زندگینامه و فعالیت های علمی جیمز کلرک ماکسول به مناسبت زادروز او - وبلاگ عصر نو

به گزارش وبلاگ عصر نو، ترجمه از کیوان فیضل اللهی: صد و پنجاه سال پیش جیمز کلرک ماکسول 30 ساله نخستین قسمت از سندی فوق العاده را منتشر کرد: در باب خطوط فیزیکی نیرو)، مقاله ای درباره فیزیک ریاضیاتی الکترومغناطیس. اگر به نظرتان پیچیده می آید پیدا کردن اسباب و وسایل دنیای امروزی که بر اساس الکترومغناطیس کار می نمایند بسیار ساده است: تمام دستگاه های رایج در ارتباطات، تکنولوژی اطلاعات و میکروالکترونیک. اما مسیری که از آن موقع تا به امروز طی شده چنان که به نظر می رسد سرراست نیست.

ستایندگان ماکسول گاهی کار اور گواهی بر این ادعا تلقی می نمایند که کار های علمی بی غرضانه در نهایت منجر به نتایج عملی و مالی عظیمی خواهند شد. برای مثال در انگلستان عبارت کلرک ماکسول به عنوان علامت تجاری مراکز منطقه ای تکنولوژی و نوآوری با هدف جاه طلبانه پر کردن شکاف میان دانشگاه و صنعت، پیشنهاد شده است.

این مدل خطی - این ایده که نظریه پردازی های تارک دنیایی مستقیما می توانند به تکنولوژی های نو و سود منجر شوند - اغلب از سوی کسانی استفاده می گردد که از سرمایه گذاری های بیشتر در علم دفاع می نمایند. اما در گزارشی با عنوان قرن علمی که سال 2010 به وسیله انجمن سلطنتی بریتانیا منتشر شد آمده است. این مدل خطی، از پژوهش بنیادی تا نوآوری، ارتباط چندانی با واقعیت ندارد. بعلاوه در این گزارش گفته شده که جذابیت دیرپای این مدل را تا مقدار ای می توان با پندار های تاریخی و اسطوره های آشنایی شرح داد که به ندرت به چالش کشیده شده اند. کار باشکوه ماکسول در دهه 1860 یکی از عالی ترین نمونه های این مسئله است. این دستاورد، به جای گذار موقرانه از یک نظریه انتزاعی به کاربرد خالص، در واقع محصول شبکه ای از بازار ها، تکنولوژی ها، آزمایشگاه ها و متخصص ها در کارگاه دنیا است.

افسانه ها و ریاضیات

اساسا چرا ماکسول روی الکترومغناطیس کار می کرد؟ در دهه 1850 این خوراک رایج ریاضیدانان تحصیل نموده در دانشگاه کمبریج نبود. برنامه آموزشی دانشگاه روی علوم ریشه داری مانند مکانیک سماوی، اپتیک موجی و هیدرودینامیک متمرکز بود. دانشگاه های بریتانیایی حتا آزمایشگاه های آموزشی برای فیزیک هم نداشتند. اینکه مشهورترین پیشگام انگلیسی در تحقیقات الکترومغناطیس مایکل فارادی (M. Faraday)، استاد موسسه سلطنتی، بود خود گویای همه چیز است. در واقع فارادی شیمیدان تجربی خارق العاده ای بدون تحصیلات رسمی بود که درباره ریاضیات پیشرفته و سطح بالا چیز زیادی نمی دانست. ماکسول، برخلاف قهرمانش فارادی، گاهی بسان یک منزوی روستانشین به نظر می رسید. او اغلب به املاک 1800 جریبی اش در اسکاتلند پناه می برد، جایی که امور روستایی بیشتر زمان او را می گرفت - حتا از او به عنوان ارباب منطقه شمال یاد می شد. به نظر می رسد این تصور از خود که در فکر ماکسول پروش یافته بود در تابید این باور سنتی باشد که دانشمندان برجسته ر ها از امور دنیوی هستند.

با این حال ماکسول به عنوان نوجوانی باهوش در گالووی، در جنوب ش رقی اسکاتلند، در تبدیل اصول درسی به وسایل عملی مانند تلگراف های الکتریکی خانگی استعداد فوق العاده ای داشت. ماکسول با حمایت صمیمانه پدرش موتور های به نمایش در آمده در شهر های صنعتی و بعلاوه نمایشگاه بزرگ کار های صنعتی تمام ملل در کریستال پالاس که در سال 1851 در لندن برگزار گردید را مورد آنالیز قرار داد. نبوغ او توجه ویلیام تامسون (بعد ها به لرد کلوین (Kelvin) معروفیت یافت) را جلب کرد، این دو در سال 1950 با یکدیگر دیدار کردند. کلوین که در آن موقع استاد جوانی در دانشگاه گلاسکو بود ماکسول را تشویق کرد در خانه اش، در گالووی، کریستال های حساس به مغناطیس فراوری کند.

ماکسول پس از کامل کردن تحصیلات ریاضی اش در کمبریج، آنچنان که انتظار می رفت، وارد عرصه الکتریسیته شد. اما تحقیقات فریبنده فارادی در زمینه جریان های الکتریکی و قطب های مغناطیسی توجه او را جلب کرد. بنابراین از تامسون که پیش از آن روی این معما ها کار می کرد، هدایت خواست. پایان ماکسول و دیگر فارغ التحصیلان توانستند به جنگ الکتریسیته بروند. همه چیز در زمان مناسب رخ داد.

دو سوی اطلس

در دهه 1850 پروژ های با هدف اتصال امپراتوری بریتانیا به یک سیستم دنیای تلگراف الکتریکی شروع شد که مسائل فنی فراوانی را پیش روی ماکسول وهمکاران علمی اش قرار داد که باید حل می کردند: انتشار سیگنال ها در شبکه های الکترومغناطیسی، قابلیت اطمینان ابزار های مقدار گیری، تحلیل های نیرو، مقاومت و جریان اینکه نظریه میدان الکترومغناظیس در کشوری ابداع شد که بیشترین درگیری را با خطوط تلگراف زیردریایی داشت ، بسیار اهمیت دارد. در واقع در جا های دیگر اروپا خطوط هوایی معمول بود، بنابراین مسائل واپیچش و تاخیر ناشی از آب دریا در فرایند انتقال سیگنال وجود نداشت.

فارادی در سال 1853 شاهد مسائل فاجعه بار تاخیر سیگنال در خطوط کابلی بود که به وسیله یک کمپانی تلگراف بین لندن و منچسترکار گذاشته شده بود. او این مسائل را فرصتی برای علنی کردن نظریه اش درباره القای الکترومغناطیسی تلقی کرد. چند ماه بعد طی یک سخنرانی در موسسه س لطنتی، فارادی با استفاده از نظریه اش نشان داد چگونه آب دریا روی کابل های زیردریایی بسان پوشش بیرونی یک خازن عمل می نماید و با افزایش ظرفیت کابل باعث کند شدن القا و در نتیجه تاخیر بیشتر سیگنال خواهد شد.

ماکسول و تامسون س خنرانی فارادی - و هشدار هایی که درباره تلگراف زیردریایی داده بود - را به دقت آنالیز کردند. ظرف چند ماه تامسون به فرمولی برای رابطه میان طول کابل و تاخیر سیگنال دست یافت که برای سرمایه گذاران پشت پروژه جاه طلبانه زیردریایی 5000 کیلومتری از انگلستان به آمریکای شمالی بسیار اهمیت داشت. در سال 1856 تامسون از محققی در آزمایشگاه فیزیک نوش در گلاسکو به مدیر یکی از بزرگترین کمپانی های خط انتقال دوسوی اقیانوس اطلس و یکی از صاحب نظران مشهور در زمینه سیستم های الکترومغناطیسی تبدیل شد. در سال های پس از آن، تامسون از اختراعات ثبت شده و مشاوره هایش در زمینه تلگراف در آمد بسیار زیادی به دست آورد، آنقدر زیاد که برای خرید یک قایق تفریحی، ساخت یک عمارت اعیانی و اعطای یاری هزینه و تجهیزات به دانشگاهش کافی بود. ماکسول تامسون را به خاطر استفاده از علم برجسته اش برای تاثیر گذاشتن بر مهندسان سخت تحسین می کرد.

در این اثنا ماکسول که استاد فلسفه طبیعی در ابردین بود، مدل فارادی درباره القای الکترومغناطیسی را جسورانه مورد بازنگری قرار داد. او به این نتیجه رسید که فارادی مدل های رایج الکترومغناطیس در اروپا که در آن ها کنش های آنی میان ذرات مجزا در امتداد فضا های تھی مسلم فرض شده را به کلی نابود نموده بود. ماکسول الکترومغناطیس را وابسته به نوعی محیط سیال، فضای مملو از اتریامیدان تلقی کرد که کشش و تنش آن باعث ذخیره انرژی و انتقال کنش با سرعت های متناهی می گردد. چهارسال طاقت فرسا طول کشید تاماکسول این مدل از الکترومغناطیس را با داده های تجربی موجود سازگار کند. در ابتدای این دوره که از بهار 1857 شروع شد او در اسکاتلند بود اما در ادامه به خاطر شغل نوش به عنوان استاد فلسفه طبیعی در کالج کینگ، به لندن رفت. فلاسفه طبیعی بریتانیایی، برخلاف هم عصرانشان در فرانسه و آلمان، طوری تربیت شده بودند که نخست در چارچوب فیزیک قرقره ها، پمپ ها، ژله یا لاستیک بیندیشند و سپس آن اندیشه را به کل دنیا تعمیم دهند. این همان رویکردی بود که ماکسول در درس های مکانیک سیالات در کمبریج آموخته بود. و از این رو در مقاله اش که بهار 1861 در ژورنال علم و مجله فلسفی لندن، ادینبروو دابلین) عنوان قدیمی ژورنال مجله فلسفی منتشر شد.

ماکسول فضای خطوط نیروی مغناطیسی فارادی را به صورت چیدمان بزرگی از چرخ دنده های دوار ترسیم کرد که به وسیله رشته ها بلندی از ساچمه های بلبرینگ از هم جدا شده بودند.

معادلات مکانیکی

ماکسول در مدل 1861 خود نشان داد طرز کار مکانیسم پیچیده اش از چرخ ها و دنده ها، اگر به صورت مناسب تنظیم شوند، کاملا با طرز کارپدیده الکترومغناطیس مطابقت دارد. انرژی مغناطیسی در انرژی جنبشی چرخدنده های دوار ذخیره شده بود و چرخش و بیرون پریدن چرخ دنده ها در واقع نحوه فراوری جریان ها به وسیله تغییرات در میدان های مغناطیسی را ضبط می کرد. با چاپ شدن این دستاورد ها، ماکسول در بازگشت به املاک روستایی اش در تابستان 1861 کاملا راضی به نظر می رسید. با این حال در چند ماه پس از آن بود که درک او نسبت به اهمیت کارش به طور چشمگیری تغییر کرد.

ماکسول تابستان 1861 در اسکاتلند دریافت که محیط س یال او باید کنش ها را به وسیله امواج عرضی انتقال دهد، درست مانند ژله یا لاستیک. او توانست از روی چگالی و صلبیت محیط - که به وسیله مقدار گیری های آزمایشگاهی نیرو های الکترواستاتیک و الکترومغناطیس معین شده بود - سرعت این امواج را محاسبه کند. در بازگشت به لندن، او نتایج مشاهدات صورت گرفته در زمینه الکترومغناطیس در اواخر دهه 1850 در آلمان را آنالیز کرد و این مقادیر را به معادلاتش اعمال کرد. در کمال شگفتی او، اختلاف نسبت واحد های الکترواستاتیک و الکترومغناطیس با مقداری که یک دهه پیش در پاریس برای سرعت نور مقدار گیری شده بود، بیش از یک درصد نبود. | او در پاییز س ال 1861 به فارادی گفت این صرفا یک تطابق عددی نیست. در واقع از نگاه ماکسول این طور به نظر می رسید که نور ارتعاشی است در محیط مسبب الکترومغناطیس. او با این نگرش، جرقه وحدت حوزه های به ظاهر مجزای نورو الکترومغناطیس را زد و فیزیک را برای همواره دگرگون کرد.

پذیرش اکتشافات ماکسول نیز تحت تاثیر ملاحظات کاربردی انتقال سیگنال های تلگراف بود. در خلال دوران بی ن هایت پر بار پیش از مرگ زودهنگامش در سال 1879، ماکسول به شدت کوشش کرد مدل مکانیکی اش از میدان الکترومغناطیسیرابه نظریه دینامیکی تعمیم یافته ای برای کنش الکترومغناطیسی تبدیل کند. با وجود اهمیت کلیدی نظریه ماکسول برای فیزیک و فهم امروزی ما از تمام انواع تابش ها، سال ها طول کشید تا سایرین به این نظریه پی ببرند.

یکی از سرسخت ترین منتقدان این نظریه کسی نبود جز تامسون. در واقع او هرگز ماکسول را به خاطر عوض کردن آن زبان مکانیکی پیچیده با یک نمادگذاری جبری انتزاعی هرگز نبخشید. از نگاه او الکترومغناطیس ماکسولی، اگر نوعی پوچگرایی) نبود، گامی به عقب تلقی می شد. یکی از دلایل اختلاف فاحش میان این دو دانشمند بزرگ این بود که آن ها، از ابتدا، درباره ارتباطات تلگرافی برداشت های متفاوتی داشتند. ماکسول بر این باور بود که آنالیز های ابتدایی فارادی درباره واپیچش سیگنال به برداشتی یکپارچه از القا، رسانش و واسطه محیطی احتیاج داشت . در مقابل مدل های تامسون در خصوص ارتباطات تلگرافی بر تحلیل جداگانه رسانش در امتداد سیم ها و القا به وسیله عایق اطراف آن ها متکی بود.

در سال 1884، پنج سال پس از مرگ ماکسول، تامسون به صورت علنی ادعا کرد که به واسطه تحلیل هایش درباره انتشار سیگنال در کابل های زیردریایی، از قبل همه چیز را در خصوص نظریه الکترومغناطیسی نور می دانست. ظاهرا تامسون سرعت نور در میدان الکترومغناطیسی- موضوع مهم پژوهش های ماکسول - را با سرعت سیگنال در یک کابل زیردریایی - حوزه تخصصی تامسون - اشتباه گرفته بود. جرج فرانسیس فیتزجرالد، فیزیکدان ایرلندی ویکی از مریدان جوان ماکسول، مجبور شد به عنوان اعتراض و برای جلوگیری از چیزی که متوجه شدم اشتباه بسیار رایجی است) نامه ای به ژورنال Nature بنویسد. پیوند میان مهندسی تلگراف و سرنوشت نظریه الکترومغناطیس حتا پس از مرگ ماکسول نیز همچنان برقرار ماند.

Nature، Mar. 2011

بخوانید:

چرا زاویه دید مهم است؟!

به این حجم از اشیا کنید. آیا پیامی در آن مستتر است؟!بیشتر دقت کنید و از زاویه دیگری نگاه کنید:باز هم نشد؟!پس لازم شد که باز، از زاویه دیگری نگاه کنیم!دیدید؟ چیزی که در ابتدا برای ما بی معنی بود، در یک زاویه دید خاص، زیبا و هنری و مبتکرانه به نظر می رسد.وقتی با یک معادله ریاضی…