Максвелл. Электромагнитный синтез

ГЛАВА 2 Теория упругости

XIX век был эпохой промышленной революции, и с ним родились либерализм, марксизм и промышленный капитализм. Во второй половине XVIII века Англия поднялась на вершину своего экономического могущества, в то время как континентальной Европе пришлось ждать индустриализации еще несколько десятилетий. Однако мы говорим о технике, а не о науке, которая считалась скорее времяпрепровождением для дворян и дилетантов. Таковым было общество, в котором Максвелл собирался найти свое место.

Промышленная революция превратила аграрное общество в индустриальное. Паровая машина осушала болота и топи, прокладывала новые маршруты на земле и на море, она начала заменять ручной труд человека, начиная с текстильной промышленности и шахт и заканчивая любой экономической деятельностью. Все это произошло благодаря шотландцу Джеймсу Ватту.

Шел 1765 год. Уже восемь лет как Джеймс Ватт (1736- 1819), меланхоличный и неутомимый инженер, родившийся в маленьком городе Гринок, работал мастером научных инструментов в мастерской при университете Глазго. Он вернулся в родную Шотландию, отказавшись от предыдущей работы в мастерской научных инструментов в Лондоне. В университете он столкнулся с моделью паровой машины, придуманной необразованным кузнецом Томасом Ньюкоменом. Ей ученые пользовались в своих опытах. Ватт много размышлял о том, как можно улучшить такую машину, и после долгих теоретических и практических изысканий ему это удалось.

После разработки следующим шагом стал запуск машины в производство. Ватту был нужен партнер-капиталист, и он нашел его в лице богатого, жизнерадостного и гостеприимного Мэттью Болтона. Он являлся владельцем мануфактуры в Сохо (Бирмингем), выпускающей пуговицы, рукояти для шпаг, пряжки для ботинок, часы, цепи и многое другое. Убежденный в огромном потенциале машины, Болтон одолжил деньги, необходимые для ее производства. Чтобы реализовать свою идею, Ватту пришлось использовать новейшие металлургические технологии своего времени, в частности очень точные сверлильные станки Джона Уилкинсона.

В 1769 году Ватт запатентовал первую действительно эффективную паровую машину. Вместо того чтобы продавать это изобретение, Болтон убедил своего партнера сдавать машины потенциальным клиентам — угольным шахтам. Они были нужны им для выкачивания воды из туннелей. В качестве платы компаньоны просили только треть денег, которые предприятие сэкономило бы на топливе в течение первых трех лет.

Таким оригинальным способом оба шотландца очень быстро стали миллионерами, и их доходы умножились, когда один из помощников Ватта, Уильям Мердок, разработал передачу, превращавшую возвратно-поступательное движение водяного насоса в круговое движение: это была планетарная передача.

С новой передачей то, что было только выкачивающим воду насосом, стало революционной машиной, которая изменила облик планеты. К 1795 году машина Ватта использовалась практически во всех производственных процессах в Англии.

Бирмингемская фабрика оказалась предвестницей новой эры, и не только из-за паровой машины. Там родились два серьезных нововведения: одно от Ватта, а другое от Мердока. Ватт внес удачные изменения в конструкцию своих двигателей с целью максимально увеличить производительность труда. Весь процесс производства был разбит на ряд специфических операций, и появились рабочие, занимавшиеся каждый своей операцией. В свою очередь, Мердок превратил темные английские ночи в светлые дни. Он первым ввел газовое освещение в широкий обиход. В 1802 году он установил газовые горелки на фабрике Ватта.

Промышленная революция мало обязана науке, хотя люди, которые руководили ей, были полностью охвачены научным духом. Пользу науки поняли промышленники севера Англии: они открыли, что причина ее неудач в прошлом заключалась в отсутствии у людей, которые ею занимались, практического подхода. Старые университеты с их закосневшими традициями не способствовали развитию новых идей. Единственными местами, пригодными для обучения, были академии-диссиденты и противящиеся норме шотландские университеты. В течение всего XVIII века эти учреждения давали лучшее научное образование в мире.

Технологическая мощь Англии находилась в руках наследников тех, кого преследовало правительство, хотя они комфортно жили, одновременно играя с социальными правилами жесткой и циничной английской морали. Однако на континенте и конкретно во Франции дела шли немного по-другому. Если Англия была колыбелью технической революции, то Франция стала началом нового политического порядка. В последние дни французской монархии, когда революционное воодушевление заполнило Париж, ученые полностью находились под влиянием духа прогресса и приближающихся изменений. Великая «Энциклопедия искусств, наук и ремесел» Дидро и д’Аламбера стала библией нового либерализма, соединенного со свободомыслием, наукой и промышленностью.

Французская революция предоставила ученым возможность, которую они ждали. Это была эпоха разума, и разрушение феодальной науки сыграло в ней главную роль.

В строительстве нового общества ученые взяли на себя изменение устаревшей машины государства и образования. В первую очередь они провели реформу единиц мер и весов с насаждением десятичной метрической системы в 1799 году. Задача была трудоемкой и сложной, как об этом свидетельствует «сопротивление» старых систем мер в тех странах, в которые не проникли идеи революции. Второй большой задачей была реформа образования. Следуя стилю шотландских диссидентских школ и университетов, французы основали Высшую нормальную школу, Медицинскую школу и Политехническую школу. Они станут маяками, которые еще через века будут светить научно-исследовательским институтам, образованным позднее.

Каменный уголь был топливом промышленной революции. Ничто не могло работать без него. Он был известен с древности, но его массовая добыча началась в XVIII веке, после изобретения паровой машины. Так, от 30 млн т мирового производства каменного угля в 1820 году перешли к 125 млн в 1860 году и 340 млн в 1880 году.

Газ, необходимый для освещения, получался перегонкой каменного угля, которая высвобождала большую часть летучих компонентов, содержащихся внутри него, и превращала его в кокс.

Желтоватое пламя каменноугольного газа осветило улицы Лондона в 1812 году; оно позволило давать вечерние концерны в Брайтонском павильоне с 1821 года и читать газеты в домах в 1829 году. Но у нового освещения также были недоброжелатели. Английский китобойный промысел оказался под угрозой, поскольку раньше китовый жир активно применялся в уличных фонарях. Использование для освещения газа делало невыгодным данный промысел, что сокращало количество опытных моряков, а Великобритания нуждалась в них для своего флота из-за войны с Францией. В 1824 году шотландец Джеймс Бомон Нилсон запатентовал метод увеличения эффективности сжигания угля в доменной печи. Если предварительно нагреть холодный воздух, подаваемый в печь, до 300 °С, то эффективность печи увеличится. При том же самом количестве каменного угля можно произвести в три раза больше железа. Через 11 лет все шотландские заводы использовали метод Нилсона.

Шотландский изобретатель Джеймс Бомон Нилсон (1792-1865).

Перегонка каменного угля также имела свои минусы. Главным из них был остаток, черный и плохо пахнущий,— смола. Заводы выбрасывали ее как абсолютно бесполезный продукт, в реку или ближайшее водохранилище. В середине XIX века Темза была так загрязнена, что из-за ужасного запаха парламент был вынужден держать двери закрытыми. Проблема оказалась серьезной. Нельзя было перестать производить газ, необходимый для освещения, но и нельзя было продолжать отравлять воду. Группа немецких химиков нашла решение: перерабатывать также и смолу. Благодаря этому появились такие полезные продукты, как керосин для ламп, синтетические красители, антисептики и аспирин (точнее, фенол, из которого легко и с минимальными затратами получалась ацетилсалициловая кислота).

Ученый-любитель с лабораторией, расположенной в его собственном доме, превратился в ученого, который получал зарплату, исследовал и преподавал. Новое образование открыло двери молодежи всех социальных слоев: теперь лучшие умы, откуда бы они ни происходили, могли посвятить себя науке. Приход к власти Наполеона не изменил этого состояния дел. Император поддерживал и подталкивал развитие науки. Более того, наполеоновские войны способствовали тому, чтобы французская наука достигла превосходства, которое в значительной степени проявилось в первой половине XIX века. Континентальная блокада, например, особенно отразилась на обеспечении содой и сахаром, что вынудило химическую промышленность искать новые пути. Вследствие этого Франция доминировала в химических исследованиях Европы более 30 лет.

В то время когда революция побеждала в Париже, в Лондоне шло противоположное течение приверженности старым социальным институтам, которое не затрудняло движение науки, но замедляло его. Единственное научное событие, аналогичное происходившему на континенте, заключается в основании в 1799 году Королевского института. Его создание оказалось возможным благодаря Бенджамину Томпсону, графу Румфорду (1753-1814). Школьный учитель Томпсон был одним из первых североамериканских поселенцев и подполковником английского флота.

Он быстро понял, что триумф промышленной революции зависит от нового типа инженера, более ориентированного на научное знание и менее — на слепую традицию. Томпсон убедил состоятельных людей Англии сделать щедрые пожертвования и таким образом основать институт под покровительством Короны, который, по его собственным словам...

«[...] развивал бы знания и предоставлял бы общее образование в области текущих механических изобретений, философское образование, а также экспериментировал и применял науку в обычных повседневных делах».

Но мечта Томпсона осуществилась ненадолго. Первый директор Королевского института Гемфри Дэви (1778-1829) был самым экстравагантным ученым тех дней, любителем роскоши и хорошей жизни. Он был членом Королевского общества, посвященным в рыцари в 1812 году, и обладателем ордена Почетного легиона, который учредил сам Наполеон, за работы по гальванизму и электрохимии (можно считать его родоначальником этой дисциплины). В своей речи 1802 года 23-летний Дэви идеально выразил ощущение эпохи:

«Неравное разделение собственности и труда, неравенство человеческого рода — это источники власти в цивилизованной жизни, ее движущие силы и даже ее настоящая душа».

Дэви поддерживал тенденцию среди ученых (по большей части принадлежавших к буржуазии) по-разному оценивать интеллект людей в зависимости от их расы и социального происхождения. При таких консервативных взглядах неудивительно, что Королевский институт превратился в конформистский центр, доступный только высшим слоям общества. Несмотря на эти препятствия, именно в такой обстановке процветала единственная субсидируемая лаборатория, где было проведено большинство открытий того времени. И хотя образовательная деятельность университета ограничивалась публичными лекциями, именно они привлекли внимание молодого ученика переплетчика по имени Майкл Фарадей — ученого-экспериментатора, который затем главенствовал в институте в течение более 40 лет. К сожалению, не было мест для сотен потенциальных Фарадеев, способных воспользоваться этой лабораторией. Так Англия потеряла множество прекрасных ученых.

Диссиденты появились в 1660 году, когда потухло пламя социальных и политических реформ, зажженное Кромвелем после победы в английской гражданской войне. С восстановлением королевской власти новое законодательство обязало все протестантские церкви (почитавшие Кромвеля) признать свое поражение и поклясться в верности монархии и англиканской церкви. Те, кто не принял данной клятвы, были названы диссидентами, и их жизнь практически превратилась в ад. Парламент издал серию законов, собранных позже в Кларендонском кодексе, согласно которым диссиденты лишались права работать на правительство или церковь и проводить собрания. Муниципальные чиновники должны были быть англиканцами, и никто из священников не мог изменить что-либо, установленное Церковью. Вследствие принятия этого кодекса более тысячи священников были изгнаны из своих приходов. В 1664 году появился и другой закон, который запрещал любое религиозное собрание с участием более пяти человек, если они не принадлежали к англиканской церкви. Наказанием было изгнание в колонии, кроме пуританской Новой Англии, где диссиденты, возможно, были бы приняты с распростертыми объятиями. Диссидентским преподавателям и священнослужителям запрещалось приближаться к городу по меньшей мере на восемь километров.

Условия жизни стали очень тяжелыми, что породило волну эмиграции в Америку или Голландию. Тем, кто остался, правительство предложило лишь один свободный путь: посвятить себя торговле и промышленности. Поэтому неудивительно, что в начале XVIII века большая часть промышленности находилась в руках у диссидентов и безжалостное преследование, которому они подвергались, способствовало развитию их свободомыслия. Школы, изначально задуманные для тех, кто хотел носить рясы, превратились в центры изучения инженерного дела и финансов. Именно те, кто обучался в подобных заведениях, развивали английскую технику.

Роза ветров — основа эмблемы англиканской общины, которая напоминает о распространении англиканского сообщества по всему свету. На фото — роза ветров, изображенная на полу Кентерберийского собора.

Значение Максвелла в истории научной мысли сравнимо со значением Эйнштейна (который основывался на нем) и Ньютона (влияние которого он уменьшил).

Иван Толстой, биограф Максвелла, «Джеймс Клерк Максвелл, биография» (1983)

Из-за всего этого в середине XIX века в Великобритании не использовалось слово «ученый». Физики и химики называли себя «философами природы», а биологи — «историками природы». Мало кто работал в науке профессионально, и многие занимавшиеся исследованиями были дилетантами, благородными людьми из обеспеченного класса с достаточными доходами для того, чтобы посвящать время любимому делу. Другие были священнослужителями, врачами, адвокатами и предпринимателями, для которых наука являлась хобби; это был случай отца Джеймса. Возможность зарабатывать себе на жизнь должностью в университете, обсерватории или в таких местах, как Королевский институт, была очень призрачной: мест было очень мало, и они редко оказывались свободны, поскольку их владельцы обычно занимали свои должности всю жизнь. Так что в те редкие случаи, когда место освобождалась, за него велась серьезная борьба, кроме того, подобная работа оплачивалась довольно скромно. В противоположность тому, что происходило во Франции, институционализация профессии ученого не получила большого развития. В максвелловской Англии науку считали интересной, но бесполезной. Возможно, поэтому историк Чарльз Гиллеспи сказал, что модель науки во Франции и в Великобритании можно описать как модель чиновника и модель волонтера.

Одна из причин столь второстепенной роли науки заключается в том, что значительные достижения промышленности и транспорта происходили от инженеров, имеющих небольшую или нулевую подготовку: Джеймс Ватт чинил инструменты, которые ломались в университете Глазго; Джордж Стефенсон, изобретатель паровоза, был неграмотным до 18 лет; и даже важный для морской навигации метод определения долготы был разработан не астрономом, а необразованным часовым мастером по имени Джон Гаррисон. Тогда зачем был нужен университет? Некоторые блестящие ученые смогли создать замечательные приборы: например, Чарльз Уитстон или Уильям Томсон изобрели хитроумные устройства для недавно появившегося телеграфа. Это оказалось экономически рентабельным предприятием благодаря усилиям офицера армии Уильяма Ф. Кука и Уитстона (профессора в Кингс-колледже в Лондоне), приложенным в 1837 году. Но данная история не изменила убежденности общества в том, что наука является отличным хобби для благородного человека, но в целом это несерьезное дело. Никто не понимал, что промышленность начнет по-настоящему пользоваться преимуществами научной специализации, когда университеты станут осуществлять ее. В будущем так и произошло. И Джеймс Клерк Максвелл лидировал в этом новом мире.

К счастью, молодому Джеймсу еще не надо было принимать решения. Он планировал поступление в Эдинбургский университет, чтобы изучать математику под руководством Филипа Келланда (преподавателя, который уже одобрил его первую научную работу), натуральную философию у Джеймса Форбса и логику у метафизика Уильяма Гамильтона. Вклад последнего в философию был скудным, но он неплохо преподавал, стимулируя появление у своих учеников здорового скептицизма. Итак, в 16 лет Максвелл поступил в университет, поскольку его ум был воодушевлен наукой и математикой, но он был готов изучать право, потому что ему не хотелось огорчать отца.

Шотландские университеты гордились тем, что сыграли главную роль в промышленной революции, и объявляли миру: их образование может сделать из любого молодого человека большого предпринимателя. Джеймс особенно интересовался уроками философии (тогда ее называли «ментальной философией») Гамильтона, очень харизматичного преподавателя, которого, как заметил Максвелл, иногда ответ на некоторые вопросы приводил к еще более глубоким вопросам. Влияние Гамильтона было очень сильным. Джеймс разделял позицию своего преподавателя, которая высмеивала все попытки доказать существование Бога: хотя знание и логика — незаменимые инструменты для исследования Вселенной, они бесполезны для нахождения причины, ее породившей. Однако Максвелл пребывал в полной уверенности, что его учитель ошибается, недооценивая математику. Это было так, потому что Гамильтон в значительной степени разделял позицию интеллектуального течения под названием «здравый смысл», которое отказывалось от любого метода, не следующего напрямую из наблюдаемых результатов: для последователей данного течения научный прогресс сводится к простому накоплению экспериментальных данных. С другой стороны, он также разделял идею Канта о том, что любое знание относительно: мы знаем не о «вещах в себе», а лишь об их отношениях с другими людьми. Эта идея проникла в научную мысль Максвелла. Он писал:

«Единственное, что можно воспринять напрямую с помощью чувств, — это сила. Ее мы можем свести к свету, теплу, электричеству, звуку и всем остальным вещам, которые мы способны воспринимать с помощью чувств».

Максвелл придерживался данной позиции всю жизнь, и даже два десятилетия спустя он исправил в черновике книги «Трактат о натуральной философии» своих друзей Томсона и Тэта понятие массы, говоря, что «чувства никогда не воспринимают материю».

Уроки Гамильтона определили форму, в которой Максвелл проводил свои исследования. Например, его электромагнитная теория олицетворяет идею о том, что вещи, которые мы можем измерить напрямую, такие как сила, которую оказывает электрический провод на намагниченную стрелку, — это выражение более глубокого процесса, находящегося за гранью нашей способности к визуализации; в данном случае это интенсивность электромагнитного поля.

Гравюра, изображающая мастерскую Джеймса Ватта. Шотландский инженер способствовал развитию паровой машины.

Памятник Максвеллу на Джордж- стрит, Эдинбург. В возрасте 16 лет он поступил в университет этого города.

Портрет Джеймса Ватта кисти Карла Фредерика фон Бреда, 1792 год.

Джеймс был не только мыслителем; он также любил эксперименты, и ничто не могло лучше противостоять урокам философии Гамильтона, чем занятия с другом его отца, Джеймсом Форбсом (1809-1868). Молодой Максвелл проводил часы в лаборатории своего преподавателя, позволявшего ему ставить любые эксперименты. Так он научился управлять различными приборами и сконструировал необходимые ему. Этот опыт показался ему настолько полезным, что много лет спустя, когда Максвелл возглавил Кавендишскую лабораторию в Кембридже, он всегда разрешал своим студентам ставить собственные эксперименты и никогда никому не диктовал, какое исследование вести, если только его не спрашивали.

Кроме того, Форбс помог Джеймсу отшлифовать свой стиль письма до такой степени, что в итоге его работы нельзя было ни с чем спутать, как и картины Гогена или партитуры Моцарта. Инженер Бэзил Маон Как пишет в биографии Максвелла:

<[...] у него авторитетный, но свежий и неформальный тон; уравнения естественно вытекают из аргументов. Понятия появляются настолько утонченно и оригинально, что ученые до сих пор задаются вопросом, что именно он хотел сказать».

Все, что Форбс делал или говорил, тщательно усваивалось Максвеллом, которого он научил быть дисциплинированным в работе с данными и постановке экспериментов. Когда его учитель умер 21 декабря 1868 года, Максвелл сказал, что он «любил Джеймса Форбса».

Герой этой книги также ходил на уроки математики Филипа Келланда и уроки химии к некоему профессору Грегори, который вел занятия, не ступая в лабораторию: это он поручал во внеурочное время тому, кого называл «Кемп-практик».

В свою очередь господин Кемп был склонен описывать процессы, преподаваемые Грегори на уроках, как «бесполезные и вредные, придуманные химиками, желающими что-нибудь сделать». Из этих разочаровывающих занятий Джеймс вынес урок на всю жизнь: работа в лаборатории не только необходима для получения хорошего научного образования, но и должна быть составной частью самих занятий, а не являться чем-то необычным.

Я никогда не отговаривал никого от эксперимента; если человек не найдет то, что ищет, он может найти что-то другое.

Максвелл о свободе, которую он давал студентам Кавендишской лаборатории при постановке экспериментов

Пытливый ум Джеймса не мог питаться только университетскими занятиями. Его интеллектуальное образование также включало чтение классиков: он изучал «Оптику» Ньютона, «Дифференциальное исчисление» Коши, Трактат о механике» Пуассона и «Аналитическую теорию тепла» Фурье; он был так захвачен этой последней книгой, что потратил немалую сумму в 25 шиллингов на приобретение собственного экземпляра.

Чтение занимало значительную часть его времени, которое он посвящал не только научным, но также и философским работам, таким как «Левиафан» Гоббса или «Теория нравственных чувств» Адама Смита. Джеймс также не оставил латынь и греческий. Кроме того, на досуге он читал романы и поэзию.

Его влечение к науке привело к построению маленькой лаборатории над зданием, отведенным его отцом для стирки и глажки одежды обитателей фермы. Там он проводил долгие каникулы шотландских университетов, которые начинались в конце апреля и длились до начала ноября. Таким образом студенты могли помогать семьям в самое тяжелое для сельского хозяйства время — весной и летом. Максвелл так описывал свою лабораторию:

«У меня есть старая дверь, которая держится на двух бочках, и два стула, из которых один надежный, и слуховое окно, которое я могу открывать и закрывать.

На двери, или столе, много мисок, кувшинов, тарелок, банок: в них содержится вода, соль, сода, серная кислота, медный купорос, графит, также разбитое стекло, железо, медные провода, пчелиный воск, воск для запечатывания, сланец, древесная смола, древесный уголь, линза, гальванический аппарат Сми [электрический прибор того времени, включавший одну батарею] и несметное число маленьких жучков, пауков и мокриц, которые падают в разные жидкости и умирают от отравления».

Это была отличная практика. Джеймс обвивал медью старые банки с вареньем, экспериментируя с электричеством, а также развлекал местных детей химическими опытами, позволяя им плюнуть в смесь двух белых порошков и наблюдать, как они меняют цвет на зеленый. Но более всего привлекал его внимание поляризованный свет — световые волны, электромагнитные колебания которых распространяются только в одном направлении. Мы можем легко наблюдать его с помощью двух солнечных очков с поляризованными стеклами. Если мы поставим их друг перед другом так, что одно стекло окажется напротив другого, и начнем вращать одно из них, то в какой-то момент свет совсем перестанет проходить. Это происходит потому, что два стекла позволяют пройти только свету, колебание волн которого осуществляется в вертикальном направлении. Вращением второго стекла мы поместили его в положение в 90° относительно первого, следовательно, оно не позволит пройти свету (рисунок 1). Максвелла завораживали цвета, которые получаются при освещении таким светом быстроохлажденных неотпущенных стекол (стекол, в которых сохранились внутренние напряжения). Но его интерес выходил за грани чисто эстетического: он хотел понять структуру и распределение таких напряжений. Чтобы сделать это, Джеймс брал куски стекла, нагревал их докрасна и затем быстро остужал.

РИСУНОК 1:

Чтобы понятъ поляризацию света, надо представить себе веревку, которая колеблется вертикально (то ость вартикально поляризована) и проходит через два заграждения.

РИСУНОК 2:

Благодаря отражению пучка света от стекла он оказывается поляризованным

Вначале у него не было никаких приборов, которые позволили бы ему получить поляризованный свет, так что ему пришлось импровизировать. Максвелл знал, что когда пучок света отражается под некоторым углом от поверхности стекла, часть отраженного пучка оказывается поляризованной (рисунок 2). Так что он сконструировал поляризатор, который состоял из спичечного коробка и двух кусков железа, соединенных воском для фиксации под нужным углом. Кроме того, он знал, что существуют природные кристаллы, которые поляризуют свет, когда он проходит через них; молодой ученый провел немало времени, шлифуя тонкие пластинки таких кристаллов, чтобы получить нужный эффект. Однажды он записал:

«Вчера мы были в замке Дуглас, и я достал кристаллы селитры, которые сегодня разрезал на пластинки. Надеюсь увидеть кольца».

Изображения, полученные им данным способом, были еще более завораживающими. Чтобы сохранить их, ученый использовал камеру-люциду. Она была описана немецким астрономом Иоганном Кеплером (1571-1630) в книге «Диоптрика», однако оказалась забыта до тех пор, пока в 1806 году ее вновь не изобрел британский физик Уильям Хайд Волластон (1766-1828). Он разбогател, совершенствуя методы обработки платины, а также открыл палладий и родий. Джеймс зарисовал цветные изображения акварелью и послал их Уильяму Николю, знаменитому оптику, с которым его познакомил дядя за два года до этого. Николь был так впечатлен его работой, что подарил ему две своих призмы из исландского шпата, и этот подарок Джеймс ценил всю жизнь.

Но зарисовка акварелью картин, созданных поляризованных светом, не была целью, которую преследовал Максвелл, он скорее искал принцип чего-то более глубокого. Смог бы он воспользоваться своим методом, чтобы увидеть механические напряжения твердых тел различных форм, подверженных нагрузкам? Джеймс знал, что данная тема очень интересовала инженеров. Для проверки этой идеи ему нужно было прозрачное твердое тело, которому он мог бы придавать различные формы: растягивать, скручивать, сжимать... Подойдет ли желатин? Получить его было несложно: достаточно пойти на кухню. Итак, он сделал кольцо из желатина и скрутил его, чтобы создать в нем напряжение. После этого Максвелл пропустил сквозь него поляризованный свет и смог наглядно увидеть области напряжения: он разработал метод фотоупругости, хорошо известный сегодня инженерам.

В то же время Максвелл занимался математическими исследованиями, продолжая свою первую работу об овалах: в феврале 1849 года Келланд прочел его статью « кривых » в Эдинбургском королевском обществе. В ней речь идет о кривой, которая появляется, когда круг катится вдоль другой кривой. Один из примеров — это циклоида, получаемая в результате перемещения заданной точки круга, катящегося по прямой линии (см. рисунок).

Статья демонстрирует стиль работы, который проявился у ученого и далее. Он был исчерпывающим в используемых понятиях, а также в библиографии, где упоминались как классические работы по предмету, так и самые современные. Джеймс также был систематичным в изложении, не упуская ничего и стараясь сделать наибольшее возможное число обобщений. Один из самых простых результатов, который он нашел в этой математической работе, следующий:

«Если кривая А при качении по прямой линии образует кривую С и кривая А, катясь по самой себе, образует В, то когда кривая В катится по С, она образует прямую линию».

На втором курсе Максвелл продолжил ходить на занятия по математике, а также на метафизику к Гамильтону. На этом же курсе он перешел в первую группу из трех, на которые Форбс делил учеников на своих занятиях естественными науками, поскольку на первом курсе из-за недостаточных познаний ему пришлось остаться во второй.

Если приставить карандаш к одной из точек окружности и вращать окружность без скольжении по прямой, образуется циклоида с началом в точке А и максимальной высотой в точке В.

Максвелл продолжил исследования изображений, возникающих при прохождении поляризованным светом тела, подвергнутого нагрузке, и начал пытаться объяснить полученные результаты, прибегая к теории упругости. Руководство Форбса в этом было неоценимым, поскольку тот сам недавно представил в Эдинбургском королевском обществе работу об измерении способности тел к растяжению. Результатом стала великолепная статья «О равновесии упругих тел». Максвелл вывел новые закономерности и создал понятийный аппарат для дальнейшего обсуждения упругости и фотоупругости. И все это получилось в результате умственной работы молодого человека, которому было всего лишь 18 лет.

В статье излагалась общая математическая теория упругости, которая затем была применена к частным случаям упругой деформации (некоторые из них уже были открыты другими авторами). Заканчивалась эта работа описанием фотоупругости. Некоторые теоретические результаты Максвелл проверил собственными экспериментами и проиллюстрировал статью аккуратными акварельными зарисовками, в которых показал цветные картины, возникающие при использовании поляризованного света. Молодой человек усердно работал над статьей, но писал ее очень запутанным стилем и не заботился чрезмерно о математической формулировке, что делало его объяснения трудными для понимания. Как только Форбс получил эту работу, он сурово отчитал Джеймса:

«Совершенно очевидно, что бесполезно публиковать статью для научного пользования, если во многих местах есть переходы, за которыми не может проследить даже такой знаток математики, как профессор Келланд».

Джеймс усвоил урок. После этого выговора он выработал стиль написания, который затем применял во всех остальных работах.

Математическая теория упругости была разработана такими крупными учеными, как Навье, Пуассон и Коши. Для этого они сформулировали различные гипотезы о молекулярных взаимодействиях в упругих телах. Максвелл решил не идти их путем. Он предпочитал идею, которую ирландский физик Джордж Габриель Стокс (1819-1903) представил в Кембриджском философском обществе в 1845 году в докладе под названием «О теории внутреннего трения в движущихся жидкостях и о равновесии и движении упругих твердых тел». Стокс хотя и был убежден, что конечная причина поведения упругих твердых тел лежит во взаимодействии между молекулами, которые его образуют, решил проблему с чисто геометрической точки зрения, представив модель, не зависящую ни от каких гипотез о молекулярных силах.

Следуя Стоксу, Максвелл для своей теории отказался от всех предположений о физических силах, отбросив теории Навье и Пуассона, которые пытались объяснить упругость с точки зрения молекул, действующих на расстоянии. Подход Максвелла был феноменальным: основываясь на результатах, полученных им в ходе экспериментов, которые устанавливали отношения между давлением и сжатием упругих тел, он вывел уравнения, объясняющие все экспериментальные закономерности, полученные на тот момент. Этим способом подхода к проблеме, где он четко разграничивал геометрическую модель и физические гипотезы, Максвелл вновь воспользовался во всей его мощи, когда несколько лет спустя столкнулся с электромагнитным полем и силовыми линиями, о которых объявил Фарадей.

Такое разграничение не являлось его оригинальной идеей: оно было характерно для математиков Кембриджа, и его уже активно использовали Эйри, Томсон и сам Стокс. Любопытно, что Максвелл, не учась в Кембридже, уже приспосабливался к его манере проводить исследования.

Другая работа юности Максвелла (и одна из самых главных) также была написана под влиянием Форбса и была посвящена теории цвета. В 1849 году профессор познакомил молодого студента со своими экспериментами по смешению цветов для обзора проблемы представления метода и номенклатуры для их классификации. Эксперименты Максвелла состояли в том, чтобы наблюдать за тонами, производимыми вращающимся диском, разделенным на секторы различных цветов, площадь которых можно было варьировать. Но его основная работа по классификации цветов была впереди. Сначала ему нужно было покинуть Эдинбург и уехать в Кембридж.

На первом курсе Эдинбургского университета Максвелл наслаждался компанией своих друзей Льюиса Кэмпбелла и Питера Гатри Тэта. Но по его окончании Льюис уехал в Оксфорд, а Тэт — в Кембридж. На втором курсе в Эдинбурге Джеймс почувствовал, что он стоит на месте. Он поговорил с отцом, и они оба решили, что лучшим выбором для его будущего станет переезд в Кембридж. Форбс посоветовал ему поехать в его альма- матер, Тринити-колледж. Тэт был в маленьком и изолированном колледже Святого Петра, тогда известном как Питерхаус. Младший брат Льюиса Кэмпбелла, Роберт, учился в Кайюс- колледже, очень престижном, но настолько заполненном студентами, что новые ученики должны были размещаться вне его здания, так что Максвелл решил обосноваться в Питерхаусе.

Джеймс покинул Эдинбург в возрасте 19 лет и приехал в утонченный Кембридж со своим акцентом Гэллоуэя, ничего не зная об элегантности, полностью безразличный к любому типу роскоши: он ехал в третьем классе, поскольку предпочитал твердые сиденья. Друг Максвелла Льюис Кэмпбелл так описывал его в своем дневнике:

«Его манеры очень странные, но его здравый смысл, хорошее настроение и неистощимое обаяние стирают все его странности в социальной жизни колледжа. У меня нет никаких сомнений в том, что он выдающийся человек».

С таким багажом 18 октября 1850 года Джеймс приехал в Питерхаус, самый старинный колледж в университете.