Текст книги "Статьи и речи"

Автор книги: Джеймс Максвелл

сообщить о нарушении

Текущая страница: 24 (всего у книги 32 страниц)

D

)(½L)=

=-½πκραL curl curl

D

.

(2)

Знак минус получается от того, что curl curl D противоположно кривизне по направлению. Сравнение с (1) даёт соотношение F=½πκρα L. Так как тяга на единицу длины трубки равна 2πρ𝑑ξ/𝑑t×κ, то тягу на единицу объёма F можно записать в виде

F

=2π(𝑑ξ/𝑑t×κ)(½L)=πρL𝑑ξ/𝑑t×κ

(3)

Подставляя это выражение для F в (2), получим

𝑑ξ/𝑑t×κ=-½κα curl curl

D

.

(4)

Теперь рассмотрим криволинейный интеграл от F по замкнутой плоской кривой C (рис. 3). Трубки, перпендикулярные к плоскости рисунка, показаны в сечении кривыми стрелками для обозначения направления циркуляции, причём за положительное направление принято направление против часовой стрелки. Из предыдущих рассуждений ясно, что если некомпенсированная кривизна такова, что трубка 1 дрейфует в C, то трубка 2 имея противоположную циркуляцию, будет дрейфовать из C. Подъёмная сила на каждую трубку направлена вдоль -F, а тяга на жидкость направлена вдоль F.

Рис. 3. Трубки, дрейфующие через кривую С.

Из рис. 3 ясно, что если F должно сохранять преобладающее направление против часовой стрелки, то трубки с положительной циркуляцией будут дрейфовать внутрь C, а трубки с отрицательной циркуляцией будут покидать C, увеличивая таким образом результирующую положительных трубок. Следовательно, криволинейный интеграл F вокруг C связан со скоростью изменения результирующей циркуляции вокруг C. На рис. 3 элемент длины дуги 𝑑r обозначен через F и представлена плоскость (плоскость рисунка), по отношению к которой дрейфующие трубки имеют нормальные составляющие. Число положительных трубок, пересекающих 𝑑r влево в единицу времени, в ξ𝑑r cos θ раз больше числа положительных трубок на единицу площади. Число отрицательных трубок, покидающих C, такое же самое. Отрицательная трубка, покидающая C, есть та же самая в отношении циркуляции C, что и положительная входящая трубка. Компоненты трубки в плоскости рисунка не вносят никакой доли в циркуляцию C. Каждая трубка внутри C вносит 2πκ единиц циркуляции в C, а так как плотность разлагаемых трубок в направлении, нормальном к рисунку, есть ½L то скорость изменения циркуляции вокруг C равна

∂/∂C (circ C) =

∮

2πκ(½L)(ξ𝑑r cos θ).

На основании (3), учитывая, что 𝑑ξ/𝑑t нормально к κ, можно записать

F

𝑑

r

=πρκLξ𝑑r cos θ,

так что

∂/∂t(circ C) = 1/ρ

∮

F

𝑑

r

.

По мере того как размеры контура C становятся малыми (однако недостаточно малыми, для того чтобы были различимы индивидуальные трубки), эти члены, разделённые на площадь, охватываемую C, приближаются к компоненту, нормальному плоскости рисунка

∂/∂t(curl

q

)=1/ρ curl

F

,

(5)

где q – макроскопическая скорость среды (в отличие от микроскопической скорости жидкости).

Теперь напишем q в виде 𝑑D/𝑑t перегруппируем члены в (5). Принимая во внимание (2), получаем

curl

F

= ρ curl ∂²

D

/∂t²,

F

=-G curl curl

D

.

(6)

За исключением некоторых деталей, относящихся к дрейфу, эти уравнения представляют расчленённую форму (1). Теперь определим два новых вектора для того, чтобы ввести дрейф явным образом (выбор символов предусматривает возможность аналогии с электромагнитными полями, как это следует из дальнейшего); пусть из уравнения (3)

∂

E

=∂t=𝑘

₁

(πρL𝑑ξ/𝑑t×

κ

)=𝑘

₁

F

и B=𝑘₂ curl D, где 𝑘₁ и 𝑘₂ – произвольные постоянные. Теперь уравнения (6) принимают вид

curl ∂

E

/∂t = -(𝑘

₁

ρ/𝑘

₁

)∂²

B

/∂t²,

curl

B

= (𝑘

₂

/𝑘

₁

G)∂

E

/∂t.

Если предположить, что установившиеся поля отсутствуют, то интегрирование по времени первого из этих уравнений и приравнивание к нулю даёт аналог вихревых уравнений Максвелла для свободного пространства

curl

E

= -(𝑘

₁

ρ/𝑘

₂

) ∂

B

/𝑑t,

curl

B

= (𝑘

₂

/𝑘

₁

G) ∂

E

/𝑑t

(7)

Так как 𝑘₂ и 𝑘₁ произвольны, то можно выбрать 𝑘₂=ρ𝑘₁ итогда получим

curl

E

= -∂

B

/𝑑t,

curl

B

= (1/c²) ∂

E

/𝑑t

(8)

где c²=G/ρ – квадрат волновой скорости.

Из этого факта, что B есть вихрь вектора, получаем

div

B

= 0.

(8a)

На основании (4) получаем div 𝑑E/𝑑t=0 или div E не зависит от времени. Так как мы предположили, установившиеся поля отсутствуют, то для рассматриваемых частных случаев должно быть

div

E

=0.

(9)

Если выбрать 𝑘₁ безразмерным, то 𝑑E/𝑑t будет иметь размерность силы на единицу объёма, а E – размерность импульса на единицу объёма. Так как curl D безразмерен, то B имеет размерности 𝑘₂ которые при специальном выборе, сделанном для получения уравнения (8), представляют размерность массовой плотности. Волновая скорость должна быть независимой от выбора 𝑘₁ и 𝑘₁ – факт, который подтверждается уравнениями (7).

IV. Заключение

Было показало, что поперечное движение трубок относительно жидкости получается как результат смещений, индуцирующих некомпенсированную кривизну. Это исключает необходимость в «холостых колёсах» и «упругих ячейках» максвелловской модели^48c. Вместе с тем поляризация, вращения и дифференциальные вращения получаются естественным путём, заменяя гипотезу гидростатической устойчивости Мак-Келлога. Как было показано в настоящей статье, уравнения Максвелла также удовлетворяют модели Бернулли, свободной от большей части уродливых особенностей моделей Максвелла и Мак-Келлога.

Симметрию вихревых уравнений Максвелла в том виде, как они применяются к вихревой губке, легко истолковать физически. Первое из уравнений (8), аналог закона Фарадея, утверждает, что накопленная завихрённость, создаваемая дрейфом, определяет скорость вращения среды; второе уравнение утверждает, что дифференциальное вращение определяет дрейф. Очевидно, дрейф и сопутствующие ему структурные изменения являются теми свойствами вихревой губки, которые резко отличают её от упругих твёрдых тел. У последних члены, соответствующие 𝑑E/𝑑t, отсутствуют.

Так как эти представления не могут быть проверены наблюдением, то они не обладают физической реальностью. Цель настоящей статьи не в том, чтобы предположить, что Вселенная наполнена эфиром со свойствами, описанными в этой статье. Однако эта статья трактует об эфире и, следовательно, относится к истории развития физики.

Для того чтобы рассматривать задачи математической физики, часто необходимо и почти всегда полезно использовать модель, основное значение которой именно в том, что она полезна в рассматриваемом случае. В этом отношении рассматриваемые понятия относятся к теоретической физике. Следует упомянуть, что польза этой модели не исчерпывается выводом уравнений Максвелла.

Приложение 1. Векторная природа трубок

Для некоторых целей можно разлагать длины трубок подобно векторам – метод, полезный для наглядности.

Длинный круговой цилиндр с циркуляцией 2πκ и поперечной скоростью ξ в жидкости с плотностью ρ подвергается действию подъёмной силы 2πκρξ на единицу длины. И, наоборот, этот цилиндр развивает тягу в противоположном направлении такой же величины на жидкость. Рассмотрим трубку длиной l, где l=il_x+jl_y+kl_z, причём направление совпадает с направлением κ. Пусть 𝑑ξ/𝑑t – скорость дрейфа. Только компонента 𝑑ξ/𝑑t, нормальная к l связана с тягой f, т. е. f=2πκρ𝑑ξ/𝑑t×l.

Рассмотрим теперь тягу, создаваемую трубкой длиною l_y вдоль оси y с вертикальным дрейфом ξ и другую трубку длиною l_z вдоль оси z с горизонтальным дрейфом. Комбинированная тяга параллельна оси x и по величине равна 2πκρ(ξ_yl_z-ξ_zl_y), т.е. точно равна компоненте x силы ƒ. Поэтому отрезки трубок можно разлагать подобно векторам для расчётов тяги, создаваемой дрейфом.

Индуцированная скорость в точке P, создаваемая элементом объёма 𝑑V в Q с завихрённостью ζ_Q равна 𝑑q_P=(𝑑V/4πr³)×ζr, где r – вектор, направленный из Q в P. Для элемента длиною 𝑑l круговой вихревой трубки радиуса α и циркуляции 2πκ произведение ζ_Q𝑑V можно записать в другой форме, заметив, что угловая скорость трубки равна ½ζ_Q, так что скорость на поверхности трубки равна ½ζ_Qα. Но эта скорость равна также κ/α, что учитывая, что 𝑑V=πα²𝑑l, даёт

ς

_Q

=(2κ/α²),

ζ

_Q

𝑑V=(2κ/α²)πα²𝑑

l

=2πκ𝑑

l

Так как 𝑑l можно разложить, то отсюда следует, что скорость, индуцируемая элементом вихревой трубки, такая же самая, как и скорость, индуцируемая её компонентами.

Когда все элементы трубки в единице объёма разложены вдоль x, y, z, то длина разложенной трубки вдоль каждой координаты составляет половину полной длины трубки в этом объёме. Это следует из того факта, что для сферически симметричного распределения единичных векторов среднее значение каждого направляющего косинуса равно ½.

Приложение 2. Кинематика изогнутых трубок

Как было показано^48d, изолированное вихревое кольцо кругового сечения с хорошим приближением перемещается со скоростью

v=

1

2

Kc

⎡

⎣

ln(8/ac)-

1

4

⎤

⎦

,

где c – кривизна кольца, а a – радиус поперечного сечения в предположении, что этот радиус мал по сравнению с радиусом кольца. Направление v совпадает с направлением κ×c, где c – векторная кривизна. Вторым членом в скобках можно пренебречь, так как и a, и c крайне малы по сравнению с единицей.

Рассмотрим теперь сечение трубки с кривизной c. Если c достаточно мало, то индуцированная скорость жидкости в этом сечении, происходящая от отдалённых частей трубки, будет оказывать пренебрежимо малое действие, так что скорость продвижения будет почти такой же, как и у кругового вихревого кольца той же кривизны. Ради простоты рассмотрим трубки, направленные вдоль оси y с малой кривизной с по отношению к положительной оси x. Эти трубки будут смещаться в направлении отрицательных z со скоростью v. Если добавить к с малое увеличение кривизны Δc также вдоль оси x, то скорость станет

v+Δv=½κ(c+Δc)ln[8/a(c+Δc)].

Если Δc достаточно мало, то можно пренебречь степенями Δc/c высшими, чем первая, и разложить правую часть в виде

v+Δv=½κc ln (8/ac)+

⎡

⎣

1

2

κ ln (8/ac)

⎤

⎦

Δ

c=

v+α'

Δ

c, где α=

1

2

κ ln (8/ac).

В нейтральной среде v столь же часто отрицательна, как и положительна, так что макроскопические направляющие эффекты в среднем равны нулю. Кривизна c для различных трубок различна, а также различна для одного и того же элемента трубки в различные моменты времени, так что необходимо воспользоваться средним значением для α', которое определяется как коэффициент дрейфа α. Если к каждой трубке добавляется кривизна Δc в том же самом направлении, то можно, после взаимного уничтожения членов v, написать

Δv=αΔc.

Скорость Δv в направлении -z определяется как дрейф. Поскольку тяга, создаваемая этой скоростью, одинаково направлена для всех трубок, она создаёт макроскопический направляющий эффект.

Приложения

Джемс Клерк Максвелл

Наука захватывает нас только тогда, когда, заинтересовавшись жизнью великих исследователей, мы начинаем следить за историей развития их открытий.

Максвелл

Его отец, Джон Клерк, принявший фамилию Максвелл, принадлежал к знатному шотландскому роду Клерков из Пеникуика. Среди представителей этого рода были горнопромышленники, купцы, политические деятели, музыканты, поэты, судьи... Членом коллегии адвокатов числился и сэр Джон, по, по его словам, он «питал неприязнь к грязным адвокатским делишкам» и юриспруденцией не занимался. Молодость его прошла в Эдинбурге, бывшем тогда средоточием культурной жизни Шотландии, за что его несколько выспренне именовали «Северными Афинами». Сар Джон любил путешествовать, вёл дневники наблюдений, был отличным метальщиком ядра. С необычным для человека его круга интересом следил он за развитием промышленности, за техническими новшествами (особенно в области паровых машин) и даже сам ставил эксперименты. Так, он пытался сконструировать воздуходувные мехи, дающие постоянный ток воздуха. Он посещал заседания Эдинбургского Королевского общества и опубликовал несколько научных статей на темы прикладного характера. После смерти матери сэр Джон женился на дочери судьи шотландского адмиралтейства Кея, находившегося в дружеских отношениях с самим Вальтером Скоттом. Франсеза была старше мужа на шесть лет. Женщина хозяйственная, предприимчивая, решительная, она была близка ему и по духу. В частности, она разделяла его тягу к деревенской жизни. После того как умерла их маленькая дочь, они решили покинуть Эдинбург. В своё время сэр Джон унаследовал старое поместье Миддлби – на западном побережье, в двух днях езды от столицы. Оно состояло из фермы и вересковой пустоши, каменистую землю покрывали мхи, но Максвеллы верили, что создадут здесь райский уголок. Часть земли обменяли, прикупили новой. Построенный по проекту хозяина двухэтажный, из темно-серого камня дом стоял на возвышенности, около того места, где ручей, вытекавший из торфяника, впадал в Ор. На склоне, у ручья, разбили сад. Так Миддлби превратилось в Гленлэр—«берлога в узкой лощине». Холмистые берега Ора были покрыты лесом; купы деревьев защищали дом от ветров. Милях в восьми находился Солуэй-Ферт – залив Ирландского моря.

13 июня 1831 г. у Максвеллов в Эдинбурге, родился сын Джемс. И, хотя была готова только часть дома, семья переехала в Гленлэр. Через три года мать Джемса, в присущей ей юмористической манере, писала сестре: «Мастер Джемс – счастливейший человек, у него по горло работы с дверями, замками, ключами. Кроме того, он исследует изгороди, течение ручьёв, путь воды из пруда в Ор, а затем в море, где плавают корабли... Что касается колокольчиков, то – можно не опасаться – они у нас не заржавеют!..» Льюис Кемпбелл, друг и биограф Максвелла, сообщает, что одним из самых первых воспоминаний Джемса было такое: он лежит возле дома в траве и с изумлением рассматривает Солнце. Однажды ему дали поиграть с новой оловянной тарелкой. Выбежав во двор, он торжествующе возвестил: «Это Солнце, папа! Я поймал его в оловянную тарелку!» Многие подробности мы узнаем из записных книжек сэра Джона. Многие сцены запечатлены на рисунках Джемимы, старшей кузины Джемса, способной художницы: вот они с отцом дрессируют собаку; вот он плывёт, под присмотром взрослых, в бадье по пруду; вот он на деревенской вечеринке, но внимание его привлекают не танцующие, а смычок скрипача... Этот черноволосый и черноглазый мальчик был смел и ловок. Он лазал по деревьям, удил рыбу, бродил по окрестностям. В играх он отличался неистощимой изобретательностью. Практичный отец снабдил его особым шестом-ходулей. Мальчик научился владеть им виртуозно: прыгал через изгороди и ручьи, взбирался на обрывы и крыши. Он всегда был чем-нибудь занят. Он очень любил переделывать вещи, улучшать их, это его захватывало, подогревало его фантазию. В непогоду он с кузенами и деревенскими ребятами мастерил игрушки, рисовал, плёл из лозы корзинки. Джемс даже научился вышивать и вязать, сам придумывал и рисовал узоры. У него был точный глаз и на редкость умелые руки. Так начинался будущий великий экспериментатор.

Мальчик любил мечтать, был наблюдателен. Природа всегда производила на него глубокое впечатление. «Как? почему? зачем?» – он осаждал всех своими вопросами. Он присматривался к цветам и оттенкам. («Этот камень синий, но откуда известно, что он – синий?») Он наблюдал за повадками животных, переносил с места на место осиные гнёзда, мог часами смотреть, как прыгают и плавают лягушки, любил их песни. Чтобы лучше расслышать «тихий голос» лягушат, он брал их в рот. Он испытывал какую-то особую нежность ко всему живому и пронёс её через всю жизнь. Так складывался будущий великий естествоиспытатель.

Вскоре он пристрастился к чтению. Они с матерью читали Библию, Мильтона, распевали псалмы и баллады. Так в нём пробуждался поэт.

Чем старше становился Джемс, тем больше крепла его дружба с отцом. Сэр Джон с удовольствием и с практической основательностью хозяйничал в своём имении. Сельская жизнь родовитых шотландцев ещё отличалась тогда клановой замкнутостью, но отцу Джемса, человеку передовому и общительному, это было не по душе. Он был усерден в делах графства, принимал участие в политическом движении на стороне консерваторов и совершенно был чужд снобизма. Он не прочь был пофилософствовать, любил шутку и острое словцо. Вещи, сделанные его руками, были грубоваты и долговечны. Его тупоносые башмаки шились деревенским сапожником по его указаниям и из куска кожи, выбранного им самим. Много внимания он уделял воспитанию сына. В летние дни Джемс на своём пони повсюду следовал за фаэтоном отца. Он наблюдал, как грузят на телегу снопы, как работают машины и механизмы. Навещая Пеникуик, принадлежавший старшему брату сэра Джона, они с отцом шли на соседнюю бумажную фабрику. Сэр Джон, случалось, говаривал: «Дико напрасная работа!» так он осуждал то, что делалось необдуманно и бесцельно. Отцовскую «формулу» Джемс помнил потом всегда. Он говорил, что иметь мудрых и добрых родителей – величайшая удача в жизни.

Характеризуя Англию того времени, Энгельс писал: «60– 80 лет тому назад Англия была страной, похожей на всякую другую, с маленькими городами, с незначительной и мало развитой промышленностью, с редким, преимущественно земледельческим населением. Теперь это – страна, непохожая ни на какую другую, со столицей в 2½ миллиона жителей, с огромными фабричными городами, с индустрией, снабжающей своими изделиями весь мир и производящей почти все при помощи чрезвычайно сложных машин, с трудолюбивым, интеллигентным, густым населением, две трети которого заняты в промышленности...»^48e

С середины 30-х годов в Англии развернулось чартистское движение – первое массовое, политически оформленное революционное движение английского пролетариата, оказавшее большое влияние на общественное развитие страны.

В 1837 г. на престол взошла 18-летняя Виктория, внучка Георга III, которая царствовала, как некогда Людовик XIV, утомительно долго – до 1901 г. Эпоха «старушки Виктории» (так величали королеву историки) ознаменовалась упадком значения королевской власти, ростом могущества буржуазии, усилением эксплуатации трудовых людей и беспощадным ограблением колоний, прежде всего – Индии.

В декабре 1839 г. Джемс потерял мать. Она мужественно согласилась на тяжёлую операцию, но не перенесла её.

В университет его хотели готовить дома. Был приглашён юноша с хорошими рекомендациями, отсрочивший для этого свои занятия в колледже. Но осенью 1841 г. отец решил определить сына в Эдинбургскую академию – учебное заведение типа классической гимназии. В академию мальчика привели в гленлэрском платье из серого твида, которое сэр Джон считал чрезвычайно «гигиеничным»; на грубых башмаках с квадратными носами блестели медные пряжки. Это было упущение. Новичка, явившегося во второй класс на втором месяце занятий да ещё в таком одеянии, сразу же взяли в оборот. Домой он вернулся в синяках, в изорванной одежде. Однако сладить с ним, видимо, было не просто, его сразу прозвали «бешеным». Постепенно он завоевал уважение своей отвагой, неимоверной силой рук и необыкновенной, непонятной какой-то добротой.

Первые школьные годы были для Джемса мучительны. После сельского приволья все в академии было ему постыло. В младших классах сидело по шестьдесят сорванцов, справиться с которыми учителям едва удавалось. Для арифметики у Джемса, говорили, не хватало находчивости. Да и вообще он не мог похвалиться успехами, к занятиям относился скептически, а кроме того много болел. К пятому классу он выучил восемьсот неправильных греческих глаголов и научился сочинять латинские стихи. В письмах к отцу появились и его собственные стихотворные опыты, за которые он вскоре получил приз. Он с увлечением декламировал товарищам Бёрнса, он полюбил смотреть пьесы Шекспира. Жил он у тётки. Кузина Джемима, кончавшая художественную школу, давала ему уроки гравирования. Отцу Джемс сообщал не столько о своих учебных делах, сколько о развлечениях, об успехах в плавании, например. «Я плаваю, как наши гленлэрские лягушки!» По Гленлэру он очень скучал. «Как поживают травы, кустарники и деревья? коровы, овцы, лошади, собаки и люди?»

Интерес к учёбе у него пробуждался медленно. Известный английский физик Питер Тэт, шедший классом ниже, вспоминал потом, что товарищи считали Максвелла застенчивым и тупым. В свободное время избегая шумных компаний, он читал старинные баллады, Дрейтона, Свифта, рисовал какие-то диаграммы и конструировал механические модели. В пятом классе стали проходить геометрию, и он вдруг увлёкся. Он сообщал отцу: «Я сделал тетраэдр, додекаэдр и два других эдра, названия которых ещё не знаю». Геометрия словно бы расковала силу его ума. Максвелл становится не просто первым, а самым блестящим учеником академии. Один из его товарищей рассказывает: «Я помню, ...наш учитель трижды заполнял чёрную доску решением одной сложной задачи по стереометрии; едва он успел закончить, как Максвелл задал вопрос: нельзя ли эту задачу решить геометрическим путём? И показал, как при помощи одной фигуры и нескольких линий немедленно получалось решение».

Скучая без сына, сэр Джон частенько наезжал в Эдинбург. 12 февраля 1842 г. они с Джемсом осматривали новинку – электромагнитную машину. Они бывали на строящейся железной дороге, в порту... Иногда отец брал сына на заседания Королевского общества. Там во время обсуждения доклада о форме этрусских погребальных урн учёные мужи однажды затронули вопрос – как построить совершенно правильный овал? Джемс заинтересовался задачей и остроумно решил её. Попутно он придумал простое устройство для вычерчивания овальных кривых и эллипсов посредством куска связанной нити и двух воткнутых в картон (в точках фокусов) булавок; этот способ употребителен и поныне. Своё сочинение Джемс назвал «О черчении овалов и об овалах со многими фокусами». Подростка в курточке немыслимо было выпустить на кафедру перед чопорным учёным собранием. Поэтому работу юного Максвелла представил профессор Форбс. Это произошло 16 апреля 1846 г. Сэр Джон записал в своей памятной книжке: «Он был выслушан с большим вниманием и одобрением». Работа была опубликована в «Трудах» общества.

В то время Максвелл уже всерьёз интересовался наукой; особенно занимали его магнетизм и поляризация света. В последнем, пожалуй, повинен Уильям Николь, профессор Эдинбургского университета, изобретатель поляризационной призмы – «николя» (1828). Как-то дядя Джемса, Джон Кей, взял племянника и Кемпбелла в гости к Николю, который показал им несколько опытов с поляризованным светом. После того Джемс сконструировал полярископ и занялся исследованием фигур, получающихся при просвечивании кусков неотожженного стекла и кристаллов. Наиболее интересные фигуры он нарисовал акварелью и послал Николю. Он был щедро вознаграждён: учёный подарил ему пару призм собственноручного изготовления. Они Максвеллу долго потом служили.

Своего классического образования он не завершил: осенью 1847 г., по совету Николя, Форбса и других профессоров, он был отдан в Эдинбургский университет. В английских университетах ещё жива была традиция предоставлять студентам большую свободу в организации своего обучения. Студенты имели возможность выбирать предметы, следуя собственным склонностям. Но свобода в деле обучения – это одно, второе и – главное – это желание и умение по-деловому её использовать. Максвелл увлекается опытами по оптике, химии, магнетизму, штудирует книги по механике и физике, много времени проводит в математических размышлениях. Мисс Кей, его тётке, нередко за столом приходилось восклицать: «Джемси, ты опять погрузился в математику!» Видя непреодолимую тягу сына к науке, сэр Джон устроил в Глеплэре физико-химическую лабораторию. Теперь, приезжая на каникулы, Джемс не прерывал занятий. В марте 1850 г. он писал одному из друзей: «Я прочёл «Лекции» Юнга, «Принципы механики» Уиллиса, «Технику и механику» Мозли, «Теплоту» Диксона, и «Оптику» («Repertoire d’optique») Муаньо... У меня имеются кое-какие намерения относительно кручения проволок и стержней, но привести их в исполнение не удастся до каникул; с количественными результатами экспериментов по сжатию стекла, желатина и т. п. дело сделано; далее идут вопросы о связи между оптическими и механическими постоянными, о желательности их определения и т. д., затем висячие мосты, ценные линии, упругие кривые». Максвелл основательно углубился в теорию упругости. В том же году он (на сей раз уже сам!) прочитал перед Королевским обществом свой доклад «О равновесии упругих тел». Он доказал важную в теории упругости и в строительной механике теорему (она стала называться «теоремой Максвелла») и занялся исследованием законов вращения твёрдого тела. Эту серьёзную работу, включая сюда и оптический метод анализа напряжений в поляризованном свете, он выполнил на пороге своего 19-летия.

Летом 1850 г. Джемс отправился в Бирмингем навестить друга Вдогонку отец прислал письмо, содержавшее обширнейшую программу действий. «Ознакомься, если можешь,– писал отец,– с работой оружейников, производством пушек и с их испытаниями, с производством холодного оружия и его испытанием; с папье-маше и лакированием; с серебрением путём цементации и путём накатки; с серебрением электролитическим способом – на заводе Элкингтона; с плавкой и штампованием – на заводе Брэзиера, с обточкой и изготовлением чайников из белого металла и т. п.; с производством пуговиц различных сортов, стальных перьев, иголок, булавок и всевозможных мягких предметов, которые очень интересно изготовляются путём разделения труда и при помощи остроумных инструментов; к местной промышленности относится и производство разных сортов стекла, а также и литейное дело всех видов, производство машин, инструментов и приборов (оптических и научных) как грубых, так и тонких». Это письмо свидетельствует не только о том, что шотландский лендлорд всерьёз и глубоко интересовался техническим прогрессом, но и о том, как высоко он ценил деловые качества сына. Нет сведений, сколь полно сын выполнил поручение отца, но известно, что начал оп со стекольного производства и, видимо, не без лично своего к тому интереса...

Он уже бесповоротно решил посвятить себя науке, физике. Потом он скажет: «Мы всегда чувствуем себя увереннее, когда имеем дело с физикой». И даст ей такое определение: «Физика есть тот отдел познания, который изучает господствующий в природе порядок или, другими словами, правильную последовательность событий». Он отчётливо осознал, что принадлежит к тому сорту людей, для которых «момент, энергия, масса не являются просто абстрактным выражением результатов научного исследования. Эти слова имеют для них глубокое значение и волнуют их душу, как воспоминания детства».

Эдинбургский университет его уже не удовлетворял, хотелось вырваться в мир более широкий. Осенью 1850 г. он перевёлся в Кембриджский университет, в знаменитый Тринити-колледж, откуда вышли многие английские физики, в том числе Ньютон, и который славился высоким уровнем преподавания математических дисциплин. Англия – страна традиций. В Тринити-колледже сохранился не только прежний дух, по и прежний уклад жизни. Физику по старинке именовали натуральной философией, и как самостоятельная наука она не преподавалась. Оптика была частью математики, а некоторые главы теплоты входили в химию. На что тогда нацеливали студентов-натурфилософов? По свидетельству Артура Шустера, им сплошь да рядом внушалось, что, за исключением чисто теоретических работ, принести исследователю имя может только усовершенствование методов измерения; «что все главнейшие факты в природе уже известны, что шансы сделать большое экспериментальное открытие ничтожно малы и что поэтому задача экспериментатора состоит в разрешении споров между соперничающими теориями или в нахождении незначительных остаточных явлений, которые могут добавить более или менее важные подробности к теории». Максвелл к таким советам относился с презрением.

Питер Тэт, перешедший из Эдинбургского университета в Тринити-колледж двумя годами ранее, вспоминает, что в Кембридж Максвелл прибыл с огромным (даже безотносительно к его возрасту) запасом знаний, однако эти знания «находились в состояния такого беспорядка, что это привело в ужас его руководителя-методиста» У. Гопкинса, пользовавшегося репутацией лучшего репетитора колледжа. Он готовил Максвелла к специальному экзамену по математике и быстро распознал таланты этого, несколько эксцентричного черноволосого шотландца с бледным девичьим лицом и с горячими чёрными глазами. «Это был самый экстраординарный человек, которого я когда-либо видел,– вспоминал Гопкинс.– Он органически был неспособен думать о физике неверно».

Помимо математики, Максвелл изучает механику, астрономию, физику. В учебных курсах, естественно, излагались господствовавшие тогда физические теории. Но Максвелл не оставляет без внимания и противоположные им учения, проявляя в этом большую самостоятельность. Так, он начал изучать «Экспериментальные исследования по электричеству» Фарадея и был покорён их глубиной и мощью. «Я решил,– писал он,– не читать ни одного математического труда из этой области, покуда не изучу вполне основательно «Экспериментальных исследований по электричеству»». Учение Фарадея не только определило направление деятельности молодого Максвелла, но и привело его вскоре к величайшим открытиям столетия...

Кембридж славился и своей богатой библиотекой. Максвелл много и жадно читает. Читал он быстро, легко схватывая содержание и так же легко переключаясь с предмета на предмет; у него была прекрасная память. Монтень сказал: самые лучшие дарования губятся праздностью. Максвелл отличался прилежанием и работоспособностью. При незаурядном уме это сулило многое. Прочитанные им книги далеко выходят за рамки учебной программы. Немало тут и философских, и художественных произведений. Английская литература переживала тогда расцвет: только что вышла «Ярмарка тщеславия» Теккерея, Диккенс опубликовал «Домби и сына» и писал свой восьмой роман – «Давид Копперфильд». Максвелл близко сошёлся с наиболее талантливой молодёжью и с интересом участвовал в общественной жизни. Он оказался весёлым и остроумным собеседником, неистощимым на выдумки, никогда не устававшим от проказ и шуток, проповедником разного рода теорий, подчас казавшихся странными. Необычен и его режим тех лет. Спал он в два приёма. Первый сон – от пяти до половины десятого вечера. С десяти до двух ночи он занимался. Затем делал получасовую разминку – бегал (к неудовольствию тех, у кого чуткий сон) по коридорам и лестницам жилого корпуса. От половины третьего до семи снова спал.

В январе 1854 г. Максвелл держал экзамен, к которому его готовил Гопкинс, и занял второе место, что было блестяще. Кончив университет и получив степень магистра, Максвелл был оставлен в качестве члена Тринити-колледжа для подготовки к профессорскому званию. Оп читал лекции по гидравлике и оптике, а в свободное время завершал свои прежние эксперименты по теории цветов. Он выступал как продолжатель теории Юнга, его теория была близка к теории трёх основных цветов Гельмгольца. Изучая смешение цветов, Максвелл применил особый волчок, диск которого был разделён на сектора, окрашенные в различные цвета («диск Максвелла»), При быстром вращении волчка создавалось впечатление, что цвета смешивались: если диск был закрашен так, как расположены цвета спектра, он казался белым; если одну половину его закрашивали красным, а другую жёлтым – он казался оранжевым; смешение синего и жёлтого создавало впечатление зеленого. Различные комбинации давали различные оттенки. Все было просто и убедительно. Несколько позже Максвелл с успехом демонстрировал этот прибор на своих лекциях в Королевском обществе.