James Clerk Maxwell: den store vitenskapsmann med en dyptgripende innvirkning på moderne fysikk

Utsiden av vitenskapelige kretser, Skotske fysikeren James Clerk Maxwell (1831-1879) er ikke veldig godt kjent, men hans innflytelse på moderne fysikk var dyp. Hans arbeid på elektriske og magnetiske krefter kick-startet teorien om elektromagnetisme, som banet veien for Albert Einstein for å utvikle sin relativitetsteori og vår moderne forståelse av tyngdekraften.,

Maxwell ‘ s interesser i fysikk var mangfoldig. Så vel som elektromagnetisme, han hadde også en betydelig innvirkning på innen termodynamikk, ved hjelp av en revolusjonerende matematisk tilnærming. En av de mest spennende funksjonene i hans verk er hans tanke eksperiment, kjent som Maxwell ‘ s demon, som selv om den ikke nødvendigvis er demoniske, har en magisk (teoretisk) evne til: å bryte termodynamikkens andre lov.

I sin nye bok Professor Maxwell ‘ s Duplicitous Demon (£16.,99, – Ikonet Bok), Brian Clegg utforsker James Clerk Maxwell ‘ s liv og bidrag til fysikk, sammenvevd med sitater fra demon seg selv. Her er et utdrag fra siste kapittel i boken, forklarer arv stor vitenskapsmann og hans innflytelse på fremtiden for fysikk.

Kapittel 10 – arven

Hvis du skulle spørre en vitenskapsmann rundt slutten av det nittende århundre som – av at-tallet ‘ s store navnene – forskere i fremtiden ville anse som den ledende Britiske fysikeren på den tiden, ville han uten tvil ha sa Lord Kelvin., Maxwell ‘ s gamle venn William Thomson ble feiret i sin tid – en virkelighet som var reflektert i hans høyde til House of Lords, den første vitenskapsmann noensinne å ha fått denne æren.1 Absolutt, det er ingen tvil om at Kelvin gjorde viktige arbeidet i termodynamikk, så vel som arbeider på mange praktiske anvendelser av science – hans navn er registrert på over 70 patenter i perioden, og som vi har sett, han var en ledende figur i den legging av den transatlantiske kabel.,

Det var Kelvin, ikke Maxwell, som endte opp sammen med Isaac Newton i Westminster Abbey, og Kelvin som har en vitenskapelig enheten er oppkalt etter ham. Ikke lenge etter Kelvin døde i 1907, statuer av ham, ville bli reist i både hans fødested i Belfast og i byen der han hadde de fleste av hans arbeid, Glasgow. I kontrast, Maxwell ble gravlagt i et lite land kirkegården, og det ville ikke være en statue av ham satt opp i hjemlandet Skottland for over 100 år etter hans død.

Ved den første halvdel av det tjuende århundre, men bildet ble forvandlet., Mens Kelvin ‘ s prestasjoner har ikke blitt fornedret, som de nå synes mye mindre betydning i grand ordningen ting. Ved sammenligning verdsetting av Maxwell ‘ s arbeid på elektromagnetisme, hans bidrag til statistisk mekanikk, og hans transformasjon av veien som teoretisk fysikk ble foretatt har gjort ham langt mer av en helt til moderne fysikere. Det er ikke for ingenting at Einstein er rapportert som sier: «Det ville ikke være noen moderne fysikk uten Maxwell’ elektromagnetiske ligninger; jeg skylder mer til Maxwell enn til noen andre.,’

De som kjente ham best, var klar fra begynnelsen at det var noe spesielt med James Clerk Maxwell., venn siden skoletiden, Peter Tait, skrev om ham i Naturen på slutten av en oppsummering av Maxwell ‘ s arbeid, og gir en lovtale som vil stå seg godt i dag i sin henvisning til motstand mot ‘forgjeves-babling» og pseudo-vitenskap:

jeg kan ikke i tilstrekkelig grad uttrykke i ord omfanget av tap som hans tidlige død har påført at de ikke bare hans personlige venner på Universitetet i Cambridge, på hele den vitenskapelige verden, men også, og mest spesielt, på grunn av sunn fornuft, av sann vitenskap og religion i seg selv, i disse dager med mye forgjeves-babling, pseudo-vitenskap, og materialisme.,

Det var noe veldig spesielt om Maxwell ‘ s bredden av bidrag. Charles Coulson, som i 1947 tok på samme stol som Maxwell hadde holdt ved King ‘s College London, bemerket:» Det er neppe en enkelt emne som han rørte ved noe han gjorde ikke endre nesten til det ugjenkjennelige.’Dette volumet på produksjonen ble matchet av Maxwell’ s innsikt, sin evne til å utvikle modeller og matematikk for å modellere virkeligheten når denne tilnærmingen var en nyhet., I et hefte satt sammen for å feire hundreårsjubileum av Maxwell ‘ s fødsel i 1931, den engelske fysikeren James Jeans ga slående vitnesbyrd om denne intuitive kraft når de beskriver Maxwell fordeling for fart av gass molekyler. Jeans skrev:

Maxwell, av et tog av argumentet som ser ut til å ha noe forhold i det hele tatt å molekyler, eller selv å dynamikken i sine bevegelser, eller til logikk, eller til og med vanlig sunn fornuft, nådd en formel som i henhold til rettspraksis og alle reglene for vitenskapelig filosofi, burde ha vært håpløst feil., Faktisk, det ble senere vist seg å være helt riktig … det var denne kraften i dyp fysisk intuisjon, kombinert med tilstrekkelig, men ikke fremragende matematisk teknikk, som lå på grunnlag av Maxwell ‘ s storhet.

Det er ikke uvanlig når du prøver å gi Maxwell sin rettmessige plass i pantheon i fysikk for å brakett ham med Newton og Einstein (sannsynligvis kaste i Faraday så vel). Og selv om det er ingen tvil om at en betydelig mengde av Newtons arbeidet var opptatt med fysikk, det kan hevdes at Newton var langt mindre av en fysiker enn Maxwell.,

Det er interessant å sammenligne kataloger av Newtons og Maxwell ‘ s bibliotek. Newton venstre bak en remarkable2 2,100 bøker. Av disse 109 var på fysikk og astronomi, 138 på alkymi, 126 i matematikk og 477 på teologi.3 Av sammenligningen, over halvparten Maxwell ‘ s bøker var på fysikk. Newton var uten tvil en anvendt matematiker (når han ikke var opptatt som en alkymist, en teolog eller arbeider i Mint). Maxwell, som Einstein, var utvilsomt en fysiker.,

Ser tilbake fra twenty-first century, Maxwell kommer over som uvanlig unstuffy for sin tid. Noen langt fra det stereotype bildet av den humourless Viktoriansk forsker. Og vi er nå også i en posisjon til å sette pris på hvor mye hans arbeid på elektromagnetisme ville bidra til å starte en teknologisk revolusjon.,

Vurderer hvor fersk mye av Maxwell ‘ s vitenskap var, kan vi se på noen av hans senere du skriver og snakker svært moderne tilnærming til vitenskapelig saker. I 1873 ga han en tale med tittelen «Tale på molekyler i British Association’ s møte i Bradford, en liten del av noe som gjør det til en ideell sportsklokke til Maxwell ‘ s egne ord.,

I himlene vi oppdage med sitt lys, og ved deres lys alene, stjerner så langt fra hverandre at ingen materielle ting kan ha gått fra den ene til den andre;4 og likevel er dette lyset, som er for oss det eneste bevis for eksistensen av disse fjerne verdener, forteller oss også at hver av dem er bygget opp av molekyler av samme slag som de som vi finner på jorden. Et molekyl av hydrogen, for eksempel, enten i Sirius eller i Arcturus, utfører sine vibrasjoner i nøyaktig samme tid.,

Hvert molekyl derfor gjennom universet bærer imponert på det preg av en beregning system5 så tydelig som gjør meter av Arkiver i Paris eller dobbeltrom royal alen i Karnak-templet.

Ingen teori om evolusjon kan være dannet til konto for likheten av molekyler, for evolusjon innebærer kontinuerlig endring, og molekylet er ute av stand til vekst eller forfall, av generasjon eller ødeleggelse.

Ingen av prosessene i Naturen, siden den tiden da Arten begynte, har produsert den minste forskjell i egenskaper for alle molekyl.,

På dette punktet, Maxwell avviker fra moderne vitenskap som han forutsetter at molekylene har til å ha blitt gjort fra noe, gitt den samme arten, men at det var ingen prosess som kan gjøre slik at vi kan kalle naturlig’. Vi vet nå at det er helt naturlige prosesser for utveksling av materie og energi som kan regnes for etablering av saken, men når Maxwell skrev, denne vitenskapen fortsatt var 23 år inn i fremtiden, med Einsteins spesielle relativitetsteori. (Og den spesielle teorien ville ikke ha skjedd uten Maxwell ‘ s arbeid.,) Selv så frem til det punktet, og slik at for noen endring i språket, vi kunne like gjerne ha vært å lytte til en Brian Cox eller Neil deGrasse Tyson vokser i underverkene av universet som en Viktoriansk. Maxwell ‘ s visjon var fjernt fra semi-mystiske meandrerende av tidligere fysikk, en feil som ble med det selv når Newton og hans tilhengere hadde begynt å inkludere noen av matematikk.

i denne boken, en liten del av Maxwell ‘ s output – demon – har spilt en betydelig rolle., Jeg ønsket demon å ha sitt å si, fordi han reflekterer så godt Maxwell ‘ s evne til å utfordre den måten at hans kolleger mente om ting å bruke interessant nye tilnærminger til modellering av, og til å innlemme et snev av humor inn i det som kan bli et svært po-faced vitenskap. Mer enn en stor vitenskapsmann, Maxwell synes å ha vært en bemerkelsesverdig mann, noen som det må ha vært en glede å være en venn.

Maxwell og hans demon fortjener å bli husket så lenge vitenskapen har en innvirkning på våre liv.,

1 Det er ofte sagt, forresten, som Isaac Newton var den første personen til å bli slått til ridder for sitt bidrag til vitenskapen. Jeg har selv hørt dette hevdet på som enestående kilde til kunnskap, BBC er Meningsløst TV-quiz-program. Men i virkeligheten, Newton ble slått til ridder for å gjøre en god jobb på the Royal Mint, hvor hans entusiasme for å fange de som avkuttet i kantene av mynter for å selge metall (og for å ha dem hengt ut og skjæres i) var legendarisk. En mann etter min egen demoniske hjertet, ble Newton.

2 Spesielt for perioden, når bøkene ble en dyr sjeldenhet.,

3 Som Newton ville ha betraktet som en vitenskap.

4 Merkelig, sier dette Maxwell var galt, men for den rette grunn. På den tiden, universet var tenkt å være mye mindre enn det vi nå vet at det å være – men det var også ansett som så mye yngre, og at det ble antatt at det var ikke tid for noe å komme fra den ene ytterligheten av universet til den andre. Dagens Big Bang-teorien løser dette med et univers som utvidet seg så raskt i løpet av de inflasjon fasen som helt i begynnelsen, ytterpunktene av det observerbare universet kan fortsatt ha vært i direkte fysisk kontakt.,

5 Av ‘metriske systemet’ Maxwell hadde ikke tenkt den moderne bruk av et system for å base 10, men bare et system for måling.

Følg Vitenskap Fokus på Twitter, Facebook, Instagram og Flipboard