James Clerk Maxwell -James Clerk Maxwell
|
James Clerk Maxwell
| |
|---|---|
 | |
| Urodzić się |
13 czerwca 1831
Edynburg , Szkocja
|
| Zmarł | 5 listopada 1879 (w wieku 48)
Cambridge , Anglia
|
| Miejsce odpoczynku | Parton, Kirkcudbrightshire 55.006693°N 4.039210°W 55°00′24″N 4°02′21″W / |
| Alma Mater | |
| Znany z | |
| Współmałżonek | |
| Nagrody | |
| Kariera naukowa | |
| Pola | Fizyka i matematyka |
| Instytucje | |
| Doradcy akademiccy | William Hopkins |
| Znani studenci | |
| Wpływy | Sir Isaac Newton , Michael Faraday , Thomas Young |
| Pod wpływem | Praktycznie cała późniejsza fizyka |
| Podpis | |
 | |
James Clerk Maxwell FRSE FRS (13 czerwca 1831 – 5 listopada 1879) był szkockim matematykiem i naukowcem odpowiedzialnym za klasyczną teorię promieniowania elektromagnetycznego , która była pierwszą teorią opisującą elektryczność, magnetyzm i światło jako różne przejawy tego samego zjawiska. Równania Maxwella dotyczące elektromagnetyzmu zostały nazwane „ drugą wielką unifikacją w fizyce ”, gdzie pierwsze zostało zrealizowane przez Isaaca Newtona .
Publikując „ A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field ” w 1865 roku Maxwell wykazał, że pola elektryczne i magnetyczne przemieszczają się w przestrzeni jako fale poruszające się z prędkością światła . Zaproponował, że światło jest falowaniem w tym samym medium, które jest przyczyną zjawisk elektrycznych i magnetycznych. Połączenie zjawisk świetlnych i elektrycznych doprowadziło do jego przewidywania istnienia fal radiowych . Maxwell jest również uważany za twórcę nowoczesnej dziedziny elektrotechniki .
Pomógł opracować rozkład Maxwella-Boltzmanna , statystyczny sposób opisu aspektów kinetycznej teorii gazów . Znany jest również z zaprezentowania pierwszej trwałej kolorowej fotografii w 1861 roku oraz z fundamentalnej pracy nad analizą sztywności konstrukcji prętowo-połączeniowych ( kratownic ), takich jak te w wielu mostach.
Jego odkrycia pomogły zapoczątkować erę współczesnej fizyki, kładąc podwaliny pod takie dziedziny, jak szczególna teoria względności i mechanika kwantowa . Wielu fizyków uważa Maxwella za XIX-wiecznego naukowca, który ma największy wpływ na fizykę XX wieku. Jego wkład w naukę uważany jest przez wielu za taki sam, jak wkład Isaaca Newtona i Alberta Einsteina . W ankiecie milenijnej — przeglądzie 100 najwybitniejszych fizyków — Maxwell został wybrany trzecim największym fizykiem wszechczasów, ustępując jedynie Newtonowi i Einsteinowi. W setną rocznicę urodzin Maxwella Einstein opisał pracę Maxwella jako „najgłębszą i najbardziej owocną, jakiej doświadczyła fizyka od czasów Newtona”. Einstein, kiedy odwiedził Uniwersytet Cambridge w 1922 roku, usłyszał od swojego gospodarza, że dokonał wielkich rzeczy, ponieważ stał na ramionach Newtona; Einstein odpowiedział: „Nie, nie. Stoję na barkach Maxwella”.
Życie
Wczesne życie, 1831-1839
James Clerk Maxwell urodził się 13 czerwca 1831 roku przy 14 India Street w Edynburgu jako syn adwokata Johna Clerka Maxwella z Middlebie i Frances Cay, córki Roberta Hodshon Cay i siostry Johna Caya . (W jego miejscu urodzenia mieści się obecnie muzeum prowadzone przez Fundację Jamesa Clerka Maxwella ). Jego ojciec był człowiekiem wygodnych środków rodziny Clerk z Penicuik , posiadaczy baronetu Clerk of Penicuik . Brat jego ojca był szóstym baronetem . Urodził się „John Clerk”, dodając „Maxwella” do swojej własnej po tym, jak odziedziczył (jako niemowlę w 1793) majątek Middlebie, posiadłość Maxwell w Dumfriesshire. James był kuzynem zarówno artystki Jemimy Blackburn (córki siostry ojca), jak i inżyniera budowlanego Williama Dyce Cay (syna brata matki). Cay i Maxwell byli bliskimi przyjaciółmi, a Cay działał jako jego drużba, gdy Maxwell się ożenił.
Rodzice Maxwella poznali się i pobrali, gdy byli już dobrze po trzydziestce; jego matka miała prawie 40 lat, kiedy się urodził. Mieli jedno wcześniejsze dziecko, córkę o imieniu Elizabeth, która zmarła w dzieciństwie.
Kiedy Maxwell był młody, jego rodzina przeniosła się do Glenlair w Kirkcudbrightshire, którą jego rodzice zbudowali na posiadłości o powierzchni 1500 akrów (610 ha). Wszystko wskazuje na to, że Maxwell od najmłodszych lat utrzymywał niegasnącą ciekawość. W wieku trzech lat wszystko, co się poruszało, świeciło lub hałasowało, rodziło pytanie: „co się z tym dzieje?” We fragmencie dodanym do listu ojca do szwagierki Jane Cay w 1834 roku jego matka opisała to wrodzone poczucie dociekliwości:
Jest bardzo szczęśliwym człowiekiem i znacznie się poprawił, odkąd pogoda stała się umiarkowana; ma świetną robotę z drzwiami, zamkami, kluczami itp., a „pokaż mi, jak to się dzieje” nigdy nie wychodzi mu z ust. Bada też ukryty przebieg strumieni i dzwonków, sposób, w jaki woda przedostaje się ze stawu przez ścianę....
Edukacja, 1839-1847
Dostrzegając potencjał chłopca, matka Maxwella, Frances, wzięła odpowiedzialność za jego wczesną edukację, która w epoce wiktoriańskiej była w dużej mierze zadaniem kobiety z domu. Mając osiem lat potrafił wyrecytować długie fragmenty Johna Miltona i cały 119 psalm (176 wersetów). Rzeczywiście, jego znajomość Pisma Świętego była już szczegółowa; mógł podać rozdział i werset do prawie każdego cytatu z psalmów. Jego matka zachorowała na raka jamy brzusznej i po nieudanej operacji zmarła w grudniu 1839 roku, gdy miał osiem lat. Jego edukacja była następnie nadzorowana przez ojca i szwagierkę ojca, Jane, którzy odegrali kluczową rolę w jego życiu. Jego formalna nauka rozpoczęła się bez powodzenia pod okiem 16-letniego korepetytora. Niewiele wiadomo o młodym człowieku zatrudnionym do nauczania Maxwella, z wyjątkiem tego, że potraktował młodszego chłopca surowo, zbeształ go za bycie powolnym i krnąbrnym. Nauczyciel został zwolniony w listopadzie 1841 roku. Ojciec Jamesa zabrał go na pokaz Roberta Davidsona o napędzie elektrycznym i sile magnetycznej w dniu 12 lutego 1842 roku, co miało głębokie konsekwencje dla chłopca.
Maxwell został wysłany do prestiżowej Akademii Edynburskiej . Zamieszkał w czasie semestrów w domu swojej ciotki Isabelli. W tym czasie jego pasję do rysowania podsycała jego starsza kuzynka Jemima. Dziesięcioletni Maxwell, wychowany w izolacji w wiejskiej posiadłości ojca, nie pasował do szkoły. Pierwszy rok był pełny, co zmusiło go do dołączenia do drugiego roku z kolegami o rok starszymi. Jego maniery i akcent Galloway uderzyły pozostałych chłopców jako wiejski. Przybywszy pierwszego dnia do szkoły ubrany w parę butów domowej roboty i tunikę, zyskał niemiły przydomek „ Daftie ”. Nigdy nie wydawał się nienawidzić tego epitetu, znosząc go bez zarzutu przez wiele lat. Izolacja społeczna w Akademii zakończyła się, gdy poznał Lewisa Campbella i Petera Guthrie Tait , dwóch chłopców w podobnym wieku, którzy później mieli zostać wybitnymi naukowcami. Pozostali przyjaciółmi na całe życie.
Maxwell był zafascynowany geometrią w młodym wieku, odkrywając na nowo wielościany regularne , zanim otrzymał jakiekolwiek formalne instrukcje. Pomimo zdobycia szkolnej nagrody biografii pism świętych na drugim roku, jego praca naukowa pozostała niezauważona, dopóki w wieku 13 lat nie zdobył szkolnego medalu matematycznego i pierwszej nagrody za język angielski i poezję.
Zainteresowania Maxwella wykraczały daleko poza program szkolny i nie zwracał szczególnej uwagi na wyniki egzaminów. Swoją pierwszą pracę naukową napisał w wieku 14 lat. Opisał w niej mechaniczne sposoby rysowania krzywych matematycznych kawałkiem sznurka oraz właściwości elips , owali kartezjańskich i powiązanych krzywych z więcej niż dwoma ogniskami . Praca z 1846 r. „O opisie krzywych owalnych i tych mających wiele ognisk” została przedstawiona Królewskiemu Towarzystwu w Edynburgu przez Jamesa Forbesa , profesora filozofii naturalnej na Uniwersytecie w Edynburgu , ponieważ Maxwell został uznany za zbyt młodego sam zaprezentować pracę. Praca nie była całkowicie oryginalna, ponieważ René Descartes również badał właściwości takich wieloogniskowych elips w XVII wieku, ale Maxwell uprościł ich konstrukcję.
Uniwersytet w Edynburgu, 1847-1850
Maxwell opuścił Akademię w 1847 roku w wieku 16 lat i zaczął uczęszczać na zajęcia na Uniwersytecie w Edynburgu . Miał okazję studiować na Uniwersytecie w Cambridge , ale już po pierwszym semestrze zdecydował się na ukończenie pełnego toku studiów licencjackich w Edynburgu. W kadrze akademickiej uczelni znalazło się kilka bardzo cenionych nazwisk; jego nauczycielami na pierwszym roku byli Sir William Hamilton , który wykładał mu logikę i metafizykę , Philip Kelland z matematyki i James Forbes z filozofii przyrody . Jego zajęcia nie były dla niego wymagające, dzięki czemu mógł zanurzyć się w prywatnej nauce w czasie wolnym na uniwersytecie, a zwłaszcza po powrocie do domu w Glenlair. Tam eksperymentował z improwizowanym aparatem chemicznym, elektrycznym i magnetycznym; jednak jego główne obawy dotyczyły właściwości światła spolaryzowanego . Skonstruował ukształtowane bloki żelatyny , poddawał je różnym naprężeniom i za pomocą pary pryzmatów polaryzacyjnych , które otrzymał od Williama Nicola , obserwował kolorowe obwódki, które rozwinęły się w galarecie. Dzięki tej praktyce odkrył fotoelastyczność , która jest sposobem określania rozkładu naprężeń w strukturach fizycznych.
W wieku 18 lat Maxwell napisał dwa artykuły dla Transakcji Królewskiego Towarzystwa Edynburskiego . Jedno z nich, „O równowadze elastycznych ciał stałych”, położyło podwaliny pod ważne odkrycie w późniejszym życiu, którym było tymczasowe podwójne załamanie wytworzone w lepkich cieczach przez naprężenie ścinające . Jego drugą pracą była „Rolling Curves” i, podobnie jak w przypadku pracy „Oval Curves”, którą napisał w Akademii w Edynburgu, ponownie uznano go za zbyt młodego, by stanąć na mównicy, by go zaprezentować. Papier został dostarczony do Royal Society przez jego nauczyciela Kellanda.
Uniwersytet Cambridge, 1850-1856
W październiku 1850 roku, już jako znakomity matematyk, Maxwell wyjechał ze Szkocji na Uniwersytet Cambridge . Początkowo uczęszczał do Peterhouse , ale przed końcem pierwszej kadencji przeniósł się do Trinity , gdzie wierzył, że łatwiej będzie uzyskać stypendium . W Trinity został wybrany do elitarnego tajnego stowarzyszenia znanego jako Cambridge Apostles . Intelektualne rozumienie wiary chrześcijańskiej i nauki Maxwella gwałtownie wzrosło podczas jego lat w Cambridge. Wstąpił do „Apostołów”, ekskluzywnego stowarzyszenia debatującego elity intelektualnej, gdzie poprzez swoje eseje starał się wypracować to zrozumienie.
Teraz mój wielki plan, który został wymyślony od dawna, ... polega na tym, aby nic nie zostało celowo pozostawione bez zbadania. Nic nie może być świętą ziemią poświęconą Wiary Stałej, czy to pozytywne, czy negatywne. Wszystkie grunty ugorowane należy zaorać i stosować regularny system rotacji. ... Nigdy niczego nie ukrywaj, bez względu na to, czy jest to chwast, czy nie, ani nie wydaje się, aby to było ukryte. ... Znowu dochodzę prawa do wtargnięcia na każdą działkę na Świętej Ziemi, którą każdy człowiek wydzielił. ... Teraz jestem przekonany, że nikt poza chrześcijanami nie może tak naprawdę oczyścić swojej ziemi z tych świętych miejsc. ... Nie twierdzę, że żaden chrześcijanin nie zamyka takich miejsc. Wielu ma bardzo dużo, a każdy ma trochę. Ale istnieją obszerne i ważne traktaty na terytorium szydercy, panteisty, wycisza, formalisty, dogmatysty, sensualisty i innych, które są otwarcie i uroczyście tabu. ..."
Chrześcijaństwo — to znaczy religia biblijna — jest jedynym schematem lub formą wiary, która wyrzeka się wszelkich posiadłości na takim stanowisku. Tutaj wszystko jest za darmo. Możesz polecieć na krańce świata i nie znaleźć Boga poza Autorem Zbawienia. Możesz przeszukiwać Pismo Święte i nie znaleźć tekstu, który by cię powstrzymał w twoich poszukiwaniach. ...
Stary Testament, Prawo Mojżeszowe i judaizm są powszechnie uważane za „tabuowane” przez ortodoksów. Sceptycy udają, że je przeczytali i znaleźli pewne dowcipne zastrzeżenia... które przyznaje zbyt wielu nieprzeczytanych ortodoksów i zamykają temat jako nawiedzony. Ale nadchodzi Świeca, aby wypędzić wszystkie Duchy i Niedźwiedzie. Idźmy za światłem.
Latem trzeciego roku Maxwell spędził trochę czasu w domu wielbiciela CB Taylera w Suffolk , wujka kolegi z klasy, GWH Taylera. Miłość do Boga okazywana przez rodzinę zrobiła na Maxwellu wrażenie, zwłaszcza po tym, jak pastor i jego żona uratowali go z powodu złego stanu zdrowia.
Po powrocie do Cambridge Maxwell pisze do swojego niedawnego gospodarza gadatliwy i czuły list zawierający następujące zeznania:
... mam zdolność bycia bardziej niegodziwym niż jakikolwiek przykład, jaki mógłby mi dać człowiek, i ... jeśli ucieknę, to tylko dzięki łasce Bożej pomoże mi pozbyć się siebie, częściowo w nauce, bardziej całkowicie w społeczeństwie , — ale nie doskonale, z wyjątkiem oddania się Bogu ...
W listopadzie 1851 roku Maxwell studiował pod kierunkiem Williama Hopkinsa , którego sukces w pielęgnowaniu matematycznego geniuszu przyniósł mu przydomek „ starszego poskramiacza”.
W 1854 Maxwell ukończył Trinity z dyplomem z matematyki. W końcowym egzaminie zajął drugie miejsce, wyprzedzając Edwarda Routha i zdobywając tytuł Drugiego Poskramiacza. Później został uznany za równego Routhowi w bardziej wymagającej męce egzaminu Smith's Prize . Natychmiast po uzyskaniu stopnia naukowego Maxwell przeczytał swój artykuł „O transformacji powierzchni przez zginanie” dla Towarzystwa Filozoficznego w Cambridge . Jest to jedna z niewielu czysto matematycznych prac, które napisał, demonstrując jego rosnącą pozycję jako matematyka. Maxwell zdecydował się pozostać w Trinity po ukończeniu studiów i złożył podanie o stypendium, co było procesem, który mógł potrwać kilka lat. Zachęcony sukcesami w pracy naukowej, mógł, poza pewnymi obowiązkami korepetycyjnymi i egzaminacyjnymi, realizować zainteresowania naukowe w wolnym czasie.
Natura i postrzeganie koloru były jednym z takich zainteresowań, które rozpoczął na Uniwersytecie w Edynburgu, gdy był studentem Forbesa. Dzięki kolorowym bączkom wynalezionym przez Forbesa Maxwell był w stanie zademonstrować, że białe światło powstało z mieszanki światła czerwonego, zielonego i niebieskiego. Jego artykuł „Eksperymenty na kolor” przedstawił zasady łączenia kolorów i został przedstawiony Royal Society of Edinburgh w marcu 1855 roku. Tym razem Maxwell był w stanie dostarczyć go sam.
Maxwell został stypendystą Trinity 10 października 1855 r., wcześniej niż było to normą, i został poproszony o przygotowanie wykładów z hydrostatyki i optyki oraz o przygotowanie prac egzaminacyjnych. W lutym następnego roku został poproszony przez Forbesa o ubieganie się o przyjęcie na nowo wakującą katedrę filozofii naturalnej w Marischal College w Aberdeen . Jego ojciec pomagał mu w przygotowaniu niezbędnych referencji, ale zmarł 2 kwietnia w Glenlair, zanim którykolwiek z nich dowiedział się o wyniku kandydatury Maxwella. Przyjął profesurę w Aberdeen, opuszczając Cambridge w listopadzie 1856.
Marischal College, Aberdeen, 1856-1860
25-letni Maxwell był o dobre 15 lat młodszy niż jakikolwiek inny profesor w Marischal. Zaangażował się w nowe obowiązki jako kierownik wydziału, opracowując program nauczania i przygotowując wykłady. Zobowiązał się do wykładania 15 godzin tygodniowo, w tym cotygodniowy wykład pro bono w miejscowym kolegium robotniczym. Mieszkał w Aberdeen ze swoim kuzynem Williamem Dyce Cayem , szkockim inżynierem budownictwa, przez sześć miesięcy roku akademickiego i spędzał wakacje w Glenlair, które odziedziczył po ojcu.
Skupił swoją uwagę na problemie, który umykał naukowcom przez 200 lat: naturze pierścieni Saturna . Nie było wiadomo, w jaki sposób mogą zachować stabilność bez rozpadania się, odpływania lub rozbijania się o Saturna. Problem nabrał wówczas szczególnego oddźwięku, ponieważ St John's College w Cambridge wybrał go jako temat nagrody Adamsa w 1857 roku . Maxwell poświęcił dwa lata na zbadanie tego problemu, udowadniając, że regularny pierścień stały nie może być stabilny, podczas gdy płynny pierścień byłby zmuszony przez działanie fal do rozpadu na bąble. Ponieważ nie zaobserwowano żadnego z nich, doszedł do wniosku, że pierścienie muszą składać się z wielu małych cząstek, które nazwał „ceglanymi nietoperzami”, z których każda niezależnie okrąża Saturna. Maxwell otrzymał 130 funtów Adams Prize w 1859 za esej „O stabilności ruchu pierścieni Saturna”; był jedynym uczestnikiem, który zrobił wystarczająco dużo postępów, aby przesłać zgłoszenie. Jego praca była tak szczegółowa i przekonująca, że kiedy George Biddell Airy ją przeczytał, skomentował: „Jest to jedno z najbardziej niezwykłych zastosowań matematyki w fizyce, jakie kiedykolwiek widziałem”. Uważano to za ostatnie słowo w tej sprawie, dopóki bezpośrednie obserwacje przez przelot Voyagera w latach 80. XX wieku nie potwierdziły przewidywań Maxwella, że pierścienie składają się z cząstek. Obecnie wiadomo jednak, że cząstki pierścieni nie są wcale stabilne, ponieważ są przyciągane grawitacją na Saturna. Oczekuje się, że pierścienie znikną całkowicie w ciągu najbliższych 300 milionów lat.
W 1857 Maxwell zaprzyjaźnił się z wielebnym Danielem Dewarem, który był wówczas dyrektorem Marischal. Za jego pośrednictwem Maxwell poznał córkę Dewara, Katherine Mary Dewar . Byli zaręczeni w lutym 1858 i pobrali się w Aberdeen 2 czerwca 1858. W metryce małżeństwa Maxwell jest wymieniony jako profesor filozofii naturalnej w Marischal College w Aberdeen. Katherine była o siedem lat starsza od Maxwella. Stosunkowo niewiele o niej wiadomo, chociaż wiadomo, że pomagała w jego laboratorium i pracowała nad eksperymentami lepkości . Biograf i przyjaciel Maxwella, Lewis Campbell, przyjął nietypową powściągliwość w stosunku do Katherine, choć opisał ich życie małżeńskie jako „bezprzykładne oddanie”.
W 1860 Marischal College połączył się z sąsiednim King's College , tworząc Uniwersytet Aberdeen . Nie było miejsca dla dwóch profesorów filozofii naturalnej, więc Maxwell, pomimo swojej naukowej reputacji, został zwolniony. Nie udało mu się ubiegać o zwolnione niedawno stanowisko Forbesa w Edynburgu, zamiast tego stanowisko trafiło do Tait . Maxwell otrzymał natomiast tytuł Katedry Filozofii Naturalnej w King's College w Londynie . Po wyzdrowieniu po prawie śmiertelnym ataku ospy w 1860 roku przeniósł się z żoną do Londynu.
King's College, Londyn, 1860-1865
Czas spędzony przez Maxwella w King's był prawdopodobnie najbardziej produktywnym w jego karierze. W 1860 r. został odznaczony przez Royal Society Rumford Medal za pracę nad kolorem, a później został wybrany do Towarzystwa w 1861 r. W tym okresie jego życia pokazał pierwsze na świecie światłotrwałe kolorowe zdjęcie, dalej rozwijał swoje pomysły dotyczące lepkości . gazów i zaproponować system definiowania wielkości fizycznych – obecnie znany jako analiza wymiarowa . Maxwell często uczęszczał na wykłady w Royal Institution , gdzie miał regularne kontakty z Michaelem Faradayem . Relacji między dwoma mężczyznami nie można określić jako bliskiej, ponieważ Faraday był o 40 lat starszy od Maxwella i wykazywał oznaki starości . Mimo to zachowywali silny szacunek dla swoich talentów.
Ten czas jest szczególnie godny uwagi ze względu na postępy poczynione przez Maxwella w dziedzinie elektryczności i magnetyzmu. Zbadał naturę zarówno pól elektrycznych, jak i magnetycznych w swoim dwuczęściowym artykule „ O fizycznych liniach sił ”, opublikowanym w 1861 roku. Przedstawił w nim koncepcyjny model indukcji elektromagnetycznej , składający się z maleńkich wirujących komórek strumienia magnetycznego . Dwie kolejne części zostały później dodane i opublikowane w tym samym artykule na początku 1862 roku. W pierwszej dodatkowej części omówił naturę elektrostatyki i prądu przesunięcia . W drugiej dodatkowej części zajmował się rotacją płaszczyzny polaryzacji światła w polu magnetycznym, zjawiskiem odkrytym przez Faradaya, a obecnie znanym jako efekt Faradaya .
Późniejsze lata, 1865-1879
W 1865 Maxwell zrezygnował z katedry w King's College w Londynie i wrócił do Glenlair z Katherine. W swoim artykule „O gubernatorach” (1868) matematycznie opisał zachowanie gubernatorów — urządzeń sterujących prędkością silników parowych — ustanawiając tym samym teoretyczne podstawy inżynierii sterowania. W swoim artykule „O wzajemnych figurach, ramach i wykresach sił” (1870) omówił sztywność różnych konstrukcji krat. Napisał podręcznik Teoria ciepła (1871) oraz traktat Materia i ruch (1876). Maxwell był również pierwszym, który wyraźnie wykorzystał analizę wymiarową w 1871 roku.
W 1871 powrócił do Cambridge, aby zostać pierwszym Cavendish Professor of Physics . Maxwell był odpowiedzialny za rozwój Laboratorium Cavendisha , nadzór nad każdym etapem budowy i zakupem kolekcji aparatury. Jednym z ostatnich wielkich wkładów Maxwella w naukę było zredagowanie (z obszernymi oryginalnymi notatkami) badań Henry'ego Cavendisha , z których wynikało, że Cavendish zajmował się między innymi takimi zagadnieniami, jak gęstość Ziemi i skład wody. Został wybrany na członka Amerykańskiego Towarzystwa Filozoficznego w 1876 roku.
1879 egzemplarz „The Electrical Researchs of the Honorable Henry Cavendish FRS” pod redakcją Maxwella
Strona tytułowa egzemplarza „The Electrical Researchs of the Honorable Henry Cavendish FRS” z 1879 roku
Wstęp Maxwella do egzemplarza „The Electrical Researchs of the Honorable Henry Cavendish FRS” z 1879 roku
W kwietniu 1879 Maxwell zaczął mieć trudności z przełykaniem, co było pierwszym objawem jego śmiertelnej choroby.
Maxwell zmarł w Cambridge na raka brzucha 5 listopada 1879 roku w wieku 48 lat. Jego matka zmarła w tym samym wieku na ten sam typ raka. Minister, który regularnie go odwiedzał w ostatnich tygodniach jego życia, był zdumiony jego klarownością oraz ogromną mocą i zasięgiem jego pamięci, ale komentuje w szczególności:
...jego choroba wyciągnęła całe serce, duszę i ducha człowieka: jego mocną i niewątpliwą wiarę we Wcielenie i wszystkie jego rezultaty; w pełnej wystarczalności Zadośćuczynienia; w działaniu Ducha Świętego. Ocenił i zgłębił wszystkie schematy i systemy filozofii, i stwierdził, że są one całkowicie puste i niezadowalające – „niewykonalne” było jego własnym słowem na ich temat – iz prostą wiarą zwrócił się ku Ewangelii Zbawiciela.
Gdy zbliżała się śmierć, Maxwell powiedział koledze z Cambridge:
Zastanawiałem się, jak bardzo delikatnie zawsze byłem traktowany. Nigdy przez całe życie nie miałem gwałtownego pchnięcia. Jedyne pragnienie, jakie mogę mieć, to jak Dawid służyć własnemu pokoleniu z woli Bożej, a potem zasnąć.
Maxwell jest pochowany w Parton Kirk, niedaleko zamku Douglas w Galloway, blisko miejsca, w którym się wychował. Rozszerzona biografia The Life of James Clerk Maxwell , autorstwa jego byłego kolegi szkolnego i wieloletniego przyjaciela, profesora Lewisa Campbella , została opublikowana w 1882 roku. Jego zebrane prace zostały wydane w dwóch tomach przez Cambridge University Press w 1890 roku.
Wykonawcami majątku Maxwella byli jego lekarz George Edward Paget , GG Stokes i Colin Mackenzie, kuzyn Maxwella. Przeciążony pracą Stokes przekazał papiery Maxwella Williamowi Garnettowi , który sprawował pieczę nad dokumentami do około 1884 roku.
W pobliżu ekranu chóru w Opactwie Westminsterskim znajduje się pamiątkowa inskrypcja .
Życie osobiste
Jako wielki miłośnik poezji szkockiej Maxwell zapamiętywał wiersze i pisał własne. Najbardziej znany to Rigid Body Sings , ściśle oparty na „ Comin' Through the Rye ” Roberta Burnsa , który najwyraźniej zwykł śpiewać, akompaniując sobie na gitarze. Ma linie otwierające
Gin ciało poznaj ciało
Lecąc w powietrzu.
Gin ciało uderzyło ciało,
Będzie latać? I gdzie?
Zbiór jego wierszy został opublikowany przez jego przyjaciela Lewisa Campbella w 1882 roku.
Opisy Maxwella zwracają uwagę na jego niezwykłe cechy intelektualne, które łączą się z niezręcznością społeczną.
Maxwell był ewangelickim prezbiterianinem , aw późniejszych latach został Starszym Kościoła Szkockiego . Przekonania religijne Maxwella i związane z nimi działania były przedmiotem wielu artykułów. Uczestnicząc zarówno w nabożeństwach Kościoła Szkocji (wyznanie ojca), jak i episkopalnych (wyznanie jego matki) jako dziecko, Maxwell przeszedł ewangelickie nawrócenie w kwietniu 1853 roku. Jeden aspekt tego nawrócenia mógł zrównać go z antypozytywistycznym stanowiskiem.
Dziedzictwo naukowe
Elektromagnetyzm
Maxwell studiował i komentował elektryczność i magnetyzm już w 1855 roku, kiedy jego artykuł „O liniach sił Faradaya” został przeczytany w Cambridge Philosophical Society . W artykule przedstawiono uproszczony model pracy Faradaya oraz związek między elektrycznością a magnetyzmem. Zredukował całą obecną wiedzę do połączonego zestawu równań różniczkowych z 20 równaniami w 20 zmiennych. Ta praca została później opublikowana jako „ O fizycznych liniach siły ” w marcu 1861 roku.
Około 1862 roku, wykładając w King's College, Maxwell obliczył, że prędkość propagacji pola elektromagnetycznego jest w przybliżeniu równa prędkości światła . Uznał to za coś więcej niż tylko zbieg okoliczności, komentując: „Nie da się uniknąć wniosku, że światło składa się z poprzecznych falowań tego samego ośrodka, który jest przyczyną zjawisk elektrycznych i magnetycznych.
Pracując nad tym problemem, Maxwell wykazał, że równania przewidują istnienie fal oscylujących pól elektrycznych i magnetycznych, które przemieszczają się przez pustą przestrzeń z prędkością, którą można przewidzieć na podstawie prostych eksperymentów elektrycznych; korzystając z dostępnych wówczas danych, Maxwell uzyskał prędkość 310 740 000 metrów na sekundę (1,0195 × 10 9 ft/s). W swojej pracy z 1865 r. „ A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field ” Maxwell napisał: „Zgodność wyników wydaje się wskazywać, że światło i magnetyzm są afektami tej samej substancji, a światło jest zaburzeniem elektromagnetycznym rozchodzącym się w polu zgodnie z prawa elektromagnetyczne”.
Jego słynne dwadzieścia równań, w ich nowoczesnej postaci równań różniczkowych cząstkowych , po raz pierwszy pojawiło się w pełni rozwiniętej formie w jego podręczniku A Treatise on Electricity and Magnetism w 1873 roku. Większość tej pracy została wykonana przez Maxwella w Glenlair w okresie między piastowaniem stanowiska w Londynie i jego objęcie fotela Cavendisha. Oliver Heaviside zredukował złożoność teorii Maxwella do czterech cząstkowych równań różniczkowych , znanych obecnie pod wspólną nazwą Prawa Maxwella lub równania Maxwella . Chociaż potencjały stały się znacznie mniej popularne w XIX wieku, użycie potencjałów skalarnych i wektorowych jest obecnie standardem w rozwiązywaniu równań Maxwella.
Jak opisują Barrett i Grimes (1995):
Maxwell wyraził elektromagnetyzm w algebrze kwaternionów i uczynił potencjał elektromagnetyczny centralnym elementem swojej teorii. W 1881 roku Heaviside zastąpił pole potencjału elektromagnetycznego polami sił jako centralny element teorii elektromagnetycznej. Według Heaviside'a pole potencjału elektromagnetycznego było arbitralne i musiało zostać „zabite”. ( sic ) Kilka lat później miała miejsce debata między Heaviside'em i [Peterem Guthrie] Tate ( sic ) na temat względnych zalet analizy wektorów i kwaternionów . Rezultatem było uświadomienie sobie, że nie ma potrzeby większego wglądu fizycznego zapewnianego przez kwaterniony , jeśli teoria była czysto lokalna, a analiza wektorowa stała się powszechna.
Maxwell okazał się słuszny, a jego ilościowy związek między światłem a elektromagnetyzmem jest uważany za jedno z wielkich osiągnięć XIX-wiecznej fizyki matematycznej .
Maxwell przedstawił również pojęcie pola elektromagnetycznego w porównaniu z liniami sił opisanymi przez Faradaya. Rozumiejąc propagację elektromagnetyzmu jako pola emitowanego przez aktywne cząstki, Maxwell mógł poczynić postępy w swoich pracach nad światłem. W tym czasie Maxwell uważał, że rozchodzenie się światła wymaga ośrodka dla fal, nazwanego świetlistym eterem . Z biegiem czasu istnienia takiego medium, przenikającego całą przestrzeń, a jednak pozornie niewykrywalnego środkami mechanicznymi, nie dało się pogodzić z eksperymentami takimi jak eksperyment Michelsona-Morleya . Co więcej, wydawało się, że wymaga absolutnego układu odniesienia , w którym równania byłyby ważne, z nieprzyjemnym skutkiem, że równania zmieniły formę dla poruszającego się obserwatora. Trudności te zainspirowały Alberta Einsteina do sformułowania szczególnej teorii względności ; w tym procesie Einstein zrezygnował z wymogu stacjonarnego świecącego eteru .
Wizja kolorów
Wraz z większością ówczesnych fizyków Maxwell bardzo interesował się psychologią. Podążając śladami Isaaca Newtona i Thomasa Younga , był szczególnie zainteresowany badaniem widzenia barw . Od 1855 do 1872 roku Maxwell publikował od czasu do czasu serię badań dotyczących percepcji koloru, daltonizmu i teorii koloru, i został nagrodzony Medalem Rumforda za „Teorię widzenia kolorów”.
Isaac Newton zademonstrował, używając pryzmatów, że białe światło, takie jak światło słoneczne , składa się z wielu monochromatycznych składników, które można następnie ponownie połączyć w białe światło. Newton wykazał również, że pomarańczowa farba złożona z żółtego i czerwonego może wyglądać dokładnie jak monochromatyczne pomarańczowe światło, chociaż składa się z dwóch monochromatycznych żółtych i czerwonych świateł. Stąd paradoks, który intrygował ówczesnych fizyków: dwa złożone światła (składające się z więcej niż jednego światła monochromatycznego) mogą wyglądać podobnie, ale być fizycznie różne, zwane metamerami . Thomas Young zaproponował później, że ten paradoks można wyjaśnić tym, że kolory są postrzegane przez ograniczoną liczbę kanałów w oczach, które, jak proponował, były potrójne, zgodnie z trójchromatyczną teorią kolorów . Maxwell użył niedawno opracowanej algebry liniowej do udowodnienia teorii Younga. Każde monochromatyczne światło stymulujące trzy receptory powinno być w stanie być jednakowo stymulowane przez zestaw trzech różnych monochromatycznych świateł (w rzeczywistości przez dowolny zestaw trzech różnych świateł). Zademonstrował, że tak właśnie jest, wymyślając eksperymenty doboru kolorów i kolorymetrię .
Maxwell był również zainteresowany zastosowaniem swojej teorii postrzegania barw, a mianowicie w fotografii kolorowej . Wynikające bezpośrednio z jego psychologicznej pracy nad percepcją kolorów: jeśli suma dowolnych trzech świateł mogłaby odtworzyć dowolny dostrzegalny kolor, to kolorowe fotografie można by wytworzyć za pomocą zestawu trzech kolorowych filtrów. W swoim artykule z 1855 roku Maxwell zaproponował, że jeśli trzy czarno-białe zdjęcia sceny zostaną zrobione przez filtry czerwony, zielony i niebieski , a przezroczyste wydruki obrazów zostaną wyświetlone na ekranie za pomocą trzech projektorów wyposażonych w podobne filtry, po nałożeniu na ekran wynik byłby postrzegany przez ludzkie oko jako pełna reprodukcja wszystkich kolorów sceny.
Podczas wykładu w Royal Institution na temat teorii koloru w 1861 roku Maxwell zaprezentował pierwszy na świecie pokaz fotografii kolorowej według tej zasady analizy i syntezy trzech kolorów. Zdjęcie zrobił Thomas Sutton , wynalazca lustrzanki jednoobiektywowej . Trzykrotnie sfotografował wstążkę w szkocką kratę , przez filtry czerwony, zielony i niebieski, a także zrobił czwartą fotografię przez filtr żółty, który według relacji Maxwella nie został użyty w demonstracji. Ponieważ klisze fotograficzne Suttona były nieczułe na czerwień i ledwo czułe na zieleń, wyniki tego pionierskiego eksperymentu były dalekie od doskonałości. W opublikowanej relacji z wykładu zauważono, że „gdyby czerwone i zielone obrazy były tak w pełni sfotografowane jak niebieski”, „byłby to prawdziwie kolorowy obraz wstążki. mniej załamywanych promieni, odwzorowanie kolorów przedmiotów może zostać znacznie ulepszone.” Naukowcy w 1961 roku doszli do wniosku, że pozornie niemożliwy częściowy sukces ekspozycji z filtrem czerwonym był spowodowany światłem ultrafioletowym , które jest silnie odbijane przez niektóre czerwone barwniki, nie całkowicie blokowane przez zastosowany czerwony filtr i w zakresie czułości mokrego kolodionu . proces zatrudniony Sutton.
Teoria kinetyczna i termodynamika
Maxwell badał również kinetyczną teorię gazów. Pochodząca od Daniela Bernoulliego , teoria ta została rozwinięta przez kolejne prace Johna Herapatha , Johna Jamesa Waterstona , Jamesa Joule'a , a zwłaszcza Rudolfa Clausiusa , do tego stopnia, że jej ogólna prawdziwość nie ulega wątpliwości; ale otrzymał ogromny rozwój od Maxwella, który pojawił się w tej dziedzinie zarówno jako eksperymentator (na prawach tarcia gazowego), jak i matematyk.
W latach 1859-1866 opracował teorię rozkładów prędkości w cząsteczkach gazu, którą później uogólnił Ludwig Boltzmann . Wzór, zwany rozkładem Maxwella-Boltzmanna , podaje ułamek cząsteczek gazu poruszających się z określoną prędkością w dowolnej temperaturze. W teorii kinetycznej temperatury i ciepło dotyczą jedynie ruchu molekularnego. Podejście to uogólniło wcześniej ustalone prawa termodynamiki i wyjaśniło istniejące obserwacje i eksperymenty w lepszy sposób niż wcześniej. Jego praca nad termodynamiką doprowadziła go do opracowania eksperymentu myślowego , który stał się znany jako demon Maxwella , w którym drugie prawo termodynamiki jest łamane przez wyimaginowaną istotę zdolną do sortowania cząstek według energii.
W 1871 r. ustalił relacje termodynamiczne Maxwella , które są stwierdzeniami równości pomiędzy drugimi pochodnymi potencjałów termodynamicznych względem różnych zmiennych termodynamicznych. W 1874 roku skonstruował wizualizację termodynamiczną gipsu jako sposób badania przejść fazowych, opartą na pracach z termodynamiki graficznej amerykańskiego naukowca Josiaha Willarda Gibbsa .
Teoria kontroli
Maxwell opublikował artykuł „O gubernatorach” w Proceedings of the Royal Society , tom. 16 (1867-1868). Artykuł ten jest uważany za główny artykuł dotyczący początków teorii sterowania . Tutaj „gubernatorzy” odnoszą się do regulatora lub regulatora odśrodkowego używanego do regulacji silników parowych .
Dziedzictwo
Publikacje
- Maxwell, James Clerk (1873), traktat o elektryczności i magnetyzmie Vol I , Oxford: Clarendon Press
- Maxwell, James Clerk (1873), traktat o elektryczności i magnetyzmie Vol II , Oxford: Clarendon Press
- Maxwell, James Clerk (1881), Podstawowy traktat o elektryczności , Oxford: Clarendon Press
- Maxwell, James Clerk (1890), artykuły naukowe James Clerk Maxwell Vol I , Dover Publication
- Maxwell, James Clerk (1890), artykuły naukowe James Clerk Maxwell Vol II , Cambridge, University Press
- Maxwell, James Clerk (1908), Teoria ciepła , Longmans Green Co.
- Trzy z wkładów Maxwella do Encyclopædia Britannica ukazały się w dziewiątym wydaniu (1878): Atom , Atom Attraction , Attraction i Ether Ether ; i trzy w Wydaniu Jedenastym (1911): Akcja kapilarna , Diagram , i Faraday, Michael
Uwagi
Bibliografia
- Barrett, Terence William; Grimes, Dale Mills (1995). Zaawansowany elektromagnetyzm: podstawy, teoria i zastosowania . Światowy Naukowy. Numer ISBN 978-981-02-2095-2.
- Duhem, Pierre Maurice Marie (2015). Teorie elektryczne J. Clerka Maxwella . Boston Studies w filozofii i historii nauki. Tom. 314. Przetłumaczone przez Aversa, Alan. Skoczek. doi : 10.1007/978-3-319-18515-6 . Numer ISBN 978-3-319-18515-6. Źródło 8 lipca 2015 .
- Campbella, Lewisa; Garnett, William (1882). Życie James Clerk Maxwell (PDF) . Edynburg: MacMillan. OCLC 2472869 .
- Oczy Leonarda (1972). Klasyczne pole elektromagnetyczne . Nowy Jork: Dover. Numer ISBN 9780486639475.
- Gardner, Martin (2007). Ostatnie rekreacje: Hydry, jajka i inne matematyczne mistyfikacje . Springer-Verlag. Numer ISBN 978-0-387-25827-0.
- Glazebrook, RT (1896). James Clerk Maxwell i fizyka współczesna . 811951455. OCLC 811951455 .
- Harman, Peter M. (1998). Filozofia naturalna Jamesa Clerka Maxwella . Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. Numer ISBN 0-521-00585-X.
- Harman, Peter M. (2004). „Maxwell, James”. Oxford Dictionary of National Biography (red. online). Oxford University Press. doi : 10.1093/ref:odnb/5624 . (Wymagana subskrypcja lub członkostwo w brytyjskiej bibliotece publicznej .)
- Mahon, Bazyli (2003). Człowiek, który wszystko zmienił – życie Jamesa Clerka Maxwella . Wileya. Numer ISBN 0-470-86171-1.
- Porter, Roy (2000). Hutchinson Słownik biografii naukowej . Hodder Arnold BHP. Numer ISBN 978-1-85986-304-6. OCLC 59409209 .
- Russo, Remigio (1996). Matematyczne problemy sprężystości . Światowy Naukowy. Numer ISBN 981-02-2576-8.
- Tait, Peter Guthrie (1911). . W Chisholm, Hugh (red.). Encyklopedia Britannica . Tom. 17 (wyd. 11). Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge.
- Tymoszenko, Szczepan (1983). Historia wytrzymałości materiałów . Kurier Dover. Numer ISBN 978-0-486-61187-7.
- Tołstoj, Iwan (1982). James Clerk Maxwell: Biografia . Wydawnictwo Uniwersytetu Chicago. Numer ISBN 0-226-80787-8. OCLC 8688302 .
- Warwicka, Andrzeja (2003). Masters of Theory: Cambridge i powstanie fizyki matematycznej . Wydawnictwo Uniwersytetu Chicago. Numer ISBN 0-226-87374-9.
- Waterston, Karol D; Macmillan Shearer, A. (lipiec 2006). Byli członkowie Królewskiego Towarzystwa Edynburskiego 1783-2002: Indeks biograficzny (PDF) . Tom. II. Edynburg: Królewskie Towarzystwo Edynburskie . Numer ISBN 978-0-902198-84-5.
- Wilczek, Frank (2015). „Maxwell I: Boża estetyka. II: Drzwi percepcji” . Piękne pytanie: znalezienie głębokiego projektu natury . Allen Lane. s. 117–164. Numer ISBN 978-0-7181-9946-3.
Zewnętrzne linki
- Portrety Jamesa Clerka Maxwella w National Portrait Gallery w Londynie
- Prace James Clerk Maxwell w Project Gutenberg
- Prace lub o James Clerk Maxwell w Internet Archive
-
Prace James Clerk Maxwell w LibriVox (audiobooki z domeny publicznej)
- O'Connor, John J .; Robertson, Edmund F. , „James Clerk Maxwell” , archiwum historii matematyki MacTutora , University of St Andrews
- „Genealogia i herb James Clerk Maxwell (1831-1879)” . Numericana.
- „Fundacja James Clerk Maxwell” .
- „Maxwell, James Clerk (ostatnia wola i testament Maxwella)” . scotlandspeople.gov.uk. 31 maja 2013 r.
- „Opublikowane artykuły naukowe i książki Jamesa Clerka Maxwella” (PDF) . Urzędnik Fundacji Maxwella.
- „Bibliografia” (PDF) . Urzędnik Fundacji Maxwella.
- James Clerk Maxwell, „Eksperymenty na kolor postrzegany przez Oko, z uwagami na temat daltonizmu” . Postępowanie Towarzystwa Królewskiego w Edynburgu , obj. 3, nie. 45, s. 299–301. (faksymil cyfrowy z Biblioteki Linda Hall )
- Maxwell , dyskusja BBC Radio 4 z Simonem Schafferem, Peterem Harmanem i Joanną Haigh ( In Our Time , 2 października 2003)
- Szkocki Einstein: James Clerk Maxwell – Człowiek, który zmienił świat , dokument BBC Two 2015.
