James Clerk Maxwell
Wikipedia
 |
|
| Syntynyt | 13. kesäkuuta 1831 Edinburgh, Skotlanti |
|---|---|
| Kuollut | 5. marraskuuta 1879 Cambridge, Englanti |
| Asuinpaikka |  Skotlanti |
| Kansalaisuus | Skotlantilainen |
| Tutkimusalue | Fysiikka, matematiikka |
| Tutkinnot | Cambridgen yliopisto |
| Tunnetuimmat työt | Maxwellin yhtälöt |
| Huomionosoitukset | Rumford-mitali |
| Uskonto | Kristitty |
James Clerk Maxwell (13. kesäkuuta 1831, Edinburgh – 5. marraskuuta 1879, Cambridge) oli skotlantilainen fyysikko. Hän kehitti Maxwellin yhtälöt, jotka kuvaavat sähköisten ja magneettisten kenttien käyttäytymistä ja vuorovaikutusta. Lisäksi hän johti Maxwellin–Boltzmannin jakauman, joka on kineettisen kaasuteorian pohja. Maxwell oli Penicuikin nuoremman Clerk-suvun haaran viimeinen edustaja.
Maxwellia on yleensä pidetty 1800-luvun tiedemiehenä, jolla oli eniten vaikutusta 1900-luvun fysiikkaan, selvittämällä luonnon fundamentaalisten mallien luonnetta. Vuonna 1931 Maxwellin satavuotissyntymäpäiväjuhlilla Einstein kuvasi Maxwellin töitä ”kaikkein syvällisimmiksi ja kaikkein antoisimmiksi, mitä fysiikka on kokenut sitten Newtonin.”
Algebrallinen matematiikka geometrian elementeillä on piirre, joka esiintyy paljon Maxwellin töissä. Maxwell osoitti, että sähköinen ja magneettinen voima ovat kaksi toisiaan täydentävää näkökantaa sähkömagnetismille. Hän näytti, että sähkö- ja magneettikenttä matkaavat avaruuden läpi aaltomuodossa vakio valonnopeudella 3,0 · 108 m/s. Hän myös esitti, että valo on eräänlaista sähkömagneettista säteilyä.
Tieteellinen johdannaisyksikkö maxwell (Mx), jolla magneettista vuota mitataan (lyhennetään yleensä f), on nimetty hänen kunniakseen. Vuorijono Venuksella, Maxwell Montes, on nimetty hänen mukaansa, kuten myös James Clerk Maxwell -teleskooppi: maailman suurin allemillimetritaajuksien kaukoputki, jonka halkaisija on 15 metriä.
Sisällysluettelo |
[muokkaa] Elämäkerta
[muokkaa] Nuoruusvuodet
Maxwell syntyi Indian Street 14:ssa Edinburghissa, Skotlannissa. Hän oli edinburghilaisen asianajajan John Clerkin ja Frances Cayn ainoa lapsi. Nuoren Maxwellin koulutusta antoi hänen kristitty äitinsä, ja siihen kuului Raamatun opiskelua. Suurimman osan nuoruudestaan hän oli perheensä tilalla Glenlairissa lähellä Dumfriessiä. Maxwellin ollessa 8-vuotias hänen äitinsä kuoli. Sen jälkeen Maxwell meni Edinburghin Academyyn. Hänen lempinimensä koulussa oli "Dafty", jonka hän ansaitsi saavuttuaan ensimmäisenä päivänä kouluunsa kotitekoisissa kengissä. Vuonna 1845 14-vuotiaana Maxwell kirjoitti aineen, jossa hän kuvasi mekaanisia tapoja piirtää matemaattisia käyriä narun avulla.
[muokkaa] Keski-ikä
Vuonna 1847 Maxwell aloitti opiskelunsa Edinburghin yliopistossa filosofian eri aloilla. Edinburghissa hän opiskeli Sir William Hamilton alaisuudessa. 18. vuotenaan, opiskelijana Edinburghissa, hän luovutti kaksi paperia Transactions of the Royal Society of Edinburghille – joista yksi, On the Equilibrium of Elastic Solids, muodosti pohjan yhdelle hänen myöhemmistä ja tärkeimmistä löydöistään, väliaikainen kaksoisheijastus joka muodostuu viskoosien nesteiden leikkausjännityksestä. Vuonna 1850 Maxwell muutti Cambridgen yliopistoon ja alun perin pyrki Peterhousen Collegeen, mutta myöhemmin vaihtoi Trinityn Collegeen, missä hän uskoi tutkijantoimen viran saamisen olevan helpompaa. Trinityssä hänet valittiin Cambridgen Apostolien salaseuraan. Marraskuussa 1851 Maxwell opiskeli ohjaajansa William Hopkinsin (lempinimeltään wrangler maker) alaisuudessa. Huomattava osuus hänen sähkömagnetisminsa yhtälöiden selvityksestä tapahtui Maxwellin opiskellessa Trinityssä.
Vuonna 1854 Maxwell valmistui Trinitystä matematiikan tutkinnolla (toiseksi parhaana matematiikan kokeesta), ja hänet merkittiin yhtä päteväksi vuoden parhaimman valmistuneen kanssa higher ordeal of the Smith's prize examinationissa. Suurimman osan lyhyestä elämästään häntä pidettiin huomattavan hyvällä viralla parhaiden tiedemiesten joukossa, yleensä korkeakoulun professorina. Heti tutkintonsa saatuaan hän luki Cambridgen filosofiselle yhteisölle tutkielman Pintojen muutoksesta taipumisessa. Se on yksi harvoista hänen julkaisemistaan täysin matemaattisista artikkeleista, ja se kertoi heti asiantuntijoille, kuinka mestarillinen hän oli. Samoihin aikoihin ilmestyivät hänen tarkat tutkielmansa Faradayn voimaviivoista, jotka antoivat ensimmäisiä viitteitä sähkön tutkimisesta, joka huipentui hänen suurimmassa elämänteoksessaan.
Vuodesta 1855 vuoteen 1872 hän julkisti sarjan arvokkaita tutkimuksia liittyen Värin havaitsemisesta ja Värisokeudesta, joista ensimmäiselle hän sai Rumfordin mitalin Royal Societyltä vuonna 1860. Instrumentit, jotka hän laati tutkimuksia varten, olivat yksinkertaisia ja sopivia. Vuonna 1856 Maxwell valittiin Marischal Collegen luonnonfilosofian professorin virkaan, Aberdeeniin, missä hän oli kunnes kaksi paikallista korkeakoulua yhdistyivät vuonna 1860.
Vuonna 1859 hän sai omasta tutkielmastaan, Saturnuksen renkaiden tasapaino, Adams prizen Cambridgessä. Tutkielmassa hän totesi, että renkaat eivät voisi olla täysin kiinteää ainetta tai nestettä. Maxwell osoitti, että tasapaino voitiin saavuttaa vain, jos renkaat koostuivat useista pienistä kiinteistä palasista. Hän myös osoitti matemaattisesti vääräksi nebulaarihypoteesin (joka väitti, että aurinkokunta oli muodostunut tiivistymällä suuresta kaasu- ja pölypilvestä), pakottamalla teorian ottamaan huomioon lisäksi pieniä osia kiinteitä kappaleita.
Vuonna 1860 Maxwell oli professorina King's Collegessa Lontoossa. Vuonna 1861 hänet valittiin Royal Societyyn. Maxwell tutki tänä aikana myös elastisia kappaleita ja puhdasta geometriaa.
[muokkaa] Myöhemmät vuodet
Maxwell teki myös töitä optiikan ja värinäön parissa – jopa niin, että häntä pidetään sen keksijänä, että värivalokuvia voidaan muodostaa punaisen, vihreän ja sinisen suotimen avulla. Hän laittoi valokuvaaja Thomas Suttonin kuvaamaan skottiruudullista nauhaa kolme kertaa eri värin suotimilla. Ja kun nämä erilliset kuvat laitetaan kohdakkain, siitä muodostuu täydellinen värikuva. Saadun kuvan värit olivat kuitenkin hieman luonnollisista väreistä poikkeavat, koska suotimet läpäisivät kuitenkin ihmissilmälle näkymättömiä taajuuksia, mutta periaate oli oikea. Nämä kolme valokuvalevyä sijaitsevat nyt pienessä museossa Indian Street 14:sta, Edinburghissa, talossa jossa Maxwell oli syntynyt.
Maxwellin työ värisokeuden parissa toi hänelle Rumfordin Mitalin Royal Society of Londonilta. Hän kirjoitti erinomaisen kirjan Lämmön teoriasta (1871) ja loistavan perustutkielman Aineesta ja liikkeestä (1876).
Vuonna 1871 hän oli ensimmäinen Cavendishin fysiikan professori Cambridgessä. Maxwell valvoi Cavendishin laboratorion kehitystä. Hän valvoi jokaista rakennuksen vaihetta ja arvokkaiden instrumenttien ostoa, joilla se varustettiin anteliaan perustajansa, Devonshiren seitsemännen herttuan (yliopiston rehtori ja yksi sen tunnetuimmista kasvateista) kustannuksella. Yksi Maxwellin viimeisistä suurista lahjoista tieteelle oli Henry Cavendishin Sähköisten tutkimusten toimitus (runsaiden alkuperäisten muistiinpanojen kanssa), joista selvisi, että Cavendish oli tutkinut esimerkiksi sellaisia kysymyksiä kuten maapallon keskitiheys ja veden koostumus.
Maxwell meni 27-vuotiaana naimisiin Kathrine Mary Dewarin kanssa, mutta he eivät saaneet lapsia. Hän kuoli Cambridgessa vatsasyöpään 48-vuotiaana. Hän oli vannoutunut kristitty koko elämänsä.
Maxwell oli yhdistänyt aikaisempia töitä sähkömagnetismin ja optiikan kokeissa, supistaen niiden kokeelliset tulokset ja havainnot muutamaan matemaattisten yhtälöiden ryhmään. Nämä yhtälöt (kuten myös Maxwellin jakauma) ovat siitä lähtien osoittautuneet erittäin tärkeiksi fysiikassa. Ne toimivat kaikissa tapauksissa ja ovat sen vuoksi johtaneet useiden uusien sähkömagnetismin ja optiikan lakien löytymiseen, kuten myös sähkömagneettisen säteilyn lakien löytymiseen. Yhtälöt ovat perustavaa laatua, kun kyseessä on radio tai televisio, ja niillä voidaan tutkia röntgensäteilyä, gammasäteilyä, infrapunasäteilyä ja muita säteilymuotoja.
Laaja elämäkerta The Life of James Clerk Maxwell, jonka on kirjoittanut hänen entinen luokkakaverinsa ja elinikäinen ystävä professori Lewis Campbell, julkaistiin vuonna 1882 ja hänen kootut teoksensa, sisältäen tutkielmia aineen ominaisuuksista, kuten Atomi, Vetovoima, Kapillaari-ilmiö, Diffuusio, Eetteri jne., julkaistiin kahtena osana 1890 Cambridge University Pressin toimesta.
[muokkaa] Tieteellinen ura
[muokkaa] Kineettinen teoria
Yksi Maxwellin suurimmista tutkimuksista käsitteli kineettistä kaasuteoriaa. Teoriaa, joka oli lähtöisin Daniel Bernoullilta, oli kehittänyt myös onnistuneella työllä John Herapath, John James Waterston, James Joule ja erityisesti Rudolf Clausius, niin pitkälle, että sen yleistä tarkkuutta ei tarvinnut epäillä, mutta se sai paljon kehitystä myös Maxwellilta, joka oli tällä alalla (kaasujen kitkojen lait) tutkijana kuten myös matemaatikkona.
Vuonna 1865 Maxwell muutti tilalle Glenlairiin Skotlannin Kirkcudbrightshireen, jonka hän peri isältään. Vuonna 1868 hän erosi virastaan fysiikan ja astronomian professorina King's Collegesta.
Vuonna 1866 hän muodosti tilastollisesti, riippumattomana Ludwig Boltzmannista, Maxwellin–Boltzmannin kineettisen kaasuteorian. Hänen kaavansa, Maxwellin jakauma, kertoo liikkuvien kaasumolekyylien nopeuden tietyssä lämpötilassa. Kineettisessä teoriassa lämpötilat ja lämpö koostuvat vain molekyylien liikkeestä. Tämä lähestymistapa yleisti aikaisemmat termodynamiikan lait ja selitti havainnot paremmin. Maxwellin työ termodynamiikassa johdatti hänet keksimään ajatuskokeen, jota myöhemmin kutsuttiin Maxwellin demoniksi.
[muokkaa] Sähkömagnetismi
Maxwell omisti suurimman osan työstään sähkölle. Maxwellin tärkein panos oli matemaattinen mallinnus ja laajennus Michael Faradayn, André-Marie Ampèren ja muiden sähkön ja magnetismin töihin sarjaan yhdistettyjä differentiaaliyhtälöitä (alun perin 20 yhtälöä ja 20 muuttujaa, myöhemmin kvaternio ja vektori-pohjaisiin notaatioihin). Nämä yhtälöt, jotka nykyään tunnetaan Maxwellin yhtälöinä, olivat ensimmäisenä esitettynä Royal Societylle vuonna 1864 ja yhdessä kuvaavat sekä sähkömagneettisen kentän käyttäytymistä että vuorovaikutusta aineen kanssa.
Lisäksi Maxwell osoitti että yhtälöt ennustavat aaltojen värähtelyä sähkö- ja magneettikentissä, jotka kulkevat tyhjän avaruuden läpi nopeudella, joka voitiin ennustaa yksinkertaisella kokeella – käyttäen sen hetkistä saatavilla olevaa tietoa Maxwell sai nopeudeksi 310 740 000 m/s. Vuonna (1865) Maxwell kirjoitti:
- Tämä nopeus on niin liki valonnopeutta, että on hyvä syy ajatella, että valo itse (sisältäen lämpösäteilyn ja muut säteilyt) on sähkömagneettista häiriötä, joka etenee aaltoina läpi sähkömagneettisen kentän sähkömagneettisten lakien mukaan.
Maxwell osui oikeaan, ja hänen kvantitatiivinen yhteytensä valon ja sähkömagnetismin välillä ajatellaan olevan yksi suurimmista saavutuksista 1800-luvulla.
Samoihin aikoihin Maxwell uskoi, että valon eteneminen vaati väliaineen aalloille, jonka hän nimesi valoeetteriksi. Ajan myötä sellaisen aineen, joka on kaikkialla avaruudessa ja silti ilmeisen vaikeaa havaita mekaanisilla tavoilla, olemassaolo on todetty yhä hankalammaksi ja hankalammaksi sovittaa sellaisiin tutkimuksiin kuten Michelsonin–Morleyn koe. Lisäksi näytti, että se vaatisi absoluuttisen viitekehyksen, jossa yhtälöt pätisivät, sillä epätyydyttävällä ehdolla että yhtälöt ovat eri muodossa liikkuvalle havaitsijalle. Nämä vaikeudet inspiroivat Albert Einsteinia muodostamaan erityisen suhteellisuusteorian, ja siinä prosessissa Einstein hylkäsi vaatimuksen valoeetterille.
[muokkaa] Julkaisuja
- Maxwell, James Clerk, "On the Description of Oval Curves, and those having a plurality of Foci". Procedure of the Royal Society of Edinburgh, Vol. ii. 1846.
- Maxwell, James Clerk, "Illustrations of the Dynamical Theory of Gases". 1860.
- Maxwell, James Clerk, "On Physical Lines of Force]]". 1861.
- Maxwell, James Clerk, "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field". 1865.
- Maxwell, James Clerk, "Theory of Heat". 1871.
- Maxwell, James Clerk, "A Treatise on Electricity and Magnetism". Clarendon Press, Oxford. 1873.
- Maxwell, James Clerk, "Molecules". Nature, September, 1873.
- Maxwell, James Clerk, "On the Results of Bernoulli's Theory of Gases as Applied to their Internal Friction, their Diffusion, and their Conductivity for Heat".
