RARUS'S GALLERY

Price Realized: $8 125

MAXWELL, James Clerk (1831-1879). "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field." In: Philosophical Transactions of the Royal Society. Vol. 155, part I (1865), pp.459-512. London: Taylor and Francis, 1865. 4o (300x230 mm). Original gray printed wrappers, uncut, partially unopened (some minor darkening to edges, minor chipping to spine ends); quarter morocco folding case. PMM 355.

Уход: $8,125. Аукцион Christie's. Important Scientific Books: The Richard Green Library. 17 June 2008. New York, Rockefeller Plaza. Лот № 241.

FIRST EDITION of the fourth of Maxwell's five important papers on the foundations of electromagnetic theory published between 1855 and 1868. "By 1863... Maxwell had found a link of a purely phenomenological kind between electromagnetic quantities and the velocity of light. His fourth paper... clinched matters. It provided a new theoretical framework for the subject, based on experiment and a few general principles, from which the propagation of electromagnetic waves through space followed without any special assumptions about molecular vortices or the forces between electric particles" (DSB). "Clerk Maxwell, who may well be judged the greatest theoretical physicist of the nineteenth century, was happy to acknowledge his debt to Faraday; for what he did was to construct the mathematical theory of the field... In the present paper the consideration of 'mechanical models' representing the interplay and movement of electromagnetic forces on the field [of magnetic force, as conceived by Faraday], which Maxwell had pursued in earlier papers, was abandoned: the developed field-theory, expressed in twenty equations, was purely and elegantly mathematical" (PMM 355). Dibner Heralds of Science 68; Norman 1465; Wheeler Gift Catalogue 3463.

Этот действительно революционный научный труд впервые был опубликован в научной периодике под названием «Философские труды Королевского общества» (The Philosophical Transactions of the Royal Society, сокращённо Phil. Trans.) — научный журнал, издаваемый Лондонским королевским обществом. Является старейшим научным журналом англоязычного мира и вторым в истории после французского «Журналь де саван». Журнал выходит с 6 марта 1665 года без перерывов, что делает его старейшим непрерывно издающимся научным журналом в мире. Слово «философский» в названии обозначает натурфилософию, которой в то время называли естественные науки.

«Имя его блистает на вратах классической физики, и мы имеем право сказать о нем: по рождению он принадлежит Эдинбургу, как личность он принадлежит Кембриджу, а труды его — достояние всего мира». М. Планк

Имя великого английского ученого Максвелла стоит в ряду с именами выдающихся ученых, чьи труды составляют фундамент физики. Максвелл — создатель классической электродинамики, один из основателей статистической физики. Джеймс Клерк Максвелл родился 13 июня 1831 г. в Эдинбурге (Шотландия). Его отец принадлежал к знатному роду. Его интересовало развитие промышленности; он посещал и заседания Эдинбургского королевского общества. Вскоре после рождения сына родители увезли его в поместье. Отец построил здесь дом, названный Гленлейр — «берлога в узком ущелье». Джеймс рос на природе, стремясь познать все вокруг. Он мастерил игрушки, плел корзины, вышивал и даже пробовал сочинять стихи. Когда Джеймсу было восемь лет, заболела и умерла его мать. В 1841 г. мальчика отдали в школу, называвшуюся Эдинбургская академия. Отец, будучи большим оригиналом, заказал сыну у деревенского портного «гигиенический костюм» — экстравагантное одеяние из грубого серого твида. Новичка стали дразнить, он дал отпор и вернулся из школы с синяками в разорванном костюме, но одержав победу. Его стали называть «бешеный», прекратив насмешки. Джеймс тосковал по дому и вначале учился неважно. Он любил поэзию, читал Бернса и Шекспира, сочинял стихи. Но вскоре Максвелл увлекся геометрией. Он находил простые и изящные решения задач, создавал модели многогранников — тетраэдра, додекаэдра и др. С геометрии начался его путь в науку. Вот как это произошло. Отец иногда брал сына на заседания Эдинбургского общества. Однажды во время обсуждения доклада о форме этрусских ваз ученые затронули вопрос — как построить совершенно правильный овал. Джеймс заинтересовался этой задачей и остроумно решил ее. Попутно он придумал простое устройство для вычерчивания овальных кривых и эллипсов посредством куска связанной нити и двух воткнутых в картон (в точках фокусов) булавок. Джеймс написал статью о черчении овальных кривых со многими фокусами. Это был первый научный труд Максвелла, которому в то время не было и пятнадцати лет. Вскоре дядя познакомил Джеймса с В. Николем, известным физиком, изобретателем поляризационной призмы (призмы Николя). Николь продемонстрировал Джеймсу и его школьному другу, будущему биографу Максвелла Льюису Кемпбеллу, картины хроматической поляризации, явление фотоупругости. Опыты так заинтересовали Максвелла, что он решил воспроизвести их. Юноша сконструировал полярископ и занялся исследованием фигур, получающихся при просвечивании кусков неотожженного стекла, кристаллов. Наиболее интересные фигуры он нарисовал акварелью и послал Николю, получив от него в подарок две собственноручно изготовленные им призмы. Позднее они служили Максвеллу в оптических исследованиях. Джеймс кончил школу одним из первых и в 1847 г. поступил в Эдинбургский университет. Учась там, он продолжал опыты по оптике, читал книги по механике и физике. Он оборудовал в Гленлейре домашнюю лабораторию, занимаясь оптическим методом изучения упругих напряжений. В 1850 г. Джеймс прочитал доклад «О равновесии упругих твердых тел» на заседании Эдинбургского Королевского общества, решив в нем ряд задач, доказав важную в теории упругости теорему (она стала называться «теоремой Максвелла»), исследовав законы вращения твердого тела. Максвелл решил посвятить себя науке. Эдинбургский университет не удовлетворял его, и осенью 1850 г. он перевелся в Кембриджский университет, в знаменитый Тринити-колледж. Режим работы Максвелла был необычен. Он спал в два приема. Первый сон — от пяти до половины десятого вечера. С десяти до двух ночи он занимался. Затем делал получасовую разминку — бегал по коридорам и лестницам жилого корпуса. От половины третьего до семи снова спал. В эти годы он заинтересовался электричеством и начал изучать «Экспериментальные исследования по электричеству» Фарадея. Это определило дальнейшее направление его деятельности. В январе 1854 г. Максвелл успешно сдал выпускные экзамены. Окончив университет, Максвелл был оставлен в качестве члена Тринити-колледжа для подготовки к профессорскому званию. Он читал лекции и продолжал исследования по теории цветов. Ученый создал один из первых приборов для количественного измерения цвета, получивший название «диск Максвелла».  Помимо геометрии и теории цветов, все более углублялся интерес Максвелла к электричеству. Он поддержал Фарадея, отрицавшего господствовавший тогда принцип дальнодействия в объяснении притяжения и отталкивания электрических зарядов и магнитных полюсов. Максвелл начал борьбу за его теорию, дав ей математическое выражение. В статье «О фарадеевых силовых линиях» (1855) он изложил свою научную программу. В 1856 г. Максвеллу было предложено место профессора колледжа в университете шотландского города Абердин. Однако лекции молодого профессора, хотя и насыщенные юмором, были чересчур сложны для большинства студентов. Он проводил дополнительные занятия, организовал семинары. Максвелл занимался не только преподаванием, но и наукой. В 1857 г. он послал свою статью «О фарадеевых силовых линиях» вместе с письмом Фарадею. Из их переписки видно, что Фарадей оценил поддержку Максвеллом его взглядов на силовые линии, идеи близкодействия и поля. Одновременно с проблемами электромагнетизма Максвелл занимался и другими проблемами. Когда Кембриджский университет объявил конкурс на работу об устойчивости колец Сатурна, Максвелл решил участвовать в нем, так как астрономией он интересовался с детства. Эта работа заняла два года. Используя математику, ученый доказал, что кольца Сатурна могут быть устойчивыми, если они состоят из не связанных между собой твердых частиц. Английский астроном Д.Б. Эри назвал эту работу, состоявшую из 68 страниц, одним из замечательнейших приложений математики. Максвеллу была присуждена премия Адамса. Это исследование во многом определило его интерес к кинетической теории газов. В газе, где молекулы распределены по скоростям группами, требуется вычислить, какая часть молекул имеет величину скорости, лежащую в заданном интервале. Для решения этой проблемы ученый воспользовался методом теории вероятностей и ввел в кинетическую теорию статистический подход, с помощью которого рассчитал распределение скоростей газовых молекул («распределение Максвелла»), В 1859 г. Максвелл выступил на собрании Британской ассоциации содействия развитию наук с докладом «О динамической теории газов». Этот доклад положил начало многолетним исследованиям ученого в области кинетической теории газов и статистической физики. В эти годы произошло еще одно важное событие в его жизни. Максвелл женился на Кэтрин Мери Дьюар, дочери главы колледжа. Брак был счастливым, жена стала его помощницей. Но вскоре кафедра, которой руководил Максвелл, была ликвидирована. В 1860 г. ученый был приглашен в качестве профессора в Кингс-колледж Лондонского университета. Здесь он встретился с Фарадеем, который был уже болен и стар, но не утратил чувства юмора. Сохранился рассказ о том, как, увидев Максвелла, пробирающегося через переполненную аудиторию, Фарадей закричал:

«Максвелл, как же вы не можете пробраться, такой специалист по молекулярному движению!»

Много времени Максвелл отдавал науке. Ученый изготовлял приборы, придумывал забавные опыты. Изучая смешение цветов, он часами выстаивал у окна, заглядывая в отверстие цветового ящика — соседи считали его сумасшедшим. В 1861 г. Максвелл впервые демонстрировал цветное изображение, полученное от одновременного проецирования на экран красного, зеленого и синего диапозитивов, доказав этим справедливость трехкомпонентной теории цветного зрения и одновременно наметив пути создания цветной фотографии. За исследования по восприятию цветов и оптике Максвеллу была присуждена медаль Румфорда. Чуть позже он стал членом Лондонского королевского общества. Ученый опубликовал еще две важные работы по электромагнетизму — «О физических силовых линиях» и «Динамическую теорию электромагнитного поля», которая и представляет для нас повышенный интерес. В предисловии к ней автор пишет:

"Наиболее очевидным механическим явлением при электрических и магнитных опытах является взаимодействие, благодаря которому тела, находящиеся в определенных состояниях, приводят друг друга в движение, несмотря на наличие между ними довольно значительного расстояния. Поэтому для научной трактовки этих явлений, прежде всего, необходимо установить величину и направление действующей между телами силы, и если найдено, что эта сила в какой-то мере зависит от относительного положения тел и от их электрического или магнитного состояния, то с первого взгляда кажется естественным объяснение этих фактов путем допущения существования чего-то другого, находящегося в покое или в движении в каждом теле, образующего его электрическое или магнитное состояние и способного действовать на расстоянии в соответствии с математическими законами. Та теория, которую я предлагаю, может быть названа теорией электромагнитного поля, потому что она имеет дело с пространством, окружающим электрические или магнитные тела, и она может быть названа также динамической теорией, поскольку она допускает, что в этом пространстве имеется материя, находящаяся в движении, посредством которой и производятся наблюдаемые электромагнитные явления".

К середине XIX в. в тех отраслях физики, где изучались электричес­кие и магнитные явления, был накоплен богатый эмпирический ма­териал, сформулирован целый ряд важных закономерностей: закон Кулона, закон Ампера, закон электромагнитной индукции, законы постоянного тока и др. Сложнее обстояло дело с теоретическими представлениями. Строившиеся физиками теоретические схемы основывались на представлениях о дальнодействии и корпускулярной природе электричества. Наиболее популярной стала теория В. Вебера, которая объединила электростатику и электромагнетизм того времени. Однако полного теоретического единства во взглядах фи­зиков на электрические и магнитные явления не было. Так, резко отличалась от других воззрений полевая концепция Фарадея. Но на полевую концепцию смотрели как на заблуждение, ее замалчивали и остро не критиковали только потому, что слишком велики в развитии физики были заслуги Фарадея. В это время физики предпринимают попытки создания единой теории электрических и магнитных явлений. Одна из них оказалась успешной. Это была революционная по своему значению теория Максвелла. Максвелл и поставил перед собой задачу, основываясь на пред­ставлениях Фарадея, построить строгую математическую теорию, получить уравнения, из которых бы можно было вывести, например, законы Кулона, Ампера и др., т.е. перевести идеи и взгляды Фарадея на строгий математический язык. Будучи блестящим теоретиком и виртуозно владея математическим аппаратом, Дж.К. Максвелл справился с этой сложнейшей задачей — создал теорию электромагнитно­го поля, которая была изложена в работе «Динамическая теория электромагнитного поля», опубликованной в 1864 г. Эта теория существенно изменила представления о картине электрических и магнитных явлений, объединив их в единое целое. Основные положения и выводы этой теории следующие:

- Электромагнитное поле реально и существует независимо от того, имеются или нет проводники и магнитные полюса, обнаруживающие его. Максвелл определял это поле следующим образом:

«...электромагнитное поле - это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии».

- Изменение электрического поля ведет к появлению магнитно­го поля и наоборот.

- Векторы напряженности электрического и магнитного полей перпендикулярны. Это положение объясняло, почему электромагнитная волна исключительно поперечна.

- Передача энергии происходит с конечной скоростью. Таким образом обосновывался принцип близкодействия.

-  Скорость передачи электромагнитных колебаний равна ско­рости света (с). Из этого следовала принципиальная тождественность электромагнитных и оптических явлений. Оказалось, что различия между ними только в частоте колебаний электромагнитного поля.

Экспериментальное подтверждение теории Максвелла в 1887 г. в опытах Г. Герца произвело большое впечатление на физиков. И с этого времени теория Максвелла получает признание подавляющего большинства ученых, но тем не менее долгое время она представлялась физикам лишь совокупностью математических уравнений, конкретный физический смысл которых был совершенно непонятным. Физики того времени говорили:

«Теория Максвелла — это уравнения Максвелла».

После создания теории Максвелла стало понятно, что существует только один эфир — носитель электрических, магнитных и оптических явлений, значит, судить о природе эфира можно на основе электромагнитных опытов. В эти годы у Максвелла возникли и сформировались основные идеи в молекулярно-кинетической теории и в области электромагнетизма и была дана система знаменитых уравнений электромагнетизма. Хотя работа в Лондоне была более напряженной, чем в Абердине, Максвелл умел распределять время так, что дружеские беседы и развлечения не мешали ему работать. Многие считали, что и открытия Максвелла сделаны без всяких усилий, но это было не так. Ученый работал много, но легко, с удовольствием. По вечерам он читал физику рабочим. Лето Максвелл проводил в своем поместье. В 1865 г. ученый перенес рожистое воспаление головы и решил переехать в Гленлейр. Он перестроил дом, занимался хозяйством, посещал соседей, ездил верхом, вел большую переписку, изучал теологию, писал стихи. Вместе с женой они побывали в Италии. Много времени Максвелл посвящал науке. Он написал несколько сочинений по математике и физике и книгу «Трактат об электричестве и магнетизме», где подвел итог своим исследованиям. Теория электромагнетизма, изложенная в трактате, явилась своеобразным обобщением экспериментальных работ Ампера, Фарадея, Ленца. Сам ученый утверждал, что он только перевел на математический язык идеи Фарадея. В предисловии он писал:

«Когда я облек то, что считал идеями Фарадея, в математическую форму, то обнаружил, что в целом результаты обоих подходов совпадают, так что оба метода объясняют одни и те же явления и выводят одни и те же законы действия; но методы Фарадея напоминают те, в которых, начиная от общего, путем анализа приходят к частному, тогда как обычные математические методы основаны на принципе отправления от частного и построения общего путем синтеза».

Заслуга Максвелла состоит не только в математической разработке идей Фарадея, но и в том, что он создал теорию электродинамики. Уравнения Максвелла являются важнейшим теоретическим достижением физики XIX в. Мир стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля, волнообразно распространяющегося в пространстве. Из уравнений вытекают как частные ранее открытые законы Кулона, Ампера, Ома, Фарадея. Ученый предсказал свойства электромагнитных волн, их поперечность, преломление, отражение, давление и скорость распространения. Теория Максвелла явилась основой для новой электромагнитной теории света. Он доказал теоретически, что скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света, что световые волны — лишь частный случай волн электромагнитных. Оптика стала частью электричества. Генрих Герц метко сравнил теорию Максвелла с мостом, который смелой рукой переброшен через широкую пропасть между оптическими и электромагнитными явлениями. Трактат стал вершиной научного творчества Максвелла, обобщив результаты труда нескольких поколений ученых. Он был опубликован в 1873 г. Максвелл кончал его уже в Кембридже, куда переехал в 1871 г., возглавив кафедру экспериментальной физики. Вместе с кафедрой он принял и лабораторию, строительство которой было только начато. Эта лаборатория, названная в честь Генри Кавендиша, прекрасно оснащенная для того времени, стала знаменитой. Сотрудники лаборатории отмечали простоту и мягкость ученого, его проницательность, искренность, остроумие. Много времени у Максвелла уходило на участие в университетских делах, комиссиях. Он также был крупным популяризатором, написал ряд статей для Британской энциклопедии, популярные книги («Теория теплоты», «Материя и движение», «Электричество в элементарном изложении»). Важным вкладом в историю физики стало опубликование Максвеллом рукописей трудов Г. Кавендиша с обширными комментариями. В 1877 г. у Максвелла начались боли в груди. В 1879 г. уехал в Гленлейр, но ему становилось все хуже. 5 ноября 1879 г. Максвелл умер. Ученый не дожил до торжества своей теории. Почти ни одно из ее основных положений не было при его жизни подтверждено опытом. Важную роль в утверждении теории Максвелла сыграли экспериментальные исследования немецкого физика Генриха Герца. Он получил и исследовал электромагнитные волны, доказав, что они отражаются, преломляются, дифрагируют и интерферируют по тем же законам, что и световые волны. В 1895 г. русский физик А.С. Попов осуществил прием электромагнитных волн на расстоянии, возникло радио. Предсказанное и вычисленное Максвеллом световое давление было экспериментально доказано русским физиком П.Н. Лебедевым. Теория электромагнитного поля Фарадея-Максвелла стала одним из фундаментальных разделов классической теоретической физики, научной основой электротехники и радиотехники. В 1931 г., выступая на 100-летии со дня рождения Максвелла, Н. Бор сказал:

«Когда приходится слышать, как физики в наши дни толкуют об электронных волнах и о фотонах, может показаться, пожалуй, что мы полностью оставили почву, на которой строили Ньютон и Максвелл. Но мы все, я думаю, согласимся, что такие понятия, как бы плодотворны они ни были, не могут никогда представлять что-либо большее, чем удобное средство выражения следствий квантовой теории, которые не могут быть представлены обычным способом. Не следует забывать, что только классические идеи материальных частиц и электромагнитных волн имеют недвусмысленное поле применения, между тем как понятия фотона и электронных волн его не имеют».

«Человек, вкладывающий в работу всю свою душу, всегда успевает больше, нежели человек, интересы которого не связаны непосредственно с его занятием. В последнем случае побуждения, которъши он пользуется для стимулирования своих падающих сил, сами становятся средством отвлечения его от работы». Дж.К. Максвелл

«Если в кинетической теории газов Максвелл выступает как вождь, хотя и делит эту роль с некоторыми другими исследователями, то в учении об электричестве его гений предстает перед нами в своем полном величии». М. Планк