Джеймс Клерк Максвелл родился 13 июня 1831 года в Эдинбурге. Его отец, Джон Клерк, был шотландским дворянином. В свое время он получил в наследство поместье жены одного своего родственника, которая в девичестве носила фамилию Максвелл. По распространенной тогда традиции Клерк вместе с поместьем принял и новую фамилию. После рождения Джеймса семья переехала в Южную Шотландию, где поселилась в своем поместье Гленлэр («Приют в долине»). Когда мальчику было 8 лет, его мать умерла. Первоначально родители, весьма, надо сказать, образованные люди, собирались обучать Джеймса дома, но затем отец был вынужден отказаться от этого намерения. В 1841 году Джеймс был отправлен в Эдинбург к тетушке, где начал учебу в школе, носившей гордое название «Эдинбургская академия».
Известно, что в первое время мальчик произвел на одноклассников отнюдь не блестящее впечатление: за застенчивость и некоторую медлительность он даже получил прозвище Тупица. Он не особо интересовался общением со сверстниками и проводил досуг в чтении, черчении каких-то графиков и изготовлении механических моделей. Но вскоре соученики Максвелла были удивлены далеко не средними математическими успехами Тупицы. Да и в других предметах Джеймс был одним из лучших. В неполные 15 лет он написал свою первую научную работу «О черчении эллипсов», в которой описал новый простой способ вычерчивания эллиптических фигур.
В 1847 году Максвелл поступил в Эдинбургский университет, но через три года перешел в кембриджский Тринити-колледж, который и окончил в 1854 году. Джеймс был одним из лучших студентов в обоих заведениях. По кембриджской традиции среди выпускников определяли Старшего Полемиста – студента, сдавшего лучше всех экзамен по математике. Максвелл был признан Вторым Полемистом, но с примечанием, что это звание, в данном случае, может быть приравнено и к Старшему Полемисту. В студенческие годы Джеймс написал несколько прекрасных работ по физике, математике, физиологии и физике цветного зрения.
Получив научную степень, Джеймс Максвелл первое время преподавал в Кембридже. Здесь он и положил начало своим важнейшим изысканиям. Еще студентом Джеймс заинтересовался «Экспериментальными исследованиями по электричеству» Майкла Фарадея. Позже Максвелл писал: «Прежде чем начать изучение электричества, я принял решение не читать никаких математических работ по этому предмету до тщательного прочтения “Экспериментальных исследований по электричеству” Фарадея. Я был осведомлен, что высказывалось мнение о различии между фарадеевским методом понимания явлений и методом математиков, так что ни Фарадей, ни математики не были удовлетворены языком друг друга».
Математики, упомянутые Максвеллом (прежде всего Ампер и Нейман), исходили из концепции дальнодействия, согласно которой взаимное действие тел передается мгновенно на любое расстояние. Это представление противоречило идеям Фарадея об электрическом и магнитном полях. Максвелл попытался преодолеть это противоречие. Результатом стала серия блестящих работ: «О Фарадеевых линиях сил» (1855–1856), «О физических силовых линиях» (1861–1862);
«Динамическая теория электромагнитного поля» (1864). В них молодой ученый пытался математически обосновать и развить идеи Фарадея. Он обобщил полученные эмпирическим путем законы электрических и магнитных явлений и создал теорию электромагнитного поля. Законы электромагнитного поля Максвелл выразил в знаменитых уравнениях, названных в его честь и ставших фундаментальными уравнениями классической электродинамики. Именно работы Джеймса Максвелла окончательно продемонстрировали неразрывную связь между электрическими и магнитными явлениями.
К современному виду – системе четырех дифференциальных уравнений – их независимо друг от друга привели ученые Оливер Хевисайд и Генрих Герц. Опираясь на свои уравнения, Максвелл предсказал существование электромагнитных волн, показал, что скорость их распространения в вакууме равна скорости света, и сделал вывод о том, что свет имеет электромагнитную природу. Эйнштейн так охарактеризовал роль работ Максвелла: «Тут произошел великий перелом, который навсегда связан с именами Фарадея, Максвелла, Герца. Львиная доля в этой революции принадлежит Максвеллу… После Максвелла физическая реальность мыслилась в виде непрерывных, не поддающихся механическому объяснению полей… Это изменение понятия реальности является наиболее глубоким и плодотворным из тех, которые испытала физика со времен Ньютона».
Но вернемся вновь к биографии Джеймса Максвелла. В 1856 году он получил известие о болезни отца, из-за чего ему пришлось покинуть Кембридж и искать новую работу поближе к дому. Он предложил свою кандидатуру на пост профессора физики в Маришал-колледже – одном из колледжей Абердинского университета. В конце апреля ходатайство Максвелла было удовлетворено. По злой иронии судьбы за месяц до этого его отец умер.
В Абердине изучение электромагнитных явлений временно отошло на второй план. Максвелл занимался широким кругом разнообразных научных вопросов, в частности, вернулся к вопросам оптики и физиологии зрения. В 1857 году одним из колледжей Кембриджа был объявлен конкурс на лучшее исследование колец Сатурна. Джеймс выиграл конкурс, написав превосходную работу, в которой, в частности, математически показал, что кольца могут быть устойчивы только в том случае, если они состоят из большого числа не связанных между собой тел.
В 1859 году Максвелл женился на Кэтрин Мэри Дьюар, дочери главы Маришал-колледжа. Сведений о личной жизни ученого сохранилось очень немного. Причиной тому, по большей части, является пожар, произошедший в Гленлэре в 1929 году – как полагают, в огне могли погибнуть материалы, содержащие сведения биографического характера. Кроме того, Максвелл всегда отличался скромностью и застенчивостью. Он вел уединенный образ жизни и не любил говорить о своей семье.
В 1860 году Маришал-колледж объединился с Королевским колледжем, и Максвелл временно остался без места. Но в этом же году он был принят в Лондонское королевское общество и получил приглашение возглавить кафедру физики в Королевском колледже Лондонского университета. Несмотря на то что преподавательская нагрузка на новом месте была значительно больше, чем в Абердине, шесть лет, проведенные Максвеллом в Лондонском университете, стали, пожалуй, самыми плодотворным периодом его жизни. Он занимался не только описанными выше исследованиями электрических и магнитных явлений. Ученый, например, продолжил свои оптические изыскания. В 1861 году Максвелл получил первое в мире цветное изображение, спроецировав на экран красный, зеленый и синий диапозитив. Тем самым была не только доказана трехкомпонентная гипотеза цветного зрения, но и заложена основа для создания в будущем цветной фотографии. Кроме того, ученый создал один из первых приборов для количественного измерения цвета – так называемый диск Максвелла.
Но, конечно же, наибольшее значение имеют работы английского ученого по кинетической теории газов, на которых и следует остановиться подробнее. Осенью 1859 года, еще будучи преподавателем Маришал-колледжа, Максвелл выступил с докладом «Пояснения к динамической теории газов». В нем он впервые привел названное позже его именем распределение молекул по скоростям, позволяющее «определить среднее число частиц, скорости которых лежат в определенных пределах». При этом Максвелл отказался от взглядов Даниила Бернулли и Рудольфа Клаузиуса, считавших, что скорости всех молекул газов при одной температуре одинаковы. Таким образом, Максвелл не только стал одним из основателей молекулярно-кинетической теории газов, но и первым ученым, который ввел в физические исследования элементы статистики. Кинетическая теория, можно сказать, развязала руки Максвеллу и другим физикам. На ее основании ученый объяснил закон Авогадро, рассчитал зависимость вязкости газа от скорости и длины свободного пробега молекул, определил средний размер молекул. В 1866 году Максвелл опубликовал работу «Динамическая теория газов», в которой обобщил свои открытия в данной области. Также важную роль сыграл знаменитый эксперимент с «демоном Максвелла». Находясь в перегородке, разделяющей на две части термически изолированный сосуд, «демон Максвелла» – гипотетическое устройство или существо – пропускает в одну из полостей быстрые или «горячие» молекулы и не пропускает медленные («холодные»). Таким образом, абстрактно можно представить себе условия, при которых ставится под сомнения второе начало термодинамики. В дальнейшем «демон Максвелла» привел Людвига Больцмана к выведению статистической интерпретации второго закона термодинамики.
