ریاضیات

میراث علمی

الکترومغناطیس

مقالات اصلی: معادلات ماکسول و الکترومغناطیس

کارت پستال از ماکسول تا پیتر تیت

ماکسول در اوایل سال 1855 هنگامی که مقاله وی "در باره زورهای فارادی" به انجمن فلسفی کمبریج خوانده شد ، در مورد برق و مغناطیس مطالعه و اظهار نظر کرده بود . [99] در این مقاله یک مدل ساده از کار فارادی و چگونگی ارتباط برق و آهن ربا ارائه شده است. او تمام دانش فعلی را به یک مجموعه معادلات دیفرانسیل مرتبط با 20 معادله در 20 متغیر کاهش داد. این اثر بعداً در مارس 1861 با عنوان " در مورد خطوط فیزیکی نیرو " منتشر شد. [100]

در حدود سال 1862 ، هنگام سخنرانی در کالج کینگ ، ماکسول محاسبه کرد که سرعت انتشار یک میدان الکترومغناطیسی تقریباً از سرعت نور است (نگاهی به سرعت # ثابت # الکترومغناطیسی نور ). وی این موضوع را چیزی غیر از یک تصادف دانست و اظهار داشت: "ما به سختی می توان از این نتیجه گیری اجتناب کرد که نور در ناحیه برآمدگی های عرضی همان رسانه که عامل پدیده های الکتریکی و مغناطیسی است تشکیل شده است." [62]

ماکسول نشان داد که معادلات وجود امواج میدانهای الکتریکی و مغناطیسی در حال نوسان را که از طریق فضای خالی با سرعتی که می تواند از آزمایشهای الکتریکی ساده پیش بینی شود ، پیش بینی می کنند. با استفاده از داده های موجود در آن زمان، ماکسول سرعت 310،740،000 متر بر ثانیه (1.0195 به دست آمده × 10 9  فوت / S). [101] ماکسول در مقاله خود در سال 1864 با عنوان " یک نظریه دینامیکی میدان الکترومغناطیسی " نوشت: "به نظر می رسد که توافق نتایج نشان می دهد که نور و مغناطیس عاطفه های یک ماده هستند ، و آن نور نوعی اختلال الکترومغناطیسی است که از طریق مطابق قوانین الکترومغناطیسی ". [5]

بیست معادله مشهور وی ، در فرم مدرن خود از چهار معادله دیفرانسیل جزئی ، برای اولین بار در كتاب درسی خود با عنوان "رساله برق و مغناطیس" در سال 1873 به صورت كامل توسعه یافته ظاهر شد. [102] بیشتر این كارها توسط ماكسول در گلنلایر در دوره بین سال انجام شد. نگه داشتن پست لندن و گرفتن صندلی کاوندیش. [62] الیور هویزید پیچیدگی نظریه ماکسول را به چهار معادله دیفرانسیل کاهش داد ، [103] که اکنون به طور کلی به عنوان قوانین ماکسول یا معادلات ماکسول معروف است . اگرچه پتانسیل ها در قرن نوزدهم بسیار کمتر محبوب شدند ، [104]استفاده از پتانسیلهای مقیاس سنج و بردار اکنون در حل معادلات ماکسول استاندارد است. [105]

همانطور که بارت و گریمز (1995) توضیح می دهند: [106]

ماکسول الکترومغناطیس را در جبر کواترنون بیان کرد و پتانسیل الکترومغناطیسی را محور نظریه خود قرار داد. در سال 1881 هویزاید میدان پتانسیل الکترومغناطیسی را با میدانهای نیرو به عنوان محور نظریه الکترومغناطیسی جایگزین کرد. به گفته هاویزید ، میدان پتانسیل الکترومغناطیسی دلخواه بوده و نیاز به "ترور" داشت. ( sic ) چند سال بعد ، بحث بین Heaviside و [Peter Guthrie] Tate ( sic ) در مورد شایستگی های نسبی تجزیه و تحلیل برداری و چهارگوشها وجود داشت . نتیجه این واقعیت این بود که دیگر نیازی به بینش های جسمی بیشتری که توسط کوارترها ارائه می شود وجود ندارد اگر این تئوری صرفاً محلی بود و تجزیه و تحلیل بردار امری عادی بود.

ماکسول درست اثبات شد و ارتباط کمی او بین نور و الکترومغناطیس یکی از برجسته های فیزیک ریاضی قرن نوزدهم به حساب می آید . [107]

ماکسول همچنین مفهوم میدان الکترومغناطیسی را در مقایسه با خطوط نیرویی که فارادی توصیف کرد معرفی کرد. [108] با درک انتشار الکترومغناطیس به عنوان میدانی که توسط ذرات فعال ساطع می شود ، ماکسول می توانست کار خود را بر روی نور پیش ببرد. در آن زمان ، ماكسول معتقد بود كه انتشار نور به امواج نيازمند رسانه است ، لقب استر درخشان . [108] با گذشت زمان ، وجود چنین واسطه ای ، نفوذ در تمام فضا و در عین حال آشکارا با وسایل مکانیکی غیر قابل کشف ، اثبات غیرممکن بودن با آزمایش هایی مانند آزمایش میکلسون-مورلی غیرممکن شد . [109] علاوه بر این ، به نظر می رسید که نیاز به یک مرجع مطلق دارددر آن معادلات معتبر بودند ، با این نتیجه ناگوار که معادلات برای یک ناظر متحرک شکل ایجاد کردند. این مشکلات الهام گرفته از آلبرت انیشتین برای تدوین نظریه نسبیت ویژه است . در این فرآیند انیشتین با نیاز به یک استر درخشان ثابت تحویل داده شد . [110]

بینایی رنگ

اولین تصویر عکاسی با دوام رنگی ، که توسط جیمز کلرک ماکسول در سخنرانی در سال 1861 نشان داده شد

در کنار بیشتر فیزیکدانان زمان ، ماکسول علاقه جدی به روانشناسی داشت. وی در ادامه مراحل اسحاق نیوتن و توماس یانگ ، وی به مطالعه چشم انداز رنگ علاقه مند شد . از سال 1855 تا 1872 ، ماکسول در فواصل یکسری تحقیقات در مورد ادراک رنگ ، کور رنگی و نظریه رنگ منتشر کرد و به "در تئوری رنگ چشم انداز" مدال رامفورد اهدا شد . [111]

اسحاق نیوتن با استفاده از منشورها نشان داد كه چراغهای سفید ، مانند نور خورشید ، از تعدادی از اجزای تک رنگ تشکیل شده اند كه می توانند دوباره به نور سفید تبدیل شوند. [112] نیوتن همچنین نشان داد كه رنگ نارنجی از رنگ زرد و قرمز می تواند دقیقاً مانند یك نور نارنجی تک رنگ باشد ، گرچه از دو چراغ زرد و قرمز تک رنگ تشکیل شده است. از این رو پارادوکسی که فیزیکدانان زمان را به تعجب انداخته است : دو چراغ پیچیده (متشکل از بیش از یک نور تک رنگ) می توانند یکسان به نظر برسند اما از نظر جسمی متفاوت باشند ، به نام metameres . توماس یانگبعد پیشنهاد کرد که این تناقض را می توان با رنگ های توضیح داده شده که از طریق تعداد محدودی از کانال در چشم، که او پیشنهاد می شود که سه برابر، درک [113] تئوری رنگ سه رنگی . ماکسول برای اثبات نظریه یانگ از جبر خطی اخیراً توسعه یافته استفاده کرد. هر یک از نورهای تک هسته ای که سه گیرنده را تحریک می کند ، می تواند با مجموعه ای از سه چراغ تک رنگ مختلف (در واقع توسط هر مجموعه ای از سه چراغ متفاوت) تحریک شود. او نشان داد كه به این صورت است ، [114] اختراع آزمایشات تطبیق رنگ و رنگ سنجی .

ماکسول همچنین علاقه مند به استفاده از تئوری ادراک رنگ ، یعنی در عکاسی با رنگ بود . به طور مستقیم از کار روانشناختی خود بر روی درک رنگ ناشی می شود: اگر یک مجموعه از هر سه چراغ می تواند هر رنگ قابل تصور را تولید کند ، می توان عکسهای رنگی را با مجموعه ای از سه فیلتر رنگ تولید کرد. در طول مقاله خود در سال 1855 ، ماکسول پیشنهاد کرد که اگر سه عکس سیاه و سفید از یک صحنه از طریق فیلترهای قرمز ، سبز و آبی گرفته شود و چاپ های شفاف تصاویر با استفاده از سه پروژکتور مجهز به فیلترهای مشابه روی صفحه نمایش داده شود. ، هنگامی که بر روی صفحه نمایش قرار گرفت ، نتیجه توسط چشم انسان به عنوان یک تولید مثل کامل از تمام رنگ های صحنه درک می شود. [115]

در طی سخنرانی موسسه سلطنتی سال 1861 در زمینه تئوری رنگ ، ماکسول اولین نمایش جهانی از عکس رنگی را با این اصل تجزیه و تحلیل و ترکیب سه رنگ ارائه داد. توماس ساتون ، مخترع دوربین رفلکس تک لنز ، عکس گرفت. وی سه بار از طریق فیلترهای قرمز ، سبز و آبی از روبان تارتان عکاسی کرد و همچنین از طریق فیلتر زرد یک عکس چهارم تهیه کرد که طبق روایت ماکسول در این تظاهرات مورد استفاده قرار نگرفت. زیرا صفحات عکاسی ساتوننسبت به قرمز و به سختی نسبت به سبز حساس بودند ، نتایج این آزمایش پیشگامانه دور از ایده آل نبود. در حساب منتشر شده این سخنرانی اظهار داشت که "اگر تصاویر قرمز و سبز به اندازه آبی رنگ کاملاً عکاسی شده بود ،" آن "یک تصویر واقعاً رنگی از ریباند بود. با پیدا کردن مواد عکاسی حساس تر به پرتوهای کمتر قابل تصفیه ، نمایندگی رنگ اشیاء ممکن است تا حد زیادی بهبود یابد. " [72] [116] [117] محققان در سال 1961 نتیجه گرفتند که موفقیت جزئی به ظاهر غیرممکن در معرض فیلتر قرمز ناشی از نور ماوراء بنفش است ، که توسط برخی از رنگهای قرمز کاملاً منعکس شده است ، کاملاً توسط فیلتر قرمز استفاده نشده مسدود شده است ، و در محدوده حساسیتفرایند جمع آوری مرطوب ساتن کار می کند. [118]

نظریه سینتیکی و ترمودینامیک

دیو ماکسول ، آزمایش فکری است که در آن آنتروپی کاهش می یابد

طرح ماکسول از سطح ترمودینامیکی سه بعدی که بعداً به نام وی نامگذاری شد (نامه ای به تامسون ، 8 ژوئیه 1875)

مقاله اصلی: توزیع ماکسول - بولتزمن

ماکسول همچنین نظریه جنبشی گازها را مورد بررسی قرار داد . این تئوری که از دانیل برنولی شروع شده است ، توسط زحمات پی در پی جان هراپات ، جان جیمز واترستون ، جیمز ژول و به ویژه رودولف کلاسیوس پیش رفت تا حدی که صحت عام خود را فراتر از تردید قرار دهد. اما پیشرفت بسیار زیادی از ماکسول دریافت کرد ، که در این زمینه بعنوان یک آزمایشگر (براساس قوانین اصطکاک گازی) و همچنین یک ریاضیدان ظاهر شد. [119]

بین سالهای 1859 و 1866 ، او تئوری توزیع سرعت در ذرات یک گاز را ساخت ، بعداً توسط لودویگ بولتزمن تعمیم داده شد . [120] [121] فرمول ، به نام توزیع ماکسول-بولتزمن ، کسری از مولکول های گازی را با سرعت مشخص در هر دمای معین در حال حرکت می کند. در تئوری جنبشی ، دما و گرما فقط شامل حرکت مولکولی است. این رویکرد قوانین ترمودینامیک قبلا تعیین شده را تعمیم داده و مشاهدات و آزمایش های موجود را به روشی بهتر از آنچه قبلاً به دست آمده توضیح داد. کار وی در زمینه ترمودینامیک باعث شد تا او آزمایش فکر را که بعداً مشهور شد ، ابداع کنددیو ماکسول ، که در آن قانون دوم ترمودینامیک توسط یک تخیل وجود دارد که قادر به مرتب سازی ذرات با انرژی است. [122]

در سال 1871 او روابط ترمودینامیکی ماکسول را برقرار کرد ، که عبارت از برابری در بین مشتقات دوم پتانسیلهای ترمودینامیکی با توجه به متغیرهای مختلف ترمودینامیکی است. در سال 1874 ، وی تجسم ترمودینامیکی گچ را به عنوان روشی برای کاوش در انتقال فاز ، براساس مقالات ترمودینامیک گرافیکی دانشمند آمریکایی ، جوزیا ویلارد گیبس ، ساخت . [123] [124]

نظریه کنترل

مقاله اصلی: نظریه کنترل

ماکسول مقاله "درباره فرمانداران" را در مجموعه مقالات جامعه سلطنتی ، جلد. 16 (1867-1867). [125] این مقاله به عنوان مقاله اصلی در اوایل تئوری کنترل در نظر گرفته شده است . [126] در اینجا "فرمانداران" به فرماندار یا فرماندار گریز از مرکز که برای تنظیم موتورهای بخار استفاده می شود ، اشاره دارد .

میراث

مقاله اصلی: لیست مواردی که به نام جیمز کلرک ماکسول ارائه شده است

بنای یادبود James Clerk Maxwell در ادینبورگ ، توسط الکساندر استودارت . به سفارش انجمن سلطنتی ادینبورگ؛ در سال 2008 رونمایی شد

انتشارات

• ماکسول ، جیمز کلرک (1873) ، رساله ای در مورد برق و مغناطیس جلد اول ، آکسفورد: کلاردنون پرس
• ماکسول ، جیمز کلرک (1873) ، رساله ای در مورد برق و مغناطیس جلد دوم ، آکسفورد: Clarendon Press
• ماکسول ، جیمز کلرک (1881) ، رساله ابتدایی در مورد برق ، آکسفورد: Clarendon Press
• ماکسول ، جیمز کلرک (1890) ، مقالات علمی جیمز کلرک ماکسول جلد اول ، انتشارات داور
• ماکسول ، جیمز کلرک (1890) ، مقالات علمی جیمز کلرک Maxwell Vol II ، کمبریج ، انتشارات دانشگاه
• ماکسول ، جیمز کلرک (1908) ، تئوری گرما ، شرکت Longmans Green.[127]
• سه مورد از ماكسول در دایره المعارف بریتانیكا در نسخه نهم (1878) ظاهر شد: Atom ، [1] Attraction ، [2] و Ether [3] ؛ و سه نسخه در یازدهم (1911): عمل مویرگی ، [4] نمودار ، [5] و فارادی ، مایکل [6] .