Category: Science.Physics

Topic: James Maxwell

English version [Ακολουθεί και η ελληνική εκδοχή]

Scott James Maxwell (13 Jun 1831 - 5 Nov 1879) is the great founder of modern electromagnetism.

His greatest achievement was the standardization of classical theory of electromagnetic radiation, bringing together for the first time electricity, magnetism and light as different manifestations of the same phenomenon. Maxwell's equations for electromagnetism have been called the "second major integration in physics" after Newton's first major integration. His discoveries were the basis for the development of new fields, such as special relativity and quantum mechanics. Many physicists regard Maxwell as the most influential 20th-century physicist of the 19th century. His contributions are considered equal to those of Isaac Newton and Albert Einstein. When Einstein visited the University of Cambridge in 1922, he was told by the official who had received him that he (Einstein) had done such great things because he stood on Newton's shoulders. But Einstein replied, "No, I stand on Maxwell's shoulders."





Ελληνική εκδοχή

Ο Σκώτος James Maxwell (13 Ιουν.1831 - 5 Νοε 1879) είναι ο μέγας θεμελιωτής του σύγχρονου ηλεκτρομαγνητισμού.

Το μεγαλύτερό του επίτευγμα ήταν η τυποποίηση της κλασικής θεωρίας της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, φέροντας μαζί για πρώτη φορά τον ηλεκτρισμό, τον μαγνητισμό και το φως ως διαφορετικές εκδηλώσεις του ίδιου φαινομένου. Οι εξισώσεις του Maxwell για τον ηλεκτρομαγνητισμό αποκαλέστηκαν ως η δεύτερη μεγάλη ενοποίηση στη φυσική, μετά από την πρώτη μεγαλειώδη ενοποίηση του Νεύτωνα. Οι ανακαλύψεις του ήταν η βάση για την ανάπτυξη νέων πεδίων, όπως η ειδική σχετικότητα και η κβαντομηχανική. Πολλοί φυσικοί θεωρούν τον Maxwell ως τον επιστήμονα του 19ου αιώνα με την μεγαλύτερη επιρροή στη φυσική του 20ου αιώνα. Οι συνεισφορές του θεωρούνται ισάξιες με αυτές του Ισαάκ Νεύτωνα και του Albert Einstein. Όταν ο Einstein επισκέφθηκε το University of Cambridge το 1922, του είπε ο αξιωματούχος που τον υποδέχθηκε ότι είχε κάνει εκείνος (ο Einstein) τόσο σπουδαία πράγματα επειδή στάθηκε πάνω στους ώμους του Νεύτωνα. Ο Einstein όμως του απάντησε «Όχι, στέκομαι πάνω στους ώμους του Maxwell".

Ο Maxwell πρωτο-παρουσίασε τις μελέτες πάνω στον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό στο άρθρο του 1855 On Faraday's lines of force, όπου εξέθεσε ένα απλοποιημένο μοντέλο του Faraday και τη συσχέτιση ηλεκτρισμού και μαγνητισμού. Ανήγαγε όλη την τότε γνώση σε ένα συνδεδεμένο σύνολο 20 διαφορικών εξισώσεων με 20 μεταβλητές, σε μια δημοσίευσή του On Physical Lines of Force τον Μάρτιο του 1861.

Maxwell's equations
E: the electric vector field, B: the magnetic pseudovector field, ρ: the total electric charge density, J: the total electric current density, ε0: the permittivity of free space, μ0: the permeability of free space, ∇: the three-dimensional gradient operator, ∇.: the divergence operator,∇×: the curl operator.
Σε μια περιοχή χωρίς φορτία (ρ = 0) και χωρίς ρεύματα (J = 0), όπως στον κενό χώρο, οι εξισώσεις ανάγονται στην παρακάτω μορφή:

Maxwell equations

Το 1862, όταν ήταν λέκτορας στο King's College, ο Maxwell υπολόγισε ότι η ταχύτητα διάδοσης ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου ήταν σχεδόν ίση με την ταχύτητα του φωτός. Πολύ σωστά θεώρησε ότι κάτι τέτοιο δεν ήταν απλή σύμπτωση, σχολιάζοντας ότι «δύσκολα μπορούμε να αποφύγουμε το συμπέρασμα ότι το φως δεν είναι παρά η εγκάρσια ταλάντωση του ίδιου μέσου, που αποτελεί και την αιτία των ηλεκτρικών και μαγνητικών φαινομένων».

Εστιασμένος στο ζήτημα αυτό ο Maxwell έδειξε ότι οι εξισώσεις προβλέπουν την ύπαρξη ταλαντούμενων ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων που ταξιδεύουν μέσω του κενού χώρου με μια ταχύτητα που ήταν δυνατόν να προβλεφθεί μέσω απλών ηλεκτρικών πειραμάτων. Χρησιμοποιώντας τα διαθέσιμα δεδομένα του καιρού του εκτίμησε μια ταχύτητα 310,740,000 μέτρων ανά δευτερόλεπτο. Στο άρθρο του 1864 A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, ο Maxwell έγραψε, "Η συμφωνία των αποτελεσμάτων φαίνεται να δείχνει ότι το φως και ο μαγνητισμός είναι αποτελέσματα της ίδιας ουσίας και ότι το φως είναι μια ηλεκτρομαγνητική διαταραχή που διαδίδεται μέσω του πεδίου σύμφωνα με τους ηλεκτρομαγνητικούς νόμους".

Οι περίφημες 20 εξισώσεις, στη σύγχρονη μορφή των 4 μερικών διαφορικών εξισώσεων εμφανίστηκαν για πρώτη φορά στο σημειωματάριό του A Treatise on Electricity and Magnetism το 1873. Ο Maxwell εξέφρασε τον ηλεκτρομαγνητισμό μέσω της άλγεβρας των quaternions (4-διάστατης άλγεβρας ισόμορφης με μια άλγεβρα μητρών 2x2), και έκανε το ηλεκτρομαγνητικό δυναμικό την κεντρική έννοια της θεωρίας του. Το 1881 ο Oliver Heaviside αντικατέστησε το πεδίο του ηλεκτρομαγνητικού δυναμικού του Maxwell με δυναμικά πεδία στο επίκεντρο της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας. Έτσι ο. Heaviside μείωσε την πολυπλοκότητα της θεωρίας του Maxwell σε 4 διαφορικές εξισώσεις, γνωστές πλέον συλλογικά ως οι εξισώσεις ή οι Νόμοι του Maxwell. Σύμφωνα με τον Heaviside, το πεδίο του ηλεκτρομαγνητικού δυναμικού ήταν αυθαίρετο και έπρεπε να ‘πεθάνει’. Λίγα χρόνια μετά ξέσπασε μια διαμάχη μεταξύ του Heaviside και του Peter Guthrie Tait αναφορικά με τα σχετικά πλεονεκτήματα διανυσματικής ανάλυσης (Heaviside) και quaternions (Maxwell). Η θέση πoυ κυριάρχησε ήταν ότι δεν υπάρχει πλέον ανάγκη για την εμπλοκή των quaternions εφόσον η θεωρία ήταν τοπική, οπότε και η διανυσματική ανάλυση νίκησε και έγινε ο κοινός τόπος.

Τέλος ο Maxwell πίστευε ότι για τη διάδοση του φωτός ήταν αναγκαίο μέσο κυματικού υποστρώματος, που το ονόμασε αιθέρα. Τα πειράματα όμως των Michelson-Morley δεν επιβεβαίωσαν την ύπαρξη κανενός μέσου, το οποίο όντως τελικά απορρίφθηκε στο πλαίσιο της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας.

Ως προς τις θρησκευτικές του πεποιθήσεις ο Maxwell ήταν ευαγγελικός Πρεσβυτεριανός και στα τελευταία του έγινε ένας Elder της Εκκλησίας της Σκωτίας.