جیمز کلارک ماکسول: کاشف معادلات ماکسول و بنیانگذار نظریه الکترومغناطیس

کشفیات ماکسول، زمینه ظهور نظریاتی چون نسبیت و مکانیک کوانتومی را فراهم کرد. ماکسول معمار یکی از بزرگترین بناهای عقلانی قرن نوزدهم بود و بیشترین تاثیر را در فیزیک قرن بیستم داشته است. این بنا که نظریه الکترومغناطیس نام دارد، در اواخر قرن نوزدهم در کنار مکانیک نیوتنی به عنوان یکی از برج های دوقلوی فیزیک شناخته می شد. آلبرت اینشتین، در جشن تولد صد سالگی او، کارهایش را عمیق ترین و پُربارترین دستاوردهای فیزیک پس از نیوتن توصیف کرد.

در این مقاله شما می توانید با دستاوردهای جیمز کلارک ماکسول آشنا شوید.

مکانیک نیوتنی شاید اولین نمونه از یک نظریه انقلابی وحدت بخش بود که قدرت توضیح حرکات اجسام زمینی و حتی سیارات، ستاره ها و کهکشان ها را داشت. در اوایل قرن نوزدهم دانشمندان پی برده بودند که بسیاری از آثار تبدیل پذیر مثل اثرات گرمایی، مکانیکی، شیمیایی، الکتریکی و مغناطیسی مستلزم اصول وحدت بخش و یگانه هستند. بررسی آثار گرمایی و مکانیکی به تعریف مفاهیم انرژی و آنتروپی و استخراج سه قانون بزرگ ترمودینامیک منجر شد. همزمان با وحدت ترمودینامیکی گرما و انرژی مکانیکی، وحدت های دیگری نیز در حال انجام بود.

رابطه مرموز الکتریسیته و مغناطیس

هانس کریستین اورستد (دانشمند دانمارکی) در سال ۱۸۲۰ پی برد که یک سیم حامل جریان الکتریکی، عقربه مغناطیسی یک قطب نمای نزدیک به آن را به حرکت در می آورد. یعنی یک اثر الکتریکی، یک اثر مغناطیسی ایجاد می کند. مشاهده اورستد مورد بی توجهی همکاران او قرار گرفت و فقط یکی از دستیاران آزمایشگاهی در موسسه سلطنتی لندن به نام مایکل فارادی تحت تاثیر آن قرار گرفت. فارادی که بسیاری از مورخان علم، او را بزرگترین آزمایشگر قرن نوزدهم می شناسند، با الهام از آزمایش اورستد حدس زد که یک سیم حامل جریان می تواند یک آهنربا را با حرکت چرخشی دائمی حول محور سیم در حال دوران نگه دارد. آزمایشی که او برای بررسی این حدس در سال ۱۸۲۱ طراحی کرد، او را به اختراع موتور الکتریکی رهنمون ساخت.

تبلیغات کتاب کدینگ تصویری ۱۱۰۰ واژه انگلیسی که باید دانست

ده سال پس از آن، فارادی طی آزمایشی عکس اثر مشاهده شده در آزمایش اورستد را به نمایش گذاشت. آزمایش اورستد اثر مغناطیسی تولید شده بوسیله اثر الکتریکی را نشان می داد. آزمایش القای مغناطیسی فارادی نشان داد که یک اثر مغناطیسی، یک اثر الکتریکی ایجاد می کند که این آزمایش نیز به اختراع دیگری منجر شد که امروزه آن را دینام یا مولد الکتریسیته می نامیم. بدین ترتیب فارادی نشان داد که الکتریسیته و مغناطیس (که تا آن زمان دو نیروی متمایز به حساب می آمدند)، در واقع دو وجه از یک نیروی واحد به نام الکترومغناطیس هستند. علاوه بر این، فارادی نخستین کسی بود که به ماهیت الکترومغناطیسی نور پی برد. او همچنین نظریه «خطوط نیروی مغناطیسی» را مطرح کرد. او با پاشیدن براده آهن بر قطعه کاغذی که روی یک آهنربا گذاشته شده بود، از این خطوط نقشه برداری کرد. ویلیام تامسون اصطلاح «میدان نیروها» یا «میدان» را برای کل شبکه خطوط نیروی فارادی معرفی کرد.

بعدها این اصطلاح به مفهومی بنیادی در فیزیک مدرن تبدیل شد. اما در آن زمان، نظریه های فارادی مخالفانی داشت و ضعف فارادی در ریاضیات پیشرفته باعث می شد که نتواند صورت بندی قانع کننده ای برای آنها ارائه کند. به ریاضی – فیزیکدانی با شهودی نبوغ آمیز نیاز بود تا بتواند تمام این یافته های فیزیکی را در نظریه‌ ای به زبان ریاضی توضیح دهد.

کودک ریاضیدان؛ جوان فیزیکدان

جیمز کلارک ماکسول دو ماه پس از کشف القای الکترومغناطیسی توسط فارادی، در سال ۱۸۳۱ در ادینبورو، در مرکز اسکاتلند به دنیا آمد. جان کلارک، پدر دلسوز او، یک مبتدی مشتاق در همه موضوعات علم و فناوری بود و این امتیاز و شایستگی بزرگی برای پرورش استعدادهای پسرش به حساب می آمد. ماکسول وقتی که فقط چهارده سال داشت، مقاله ای درباره روش تازه ای برای ترسیم بیضی ها نوشت. با این مقاله که برای سن نویسنده بسیار چشمگیر ارزیابی شد، تحصیلات علمی او در دانشگاه ادینبورو آغاز شد، اما آنجا پاسخگوی استعدادهای او نبود. او در ۱۸۵۰ با کسب رتبه دوم در آزمون ورودی، وارد کمبریج شد و یک بورس تحصیلی و سپس دستیاری آموزشی در کالج ترینیتی دانشگاه کمبریج را بدست آورد. در همین زمان بود که تحقیق درباره الکترومغناطیس را آغاز کرد. ماکسول در سال ۱۸۵۶ صاحب کرسی استادی فلسفه طبیعی در کالج مارشال در ابردین اسکاتلند شد. او مانند بسیاری از دانشمندان خلاق، معلم موفقی نبود. به هنگام تدریس، افکارش به قدری پیچیده و سریع بود که نمی توانست بیانش را با سرعت درک شاگردانش هماهنگ کند. او طی چهار سالی که در ابردین بود، نخستین مقاله اش در الکترومغناطیس را کامل کرد. سپس به عنوان استاد فلسفه طبیعی به کینگز کالج لندن رفت. این پنج سال در لندن، خلاق ترین دوران زندگی ماکسول بود. او نظریه دینامیکی میدان الکترومغناطیسی اش را در آن زمان به مرحله کمال رساند. همچنین نظریه رفتار گازها و نظریه دید رنگ را پیشتر برد و نخستین عکاسی رنگی جهان را ابداع کرد. بار سنگین آموزش، مطلوب او نبود و سرانجام به این نتیجه رسید که به پست دانشگاهی نیازی ندارد و نمی تواند با همه وظایف همراهش (که او اصلاً مناسب آنها نبود)، به پژوهش هایش ادامه دهد. پس در سال ۱۸۶۵ از کالج کینگز استعفا کرد و در خانه روستایی کودکی اش بطور دائم اقامت گزید.

متفکر معمار و وحدت دهنده بزرگ

اولین مقاله ماکسول در زمینه الکترومغناطیس وقتی که بیست و چهار ساله و در ابردین بود، منتشر شد. هدف مقاله شکل دادن ریاضی به میدان نیروی فارادی بود. نظریه ماکسول هم به میدان های مغناطیسی می پرداخت و هم به میدان های الکتریکی و بطور ریاضی نشان می داد که آنها تا چه حد به هم مربوط هستند. حاصل مقاله فهرست کوتاهی از معادلاتی بود که امروز به «معادلات ماکسول» معروف هستند و یافته های تجربی و وحدت بخش فارادی در مورد نیروی الکتریکی و مغناطیسی را در قالب نظریه ریاضی الکترومغناطیس، تایید می کرد.

فارادی پس از خواندن مقاله، ستایش خود از ماکسول را طی نامه ای به او اعلام و پیشنهاد شگفت انگیزی را مطرح می کند مبنی بر اینکه احتمالاً آثار مغناطیسی در زمانی معین منتقل می شوند نه بطور آنی. مقاله بعدی ماکسول که در سال های ۱۸۶۱ و ۱۸۶۲ با عنوان «خطوط فیزیکی نیرو» تهیه شد، با حدس فارادی سازگار بود. در این مقاله نبوغ آمیز، فرض شده بود که نیروهای مغناطیسی و الکتریکی در ملأ ای کشسان (اِتِر) در فضا منتشر می شوند.

ماکسول تصادفاً توانست از مدل اِتِری خودش یک مقدار برای آن پارامتر کشسانی بدست آورد و با استفاده از آن مقدار، سرعت امواج الکترومغناطیسی را که به تصور او از میان ملأ و کشسان منتشر می شدند، محاسبه کند. او با این محاسبه، در کمال شگفتی دریافت که نتیجه آن تقریباً برابر سرعت نور است.

ماکسول بلافاصله استنتاج خود را چنین اعلام کرد: «به زحمت می توانیم از این استنتاج اجتناب کنیم که نور، مرکب از حرکات موجی متقاطع از ملأ ای است که موجب پدیده های الکترومغناطیسی می شود.» بدین ترتیب او پی برد که نور چیزی نیست جز امواج الکترومغناطیسی و با این کشف پس از نظریه وحدت بخش الکترومغناطیس، حال او دو علم بزرگ الکترومغناطیس و اپتیک را نیز (که قبلاً آنها را نامربوط به هم می پنداشتند)، در قالب علم الکترومغناطیسی اپتیکی تلفیق کرد.

دو دهه پس از انتشار مقاله «خطوط فیزیکی نیرو» بود که آزمایشگران بررسی چگونگی تولید، تشخیص و استفاده از امواج الکترومغناطیسی را آغاز کردند. هاینریش هرتز آزمایشگر خلاقی بود که نه تنها برابری سرعت امواج الکترومغناطیسی با سرعت نور را تایید تجربی کرد بلکه با بررسی سایر خواص امواج الکترومغناطیسی مثل بازتابش، پراشیدگی، شکستگی و قطبش، نشان داد که آنها ماهیتی یگانه با نور دارند. امواجی که هرتز تولید کرد، امواجی بودند که امروزه آنها را امواج رادیویی و میکرو موج ها می نامیم. ارتباط رادیویی و تلویزیون، در شکل ابتدایی خود در آزمایشگاه هرتز متولد شدند.

سومین پیشنهاد ماکسول «نظریه دینامیکی میدان الکترومغناطیسی» نام داشت که او را قادر می ساخت انرژی میدان مغناطیسی را محاسبه کند. برخی مفسران این نظریه را به عنوان برترین دستاورد او ارزیابی کرده اند. تلاش های ماکسول برای تکمیل نظریه الکترومغناطیسی که در حدود بیست سال از ۱۸۵۵ تا ۱۸۷۳ طول کشید، او را به معمار یکی از بزرگترین و باشکوه ترین بناهای عقلانی قرن نوزدهم بدل ساخت، بنایی که همه پدیده های الکتریکی و مغناطیسی را وحدت بخشید، ماهیت موج الکترومغناطیسی نور را آشکار کرد و دری به‌سوی روش و ذات فیزیک در قرن بیستم گشود.

سایر تحقیقات ماکسول

ماکسول علاوه بر نظریه الکترومغناطیس (که نقطه اوج و شاهکار تحقیقات او بود)، در موضوعات دیگری از جمله نظریه گازها، ترمودینامیک، حلقه های زحل و دید رنگ نیز به پژوهش پرداخت. نظریه مولکولی گازها، یک نظریه دینامیکی است که از لحاظ اهمیت، نسبت به نظریه الکترومغناطیس در رتبه دوم قرار می گیرد.

این نظریه مقدمات انقلابی دیگر را برای علم فیزیک فراهم کرد که نخستین استفاده آن، روش های آماری برای توصیف سیستم های بزرگ مقیاس از مولکول ها بود. نگرش آماری ابتدا در دست بولتزمن و سپس گیبس و ماکسول ابزار نظریه ظریفی شد که امروزه «مکانیک آماری» نامیده می شود.

بنای آخر و سه ابزار پژوهشی

ماکسول در دهه پایانی عمر خود، وظیفه نظارت بر ساخت آزمایشگاه کاوندیش در کمبریج را بر عهده گرفت. با اینکه بیشتر نبوغ او در نظریه پردازی بود اما او یک آزمایشگر ماهر و شایسته نیز به حساب می آمد. چنین بود که طرح عملی و هوشمندانه او برای آزمایشگاه کاوندیش، نیازهای علم فیزیک در کمبریج را به مدتی بیش از یک قرن برآورده می کرد. ماکسول برنامه ای از فیزیک آزمایشی را طراحی کرد که کاملاً متفاوت از برنامه های سنتی کمبریج به نظر می رسید و بر اساس آموزش عمیق استدلالی و تعقل نظری استوار بود. او معتقد بود که برای آموختن قضایا و موضوعات علمی باید همزمان از هر سه ابزار «قلب، سر و انگشتان» که استعاره از «شهود، تعقل و عمل» بودند، بهره گرفت. خود او در هر سه مورد مهارت داشت اما منشاء اصلی نبوغ او استادی اش در روش قلبی بود. این درخشش شهودی و بصیرت علمی بود که او را در ردیف غول هایی چون نیوتن و اینشتین قرار داد.

مادر ماکسول در هشت سالگی او در اثر سرطان شکمی در سن چهل و هشت سالگی فوت کرد. خود او نیز در اثر همان نوع سرطان و در همان سن در پنج نوامبر سال ۱۸۷۹ در کمبریج درگذشت.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «جیمز کلارک ماکسول: کاشف معادلات ماکسول و بنیانگذار نظریه الکترومغناطیس»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا گزارش موسی توماج ایری در مجله دانشمند، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.

برچسب ها
نمایش بیشتر
تبلیغات میزبانی وب و ثبت دامنه - های یو کمپانی

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

مطالب مرتبط

دکمه بازگشت به بالا