Hver var James Clerk Maxwell og hvert var framlag hans til vísindanna?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hver var James Clerk Maxwell og hvert var framlag hans til vísindanna?
James Clerk Maxwell fæddist í Edinborg árið 1831 en fjölskylda hans flutti skömmu síðar í sveitasetur á landareign sem faðir hans hafði erft. Frá því að James lærði að tala sýndi hann óslökkvandi áhuga á öllu sem hreyfðist, heyrðist í eða glampaði á og krafðist skýringa á því hvers vegna hlutir hegðuðu sér eins og þeir gerðu. Móðir hans kenndi honum heima, eins og hefð var fyrir á þeim tíma, en hún lést skyndilega úr krabbameini þegar James var aðeins átta ára. Hann átti engin systkini en feðgarnir bjuggu áfram í húsi fjölskyldunnar. Faðir hans réð unglingspilt til að taka við heimakennslunni, en fljótlega kom í ljós að sá var ekki starfinu vaxinn og James fluttist því til frænku sinnar og byrjaði í skóla í Edinborg 10 ára gamall. Hann féll ekki vel í hóp borgardrengjanna í skólanum til að byrja með en vann sig fljótt upp og náði afburðaárangri í öllum námsgreinum. Í frístundum gerði hann ýmsar tilraunir og lék sér meðal annars með rúmfræðileg form og teiknaði ýmsa ferla með því að festa band niður með nöglum. 14 ára gamall skrifaði hann sína fyrstu vísindagrein sem fjallaði um rúmfræðilega eiginleika slíkra ferla.

Maxwell hóf nám við Edinborgarháskóla 16 ára. Námið sóttist vel og hann hafði nægan frítíma til að gera alls konar tilraunir, sérstaklega í sumarfríum á sveitasetrinu hjá föður sínum. Hann framkvæmdi meðal annars ýmsar tilraunir með rafmagn, segulmagn og ljós, en síðar meir átti hann einmitt eftir að gjörbylta öllum skilningi fólks á þeim fyrirbærum. Skautun ljóss var honum sérstaklega hugleikin og ein verðmætasta eign hans voru silfurbergskristallar frá Íslandi¹, sem vísindamaðurinn William Nicol gaf honum þegar hann sá afrakstur tilrauna Maxwells. Nicol hafði smíðað sérstök prismu úr slíkum kristöllum sem nefnd eru eftir honum og hleypa í gegn einni skautunarstefnu ljóss („polaroid“-gleraugu sem stangveiðimenn nota til að sía burt speglun frá vatnsyfirborði hafa sömu virkni). Maxwell notaði skautunareiginleika ljóssins meðal annars til að gera spennur í gegnsæjum efnum sýnilegar og varð sú aðferð síðar mikilvæg í verkfræðilegri hönnun burðarvirkja.

Árið 1850 flutti Maxwell sig um set til Cambridge og lauk þar gráðu í stærðfræði árið 1854. Hann var meðal hæstu nemenda við útskrift en það hafði krafist umtalsverðrar vinnu af hans hálfu þar sem eðlisfræðilegt innsæi hafði alltaf verið mun sterkari hlið en stærðfræðileg nákvæmni. Stærðfræðin reyndist honum þó gríðarlega mikilvægt tæki síðar meir. Í Cambridge gerði Maxwell meðal annars ýmsar tilraunir með litablöndun og litskynjun og fann út að með ljósi í þremur grunnlitum (rauðum, grænum og bláum) mætti búa til alla aðra liti. Þessi uppgötvun er gott dæmi um snilligáfu Maxwells – með heimasmíðuðum tilraunum tókst honum að finna undirliggjandi líkön sem eru svo einföld að þau virka augljós í dag, en voru þó byltingarkenndar uppgötvanir á sínum tíma.

Maxwell flutti aftur til Skotlands og tók við stöðu sem prófessor við Marischal College í Aberdeen árið 1856, 25 ára gamall. Þar eyddi hann meðal annars tveimur árum í að leysa óleysta gátu um samsetningu hringja Satúrnusar, en verkefnið var sett fram sem verðlaunasamkeppni meðal vísindamanna í Bretlandi. Enginn annar komst svo langt að senda inn tillögu að lausn. Á 9. áratug 20. aldar tóku Voyager-geimförin fyrstu nákvæmu myndirnar af hringjum Satúrnusar og staðfestu útreikninga Maxwells nákvæmlega. Í Aberdeen kynntist hann Katherine Mary Dewar sem hann giftist árið 1859 en ári síðar var Marischal College sameinaður öðrum skóla í Aberdeen og kennarastöðum fækkað. Maxwell var einn þeirra sem sagt var upp störfum við sameininguna.

Hjónin fluttu því suður til Englands og Maxwell hóf störf við Kings College í London. Þar hélt hann áfram vinnu við rafmagn og segulmagn. Hann hafði gefið út eina grein um þetta efni undir lok náms síns við Cambridge, þar sem hann færði nýstárlega hugmynd frá vísindamanninum Michael Faraday um „kraftlínur“ frá segulskautum og rafhleðslum í stærðfræðilegan búning. Á þeim tíma voru hugtökin rafsvið og segulsvið ekki þekkt sem slík og vísindamenn voru tregir að samþykkja hugmyndir sem fólu í sér slík „ímynduð“ fyrirbæri. Fjöldi vísindamanna hafði gert ótal tilraunir með ýmis fyrirbæri tengdum rafhleðslu, segulmagni, rafstraum og tengslum þessara hluta hvorn við annan. Mörg líkön höfðu verið sett fram sem byggðu á þessum tilraunum, en það var ekkert heildarsamræmi í hugmyndafræði, mælieiningum eða skilningi á þessum fyrirbærum. Maxwell var sannfærður um að samræmið væri til staðar og einsetti sér að finna það. Á árunum 1860-1865 vann hann slíkt þrekvirki í skilningi á rafsegulfræði að hann hefur síðar verið talinn þriðji merkasti eðlisfræðingur sögunnar, á eftir Newton og Einstein. Eitt stærsta hugmyndafræðilega skrefið sem hann tók var að hafna því að hægt væri að skilja eðli náttúrunnar til hlítar – hann líkti raunveruleikanum við bjölluturn þar sem mörg reipi eru fest við margar bjöllur. Reipin eru tengd saman á einhvern hátt sem við ekki getum séð, heldur verðum við að ráða samhengið af hljóðinu sem heyrist þegar togað er í mismunandi reipi. Þessi hugsunarháttur þykir fullkomlega eðlilegur meðal vísindamanna í dag, en náði ekki fyllilega fótfestu fyrr en löngu eftir daga Maxwells.

Jöfnunar sem lýsa svokallaðri sígildri rafsegulfræði eru í dag þekktar sem jöfnur Maxwells. Þær tengja saman rafsvið $E$, segulsvið $B$, rafstraum $J$ og rafhleðslu $\rho$ og má rita á eftirfarandi hátt:$$\bigtriangledown \cdot E=\frac{\rho}{\varepsilon_{0}}$$$$\bigtriangledown \cdot B=0$$$$\bigtriangledown\times E=-\frac{\partial B}{\partial t}$$$$\bigtriangledown\times B=\mu _{0}J+\mu _{0}\varepsilon _{0}\frac{\partial E}{\partial t}$$Eitt af því sem sjálfkrafa má leiða út frá þessum jöfnum er tilvist rafsegulbylgju sem getur ferðast í efni eða í lofttæmi. Maxwell reiknaði hraðann á slíkri bylgju og fann út að hann passaði nákvæmlega við ljóshraðann sem mældur hafði verið nokkru fyrr.

Texti úr grein Maxwells, „On Physical Lines of Force“ frá 1861.

Hér var komin niðurstaða sem engan hafði órað fyrir en hefur haft gríðarleg áhrif á eðlisfræðilegan skilning okkar á umhverfinu, auk allra þeirra tæknilegu framfara sem leitt hafa af þekkingu á rafsegulbylgjum. Það liðu þó nokkrir áratugir áður en fólki varð fyllilega ljóst hvaða þýðingu þessi lögmál höfðu – Albert Einstein orðaði það svo árið 1931 að jöfnur Maxwells hefðu markað djúpstæðustu og gagnlegustu breytingu á lýsingu okkar á raunveruleikanum frá tíma Newtons. Þessar kenningar Maxwells hafa staðið af sér allar byltingar í eðlisfræði undanfarin 150 ár, þar með talið tilkomu afstæðiskenningarinnar og skammtafræðinnar, og eru notaðar í óbreyttu formi enn í dag.

Framlag Maxwells til rafsegulfræðinnar eitt og sér hefði nægt til að tryggja honum heimsfrægð, en hann vann líka stórvirki á mörgum öðrum sviðum eðlisfræði, efnafræði, stærðfræði og verkfræði, oft með því að gera grundvallarbreytingar í lýsingu viðfangsefnanna. Maxwell sagði upp stöðu sinni við Kings College árið 1865 og fluttist aftur með eiginkonu sinni á æskuheimili sitt í Skotlandi. Árið 1871 fékk hann prófessorsstöðu við Cambridge-háskóla þar sem hann fékk það hlutverk að byggja upp rannsóknastofu sem nefnd var í höfuðið á vísindamanninum Henry Cavendish. Við þá rannsóknastofu voru gerðar margar mikilvægar uppgötvanir, meðal annars uppbygging DNA-sameindarinnar 80 árum síðar. Nokkrum árum síðar lést Maxwell úr magakrabbameini, þá 48 ára, sama meini og dregið hafði móður hans til dauða á svipuðum aldri.

Heimild:

• Basil Mahon, The Man Who Changed Everything, The Life of James Clerk Maxwell (John Wiley & Sons Ltd., Chichester, 2003).

Myndir:

• Wikipedia.com - James Clerk Maxwell. Sótt 27.4.2011.
• Wikipedia.com - James Clerk Maxwell. Litaljósmynd. Sótt 27.4.2011.
• Wikipedia.com - James Clerk Maxwell. Edinborgarháskóli. Sótt 27.4.2011.

---

¹ Um eiginleika silfurbergskristalla frá Íslandi og þátt þeirra í framþróun vísinda á 19. öld má lesa hér: http://www.raunvis.hi.is/~leo/silfurberg_low-res.pdf....