Его влечение к науке привело к построению маленькой лаборатории над зданием, отведенным его отцом для стирки и глажки одежды обитателей фермы. Там он проводил долгие каникулы шотландских университетов, которые начинались в конце апреля и длились до начала ноября. Таким образом студенты могли помогать семьям в самое тяжелое для сельского хозяйства время — весной и летом. Максвелл так описывал свою лабораторию:
«У меня есть старая дверь, которая держится на двух бочках, и два стула, из которых один надежный, и слуховое окно, которое я могу открывать и закрывать.
На двери, или столе, много мисок, кувшинов, тарелок, банок: в них содержится вода, соль, сода, серная кислота, медный купорос, графит, также разбитое стекло, железо, медные провода, пчелиный воск, воск для запечатывания, сланец, древесная смола, древесный уголь, линза, гальванический аппарат Сми [электрический прибор того времени, включавший одну батарею] и несметное число маленьких жучков, пауков и мокриц, которые падают в разные жидкости и умирают от отравления».
Это была отличная практика. Джеймс обвивал медью старые банки с вареньем, экспериментируя с электричеством, а также развлекал местных детей химическими опытами, позволяя им плюнуть в смесь двух белых порошков и наблюдать, как они меняют цвет на зеленый. Но более всего привлекал его внимание поляризованный свет — световые волны, электромагнитные колебания которых распространяются только в одном направлении. Мы можем легко наблюдать его с помощью двух солнечных очков с поляризованными стеклами. Если мы поставим их друг перед другом так, что одно стекло окажется напротив другого, и начнем вращать одно из них, то в какой-то момент свет совсем перестанет проходить. Это происходит потому, что два стекла позволяют пройти только свету, колебание волн которого осуществляется в вертикальном направлении. Вращением второго стекла мы поместили его в положение в 90° относительно первого, следовательно, оно не позволит пройти свету (рисунок 1). Максвелла завораживали цвета, которые получаются при освещении таким светом быстроохлажденных неотпущенных стекол (стекол, в которых сохранились внутренние напряжения). Но его интерес выходил за грани чисто эстетического: он хотел понять структуру и распределение таких напряжений. Чтобы сделать это, Джеймс брал куски стекла, нагревал их докрасна и затем быстро остужал.
РИСУНОК 1:
Чтобы понятъ поляризацию света, надо представить себе веревку, которая колеблется вертикально (то ость вартикально поляризована) и проходит через два заграждения.
РИСУНОК 2:
Благодаря отражению пучка света от стекла он оказывается поляризованным
Вначале у него не было никаких приборов, которые позволили бы ему получить поляризованный свет, так что ему пришлось импровизировать. Максвелл знал, что когда пучок света отражается под некоторым углом от поверхности стекла, часть отраженного пучка оказывается поляризованной (рисунок 2). Так что он сконструировал поляризатор, который состоял из спичечного коробка и двух кусков железа, соединенных воском для фиксации под нужным углом. Кроме того, он знал, что существуют природные кристаллы, которые поляризуют свет, когда он проходит через них; молодой ученый провел немало времени, шлифуя тонкие пластинки таких кристаллов, чтобы получить нужный эффект. Однажды он записал:
«Вчера мы были в замке Дуглас, и я достал кристаллы селитры, которые сегодня разрезал на пластинки. Надеюсь увидеть кольца».
Изображения, полученные им данным способом, были еще более завораживающими. Чтобы сохранить их, ученый использовал камеру-люциду. Она была описана немецким астрономом Иоганном Кеплером (1571-1630) в книге «Диоптрика», однако оказалась забыта до тех пор, пока в 1806 году ее вновь не изобрел британский физик Уильям Хайд Волластон (1766-1828). Он разбогател, совершенствуя методы обработки платины, а также открыл палладий и родий. Джеймс зарисовал цветные изображения акварелью и послал их Уильяму Николю, знаменитому оптику, с которым его познакомил дядя за два года до этого. Николь был так впечатлен его работой, что подарил ему две своих призмы из исландского шпата, и этот подарок Джеймс ценил всю жизнь.
Но зарисовка акварелью картин, созданных поляризованных светом, не была целью, которую преследовал Максвелл, он скорее искал принцип чего-то более глубокого. Смог бы он воспользоваться своим методом, чтобы увидеть механические напряжения твердых тел различных форм, подверженных нагрузкам? Джеймс знал, что данная тема очень интересовала инженеров. Для проверки этой идеи ему нужно было прозрачное твердое тело, которому он мог бы придавать различные формы: растягивать, скручивать, сжимать... Подойдет ли желатин? Получить его было несложно: достаточно пойти на кухню. Итак, он сделал кольцо из желатина и скрутил его, чтобы создать в нем напряжение. После этого Максвелл пропустил сквозь него поляризованный свет и смог наглядно увидеть области напряжения: он разработал метод фотоупругости, хорошо известный сегодня инженерам.
КРИВЫЕ И УПРУГИЕ ТВЕРДЫЕ ТЕЛА
В то же время Максвелл занимался математическими исследованиями, продолжая свою первую работу об овалах: в феврале 1849 года Келланд прочел его статью « кривых » в Эдинбургском королевском обществе. В ней речь идет о кривой, которая появляется, когда круг катится вдоль другой кривой. Один из примеров — это циклоида, получаемая в результате перемещения заданной точки круга, катящегося по прямой линии (см. рисунок).
Статья демонстрирует стиль работы, который проявился у ученого и далее. Он был исчерпывающим в используемых понятиях, а также в библиографии, где упоминались как классические работы по предмету, так и самые современные. Джеймс также был систематичным в изложении, не упуская ничего и стараясь сделать наибольшее возможное число обобщений. Один из самых простых результатов, который он нашел в этой математической работе, следующий:
«Если кривая А при качении по прямой линии образует кривую С и кривая А, катясь по самой себе, образует В, то когда кривая В катится по С, она образует прямую линию».
На втором курсе Максвелл продолжил ходить на занятия по математике, а также на метафизику к Гамильтону. На этом же курсе он перешел в первую группу из трех, на которые Форбс делил учеников на своих занятиях естественными науками, поскольку на первом курсе из-за недостаточных познаний ему пришлось остаться во второй.
Если приставить карандаш к одной из точек окружности и вращать окружность без скольжении по прямой, образуется циклоида с началом в точке А и максимальной высотой в точке В.
Максвелл продолжил исследования изображений, возникающих при прохождении поляризованным светом тела, подвергнутого нагрузке, и начал пытаться объяснить полученные результаты, прибегая к теории упругости. Руководство Форбса в этом было неоценимым, поскольку тот сам недавно представил в Эдинбургском королевском обществе работу об измерении способности тел к растяжению. Результатом стала великолепная статья «О равновесии упругих тел». Максвелл вывел новые закономерности и создал понятийный аппарат для дальнейшего обсуждения упругости и фотоупругости. И все это получилось в результате умственной работы молодого человека, которому было всего лишь 18 лет.
В статье излагалась общая математическая теория упругости, которая затем была применена к частным случаям упругой деформации (некоторые из них уже были открыты другими авторами). Заканчивалась эта работа описанием фотоупругости. Некоторые теоретические результаты Максвелл проверил собственными экспериментами и проиллюстрировал статью аккуратными акварельными зарисовками, в которых показал цветные картины, возникающие при использовании поляризованного света. Молодой человек усердно работал над статьей, но писал ее очень запутанным стилем и не заботился чрезмерно о математической формулировке, что делало его объяснения трудными для понимания. Как только Форбс получил эту работу, он сурово отчитал Джеймса:
«Совершенно очевидно, что бесполезно публиковать статью для научного пользования, если во многих местах есть переходы, за которыми не может проследить даже такой знаток математики, как профессор Келланд».
Джеймс усвоил урок. После этого выговора он выработал стиль написания, который затем применял во всех остальных работах.
РАСТЯНУТЬ, СКРУТИТЬ И РАСКРАСИТЬ
Математическая теория упругости была разработана такими крупными учеными, как Навье, Пуассон и Коши. Для этого они сформулировали различные гипотезы о молекулярных взаимодействиях в упругих телах. Максвелл решил не идти их путем. Он предпочитал идею, которую ирландский физик Джордж Габриель Стокс (1819-1903) представил в Кембриджском философском обществе в 1845 году в докладе под названием «О теории внутреннего трения в движущихся жидкостях и о равновесии и движении упругих твердых тел». Стокс хотя и был убежден, что конечная причина поведения упругих твердых тел лежит во взаимодействии между молекулами, которые его образуют, решил проблему с чисто геометрической точки зрения, представив модель, не зависящую ни от каких гипотез о молекулярных силах.
