ترجمه و تألیف: حمید وثیق زاده انصاری
منبع:راسخون
منبع:راسخون
جیمز کلرک ماکسول به عنوان سومین فیزیک دان بزرگ بی نظیر بعد از اسحاق نیوتن و آلبرت انیشتین انتخاب شده است. این موفقیت او به دلیل تسلط وی بر فیزیک می باشد. از طریق این نوشته، ما دستاوردهای جیمز کلرک ماکسول را بیشتر فاش خواهیم کرد و برای شما نقل خواهیم نمود.
جیمز کلرک ماکسول (1831 - 1879)، دانشمندی اسکاتلندی می باشد که متعلق به قرن 19 بود، اما علم فیزیک قرن بیستم را با مشارکت های مختلف خود تحت تأثیر قرار داد. آزمایشات و یافته هایش پایه و اساس فیزیک کوانتوم، و همچنین نظریه ی نسبیت انیشتین را بنیان نهاده شد.
حتی درآن اوایل در سال های قدیم، ماکسول شیفتگی و کنجکاوی برای همه ی چیزهای اطرافش نشان می داد. در سن 2 سالگی، او برای مشاهده ی اثر نور خورشید در آینه تلاش نمود. والدین وی خیلی زود متوجه شدند که فرزند شان از موهبت هوش فوق العاده و حافظه ی شگفت انگیزی برخوردار است. اما او به محض این که بزرگ شد، توسط هم کلاسی هایش به دلیل رفتار غیر عادی و لکنت زبانش عذاب می کشید.
دانشمندان معمولاً به عنوان افراد کسل کننده و خسته کننده درک و مشاهده می شوند که بشره ی خلاق ندارند. اما در مورد ماکسول، همه چیز متفاوت بود! او عادت داشت شعر بنویسد، که فرآیندهای علمی و محاسبات ریاضی را به روش شاعرانه و تغزلی توصیف کند.
مثالی از شعر علمی ماکسول
زنجیره ی سخت و محکم بسط ناپذیر
در یک سطح افقی صاف قرار می گیرد،
نیروی شتاب زده ای نقطه ی A به کار می رود،
به حرکت اولیه ی K نیاز داشت.
اجازه دهید DS پیوند بی نهایت کوچک باشد،
که برای حال حاضر تنها چیزی است که داریم تا بیاندیشیم.
اجازه دهید T کشش و قوه ی انبساط باشد تنش و T+dT
همان چیزی که برای انتها ذکر شد که نزدیک ترین نقطه به B می باشد.
اجازه دهید که a با قرار داد مشترک گذاشته شود،
برای زاویه ای در M' twixt OX و کشش . . .
دستاوردهای جیمز کلرک ماکسول
در ابتدا او با 20 معادله ظاهر شد، اما آن معادلات بیش از حد مرموز بودند و حتی هم کارانش نیز نمی توانستند آن ها را کشف رمز کنند. معادلات او پیش رو زمان وی بودند. حداقل یک دهه به طول انجامید تا اهمیت معادلات درک شود. سال ها بعد، آلبرت انیشتین گفت: "نظریه ی استثنایی و خاص نسبیت منشأ و خاستگاهش را مدیون معادلات میدان الکترو مغناطیسی ماکسول می داند."
بعدها، این معادلات به چهار معادله ی دیفرانسیل، کوچک و منشعب شدند، که در حال حاضر به عنوان معادلات ماکسول شناخته می شوند. آنها ماهیت ثابت و حرکت بار الکتریکی و رابطه ی موجود بین این دو را توضیح می دهند. ماکسول، از طریق معادلات خود، پیش بینی کرده بود که رادیو، امواج تلویزیون، و امواج نور دارای ماهیت الکترومغناطیسی هستند. بیست سال بعد بود که این مسئله توسط هرتز به گونه ای کامل اثبات شد. نه تنها این معادلات به اینیشتین در نظریه ی نسبیت کمک نمود، بلکه به مارکونی در اختراع رادیو نیز کمک کرد.
بسیاری از دستگاه هایی که ما امروزه استفاده می کنیم، به عنوان مثال اشعه X، تلفن های همراه، اجاقهای مایکرو ویو، اینترنت بی سیم، و غیره امواج الکترو مغناطیسی را در عمل و کار کرد به کار برده اند. اگر بخاطر وجود ماکسول نبود، امروزه ما از این دستگاه های مفید لذت نمی بردیم.
وی اولین نمایش جهانی در عکاسی رنگی در سال 1861 را با افتتاح عکاسیِ یک نوار در سه نوبت از طریق فیلترهای قرمز، آبی و سبز، هدایت نمود. اما صفحات فیلم عکاسی حساس به قرمز و سبز نبودند، و در نتیجه نمی توانستند تصاویر را به درستی ضبط کنند.
بنابراین، نتیجه ی حاصل از آزمایش پیش گام، به عبارتی، اولین عکس رنگی بسیار روشن و واضح نبود، و رنگ های واقعی را نشان نمی داد، و در سطح درست و مناسب نبود. بنا بر این، می توان نتیجه گرفت که این آزمایش و یا ایده اش نبود که اشتباه بود، بلکه تکنولوژی اپتیک در آن زمان با سرعت اندیشه و تفکرات او هم خوانی نداشت و از آن سبقت نگرفته بود.
با انجام این آزمایش، ماکسول نمی خواست که روش عکاسی رنگی را به دنیا نشان دهد، اما او می خواست تا نشان دهد که رنگ های اصلی افزودنی صحیح، قرمز، سبز، و آبی و نه قرمز، زرد و آبی بودند، زیرا در آن دوران چنین تصور می شد.
این توزیع بولتزمن - ماکسول، اساس نظریه ی جنبشی گازها را شکل داد، و نسخه های ترکیبی، بهبود یافته و ساده شده از تمام قوانین قبلی ترمودینامیک است. او نه تنها قوانین را اصلاح نمود و بهبود بخشید، بلکه قوانین و آزمایشات قبلی را در راه بهتر و منطقی، نسبت به آن چه در گذشته انجام شده، توضیح داد.
با توجه به این واقعیت که او آمار را در یافته های خود استفاده کرده بود، این ایده ی "احتمال" در فیزیک ادغام شد، و این نیز یکی از کمک های اصلی وی به علم فیزیک بود. بنا بر این، یک رشته جدید از ترمودینامیک آماری به وجود آمد.
او این مدل را توسعه داد و آن را از لحاظ ریاضی، با استفاده از تئوری پتانسیل، قضیه تیلور، و تجزیه و تحلیل فوریه ، قیاس منطقی کرد. نظریه ی او به عنوان فن آوری پیش رفته، به درستی ثابت شد و مطالعات طیف سنجی به تصویر در آمد. یک بار دیگر او موهبت هوش بالایش را، از طریقی قبل از این که دیگران حتی بتوانند فکر کنند و یا آن را تجسم نمایند، نشان داد.
ماکسول به شدت فرضیه لاپلاس را رد کرد با گفتن این که باورها و گمان های وارد شده در فرضیات با شواهد علمی حمایت نشده اند، و تنها متکی به گرایش خود چشم انداز نسبت به یک ایده بوده اند. ماکسول هم چنین از لحاظ ریاضی ثابت کرد که چنین پدیده ای براثر انقباض ابری به یک سیاره نمی تواند رخ دهد.
او دو نقص عمده در فرضیه لاپلاس را دریافت. اولی این بود که مواد هرگز نمی توانند در سیاره متراکم شوند، و دوم این که، هیچ راهی برای کاستن سریع توده جرم در حال چرخش در مرکز، برای رسیدن به شکل چرخش آرام خورشیدی که در حال حاضر شاهد آن هستیم وجود ندارد. و هر کلمه ی او با محاسبات قوی ریاضی حمایت می شد. در نتیجه، از نظریه ی لاپلاس دست کشیدند و دور انداخته شد.
هم چنین ارتباطی بین فرضیه ی سحابی لاپلاس و حلقه های زحل وجود دارد. لاپلاس پیشنهاد کرد که حلقه های چرخش زحل اثباتی برای فرضیه ی سحابی موجود در عمل، بودند که ماکسول دو باره آن را رد کرد، با گفتن این که اگر حلقه ی در حال چرخش از گاز ساخته شده باشد و پایدار باشد، این بدان معنا است که گازها هرگز نمی توانند یکی شوند. آنها یا می توانند پایدار شوند و یا در حال چرخش با هم یکی شوند، و اگر ثبات ثابت شود، پس یکی شدن و بهم آمیختگی غیر ممکن و ناشدنی است.
در مجموع، می توان گفت که تفکر ماکسول، یافته ها و دستاوردهای بسیار جلوتر از زمان او بود. او یک بی باک و مصمم واقعی بود و به افتخار نامش، کوهی بر سیاره ی ونوس پس از وی به اسم" کوه ماکسول" نام نهاده شد و هم چنین شکافی در حلقه های زحل "شکاف ماکسول" نام نهاده شد. به راستی، ماکسول عظمت بی نظیری کسب نمود.
کلام ستایش اینیشتین برای عمل کرد و اثر ماکسول
"عمیق ترین و پر بارترین کاری که علم فیزیک از زمان نیوتن تجربه کرده است."جیمز کلرک ماکسول (1831 - 1879)، دانشمندی اسکاتلندی می باشد که متعلق به قرن 19 بود، اما علم فیزیک قرن بیستم را با مشارکت های مختلف خود تحت تأثیر قرار داد. آزمایشات و یافته هایش پایه و اساس فیزیک کوانتوم، و همچنین نظریه ی نسبیت انیشتین را بنیان نهاده شد.
حتی درآن اوایل در سال های قدیم، ماکسول شیفتگی و کنجکاوی برای همه ی چیزهای اطرافش نشان می داد. در سن 2 سالگی، او برای مشاهده ی اثر نور خورشید در آینه تلاش نمود. والدین وی خیلی زود متوجه شدند که فرزند شان از موهبت هوش فوق العاده و حافظه ی شگفت انگیزی برخوردار است. اما او به محض این که بزرگ شد، توسط هم کلاسی هایش به دلیل رفتار غیر عادی و لکنت زبانش عذاب می کشید.
دانشمندان معمولاً به عنوان افراد کسل کننده و خسته کننده درک و مشاهده می شوند که بشره ی خلاق ندارند. اما در مورد ماکسول، همه چیز متفاوت بود! او عادت داشت شعر بنویسد، که فرآیندهای علمی و محاسبات ریاضی را به روش شاعرانه و تغزلی توصیف کند.
مثالی از شعر علمی ماکسول
زنجیره ی سخت و محکم بسط ناپذیر
در یک سطح افقی صاف قرار می گیرد،
نیروی شتاب زده ای نقطه ی A به کار می رود،
به حرکت اولیه ی K نیاز داشت.
اجازه دهید DS پیوند بی نهایت کوچک باشد،
که برای حال حاضر تنها چیزی است که داریم تا بیاندیشیم.
اجازه دهید T کشش و قوه ی انبساط باشد تنش و T+dT
همان چیزی که برای انتها ذکر شد که نزدیک ترین نقطه به B می باشد.
اجازه دهید که a با قرار داد مشترک گذاشته شود،
برای زاویه ای در M' twixt OX و کشش . . .
دستاوردهای جیمز کلرک ماکسول
فرموله کردن قوانین بنیادی الکتریسیته و مغناطیس
آن چه که به عنوان معادلات ماکسول شناخته شده است در حال حاضر پایه و اساس تئوری الکترومغناطیس، و هم چنین یکی از بزرگترین دستاوردهایش هستند. این معادلات، نظریه های الکتریسیته ی مایکل فارادی را به شکل ریاضی مطرح می کند. او اثبات کرد که با چند معادله ی ساده ی ریاضی، وضع میدان الکتریکی و مغناطیسی و ماهیت مرتبطشان، که میدان الکترو مغناطیسی می باشد، می توان بیان نمود.در ابتدا او با 20 معادله ظاهر شد، اما آن معادلات بیش از حد مرموز بودند و حتی هم کارانش نیز نمی توانستند آن ها را کشف رمز کنند. معادلات او پیش رو زمان وی بودند. حداقل یک دهه به طول انجامید تا اهمیت معادلات درک شود. سال ها بعد، آلبرت انیشتین گفت: "نظریه ی استثنایی و خاص نسبیت منشأ و خاستگاهش را مدیون معادلات میدان الکترو مغناطیسی ماکسول می داند."
بعدها، این معادلات به چهار معادله ی دیفرانسیل، کوچک و منشعب شدند، که در حال حاضر به عنوان معادلات ماکسول شناخته می شوند. آنها ماهیت ثابت و حرکت بار الکتریکی و رابطه ی موجود بین این دو را توضیح می دهند. ماکسول، از طریق معادلات خود، پیش بینی کرده بود که رادیو، امواج تلویزیون، و امواج نور دارای ماهیت الکترومغناطیسی هستند. بیست سال بعد بود که این مسئله توسط هرتز به گونه ای کامل اثبات شد. نه تنها این معادلات به اینیشتین در نظریه ی نسبیت کمک نمود، بلکه به مارکونی در اختراع رادیو نیز کمک کرد.
بسیاری از دستگاه هایی که ما امروزه استفاده می کنیم، به عنوان مثال اشعه X، تلفن های همراه، اجاقهای مایکرو ویو، اینترنت بی سیم، و غیره امواج الکترو مغناطیسی را در عمل و کار کرد به کار برده اند. اگر بخاطر وجود ماکسول نبود، امروزه ما از این دستگاه های مفید لذت نمی بردیم.
تولید نخستین عکس رنگی
ماکسول نابغه ای بود که گفت اگر سه عکس سیاه و سفید از یک صحنه از طریق فیلترهای قرمز، سبز و آبی گرفته شود، و چاپ شفاف صحنه بر روی یک صفحه نمایش از طریق سه پروژکتور مختلف با همان فیلتر رنگی مربوطه افکنده شود، آن گاه وقتی تصاویر روی هم قرار گیرند، به دید انسان، تصویر کاملا رنگی ظاهر می شودوی اولین نمایش جهانی در عکاسی رنگی در سال 1861 را با افتتاح عکاسیِ یک نوار در سه نوبت از طریق فیلترهای قرمز، آبی و سبز، هدایت نمود. اما صفحات فیلم عکاسی حساس به قرمز و سبز نبودند، و در نتیجه نمی توانستند تصاویر را به درستی ضبط کنند.
بنابراین، نتیجه ی حاصل از آزمایش پیش گام، به عبارتی، اولین عکس رنگی بسیار روشن و واضح نبود، و رنگ های واقعی را نشان نمی داد، و در سطح درست و مناسب نبود. بنا بر این، می توان نتیجه گرفت که این آزمایش و یا ایده اش نبود که اشتباه بود، بلکه تکنولوژی اپتیک در آن زمان با سرعت اندیشه و تفکرات او هم خوانی نداشت و از آن سبقت نگرفته بود.
با انجام این آزمایش، ماکسول نمی خواست که روش عکاسی رنگی را به دنیا نشان دهد، اما او می خواست تا نشان دهد که رنگ های اصلی افزودنی صحیح، قرمز، سبز، و آبی و نه قرمز، زرد و آبی بودند، زیرا در آن دوران چنین تصور می شد.
بررسی نظریه ی جنبشی گازها
تحقیقات در نظریه ی جنبشی گازها توسط فیزیک دانان مختلف مانند دانیل برنولی، جیمز ژول، و رودلف کلاوزیوس مجدداً شروع شد و توسعه یافت، اما تنها هنگامی شتاب گرفت که ماکسول به عنوان یک آزمایشگر مجرب و یک ریاضی دان دست در دست آنها گذاشت و به آنها پیوست. در حال کار بر روی این نظریه، او توزیع بولتزمن – ماکسول را با استفاده از روش های آمار و احتمال تنظیم و فرموله نمود.این توزیع بولتزمن - ماکسول، اساس نظریه ی جنبشی گازها را شکل داد، و نسخه های ترکیبی، بهبود یافته و ساده شده از تمام قوانین قبلی ترمودینامیک است. او نه تنها قوانین را اصلاح نمود و بهبود بخشید، بلکه قوانین و آزمایشات قبلی را در راه بهتر و منطقی، نسبت به آن چه در گذشته انجام شده، توضیح داد.
با توجه به این واقعیت که او آمار را در یافته های خود استفاده کرده بود، این ایده ی "احتمال" در فیزیک ادغام شد، و این نیز یکی از کمک های اصلی وی به علم فیزیک بود. بنا بر این، یک رشته جدید از ترمودینامیک آماری به وجود آمد.
توضیح پایداری حلقه های زحل
قبل ازآن که ماکسول به تجزیه و تحلیل های ریاضی اش در مورد فرضیه های حلقه ها که دور سیاره ی زحل قرار دارند بپردازد، اعتقاد بر این بود که حلقه ها جامد هستند و در اطراف این سیاره می چرخند. ماکسول، در سال 1870، در کار خود روی ثبات حرکت حلقه های زحل، نشان داد که حلقه های زحل باید از ذرات کوچک برای حفظ چرخش و پایداری ساخته شده باشند، و اگر جامد باشند، ناپایدارخواهند شد و با توجه به چرخش مداوم گسیخته و از هم جدا خواهند گشت.او این مدل را توسعه داد و آن را از لحاظ ریاضی، با استفاده از تئوری پتانسیل، قضیه تیلور، و تجزیه و تحلیل فوریه ، قیاس منطقی کرد. نظریه ی او به عنوان فن آوری پیش رفته، به درستی ثابت شد و مطالعات طیف سنجی به تصویر در آمد. یک بار دیگر او موهبت هوش بالایش را، از طریقی قبل از این که دیگران حتی بتوانند فکر کنند و یا آن را تجسم نمایند، نشان داد.
فرضیه ی رد لاپلاس، از نظر ریاضی!
لاپلاس، ملحد فرانسوی، یک فرضیه ی سحابی را مطرح کرده و توسعه داده است، که در آن او پیشنهاد کرده بود که منظومه ی شمسی ما به عنوان یک ابر بزرگ گاز آغاز شده است. این گاز، در طول میلیون ها سال، منقبض شده و برای تولید سیارات تفکیک شد. بنا بر این، نتیجه گیری نهایی که لاپلاس داد این بود که هیچ نیازی به خالق وجود ندارد. این نظریه مانند آتش گسترش یافته و به طور جدی توسط مخالفان مسیحیت پذیرفته شد.ماکسول به شدت فرضیه لاپلاس را رد کرد با گفتن این که باورها و گمان های وارد شده در فرضیات با شواهد علمی حمایت نشده اند، و تنها متکی به گرایش خود چشم انداز نسبت به یک ایده بوده اند. ماکسول هم چنین از لحاظ ریاضی ثابت کرد که چنین پدیده ای براثر انقباض ابری به یک سیاره نمی تواند رخ دهد.
او دو نقص عمده در فرضیه لاپلاس را دریافت. اولی این بود که مواد هرگز نمی توانند در سیاره متراکم شوند، و دوم این که، هیچ راهی برای کاستن سریع توده جرم در حال چرخش در مرکز، برای رسیدن به شکل چرخش آرام خورشیدی که در حال حاضر شاهد آن هستیم وجود ندارد. و هر کلمه ی او با محاسبات قوی ریاضی حمایت می شد. در نتیجه، از نظریه ی لاپلاس دست کشیدند و دور انداخته شد.
هم چنین ارتباطی بین فرضیه ی سحابی لاپلاس و حلقه های زحل وجود دارد. لاپلاس پیشنهاد کرد که حلقه های چرخش زحل اثباتی برای فرضیه ی سحابی موجود در عمل، بودند که ماکسول دو باره آن را رد کرد، با گفتن این که اگر حلقه ی در حال چرخش از گاز ساخته شده باشد و پایدار باشد، این بدان معنا است که گازها هرگز نمی توانند یکی شوند. آنها یا می توانند پایدار شوند و یا در حال چرخش با هم یکی شوند، و اگر ثبات ثابت شود، پس یکی شدن و بهم آمیختگی غیر ممکن و ناشدنی است.
در مجموع، می توان گفت که تفکر ماکسول، یافته ها و دستاوردهای بسیار جلوتر از زمان او بود. او یک بی باک و مصمم واقعی بود و به افتخار نامش، کوهی بر سیاره ی ونوس پس از وی به اسم" کوه ماکسول" نام نهاده شد و هم چنین شکافی در حلقه های زحل "شکاف ماکسول" نام نهاده شد. به راستی، ماکسول عظمت بی نظیری کسب نمود.
