Джеймс Кларк Максвелл (1831-1879) был кем угодно, только не демоном, хотя для многих студентов-естествоиспытателей и инженеров одно упоминание о его знаменитых уравнениях является поводом для самого неприличного бегства. Конечно, такое состояние дел никогда не входило в намерения мудреца при совершении открытий. Его единственной целью было прояснить то, что другие доказали и продемонстрировали до него: что электричество и магнетизм неразрывно связаны.
Эта история восходит к 1820 году, когда датский физик по имени Эрстед изучал электричество, циркулирующее по проводящему кабелю, генерируемое с помощью батареи, изобретенной Вольтой 20 лет назад. К изумлению физика, стрелка компаса, случайно помещенная рядом с кабелем, изменила направление при прохождении электрического тока. Электрическая циркуляция явно воздействовала на намагниченную иглу.
Так родилась связь между электричеством и магнетизмом, связь, которая оказалась более тесной, чем считалось благодаря многим другим исследователям, особенно Фарадею.
Максвелл продемонстрировал эту взаимосвязь с размахом, как это делают гении, сведя проблему титанических размеров к четырем замечательным математическим уравнениям, носящим его имя: «уравнения Максвелла».
Отдаленное влияние электричества на магниты и наоборот указывало на существование электромагнитных возмущений, распространяющихся в пространстве, образующих волны. Максвелл пошел еще дальше: он заявил, что свет — это видимые электромагнитные волны, передающиеся через эфир.
Если Максвелл и был демоном в чем-либо, так это в его математических способностях. Вместе со своими коллегами он решал проблему тепла, приняв сторону австрийского учёного Людвига Больцмана, защищавшего существование атомов (в то время это ещё не было ясно). Больцман утверждал, что тепло и другие свойства материи можно объяснить с помощью статистики. И что движение молекул предсказуемо, поскольку большинство из них движутся сходным образом. И что главное — установить какое-то среднее значение этого движения.
Это была рискованная теория, и именно поэтому Больцман нажил много недоброжелателей, но Максвелл с самого начала его поддержал его. И всё же Больцман, подавленный непониманием своих коллег, в 1906 году покончил жизнь самоубийством.
Анализируя проблему тепла как продукта беспорядочного движения молекул газа, учёный думал, что некоторые молекулы двигаются быстрее, другие медленнее, но большинство из них двигаются со средней скоростью, которая зависит от того, насколько газ горячий.
Максвелл же подошел к этой проблеме с точки зрения статистики и установил, как именно распределяются скорости молекул при каждой конкретной температуре.
Уравнение, известное как «Уравнение Максвелла-Больцмана», является одним из столпов статистической физики.
Эти исследования привели его к рассмотрению воображаемой проблемы, которая, казалось, противоречила одному из священных принципов физики: второму закону термодинамики. Этот принцип означает, что два изолированных тела с разной температурой соприкоснутся, тепло всегда будет передаваться от более горячего к более холодному, а не наоборот. Учёные говорят об этом и по-другому: энтропия, то есть беспорядок изолированной системы, никогда не уменьшается.
И в связи с этим есть одна очень интересная проблема, поставленная учёным, она известна как «Демон Максвелла». Предположим, (сказал наш мудрец) что у нас есть два газа с разными температурами, запертые в двух соседних камерах и изолированные от остальной Вселенной. Молекулы обеих будут иметь разные средние скорости. Чтобы лучше представить себе это, давайте вообразим игривого чертенка, способного управлять дверью, соединяющей две камеры. Демон может видеть каждую молекулу по отдельности, но открывает дверь только самым быстрым из них. Таким образом, одна из двух камер будет становиться все более горячей, а другая остывать, нарушая Второй закон термодинамики.
Демон Максвелла до сих пор пугает научных деятелей.
