James Clerk Maxwell

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
James Clerk Maxwell
James Clerk Maxwell.png
Syntynyt 13. kesäkuuta 1831
Edinburgh, Skotlanti
Kuollut 5. marraskuuta 1879
Cambridge, Englanti
Asuinpaikka Skotlannin lippu Skotlanti
Kansallisuus Skotlannin lippu Skotlantilainen
Tutkimusala Fysiikka, matematiikka
Tutkinnot Cambridgen yliopisto
Tunnetuimmat työt Maxwellin yhtälöt
Tunnustukset Rumford-mitali
Uskonnollinen kanta Kristitty
Allekirjoitus Allekirjoitus

James Clerk Maxwell (13. kesäkuuta 1831 Edinburgh5. marraskuuta 1879 Cambridge) oli skotlantilainen fyysikko. Hän kehitti Maxwellin yhtälöt, jotka kuvaavat sähköisten ja magneettisten kenttien käyttäytymistä ja vuorovaikutusta. Lisäksi hän johti kaasumolekyylien nopeuksien jakaumalain, joka on kineettisen kaasu­teorian perusta.[1] Maxwell oli Penicuikin nuoremman Clerk-suvun haaran viimeinen edustaja.

Maxwellia on yleensä pidetty Newtonin ja Einsteinin välisen ajan suurimpana fyysikkona[1]. Kaikista 1800-luvun tiedemiehistä hänellä oli eniten vaikutusta 1900-luvun fysiikkaan, sillä hänen on katsottu raivanneen tietä sekä suhteellisuusteorialle että kvanttimekaniikalle.[2]. Vuonna 1931 Maxwellin syntymän satavuotisjuhlilla 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 osoitti, että sähkö- ja magneettikenttä etenevät avaruuden läpi aaltomuodossa vakio valonnopeudella 3,0 · 108 m/s. Hän myös esitti, että valo on sähkömagneettista säteilyä.[1]

Tieteellinen johdannaisyksikkö maxwell (Mx), jolla magneettista vuota mitataan (lyhennetään yleensä Φ), on nimetty hänen kunniakseen. Vuorijono Venuksella, Maxwell Montes, on nimetty hänen mukaansa[3], kuten myös James Clerk Maxwell -teleskooppi: maailman suurin alimillimetritaajuksien radioteleskooppi, jonka halkaisija on 15 metriä.

Elämäkerta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Nuoruusvuodet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Maxwell syntyi Indian Street 14:ssalähde? Edinburghissa, Skotlannissa.[1] 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[4]. 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.

Nuori Maxwell yliopistossa.

Vuonna 1847 Maxwell aloitti opiskelunsa Edinburghin yliopistossa filosofian eri aloilla. Edinburghissa hän opiskeli Sir William Hamiltonin alaisuudessa. 18-vuotiaana opiskelijana hän julkaisi kaksi artikkelia Transactions of the Royal Society of Edinburgh -julkaisussa. On the Equilibrium of Elastic Solids loi perustan väliaikaisen kaksoisheijastuksen eli viskoosien nesteiden leikkausjännityksen tutkimukselle. Vuonna 1850 Maxwell muutti Cambridgen yliopistoon pyrkien aluksi Peterhouse-collegeen, mutta lopulta hakeutui Trinity Collegeen, josta hän uskoi tutkijanviran saamisen olevan helpompaa. Trinityssä hänet valittiin Cambridgen Apostolien salaseuraan. Marraskuussa 1851 Maxwell opiskeli ohjaajansa William Hopkinsin (lempinimeltään wrangler maker) alaisuudessa. Huomattava osuus hänen sähkömagnetismiin liittyvien yhtälöiden selvityksestä tapahtui Trinityn opiskeluaikoina.

Keski-ikä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vuonna 1854 Maxwell suoritti Trinitystä matematiikan tutkinnon toiseksi parhaana, ja hänet merkittiin yhtä päteväksi vuoden parhaimman valmistuneen kanssa higher ordeal of the Smith's prize examinationissa. Suurimman osan elämästään hän työskenteli parhaiden tiedemiesten joukossa professorina. Heti tutkintonsa saatuaan hän esitti Cambridgen filosofiselle yhteisölle tutkielman Pintojen muutoksesta taipumisessa. Se on yksi harvoista hänen julkaisemistaan täysin matemaattisista artikkeleista, ja teki suuren vaikutuksen alan muihin asiantuntijoihin. Samoihin aikoihin ilmestyi tutkielmat 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. Tutkimuksia varten hän suunnitteli tarvittavat tutkimusvälineet. Vuonna 1856 Maxwell valittiin Marischal Collegen luonnonfilosofian professorin virkaan, Aberdeeniin, missä hän oli vuoteen 1860 asti.

Vuonna 1859 hän sai tutkielmastaan, Saturnuksen renkaiden tasapaino, Adams prizen Cambridgessä. Maxwell todisti, että tasapaino voitiin saavuttaa vain, jos renkaat koostuivat useista pienistä kiinteistä palasista, jolloin renkaat eivät voisi olla täysin kiinteää ainetta tai nestettä. Hän myös osoitti matemaattisesti virheelliseksi 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.

Myöhemmät vuodet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

James ja Katherine Maxwell, 1869.

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:ssä 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.[1]

Laaja elämäkerta The Life of James Clerk Maxwell, jonka on kirjoittanut hänen entinen luokkatoverinsa 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.

Tieteellinen ura[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kineettinen teoria[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Yksi Maxwellin suurimmista tutkimuksista käsitteli kineettistä kaasu­teoriaa. Teoriaa, joka oli lähtöisin Daniel Bernoullilta,[5] olivat kehittäneet 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.

Tutkiessaan termodynamiikan perusteita Maxwell päätyi siihen, että samassakin lämpötilassa kaasussa on aina sekaisin sekä nopeammin että hitaammin liikkuvia molekyylejä ja että tämän ja molekyylien suuren lukumäärän vuoksi niiden liikettä on käytännössä mahdoton kuvailla muutoin kuin tilastollisesti, toden­näköisyys­laskennan keinoin.[6]. Tämä lähestymistapa yleisti aikaisemmat termo­dynamiikan lait ja selitti havainnot paremmin. Tältä pohjalta hän johti vuonna 1866 molekyylien energioille jakauma­lain. Ludwig Boltzmann tarkensi vuonna 1868 tätä jakauma­lakia ottamalla huomioon, että molekyylit voivat varastoida energiaa myös pyörimis- ja värähdys­liikkeeseen sekä potentiaalienergiaksi. Hänen tarkentamassaan muodossa jakauma tunnetaan Maxwellin-Boltzmannin jakaumana.[7]

Maxwellin työ termodynamiikassa johdatti hänet keksimään myös ajatuskokeen, jota myöhemmin kutsuttiin Maxwellin demoniksi.[8][9]

Sähkömagnetismi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Postikortti Maxwellillta Peter Taitlle.

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 tunnettujen vakioiden avulla – 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 maailman­eetteriksi. Ajan myötä sellaisen aineen olemassa­olo, joka on kaikkialla avaruudessa ja silti ilmeisen vaikeaa havaita mekaanisilla tavoilla, on todettu yhä hankalammaksi sovittaa yhteen koe­tulosten kuten Michelson-Morleyn kokeen kanssa. 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 maailman­eetterin käsitteen.[10]

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Hans Christian von Baeyer: Maxwellin demoni. Suom. Hannu Karttunen. Art House, 2000. ISBN 951-884-321-X.
  • Michael H. HartIhmiskunnan 100 suurinta, Maailmanhistorian sata merkittävintä henkilöä tärkeysjärjestyksessä, s. 142-144. Suom. Risto Mäenpää. Artefakti, 1979. ISBN 951-99229-1-1.
  • Hannu Karttunen, Pekka Kröger, Heikki Oja, Markku Poutanen: Tähtitieteen perusteet. Tähtitieteellinen yhdistys Ursa r.y., 1984. ISBN 951-859-367-1.
  • Maxwell, J.C.: Theory of heat, s. 338-339. Leff & Rex, 1871, uusintapainos 2001. ISBN 0-486-41735-2. Theory of Heat Teoksen verkkoversio (viitattu 27.6.2010). (englanniksi)
  • Heikki Oja, Osmi Vilhu, K. V. Laurikainen ym.: Albert Einstein, tutkija ja ihminen. Tähtitieteellinen yhdistys Ursa r.y., 1982.

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c d e Hart 1979, s. 142-144
  2. von Baeyer 2000, s. 91
  3. Karttunen et al. 1984, s. 212
  4. von Baeyer 2000, s. 86
  5. von Baeyer 2000, s. 79-82
  6. von Baeyer 2000, s. 90-95
  7. von Baeyer 2000, s. 110
  8. von Baeyer 2000, s. 11-14
  9. Maxwell 1871, s. 338-339
  10. Oja et al. 1982

Julkaisuja[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta James Clerk Maxwell.
  • 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".