James Clerk Maxwell: den store videnskabsmand med en gennemgribende indflydelse på moderne fysik

Uden for videnskabelige kredse, Skotske fysiker James Clerk Maxwell (1831-1879) er ikke meget kendt, men hans betydning for moderne fysik var dyb. Hans arbejde med elektriske og magnetiske kræfter startede teorien om elektromagnetisme og banede vejen for Albert Einstein til at udvikle sin relativitetsteori og vores moderne forståelse af tyngdekraften.,

Ma..ells interesser i fysik var forskellige. Foruden elektromagnetisme havde han også en betydelig indflydelse på termodynamikområdet ved hjælp af en revolutionerende matematisk tilgang. Et af de mest spændende træk ved hans arbejde er hans tankeeksperiment, kendt som Ma..ells dæmon, som dog ikke nødvendigvis er dæmonisk, har en magisk (teoretisk) evne: at bryde termodynamikens anden lov.

I sin nye bog Professor Maxwell ‘ s Useriøs Demon (£16.,99, Icon Book), Brian Clegg udforsker James Clerk Ma..ells liv og bidrag til fysik, sammenvævet med passager fra dæmonen selv. Her er et uddrag fra det sidste kapitel i bogen, der forklarer arven den store videnskabsmand og hans indflydelse på fysikens fremtid.

Kapitel 10 – arven

Hvis du spørger en forsker, der i slutningen af det nittende århundrede, der – af dette århundredes store navne – forskere i fremtiden ville betragte som den førende Britiske fysiker af den æra, ville han uden tvivl have sagt, Lord Kelvin., Ma.oldells gamle ven wasilliam Thomson blev feteret på sin tid – en virkelighed, der afspejles i hans elevation til House of Lords, den første videnskabsmand nogensinde, der har modtaget denne ære.1 sikkert, er der ingen tvivl om, at Kelvin gjorde væsentlige arbejde i termodynamik, samt arbejder på mange praktiske anvendelser af videnskab – hans navn vises på over 70 patenter af perioden, og som vi har set, var han en førende figur i udlægning af det transatlantiske kabel.,

Det var Kelvin, ikke Maxwell, der endte op ved siden af Isaac Newton i Westminster Abbey, og Kelvin, der har en videnskabelig enhed, der er opkaldt efter ham. Ikke længe efter Kelvin døde i 1907, statuer af ham ville blive rejst i både hans fødested i Belfast og i byen, hvor han gjorde størstedelen af hans arbejde, Glasgo.. Derimod Maxwell blev begravet i et lille land kirkegården, og der ville ikke være en statue af ham i hans hjemland Skotland for over 100 år efter hans død.

i første halvdel af det tyvende århundrede blev billedet dog omdannet., Mens Kelvins resultater ikke er blevet nedgjort, synes de nu meget mindre betydningsfulde i den store ordning af ting. Ved sammenligning, vurdering af Maxwell ‘ s arbejde med elektromagnetisme, hans bidrag til den statistiske mekanik, og hans transformation af den måde, som den teoretiske fysik var gennemført, har gjort ham langt mere af en helt for moderne fysikere. Det er ikke for ingenting, at Einstein er rapporteret som siger: “Der ville ikke være nogen moderne fysik uden Maxwells elektromagnetiske ligninger; jeg skylder mere til Maxwell end til nogen.,’

de, der kendte ham bedst, var fra starten klar over, at der var noget specielt ved James Clerk Ma..ell., ven, da schooldays, Peter Tait, skrev om ham i Naturen i slutningen af et resumé af Maxwell ‘ s arbejde, giver en lovprisning, der vil stå sig godt i dag i sin reference til modstand mod ‘forgæves-pludren” og pseudo-videnskab:

jeg kan ikke i tilstrækkelig grad at udtrykke i ord omfanget af det tab, som hans tidlige død har påført ikke blot på hans personlige venner, på University of Cambridge, på hele den videnskabelige verden, men også, og især, om årsagen til fornuft, af sand videnskab og religion i sig selv, i disse dage meget forgæves-pludren, pseudo-videnskab og materialisme.,

Der var noget meget specielt ved Ma..ells bredde af bidrag. Charles Coulson, som i 1947 fandt på den samme stol, som Maxwell havde holdt på King ‘s College, London, bemærkede:” Der er næppe et enkelt emne, som han rørte ved, som han ikke ændre næsten til ukendelighed.”Denne del af produktionen blev modsvaret af Maxwell’ s indsigt – hans evne til at udvikle modeller og matematik til at modellere virkeligheden, når denne tilgang blev en nyhed., I et hæfte sat sammen for at fejre hundredåret for Maxwell ‘s fødsel i 1931, den engelske fysiker James Jeans gav slående vidnesbyrd om, at denne intuitive kraft, når de skal beskrive Maxwell’ s distribution til de hastigheder af gas molekyler. Jeans skrev:

Maxwell, som et tog af argument, som tilsyneladende ikke har noget forhold til overhovedet at molekyler, eller selv at dynamikken i deres bevægelser, eller logik, eller endda til almindelig sund fornuft, nået frem til en formel, som i henhold til alle fortilfælde, og alle reglerne i den videnskabelige filosofi, burde have været håbløst forkert., I virkeligheden, blev det efterfølgende vist sig at være helt rigtigt … det var denne magt dyb fysisk intuition, kombineret med de nødvendige, men ikke fremragende matematiske teknik, der lå på grundlag af Maxwell ‘ s storhed.

Det er ikke ualmindeligt, når man forsøger at give Maxwell sin retmæssige plads i det pantheon af fysik at slå ham med Newton og Einstein (sandsynligvis kaste i Faraday så godt). Og selvom der er ingen tvivl om, at en betydelig del af Newton ‘ s arbejde blev der beskæftiger sig med fysik, er det argumenteres for, at Newton var langt mindre af en fysiker end Maxwell.,det er interessant at sammenligne katalogerne over ne .tons og Ma .wellells biblioteker. Ne .ton efterlod en bemærkelsesværdig2 2.100 bøger. Af disse 109 var på fysik og astronomi, 138 om alkymi, 126 om matematik og 477 om teologi.3 til sammenligning var over halvdelen Ma..ells bøger på fysik. Ne .ton var velsagtens en anvendt matematiker (da han ikke var besat som en alkymist, en teolog eller arbejder på Mint). Ma..ell, ligesom Einstein, var uden tvivl en fysiker.,

Kigger tilbage fra det enogtyvende århundrede, Maxwell kommer på tværs som usædvanligt unstuffy til hans dag. Nogen langt fra det stereotype billede af den humourless victorianske videnskabsmand. Og vi er nu også i stand til at forstå, hvor meget hans arbejde med elektromagnetisme ville hjælpe med at starte en teknologisk revolution.,

i betragtning af hvor frisk meget af Ma..ells videnskab var, kan vi i nogle af hans senere skrivning og samtaler se en meget moderne tilgang til videnskabelige spørgsmål. I 1873 holdt han en tale med titlen ‘diskurs om molekyler’ på British Association ‘ s møde i Bradford, hvoraf en lille del gør en ideel dukkert i Ma..ells egne ord.,

I himlen, vi opdager ved deres lys, og ved deres lys alene, stjerner, der er så fjernt fra hinanden, at ingen materielle ting kan have gået fra den ene til den anden;4 og alligevel er dette lys, der er til os det eneste bevis på eksistensen af disse fjerne verdener, fortæller os også, at hver af dem er bygget op af molekyler af samme slags som dem, som vi finder på jorden. Et brintmolekyle, for eksempel, hvad enten det er i Sirius eller i Arcturus, udfører sine vibrationer på nøjagtigt samme tid.,

hvert molekyle derfor gennem universet bærer imponeret på det stempel af et metrisk system5 så tydeligt som meter af arkiverne i Paris, eller den dobbelte kongelige Alen i templet Karnak.

ingen evolutionsteori kan dannes for at tage højde for molekylernes lighed, for evolution indebærer nødvendigvis kontinuerlig ændring, og molekylet er ude af stand til vækst eller forfald, generation eller ødelæggelse.

ingen af naturens processer, siden det tidspunkt, hvor naturen begyndte, har produceret den mindste forskel i egenskaberne af et molekyle.,

På dette tidspunkt afviger Ma..ell fra moderne videnskab, da han antager, at molekyler skal være fremstillet af noget i betragtning af deres identiske natur, men at der ikke var nogen proces, der kunne gøre det ‘vi kan kalde naturligt’. Vi ved nu, der er helt naturlige processer til udveksling af stof og energi, der kan redegøre for oprettelse af sag, men når Maxwell skrev, denne videnskab var stadig 23 år i fremtiden, med Einsteins specielle relativitetsteori. (Og den særlige teori ville ikke være kommet uden ma..ells arbejde.,) Alligevel kunne vi lige så nemt have lyttet til en Brian co.eller Neil deGrasse Tyson, der udvider i Universets vidundere som til en victoriansk. Maxwell ‘ s vision var langt fra den semi-mystiske bugtende af tidligere fysik, en fejl, der opholdt sig med det, selv når Newton og hans tilhængere havde begyndt at inkludere nogle matematik.

i hele denne bog har en mindre del af Ma..ells output – dæmonen – spillet en betydelig rolle., Jeg ønskede mig en dæmon til at få sin siger, fordi han reflekterer så godt Maxwell ‘ s evne til at udfordre den måde, at hans kolleger tanke om ting, til at bruge interessante nye tilgange til modellering, og til at optage et strejf af humor i det, der kan være en meget po-faced videnskab. Mere end en stor videnskabsmand, Ma..ell synes at have været en bemærkelsesværdig mand, en person, med hvem det må have været en fornøjelse at være en ven.

Ma..ell og hans dæmon fortjener at blive husket, så længe videnskaben har indflydelse på vores liv.,

1 Det siges ofte i øvrigt, at Isaac ne .ton var den første person, der blev ridderet for sit bidrag til videnskaben. Jeg har endda hørt dette hævdet på den enestående kilde til viden, BBCs meningsløse TV-programmeui .program. Men i virkeligheden, Newton blev slået til ridder for at gøre et godt stykke arbejde på den Kongelige Mønt, hvor hans begejstring for at fange dem, der klippede kanter af mønter til at sælge metal (og for at få dem hængt, tegnet og kvarte) var legendarisk. En mand efter mit eget dæmoniske hjerte, var ne .ton.

2 især for den periode, hvor bøger var en dyr sjældenhed.,3 hvilket ne .ton ville have betragtet som en videnskab.

4 sjovt ved at sige, at dette ma..ell var forkert, men af den rigtige grund. På det tidspunkt blev universet antaget at være meget mindre, end vi nu ved, det var – men det blev også betragtet som så meget yngre, at det antages, at der ikke var tid til noget at komme fra den ene ekstrem af universet til den anden. Den nuværende Big Bang-teori løser dette med et univers, der ekspanderede så hurtigt i inflationsfasen, at lige i begyndelsen kunne ekstremerne i det observerbare univers stadig have været i direkte fysisk kontakt.,

5 af ‘metrisk system’ ma..ell havde ikke til hensigt, at den moderne brug af et system skulle basere 10, men kun et målesystem.

Følg Videnskab Fokusere på Twitter, Facebook, Instagram og Flipboard