Магнетизм высокого напряжения. Максвелл. Электромагнитный синтез

Лабораторию строили с весны 1872-го до осени 1873 года. В это время как раз появилась великая работа Максвелла — двухтомный «Трактат об электричестве и магнетизме», важность которого подобна «Математическим началам» Исаака Ньютона. Примерно на тысяче страницах Максвелл сделал великолепный синтез всего, что было известно до того времени об электромагнетизме, и изложил свою теорию, которая стала известна как классическая электродинамика.

Генри Кавендиш (1731-1810), сын английского лорда, родившийся в Ницце, учился в Кембриджском университете, но оставил его до окончания учебы из- за полного отсутствия интереса к формальностям. У Кавендиша был эксцентричный и рассеянный характер.

Он провел всю свою жизнь затворником: не выносил компании других мужчин и ужасался компании женщин до такой степени, что запретил слугам встречаться с ним в коридорах. Генри общался с ними исключительно с помощью записок. Для такого угрюмого и погруженного в себя человека было только два выхода: самоубийство или одержимость чем-либо. Кавендиша спасла исключительная любовь к науке и экспериментам. Его увлеченность достигала такой степени, что в экспериментах по электричеству он измерял силу тока по тяжести разрядов, которые он сам испытывал в качестве амперметра.

Кроме работ по электричеству, Кавендиш был первым, кто разложил воду на кислород и водород. Обладая таким характером, он абсолютно не думал о славе и едва лишь беспокоился о том, чтобы остальные ученые узнали результаты его исследований. Кавендиш жил ради науки в полном одиночестве. Даже когда его здоровье оказалось подорванным, он решил умереть так же, как и жил, — один. О работах Кавендиша смогли узнать из конспектов, которые он оставил, и этот одиночка вошел в историю благодаря проведению одного из самых утонченных и тщательных экспериментов в физике: он измерил значение гравитационной постоянной. Кавендиш сделал это, когда ему было около 70 лет. Ученый хотел измерить прямое гравитационное притяжение между двумя телами. С этой целью он закрепил на нити брусок железа, на концах которого повесил по свинцовому шарику, а затем приблизил два больших шара, также свинцовых, к двум маленьким. Но он поставил их не в линию, а под некоторым углом, что вызвало вращение бруска на нити. Измерив это тонкое и почти незаметное вращение, Кавендиш смог вычислить величину силы, с которой они притягиваются друг к другу, и на основе этих данных получить — впервые в истории — массу и плотность Земли.

Иллюстрация аппарата, созданного Генри Кавендишам для измерения гравитационной постоянной.

В трактате он сделал и другое удивительное предположение: свет оказывает давление. По его расчетам, солнечный свет давит на поверхность Земли с силой 7 граммов на гектар. В 1900 году русский физик Петр Лебедев (1866-1912) проверил эту гипотезу и попытался объяснить, почему структура звезды сохраняется, а не разрушается из-за гравитации, или почему хвост кометы всегда находится в направлении, противоположном Солнцу.

Здание, которое должно было стать оплотом экспериментальной физики в Кембридже, было открыто на шумной университетской церемонии в июне 1874 года. Первоначально его хотели окрестить Девонширской лабораторией, но, по предложению Максвелла, название изменили на Кавендишскую — не только в честь герцога, но также по имени одного из его предков, замечательного физика-экспериментатора по имени Генри Кавендиш. В этом году герцог вручил Джеймсу неопубликованные рукописи, в которых содержались эксперименты с электричеством, проведенные его родственником с 1771 по 1781 год, предположив, что тот сможет подготовить их к публикации. Максвелл был впечатлен элегантностью и оригинальностью этих работ. Кавендиш не только тщательно продумал эксперименты, о которых Максвелл никогда не слышал, но и оказался первооткрывателем многих явлений, что до тех пор приписывалось другим ученым. Например, за полгода до немца Георга Симона Ома он открыл закон, который связывает силу тока с напряжением и сопротивлением. Джеймс был глубоко убежден в том, что история науки не может проигнорировать данный факт, и в последующие годы посвятил значительную часть своего времени подготовке издания работ этого впечатляющего ученого-экспериментатора. Книга была опубликована в 1879 году, за несколько недель до смерти Максвелла.

Проект Кавендишской лаборатории вскрыл противоречие, которое тогда существовало между любовью к уединенности, традиционной для профессоров, и новым, публичным характером их работы в качестве преподавателей и исследователей. Историк науки Симон Шаффер рассказывает:

«Разделение между работой и престижем было ясным. Швейцарская и помещения профессуры на втором этаже были оформлены должным образом. Лаборатория магнетизма занимала восточный конец первого этажа, почетное место, с мощными полками и относительно большим пространством для дополнительного оборудования». 

Максвелл предоставил для лаборатории свои приборы и сконструировал другие. В первые годы существовала традиция, согласно которой новички начинали работать с магнитометром Кью. Очевидно, что самые большие ресурсы были направлены на новые предметы, которые были включены в трайпос: тепло и магнетизм изучались на первом этаже, а электричество — в большом зале на чердаке.

Эта книга — не атлас, а доклад исследователя.

Комментарий инженера-электрика Бэзила Маона о работе Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме» (1873)

Программа исследования была согласована с планами Максвелла. Одной из тем, которая волновала его больше всего, было точное измерение основных физических констант, чего требовали такие области, как электричество и магнетизм. Например, вышеупомянутый закон Ома был подтвержден, но не было известно, является сопротивление на участке цепи постоянной величиной или оно зависит от силы тока, как оно зависит от температуры проводника. Корректное определение единицы электрического сопротивления было одной из главных целей Кавендишской лаборатории. Это заслуживало внимания, поскольку развитие телеграфа требовало, чтобы были хорошо определены как единицы измерения электромагнитных явлений, так и их законы.

По сути, Максвелл в Кембридже выполнял две обязанности: преподавал теорию электричества, магнетизма и тепла для подготовки к математическому трайпосу и определял направления исследований лаборатории. Его целью было привлечь студентов-математиков к экспериментальной физике.

Молодым студентам, которые приходили в лабораторию, Максвелл позволял исследовать то, что они хотели. Это была норма, которой он следовал всю жизнь, никогда не предлагая никаких тем, если только его не спрашивали. В результате ученый заслужил высокую оценку тех, кто его знал как внутри, так и вне лаборатории. Если в качестве преподавателя он не особенно блистал, так как публичные выступления давались ему с трудом, то в качестве руководителя в мире экспериментальной науки Джеймс был важной величиной.

Конечно, он совершал ошибки. Одной из них, и самой главной, стало предположение, что присущую ему страсть к знаниям испытывают все, кто с ним работает. Артур Шустер (1851-1934) — физик, который внес важный вклад в спектроскопию и был хорошо знаком с организацией работы как в Кембридже, так и в Берлине, — прокомментировал проблемы, существовавшие, по его мнению, у Кавендишской лаборатории. Например, не было возможности одновременно ставить разные эксперименты первостепенной важности. Кроме того, занятия в аудитории не были связаны с теми, что велись в лаборатории, не контролировалась работа учеников: