جيمس كلارك ماكسويل - أبو الثورة التكنولوجية في القرن العشرين

قبل 135 عامًا، نشر العالم البريطاني جيمس كلارك ماكسويل كتابًا لخص فيه أبحاثه في نظرية الكهرباء وأثار ثورة: في أربع معادلات رياضية لخص نظرية فيزيائية كاملة تصف كل المعارف المتعلقة بالكهرباء والمغناطيسية، والتي تنبأت بوجود الكهرومغناطيسية. الأمواج وغيرت وجه العالم

تم نشر المقال على الموقع تك تايم ويتم نشره على موقع هدان برعاية المؤلف ونظام المجلة

مايكل فارداي، أحد أهم علماء الفيزياء في أوائل القرن التاسع عشر وأب نظرية الكهرباء، اشتكى ذات مرة لزميله الشهير أندريه أمبير، من الميل إلى وصف كل ظاهرة فيزيائية بأدوات رياضية. "في كل مرة يتم اكتشاف ظاهرة مثيرة للاهتمام، يتم ترجمتها إلى معادلات رياضية لا أستطيع فهمها"، تذمر في الرسالة التي أرسلها إلى لامبر.

وفي نهاية المطاف، كان عالم الفيزياء ذو ​​الميول الرياضية هو الذي ترجم أفكار فاراداي المثيرة للجدل إلى معادلات رياضية غيرت وجه الفيزياء وأنجبت النظرية الكهرومغناطيسية الحديثة وصناعة الإلكترونيات.

اسمه جيمس كليرك ماكسويل. أحد أفراد عائلة نبيلة ريفية من إدنبرة باسكتلندا، وُلد قبل شهرين من نشر مايكل فارداي اكتشافه المفاجئ في أغسطس 1831، وهو أن حركة المغناطيس تولد تيارًا كهربائيًا في سلك موصل. وأدى هذا الاكتشاف إلى اكتشاف ظاهرة الحث الكهرومغناطيسي وتطوير أول محرك ومولد كهربائي، والذي بناه فاراداي في معمله بالمعهد الملكي في لندن.

لكن محاولة فارداي شرح النتائج أثارت الجدل. في القرن التاسع عشر، كانت الصورة العلمية للعالم مبنية على فيزياء نيوتن، والتي بموجبها تمارس جميع الأجسام في الطبيعة قوى على بعضها البعض من خلال الاتصال. في الدراسات الأولى التي أجراها باحثون في مجال الكهرباء، مثل فاراداي وأمبير وكيرشوف وآخرين، تم بالفعل تحديد ظواهر كهربائية مثيرة للاهتمام، ولكن لم يتم تحديد القوى و"الأجسام" التي تولدها. وكان هذا أحد الأسباب وراء بذل الكثير من الجهد في دراسة الكهرباء في العصر الفيكتوري.

ولتفسير ظاهرة الإلهام، جاء فارداي بفكرة "خطوط القوة". وفقًا لهذه الفكرة، تمتلك القوى الكهربائية والمغناطيسية نوعًا من الخطوط التي تعمل من خلالها وفي أي اتجاه تعمل في أنواع مختلفة من الوسائط. وبدا أن الفكرة تتعارض مع قوانين نيوتن، وأثارت انتقادات شديدة في المجتمع العلمي. لقد استغرق الأمر 40 عامًا وعبقري مثل ماكسويل حتى يتم قبول الفكرة من قبل الفيزيائيين.

طفولة نبيلة

ولد جيمس كلارك ماكسويل في عائلة أرستقراطية ريفية، راسخة ولكنها متواضعة. حصل والده على تعليم قانوني، لكنه كان مهتمًا بشكل أساسي بالاختراعات العلمية. كانت والدة ماكسويل تبلغ من العمر 40 عامًا عندما أنجبته، وعندما كان عمره 8 سنوات توفيت بسرطان المعدة. توفي ماكسويل نفسه عندما كان في سنها، 48 عامًا، وللسبب نفسه بالضبط.

وبعد وفاة والدته، انتقل تعليمه إلى والده الذي غرس فيه حبًا قويًا للعلم. أمضى طفولته بين إدنبرة وممتلكات عائلة جلينير في منطقة غالاوي في اسكتلندا، حيث كان يسافر كثيرًا في الطبيعة وأثبت أيضًا أنه رسام هاوٍ يتمتع بموهبة كبيرة في الرسم.

كتب ماكسويل أول بحث علمي له عندما كان عمره 14 عامًا: كيفية رسم القطع الناقص بدقة باستخدام قلم الرصاص والخيط والدبابيس. في سن السادسة عشرة بدأ الدراسة في جامعة إدنبرة وفي سن التاسعة عشرة انتقل إلى كامبريدج. على عكس الأكاديميين في عصره، قام بالتدريس في عدة جامعات في بريطانيا العظمى، وفقط في عام 16 عاد إلى كامبريدج، حتى أنه تم تعيينه أول مدير لمختبر كافنديش الشهير.
لقد كان المنتج المثالي للتعليم المستنير. إلى جانب إنجازاته العلمية المتميزة، فهو يعتبر شخصًا لطيفًا يتمتع بروح الدعابة المتطورة. لقد تحدث بنبرة ناعمة وممتعة، وكان يحب زوجته طوال حياته، وكثيرًا ما كتب قصائد عالج فيها تجاربه، بل وسخر من إدمانه للرياضيات.

سر زحل

بصفته عالم رياضيات من خلال التدريب، كان ماكسويل أحد مطوري الميكانيكا الإحصائية، وهي نظرية مصممة للمساعدة في دراسة الغازات، وكانت تستخدم لوصف سلوك الغازات من خلال حركة الجزيئات في الغاز. كما خدمته الميكانيكا الإحصائية عندما نظر عميقًا إلى الفضاء الخارجي: لما يقرب من 200 عام، كانت الحلقات حول كوكب زحل تعتبر لغزًا في عيون علماء الفلك، حيث لاحظها غاليليو في عام 1610 وعالم الفلك الهولندي هيغنز في عام 1660.

فقط في النصف الثاني من القرن التاسع عشر بدأ اللغز يتضح. عندما كان طالبًا في كامبريدج، كتب ماكسويل ورقة بحثية قام فيها بتحليل بنية الحلقات وخلص، بناءً على المبادئ المعروفة للميكانيكا، إلى أنها مصنوعة من عدد كبير من الجسيمات ذات الأحجام المختلفة.

وحتى يومنا هذا، يعتبر هذا العمل واحدًا من أولى التطبيقات المثيرة للإعجاب للرياضيات في حل المشكلات الفيزيائية. عندما اقتربت المركبة الفضائية فوييجر من زحل في عام 1980 والتقطت أول صور قريبة للحلقات، أثبت تحليل ماكسويل دقته.

الضوء والأمواج

كان الموضوع الرئيسي الذي جذب انتباهه منذ الطفولة هو الضوء. عندما كان طفلاً، كان يلعب بالعدسة المستقطبة، ثم قام باختبار استقطاب الضوء على سطح الجيلاتين الممدد. كان ماكسويل مهتمًا بشكل خاص بالظواهر الموجية للضوء والألوان التي يتكون منها الضوء، وقادته أبحاثه إلى إنتاج أول صورة ملونة في العالم.

في عام 1861 قام بتصوير فيلم من القماش الاسكتلندي ثلاث مرات متتالية، كل صورة باستخدام مرشح لون مختلف. ثم قام بعد ذلك بعرض الشرائح الثلاث على الحائط باستخدام ثلاثة أجهزة عرض مختلفة، كل منها ينتج لونًا مختلفًا باستخدام المرشحات المستخدمة لالتقاط الصورة. وعندما ركزت الصور الثلاث على نقطة واحدة، ظهرت صورة ملونة للنسيج ذي المربعات.

ومع ذلك، فإن أعظم أعمال ماكسويل، والتي لا تزال تعتبر واحدة من أكثر النظريات الفيزيائية إثارة للإعجاب وتساوي أعمال نيوتن وأينشتاين، كانت مساهمته في نظرية الكهرومغناطيسية. وقد صيغت النظرية في أربع معادلات للمجال الكهرومغناطيسي: معادلات تشكل تفسيراً رياضياً لأفكار فاراداي، والتي تحول فكرة خطوط القوة إلى صيغ دقيقة.

صورة جديدة للعالم

ومن هذه المعادلات ظهرت صورة عالمية جديدة للعلاقة بين المغناطيسية والكهرباء. ومن الأفكار التي طرحوها حول كيفية تقدم المغناطيسية والكهرباء في الفضاء، ظهرت نظرية جديدة للموجات الكهرومغناطيسية: من موجات الراديو عبر الأشعة الضوئية إلى الأشعة السينية والجسيمات الكونية.

لأكثر من 20 عامًا، انخرط ماكسويل في البحث عن ظاهرة الكهرومغناطيسية ومحاولة دمج أفكار فارداي، إلى جانب النتائج الأخرى، في نظرية رياضية موحدة. وفي عام 1873، أي قبل 135 عامًا بالضبط، نشر استنتاجاته في كتاب "دراسة في الكهرباء والمغناطيسية".

"مع تقدمي في دراسة بحث فارداي، توصلت إلى استنتاج مفاده أن أسلوبه كان رياضيًا أيضًا، على الرغم من أنه لم يتم تقديمه بالشكل التقليدي للمعادلات الرياضية. كما وجدت أنه من الممكن تمثيل هذه الطرق بطريقة رياضية مناسبة". كتب ماكسويل في الكتاب.

كان تأثير الكتاب هائلاً، على الرغم من أنه عمليًا كان يلخص فقط نتائج ماكسويل المنشورة على مدار أكثر من 20 عامًا من البحث في العديد من المقالات. في عام 1864، قدر ماكسويل أن "لدينا العديد من الأسباب لنفترض أن الضوء نفسه، بما في ذلك الإشعاع الحراري وأنواع الإشعاع الأخرى، عبارة عن اضطرابات كهرومغناطيسية في شكل موجات تتقدم وفقًا لقوانين الكهرومغناطيسية". ومع ذلك، فقط مع نشر الكتاب، الذي يتضمن جميع معادلات ماكسويل وافتراضاته، أدرك الفيزيائيون أهمية -وثورية- نظريته.

الأثير وسرعة الضوء

إحدى النتائج المذهلة لتفسير ماكسويل لفارداي هي استنتاجه بأن الظواهر الكهربائية والكهرومغناطيسية تعمل من خلال الموجات. ومثل فارداي، رفض أيضًا الفكرة السائدة في عصره، والتي بموجبها كانت هذه الظواهر عبارة عن عمل مباشر للأجسام التي تتلامس مع بعضها البعض. إلا أنه، ومن أجل التوفيق مع الصورة النيوتونية للعالم، آمن بوجود الوسط غير المرئي الذي أطلق عليه اسم الأثير، وهو موجود في كل مكان، حتى في الفراغ، والذي تسمح اضطراباته في هذا الوسط بمرور الموجات الكهرومغناطيسية. أمواج.

وباستخدام المعادلات التي طورها، أظهر أن الاضطرابات في هذا الوسط، الأثير، تكون على شكل موجات كهربائية ومغناطيسية على حد سواء، والسرعة التي تنتقل بها يجب أن تتوافق مع النسبة بين الوحدات الكهروستاتيكية والكهرومغناطيسية في والتي يتم قياس الظاهرة الكهربائية . أعطت هذه النسبة سرعة 300 مليون متر في الثانية. لقد كان قريبًا جدًا من التقدير المقبول لسرعة الضوء، لدرجة أن ماكسويل كتب إلى فارداي (1861) أنه «من الممكن الآن أن نحدد على وجه اليقين ما إذا كان ادعائي بأن الضوء والكهرومغناطيسية هما مظهران لظاهرة واحدة صحيح أم لا. "

موجات الراديو: التنبؤ الذي نجح

كان تأثير نظرية ماكسويل هائلاً، على الرغم من أن قبول جميع أفكاره وتنفيذها استغرق سنوات عديدة. وفي جهوده لتوحيد النظرية الكهربائية، واجه ماكسويل العديد من المشاكل، لأن الكثير من الحقائق حول الخواص الكهربائية للمادة والعلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية لم تكن معروفة في ذلك الوقت.

للتغلب على ذلك، استخدم استراتيجيات مختلفة، بما في ذلك استخدام اعتبارات التناظر والنماذج الميكانيكية والحدس. على سبيل المثال، تنص معادلة ماكسويل الرابعة على أن ظاهرتين قد تسببان مجالًا مغناطيسيًا: حركة الشحنة الكهربائية (التيار) والتغيرات في المجال الكهربائي. لكن الظاهرة الثانية لم تكن معروفة في عصره. ولأسباب نظرية، ومن أجل الحفاظ على سلامة المعادلات، افترض وجودها وأضاف إلى المعادلة عاملاً آخر أسماه "تيار النسخ" - وهو نوع من التيار التخيلي الذي يحدث في الفضاء بسبب التغير في المجال الكهربائي. وبهذه الطريقة، يمكن القول أنه "اخترع" الإشعاع الكهرومغناطيسي.

وبعد 25 عاماً فقط من نشر كتابه، نجح الفيزيائي الألماني هاينريش هيرتز في إنتاج موجات كهرومغناطيسية قصيرة، وإثبات أنها تتصرف مثل موجات الضوء: يمكن تركيزها وانعكاسها واستقطابها. ولكن لم يكن من السهل.
استقبل المجتمع العلمي فكرة الموجات الكهرومغناطيسية بالتشكيك، لأنه لم تكن هناك حتى الآن نتيجة تجريبية تؤكد وجودها.

وفي عام 1879، وهو عام وفاة ماكسويل، أعلنت أكاديمية العلوم في برلين جائزة لمن يكتشف الموجات الكهرومغناطيسية ويقيس سرعة انتشارها، وذلك بهدف إثبات أنه لا يوجد مجال مستقل تنتشر فيه الموجات بسرعة محدودة. .

دخل في المسابقة هاينريش هيرتز، الأستاذ في جامعة كارلسروه وابن لأب يهودي، وهو محام اعتنق المسيحية مثل العديد من اليهود في ألمانيا خلال عصر التنوير. يتكون نظام هيرتز التجريبي من جهاز إرسال وجهاز استقبال. يتكون جهاز الإرسال من مصدر جهد وملف وكرتين معدنيتين قريبتين من بعضهما البعض. كان جهاز الاستقبال مشابهًا لجهاز الإرسال، ولكن بدون مصدر للطاقة.

اكتشف هيرتز أنه في كل مرة يزداد فيها الجهد الكهربائي في جهاز الإرسال وتتشكل شرارة بين الكرتين، تظهر شرارة متوازية أضعف بين الكرتين في جهاز الاستقبال. وكان الاستنتاج هو أن تقلبات الشحنات الكهربائية بين الكرات في الدائرة الأولى خلقت موجات كهرومغناطيسية انتشرت في الفضاء ووصلت إلى الدائرة الثانية. وفي وقت لاحق، أجرى هيرتز سلسلة من التجارب أثبت فيها أن هذه الموجات تتمتع بجميع خصائص الموجات. حتى أنه قام بقياس سرعتها وأظهر أنها تساوي سرعة الضوء.

أدت تجارب هاينريش هيرتز في 1886-88 إلى ميلاد عصر الاتصالات اللاسلكية. في وقت مبكر من عام 1896، قام الإيطالي جوليلو ماركوني والروسي ألكسندر بوبوف ببناء أجهزة راديو يمكنها نقل الرسائل عبر مسافات قصيرة. وفي عام 1901، قام ماركوني بأول بث إذاعي عبر المحيط الأطلسي.

معادلات القرن العشرين

كان لمعادلات ماكسويل تأثير حاسم على تطور الفيزياء والكهرباء وصناعة الإلكترونيات. لدرجة أنها لُقبت بـ"معادلات القرن العشرين". بعد حوالي مائتي عام من نشر مبادئ نيوتن في الميكانيكا، ظهرت مرة أخرى نظرية فيزيائية موحدة، والتي تعتبر أبرز معالم الفيزياء الكلاسيكية.

تدين جميع التطورات التكنولوجية تقريبًا في المائة عام الماضية بوجودها إلى معادلات ماكسويل: الاتصالات اللاسلكية، الراداروالاتصالات البصرية والليزر والمحرك الكهربائي والمزيد. وحتى فكرة وجود الممرستور: وهو مكون أساسي رابع إلى جانب المقاومة والمكثف والمحث، والتي تم اقتراحها لأول مرة في عام 1971 من قبل البروفيسور ليون تشوا من بيركلي، كاليفورنيا، مبنية على تحليل دقيق لمعادلات ماكسويل.

ومؤخراً، أعلنت شركة HP أنها تمكنت لأول مرة من إنتاج ميريستور، يمكن استخدامه كعنصر ذاكرة سلبي، مما يخلق فرصة لثورة جديدة في نظرية الدائرة الكهربائية. ولكن إلى جانب النجاحات، خلقت معادلات ماكسويل تحديات كان على العلم مواجهتها دون جدوى لأكثر من 30 عامًا. أسئلة كان على العلماء انتظارها حتى نشر ألبرت أينشتاين النظرية النسبية العامة لحلها.

تحدي أينشتاين

مثل ماكسويل، كان ألبرت أينشتاين أيضًا مهتمًا جدًا بالعلاقة بين الضوء والكهرباء. في عام 1905، نشر مقالًا عن التأثير الكهروضوئي، والذي يقدم أول تفسير للعلاقة بين الضوء والكهرباء ويتنبأ بوجود جسيم جديد: الفوتون. بعد ذلك بدأ يتناول ظاهرتين أخريين غير مفهومتين من ظواهر نظرية ماكسويل: الأثير وتطبيق معادلات ماكسويل في الأجسام المتحركة.

كان الموقع مشكلة غير قابلة للحل لأنه أنشأ آليات إسناد لا تتوافق مع الظواهر المختلفة. خلقت معادلات ماكسويل للأجسام المتحركة مشكلة أيضًا: عندما يتحرك مغناطيس بالقرب من سلك ساكن، فإن حركة المغناطيس تخلق مجالًا كهربائيًا يؤدي إلى ظهور تيار في السلك. ومع ذلك، إذا كان المغناطيس في حالة سكون والسلك في حالة حركة، فلن يتم إنشاء مجال كهربائي (على الرغم من ظهور تيار في السلك). تنشأ المفارقة من حقيقة أن هذه الظاهرة كان يجب أن تنشأ بسبب الحركة النسبية بين المغناطيس والسلك، بغض النظر عن مسألة أي منهما في حالة سكون وأيهما متحرك.

وجد ألبرت أينشتاين البالغ من العمر 26 عامًا حلاً للمشكلة بعد التنوير المفاجئ، وفي يونيو 1905 قدم مقالًا بعنوان "حول الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة" للنشر. في هذه المقالة طور نظرية تسمى النسبية "المحدودة" (أو "الخاصة"). لقد ارتكزت على افتراضين: سرعة الضوء في الفراغ ثابتة دائمًا، والمعادلات التي تصف قوانين الفيزياء لها نفس الشكل بالنسبة لأي مراقب يتحرك بحرية (أي لا تؤثر عليه أي قوى).

التخلص من الموقع

من النظرية النسبية تأتي العلاقة بين الكتلة والطاقة، ووصف الكون بأنه ذو أربعة أبعاد (بما في ذلك الزمن)، ووصف جديد لجوهر الجاذبية، وبالطبع تغيير أساسي في النظرية الكهرومغناطيسية: في معادلات ماكسويل يظهر المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي ككيانين منفصلين. ويبدو من النظرية النسبية الخاصة أن المجالين ليسا سوى وجهين للظاهرة نفسها. يرجع عدم التماثل المذكور سابقًا إلى حقيقة أنه في إطار مرجعي واحد، يمكن للمجال الكهربائي أن يتحول إلى مجال مغناطيسي، والعكس صحيح.

والنتيجة الأخرى للنظرية النسبية هي الاستنتاج بأن معادلات ماكسويل لا تتأثر بوجود الأثير أو عدم وجوده، وبالتالي لا داعي لافتراض وجوده. أزال أينشتاين من تاريخ الفيزياء الموقع الذي كان ماكسويل مولعا به.
معادلات ماكسويل

يمكن كتابة معادلات ماكسويل بأشكال مختلفة، بعضها على شكل معادلات تفاضلية معقدة. فيما يلي نسخة مبسطة من المعادلات، كما هي مكتوبة بخط يد ماكسويل في كتيب خاص أصدره معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) تكريماً للذكرى المائة والخمسين لنشرها.

1 الشحنة الكهربائية هي مصدر المجال الكهربائي. بمصطلحات فارداي: خطوط القوة الكهربائية تبدأ وتنتهي عند الشحنة الكهربائية.

2 لا يوجد شحنة مغناطيسية. ولذلك فإن خطوط القوة المغناطيسية تنتج دائمًا دائرة مغلقة.

3. تتولد القوة الدافعة الكهربية (الجهد) في الموصل عندما يمر عبر مجال مغناطيسي (يتقاطع مع خطوط القوة).

4- التيار الكهربائي يكون دائماً محاطاً بمجال مغناطيسي (أو خطوط قوة مغناطيسية).

العلامات الرئيسية في معادلات ماكسويل:
D = كثافة التدفق الكهربائي
ρ = كثافة الشحنة الكهربائية
ب = كثافة التدفق المغناطيسي
H = قوة المجال المغناطيسي
E = شدة المجال الكهربائي
= مشغل المتجهات. يشير إلى أن المعادلة تشير إلى جميع الاتجاهات في الفضاء

مصادر:
• الكون في ضوء الفيزياء الحديثة / أ.د يورام كيرش. نشرت مع موظف في عام 2006
• الخطوط والأمواج: فاراداي، ماكسويل و150 عاماً من الكهرومغناطيسية / روبرت د. فريدل. IEEE الطيف 1981
• تراث ماكسويل / جيمس سي راوتيو. مجلة IEEE للميكروويف/يونيو 2005
• الجزيئات / جيمس كليرك ماكسويل. طبيعة/سبتمبر 1873

لمزيد من القراءة:

كارل ساجان على ماكسويل