جیمز کلرک ماکسول (زاده ۱۳ ژوئن ۱۸۳۱ در ادینبورگ – درگذشته ۵ نوامبر ۱۸۷۹ در کمبریج ) یک فیزیکدان اسکاتلندی بود . او مجموعه ای از معادلات ( معادلات ماکسول ) را توسعه داد که مبانی الکترودینامیک هستند . به ویژه در سال 1864 او وجود امواج الکترومغناطیسی را پیش بینی کرد که هاینریش هرتز اولین کسی بود که در سال 1886 آن را تولید و اثبات کرد.
نظریه میدانی او که به نام او نامگذاری شده است، یکی از مهمترین دستاوردهای فیزیک و ریاضیات قرن نوزدهم است.
در سال 1866 او نظریه گاز جنبشی را توسعه داد و به همین دلیل به عنوان یکی از بنیانگذاران مکانیک آماری در کنار لودویگ بولتزمن که بعدها کار کرد در نظر گرفته می شود . توزیع سرعت کلاسیک مولکول های گاز ( توزیع ماکسول-بولتزمن ) به نام هر دو نامگذاری شده است. او اولین عکس رنگی را در سال 1861 به عنوان مدرکی برای تئوری ترکیب رنگ افزودنی منتشر کرد .
ماکسول آخرین نماینده از خط جوانتر منشی برجسته اسکاتلندی خانواده Penicuik بود . در سال 1858 با کاترین مری دوار، دختر رئیس کالج ماریشال ، آبردین ازدواج کرد . این ازدواج بدون فرزند ماند. ماکسول در سن 48 سالگی بر اثر سرطان معده در کمبریج درگذشت .
فهرست مطالب جیمز کلرک ماکسول
معنی
زادگاه جیمز کلرک ماکسول در 14 خیابان هند، ادینبورگ
ماکسول را عموماً دانشمند قرن نوزدهمی می دانند که بیشترین تأثیر را بر فیزیک قرن بیستم داشته است . او به مدل‌های بنیادی طبیعت کمک کرد و به عنوان پلی‌ساز بین ریاضیات و فیزیک به حساب می‌آمد. تنها چند سال پس از مرگ او، اهمیت جیمز کلرک ماکسول برای علوم طبیعی در سراسر جهان پذیرفته شد، بدون اینکه قدردانی به تحقیقات او در مورد الکترومغناطیس محدود شود – همانطور که اغلب بعداً اتفاق افتاد . [1] [2] در سال 1931، در صدمین سالگرد تولد ماکسول، آلبرت انیشتین کار خود را به عنوان “عمیق ترین و پربارترین اثری که فیزیک از زمان نیوتن نوشته است” توصیف کرد.کشف شده”.
ترکیب جبر با عناصر هندسه از ویژگی های اصلی کار اوست. ماکسول نشان داد که نیروهای الکتریکی و مغناطیسی دو پدیده مکمل الکترومغناطیس هستند. او نشان داد که میدان های الکتریکی و مغناطیسی به شکل امواج الکترومغناطیسی می توانند با سرعت ثابتی در حدود 3·10 8 متر بر ثانیه در فضا حرکت کنند که دقیقاً با سرعت نور مطابقت دارد . او فرض کرد که نور نوعی تابش الکترومغناطیسی است.
ماکسول نتایج آزمایشات و مشاهدات الکترومغناطیسی و نوری قبلی را در یک سری معادلات ریاضی خلاصه کرد. از آن زمان این معادلات (مانند توزیع ماکسول) در فیزیک بسیار مفید بوده است. آنها خود را در همه موارد ثابت کرده اند و برخی از قوانین جدید الکترومغناطیس و اپتیک را تولید کرده اند که مهمترین آنها در مورد تابش الکترومغناطیسی است. معادلات برای رادیو و تلویزیون اساسی هستند و می توانند برای مطالعه اشعه ایکس، اشعه گاما، اشعه مادون قرمز و سایر اشکال تابش استفاده شوند.
زندگی [ ویرایش | ویرایش منبع ]
سالهای اولیه [ ویرایش | ویرایش منبع ]
ماکسول در سال 1855 در کمبریج، دیسک رنگی اولین آزمایش های نوری خود را در دست داشت.
ماکسول تنها فرزند وکیل دادگستری ادینبورگ جان کلرک ماکسول در 14 خیابان ایندیا در ادینبورگ ، اسکاتلند به دنیا آمد . تربیت اولیه ماکسول، که شامل مطالعه کتاب مقدس بود ، از مادر مسیحی او نشأت گرفت. او بیشتر دوران جوانی خود را در املاک خانوادگی گلنلر در نزدیکی دامفریز گذراند. مادر ماکسول زمانی که او تنها هشت سال داشت درگذشت. ماکسول بعداً به آکادمی ادینبورگ رفت. نام مستعار او در مدرسه “دفتی” (گنگ یا عجیب و غریب) بود. او آن را برای پوشیدن کفش های خانگی در روز اول مدرسه گرفت. در سال 1845، در سن 14 سالگی، ماکسول مقاله ای نوشت که در آن روش ترسیم منحنی های ریاضی با یک رشته را شرح داد.
سالهای میانی جیمز کلرک ماکسول
در سال 1847 ماکسول در دانشگاه ادینبورگ ثبت نام کرد و در رشته فلسفه طبیعی، فلسفه اخلاق و فلسفه ذهنی تحصیل کرد. در ادینبورگ نزد سر ویلیام همیلتون تحصیل کرد . او در سن 18 سالگی که هنوز در ادینبورگ دانشجو بود، دو مقاله برای معاملات انجمن سلطنتی ادینبورگ نوشت ، [3] که یکی از آنها، در مورد تعادل جامدات الاستیک ، مبنایی برای کشف منحصربه‌فرد بعدی در زندگی، یعنی کشف موقتی بود. انکسار مضاعف در مایعات چسبناک توسط نیروهای برشی .
در سال 1850 ماکسول به دانشگاه کمبریج نقل مکان کرد . او ابتدا در پیترهاوس ثبت نام کرد، اما پس از آن به کالج ترینیتی رفت زیرا فکر می کرد گرفتن بورسیه تحصیلی در آنجا آسان تر خواهد بود. در کالج ترینیتی او به عضویت یک انجمن مخفی به نام حواریون کمبریج انتخاب شد . در نوامبر سال 1851، ماکسول با معلم خود، ویلیام هاپکینز ، ملقب به “مشغول ساز” (” مشغولان ” دانش آموزانی هستند که در امتحان ریاضی بهترین نتایج را کسب می کنند، درس می خواند. ماکسول بسیاری از تشریح معادلات الکترومغناطیسی خود را در زمانی که هنوز در مقطع کارشناسی بود به پایان رساند.
در سال 1854 ماکسول با دومین امتحان ریاضی برتر سال خود فارغ التحصیل شد. بلافاصله پس از فارغ التحصیلی، او رساله ای علمی به نام « در خطوط نیروی فارادی » منتشر کرد ، که در آن اولین نشانه ای از تحقیقات الکتریکی خود را ارائه کرد، که در مهمترین کار زندگی او به اوج خود رسید.
اولین عکاسی رنگی دائمی توسط جیمز کلرک ماکسول در یک سخنرانی در سال 1861 نشان داده شد
از سال 1855 تا 1872 او به طور دوره ای مجموعه ای از تحقیقات ارزشمند مربوط به بینایی رنگ و کوررنگی را منتشر کرد . ابزاری که او برای این تحقیق استفاده کرد ساده و راحت بود (مثلاً تاپ چرخان رنگی ). او در سال 1860 توسط انجمن سلطنتی مدال رامفورد را “به خاطر تحقیقاتش در مورد ترکیب رنگ ها و سایر کمک ها به اپتیک” دریافت کرد .
در سال 1861 او اولین عکس رنگی را به عنوان مدرکی برای تئوری ترکیب رنگ افزودنی منتشر کرد .
در سال 1856 ماکسول به کرسی فلسفه طبیعی در کالج ماریشال آبردین منصوب شد، این سمت را تا زمانی که در سال 1860 با کالج کینگ ادغام شد، حفظ کرد. [4]
در سال 1856 او برنده جایزه آدامز در کمبریج برای مقاله اصلی شد که با آن ثابت کرد که حلقه‌های زحل نه جسم جامد مایع هستند و نه فشرده، اما ثبات تنها زمانی می‌تواند غالب شود که از تعداد زیادی اجسام جامد کوچک و غیر متصل تشکیل شده باشند. [5] او همچنین نظریه سحابی را که می گوید کهکشان ها از طریق تراکم تدریجی سحابی های گازی شکل می گیرند، از نظر ریاضی رد کرد. طبق نظریه او، نسبت های جامدات کوچک برای این امر ضروری است.
در سال 1860 ماکسول استاد کالج کینگ لندن شد .
در سال 1861 او به عضویت (” همکار “) انجمن سلطنتی انتخاب شد. در این مدت او روی اجسام کشسان و هندسه خالص کار کرد.
نظریه جنبشی گازها جیمز کلرک ماکسول
یکی از مهمترین تحقیقات ماکسول به نظریه جنبشی گازها مربوط می شود . با شروع با دانیل برنولی، این نظریه توسط تحقیقات بعدی جان هراپات ، جان جیمز واترستون، جیمز پرسکات ژول و به ویژه رودولف کلازیوس بیشتر توضیح داده شد . او چنان به کمال رسید که دقت پیش‌بینی‌اش او را بی‌تردید کرد. ماکسول که خود را آزمایشگر و نظریه پردازی درخشان در این زمینه نشان داد، به شکلی برتر به توسعه آن ادامه داد.
او در سال 1860 تئوری جنبشی گازها را که بعداً توسط لودویگ بولتزمن تعمیم داده شد، فرموله کرد . فرمول او که توزیع ماکسول نام دارد ، نسبت مولکول های گازی را محاسبه می کند که با سرعت معین در دمای معین حرکت می کنند . در نظریه جنبشی گازها، دما و فشار باعث حرکت مولکول ها می شود. این رویکرد به موضوع تحقیق، قوانین قبلی ترمودینامیک را تعمیم داد و مشاهدات و آزمایشات را با دقت بیشتری توضیح داد. کار ماکسول در مورد ترمودینامیک او را به یک آزمایش فکری سوق داد که به دیو ماکسول معروف شده است .
در سال 1865 ماکسول در گلنلر در کرککودبرایت شایر ، در ملکی که از پدرش، جان کلرک ماکسول، به ارث برده بود، اقامت گزید . [6]
در سال 1868 از کرسی فیزیک و نجوم در کینگز کالج لندن استعفا داد.
الکترومغناطیس جیمز کلرک ماکسول
کارت پستال از ماکسول به پیتر گاتری تایت .
هنگامی که ماکسول به برق علاقه مند شد، به ویلیام تامسون، اولین بارون کلوین ، نامه نوشت و از او پرسید که چگونه به بهترین شکل ادامه دهد. کلوین توصیه کرد که ماکسول آثار منتشر شده فارادی، کلوین، آمپر و سپس آثار فیزیکدانان آلمانی را به ترتیب داده شده بخواند.
بیشتر کارهای زندگی ماکسول به مطالعه الکتریسیته اختصاص داشت . مهمترین مشارکت ماکسول، بسط و فرمول‌بندی ریاضی تحقیقات قبلی در مورد الکتریسیته و مغناطیس توسط مایکل فارادی ، آندره ماری آمپر و دیگران در سیستم معادلات دیفرانسیل مرتبط بود . با این کار، او فرضیه هویت الکتریسیته و مغناطیس را که از آغاز قرن نوزدهم گسترده بود، با یک مدل ریاضی قابل قبول استوار کرد. [7] در ابتدا 20 معادله وجود داشت که بعداً با استفاده از نماد برداری ترکیب شدند. این معادلات که امروزه در مجموع به عنوان معادلات ماکسول شناخته می شوند(یا گاهی اوقات به عنوان “معادلات شگفت انگیز ماکسول” شناخته می شود) اولین بار در انجمن سلطنتی در سال 1864 منتشر شد. آنها با هم رفتار میدان های الکتریکی و مغناطیسی و تعامل آنها با ماده را توصیف می کنند. علاوه بر این، ماکسول امواج میدان های الکتریکی و مغناطیسی نوسانی را که در فضای خالی حرکت می کنند، پیش بینی کرد. او می‌توانست سرعت را از آزمایش‌های الکتریکی ساده پیش‌بینی کند. او با استفاده از داده های موجود، سرعت انتشار را 310740000 متر بر ثانیه محاسبه کرد. ماکسول در سال 1864 نوشت: [8]
این سرعت آنقدر نزدیک به سرعت نور است که به نظر می‌رسد دلیل محکمی داریم که نتیجه بگیریم خود نور (از جمله گرمای تابشی و سایر تشعشعات در صورت وجود) یک اختلال الکترومغناطیسی به شکل امواج منتشر شده در میدان الکترومغناطیسی مطابق با الکترومغناطیسی است. قوانین.”
این سرعت به قدری نزدیک به سرعت نور است که دلیل محکمی برای این نتیجه داریم که خود نور (شامل تابش حرارتی و تشعشعات احتمالی دیگر) یک اختلال الکترومغناطیسی است که طبق قوانین الکترومغناطیسی، خود را به شکل امواج در الکترومغناطیسی نشان می دهد. میدان مزرعه تکثیر شد.»
فرض ماکسول اساساً درست بود. نظریه موج بعداً توسط آزمایش هاینریش هرتز تأیید شد و اساس تمام مهندسی رادیو را تشکیل می دهد . ارتباط کمی بین نور و الکترومغناطیس به عنوان یک پیروزی بزرگ فیزیک قرن نوزدهم در نظر گرفته می شود. در آن زمان، ماکسول معتقد بود که انتشار نور نیاز به محیطی دارد که در آن امواج بتوانند منتشر شوند. در مورد این رسانه که اتر نور نامیده می شد ، ماکسول مدخلی در دایره المعارف بریتانیکا ، منتشر شده در سال 1878، با خلاصه زیر در پایان نوشت: [9] [10]
هر مشکلی که ممکن است ما در شکل‌گیری یک مفهوم منسجم از ماهیت اتر داشته باشیم، نمی‌توان شک کرد که فضاهای بین سیاره‌ای و بین ستاره‌ای خالی نیستند، بلکه پر از مواد مادی یا جسم پر از امنیت هستند. متحد ترین بدنی که ما از آن می شناسیم.»
با این حال، در طول زمان، مشکلات فزاینده‌ای برای تطبیق وجود چنین رسانه‌ای که تمام فضا را پر می‌کرد، اما با ابزارهای مکانیکی غیرقابل ردیابی بود، با نتایج آزمایش‌هایی مانند به‌عنوان مثال، پدید آمد. ب. برای آشتی دادن آزمایش مایکلسون- مورلی . علاوه بر این، به نظر می رسید که نیاز به یک چارچوب مرجع مطلق دارد که در آن معادلات معتبر باشند. این بدان معناست که معادلات یک ناظر متحرک شکل متفاوتی داشت. این دشواری الهام بخش اینشتین شد تا نظریه نسبیت خاص را فرموله کند و در این فرآیند انیشتین نیاز به اتر نوری را انکار کرد.
تحلیل سازه جیمز کلرک ماکسول
کمک های ماکسول به نظریه چارچوب [11] و استاتیک گرافیکی، کمتر شناخته شده، اما در سطح علمی پیشگامانه است. [ 12] برای مثال، ارهارد شولز رابطه دوگانگی بین نظریه چارچوب و چندضلعی نیرو را که توسط ماکسول در سالهای 1864 و 1867 یافت شد به عنوان «اسب رژه استاتیک گرافیکی» رتبه‌بندی کرد . پس از او، که او در بخشی از کار خود در مورد استاتیک ثابت کرد، نوشت.
سالهای پایانی جیمز کلرک ماکسول
جیمز و کاترین ماکسول، 1869.
در سال 1871 او به عنوان اولین استاد فیزیک کاوندیش در کمبریج منصوب شد. ماکسول بر تأسیس آزمایشگاه کاوندیش نظارت داشت . او بر تمام مراحل ساخت ساختمان و خرید مجموعه ارزشمندی از تجهیزات نظارت داشت که به لطف مؤسس سخاوتمند، هفتمین دوک دوونشایر، آزمایشگاه به آن وقف شد. او یک کتاب درسی در مورد نظریه گرما (1871) و یک رساله مقدماتی عالی در مورد اجسام و حرکت (1876) نوشت. در سال 1874 او به عضویت آکادمی هنر و علوم آمریکا انتخاب شد . یکی از آخرین کمک های عمده ماکسول به علم، تحلیل تحقیقات هنری کاوندیش بود. معلوم شد که کاوندیش، در میان چیزهای دیگر، به سؤالاتی در مورد چگالی متوسط زمین و ترکیب آب نیز پرداخته است. هنگامی که ماکسول در سال 1879 در سن 48 سالگی درگذشت، جان ویلیام استروت، سومین بارون ریلی، جانشین او به عنوان پروفسور کاوندیش شد . این دوره های سیستماتیک در فیزیک را معرفی کرد.
زندگی جیمز کلرک ماکسول در سال 1882 توسط همکلاسی و دوست همیشگی او، پروفسور لوئیس کمپبل (1830-1908) منتشر شد . آثار گردآوری شده او از جمله سلسله مقالاتی درباره خواص ماده در دو جلد توسط انتشارات دانشگاه کمبریج در سال 1890 منتشر شد.
افتخارات جیمز کلرک ماکسول
واحد ماکسول cgs شار مغناطیسی به افتخار ماکسول نامگذاری شد . یک رشته کوه در زهره ، ماکسول مونتس، به نام او نامگذاری شد، زیرا توسط امواج الکترومغناطیسی (مشاهدات راداری) که او فرض کرده بود کشف شد. [14] علاوه بر این، تلسکوپ جیمز کلرک ماکسول در Mauna Kea ، بزرگترین تلسکوپ در جهان برای تشعشعات الکترومغناطیسی بین مادون قرمز و امواج مایکروویو با قطر 15 متر، نام او را دارد. یک دهانه ماه و سیارک (12760) ماکسول نیز به نام جیمز سی ماکسول نامگذاری شده اند.
جایزه جیمز کلرک ماکسول برای فیزیک پلاسما و مدال ماکسول به افتخار او نامگذاری شده است .