James Clerk Maxwell kimdi?

    İster cep telefonunuzda konuşuyor, ister en sevdiğiniz televizyon programını izliyor, internette sörf yapıyor veya bir seyahatte size rehberlik etmesi için GPS'inizi kullanıyor olun, bunların tümü 19. yüzyıl İskoç fizikçisi James Clerk'in temel çalışmasıyla mümkün kılınan modern kolaylıklardır. Maxwell. Maxwell elektriği ve manyetizmayı keşfetmemiş olsa da, Benjamin Franklin , André-Marie Ampère ve Michael Faraday'ın daha önceki çalışmalarına dayanan elektrik ve manyetizmanın matematiksel bir formülünü uygulamaya koydu . Bu makale, adamın kısa bir biyografisini vermekte ve matematik olmayan terimlerle James Clerk Maxwell'in bilime ve dünyasına katkısını açıklamaktadır.

James Clerk Maxwell'in Hayatı

    James Clerk Maxwell 13 Haziran 1831'de Edinburgh, İskoçya'da doğdu. Maxwell'in önde gelen ebeveynleri, evlenmeden önce otuzlu yaşlarındaydı ve James doğmadan önce bebeklik döneminde ölen bir kızları vardı. James'in annesi o doğduğunda neredeyse kırk yaşındaydı ki bu o dönemde bir anne için oldukça yaşlıydı.

   Maxwell'in dehası erken yaşta ortaya çıkmaya başladı; İlk bilimsel makalesini 14 yaşında yazdı. Makalesinde, bir parça ip ile matematiksel eğriler çizmenin mekanik bir yolunu ve elipslerin, Kartezyen ovallerin ve ikiden fazla odak içeren ilgili eğrilerin özelliklerini anlattı. Maxwell, makalesini Royal Society of Edinburgh'a sunmak için çok genç kabul edildiğinden, daha ziyade Edinburgh Üniversitesi'nde doğa felsefesi profesörü olan James Forbes tarafından sunuldu. Maxwell'in çalışması, yedinci yüzyıl matematikçisi René Descartes'ın devamı ve basitleştirilmesiydi.

   Maxwell önce Edinburgh Üniversitesi'nde, daha sonra Cambridge Üniversitesi'nde eğitim gördü ve 1855'te Trinity Koleji'nin bir üyesi oldu. 1856'dan 1860'a kadar Aberdeen Üniversitesi'nde doğa felsefesi profesörüydü ve King's'te doğal felsefe ve astronomi kürsüsünde görev yaptı. Kolej, Londra Üniversitesi, 1860'dan 1865'e.

   Aberdeen'deyken, Marischal Koleji müdürünün kızı Katherine Mary Dewar ile tanıştı. Çift Şubat 1858'de nişanlandı ve Haziran 1858'de evlendi. James'in zamansız ölümüne kadar evli kalacaklardı ve çiftin çocukları olmadı.

   Şiddetli bir hastalık nedeniyle geçici olarak emekli olduktan sonra, Maxwell, Mart 1871'de Cambridge Üniversitesi'nde ilk deneysel fizik profesörü seçildi. Üç yıl sonra, şimdi dünyaca ünlü Cavendish Laboratuvarı'nı tasarladı ve donattı. Laboratuvar, adını üniversitenin rektörünün büyük amcası Henry Cavendish'ten almıştır. Maxwell'in 1874'ten 1879'a kadar olan çalışmalarının çoğu, Cavendish'in matematiksel ve deneysel elektrik üzerine çok sayıda el yazması makalesinin düzenlenmesiydi.

   Kariyeri boyunca akademik görevlerle meşgul olmasına rağmen, Clerk Maxwell, ailesinin Edinburgh yakınlarındaki Glenlair'deki 1500 dönümlük arazisinin yönetiminde bunları bir İskoç taşra beyefendisinin zevkleriyle birleştirmeyi başardı. Maxwell'in bilime katkıları, kırk sekiz yıllık kısa yaşamında gerçekleşti, çünkü 5 Kasım 1879'da Cambridge'de mide kanserinden öldü. Trinity Koleji şapelindeki bir anma töreninden sonra, cesedi aile mezarlığına defnedildi. İskocya'da.

   Maxwell'in zamanından beri, fiziksel gerçekliğin sürekli alanlar tarafından temsil edildiği ve herhangi bir mekanik yoruma muktedir olmadığı düşünülmüştür. Gerçeklik kavramındaki bu  değişim, Newton'dan bu yana fiziğin yaşadığı en derin ve en verimli değişimdir.

- Albert Einstein

Satürn'ün Halkaları

   Maxwell'in en eski bilimsel çalışmaları arasında Satürn'ün halkalarının hareketlerini araştırması vardı; bu araştırma üzerine yazdığı makale, 1857'de Cambridge'de Adams Ödülü'nü kazandı. Bilim adamları, Satürn gezegenini çevreleyen üç yassı halkanın katı mı, sıvı mı yoksa gaz halinde mi olduğu konusunda uzun süredir spekülasyon yapıyorlardı. İlk olarak Galileo tarafından fark edilen halkalar birbirleriyle ve gezegenin kendisiyle eşmerkezlidir ve Satürn'ün ekvator düzleminde yer alır. Uzun bir teorik araştırma döneminden sonra, Maxwell bunların karşılıklı olarak tutarlı olmayan gevşek parçacıklardan oluştuğu ve gezegenin ve halkaların karşılıklı çekimleri ve hareketleri tarafından kararlılık koşullarının karşılandığı sonucuna vardı. Voyager Uzay Aracı'ndan alınan görüntülerin Maxwell'in halkaların bir parçacık koleksiyonundan yapıldığını göstermekte gerçekten haklı olduğunu doğrulaması yüz yıldan fazla zaman alacaktı. Bu çalışmadaki başarısı, Maxwell'i on dokuzuncu yüzyılın ikinci yarısında matematiksel fizikte çalışanlar arasında hemen ön plana çıkardı.

Renk Algısı

   19 yılında thYüzyılda insanlar, insanların renkleri nasıl algıladıklarını anlamadılar. Gözün anatomisi ve renklerin başka renkler elde etmek için nasıl karıştırılabileceği anlaşılamadı. Isaac Newton, Thomas Young ve Herman Helmholtz daha önce problem üzerinde çalıştıkları için, renk ve ışığı ilk araştıran Maxwell değildi. Maxwell'in renk algısı ve sentezi konusundaki araştırmaları, kariyerinin erken bir aşamasında başladı. İlk deneyleri, her biri bir yarıçap boyunca bölünmüş bir dizi renkli diskin yerleştirilebileceği bir renkli tepe ile gerçekleştirildi, böylece her rengin ayarlanabilir bir miktarı açığa çıkarılabilir; miktar, tepenin kenarı etrafında dairesel bir ölçekte ölçülmüştür. Üst kısım döndürüldüğünde, bileşen renkleri - kırmızı, yeşil, sarı ve mavinin yanı sıra siyah ve beyaz - herhangi bir rengin eşleşebilmesi için bir araya getirildi.

   Disklerin saf spektrum renkleri olmaması ve ayrıca gözle algılanan etkilerin gelen ışığa bağlı olması nedeniyle bu tür deneyler tamamen başarılı olmadı. Maxwell, saf beyaz ışık tayfının kırmızı, yeşil ve mor kısımlarına yerleştirilen üç yarıktan her birinden değişken miktarda ışık seçmek için basit bir düzenleme olan bir renk kutusu icat ederek bu sınırlamanın üstesinden geldi. Uygun bir prizmatik kırma cihazı ile, bu üç yarıktan gelen ışık, bileşik bir renk oluşturmak üzere üst üste bindirilebilir. Yarıkların genişliği değiştirilerek herhangi bir rengin eşleştirilebileceği gösterildi; bu, Isaac Newton'un doğadaki tüm renklerin üç ana rengin (kırmızı, yeşil ve mavi) kombinasyonlarından türetilebileceği teorisinin nicel bir doğrulamasını oluşturdu.

   Maxwell böylece renklerin bileşimi konusunu matematiksel fiziğin bir dalı olarak belirledi. O zamandan beri bu alanda pek çok araştırma ve geliştirme yapılmış olsa da, bugün renkli fotoğrafçılıkta, filmlerde ve televizyonda üç ana rengin karıştırılmasıyla ilgili aynı temel ilkelerin kullanıldığını belirtmek, Maxwell'in orijinal araştırmasının eksiksizliğine bir övgüdür.

   Tam renkli yansıtılmış görüntüler üretme stratejisi, Maxwell tarafından 1855'te Royal Society of Edinburgh'a gönderilen ve 1857'de Society's Transactions'ta ayrıntılı olarak yayınlanan bir makalede ana hatlarıyla belirtilmişti. 1861'de Maxwell ile birlikte çalışan fotoğrafçı Thomas Sutton, üç görüntü yaptı. kamera merceğinin önünde kırmızı, yeşil ve mavi filtreler kullanan bir ekose şerit; bu, dünyanın ilk renkli fotoğrafı oldu.

Gazların Kinetik Teorisi

   Maxwell en çok elektromanyetizma alanındaki keşifleriyle tanınırken, dehası, modern plazma fiziğinin temeli olarak kabul edilebilecek gazların kinetik teorisine yaptığı katkılarla da sergilendi. Atomik madde teorisinin ilk günlerinde gazlar, sıcaklığa bağlı hızlara sahip uçan parçacıklar veya moleküller topluluğu olarak görselleştirildi; bir gazın basıncının, bu parçacıkların kabın duvarları veya gaza maruz kalan diğer herhangi bir yüzey üzerindeki etkisinden kaynaklandığına inanılıyordu.

   Çeşitli araştırmacılar, atmosfer basıncında ve suyun donma noktası sıcaklığında hidrojen gibi bir gaz molekülünün ortalama hızının saniyede birkaç bin metre olduğu sonucuna varmıştı, oysa deneysel kanıtlar gaz moleküllerinin bu kapasiteye sahip olmadığını göstermişti. sürekli bu hızlarda seyahat etmek. Alman fizikçi Rudolf Claudius, moleküllerin hareketlerinin çarpışmalardan büyük ölçüde etkilenmesi gerektiğini zaten fark etmişti ve bir gaz molekülünün başka bir gazla çarpışmadan önce kat ettiği ortalama mesafe olan "ortalama serbest yol" kavramını çoktan tasarlamıştı. . Moleküllerin hızlarının geniş bir aralıkta değiştiğini ve o zamandan beri bilim adamları tarafından "Maxwellian dağılım yasası" olarak bilinen şeyi takip ettiğini göstermek, bağımsız bir düşünce dizisini izleyen Maxwell'e kaldı.

   Bu ilke, kapalı bir uzayda rastgele hareket eden ve yalnızca birbirlerine çarptıkları zaman birbirleri üzerinde etki eden mükemmel esnekliğe sahip küreler topluluğunun hareketlerinin varsayılarak türetilmiştir. Maxwell, kürelerin hızlarına göre gruplara ayrılabileceğini ve kararlı duruma ulaşıldığında, her gruptaki tek tek moleküllerin sürekli değişmesine rağmen her gruptaki sayının aynı kaldığını gösterdi. Maxwell, moleküler hızları analiz ederek istatistiksel mekanik bilimini tasarlamıştı.

   Bu düşüncelerden ve gazlar birbirine karıştırıldığında sıcaklıklarının eşit olması gerçeğinden Maxwell, iki gazın sıcaklıklarının aynı olacağını belirleyen koşulun, iki gazın tek tek moleküllerinin ortalama kinetik enerjisinin eşit olduğu sonucuna varmıştır. eşit. Ayrıca bir gazın viskozitesinin neden yoğunluğundan bağımsız olması gerektiğini de açıkladı. Bir gazın yoğunluğundaki azalma, ortalama serbest yolda bir artışa neden olurken, aynı zamanda mevcut moleküllerin sayısını da azaltır. Bu durumda, Maxwell teorik sonuçlarını doğrulamak için deneysel yeteneğini gösterdi. Karısının yardımıyla gazların viskozitesi üzerine deneyler yaptı.

   Maxwell'in gazların moleküler yapısıyla ilgili araştırması, diğer bilim adamları, özellikle Maxwell yasalarının temel önemini hızla takdir eden Avusturyalı bir fizikçi olan Ludwig Boltzmann tarafından fark edildi. Bu noktada çalışması, Maxwell'e bilimsel bilgimizi geliştirenler arasında seçkin bir yer edinmeye yetiyordu, ancak daha büyük bir başarı - elektrik ve manyetizmanın temel teorisi - henüz gelmemişti.

Elektrik ve Manyetizma Kanunları

   Maxwell'den önceki başka bir İngiliz bilim adamı Michael Faraday'dı.Elektrik enerjisinin üretilmesine yol açacak elektromanyetik indüksiyon fenomenini keşfettiği deneyler yapan . Yirmi yıl kadar sonra, Clerk Maxwell elektrik ve manyetik etkilerin üretilme şekline ilişkin iki farklı düşünce ekolünün olduğu bir zamanda elektrik incelemesine başladı. Bir yanda, iki nesnenin, örneğin Dünya ve Güneş'in birbirine dokunmadan çekildiği yerçekimi gibi, konuyu tamamen eylem açısından uzaktan inceleyen matematikçiler vardı. Öte yandan, Faraday'ın anlayışına göre, her yöne yayılan kuvvet çizgilerinin kaynağı bir elektrik yükü veya bir manyetik kutuptu; bu kuvvet çizgileri çevreleyen alanı doldurdu ve elektrik ve manyetik etkilerin üretildiği ajanlardı. Kuvvet çizgileri yalnızca geometrik çizgiler değildi, fiziksel özellikleri vardı; örneğin, pozitif ve negatif elektrik yükleri arasındaki veya kuzey ve güney manyetik kutupları arasındaki kuvvet çizgileri, zıt yükler veya kutuplar arasındaki çekim kuvvetini temsil eden bir gerilim durumundaydı. Ek olarak, aradaki boşluktaki çizgilerin yoğunluğu, kuvvetin büyüklüğünü temsil ediyordu.

   Maxwell önce Faraday'ın tüm çalışmalarını inceledi ve onun kavramlarına ve muhakeme çizgisine aşina oldu. Daha sonra, matematiksel bilgisini, matematiksel denklemlerin kesin dilinde, bilinen gerçekleri açıklayan bir elektromanyetizma teorisini tanımlamak için kullandı, ancak aynı zamanda uzun yıllar deneysel olarak kanıtlanamayacak diğer fenomenleri de öngördü. O zamanlar, Faraday'ın kuvvet çizgileri kavramıyla ilişkilendirilenler dışında elektriğin doğası hakkında çok az şey biliniyordu ve manyetizma ile ilişkisi tam olarak anlaşılamadı. Ancak Maxwell, elektrik kuvvet çizgilerinin yoğunluğu değiştirilirse, gücü elektrik hatlarının hareket hızıyla orantılı olan bir manyetik kuvvetin oluştuğunu gösterdi.

   1) Faraday'ın elektromanyetik indüksiyon yasası , bir devreden geçen manyetik kuvvet çizgilerinin sayısındaki değişim hızının, devre etrafında bir birim elektrik yükü alarak yapılan işe eşit olduğunu belirtir.

   2) Maxwell yasası , bir devreden geçen elektrik kuvveti çizgilerinin sayısındaki değişim oranının, devrenin etrafında bir birim manyetik kutbu almakla yapılan işe eşit olduğunu belirtir.

   Bu iki yasanın matematiksel bir biçimde ifadesi, tüm elektrik ve radyo bilimi ve mühendisliğinin temelini oluşturan Maxwell denklemleri olarak bilinen formüller sistemini verir. Faraday yasasında elektrik ve manyetik kelimelerini yer değiştirirsek Maxwell yasasını elde ederiz. Bu şekilde Maxwell, Faraday'ın deneysel keşiflerini açıklığa kavuşturdu ve genişletti ve onları kesin matematiksel formda verdi.

Işığın Elektromanyetik Teorisi

   Araştırmasına devam eden Maxwell, bir elektrik devresini çevreleyen elektrik ve manyetik alanlardaki herhangi bir değişikliğin, çevreleyen alana nüfuz eden kuvvet çizgileri boyunca değişikliklere neden olacağını ölçmeye başladı. Bu uzayda veya ortamda indüklenen elektrik alanı dielektrik sabitine bağlıdır; aynı şekilde, bir manyetik kutbu çevreleyen akı, ortamın geçirgenliğine bağlıdır.

   Maxwell daha sonra belirli bir ortam boyunca bir elektromanyetik bozukluğun iletildiği hızın, ortamın dielektrik sabitine ve geçirgenliğine bağlı olduğunu gösterdi. Bu özelliklere sayısal değerler verilirken bunların doğru birimlerle ifade edilmesine özen gösterilmelidir; Maxwell, böyle bir akıl yürütmeyle, elektromanyetik dalgalarının yayılma hızının, elektromanyetikin elektrostatik elektrik birimlerine oranına eşit olduğunu gösterebildi. Hem o hem de diğer işçiler bu oranın ölçümlerini yaptılar ve 186.300 mil/saat (veya 3 X 10 10 cm/sn) değerini elde ettiler ; bu, yedi yıl önce ışık hızının ilk doğrudan karasal ölçümündeki sonuçlarla neredeyse aynıydı. Fransız fizikçi Armand Fizeau tarafından.

   Ekim 1861'de Maxwell, Faraday'e ışığın elektromanyetik dalgaların bir ortamda, ortamın elektrik ve manyetik özellikleri tarafından belirlenen bir hızda hareket ettiği bir dalga hareketi biçimi olduğunu keşfettiğini yazdı. Bu keşif, ışığın doğasına ilişkin spekülasyonlara son verdi ve ışık fenomeni ve buna eşlik eden optik özelliklerin açıklamaları için matematiksel bir temel sağladı.

   Maxwell kendi düşünce çizgisini takip etti ve insan gözleri veya bedenleri tarafından algılanmayan, ancak yine de ortaya çıktıkları herhangi bir rahatsızlık kaynağından tüm uzayda seyahat eden başka elektromanyetik dalga radyasyonu biçimlerinin olabileceği olasılığını öngördü. Maxwell teorisini test edemedi ve elektromanyetik spektrumda, görünür ışığın kapladığı kısmı elektromanyetik dalgaların geniş bantlarına kıyasla çok küçük olan geniş dalga yelpazesini üretmek ve uygulamak başkalarına kaldı. Şimdi radyo dalgaları dediğimiz şeyi keşfetmek, yirmi yıl sonra Alman fizikçi Rudolf Hertz'in çalışmasını alacaktı. Radyo dalgaları, görünür ışığın milyon katı dalga boyuna sahiptir, ancak her ikisi de Maxwell denklemleriyle açıklanır.

Sonuç olarak

   Maxwell'in çalışması, tıpta yaygın olarak kullanılan küçük dalga boylu X-ışınlarından radyo ve televizyon sinyallerinin yayılmasını sağlayan çok daha uzun dalga boylu dalgalara kadar fenomenleri anlamamıza yardımcı oldu. Maxwell'in teorisinin takip eden gelişmeleri, dünyaya yayın ve televizyon, radar ve navigasyon yardımcıları dahil olmak üzere her türlü radyo iletişimini ve daha yakın zamanda bir nesil önce hayal bile edilemeyen şekillerde iletişime izin veren akıllı telefonu verdi. Albert Einstein'ın uzay ve zaman teorileri, Maxwell'in ölümünden bir nesil sonra, "klasik fiziğin" neredeyse tamamını alt üst ettiğinde, Maxwell'in denklemine dokunulmadan kaldı - her zamanki gibi geçerli.

   İnsanlık tarihinin uzun bir bakış açısından - diyelim ki bundan on bin yıl sonra - 19. yüzyılın en önemli olayının Maxwell'in elektrodinamik yasalarını keşfi olarak değerlendirileceğinden hiç şüphe yok.

— Richard P Feynman (fizikçi)