Ирина Радунская – Квинтэссенция. Книга первая (страница 34)

Максвеллу и в этой области удалось сказать свое, веское слово.

Основателем механической теории теплоты был немецкий ученый Клаузиус. Он обратил внимание на то, что постоянство отношения затраченной работы к полученной теплоте сохраняется лишь в циклических процессах. Если процесс протекает не циклически, то это отношение не соблюдается. Например, при испарении кипящей воды затрачивается значительно большее количество тепла, чем то, что затем уходит на расширение пара.

Куда исчезает остальная энергия?

Клаузиус догадался, что эта энергия скрывается в самом процессе испарения воды, переходя при кипении воды во внутреннюю энергию пара. Это скрытая теплота испарения. Ее учет позволил объяснить сохранение энергии в нециклических процессах. При конденсации пара она вновь выделяется.

Так Клаузиус придал конкретный смысл и облек в математическую форму постулат Карно, гласивший, что теплота не может без затраты энергии переходить от холодного тела к нагретому.

Дальнейшее развитие представляло собой, в существенной мере, математическую трактовку идеи, выдвинутой еще в 1738 году Д. Бернулли. Он считал, что теплота есть внешнее проявление движения молекул. Эту гипотезу поддерживали Лавуазье и Лаплас, Джоуль и Авогадро.

Все они, для упрощения математического анализа, полагали, что частицы, образующие газ, движутся прямолинейно и равномерно с одинаковыми скоростями.

Затем слово взял Максвелл. Он указал на то, что это предположение не соответствует действительности и является причиной расхождения расчетов с опытами.

Нужно принимать во внимание столкновение молекул, считал он. Столкновение придают им различные скорости. Вычислить скорость определенной молекулы газа невозможно из-за огромности их числа. Но применив теорию вероятностей можно вычислить как распределяется количество молекул по различным скоростям движения.

Это было важным шагом. Введя статистический подход в кинетическую теорию газов, Максвелл вычислил распределение молекул газа по скоростям — «распределение Максвелла».

Для этого Максвеллу пришлось заменить реальные газы, состоящие из множества молекул, моделью в виде большого количества независимых твердых шариков, взаимодействующих только при соприкосновении. Но эта модель не была достаточно конкретной для проведения сложных вычислений. Тогда Максвелл заменил шарики «точечными телами», отталкивающими друг друга с силой, обратно пропорциональной пятой степени расстояния.

По поводу работы Максвелла «Объяснение динамической теории газов» основатель кинетической теории газов Клаузиус сказал: «Вот как нужно писать по теории газов!»

В 1860 году Максвелла пригласили занять место профессора натурфилософии Кингс-колледжа Лондонского университета. Это не значит, что он изменил своему научному методу. Дело в том, что название кафедры сохранялось по традиции с тех пор, когда натуральной философией называли физику. Вспомним, что великий труд Ньютона имел название «Математические начала натуральной философии». Максвелл воспринял научный метод Ньютона, изложенный в этом труде, и пользовался им во всех своих работах.

Признанный главой математической физики, он отдает много времени экспериментам. Работы по измерению вязкости газов он проводил в мансарде своего дома. Его жена помогала ему, исполняя функции истопника, ибо во время опытов нужно было поддерживать постоянную температуру в помещении.

История этого семейного сотрудничества весьма поучительна.

Кинетическая теория газов позволяла Максвеллу вычислить ряд характеристик газов, до того определяемых экспериментально. Все вычисления совпадали с данными опытов до тех пор, пока Максвелл не вычислил коэффициент вязкости текущего газа. Он сделал вывод: этот коэффициент не зависит от плотности газа. Максвелл написал: «Этот вывод из математической теории является крайне поразительным, и единственный опыт, с которым я встретился в этой области, как будто не подтверждает его».

Но Максвелл был глубоко убежден в том, что кинетическая теория газов верна. Ведь она без дополнительных гипотез объясняет множество разнообразных явлений, а все проведенные им ранее вычисления совпадали с опытом. Максвелл не сомневался в том, что известный ему опыт, противоречащий теории, ошибочен. И он решил провести контрольный опыт. А так как вязкость газов сильно зависит от температуры, было необходимо обеспечить постоянство температуры во время опытов.

Опыты блестяще подтвердили теорию.

Максвелл, не прекращая исследований в области кинетической теории газов, возвратился к увлечению молодости, к исследованию проблемы восприятия цветов человеческим глазом. В мае 1861 года он продемонстрировал членам Королевского общества первую в мире цветную фотографию. Конечно, это не была современная цветная фотография или цветной диапозитив — слайд. Цветное изображение возникло на экране в результате наложения изображений трех черно-белых диапозитивов, экспонированных и проектировавшихся через красный, зеленый и синий светофильтры. Работы по восприятию цветов и оптике принесли Максвеллу Румфордовскую медаль Королевского общества.

Максвелл участвовал и в работах комиссии по проверке закона Ома и в создании эталона единицы электрического сопротивления, изготовленного из сплава платины и серебра. Этой единице присвоили название Ом.

БЕЗ МЕХАНИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Переезд в столицу позволил Максвеллу лично познакомиться с Фарадеем, жившим в здании Лондонского Королевского института. Фарадею было 69 лет, здоровье ухудшалось. Память катастрофически слабела. Но он не отказывался от научной работы, лишь все более подробно записывал каждый шаг своих рассуждений. И жаловался: «Моя голова столь слаба, что я не знаю, правильно ли я пишу слова».

Они сблизились. Фарадей с интересом следил за результатами Максвелла, убеждаясь вновь и вновь в мощи его математических методов.

Несомненно, общение с Фарадеем побудило Максвелла продолжить работу в области электричества и магнетизма, прерванную в 1856 году. Он все чаще возвращался к идеям Фарадея и еще при его жизни завершает поставленную ранее задачу — изложить результаты, полученные Фарадеем, на языке математики.

Итоги его труда содержатся в двух статьях: «О физических линиях сил» (1862 г.) и «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864 г.).

В первой из них Максвелл сопоставляет уравнения из его мемуара «О Фарадеевских силовых линиях», с механической моделью, содержащей множество вращающихся ячеек, механически связанных между собой. Здесь он следует общепринятому в то время стремлению объяснить все физические процессы при помощи механики Ньютона.

Во второй — Максвелл приходит к смелому заключению: электромагнитные явления не могут быть сведены к механическим процессам. Механические модели лишь затемняют суть дела. Здесь Максвелл впервые вводит понятие «электромагнитное поле» как объективную реальность, не сводимую к механике.

Если читатель хочет представить себе это поле при помощи чего-то «зримого», он может опереться только на фарадеевские силовые линии. Максвелл, как и Фарадей, считал их реально существующими натяжениями эфира.

В этих двух статьях Максвелл снова сопоставляет полученные ранее двадцать уравнений с опытами Фарадея и со всей совокупностью известных ему электрических и магнитных процессов.

Вот первый шаг: «… наши исследования в настоящее время ограничиваются замкнутыми токами; и мы мало знаем относительно магнитных действий каких-либо незамкнутых токов».

Речь идет об опытах Фарадея с конденсаторами, заряженными при помощи гальванической батареи. Он не считал цепь, содержащую конденсатор, замкнутой. Ведь металлические проводники в ней заканчиваются на обкладках конденсатора. Между металлическими обкладками конденсатора находится диэлектрик, то есть изолятор. Поэтому через цепь с конденсатором невозможно пропустить постоянный ток, как это бывает в цепях, где металлические проводники соединяют один полюс батареи с другим.

Фарадей не сомневался в том, что постоянный электрический ток протекает только по замкнутым проводникам, и называл такие токи замкнутыми. Но он извлек из своих опытов с конденсаторами нечто большее. Он заметил, что при присоединении батареи к конденсатору по соединительным проводам протекает электрический ток. Ток быстро уменьшается и через какое-то время прекращается.

Если исходить из того, что могут существовать только замкнутые электрические токи, то приходится признать, что в течение какого-то времени электрический ток проходит и через диэлектрик, расположенный между обкладками конденсатора. Что же при этом происходит? Фарадей не обсуждал такие вопросы.

Уже в первой из двух статей Максвелл пишет: «Эффект этого действия на всю массу диэлектрика заключается в общем смещении электричества в определенном направлении. Это смещение не достигает степени тока потому, что, когда оно достигает известного значения, оно остается постоянным; но это — начало тока, и его изменения составляют токи в положительном или отрицательном направлении — в зависимости от того, увеличивается ли смещение или уменьшается».

Шаг сделан. Слово сказано: смещение; ток смещения.

Что из того, что Фарадей не сказал этого слова. Но он изучил и, в привычной для него манере, описал опыт с конденсатором.