Джеймс Клерк Максвел: життєвий шлях і наукові здобутки в природознавстві

1.9 «Демон Максвелла» - втілення у літературі

У науці, як і в художній літературі, зустрічаються фантастичні персонажі. Мабуть, найбільше їх було вигадано у процесі обговорення другого початку термодинаміки. Найпопулярнішим з них став демон Максвелла, якого придумав Джеймс Кларк Максвелл, автор знаменитої системи рівнянь Максвелла, повністю описує електромагнітні поля. Другий початок (або закон) термодинаміки має безліч формулювань, фізичний зміст яких ідентичний: ізольована система не може мимовільно переходити з менш упорядкованого стану в більш впорядкований. Так, газ, що складається з молекул, що рухаються з різними швидкостями, що не може мимовільно розділитися на дві частини, в одній з яких зберуться молекули, що рухаються, в середньому, швидше середньостатистичної швидкості, а в іншій-повільніше.

Багато фізичних процесів відносяться до категорії оборотних. Воду, наприклад, можна заморозити, а отриманий лід знову розтопити, і ми отримаємо воду в колишньому обсязі і стані; залізо можна намагнітити, а потім розмагнітити і т.п. При цьому ентропія (ступінь впорядкованості) системи в початковій і кінцевій точці процесу залишається незмінною. Є й незворотні в термодинаміці розуміння процеси-горіння, хімічні реакції і т.п. Тобто, відповідно до другого початку термодинаміки, будь-який процес у результаті приводить або до збереження, або до зниження ступеня впорядкованості системи. Така дисгармонійна ситуація сильно спантеличила фізиків другої половини XIXстолетія, і тоді Максвелл запропонував парадоксальне рішення, що дозволяє, здавалося б, обійти другий початок термодинаміки і звернути неухильне зростання хаосу в замкнутій системі. Він запропонував наступний «уявний експеримент»: уявімо собі герметичний контейнер, розділений надвоє газонепроникної перегородкою, в якій є єдина дверцята розміром з атом газу. На початку досвіду у верхній частині контейнера міститься газ, а в нижній-повний вакуум.

Тепер уявімо, що до дверцят приставлений якийсь мікроскопічний вахтер, пильно стежить за молекулами. Швидким молекулам він дверцята відкриває і пропускає їх за перегородку, в нижню половину контейнера, а повільні залишає у верхній половині. Зрозуміло, що якщо такий міні-вахтер буде чергувати біля дверцят досить довго, газ розділиться на дві половини: у верхній частині залишиться холодний газ, що складається з повільних молекул, а в нижній накопичиться гарячий газ із швидких молекул. Тим самим система впорядкується в порівнянні з вихідним станом, і другий початок термодинаміки буде порушено. Мало того, різницю температур можна буде використовувати для отримання роботи (принцип Карно). Якщо такого вахтера залишити на чергуванні навічно (або організувати змінне чергування), ми отримаємо вічний двигун. Цей кумедний вахтер, якому дотепні колеги вченого дали прізвисько «демон Максвелла», до цих пір живе в науковому фольклорі і хвилює уми вчених. Дійсно, вічний двигун людству б не пошкодив, але от лихо: судячи з усього, щоб демон Максвелла заробив, йому самому потрібно енергоживлення у вигляді припливу фотонів, необхідних для освітлення наближаються молекул і їх просіювання. Крім того, просіваючи молекули, демон і дверцята не можуть не вступати з ними у взаємодію, в результаті чого вони самі будуть неухильно отримувати від них теплову енергію і нарощувати свою ентропію, в результаті чого сумарна ентропія системи все одно зменшуватися не буде. Тобто таким поясненням теоретична загроза другому початку термодинаміки була відведена, але не беззастережно.

Перший по-справжньому переконливий контраргумент був сформульований незабаром після зародження квантової механіки. Для сортування молекул демону потрібно вимірювати їх швидкість, а зробити це з достатньою точністю він не може в силу принципу невизначеності Гейзенберга. Крім того, в силу цього ж принципу він не може точно визначити і місцезнаходження молекули в просторі, і частина молекул, перед якими він відкриває мікроскопічні дверцята, з цією дверцятами розминутися. Іншими словами, демон Максвелла на перевірку виявляється макроскопічними слоном у посудній лавці мікросвіту, який живе за власними законами.

Інший вагомий аргумент проти можливості існування демона-вахтера з'явився вже в комп'ютерну еру. Припустимо, що демон Максвелла-це комп'ютерна автоматизована система управління відкриванням дверцят. Система робить побутову обробку вхідної інформації про швидкість і координати наближання молекул. Пропустивши або відхиливши молекулу, система повинна зробити скидання колишньої впорядкованої інформації-а це рівносильно підвищенню ентропії на величину, рівну пониженню ентропії в результаті упорядкування газу при пропущенні або відхилення молекули, інформація про яку стерта з оперативної пам'яті комп'ютерного демона. Сам комп'ютер, до того ж, також гріється, так що і в такій моделі в замкнутій системі, що складається з газової камери і автоматизованої пропускної системи, ентропія не зменшується, і другий закон термодинаміки виконується.

2. Наукові здобутки Д.К. Максвела в природознавстві

В областях, що не мають відношення до його предмету, Максвелл також намагався отримати міцні знання. Пізніше, вимагаючи, щоб освіта молодих дослідників природи не обмежувалося будь-яким спеціальним предметом, він спирався на власний досвід. Для поглибленого розуміння проблем природознавства він вважав необхідним вивчення філософії, історії науки і естетики.

Перша велика робота Максвелла - «Про фарадеевих силових лініях» - з'явилася в 1855 році. Больцман, через 14 років видав цей твір німецькою мовою в «Оствальдовскіх класиків», підкреслив у своїх примітках, що вже ця перша стаття Максвелла разюче глибока за змістом і дає уявлення про те, як планомірно підходив до роботи молодий фізик.

Больцман вважав, що в області гносеологічних питань природознавства вплив Максвелла було настільки ж визначальним, як і в теоретичній фізиці. Всі тенденції розвитку фізики в наступні десятиліття були вже ясно позначені в першій статті Максвелла і часто навіть наочно пояснювались тими ж порівняннями. Вони багато в чому збігалися зі сформованими пізніше поглядами Кірхгофа, Маха і Герца.

Поряд з вивченням електродинаміки молодий вчений займався також експериментальними дослідженнями фізіології колірного зору. Одними з перших його досліджень були роботи з фізіології та фізики кольорового зору та колориметрії (1852-72). У 1861 році Максвелл вперше демонстрував кольорове зображення, отримане від одночасного проектування на екран червоного, зеленого і синього діапозитивів, довівши цим справедливість трикомпонентної теорії кольорового зору і одночасно намітивши шляхи створення кольорової фотографії. Він створив один з перших приладів для кількісного вимірювання кольору, який отримав назву диска Максвелла.

У 1831, в рік народження Максвелла, М. Фарадей проводив класичні експерименти, які привели його до відкриття електромагнітної індукції. Максвелл приступив до дослідження електрики і магнетизму приблизно 20 років опісля, коли існували два погляди на природу електричних і магнітних ефектів. Такі вчені, як А. М. Ампер і Ф. Нейман, дотримувалися концепції дальнодії, розглядаючи електромагнітні сили як аналог гравітаційного тяжіння між двома масами. Фарадей був прибічником ідеї силових ліній, які з'єднують позитивний і негативний електричні заряди або північний і південний полюси магніту. Силові лінії заповнюють весь довколишній простір (поле, по термінології Фарадея) і обумовлюють електричні і магнітні взаємодії. Дотримуючись гіпотези Фарадея, Максвелл розробив гідродинамічну модель силових ліній і висловив відомі тоді співвідношення електродинаміки на математичній мові, відповідному механічним моделям Фарадея. Основні результати цього дослідження відображені в роботі «Фарадеєві силові лінії» (Faraday's Lines of Force, 1857). У 1860-1865 Максвелл створив теорію електромагнітного поля, яку сформулював у вигляді системи рівнянь (рівняння Максвелла), що описують основні закономірності електромагнітних явищ: 1-е рівняння виражало електромагнітну індукцію Фарадея; 2-е - магнітоелектричну індукцію, відкриту Максвеллом і засновану на уявленнях про токи зміщення; 3-є - закон збереження кількості електрики, 4-е - вихровий характер магнітного поля.

Продовжуючи розвивати ці ідеї, Максвелл прийшов до висновку, що будь-які зміни електричного і магнітного полів повинні викликати зміни в силових лініях, пронизливих довколишній простір, тобто повинні існувати імпульси (або хвилі), що поширюються в середовищі. Швидкість поширення цих хвиль (електромагнітного обурення) залежить від діелектричної та магнітної проникності середовища і дорівнює відношенню електромагнітної одиниці до електростатичної. За даними Максвелла і інших дослідників, це відношення становить 31010 см / с, що близько до швидкості світла, виміряної семи роками раніше французьким фізиком А. Фізо. У жовтні 1861 Максвелл повідомив Фарадею про своє відкриття: світло - це електромагнітне обурення, що поширюється в непровідному середовищі, тобто різновид електромагнітних хвиль. Цей завершальний етап досліджень викладений в роботі Максвелла «Динамічна теорія електромагнітного поля» (Treatise on Electricity and Magnetism, 1864), а підсумок його робіт по електродинаміці підвів знаменитий Трактат про електрику і магнетизм (1873).

У своїх поясненнях до німецького видання цього твору в «Оствальдовських класиках» Больцман писав: «Те враження, яке ми отримуємо, дивлячись в перший раз мають для всього нашого природничонаукового світогляду революціонізуюче значення рівняння, збільшується ще тим, що Максвелл не говорить ні слава про їх ролі, яку він, напевно, припускав, навіть якщо він не так ясно бачив, як ми бачимо зараз ». Примітна при цьому скромна простота, «з якою Максвелл показує, з якими труднощами він поступово пробирався вперед».

Кавендішська лабораторія поклала в Англії початок традиції досліджень в області експериментальної фізики. Це мало велике значення для подальшого розвитку міжнародної експериментальної фізики, і особливо для підготовки атомного століття. Після Максвелла нею керували такі дослідники, як Релей, Дж. Дж.Томсон і Резерфорд, укріпивши і помноживши її славу. Багато фізиків-атомники в молоді роки вдосконалювали в Кавендішській лабораторії свою освіту, в їх числі Макс Борн, Нільс Бор, П. Л. Капіца.

За час своєї професури в Кембриджі Максвелл опублікував чимало значних робіт. У 1871 році з'явилася «Теорія теплоти», в 1873 році вийшов фундаментальний двотомний підручник - «Трактат з електрики і магнетизму». У цій праці Максвелл зібрав і узагальнив результати своїх досліджень електромагнетизму. У маленькій роботі «Субстанція і рух» (1876), яка була задумана як введення у вивчення фізичної науки, він у простій формі, не вдаючись до вищої математики, повідомляє читачеві основи класичної фізики.

Починаючи з 1875 року Максвелл багато часу і сил витратив на розшифровку рукописів Генрі Кавендіша. Роботам з теорії електрики він приділяв при цьому особливу увагу. Завдяки його схильності до занять історією природознавства принаймні частину наукового архіву великого англійського натураліста другої половини XVIII століття, який сам опублікував лише небагато, стала надбанням потомства.

Найбільшим науковим досягненням Джеймса Максвелла є створена ним у 1860-1865 роках теорія електромагнітного поля, яку він сформулював у вигляді системи кількох рівнянь (рівняння Максвелла), виражають всі основні закономірності електромагнітних явищ (перші диференціальні рівняння поля були записані Максвеллом у 1855-1856 роках ). У своїй теорії електромагнітного поля Максвелл використовував (1861) нове поняття - струм зміщення, дав (1864) визначення електромагнітного поля і передбачив (1865) новий важливий ефект: існування у вільному просторі електромагнітного випромінювання(електромагнітних хвиль) і його поширення в просторі зі швидкістю світла . Останнє дало йому підставу вважати (1865) світло одним з видів електромагнітного випромінювання (ідея електромагнітної природи світла) і розкрити зв'язок між оптичними та електромагнітними явищами. Максвелл теоретично обчислив тиск світла (1873), передбачив ефекти Стюарта-Толмена і Ейнштейна-де Гааза (1878), скін-ефект.

Вчений також сформулював теорему в теорії пружності (теорема Максвела), встановив співвідношення між основними теплофізичними параметрами (термодинамічні співвідношення Максвелла), розвивав теорію кольорового зору, досліджував стійкість кілець Сатурна, показавши, що кільця не є твердими або рідкими, а являють собою рій метеоритів. Максвелл сконструював ряд приладів. Він був відомим популяризатором фізичних знань. Опублікував вперше (1879) рукописи робіт Генрі Кавендіша

Теорія електромагнетизму. Максвелл отримав повне дослідне підтвердження і вона стала загальновизнаною класичною основою сучасної фізики. Роль цієї теорії яскраво охарактеризував А. Ейнштейн: "... тут стався великий перелом, який назавжди пов'язаний з іменами Фарадея, Максвелла, Герца. Левова частка в цій революції належить Максвеллу ... Після Максвелла фізична реальність міститься у вигляді безперервних, що не піддаються механічному поясненню полів ... Це зміна поняття реальності є найбільш глибоким і плідним з тих, яких зазнала фізика з часів Ньютона ".

Максвелл був великим популяризатором науки. Він написав ряд статей для Британської енциклопедій, популярні книги - такі як "Теорія теплоти" (1870), "Матерія і рух" (1873), "Електрика в елементарному викладі" (1881), перекладені на російську мову. Важливим внеском в історію фізики є опублікування Максвеллом рукописів робіт Г. Кавендіша з електрики (1879) з багатьма коментарями.

Заслуги Максвелла як дослідника відносяться до областей фізіологічного вчення про колір, кінетичної теорії теплоти і електромагнітної теорії світла. Одночасно з Гельмгольцем Максвелл досліджував закони колірного зору. Як попередник австрійця Больцмана і американця Гіббса, він обгрунтував статистичне розуміння кінетичної теорії газу. Його найбільшою заслугою є математична розробка нового вчення про магнетизм, електрику і світлі. Його досягнення, за словами Планка, повинні бути віднесені до «найбільших, дивовижний подвигів людського духу».

Створення Максвеллом рівнянь електромагнетизму, які відкрили століття електрики, може розглядатися як найважливіше теоретичне досягнення в історії фізики за період, що відокремлює теорію гравітації Ньютона від теорії відносності Ейнштейна. При цьому з точки зору пізнання істотно, що електромагнітне поле сили виступило на рівних правах з матеріальною точкою - як нова форма прояву реальності.

Примітно, що Фрідріх Енгельс, який з початку 70-х років займався як філософ питаннями природознавства, негайно визнав гносеологічне значення теорії Максвелла: і це в той час, коли вчені-фахівці ще сперечалися про її фізичної правомірності. У його начерках до «Діалектиці природи» говориться, що завдяки поданням Максвелла про процеси випромінювання виникає нове положення у фізичній картині світу. «Таким чином, існують темні світлові промені, - писав Енгельс, посилаючись на Максвелла, - і горезвісна протилежність світла й темряви зникає з природознавства в сенсі абсолютної протилежності».

Висновки

Цього року ми відзначаємо 185-річницю від дня народження Джеймса Клерка Максвелла. Англійський фізик, творець класичної електродинаміки, один із засновників статистичної фізики, організатор і перший директор (з 1871) Кавендішської лабораторії.

Роботи Максвелла присвячені електродинаміці, молекулярній фізиці, загальній статистиці, оптиці, механіці, теорії пружності. Найвагоміший внесок Максвелл зробив у молекулярну фізику і електродинаміку.

На думку Планка, саме роботи з електромагнетизму Максвелла є вершиною його творчості: ”…в учении об электричестве его гений предстаёт перед нами в своём полном величии. Именно в этой области после многолетней тихой исследовательской работы на долю Максвелла выпал такой успех, который мы должны причислить к наиболее удивительным деяниям человеческого духа. Ему удалось выманить у природы в результате одного лишь чистого мышления такие тайны, которые лишь спустя целое поколение и лишь частично удалось показать в остроумных и трудоёмких опытах.” Створення Максвеллом рівнянь електромагнетизму, які відкрили століття електрики, може розглядатися як найважливіше теоретичне досягнення в історії фізики за період, що відокремлює теорію гравітації Ньютона від теорії відносності Ейнштейна.

Своїми знаменитими диференціальними рівняннями Максвелл з найвищою геніальністю охопив безліч електромагнітних явищ. Його формули цінуються математиками і фізиками за їх простоту і викликають захоплення своєю красою. Відомий австрійський фізик Людвіг Больцман, говорячи про них, повторив слова Фауста: «Начертан этот знак не Бога ли рукой?» Але головна пам'ять про Максвелла, ймовірно, це єдина в історії науки людина, на честь якої є стільки назв, - це «рівняння Максвелла», «електродинаміка Максвелла», «правило Максвелла», «струм Максвелла» і, нарешті, - максвелл - одиниця магнітного потоку в системі CGS.

Список використаних джерел

1. Карцев В. Максвелл. Жизнь замечательных людей. Молодая гвардия / В.Кварцев. - Москва: Зоря, 1974. - 250 с.

2. Федорченко А. М. Класична електродинаміка / А.М. Федорченко. - К.: Вища школа, 1988. - 280 с.

3. Сивухін Д. В. Загальний курс фізики. Електрика / Д.В. Сивухін. - М.: Наука, 1983. - 688 с.

4. Джеймс Клерк Максвел // Режим доступу: http://bukvar.su/fizika/63316-Dzheiyms-Maksvell.html

5. Система рівнянь Максвела та його вклад у науку // Режим доступу: http://ur.co.ua/102/469-1-sistema-uravneniiy-maksvella-v-sploshnoiy-srede-granichnye-usloviya.html

Додатки

Додаток А

Картина напружень отримана Джеймсом за допомогою поляризованого світла.

Додаток Б

Механічні моделі, що ілюструють рух кілець Сатурна. Малюнки з есе Максвелла «Про стабільність обертання кілець Сатурна».

Додаток В

Механічна модель Максвелла для пояснення електромагнітних явищ.

Размещено на Allbest.ru