Кто автор труда трактат по электричеству и магнетизму

ISBN 5-02-000042-6 © Издательство «Наука» 1989

Трактат об электричестве и магнетизме - _4.jpg

ВМЕСТО ПРЕДИСЛОВИЯ

Выпуск в свет перевода «Трактата об электричестве и магнетизме» Д. К. Максвелла — необходимое (хотя и несколько запоздалое) пополнение русской научной библиотеки. С точки зрения научной информации мировое сообщество становится всё менее и менее многоязычным, и уже сейчас представитель любой страны оказывается в состоянии принимать полноценное участие в научно-образовательном и творческом процессе, опираясь всего лишь на два-три языка, к числу которых относится и русский. В связи с этим на нашу науку накладываются определённые обязательства — создавать людям, избравшим русский язык в качестве основного, достаточно полное культурное обеспечение, включающее в себя возможность знакомства со всемирным наследием классиков естествознания. «Трактат» Максвелла составляет непременную часть этого наследия: он принадлежит к тем выдающимся произведениям цивилизации, которые, подобно «Началам» Ньютона, произвели крупномасштабные изменения в развитии естествознания и не только в части проникновения в тайны мироздания, но и в отношении совершенствования способов мышления, принципов «понимания понимания», новых подходов к методам познания природы.

Публиковавшиеся ранее отдельные главы «Трактата» и несколько вариантов перевода Предисловия, конечно же, не могли утолить любознательность и удовлетворить потребность как историков науки, так и просто тех её тружеников, кто в своих профессиональных продвижениях привык общаться непосредственно с классиками, извлекать из первоисточников поучительные уроки творческих блужданий и терпеливого напряжения мыслей, сосредоточенных в главных направлениях поиска.

Тем более, что «Трактат» являет собой пример первого в истории физики объединения ранее разрозненных концепций в единую систему. Речь идёт об электричестве, магнетизме и оптике. Сейчас, когда физики всех стран предпринимают штурм всеобщего объединения взаимодействий, «Трактат» обретает дополнительный, поучительный интерес, как первый (и сразу удачный!) опыт на этом пути. Удивительно и другое. В своё время «Трактат» считался по ряду причин необычно сложным даже для профессионалов, — в частности, многие читатели затруднялись в оценке его целостности и окончательности. В какой-то мере их нерасположение можно понять. Максвелл писал «Трактат» так, как читал лекции, творя по ходу изложения, не страшась излишеств или незавершённостей. Зато сейчас, с высоты нашей электродинамической образованности, такая «рукописность» «Трактата» представляется нам даже выигрышной.

Инициатива перевода «Трактата» Максвелла исходила от Петра Леонидовича Капицы. Он предполагал даже написать предисловие к русскому изданию. К сожалению, это уже не может быть исполнено: П. Л. Капица ушёл из жизни, и мы не знаем, как он оценил бы нашу работу сейчас, по её завершении. Только из-за этой неуверенности мы не решились посвятить свою работу его памяти. Отношение Петра Леонидовича Капицы к «Трактату» не в последнюю очередь определялось ещё и тем, что он много лет проработал в Кавендишской лаборатории, и если бы обстоятельства сложились иначе, то П. Л. Капица стал бы Кавендишским профессором после Э. Резерфорда. Напомним, что первым Кавендишским профессором и основателем Кавендишской лаборатории был сам Максвелл.

Перевод выполнен с третьего английского издания 1891 г. Оно несколько отличается от двух предшествующих, первое из которых было выпущено в 1873 г. самим Максвеллом, а второе, посмертное, отредактировано проф. У. Нивеном. Редактором третьего издания, приобретшего репутацию канонического, был Д. Д. Томсон.

Трактат состоит из двух томов. Каждому тому предпослано содержание, где приводятся пояснения (в виде ключевых мыслей) соответствующих параграфов (пунктов). Сами же параграфы в тексте трактата пронумерованы непрерывно и — за редким исключением — никак не озаглавлены; названиями снабжены только части (их четыре) и главы. Первый том объединяет Электростатику (часть I) и Постоянные токи (часть II), второй том — Магнитостатику (часть III) и Электродинамику (часть IV). Максвелловская структура «Трактата» сохранена с той нетронутостью, с которой это вообще можно сделать при переводе с одного языка на другой. Это относится и к предметно-именному указателю, составленному самим Максвеллом весьма своеобразно, указатель не подчинён какому-либо единому правилу.

Трактат об электричестве и магнетизме

Работа Д. К. Максвелла (1831-1879) об электричестве и магнетизме впервые была издана в 1873 г. Она содержит созданную Максвеллом теорию электрических и магнитных явлений. Эта теория в настоящее время составляет фундамент современного естествознания. По своему значению для развития науки «Трактат» стоит в одном ряду с «Началами» Ньютона и «Экспериментальными исследованиями» Фарадея. Издание рассчитано на физиков, историков науки и читателей, желающих ознакомиться с основными представлениями теории электромагнитного поля по трудам одного из её создателей.

Произведение относится к жанру Наука. Оно было опубликовано в 1989 году издательством Наука. На нашем сайте можно скачать бесплатно книгу «Трактат об электричестве и магнетизме» в формате fb2, epub или читать онлайн. Здесь так же можно перед прочтением обратиться к отзывам читателей, уже знакомых с книгой, и узнать их мнение. В интернет-магазине нашего партнера вы можете купить и прочитать книгу в бумажном варианте.

Джеймс Клерк Максвелл

Джеймс Клерк Максвелл – известный в Англии физик и математик с шотландским происхождением. Основатель электродинамики и кинетической теории газов в современном ее понимании.

Джеймс Максвелл известный во всем мире физик и математик. Этот ученый смог провести несколько важных для науки исследований, касающихся молекулярной физики и термодинамики. Кроме всего прочего именно он стал создателем количественной теории цветов, ставшей в последствии основой для принципов цветного фотографирования.

Детство

Джеймс Максвелл родился в шотландском городе-столице Эдинбурге, 13 июня 1831 года. Джон Клерк Максвелл, отец будущего ученого занимал пост в адвокатской коллегии и владел поместьем, расположенное в южной части Шотландии. Фрэнсис Кей, мама Джеймса, была дочерью мужчины, занимавшего пост судьи в Адмиралтействе.

Женщина неожиданно умерла, когда мальчику только-только исполнилось восемь лет. Джону Клерку пришлось самостоятельно заниматься воспитанием малолетнего наследника. В дальнейшем, уже во взрослой жизни, ученый сохранил теплые отношения с единственным родителем, который действительно на протяжении всей своей жизни заботился о сыне.

Джеймс Клерк Максвелл

Когда мальчик немного подрос и достиг школьного возраста домой, для его обучения были приглашены педагоги. Однако те учителя, которых удалось отыскать были совершенно не компетентны, грубы и невежественны, а найти других не удавалось. По этой причине спустя некоторое время отец отправил сына на обучение в академию в Эдинбурге.

Первое время юный Максвелл весьма настороженно относился ко всему, что было связанно с процессом обучения. Однако со временем процесс затянул его и Джеймс стал одним из лучших учеников. Каждый урок был интересен и познавателен, хотя особое внимание мальчика привлекала геометрия. Именно она стала той плодородной почвой на основе которой выросли все достижения Максвелла в области науки.

В год своего выпуска молодой студент написал для родной академии гимн, который сегодня знает не одно поколение учеников. После окончания академии, талантливый юноша принимает решение продолжить свое образование и отправляется в Эдинбургский университет. Здесь он со всей соей скрупулезностью погружается в изучение теории упругости. По итогам проведенной работы будущий ученый получает наивысшую оценку в научном мире.

1850 год – Джеймс Максвелл, не слушая отца и не смотря на все его недовольство, отправляется в Кембридж. Сначала юноша посещал занятия в колледже святого Петра, а затем перешел в Тринити-Колледж. Преподаватели не могли нарадоваться талантливому ученику, который в своем выпуске стал вторым. После получения степени бакалавра бывшего студента пригласили в Тринити-Колледж на должность преподавателя. В этот период своей биографии Максвелл изучает геометрию, электричеству и проблему цветов.

Работа и труды

В 1854 году Джеймс написал письмо одному из своих товарищей в котором говорилось о его желании «атаковать электричество». Случилось ли все задуманное талантливым ученым, но в скором времени он смог опубликовать один из трех значимых в своей жизни трудов, получивший название «О фарадеевых силовых линиях». Главным трудом этого периода биографии стала созданная Максвеллом теория цветов. Ученый при помощи многочисленных экспериментов смог доказать каким именно путем происходит смешивание цветов. В будущем, полученные данные помогли в создании цветной фотографии.

Джеймс Клерк Максвелл

1856 год – занимает должность профессора натуральной философии в абердинском Маришаль-Колледже. Но на самом деле он с самого нуля стал создавать в данном учебном заведении кафедру физики. Здесь же он стал изучать движение колец Сатурна, занимаясь точными расчетами. Параллельно пишет еще один труд под названием «Об устойчивости движения колец Сатурна». В будущем эта книга была отнесена к классической литературе.

Джеймс Клерк Максвелл

Дальше внимание ученого привлекла кинетическая теория газов. На которой на некоторое время было сосредоточено все его внимание. В 1860 году данная тема стала основой для научного доклада, который он читал в Оксфорде в рамках съезда Британской ассоциации ученых. В тот же год Джеймс покинул Маришаль-колледж и распрощался с должностью преподавателя. В скором времени ученого пригласили в педагогический коллектив профессорской кафедры в Кингс-колледж, где он также возглавил кафедру натуральной философии.

Джеймс Клерк Максвелл

17 мая 1861 года мир впервые увидел цветное фото. И хотя на тот момент это действительно был научный прорыв, компания «Кодак» спустя сто лет доказала, что выбранный способ не действенен. А цвета, образовавшиеся на изображении, были лишь случайностью, хоть и счастливой. В тоже время принципы, которые обосновал ученый были верными, просто нуждались в небольших доработках.

Следующей ступенью в исследованиях великого ученого стал электромагнетизм. Он пишет два труда и публикует их под названиями «Динамическая теория электромагнитного поля» и «О физических силовых линиях». Вплоть до последних дней в своей жизни Максвелл работал только с электрическими измерениями, пытаясь решить данную проблему.

«ТРАКТАТ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСТВЕ И МАГНЕТИЗМЕ»

«Трактат» содержал все, что знал и передумал Джеймс Клерк Максвелл об электричестве и магнетизме, причем собственные его взгляды и разработки не заняли в книге подобающего им места — стремление рассказать все об электричестве, дать систематический учебный курс привело к тому, что работы самого Максвелла несколько отошли в этом труде на задний план.

Максвелл хотел дать практическое пособие для ученых, инженеров и студентов и не заботился о том, какое место в общей картине знаний по электричеству займут его имя, его труды.

Уже в предисловии Максвелл пишет о том, что имеющиеся в библиотеках учебники и пособия по теории электромагнетизма не отвечают потребностям людей, работающих в настоящей научной лаборатории, совсем уже не учебной, людей, которым приходится делать хитроумные и точные измерения. Не без яда Максвелл упоминает о многопудовых учебниках по электричеству, лежащих без применения, пылящихся на полках библиотек, — эти учебники были далеки от практических задач и зачастую попросту непонятны.

Исправляя эту ошибку, Максвелл значительную часть «Трактата» посвятил изложению методов измерения и описанию измерительной аппаратуры.

Максвелл дал полный обзор всех до тех пор созданных теорий электричества и магнетизма. Максвелл справедлив и великодушен. Он признает их значение для развития физики и прямо говорит, что теория Ампера непревзойденна по точности, а формула Ампера, определяющая силу взаимодействия токов, навсегда останется в золотом фонде любой теории электромагнетизма.

В «Трактате» сформулированы «уравнения Максвелла».

В «Трактате» есть, по сути дела, все те же уравнения, что и в «Динамической теории». Но выведены они иным путем, более закономерным и обоснованным.

Максвелл подбирается к уравнениям издалека. Неторопливо идет вначале повествование о размерностях физических величин. Затем столь же медленно и систематически даются основы векторного исчисления.

Затем — четыре части: электростатика, электрокинематика, магнетизм, электромагнетизм. Казалось бы, и здесь нет существенных различий с общепринятой методикой изложения. Каждая часть начинается со спокойного изложения исходных экспериментов и основных понятий.

Но вот метод исследования Максвелла резко отличается от методов других исследователей. Не только каждая математическая величина, но и каждая математическая операция наделяются глубоким физическим смыслом. В то же время каждой физической величине дается четкая математическая характеристика.

Одна из глав «Трактата» (девятая глава четвертой части) называется «Основные уравнения электромагнитного поля». Здесь, казалось бы, и должны быть сосредоточены основные уравнения электромагнитного поля. И действительно, нумерация уравнений здесь меняется: они начинают обозначаться не цифрами, а буквами, что, видимо, должно обратить внимание на их важность. Но читатель с удивлением может заметить, что нумерация уравнений, отмеченных буквами, начинается в этой главе сразу с D, а уравнения под номерами А, В, С были приведены уже в предыдущей главе. Таким образом, в главе «Основные уравнения» даны не все уравнения.

Но это еще не все. Уравнения, отмеченные буквами, кончаются буквой L. Их двенадцать! Их слишком много! Максвелл, чувствуя это, оправдывается перед читателем:

«Наша цель в настоящий момент состоит не в получении компактности математических формул, а в выражении каждого известного нам соотношения, и исключение величины, выражающей полезную идею, было бы скорее потерей, чем выигрышем на данной стадии исследования».

С помощью векторного исчисления Максвелл более просто сделал теперь то, что раньше сделал с помощью механических моделей, — вывел свои уравнения электромагнитного поля.

Впоследствии уравнения Максвелла были «расчищены» Герцем и Хевисайдом. Они сократили число уравнений Максвелла до четырех, самых важных. Эта система уравнений употребляется до сих пор.

Трудно поверить, что в области электричества и магнетизма не существует ни одного факта, противоречащего или не ложащегося в рамки этой системы четырех уравнений.

Уравнения Максвелла при простой форме записи очень сложны. Их не всякий сможет решить или применить к нужному случаю. Но смысл уравнений прозрачен, и в их содержании сравнительно просто разобраться.

Первое уравнение означает, что электрическое поле образуется зарядами и силовые линии этого поля начинаются и кончаются на зарядах.

Второе уравнение постулирует замкнутость магнитных силовых линий, отсутствие свободных магнитных зарядов. Магнитные силовые линии нигде не начинаются, нигде не кончаются — они замкнуты.

Третье уравнение говорит о том, что магнитное поле создается током, включающим в себя открытый Максвеллом ток смещения. Это обобщение и дополнение всей электродинамики Ампера.

Четвертое уравнение отражает закон электромагнитной индукции Фарадея — возникновение электрического поля за счет изменения индукции магнитного поля. Любое изменение магнитного поля приводит в соответствии с этим уравнением к возникновению в пространстве особого, вихревого электрического поля.

Два последних уравнения привели Максвелла к предсказанию существования электромагнитных волн. Вокруг магнитных силовых линий возникают тут же электрические силовые линии, вокруг которых, в свою очередь, создаются магнитные — и за счет этого в пространстве, от точки к точке, передается электромагнитное возбуждение.

Если попытаться вычислить из уравнений скорость распространения электромагнитной волны, то получится, что она равна отношению электромагнитной и электростатической единицы измерения. Совпадение этой величины со скоростью света было известно давно, со времен Кольрауша и Вебера, но никто до Максвелла не смог усилием мысли придать этому, казалось, случайному совпадению глубокий физический смысл. Исследовательский метод Максвелла проявил в доказательстве электромагнитной природы света свое высшее достижение.

Важнейшим следствием электромагнитной теории света было предсказанное Максвеллом давление света. Ему удалось подсчитать, что в случае, когда «в ясную погоду солнечный свет, поглощаемый одним квадратным метром, дает 123,1 килограммометра энергии в секунду, он давит на эту поверхность в направлении своего падения с силой 0,41 миллиграмма».

Таким образом, теория Максвелла укреплялась или рушилась в зависимости от результатов еще не осуществленных экспериментов.

Существуют ли в природе электромагнитные волны, подобные по свойствам свету?

Существует ли световое давление?

Уже после смерти Максвелла на первый вопрос ответил Герц, на второй — Лебедев.

Пока никаких доказательств новой теории не было.

Но могло существовать и еще одно доказательство справедливости электромагнитной теории света и всей теории электромагнитного поля в целом. Доказательство, правда, частное, но многозначительное.

Рассматривая условие распространения электромагнитного возмущения в однородной среде, Максвелл приходит к важному выводу о зависимости электромагнитных свойств среды от ее оптических характеристик. Например, квадрат показателя преломления должен быть равен диэлектрической постоянной среды, умноженной на ее магнитную проницаемость. Для немагнитного диэлектрика показатель преломления среды должен быть равен квадратному корню из диэлектрической постоянной.

Среди тех, кто пытался подтвердить это опытом, — обожающий Максвелла и преклоняющийся перед ним Людвиг Больцман. Он работал в те времена, в 1872 году, в Берлине, в лаборатории Гельмгольца.

Он пытался проверить зависимость, данную Максвеллом в ранних статьях, для газов. Но Больцмана подвела память. Он искал почему-то прямую пропорциональность показателя преломления и диэлектрической постоянной. Это неправильное положение засело у него в памяти, и его он доказывал. А оно не получалось. И не должно было получаться. Больцман, расстроенный тем, что ему не удалось, как ему казалось, подтвердить теорию Максвелла, бросил заниматься этими экспериментами.

Лишь позже, когда он покинул уже Берлин, он случайно заглянул в свой лабораторный журнал и заметил хорошее совпадение для случая, если бы показатель преломления был пропорционален квадратному корню из диэлектрической постоянной.

Решив проверить себя, он заглянул в статью Максвелла и обнаружил, что и там говорится как раз о квадратном корне!

К несчастью, это открытие произошло уже после выхода «Трактата» в свет и не послужило своевременным доказательством правильности новой теории.

Недостаточность доказательств Максвелл компенсировал своей гениальной физической интуицией.

На наиболее высоких ступенях научного познания вступают в силу высшие качества исследователя — способность его ума воспарить над известными данными, выйти за пределы результатов опытов, «довообразить» их. Это можно назвать интуицией, гениальностью, высшей степенью умственной деятельности ученого.

Необходимость выходить за границы доказанных положений, вырваться из рамок опыта. И способность сделать это. Но не вопреки опыту. Не вопреки зарекомендовавшим себя научным принципам. А может быть, и вопреки, если они оказываются неверными. Лишь гений, тонко чувствующий границы дозволенного, может без боязни приближаться к ним.

Как достиг он такой степени свободы? В силу врожденной гениальности? Или в силу иных причин?

— Если прямая цель всякой научной работы, — говорил Максвелл, — раскрывать тайны природы, то она оказывает и другое, не менее ценное действие на ум исследователя. Она делает его обладателем методов, и к выработке их ничто, кроме научной работы, не могло бы его привести; это ставит его в положение, с которого многие области природы, помимо тех, которые он изучал, являются перед ним в новом свете.

Его гениальность; несомненно, была врожденной. Но и тщательно лелеемой и укрепляемой в процессе каждодневных исследований.

«Трактат об электричестве и магнетизме» заканчивается обзором теорий Гаусса, Римана, Клаузиуса.

Знаменательное название имеет последний параграф трактата. Он назван:

«Идея среды неодолима».

И смысл его в том, что все непротиворечивые теории электричества «приводят к представлению об электромагнитном поле — о среде, в которой происходит распространение электрических и магнитных воздействий; если мы примем это в качестве гипотезы, она, мне кажется, должна будет занять важное место в наших исследованиях, и нам следовало бы изучить все детали ее проявления — что и было моей постоянной целью в этом «Трактате».

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Кто автор труда трактат по электричеству и магнетизму