ГЛАВА 8 Кавендиш

Максвелл имел отличную репутацию физика- экспериментатора, хотя и казался несколько эксцентричным из-за своей «странной» электромагнитной теории, которую мало кто понимал. Именно тогда ему предложили стать директором нового исследовательского центра, строящегося в Кембридже. Это была Кавендишская лаборатория, призванная стать цитаделью физических наук.

Летом 1865 года Максвелл снова находился на грани смерти из-за воспаления раны, полученной им во время верховой поездки при ударе о ветку. К счастью, благодаря заботе Кэтрин он полностью поправился. В том же году ученый отказался от должности профессора в Кингс-колледже, покинул Лондон и вернулся в родную Шотландию.

Следующие шесть лет Максвелл прожил в Гленлэре, работая над своей теорией электричества и иногда посещая Лондон и Кембридж. Одновременно он занимался местными делами: например, поддерживал на собственные деньги школу в соседней деревне, которую местный школьный совет хотел закрыть. Он также исполнил желание отца и достроил усадьбу: 

«[Мой отец] хотел построить дом подобающим образом, потому что, как он думал, тот понадобится ему в качестве дома местного судьи, но к тому моменту, когда пришла его смерть, он построил только его небольшую часть. Мы достраиваем его по возможности, всегда в соответствии с его идеями». 

В описываемый период Максвелл опубликовал книгу «Теория тепла», 16 научных статей и начал готовить свой знаменитый «Трактат об электричестве и магнетизме». Литература являлась одним из его увлечений, и он вслух читал жене Чосера, Мильтона и Шекспира, а также большое количество теологических и философских трактатов.

Летом 1867 года Максвеллы собрались в длинное путешествие по Италии. Оно началось не так, как предполагалось: по прибытии в Марсель их корабль поставили на карантин, и Джеймс направил свои силы на помощь другим пассажирам. Уже во Флоренции супруги встретились со своим другом Льюисом Кэмпбеллом, который был любителем итальянской музыки и архитектуры. Джеймс не разделял его интересов, зато достаточно хорошо выучил итальянский для того, чтобы обсуждать научные вопросы с коллегой из Пизы.

Жизнь ученого проходила в основном в Гленлэре, но не ограничивалась им. Максвеллы обычно посещали встречи, которые Британская ассоциация содействия развитию науки организовывала в различных местах страны. Кроме того, они проводили достаточно много времени в Лондоне и ежегодно навещали Кембридж: университет пригласил Джеймса стать ассистентом, а затем и экзаменатором математического трайпоса. В 1868 году наставник Максвелла Форбс оставил свободным свое место ректора Сент-Эндрюсского университета, самого старого в Шотландии, и ему предложили подать заявку на эту должность. Ученый отказался, так как не считал себя готовым к подобному: «Мое дело — работа, а не руководство». Любопытно, что этот же университет отказал в должности преподавателя натуральной философии Джеймсу П. Джоулю — физику, установившему связь между механической работой и теплом. По мнению одного из членов комиссии, небольшое искривление позвоночника, от которого страдал Джоуль, делало его неподходящим кандидатом на этот пост.

В 1871 году Кембриджский университет предложил Максвеллу занять должность преподавателя экспериментальной физики. Герцог Девонширский пожертвовал большую сумму денег на постройку исследовательской лаборатории, и если бы Джеймс согласился, он был бы обязан привести ее в действие.

Ректорский совет Кембриджа понимал, как важно было нанять прекрасного ученого-экспериментатора. Первым и самым очевидным выбором казался Уильям Томсон — самый известный ученый того времени. Однако он не хотел покидать свой любимый университет Глазго, где в течение нескольких лет создавал прекрасный исследовательский центр, который начался как простая лаборатория в бывшем винном погребе. С 1870 по 1872 годы министерство финансов выделило 120 тысяч фунтов на строительство нового университета в Глазго, где физическая лаборатория Томсона занимала почетное место: 

«Здесь, в Глазго, на новом факультете, у меня есть возможности, которых не было бы ни в каком другом месте: я располагаю приборами и подходящими помощниками, а также комфортными условиями для осуществления работы по механике». 

Следующим в списке совета был немец Герман фон Гельмгольц. Томсон написал ему, рассказав о преимуществах центра, но Гельмгольцу предложили отличное место в Берлине, и он также не согласился. Максвелл был третьим в списке. Безусловно, его рассматривали как блестящего ученого, хотя и несколько эксцентричного: должно быть, он был немного странным, раз смог сформулировать такую электромагнитную теорию. Было известно, что Максвелл — умелый экспериментатор, который проводит демонстрации своим ученикам, однако он не имел прямого опыта руководства исследовательской лабораторией. Джеймс колебался какое-то время, но в конце концов согласился. В марте 1871 года Максвелла официально утвердили в должности, и он снова собрал вещи. В этот раз для того, чтобы вернуться в Кембридж.

БЕСПОЛЕЗНОСТЬ ЛАБОРАТОРИЙ

Создание исследовательской лаборатории в таком знаменитом городе, как Кембридж, вызвало противостояние части ученых университета. Среди них были бывший заместитель ректора Эдвард Пероун и известный математик Исаак Тодхантер.

По их мнению, математика и англиканизм лучше усваивались на занятиях и в часовнях, чем в лаборатории. Сам Тодхантер в 1873 году утверждал, что экспериментальные науки подобны «наемным работникам» и, несмотря на то что «постоянное взаимодействие с каким-нибудь преподавателем, с блестящими и оригинальными способностями к экспериментированию» может быть полезным, доказательства в экспериментальных науках не имеют ценности. Многие взывали к мнению Уильяма Уэвелла, который был ректором Тринити, когда там учился Максвелл. Он утверждал, что физика «не должна входить в компетенцию колледжей». В том же 1873-м, за год до того, как лаборатория открыла свои двери, уважаемый колледж Корпус-Кристи обвинил будущее заведение на другой стороне переулка Фри-Скул в том, что оно нарушает права «древнего светила знания», и потребовал 600 фунтов в качестве компенсации. Иск не имел успеха, потому что через некоторое время поступил приказ пренебрегать подобными заявлениями.

Принципиальным вопросом были деньги, так как университет получил только 30 % от требуемой суммы. Именно тогда в игру вступил настоятель Уильям Кавендиш (1808-1891), седьмой герцог Девонширский, обладатель премии Смита и второй спорщик. Он взялся покрыть необходимые расходы. Такова была ситуация, когда приехал Максвелл. Стокс, профессор Лукасовской кафедры математики, сказал ему, что «основным долгом нового преподавателя будет, в первую очередь, консультировать по вопросам строительства физической лаборатории и музея». Примечательно, что университетские науки викторианского периода заметно беспокоились о музеях: «рациональное расположение коллекций видов и макетов так же преобладало в инженерии и физических науках, как и в ботанике или анатомии», — утверждает историк науки Симон Шаффер. Действительно, многие научные инициативы середины XIX века вращались вокруг музеев.

Максвелл принялся за работу. Вместе с физиком и заместителем декана Тринити, Коуттсом Троттером, он занялся осмотром известных лабораторий, чтобы использовать их опыт. В апреле 1871 года ученый ездил в Эдинбург и Глазго, чтобы обсудить свои планы по обустройству лаборатории в Кембридже. В первом городе он встретился со своим другом Питером Гатри Тэтом, стыдившимся «бедной лачуги», которой он руководил в университете. Максвелл, охваченный собственными идеями, объяснил ему каждую деталь: например, что необходимо повесить на стены достаточное количество деревянных полок для размещения на них оборудования. Джеймс уже задумал несколько экспериментальных программ, и здание должно было быть построено соответствующим образом. Самой содержательной была его встреча с Томсоном, обладателем лучшей лаборатории во всей Великобритании. Они долго и подробно обсуждали каждую деталь, какой бы ничтожной она ни казалась.

В конце марта Максвелл сделал эскиз, демонстрирующий его планы, и послал его Томсону. На тот момент он хотел иметь три помещения с точными электромагнитными и гравиметрическими приборами, отдельный кабинет для профессоров, зал для подготовки в задней части большой аудитории на втором этаже и место для опытов с теплом и оптических экспериментов на чердаке. Троттер предупредил его о сложностях поиска подходящего архитектора. Максвелл согласился: 

«Надеюсь, он будет не из Лондона. [...] На мой взгляд, ни у кого из известных кандидатов нет хотя бы отдаленного представления о том, что нужно для физической лаборатории. Кажется, единственная возможность построить нужное мне здание — это позвать кого-то, кто будет способен учитывать мои советы». 

Существует мнение, что архитекторы строят не здания, а памятники самим себе, и Максвелл хотел избежать этой крайности. В результате был приглашен местный архитектор, который до того времени получил в Кембридже только один заказ, связанный с ремонтом Колледжа Святой Екатерины в 1868 году. Им был Уильям Фосетт. В ноябре 1871 года он вручил Максвеллу план здания, довольно близко отражающий то, что хотел видеть физик. Между тем критики продолжали гнуть свою линию; научный журнал Nature, основанный в 1869 году, сомневался в том, что лаборатория сможет добиться успехов в исследованиях: в лучшем случае, говорилось там, за десять лет она достигнет уровня немецкого провинциального университета.

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.

КАВЕНДИШ, ОДЕРЖИМЫЙ ОТШЕЛЬНИК

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.

Все для науки

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.

МЕЖДУ ДВУМЯ МИРАМИ

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:

«[...] даже знающий человек абсолютно беззащитен в первый раз, когда входит в лабораторию. Он не имеет представления о времени, которое занимает обдумывание и осуществление всех деталей эксперимента, и о том, как непредвиденные сложности могут отложить основное исследование, почти затмить его».

Шустер удачно показал, что существует принципиальная разница между работой в частной лаборатории и в лаборатории в центре, полностью посвященном исследованиям. Проблема в том, что Максвелл провел практически все свои исследования в лабораториях первого типа: в своей мастерской в Гленлэре и в лаборатории Форбса в Эдинбурге он научился необходимым основам; значительные эксперименты по электромагнетизму, теплу и вязкости газов он осуществил в мастерской в подвалах Кингс-колледжа, в чулане в Кенсингтоне и в мастерских, которые помогли устроить в его домах в Лондоне знатоки электромагнетизма...

БОЛЕЗНЬ И СМЕРТЬ

Чета Максвеллов жила, удобно расположившись в Скуп- Террас. Любой, кто знал Джеймса и приходил к нему домой, мог убедиться, что внутри не хватало чего-то, что присутствовало всегда в его жилище: лаборатории. Она была ему не нужна.

Через некоторое время после прибытия здоровье Кэтрин ухудшилось, и Джеймс посвящал значительную часть своего времени уходу о ней. О ее характере известно очень мало, однако чаще всего встречается утверждение, что она была «сложной» женщиной. Двоюродная сестра Кэтрин, Джемима Блэкберн, говорила, что она «ни красива, ни здорова, ни приятна» и обладает «подозрительным и ревнивым характером». Некоторые биографы сомневаются в том, что эти слова действительно отражают объективную картину. Как бы то ни было, супруги были преданны друг к другу, и Джеймс всегда ставил благополучие своей жены выше собственного.

Из-за своего нового положения директора Кавендиша ученый не покинул Гленлэр; он проводил четыре месяца в году на своих землях, где наслаждался деревенской жизнью, которая так ему нравилась. Максвелл находился на пике зрелости — как человеческой, так и умственной. Но вскоре его самочувствие ухудшилось.

Весной 1877 года он начал страдать хронической изжогой. Питьевая сода смягчала симптомы, и в течение последующих полутора лет Максвелл продолжал обычную работу. Он управлял Кавендишем, давал уроки и писал статьи и книги: среди прочих — еще одно его сокровище под названием «Материя и движение», являющееся прекрасным введением в механику, где с помощью минимального использования математики объясняются понятия и законы этой физической дисциплины.

Как обычно, в июне супружеская пара вернулась в Гленлэр; в сентябре Джеймс начал испытывать сильные боли. Максвелл ждал приезда Уильяма Гарнетта, который впечатлил его ответами на трайпосе. Кэтрин предложила отменить это приглашение, но Джеймс отказался. Приехав в Гленлэр, супруги Гарнетты увидели хозяина дома очень больным, но он нашел в себе силы участвовать в вечерней молитве и любезно ухаживать за гостями.

Максвелл вспомнил болезнь своей матери и начал подозревать, что с ним происходит то же самое. Второго октября выяснилось, что у него рак брюшной полости и ему осталось жить самое большее месяц. Ученому советовали вернуться в Кембридж, где доктор Педжет мог бы дать ему лекарства, способные притупить боль. Восьмого октября Максвелл уже был так слаб, что почти не мог дойти от вагона до кареты. Его врач в Гленлэре, доктор Лоррейн, написал Педжету сообщение, в котором объяснил ситуацию, добавив:

«Должен сказать, что это один из лучших людей, которых я знал.

Кроме его огромных научных заслуг, этот человек является, насколько можно такое представить, идеальным примером христианина».

Джеймс Клерк Максвелл умер 5 ноября 1879 года. Похороны прошли в следующее воскресенье в церкви Святой Марии. После церемонии его перевезли в Гленлэр, чтобы похоронить на кладбище прихода в Партоне, рядом с отцом и матерью. Кэтрин умерла семь лет спустя.

Личная библиотека Максвелла была передана Кавендишской лаборатории вместе с 6000 фунтами. Его усадьба в Гленлэре перенесла два разрушительных пожара — один в 1899 году, а другой в 1929-м, — которые полностью ее разрушили. В 1993 году наиболее старая ее часть была восстановлена новым владельцем. И даже сегодня на дороге, идущей от шоссе, соединяющего Далбитти с Корсоком, можно увидеть каминные трубы и щипцы дома, в котором когда-то жил один из самых чудесных умов XIX века.