James Clerk Maxwell: il grande scienziato con un profondo impatto sulla fisica moderna

al di Fuori degli ambienti scientifici, fisico Scozzese James Clerk Maxwell (1831-1879) non è molto conosciuto, ma il suo impatto sulla fisica moderna è stato profondo. Il suo lavoro sulle forze elettriche e magnetiche ha dato il via alla teoria dell’elettromagnetismo, aprendo la strada ad Albert Einstein per sviluppare la sua teoria della relatività e la nostra moderna comprensione della gravità.,

Gli interessi di Maxwell nella fisica erano diversi. Oltre all’elettromagnetismo, ha avuto anche un impatto significativo sul campo della termodinamica, utilizzando un approccio matematico rivoluzionario. Una delle caratteristiche più intriganti del suo lavoro è il suo esperimento mentale, noto come il demone di Maxwell, che sebbene non necessariamente demoniaco, ha un’abilità magica (teorica): infrangere la seconda legge della termodinamica.

Nel suo nuovo libro Professor Maxwell’s Duplicitous Demon (£16.,99, Icon Book), Brian Clegg esplora la vita di James Clerk Maxwell e i contributi alla fisica, intrecciati con passaggi del demone stesso. Ecco un estratto dal capitolo finale del libro, che spiega l’eredità del grande scienziato e il suo impatto sul futuro della fisica.

Capitolo 10 – L’eredità

Se si dovesse chiedere a uno scienziato intorno alla fine del XIX secolo che – dei grandi nomi di quel secolo – gli scienziati in futuro considererebbero come il principale fisico britannico dell’epoca, avrebbe senza dubbio detto Lord Kelvin., Il vecchio amico di Maxwell William Thomson fu festeggiato ai suoi tempi – una realtà che si rifletteva nella sua elevazione alla Camera dei Lord, il primo scienziato ad aver ricevuto questo onore.1 Certamente, non c’è dubbio che Kelvin ha svolto un lavoro essenziale in termodinamica, oltre a lavorare su molte applicazioni pratiche della scienza – il suo nome appare su oltre 70 brevetti del periodo e, come abbiamo visto, è stato una figura di primo piano nella posa del cavo transatlantico.,

Fu Kelvin, non Maxwell, che finì al fianco di Isaac Newton nell’Abbazia di Westminster, e Kelvin che ha un’unità scientifica che porta il suo nome. Non molto tempo dopo la morte di Kelvin nel 1907, statue di lui sarebbero state erette sia nella sua città natale di Belfast e nella città dove ha fatto la maggior parte del suo lavoro, Glasgow. Al contrario, Maxwell fu sepolto in un piccolo cimitero di campagna e non ci sarebbe stata una statua di lui messa nella sua nativa Scozia per oltre 100 anni dopo la sua morte.

Entro la prima metà del ventesimo secolo, tuttavia, l’immagine è stata trasformata., Mentre i risultati di Kelvin non sono stati sminuiti, ora sembrano molto meno significativi nel grande schema delle cose. In confronto, l’apprezzamento del lavoro di Maxwell sull’elettromagnetismo, il suo contributo alla meccanica statistica e la sua trasformazione del modo in cui la fisica teorica è stata intrapresa lo hanno reso molto più un eroe per i fisici moderni. Non è per niente che Einstein è segnalato come dicendo: ‘Non ci sarebbe fisica moderna senza equazioni elettromagnetiche di Maxwell; Devo più a Maxwell che a chiunque.,’

Coloro che lo conoscevano meglio erano consapevoli fin dall’inizio che c’era qualcosa di speciale in James Clerk Maxwell., un caro amico che da scuola, Peter Tait, ha scritto di lui in Natura al termine di una sintesi di Maxwell lavoro, fornendo un elogio che vorresti stare bene oggi, in riferimento alla resistenza a ‘vana-babbling’ e pseudo-scienza:

non riesco a esprimere a parole l’entità della perdita che la sua morte prematura ha inflitto non solo i suoi amici personali, all’Università di Cambridge, in tutto il mondo scientifico, ma anche, e soprattutto, la causa del senso comune, della vera scienza e della religione, in questi giorni di gran parte inutili balbettando, pseudo-scienza e materialismo.,

C’era qualcosa di molto speciale nell’ampiezza del contributo di Maxwell. Charles Coulson, che nel 1947 ha assunto la stessa cattedra che Maxwell aveva tenuto al King’s College di Londra, ha osservato: ‘Non c’è quasi un solo argomento che ha toccato che non ha cambiato quasi irriconoscibile.”Questo volume di output è stato abbinato all’intuizione di Maxwell-la sua capacità di sviluppare modelli e matematica per modellare la realtà quando questo approccio era una novità., In un opuscolo messo insieme per celebrare il centenario della nascita di Maxwell nel 1931, il fisico inglese James Jeans ha dato una testimonianza sorprendente di questa forza intuitiva quando descriveva la distribuzione di Maxwell per le velocità delle molecole di gas. Jeans ha scritto:

Maxwell, da un treno di argomentazioni che sembra non avere alcuna relazione con le molecole, o anche con la dinamica dei loro movimenti, o con la logica, o anche con il comune senso comune, ha raggiunto una formula che secondo tutti i precedenti e tutte le regole della filosofia scientifica, avrebbe dovuto essere irrimediabilmente sbagliata., In realtà, è stato successivamente dimostrato di essere esattamente giusto – è stato questo potere di profonda intuizione fisica, accoppiato con adeguata, anche se non eccezionale tecnica matematica, che si trovava alla base della grandezza di Maxwell.

Non è raro quando si cerca di dare a Maxwell il suo giusto posto nel pantheon della fisica per affiancarlo a Newton e Einstein (probabilmente gettando anche Faraday). E anche se non c’è dubbio che una notevole quantità di lavoro di Newton era interessato con la fisica, è discutibile che Newton era molto meno di un fisico di Maxwell.,

È interessante confrontare i cataloghi delle librerie di Newton e Maxwell. Newton ha lasciato un notevole2 2.100 libri. Di questi 109 erano sulla fisica e l’astronomia, 138 sull’alchimia, 126 sulla matematica e 477 sulla teologia.3 In confronto, più della metà dei libri di Maxwell erano sulla fisica. Newton era probabilmente un matematico applicato (quando non era occupato come alchimista, teologo o lavorando alla Zecca). Maxwell, come Einstein, era senza dubbio un fisico.,

Guardando indietro dal ventunesimo secolo, Maxwell si presenta insolitamente unstuffy per il suo giorno. Qualcuno lontano dall’immagine stereotipata dello scienziato vittoriano senza umorismo. E ora siamo anche in grado di apprezzare quanto il suo lavoro sull’elettromagnetismo aiuterebbe a lanciare una rivoluzione tecnologica.,

Considerando quanto fosse fresca la scienza di Maxwell, possiamo vedere in alcuni dei suoi scritti e discorsi successivi un approccio molto moderno alle questioni scientifiche. Nel 1873, tenne un discorso intitolato “Discorso sulle molecole” alla riunione dell’Associazione britannica a Bradford, una piccola parte della quale fa un tuffo ideale nelle parole di Maxwell.,

Nei cieli scopriamo da loro luce, la loro sola luce, le stelle così distanti tra loro che nessuna cosa materiale può avere passato dall’uno all’altro;4 e ancora questa luce, che è per noi l’unica prova dell’esistenza di questi mondi lontani, ci dice anche che ognuno di loro è fatto di molecole dello stesso tipo, come quelli che troviamo sulla terra. Una molecola di idrogeno, ad esempio, sia in Sirio che in Arcturus, esegue le sue vibrazioni esattamente nello stesso tempo.,

Ogni molecola attraverso l’universo porta impresso su di essa il timbro di un sistema metrico5 così distintamente come fa il metro degli Archivi di Parigi, o il doppio cubito reale nel tempio di Karnak.

Nessuna teoria dell’evoluzione può essere formata per spiegare la somiglianza delle molecole, poiché l’evoluzione implica necessariamente un cambiamento continuo, e la molecola è incapace di crescita o decadimento, di generazione o distruzione.

Nessuno dei processi della Natura, dal momento in cui è iniziata la Natura, ha prodotto la minima differenza nelle proprietà di qualsiasi molecola.,

A questo punto, Maxwell si discosta dalla scienza moderna in quanto assume che le molecole devono essere state fatte da qualcosa, data la loro natura identica, ma che non c’era nessun processo che potesse fare in modo che “possiamo chiamare naturale”. Ora sappiamo che ci sono processi perfettamente naturali per lo scambio di materia ed energia che possono spiegare la creazione della materia, ma quando Maxwell ha scritto, questa scienza era ancora 23 anni nel futuro, con la teoria speciale della relatività di Einstein. (E la teoria speciale non sarebbe nata senza il lavoro di Maxwell.,) Anche così, fino a quel momento, e consentendo un certo cambiamento nel linguaggio, avremmo potuto ascoltare con la stessa facilità un Brian Cox o Neil deGrasse Tyson che si espandeva nelle meraviglie dell’universo come un vittoriano. La visione di Maxwell era molto lontana dai meandri semi-mistici della fisica precedente, un difetto che rimase con essa anche quando Newton e i suoi seguaci avevano iniziato a includere alcune matematiche.

In tutto questo libro, una parte minore della produzione di Maxwell – il demone – ha svolto un ruolo significativo., Volevo che il demone dicesse la sua perché riflette così bene la capacità di Maxwell di sfidare il modo in cui i suoi colleghi pensavano alle cose, di usare nuovi approcci interessanti alla modellazione e di incorporare un tocco di umorismo in quella che può essere una scienza molto po-face. Più che un grande scienziato, Maxwell sembra essere stato un uomo straordinario, qualcuno con cui deve essere stato un piacere essere un amico.

Maxwell e il suo demone meritano di essere ricordati finché la scienza ha un impatto sulle nostre vite.,

1 Si dice spesso, per inciso, che Isaac Newton fu la prima persona ad essere nominato cavaliere per il suo contributo alla scienza. Ho anche sentito questo affermato su quella fonte ineguagliabile di conoscenza, l’inutile programma di quiz TV della BBC. Ma in realtà, Newton fu nominato cavaliere per aver fatto un buon lavoro alla Royal Mint, dove il suo entusiasmo per la cattura di coloro che tagliavano i bordi delle monete per vendere il metallo (e per averli impiccati, disegnati e squartati) era leggendario. Un uomo secondo il mio cuore demoniaco, era Newton.

2 In particolare per il periodo, quando i libri erano una rarità costosa.,

3 Che Newton avrebbe considerato una scienza.

4 Stranamente, nel dire questo Maxwell era sbagliato, ma per la giusta ragione. A quel tempo, si pensava che l’universo fosse molto più piccolo di quanto ora sappiamo – ma era anche considerato così giovane che si presumeva che non ci fosse tempo per passare da un estremo all’altro dell’universo. L’attuale teoria del Big Bang risolve questo problema con un universo che si espanse così rapidamente durante la fase di inflazione che proprio all’inizio, gli estremi dell’universo osservabile avrebbero potuto essere ancora in contatto fisico diretto.,

5 Per “sistema metrico” Maxwell non intendeva l’uso moderno di un sistema di base 10, ma solo un sistema di misura.