «Нельзя изучать эту удивительную теорию, не испытывая по временам такого чувства, будто математические формулы живут собственной жизнью, обладают собственным разумом — кажется, что эти формулы умнее нас, умнее даже самого автора, как будто они дают нам больше, чем в свое время в них было заложено». И первым в этом убедился сам Максвелл.

Исследуя пока еще не ясное для него происхождение одной из постоянных величин, входящих в уравнения, Максвелл обнаружил, что эта величина равна скорости света. Случайное совпадение? Максвелл был поражен открывшимся сходством и попытался проникнуть в его суть. Шаг за шагом он продвигался к открытию, пока не увидел — почти воочию, если бы только вообще это было возможно: электромагнитное поле — волна бегущая в пространстве с незатухающей скоростью Он понял, почему энергия электрического поля переходит в энергию магнитного, и обратно. Потом догадывается: это не просто волны, а поперечные волны. Так он подошел к доказательству электромагнитной природы света.

Максвелл был бы первым человеком, узнавшим это, если бы не то загадочное и позабытое всеми письмо Фарадея, которое пылилось в архиве Королевского общества, и о котором мы с вами уже знаем. Но ни Максвелл, ни кто-либо другой из его современников не знал о существовании письма, потому что сам Фарадей хотел, чтобы оно надолго затерялось во времени. Фарадей высказал гениальное предположение, намного опередившее исторический ход науки. Максвелла привела к этому открытию математически стройная теория, которую он сам же и создал. Отныне от теории Максвелла, от уравнений Максвелла началась новая физика.

В ней он оставил много следов — это и «ток Максвелла», и «правило Максвелла», и просто «максвелл» — как назвали единицу измерения магнитного потока. Подобно тому, как открывателям новых земель, закрашивающим белые пятна на карте нашей планеты, ставили памятники, давая их имена островам, проливам, морям, называя их именами горы, хребты, ледники, так и в физике имена самых первых легли на карту науки и в физике именами первопроходцев называют покоренные вершины науки и неизведанные области, которые еще недавно были белыми пятнами. Максвелл закрасил много таких пятен.

…Ему было всего сорок шесть лет — возраст, который многие считают для мужчины расцветом, когда он впервые почувствовал в желудке что-то неладное. Невольно он вспомнил о матери: у нее тоже вот так, с болей, с расстройства, с невинных, казалось, симптомов начиналась долгая, мучительная болезнь… Она умерла от рака.

Максвелл еще больше замыкается в себе, не решаясь, а может, просто не находя времени — тогда он работал над книгой — обратиться к врачу. Друзья его видели, что с ним происходит что-то серьезное, что изменило даже его облик: глаза потеряли присущий им живой блеск и стали казаться усталыми. Походка, некогда упругая, быстрая, сделалась медлительной, вялой, как бывает у человека, который и на ходу думает о чем-то своем.

Эдинбургский врач — доктор Лоррейн колебался, не зная, сказать своему пациенту правду или еще подождать. Он сказал Максвеллу, что тот болен раком. Ученый выслушал свой приговор внешне спокойно, спросил только, сколько, по мнению доктора, он еще проживет. Тот сказал: не более месяца.

В сентябре 1879 года он был в своем родном Миддлби, когда его захватил внезапный и резкий приступ. Друзья и врач решили, что лучше всего его отправить в Кембридж — там, во всяком случае, будет надлежащий уход.

Жена его, Кэтрин Мэри Дьюар, тоже была нездорова последние годы, и они вместе отбыли в Кембридж. Гленлейр, его родительский дом в Миддлби, опустел навсегда.

В Кембридже его лечил известный врач — доктор Пагет. Не в силах изменить ход болезни, потрясенный самообладанием умирающего Максвелла, доктор рассказывал: «Во время болезни, лицом к лицу со смертью, он оставался таким же, как прежде. Спокойствие духа никогда не покидало его. Через несколько дней после возвращения в Кембридж его страдания приняли очень острый характер… Но он никогда не жаловался… За несколько дней до смерти он спросил меня, как долго ему осталось жить… Казалось, он беспокоился только о своей жене, здоровье которой за последние несколько лет пошатнулось… Его ум оставался ясным до конца… Никто из моих пациентов не сознавал так трезво свою обреченность и не встречал смерть более спокойно. Пятого ноября он тихо отошел».

Стоял туманный, пасмурный день, моросил мелкий и частый дождик, и стены Гленлейра, отдавая тепло, накопленное за те десятилетия, пока процветала семья Максвеллов, казалось, сочились исторгнутой влагой…

Джемс Клерк Максвелл умер в сорок восемь лет, в том же возрасте, что и его мать, и от той же болезни.

Он оставил четыре строчки своих великих уравнений, и еще четыре строки, четыре уравнения жизни, с которой он так не хотел расставаться: