James Clerk Maxwell: den stora forskaren med en djupgående inverkan på modern fysik

utanför vetenskapliga kretsar är den skotska fysikern James Clerk Maxwell (1831-1879) inte särskilt känd, men hans inverkan på modern fysik var djupgående. Hans arbete med elektriska och magnetiska krafter kick-startade teorin om elektromagnetism, banar väg för Albert Einstein att utveckla sin relativitetsteori och vår moderna förståelse för gravitation.,

Maxwells intressen i fysiken var olika. Förutom elektromagnetism hade han också en betydande inverkan på termodynamikens område, med hjälp av ett revolutionerande matematiskt tillvägagångssätt. En av de mest spännande funktionerna i hans arbete är hans tankeexperiment, känd som Maxwells demon, som dock inte nödvändigtvis demonisk, har en magisk (teoretisk) förmåga: att bryta termodynamikens andra lag.

i sin nya bok Professor Maxwells Duplicitous Demon (£16.,99, Icon Book), Brian Clegg utforskar James Clerk Maxwells liv och bidrag till fysik, sammanvävda med passager från demonen själv. Här är ett utdrag ur bokens sista kapitel, som förklarar arvet den stora forskaren och hans inverkan på fysikens framtid.

Kapitel 10-arvet

om du skulle fråga en forskare runt slutet av artonhundratalet som – av det århundradets stora namn – forskare i framtiden skulle betrakta som den ledande brittiska fysikern i eran, skulle han utan tvekan ha sagt Lord Kelvin., Maxwells gamla vän William Thomson var feted i sin dag – en verklighet som återspeglades i hans höjd till House of Lords, den första forskaren som någonsin fått denna ära.1 Det råder ingen tvekan om att Kelvin gjorde ett viktigt arbete inom termodynamiken och arbetade med många praktiska tillämpningar av vetenskap – hans namn förekommer på över 70 patent under perioden, och som vi har sett var han en ledande figur i utläggningen av den transatlantiska kabeln.,

det var Kelvin, inte Maxwell, som hamnade tillsammans med Isaac Newton i Westminster Abbey och Kelvin som har en vetenskaplig enhet uppkallad efter honom. Inte långt efter Kelvin dog 1907, statyer av honom skulle uppföras i både hans födelseort Belfast och i staden där han gjorde majoriteten av sitt arbete, Glasgow. Maxwell begravdes däremot på en liten kyrkogård och det skulle inte finnas en staty av honom i sitt hemland Skottland i över 100 år efter hans död.

under första hälften av det tjugonde århundradet förvandlades dock bilden., Medan Kelvins prestationer inte har förringats, verkar de nu mycket mindre betydelsefulla i det stora systemet av saker. Som jämförelse har uppskattningen av Maxwells arbete med elektromagnetism, hans bidrag till statistisk mekanik och hans omvandling av det sätt som teoretisk fysik genomfördes gjort honom mycket mer av en hjälte till moderna fysiker. Det är inte för ingenting att Einstein rapporteras som att säga :” det skulle inte finnas någon modern fysik utan Maxwells elektromagnetiska ekvationer; Jag är skyldig mer till Maxwell än till någon annan.,’

de som kände honom bäst var medvetna från början om att det var något speciellt med James Clerk Maxwell., vän sedan skoldagar, Peter Tait, skrev om honom i naturen i slutet av en sammanfattning av Maxwells arbete, vilket gav ett minnestal som skulle stå upp bra idag i sin hänvisning till motståndet mot ”förgäves-babbling” och pseudovetenskap:

Jag kan inte på ett adekvat sätt uttrycka i ord omfattningen av den förlust som hans tidiga död har orsakat inte bara på sina personliga vänner, på universitetet i Cambridge, på hela den vetenskapliga världen, men också, och framför allt, om orsaken till sunt förnuft, av sann vetenskap och religion själv, i dessa dagar av mycket förgäves-babbling, pseudovetenskap och materialism.,

det var något mycket speciellt med Maxwells bredd av bidrag. Charles Coulson, som 1947 tog på sig samma stol som Maxwell hade haft på King ’s College London, påpekade:” det finns knappt ett enda ämne som han berörde som han inte ändrade nästan utan erkännande.”Denna produktionsvolym matchades av Maxwells insikt – hans förmåga att utveckla modeller och matematik för att modellera verkligheten när detta tillvägagångssätt var en nyhet., I ett häfte tillsammans för att fira hundraårsjubileet av Maxwells födelse 1931 gav den engelska fysikern James Jeans ett slående vittnesbörd om denna intuitiva kraft när han beskrev Maxwells fördelning för gasmolekylernas hastigheter. Jeans skrev:

Maxwell, med ett tåg av argument som verkar ha någon relation alls till molekyler, eller till och med till dynamiken i deras rörelser, eller till logik, eller till och med till vanligt sunt förnuft, nådde en formel som enligt alla prejudikat och alla regler för vetenskaplig filosofi borde ha varit hopplöst fel., Faktum är att det senare visade sig vara exakt rätt … det var denna kraft av djup fysisk intuition, i kombination med tillräcklig, men inte enastående matematisk teknik, som låg till grund för Maxwells storhet.

det är inte ovanligt när man försöker ge Maxwell sin rättmätiga plats i fysikens pantheon för att fästa honom med Newton och Einstein (förmodligen kasta i Faraday också). Och även om det inte finns någon tvekan om att en stor del av Newtons arbete handlade om fysik, är det arguabelt att Newton var mycket mindre av en fysiker än Maxwell.,

det är intressant att jämföra katalogerna i Newtons och Maxwells bibliotek. Newton lämnade en anmärkningsvärd2 2.100 böcker. Av dessa 109 var på fysik och astronomi, 138 om alkemi, 126 om matematik och 477 om teologi.3 som jämförelse var över hälften Maxwells böcker om fysik. Newton var utan tvekan en tillämpad matematiker (när han inte var upptagen som alkemist, teolog eller arbetar på Mint). Maxwell, som Einstein, var utan tvekan en fysiker.,

ser tillbaka från det tjugoförsta århundradet, Maxwell kommer över så ovanligt unstuffy för sin dag. Någon långt ifrån den stereotypa bilden av den humoristiska viktorianska forskaren. Och vi är nu också i stånd att uppskatta hur mycket hans arbete med elektromagnetism skulle hjälpa till att starta en teknisk revolution.,

Med tanke på hur fräsch mycket av Maxwells vetenskap var, kan vi se i några av hans senare skrivning och pratar ett mycket modernt tillvägagångssätt för vetenskapliga frågor. År 1873 höll han ett tal med titeln ”Discourse on molecules” vid British Association möte i Bradford, en liten del som gör ett idealiskt dopp i Maxwells egna ord.,

i himlen upptäcker vi av deras ljus, och av deras ljus ensamt, stjärnor så avlägsna från varandra att ingen materiell sak kan ha gått från den ena till den andra;4 och ändå berättar detta ljus, som är för oss det enda beviset på förekomsten av dessa avlägsna världar, att var och en av dem är uppbyggd av molekyler av samma slag som de som vi hittar på jorden. En vätemolekyl, till exempel i Sirius eller i Arcturus, utför sina vibrationer på exakt samma gång.,

varje molekyl bär därför genom universum imponerad på det stämpeln av ett metriskt system5 lika tydligt som mätaren av arkiven i Paris, eller dubbel royal cubit i templet Karnak.

ingen evolutionsteori kan bildas för att ta hänsyn till molekylernas likhet, för evolutionen innebär nödvändigtvis kontinuerlig förändring och molekylen är oförmögen att växa eller förfalla, generera eller förstöra.

ingen av naturens processer, sedan den tid då naturen började, har producerat den minsta skillnaden i egenskaperna hos någon molekyl.,

Vid denna tidpunkt avviker Maxwell från modern vetenskap eftersom han antar att molekyler måste ha gjorts från något, med tanke på deras identiska natur, men att det inte fanns någon process som kunde göra så att ”vi kan kalla naturliga”. Vi vet nu att det finns helt naturliga processer för utbyte av materia och energi som kan redogöra för skapandet av materia, men när Maxwell skrev var denna vetenskap fortfarande 23 år i framtiden, med Einsteins speciella relativitetsteori. (Och den speciella teorin skulle inte ha kommit utan Maxwells arbete.,) Även så, fram till den tiden, och möjliggör en viss förändring i språket, kunde vi lika enkelt ha lyssnat på en Brian Cox eller Neil deGrasse Tyson som expanderar i universums underverk som en viktoriansk. Maxwells vision var långt borta från den semi-mystiska slingrande av tidigare fysik, ett fel som stannade med det även när Newton och hans anhängare hade börjat inkludera lite matematik.

i hela den här boken har en mindre del av Maxwells produktion – demonen – spelat en viktig roll., Jag ville att demonen skulle säga sitt eftersom han reflekterar så bra Maxwells förmåga att utmana hur hans kollegor tänkte på saker, att använda intressanta nya metoder för modellering och att införliva en humoristisk känsla i vad som kan vara en mycket po-faced vetenskap. Mer än en stor vetenskapsman verkar Maxwell ha varit en anmärkningsvärd man, någon med vilken det måste ha varit ett nöje att vara en vän.

Maxwell och hans demon förtjänar att komma ihåg så länge vetenskapen har en inverkan på våra liv.,

1 Det sägs ofta att Isaac Newton var den första personen som var knuten för sitt bidrag till vetenskapen. Jag har till och med hört detta påstående om den ojämlika kunskapskällan, BBC: s meningslösa TV-frågesportprogram. Men i verkligheten var Newton knuten för att göra ett bra jobb på Royal Mint, där hans entusiasm för att fånga dem som klippte myntens kanter för att sälja metallen (och för att ha dem hängda, ritade och kvartererade) var legendarisk. En man efter mitt eget demoniska hjärta, var Newton.

2 särskilt för perioden, då böcker var en dyr sällsynthet.,

3 Vilken Newton skulle ha ansett vara en vetenskap.

4 Funnily, genom att säga detta Maxwell var fel, men av rätt anledning. Vid den tiden troddes universum vara mycket mindre än vi nu vet att det var – men det ansågs också så mycket yngre att det antogs att det inte fanns tid för någonting att komma från en extrem av universum till den andra. Den nuvarande Big Bang-teorin fixar detta med ett universum som expanderade så snabbt under inflationsfasen som i början kunde ytterligheterna i det observerbara universum fortfarande ha varit i direkt fysisk kontakt.,

5 av ”metric system” Maxwell avsåg inte den moderna användningen av ett system för att basera 10, men bara ett mätsystem.Facebook, Instagram och Flipboard