Джеймс Клерк Максвелл
Джеймс Клерк Максвелл (родился 13 июня 1831 года в Эдинбурге † 5 ноября 1879 года в Кембридже ) был шотландским физиком . Он разработал систему уравнений ( уравнения Максвелла ), которые являются основами электродинамики , в частности, в 1864 году он предсказал существование электромагнитных волн , которые Генрих Герц первым сгенерировал и доказал в 1886 году.
Его теория поля, названная в его честь, является одним из важнейших достижений физики и математики XIX века.
В 1866 году он разработал кинетическую теорию газа и поэтому считается одним из основоположников статистической механики вместе с Людвигом Больцманом, который позже работал . Классическое распределение молекул газа по скоростям (распределение Максвелла-Больцмана ) названо их именами. Он опубликовал первую цветную фотографию в качестве доказательства теории аддитивного смешения цветов в 1861 году .
Максвелл был последним представителем младшей линии известной шотландской семьи Клерк Пеникуик . В 1858 году он женился на Кэтрин Мэри Дьюар, дочери директора Маришальского колледжа в Абердине . Брак остался бездетным. Максвелл умер от рака желудка в Кембридже в возрасте 48 лет .
имея в виду
Максвелл считается естествоиспытателем XIX века, оказавшим наибольшее влияние на физику XX века . Он внес вклад в фундаментальные модели природы и считался мостом между математикой и физикой. Всего через несколько лет после его смерти важность Джеймса Клерка Максвелла для естественных наук была признана во всем мире, не ограничиваясь , как это часто бывало позже, его исследованиями в области электромагнетизма . В 1931 году, к столетию со дня рождения Максвелла, Альберт Эйнштейн описал свою работу как «самую глубокую и плодотворную, которую физика открыла со времен Ньютона ».
Сочетание алгебры с элементами геометрии - одна из главных черт его работы. Максвелл показал, что электрические и магнитные силы - два взаимодополняющих явления электромагнетизма. Он показал, что электрические и магнитные поля в виде электромагнитных волн могут перемещаться в пространстве с постоянной скоростью около 3 · 10 8 м / с, что в точности соответствует скорости света . Он постулировал, что свет - это форма электромагнитного излучения.
Максвелл суммировал результаты предыдущих электромагнитных и оптических экспериментов и наблюдений в серии математических уравнений. Эти уравнения (а также распределение Максвелла) с тех пор оказались чрезвычайно полезными в физике. Они зарекомендовали себя во всех случаях и создали некоторые новые законы электромагнетизма и оптики, наиболее важные из которых касаются электромагнитного излучения. Уравнения имеют фундаментальное значение для радио и телевидения и могут использоваться для изучения рентгеновских лучей, гамма-лучей, инфракрасных лучей и других форм излучения.
Жизнь
Ранние годы
Максвелл родился единственным ребенком в семье Джона Клерка Максвелла, юриста из Эдинбурга, на улице Индия, 14 в столице Шотландии Эдинбурге . Раннее воспитание Максвелла, в том числе изучение Библии , происходило от его матери-христианки. Он провел большую часть своей ранней юности в фамильном имении Гленлеров около Дамфриса . Мать Максвелла умерла, когда ему было всего восемь лет. Позже Максвелл поступил в Эдинбургскую академию. Его прозвище в школе было «Дафти» (Дюссель или чудак). Он получил ее, потому что в первый день в школе носил самодельную обувь. В 1845 году, в возрасте 14 лет, Максвелл написал статью, в которой описывал способ рисования математических кривых с помощью струны.
Средние годы
В 1847 году Максвелл поступил в Эдинбургский университет и изучал натурфилософию, моральную философию и ментальную философию. В Эдинбурге он учился у сэра Уильяма Гамильтона . В 18 лет, еще будучи студентом в Эдинбурге, он написал две статьи для Трудов Королевского общества Эдинбурга , одна из которых, « О равновесии упругих тел» , легла в основу уникального открытия в более позднем возрасте, временное двулучепреломление в вязких жидкостях, вызванное силами сдвига .
В 1850 году Максвелл переехал в Кембриджский университет . Сначала он поступил в Петерхаус , но затем поступил в Тринити-колледж, потому что считал, что здесь будет легче получить стипендию. В Тринити-колледже он был избран в секретную ассоциацию, известную как Кембриджские апостолы . В ноябре 1851 года Максвелл учился у своего наставника Уильяма Хопкинса по прозвищу «Спорщик» (« Спорщики » - это ученики, которые лучше всех сдают тест по математике). Максвелл завершил большую часть разработки своих электромагнитных уравнений, когда он был еще студентом.
В 1854 году Максвелл получил второй экзамен по математике в своем году. Сразу после окончания университета он опубликовал научную статью « О силовых линиях Фарадея» (« О силовых линиях Фарадея» ), в которой дал первое указание на свои электрические исследования, которые должны стать кульминацией самой важной работы в его жизни.
С 1855 по 1872 год он периодически публиковал серию ценных исследований, касающихся цветового зрения и дальтонизма . Инструменты, которые он использовал для этого исследования, были простыми и полезными (например, цветной волчок ). «За исследования состава цветов и другой вклад в оптику» он был награжден медалью Рамфорда Королевским обществом в 1860 году .
В 1861 году он опубликовал первую цветную фотографию как доказательство теории аддитивного смешения цветов .
В 1856 году Максвелл был назначен на кафедру естественной философии в Маришальском колледже в Абердине, которую он занимал до слияния с Королевским колледжем в 1860 году.
В 1856 году он выиграл премию Адамса в Кембридже за оригинальное эссе, в котором он доказал, что кольца Сатурна не являются ни жидкими, ни компактными твердыми телами, но что стабильность может преобладать только в том случае, если они состоят из большого количества небольших твердых тел, которые не связаны между собой. вместе. Он также математически опроверг теорию туманностей, которая утверждает, что галактики образуются в результате прогрессирующей конденсации газовых туманностей. Согласно его теории, для этого необходимы пропорции мелких тел.
В 1860 году Максвелл стал профессором Королевского колледжа Лондона .
В 1861 году он был избран членом (« Товарищем ») Королевского общества. В это время он работал над упругими телами и чистой геометрией.
Кинетическая теория газа
Одно из важнейших исследований Максвелла касалось кинетической теории газов . Начиная с Даниэля Бернулли , эта теория получила дальнейшее развитие в ходе следующих исследований Джона Херапата , Джона Джеймса Уотерстона, Джеймса Прескотта Джоула и особенно Рудольфа Клаузиуса . Он достиг такого уровня совершенства, что его предсказательная точность не вызывала сомнений. Максвелл, проявивший себя блестящим экспериментатором и теоретиком в этой области, развил ее превосходно.
В 1865 году Максвелл переехал в Гленлер, Кирккадбрайтшир , в поместье, унаследованное им от своего отца, Джона Клерка Максвелла.
В 1868 году он отказался от кафедры физики и астрономии в Королевском колледже в Лондоне.
В 1860 году он сформулировал кинетическую теорию газа, которая позже была обобщена Людвигом Больцманом . Его формула, называемая распределением Максвелла , вычисляет долю молекул газа, которые движутся с определенной скоростью при данной температуре . В кинетической теории газов температура и давление заставляют молекулы двигаться. Такой подход к предмету исследования обобщил предыдущие законы термодинамики и более подробно объяснил наблюдения и эксперименты. Работа Максвелла по термодинамике привела его к мысленному эксперименту, известному как « Максвелловский демон ».
Электромагнетизм
Когда Максвелл заинтересовался электричеством, он написал Уильяму Томсону, 1-му барону Кельвину , и спросил его, как лучше поступить. Кельвин рекомендовал Максвеллу прочитать опубликованные работы Фарадея, Кельвина, Ампера, а затем и немецких физиков в указанном порядке.
Большую часть своей жизни Максвелл посвятил исследованиям электричества . Наиболее важным вкладом Максвелла была разработка и математическая формулировка предыдущих исследований электричества и магнетизма Майклом Фарадеем , Андре-Мари Ампера и другими в системе взаимосвязанных дифференциальных уравнений . Этим он обосновал гипотезу тождества электричества и магнетизма, которая была широко распространена с начала 19 века, с помощью правдоподобной математической модели. Вначале было 20 уравнений, которые позже были резюмированы с использованием векторной записи. Эти уравнения, теперь все вместе называемые уравнениями Максвелла (или иногда «чудесными уравнениями Максвелла»), были впервые опубликованы в Королевском обществе в 1864 году. Вместе они описывают поведение как электрического, так и магнитного полей, а также их взаимодействие с веществом. Вдобавок Максвелл предсказал волны вибрирующих электрических и магнитных полей, движущихся через пустое пространство. Он мог предсказать скорость из простых электрических экспериментов; Используя данные, доступные в то время, он рассчитал, что скорость распространения составляет 310 740 000 м / с. Максвелл писал в 1864 году:
«Эта скорость настолько близка к скорости света, что кажется, что у нас есть веские основания заключить, что сам свет (включая лучистое тепло и другие излучения, если таковые имеются) является электромагнитным возмущением в форме волн, распространяющихся через электромагнитное поле в соответствии с электромагнитным полем. законы. "
«Эта скорость настолько близка к скорости света, что у нас есть веские основания заключить, что сам свет (включая тепловое излучение и возможное другое излучение) является электромагнитным возмущением, которое, согласно законам электромагнитного поля, находится в форме волн в электромагнитном поле. размножается ".
Предположение Максвелла было по сути правильным. Волновая теория позже была подтверждена экспериментами Герца и образует основу всей радиотехники . Количественная связь между светом и электромагнетизмом рассматривается как великий триумф физики XIX века. В то время Максвелл считал, что для распространения света необходима среда, в которой могут распространяться волны. Об этой среде, которую назвали световым эфиром , Максвелл написал запись, появившуюся в Британской энциклопедии в 1878 году, со следующим резюме в конце:
«Какие бы трудности мы ни испытывали при разработке последовательного представления о природе эфира, не может быть никаких сомнений в том, что межпланетные и межзвездные пространства не пусты, а заполнены материальной субстанцией или тело, наполненное безопасностью, является самое большое и, вероятно, самое однородное тело, о котором мы знаем ».
Однако со временем возникало все больше и больше трудностей в связи существования такой среды, которая заполняла всю комнату, но не могла быть обнаружена механическими средствами, с результатами таких экспериментов, как, например, Б. согласовать эксперимент Майкельсона-Морли . Вдобавок казалось, что нужна абсолютная система отсчета, в которой уравнения действительны. Это означало бы, что уравнения для движущегося наблюдателя имели бы другую форму. Эта трудность побудила Эйнштейна сформулировать специальную теорию относительности, и в этом процессе Эйнштейн отрицал необходимость в легком эфире.
Структурный анализ
Менее известны, но являются новаторскими на индивидуальном научном уровне вклад Максвелла в теорию ферм и графическую статику. Эрхард Шольц оценил соотношение двойственности теории фермы и силового многоугольника, обнаруженного Максвеллом в 1864 и 1867 годах, как «парадную лошадь графической статики». В элементарной геометрии теорема Максвелла назвала в его честь утверждение о треугольниках, которое он доказал в контексте его работы по статике.
Поздние годы
В 1871 году он был назначен первым Кавендишским профессором физики в Кембридже. Максвелл руководил строительством Кавендишской лаборатории . Он следил за каждым этапом строительства здания и покупкой драгоценной коллекции оборудования, которым была снабжена лаборатория благодаря ее щедрому основателю, 7-му герцогу Девонширскому. Он написал учебник по теории тепла (1871 г.) и отличный вводный трактат о теле и движении (1876 г.). В 1874 году он был избран членом Американской академии искусств и наук . Одним из последних великих вкладов Максвелла в науку была оценка исследований Генри Кавендиша . Оказалось, что Кавендиш занимался, среди прочего, вопросами о средней плотности земли и составе воды. Когда Максвелл умер в 1879 году в возрасте 48 лет, Джон Уильям Стратт, третий барон Рэлей , сменил его на посту Кавендишского профессора . Это ввело систематические курсы физики.
Жизнь Джеймса Клерка Максвелла была опубликована в 1882 году его одноклассником и другом на всю жизнь профессором Льюисом Кэмпбеллом (1830–1908). Его собрание сочинений, включая серию статей о свойствах материи, было опубликовано в двух томах издательством Cambridge University Press в 1890 году.
Почести
В честь Максвелла, то блок СГСА был назван Максвелл в магнитном потоке . Горный хребет на Венере, Максвелл Монтес, был назван в его честь, потому что он был обнаружен электромагнитными волнами, которые он постулировал (радиолокационные наблюдения). Кроме того, его имя носит телескоп Джеймса Клерка Максвелла на Мауна-Кеа , крупнейший в мире телескоп для электромагнитного излучения между инфракрасным и микроволнами диаметром 15 м. Луны кратер и астероид (12760) Maxwell названы в честь Джеймса К. Максвелла.
Премия Джеймса Клерка Максвелла по физике плазмы и медаль Максвелла названы в его честь.
Публикации (подборка)
- По динамической теории газов , Philosophical Transactions of the Royal Society, Vol. 157, 1867, pp. 49-88.
- Иллюстрации к динамической теории газов . Философский журнал, том 19, 1860 г., стр. 19-32, том 20, 1860 г., стр. 21-37.
-
О физических силовых линиях , 4 части, часть 1 Теория молекулярных вихрей в применении к магнитным явлениям , в: Philosophical Magazine , том 21 четвертого эпизода , 1861 г., стр. 161-175, часть 2 Теория молекулярных вихрей применительно к электрические токи , там же, стр. 281-291, 338-348, часть 3 Теория молекулярных вихрей применительно к статическому электричеству , в: Phil. Mag. , том 23 4-го эпизода, 1862 г., стр. 12-24, Часть 4 Теория молекулярных вихрей применительно к действию магнетизма на поляризованный свет , там же, 1862, стр. 85-95 ( полный текст в Wikisource ).
- Немецкое издание: О физических силовых линиях , классический № 109 Оствальда (издатель Людвиг Больцманн), Лейпциг: В. Энгельманн 1898 г.
-
На линиях силы Фарадея , Transactions Cambridge Phil. Soc., Volume 10, 1856 (также в Scientific Papers, Volume 1, 155-229)
- Немецкое издание: О силовых линиях Фарадея , Лейпциг: Вильгельм Энгельманн 1895 (редактор Людвиг Больцманн )
- Динамическая теория электромагнитного поля (« Динамическая теория электромагнитного поля »). В: Философские труды Королевского общества . Том 155, 1865, стр. 459-512, DOI : 10.1098 / rstl.1865.0008 .
-
Теория тепла . Longmans, Green and Company, Лондон 1871 г. (10-е издание 1891 г. под редакцией Джона Уильяма Стрэтта, 3-го барона Рэлея ).
- Немецкое издание: Теория тепла , Vieweg 1878 г.
-
Трактат об электричестве и магнетизме , 2 тома, Оксфорд 1873 г., 2-е издание 1881 г. (ред. У. Д. Нивен, все еще с изменениями Максвелла в первых восьми главах), 3-е издание 1891 г. (ред. Дж . Дж. Томсон ).
- Немецкое издание: Учебник электричества и магнетизма , 2 тома, Springer Verlag, Берлин 1883 г. (переводчик Бернхард Вайнштейн (1852–1918))
- Выдержки из книги Джеймса Клерка Максвелла «Электричество и магнетизм» , редактор Фриц Эмде , переводчик Хильде Баркхаузен, Vieweg 1915
-
Элементарный трактат об электричестве , Оксфорд 1881 г., 2-е издание 1888 г. (редактор У. Гарнетт)
- Немецкое издание: Электричество в элементарном лечении , Vieweg 1883 г.
- Материя и движение , Лондон, 1877 г., 2-е издание, опубликованное Джозефом Лармором, 1924 г., Перепечатка, Дувр, 1991 г.
- Эфир . В Британской энциклопедии . 9, выпуск 1878 г.
- Молекулы . В кн . : Природа . Сентябрь 1873 г.
- Электротехнические исследования достопочтенного Генри Кавендиша; под редакцией Дж. Клерка Максвелла. Написано между 1711 и 1781 годами. Отредактировано с оригинальных рукописей, находящихся во владении герцога Девонширского . Издатель: The University Press, Кембридж, 1879 г.
- Научные труды Джеймса Клерка Максвелла ; Том I . Под редакцией Уильяма Дэвидсона Нивена . Издатель: The University Press Cambridge, 1890 г.
- Научные труды Джеймса Клерка Максвелла ; Том II . (1890)
- PM Harman (Ed.): Научные письма и статьи Джеймса Клерка Максвелла . Издательство Кембриджского университета, 1990-2002 гг.
- Том 1: 1846-1862 . ISBN 0-521-25625-9 .
- Том 2: 1862-1873 . ISBN 0-521-25626-7 .
- Том 3: 1874-1879 . ISBN 0-521-25627-5 .
- О лучшей аранжировке для воспроизведения чистого спектра на экране - Труды Королевского общества Эдинбурга, том VI, сессия 1867-68
- На холмах и долинах , Philosophical Magazine 1870 (предшественник теории Морса )
- О губернаторах , Proc. Королевское общество, том 100, 1868 г.
- Книги Джеймса Кларка Максвелла в интернет-архиве - онлайн
литература
- Бэзил Махон Человек, который все изменил - жизнь Джеймса Клерка Максвелла , Wiley 2003
- Льюис Кэмпбелл, Уильям Гарнетт Жизнь Джеймса Клерка Максвелла. С подборкой его переписок и случайных работ, а также наброском его вклада в науку , Лондон, Макмиллан 1882 (стандартная биография, написанная другом (Кэмпбеллом)) в Интернет-архиве - онлайн
- Иван Толстой Джеймс Клерк Максвелл. Биография , University of Chicago Press 1982
- CWF Everitt: Максвелл, Джеймс Клерк . В: Чарльз Коулстон Гиллиспи (ред.): Словарь научной биографии . Лента 9 : А. Т. Макробиус - К. Ф. Науманн . Сыновья Чарльза Скрибнера, Нью-Йорк, 1974, стр. 198-230 .
- CWF Эверитт Джеймс Клерк Максвелл. Физик и философ , Нью-Йорк, 1975 г.
- Дэниел Сигель Инновации в электромагнитной теории Максвелла , Cambridge University Press, 1991
- Тапан К. Саркар, Магдалена Салазар-Пальма, Дипак Л. Сенгупта: Кем был Джеймс Клерк Максвелл и какова была / есть его электромагнитная теория. (PDF; 604 кБ).
- DKC MacDonald: Фарадей, Максвелл и Кельвин . Издатель: Anchor Books, Doubleday & Co., Нью-Йорк, 1964 г.
- Брюс Дж. Хант: Максвеллианцы , издательство Корнельского университета 1991
- К. Йегер, Ф. Хайльброннер (ред.): Lexikon der Elektrotechniker , VDE Verlag, 2-е издание от 2010 г., Берлин / Оффенбах, ISBN 978-3-8007-2903-6 , стр. 278-280
веб ссылки
- Литература Джеймса Клерка Максвелла и о нем в каталоге Немецкой национальной библиотеки
- ДЖЕЙМС КЛЕРК МАКСВЕЛЛ в личном лексиконе
- Биография в Немецком обществе истории почты и электросвязи
- Джеймс Клерк Максвелл Биография Университета Эрлангена
- Биография Джеймса Клерка Максвелла - Университет Сент-Эндрюс, Шотландия
- ДЖЕЙМС КЛЕРК ФОНД МАКСВЕЛЛА
- Джеймс Клерк Максвелл в Британской энциклопедии
- Уравнения Максвелла (почти) без формул. Шесть статей Мартина Бекера, scicenblogs 2010; доступ 28 сентября 2016 г.
- Максвелл, Джеймс Клерк - Словарь национальной биографии, стр. 118, том 13, Лондон 1909 г.
Индивидуальные доказательства
- ↑ Brockhaus Konversationslexikon описывает Максвелла около 1896 года следующим образом: «Основные достижения г-жи относятся к области механики. Теория тепла, расширение теории динамического газа; в области теории электричества, однако, М. является основоположником электрооптики, которую Герц развил дальше. В своих исследованиях магнетизма и электричества М. последовал за Фарадеем и дополнил свою работу в соответствии с математикой. Направление. Еще в 1856 году он работал над силовыми линиями Фарадея , затем в 1864 году он опубликовал свою динамическую теорию магнитного поля и в 1868 году метод прямого сравнения электростатической силы с электромагнитной ». Цитата из Konversationslexikon Брокгауза, Ф.А. , Берлин и Вена, 14-е издание, 1894-1896 гг.
- ^ Для коллектива авторов von Meyers Konversationslexikon около 1892 года Максвелл был «рядом с Томсоном, самым важным математическим физиком в Англии. Его многочисленные и значимые работы в основном касаются механической теории тепла, особенно новой теории газа, в развитие которой он внес значительный вклад, а также теории электричества, теоретическое рассмотрение которой он пошел по совершенно новым направлениям ». Цитата из Мейерса. Konversationslexikon, Verlag des библиографический институт, Лейпциг и Вена, 4-е издание, 1885–1892 гг.
- ^ Об описании овальных кривых и тех, которые имеют множество очагов. Мистер Клерк Максвелл-младший, с замечаниями профессора Форбса. Сообщение профессора Форбса. Понедельник, 6 апреля 1846 г. - Труды Королевского общества Эдинбурга.
- ^ Университет Абердина
- ↑ Джеймс Клерк Максвелл: Об устойчивости движений колец Сатурна. Cambridge 1859 онлайн .
- ↑ Максвелл в Glenlair Trust
- ^ Елин, Юлиус, «Магнетизм и электричество в качестве тождественных Первозданных сил», Мюнхен Лентнер, 1818
- ^ Максвелл, Джеймс Клерк: динамическая теория электромагнитного поля . Представлено в 1864 году, а затем опубликовано в: Philosophical Transactions of the Royal Society of London (155), 1865, pp. 459-512.
- ↑ Полный текст записи Максвелла об эфире в Encyclopdia Britannica, Девятое издание на Wikisource
- ↑ Цитировано и представлено в историческом контексте в: Леонард Млодинов : Окно во вселенную. Немного истории геометрии (оригинал: Окно Евклида ), Campus Verlag 2002, ISBN 3-593-36931-1 - Часть 4, История Эйнштейна , страницы 171-177.
- ^ Карл-Ойген Куррер : Вклад в теорию статически неопределимых структур . В кн . : История строительства. В поисках баланса . 2-е, сильно расширенное издание. Ernst & Sohn , Берлин, 2016 г., ISBN 978-3-433-03134-6 , стр. 481-486 .
- ↑ Карл-Ойген Куррер: От графической статики к графостатике . В кн . : История строительства. В поисках баланса . 2-е, сильно расширенное издание. Ernst & Sohn, Берлин, 2016 г., ISBN 978-3-433-03134-6 , стр. 455-470 .
- ↑ Эрхард Шольц: Симметрия. Группа. Двойственность. О связи между теоретической математикой и приложениями в кристаллографии и строительной инженерии в XIX веке . В: Эрвин Хиберт и Ханс Вусинг (ред.): Научные сети - Исторические исследования . Лента 1 . Birkhäuser Verlag, Базель 1989, ISBN 3-7643-1974-7 , стр. 201 .
- ^ Венера - Максвелл Монтес и Кратер Клеопатры. nasa.gov, доступ к 2 марта 2018 .
личные данные | |
---|---|
ФАМИЛИЯ | Максвелл, Джеймс Клерк |
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ | Шотландский физик |
ДЕНЬ РОЖДЕНИЯ | 13 июня 1831 г. |
МЕСТО РОЖДЕНИЯ | Эдинбург |
ДАТА СМЕРТИ | 5 ноября 1879 г. |
МЕСТО СМЕРТИ | Кембридж |