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 برج‌های دوقلوی فیزیک شناخته می‌شد. آلبرت اینشتین، در جشن تولد صد سالگی او، کارهایش را عمیق‌ترین و پُربارترین دستاوردهای فیزیک پس از نیوتن توصیف کرد.
در این مقاله شما می‌توانید با دستاوردهای جیمز کلارک ماکسول آشنا شوید.
مکانیک نیوتنی شاید اولین نمونه از یک نظریه انقلابی وحدت‌بخش بود که قدرت توضیح حرکات اجسام زمینی و حتی سیارات، ستاره‌ها و کهکشان‌ها را داشت. در اوایل قرن نوزدهم دانشمندان پی برده بودند که بسیاری از آثار تبدیل‌پذیر مثل اثرات گرمایی، مکانیکی، شیمیایی، الکتریکی و مغناطیسی مستلزم اصول وحدت‌بخش 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، وحدت‌های دیگری نیز در حال انجام بود.
رابطه مرموز الکتریسیته و مغناطیس
هانس کریستین اورستد (دانشمند دانمارکی) در سال 1820 پی برد که یک سیم حامل جریان الکتریکی، عقربه مغناطیسی یک قطب‌نمای نزدیک به آن را به حرکت در می‌آورد. یعنی یک اثر الکتریکی، یک اثر مغناطیسی ایجاد می‌کند. مشاهده اورستد مورد بی‌توجهی 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 می‌شناسند، با الهام از آزمایش اورستد حدس زد که یک سیم حامل جریان می‌تواند یک آهنربا را با حرکت چرخشی دائمی حول محور سیم در حال دوران نگه دارد. آزمایشی که او برای بررسی این حدس در سال 1821 طراحی کرد، او را به اختراع موتور الکتریکی رهنمون ساخت.
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 می‌داد. آزمایش القای مغناطیسی فارادی نشان داد که یک اثر مغناطیسی، یک اثر الکتریکی ایجاد می‌کند. این آزمایش به اختراع دیگری منجر شد که امروزه آن را دینام یا مولد الکتریسیته می‌نامیم. بدین ترتیب فارادی نشان داد که الکتریسیته و مغناطیس (که تا آن زمان دو نیروی متمایز به حساب می‌آمدند)، 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 نقشه‌برداری 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، نظریه‌های فارادی مخالفانی داشت و ضعف فارادی در ریاضیات پیشرفته باعث می‌شد که نتواند صورت‌بندی قانع کننده‌ای برای آنها ارائه کند. به ریاضی – فیزیکدانی با شهودی نبوغ‌آمیز نیاز بود تا بتواند تمام این یافته‌های فیزیکی را در نظریه‌‌ای به زبان ریاضی توضیح دهد.
کودک ریاضیدان؛ جوان فیزیکدان
جیمز کلارک ماکسول دو ماه پس از کشف القای الکترومغناطیسی توسط فارادی، در سال 1831 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 می‌آمد. ماکسول وقتی که فقط چهارده سال داشت، مقاله‌ای درباره روش تازه‌ای برای ترسیم بیضی‌ها 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 1850 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 1856 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 بقدری پیچیده و سریع بود که نمی‌توانست بیانش را با سرعت درک شاگردانش هماهنگ کند.
او طی چهار سالی که در ابردین بود، نخستین مقاله‌اش در الکترومغناطیس را کامل کرد. سپس به عنوان استاد فلسفه طبیعی به کینگز کالج لندن رفت. این پنج سال در لندن، خلاق‌ترین دوران زندگی ماکسول بود. او نظریه دینامیکی میدان الکترومغناطیسی‌اش 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. سرانجام به این نتیجه رسید که به پست دانشگاهی نیازی ندارد و نمی‌تواند با همه وظایف همراهش، به پژوهش‌هایش ادامه دهد. پس در سال 1865 از کالج کینگز استعفا کرد و در خانه روستایی کودکی‌اش 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 میدان‌های مغناطیسی می‌پرداخت و هم به میدان‌های الکتریکی و بطور ریاضی نشان می‌داد که آنها تا چه حد به هم مربوط هستند. حاصل مقاله فهرست کوتاهی از معادلاتی بود که امروز به «معادلات ماکسول» معروف هستند و یافته‌های تجربی و وحدت‌بخش فارادی در مورد نیروی الکتریکی و مغناطیسی را در قالب نظریه ریاضی الکترومغناطیس، تایید می‌کرد.
فارادی پس از خواندن مقاله، ستایش خود از ماکسول را طی نامه‌ای به او اعلام و پیشنهاد شگفت‌انگیزی را مطرح می‌کند. مبنی بر اینکه احتمالاً آثار مغناطیسی در زمانی معین منتقل می‌شوند نه بطور آنی. مقاله بعدی ماکسول که در سال‌های 1861 و 1862 با عنوان «خطوط فیزیکی نیرو» تهیه شد، با حدس فارادی سازگار بود. در این مقاله نبوغ‌آمیز، فرض شده بود که نیروهای مغناطیسی و الکتریکی در ملأ ای کشسان (اِتِر) در فضا منتشر می‌شوند.
ماکسول تصادفاً توانست از مدل اِتِری خودش یک مقدار برای آن پارامتر کشسانی بدست آورد. با استفاده از آن مقدار، سرعت امواج الکترومغناطیسی را که به تصور او از میان ملأ و کشسان منتشر می‌شدند، 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 می‌توانیم از این استنتاج اجتناب کنیم که نور، مرکب از حرکات موجی متقاطع از ملأ ای است که موجب پدیده‌های الکترومغناطیسی می‌شود.» بدین ترتیب او پی برد که نور چیزی نیست جز امواج الکترومغناطیسی و با این کشف پس از نظریه وحدت‌بخش الکترومغناطیس، حال او دو علم بزرگ الکترومغناطیس و اپتیک را نیز (که قبلاً آنها را نامربوط به هم می‌پنداشتند)، 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 موج‌ها می‌نامیم. 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 می‌ساخت انرژی میدان مغناطیسی را محاسبه کند. برخی مفسران این نظریه را به عنوان برترین دستاورد او ارزیابی کرده‌اند. تلاش‌های ماکسول برای تکمیل نظریه الکترومغناطیسی که در حدود بیست سال از 1855 تا 1873 طول کشید، او را به معمار یکی از بزرگترین و باشکوه‌ترین بناهای عقلانی قرن نوزدهم بدل ساخت، بنایی که همه پدیده‌های 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، حلقه‌های 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 می‌گیرد.
این نظریه مقدمات انقلابی دیگر را برای علم فیزیک فراهم کرد که نخستین استفاده آن، روش‌های آماری برای توصیف سیستم‌های بزرگ مقیاس از مولکول‌ها بود. نگرش آماری ابتدا در دست بولتزمن و سپس گیبس و ماکسول ابزار نظریه ظریفی شد که امروزه «مکانیک آماری» نامیده می‌شود.
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 نظریه‌پردازی بود اما او یک آزمایشگر ماهر و شایسته نیز به حساب می‌آمد. چنین بود که طرح عملی و هوشمندانه او برای آزمایشگاه کاوندیش، نیازهای علم فیزیک در کمبریج را به مدتی بیش از یک قرن برآورده می‌کرد.
ماکسول برنامه‌ای از فیزیک آزمایشی را طراحی کرد که کاملاً متفاوت از برنامه‌های سنتی کمبریج به نظر می‌رسید 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 استادی‌اش در روش قلبی بود. این درخشش شهودی و بصیرت علمی بود که او را در ردیف غول‌هایی 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 1879 در کمبریج درگذشت.
منابع
- موسی توماج ایری. مجله دانشمند.
