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James Clark Maxwell Bedeutung der Entdeckung. Arbeitet zur molekularkinetischen Theorie von Gasen. Wie das Cavendish Laboratory gegründet wurde

Internationale Universität für Natur, Gesellschaft und Mensch „Dubna“
Abteilung für nachhaltige innovative Entwicklung
FORSCHUNGSARBEIT

zum Thema:

„Beiträge zur Wissenschaft von James Clerk Maxwell“

Abgeschlossen von: Pleshkova A.V., Gr. 5103

Geprüft von: Bolshakov B. E.

Dubna, 2007

Die Formeln, zu denen wir gelangen, müssen so beschaffen sein, dass ein Vertreter einer Nation das korrekte Ergebnis erhalten würde, wenn er anstelle von Symbolen numerische Werte von in seinen nationalen Einheiten gemessenen Mengen einsetzt.

J. C. Maxwell

Biografie 5

Entdeckungen von J. C. Maxwell 8

Edinburgh. 1831-1850 8

Kindheit und Schuljahre 8

Erste Eröffnung 9

Universität Edinburgh 9

Optisch-mechanische Forschung 9

1850-1856 Cambridge 10

Stromklassen 10

Aberdeen 1856-1860 12

Abhandlung über die Ringe des Saturn 12

London - Glenlair 1860-1871 13

Erstes Farbfoto 13

Wahrscheinlichkeitstheorie 14

Mechanisches Maxwell-Modell 14

Elektromagnetische Wellen und elektromagnetische Theorie des Lichts 15

Cambridge 1871-1879 16

Cavendish-Labor 16

Weltweite Anerkennung 17

Dimension 18

Gesetz der Energieerhaltung 22

Liste der verwendeten Literatur 23

Einführung

Heute sind die Ansichten von J. C. Maxwell, einem der größten Physiker der Vergangenheit, dessen Name mit grundlegenden wissenschaftlichen Errungenschaften verbunden ist, die zum goldenen Fundus der modernen Wissenschaft gehören, von großem Interesse. Maxwell ist für uns als herausragender Methodologe und Wissenschaftshistoriker interessant, der die Komplexität und Widersprüchlichkeit des Prozesses der wissenschaftlichen Forschung zutiefst verstanden hat. Als Maxwell die Beziehung zwischen Theorie und Realität analysierte, rief er schockiert aus: „Aber wer wird mich in die noch verborgenere nebulöse Region führen, in der sich Gedanken mit Fakten verbinden, wo wir die geistige Arbeit des Mathematikers und die physikalische Wirkung von Molekülen in ihnen sehen?“ wahre Proportionen? Führt der Weg zu ihnen nicht durch das Versteck der Metaphysiker, das mit den Überresten früherer Forscher übersät ist und jedem Mann der Wissenschaft Schrecken einflößt? ... In unserer täglichen Arbeit stoßen wir auf Fragen der gleichen Art wie Metaphysiker, aber ohne uns darauf zu verlassen Auf der Grundlage der angeborenen Einsicht unseres Geistes nähern wir uns ihnen, vorbereitet durch eine langfristige Anpassung unserer Denkweise an die Tatsachen der äußeren Natur.“ (James Clerk Maxwell. Artikel und Reden. M., „Science“, 1968. S.5).

Biografie

Geboren in die Familie eines schottischen Adligen aus einer Adelsfamilie von Angestellten. Er studierte zunächst in Edinburgh (1847–1850), dann an den Universitäten von Cambridge (1850–1854). 1855 wurde er von 1856 bis 1860 Mitglied des Rates des Trinity College. war Professor am Marischal College der University of Aberdeen und leitete ab 1860 die Abteilung für Physik und Astronomie am King's College der University of London. Im Jahr 1865 trat Maxwell aufgrund einer schweren Krankheit von seinem Amt zurück und ließ sich auf seinem Familienanwesen in Glenlare in der Nähe von Edinburgh nieder. Er studierte weiterhin Naturwissenschaften und schrieb mehrere Aufsätze über Physik und Mathematik. 1871 übernahm er den Lehrstuhl für Experimentalphysik an der Universität Cambridge. Er organisierte ein Forschungslabor, das am 16. Juni 1874 eröffnet wurde und zu Ehren von G. Cavendish den Namen Cavendish erhielt.

Bereits während seiner Schulzeit vollendete Maxwell seine erste wissenschaftliche Arbeit und erfand eine einfache Möglichkeit, ovale Formen zu zeichnen. Über diese Arbeit wurde auf einer Tagung der Royal Society berichtet und sie wurde sogar in ihren Proceedings veröffentlicht. Als Mitglied des Rates des Trinity College war er an Experimenten zur Farbtheorie beteiligt und fungierte als Fortsetzer von Jungs Theorie und Helmholtz‘ Theorie der drei Primärfarben. Bei Experimenten zur Farbmischung verwendete Maxwell einen speziellen Kreisel, dessen Scheibe in unterschiedlich gefärbte Sektoren unterteilt war (Maxwell-Scheibe). Wenn sich der Kreisel schnell drehte, verschmolzen die Farben: Wenn die Scheibe auf die gleiche Weise wie die Farben des Spektrums bemalt wurde, erschien sie weiß; Wenn eine Hälfte davon rot und die andere Hälfte gelb gestrichen war, erschien es orange; Durch die Mischung von Blau und Gelb entstand der Eindruck von Grün. Im Jahr 1860 wurde Maxwell für seine Arbeiten zur Farbwahrnehmung und Optik mit der Rumford-Medaille ausgezeichnet.

Im Jahr 1857 schrieb die Universität Cambridge einen Wettbewerb für die beste Arbeit über die Stabilität der Saturnringe aus. Diese Formationen wurden von Galileo zu Beginn des 17. Jahrhunderts entdeckt. und präsentierte ein erstaunliches Geheimnis der Natur: Der Planet schien von drei kontinuierlichen konzentrischen Ringen umgeben zu sein, die aus einer Substanz unbekannter Natur bestanden. Laplace hat bewiesen, dass sie nicht solide sein können. Nach einer mathematischen Analyse kam Maxwell zu der Überzeugung, dass sie nicht flüssig sein könnten, und kam zu dem Schluss, dass eine solche Struktur nur dann stabil sein könne, wenn sie aus einem Schwarm unabhängiger Meteoriten bestehe. Die Stabilität der Ringe wird durch ihre Anziehungskraft auf Saturn und die gegenseitige Bewegung von Planet und Meteoriten gewährleistet. Für diese Arbeit erhielt Maxwell den J. Adams-Preis.

Eines der ersten Werke Maxwells war seine kinetische Theorie der Gase. Im Jahr 1859 hielt der Wissenschaftler auf einer Tagung der British Association einen Bericht, in dem er die Geschwindigkeitsverteilung von Molekülen (Maxwellsche Verteilung) vorstellte. Maxwell entwickelte die Ideen seines Vorgängers bei der Entwicklung der kinetischen Gastheorie durch R. Clausius weiter, der das Konzept der „mittleren freien Weglänge“ einführte. Maxwell ging von der Idee eines Gases als Ensemble vieler ideal elastischer Kugeln aus, die sich chaotisch in einem geschlossenen Raum bewegen. Kugeln (Moleküle) können je nach Geschwindigkeit in Gruppen eingeteilt werden, während im stationären Zustand die Anzahl der Moleküle in jeder Gruppe konstant bleibt, obwohl sie Gruppen verlassen und in Gruppen eintreten können. Aus dieser Überlegung folgte, dass „die Verteilung der Teilchen durch die Geschwindigkeit nach demselben Gesetz erfolgt, nach dem Beobachtungsfehler in der Theorie der Methode der kleinsten Quadrate verteilt werden, d. h. in Übereinstimmung mit der Gaußschen Statistik.“ Im Rahmen seiner Theorie erläuterte Maxwell das Avogadro-Gesetz, die Diffusion, die Wärmeleitfähigkeit und die innere Reibung (Übertragungstheorie). 1867 zeigte er die statistische Natur des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik („Maxwells Dämon“).

Im Jahr 1831, dem Jahr, in dem Maxwell geboren wurde, führte M. Faraday klassische Experimente durch, die ihn zur Entdeckung der elektromagnetischen Induktion führten. Maxwell begann etwa 20 Jahre später mit der Erforschung von Elektrizität und Magnetismus, als es zwei Ansichten über die Natur elektrischer und magnetischer Effekte gab. Wissenschaftler wie A. M. Ampere und F. Neumann hielten an dem Konzept der Fernwirkung fest und betrachteten elektromagnetische Kräfte als analog zur Gravitationsanziehung zwischen zwei Massen. Faraday war ein Verfechter der Idee von Kraftlinien, die positive und negative elektrische Ladungen bzw. den Nord- und Südpol eines Magneten verbinden. Kraftlinien füllen den gesamten umgebenden Raum (Feld, in Faradays Terminologie) und bestimmen elektrische und magnetische Wechselwirkungen. Im Anschluss an Faraday entwickelte Maxwell ein hydrodynamisches Modell der Kraftlinien und drückte die damals bekannten Beziehungen der Elektrodynamik in einer mathematischen Sprache aus, die den mechanischen Modellen Faradays entsprach. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Forschung spiegeln sich in der Arbeit „Faraday’s Lines of Force“ (Faraday’s Lines of Force, 1857) wider. In den Jahren 1860-1865 Maxwell schuf die Theorie des elektromagnetischen Feldes, die er in Form eines Gleichungssystems (Maxwell-Gleichungen) formulierte, das die Grundgesetze elektromagnetischer Phänomene beschreibt: Die 1. Gleichung drückte die elektromagnetische Induktion von Faraday aus; 2. magnetoelektrische Induktion, entdeckt von Maxwell und basierend auf Ideen über Verschiebungsströme; 3. - das Gesetz der Elektrizitätserhaltung; 4. - Wirbelnatur des Magnetfeldes.

Als Maxwell diese Ideen weiter entwickelte, kam er zu dem Schluss, dass jede Änderung der elektrischen und magnetischen Felder zu Änderungen der Kraftlinien führen muss, die den umgebenden Raum durchdringen, d. h. es müssen sich Impulse (oder Wellen) im Medium ausbreiten. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Wellen (elektromagnetische Störung) hängt von der dielektrischen und magnetischen Permeabilität des Mediums ab und ist gleich dem Verhältnis der elektromagnetischen zur elektrostatischen Einheit. Laut Maxwell und anderen Forschern beträgt dieses Verhältnis 3x1010 cm/s, was nahe der Lichtgeschwindigkeit liegt, die der französische Physiker A. Fizeau sieben Jahre zuvor gemessen hatte. Im Oktober 1861 informierte Maxwell Faraday über seine Entdeckung: Licht ist eine elektromagnetische Störung, die sich in einem nichtleitenden Medium ausbreitet, also eine Art elektromagnetische Welle. Diese letzte Forschungsphase wird in Maxwells Werk „The Dynamic Theory of the Electromagnetic Field“ (Abhandlung über Elektrizität und Magnetismus, 1864) beschrieben, und das Ergebnis seiner Arbeit über Elektrodynamik wurde in der berühmten „Abhandlung über Elektrizität und Magnetismus“ zusammengefasst. . (1873)

In den letzten Jahren seines Lebens war Maxwell damit beschäftigt, den Druck und die Veröffentlichung von Cavendishs Manuskripterbe vorzubereiten. Im Oktober 1879 erschienen zwei große Bände.

Entdeckungen von J. C. Maxwell

Edinburgh. 1831-1850

Kindheit und Schuljahre

Am 13. Juni 1831 gebar Frances Kay, die Tochter eines Richters aus Edinburgh, in Edinburgh, in der India Street Nr. 14, nach ihrer Heirat mit Mrs. Clerk Maxwell einen Sohn, James. An diesem Tag geschah auf der ganzen Welt nichts Bedeutendes; das Hauptereignis des Jahres 1831 war noch nicht eingetreten. Aber seit elf Jahren versucht der brillante Faraday, die Geheimnisse des Elektromagnetismus zu verstehen, und erst jetzt, im Sommer 1831, ist er der schwer fassbaren elektromagnetischen Induktion auf die Spur gekommen, und James wird erst vier Monate alt sein, wenn Faraday zusammenfasst sein Experiment, „aus Magnetismus Elektrizität zu gewinnen“. Und damit wird eine neue Ära eröffnet – die Ära der Elektrizität. Die Ära, in der der kleine James, ein Nachkomme der glorreichen Familien der schottischen Clerks und Maxwells, leben und gestalten wird.

James‘ Vater, John Clerk Maxwell, von Beruf Anwalt, hasste das Gesetz und hatte, wie er selbst sagte, eine Abneigung gegen „schmutzige Anwaltschaft“. Wann immer sich die Gelegenheit bot, hörte John mit seinem endlosen Herumschlurfen durch die Marmorvorräume des Edinburgher Hofes auf und widmete sich wissenschaftlichen Experimenten, die er beiläufig und amateurhaft durchführte. Er war ein Amateur, er war sich dessen bewusst und nahm es hart hin. John war in die Wissenschaft verliebt, in Wissenschaftler, in Praktiker, in seinen gelehrten Großvater George. Es waren die gemeinsam mit seinem Bruder Frances Kay unternommenen Versuche, einen Blasebalg zu bauen, die ihn mit seiner späteren Frau zusammenführten; die Hochzeit fand am 4. Oktober 1826 statt. Der Blasebalg funktionierte nie, aber ein Sohn, James, wurde geboren.

Als James acht Jahre alt war, starb seine Mutter und er blieb bei seinem Vater zurück. Seine Kindheit ist erfüllt von Natur, Kommunikation mit seinem Vater, Büchern, Geschichten über seine Verwandten, „wissenschaftlichen Spielzeugen“ und seinen ersten „Entdeckungen“. James‘ Familie befürchtete, dass er keine systematische Ausbildung erhielt: zufälliges Vorlesen von allem im Haus, Astronomieunterricht auf der Veranda des Hauses und im Wohnzimmer, wo James und sein Vater einen „Himmelsglobus“ bauten. Nach einem erfolglosen Versuch, bei einem Privatlehrer zu lernen, vor dem James oft vor aufregenderen Aktivitäten davonlief, wurde beschlossen, ihn zum Studium nach Edinburgh zu schicken.

Obwohl James zu Hause unterrichtet wurde, erfüllte er die hohen Standards der Edinburgh Academy und wurde dort im November 1841 eingeschrieben. Seine Leistung im Klassenzimmer war alles andere als herausragend. Er konnte Aufgaben leicht besser erledigen, aber der Geist des Wettbewerbs bei unangenehmen Aktivitäten war ihm zutiefst fremd. Nach dem ersten Schultag kam er mit seinen Klassenkameraden nicht mehr klar und deshalb liebte James es mehr als alles andere, allein zu sein und die Gegenstände um ihn herum zu betrachten. Eines der schönsten Ereignisse, das zweifellos die triste Schulzeit aufhellte, war ein Besuch meines Vaters in der Royal Society of Edinburgh, wo die ersten „elektromagnetischen Maschinen“ ausgestellt wurden.

Die Royal Society of Edinburgh veränderte James‘ Leben: Dort erhielt er die ersten Konzepte der Pyramide, des Würfels und anderer regelmäßiger Polyeder. Die Perfektion der Symmetrie und die natürlichen Transformationen geometrischer Körper veränderten James‘ Konzept des Lernens – er sah im Lernen ein Körnchen Schönheit und Perfektion. Als die Zeit der Prüfungen kam, staunten die Studenten der Akademie – die „Narren“, wie sie Maxwell nannten, waren einer der ersten.

Erste Entdeckung

Wenn sein Vater James früher gelegentlich zu seinen Lieblingsunterhaltungsprogrammen mitnahm – den Treffen der Royal Society of Edinburgh, so wurden für ihn nun Besuche dieser Gesellschaft sowie der Edinburgh Society of Arts zusammen mit James regelmäßig und obligatorisch. Bei den Treffen der Society of Arts war Herr D.R. der berühmteste und publikumswirksamste Redner. Hey, Dekorationskünstler. Es waren seine Vorlesungen, die James zu seiner ersten großen Entdeckung veranlassten – einem einfachen Werkzeug zum Zeichnen von Ovalen. James hat eine originelle und zugleich sehr einfache und vor allem völlig neue Methode gefunden. Das Prinzip seiner Methode beschrieb er in einem kurzen „Aufsatz“, der in der Royal Society of Edinburgh gelesen wurde – eine Ehre, die viele ersehnten, die aber einem vierzehnjährigen Schüler zuteil wurde.

Universität Edinburgh

Optisch-mechanische Forschung

1847 endete das Studium an der Edinburgh Academy, James war einer der Ersten, die Beschwerden und Sorgen der ersten Jahre waren vergessen.

Nach seinem Abschluss an der Akademie betritt James die University of Edinburgh. Gleichzeitig begann er sich ernsthaft für die optische Forschung zu interessieren. Brewsters Aussagen führten James zu der Idee, dass die Untersuchung des Strahlengangs dazu genutzt werden könnte, die Elastizität eines Mediums in verschiedene Richtungen zu bestimmen und Spannungen in transparenten Materialien zu erkennen. Somit kann die Untersuchung mechanischer Spannungen auf eine optische Untersuchung reduziert werden. Zwei Strahlen, getrennt in einem gespannten transparenten Material, interagieren miteinander und lassen charakteristische farbenfrohe Bilder entstehen. James zeigte, dass Farbbilder völlig natürlicher Natur sind und für Berechnungen, zur Überprüfung zuvor abgeleiteter Formeln und zur Ableitung neuer Formeln verwendet werden können. Es stellte sich heraus, dass einige Formeln falsch oder ungenau waren oder einer Änderung bedurften.

Abb. 1 ist ein Bild der Spannungen in einem Stelendreieck, das James mit polarisiertem Licht aufgenommen hat.

Darüber hinaus konnte James Muster in Fällen entdecken, in denen zuvor aufgrund mathematischer Schwierigkeiten nichts unternommen werden konnte. Ein transparentes und belastetes Dreieck aus ungehärtetem Glas (Abb. 1) gab James die Möglichkeit, Spannungen in diesem berechenbaren Fall zu untersuchen.

Der neunzehnjährige James Clerk Maxwell stand zum ersten Mal auf dem Podium der Royal Society of Edinburgh. Sein Bericht konnte nicht unbemerkt bleiben: Er enthielt zu viel Neues und Originelles.

1850-1856 Cambridge

Elektrizitätskurse

Nun stellte niemand mehr James' Talent in Frage. Er war der Universität Edinburgh offensichtlich entwachsen und trat daher im Herbst 1850 nach Cambridge ein. Im Januar 1854 schloss James die Universität mit Auszeichnung mit einem Bachelor-Abschluss ab. Er beschließt, in Cambridge zu bleiben, um sich auf eine Professur vorzubereiten. Da er sich nun nicht mehr auf Prüfungen vorbereiten muss, erhält er die lang ersehnte Gelegenheit, seine ganze Zeit mit Experimenten zu verbringen und seine Forschungen auf dem Gebiet der Optik fortzusetzen. Sein besonderes Interesse gilt der Frage der Primärfarben. Maxwells erster Artikel hieß „Die Theorie der Farben im Zusammenhang mit Farbenblindheit“ und war nicht einmal ein Artikel, sondern ein Brief. Maxwell schickte ihn an Dr. Wilson, der den Brief so interessant fand, dass er sich um seine Veröffentlichung kümmerte: Er platzierte ihn vollständig in seinem Buch über Farbenblindheit. Und doch fühlt sich James unbewusst zu tieferen Geheimnissen hingezogen, zu Dingen, die viel unoffensichtlicher sind als das Mischen von Farben. Es war Elektrizität, die aufgrund ihrer faszinierenden Unverständlichkeit früher oder später unweigerlich die Energie seines jungen Geistes anziehen musste. James akzeptierte die Grundprinzipien der Spannungselektrizität ziemlich leicht. Nachdem er Amperes Theorie der Fernwirkung studiert hatte, erlaubte er sich trotz ihrer scheinbaren Unwiderlegbarkeit, daran zu zweifeln. Die Theorie der Fernwirkung schien zweifellos richtig, weil wurde durch die formale Ähnlichkeit von Gesetzen und mathematischen Ausdrücken für scheinbar unterschiedliche Phänomene bestätigt – Gravitations- und elektrische Wechselwirkung. Aber diese Theorie, die eher mathematisch als physikalisch war, überzeugte James nicht; er neigte zunehmend zur Faradayschen Wahrnehmung der Wirkung durch magnetische Kraftlinien, die den Raum füllen, zur Theorie der Wirkung auf kurze Distanz.

Beim Versuch, eine Theorie aufzustellen, beschloss Maxwell, die Methode der physikalischen Analogien für die Forschung zu nutzen. Zunächst galt es, die richtige Analogie zu finden. Maxwell bewunderte stets die damals einzig beachtete Analogie zwischen der Anziehung elektrisch geladener Körper und der stationären Wärmeübertragung. James baute dies sowie Faradays Vorstellungen von der Kurzstreckenwirkung und Amperes magnetische Wirkung von geschlossenen Leitern nach und nach zu einer neuen, unerwarteten und mutigen Theorie aus.

In Cambridge wird James damit beauftragt, den fähigsten Studenten die schwierigsten Kapitel der Hydrostatik- und Optikkurse beizubringen. Darüber hinaus wurde er durch die Arbeit an einem Buch über Optik von den elektrischen Theorien abgelenkt. Maxwell kommt bald zu dem Schluss, dass die Optik ihn nicht mehr wie zuvor interessiert, sondern ihn nur noch von der Erforschung elektromagnetischer Phänomene ablenkt.

Auf der Suche nach einer Analogie vergleicht James die Kraftlinien mit der Strömung einer inkompressiblen Flüssigkeit. Die Röhrentheorie aus der Hydrodynamik ermöglichte es, die Kraftlinien durch Kraftröhren zu ersetzen, was Faradays Experiment leicht erklärte. Die Konzepte des Widerstands, die Phänomene der Elektrostatik, der Magnetostatik und des elektrischen Stroms passen problemlos und einfach in den Rahmen von Maxwells Theorie. Diese Theorie passte jedoch noch nicht in das von Faraday entdeckte Phänomen der elektromagnetischen Induktion.

James musste seine Theorie für einige Zeit aufgeben, da sich der Zustand seines Vaters verschlechterte und Pflege erforderlich war. Als James nach dem Tod seines Vaters nach Cambridge zurückkehrte, konnte er aufgrund seiner Religion keinen höheren Master-Abschluss erlangen. Daher übernahm James Maxwell im Oktober 1856 den Lehrstuhl in Aberdeen.

Aberdeen 1856-1860

Abhandlung über die Ringe des Saturn

In Aberdeen entstand das erste Werk über Elektrizität – der Artikel „On Faraday's Lines of Force“, der zu einem Meinungsaustausch über elektromagnetische Phänomene mit Faraday selbst führte.

Als James sein Studium in Aberdeen begann, war in seinem Kopf bereits ein neues Problem herangewachsen, das noch niemand lösen konnte, ein neues Phänomen, das erklärt werden musste. Das waren Saturnringe. Ihre physikalische Natur zu bestimmen, sie aus Millionen von Kilometern Entfernung zu bestimmen, ohne Instrumente, nur mit Papier und Stift, war eine Aufgabe wie für ihn. Die Hypothese eines festen starren Rings verschwand sofort. Der Flüssigkeitsring würde unter dem Einfluss der in ihm entstehenden Riesenwellen zerfallen – und in der Folge würden laut James Clerk Maxwell höchstwahrscheinlich eine Vielzahl kleiner Satelliten um Saturn schweben – seiner Wahrnehmung nach „Ziegelfragmente“. . Für seine Abhandlung über die Ringe des Saturn wurde James 1857 mit dem Adams-Preis ausgezeichnet und er selbst gilt als einer der maßgeblichsten englischen theoretischen Physiker.

Abb.2 Saturn. Foto aufgenommen mit dem 36-Zoll-Refraktor am Lick Observatory.

Abb.3 Mechanische Modelle, die die Bewegung der Saturnringe veranschaulichen. Zeichnungen aus Maxwells Aufsatz „Über die Stabilität der Rotation der Ringe des Saturn“

London – Glenlair 1860-1871

Erstes Farbfoto

Im Jahr 1860 begann ein neuer Abschnitt in Maxwells Leben. Er wurde zum Professor für Naturphilosophie am King's College in London ernannt. Was die Ausstattung seiner Physiklabore angeht, war das King's College vielen Universitäten der Welt voraus. Hier ist Maxwell nicht nur in den Jahren 1864-1865. unterrichtete einen Kurs in angewandter Physik, hier versuchte er, den Bildungsprozess neu zu organisieren. Die Schüler lernten durch Experimentieren. In London kostete James Clerk Maxwell erstmals die Früchte seiner Anerkennung als bedeutender Wissenschaftler. Für seine Forschungen zur Farbmischung und Optik verlieh die Royal Society Maxwell die Rumford-Medaille. Am 17. Mai 1861 wurde Maxwell die große Ehre zuteil, vor der Royal Institution einen Vortrag zu halten. Das Thema der Vorlesung lautet „Zur Theorie der drei Grundfarben“. Als Beweis für diese Theorie wurde in diesem Vortrag der Welt zum ersten Mal die Farbfotografie vorgeführt!

Wahrscheinlichkeitstheorie

Am Ende der Aberdeen-Zeit und zu Beginn der Londoner Zeit entwickelte Maxwell neben Optik und Elektrizität ein neues Hobby – die Theorie der Gase. Bei der Arbeit an dieser Theorie führt Maxwell Konzepte wie „wahrscheinlich“ und „dieses Ereignis kann mit größerer Wahrscheinlichkeit eintreten“ in die Physik ein.

In der Physik hatte eine Revolution stattgefunden, und viele, die Maxwells Berichten auf den Jahrestagungen der British Association zuhörten, bemerkten es nicht einmal. Andererseits näherte sich Maxwell den Grenzen des mechanischen Verständnisses der Materie. Und er stieg über sie hinweg. Maxwells Schlussfolgerung über die Dominanz der Gesetze der Wahrscheinlichkeitstheorie in der Welt der Moleküle beeinflusste die grundlegendsten Grundlagen seiner Weltanschauung. Die Aussage, dass in der Welt der Moleküle „der Zufall herrscht“, war in ihrer Kühnheit eine der größten Leistungen der Wissenschaft.

Maxwells mechanisches Modell

Die Arbeit am King's College erforderte viel mehr Zeit als in Aberdeen – der Vorlesungskurs dauerte neun Monate im Jahr. Allerdings entwirft der dreißigjährige James Clerk Maxwell derzeit einen Plan für sein zukünftiges Buch über Elektrizität. Dies ist der Embryo der zukünftigen Abhandlung. Die ersten Kapitel widmet er seinen Vorgängern: Oersted, Ampere, Faraday. Maxwell versucht, Faradays Theorie der Kraftlinien, die Induktion elektrischer Ströme und Oersteds Theorie der wirbelartigen Natur magnetischer Phänomene zu erklären und erstellt sein eigenes mechanisches Modell (Abb. 5).

Das Modell bestand aus Reihen von in eine Richtung rotierenden Molekülwirbeln, zwischen denen eine Schicht winziger, rotationsfähiger kugelförmiger Partikel angeordnet war. Trotz seiner Umständlichkeit erklärte das Modell viele elektromagnetische Phänomene, einschließlich der elektromagnetischen Induktion. Der sensationelle Charakter des Modells bestand darin, dass es die von Maxwell formulierte Theorie der Wirkung eines Magnetfelds im rechten Winkel zur Stromrichtung („die Gimlet-Regel“) erklärte.

Abb. 4 Maxwell eliminiert die Wechselwirkung benachbarter Wirbel A und B, die in eine Richtung rotieren, indem er „Zwischenräder“ zwischen ihnen einführt

Abb.5 Maxwells mechanisches Modell zur Erklärung elektromagnetischer Phänomene.

Elektromagnetische Wellen und elektromagnetische Theorie des Lichts

Indem er seine Experimente mit Elektromagneten fortsetzte, kam Maxwell der Theorie näher, dass jede Änderung der elektrischen und magnetischen Kraft Wellen aussendet, die sich durch den Raum ausbreiten.

Nach einer Artikelserie „On Physical Lines“ verfügte Maxwell tatsächlich bereits über das gesamte Material, um eine neue Theorie des Elektromagnetismus zu konstruieren. Nun zur Theorie des elektromagnetischen Feldes. Die Zahnräder und Wirbel verschwanden vollständig. Für Maxwell waren die Feldgleichungen nicht weniger real und greifbar als die Ergebnisse von Laborexperimenten. Nun wurden sowohl die elektromagnetische Induktion von Faraday als auch der Verschiebungsstrom von Maxwell nicht mithilfe mechanischer Modelle, sondern mithilfe mathematischer Operationen abgeleitet.

Laut Faraday führt eine Änderung des Magnetfelds zur Entstehung eines elektrischen Feldes. Ein Anstieg im Magnetfeld verursacht einen Anstieg im elektrischen Feld.

Ein Ausbruch einer elektrischen Welle führt zu einem Ausbruch einer magnetischen Welle. So tauchten 1864 erstmals aus der Feder eines 33-jährigen Propheten elektromagnetische Wellen auf, allerdings noch nicht in der Form, wie wir sie heute verstehen. Maxwell sprach in einer Arbeit von 1864 nur über magnetische Wellen. Eine elektromagnetische Welle im wahrsten Sinne des Wortes, die sowohl elektrische als auch magnetische Störungen umfasst, tauchte später in Maxwells Arbeit im Jahr 1868 auf.

In einem anderen Artikel von Maxwell, „The Dynamic Theory of the Electromagnetic Field“, erhielt die zuvor skizzierte elektromagnetische Theorie des Lichts klare Umrisse und Beweise. Basierend auf seinen eigenen Forschungen und den Erfahrungen anderer Wissenschaftler (vor allem Faraday) kommt Maxwell zu dem Schluss, dass die optischen Eigenschaften eines Mediums mit seinen elektromagnetischen Eigenschaften zusammenhängen und Licht nichts anderes als elektromagnetische Wellen ist.

1865 beschließt Maxwell, das King's College zu verlassen. Er lässt sich auf dem Anwesen seiner Familie in Glenmeir nieder, wo er die Hauptwerke seines Lebens studiert – „The Theory of Heat“ und „Treatise on Electricity and Magnetism“. Ich widme ihnen meine ganze Zeit. Dies waren die Jahre der Einsiedelei, Jahre der völligen Loslösung von der Eitelkeit, die nur der Wissenschaft dienten, die fruchtbarsten, hellsten und kreativsten Jahre. Maxwell fühlt sich jedoch erneut von der Arbeit an der Universität angezogen und er nimmt das Angebot der Universität Cambridge an.

Cambridge 1871-1879

Cavendish-Labor

Im Jahr 1870 teilte der Herzog von Devonshire dem Senat der Universität seinen Wunsch mit, ein Physiklabor zu bauen und auszustatten. Und es sollte von einem weltberühmten Wissenschaftler geleitet werden. Dieser Wissenschaftler war James Clerk Maxwell. Im Jahr 1871 begann er mit der Ausstattung des berühmten Cavendish Laboratory. In diesen Jahren erschien schließlich seine „Abhandlung über Elektrizität und Magnetismus“. Auf mehr als tausend Seiten gibt Maxwell eine Beschreibung wissenschaftlicher Experimente, einen Überblick über alle bisher erstellten Theorien zu Elektrizität und Magnetismus sowie die „Grundgleichungen des elektromagnetischen Feldes“. Im Allgemeinen akzeptierten sie in England die Hauptgedanken der Abhandlung nicht; selbst ihre Freunde verstanden sie nicht. Maxwells Ideen wurden von jungen Leuten aufgegriffen. Maxwells Theorie hinterließ bei russischen Wissenschaftlern großen Eindruck. Jeder kennt die Rolle von Umov, Stoletov, Lebedev bei der Entwicklung und Stärkung von Maxwells Theorie.

Der 16. Juni 1874 ist der Tag der feierlichen Eröffnung des Cavendish Laboratory. Die folgenden Jahre waren von wachsender Anerkennung geprägt.

Weltweite Anerkennung

Im Jahr 1870 wurde Maxwell zum Ehrendoktor der Briefe der University of Edinburgh gewählt, 1874 zum ausländischen Ehrenmitglied der American Academy of Arts and Sciences in Boston, 1875 zum Mitglied der American Philosophical Society in Philadelphia und auch wurde Ehrenmitglied der Akademien von New York, Amsterdam, Wien. In den nächsten fünf Jahren verbrachte Maxwell die Bearbeitung und Vorbereitung der Veröffentlichung von zwanzig Sätzen von Henry Cavendishs Manuskripten.

Im Jahr 1877 verspürte Maxwell die ersten Anzeichen einer Krankheit und im Mai 1879 hielt er seine letzte Vorlesung vor seinen Studenten.

Abmessungen

In seiner berühmten Abhandlung über Elektrizität und Magnetismus (siehe Moskau, Nauka, 1989) befasste sich Maxwell mit dem Problem der Dimension physikalischer Größen und legte den Grundstein für deren kinetisches System. Die Besonderheit dieses Systems besteht darin, dass darin nur zwei Parameter vorhanden sind: die Länge L und die Zeit T. Alle bekannten (und heute unbekannten!) Größen werden darin als ganzzahlige Potenzen von L und T dargestellt. In den Dimensionsformeln erscheinen gebrochene Indikatoren anderer Systeme, ohne physischen Inhalt und ohne logische Bedeutung in diesem System.

In Übereinstimmung mit den Anforderungen von J. Maxwell, A. Poincaré, N. Bohr, A. Einstein, V. I. Vernadsky, R. Bartini Eine physikalische Größe ist genau dann universell, wenn ihr Zusammenhang mit Raum und Zeit klar istMich. Und dennoch wurde bis zu J. Maxwells Abhandlung „Über Elektrizität und Magnetismus“ (1873) der Zusammenhang zwischen der Dimension von Masse und Länge und Zeit nicht hergestellt.

Da die Dimension für Masse von Maxwell eingeführt wurde (zusammen mit der Notation in Form von eckigen Klammern), erlauben wir uns, einen Auszug aus der Arbeit von Maxwell selbst zu zitieren: „Jeder Ausdruck für jede Größe besteht aus zwei Faktoren oder Komponenten.“ Eine davon ist der Name einer bekannten Größe des gleichen Typs wie die Größe, die wir ausdrücken. Sie wird als angenommen Referenzstandard. Die andere Komponente ist eine Zahl, die angibt, wie oft der Standard angewendet werden muss, um den erforderlichen Wert zu erhalten. Die Referenzstandardmenge heißt e Einheit, und die entsprechende Zahl ist h und verbale Bedeutung von diesem Wert.“

„ÜBER DIE MESSUNG VON WERTEN“

1. Jeder Ausdruck für eine beliebige Größe besteht aus zwei Faktoren oder Komponenten. Eine davon ist der Name einer bekannten Größe des gleichen Typs wie die Größe, die wir ausdrücken. Sie wird als angenommen Referenzstandard. Die andere Komponente ist eine Zahl, die angibt, wie oft der Standard angewendet werden muss, um den erforderlichen Wert zu erhalten. Der Referenzstandardwert wird in der Technik genannt Einheit und die entsprechende Zahl ist Numerisch Bedeutung von diesem Wert.

2. Beim Aufbau eines mathematischen Systems betrachten wir die Grundeinheiten Länge, Zeit und Masse als gegeben und leiten daraus alle abgeleiteten Einheiten mithilfe der einfachsten akzeptablen Definitionen ab.

Daher ist es bei allen wissenschaftlichen Untersuchungen sehr wichtig, Einheiten zu verwenden, die zu einem richtig definierten System gehören, und auch deren Beziehungen zu den Grundeinheiten zu kennen, um die Ergebnisse eines Systems sofort auf ein anderes übertragen zu können.

Die Kenntnis der Abmessungen von Einheiten bietet uns eine Methode zur Überprüfung, die auf Gleichungen angewendet werden sollte, die als Ergebnis langfristiger Forschung ermittelt wurden.

Die Dimension jedes Termes der Gleichung relativ zu jeder der drei Grundeinheiten muss gleich sein. Wenn dies nicht der Fall ist, ist die Gleichung bedeutungslos, sie enthält einen Fehler, da ihre Interpretation anders ausfällt und von dem willkürlichen Einheitensystem abhängt, das wir akzeptieren.

Drei Grundeinheiten:

(1) LÄNGE. Der in diesem Land für wissenschaftliche Zwecke verwendete Längenstandard ist der Fuß, der einem Drittel des im Finanzministerium aufbewahrten Standard-Yards entspricht.

In Frankreich und anderen Ländern, die das metrische System eingeführt haben, ist der Längenstandard der Meter. Theoretisch ist dies ein Zehnmillionstel der Länge des Erdmeridians, gemessen vom Pol bis zum Äquator; In der Praxis ist dies die Länge des in Paris gelagerten Standards, der von Borda so hergestellt wurde, dass er bei der Schmelztemperatur des Eises dem von d'Alembert ermittelten Wert der Meridianlänge entspricht. Messungen, die neue und genauere Messungen der Erde widerspiegeln, werden nicht in das Messgerät eingegeben; im Gegenteil, der Meridianbogen selbst wird in den ursprünglichen Metern berechnet.

In der Astronomie wird als Längeneinheit manchmal die durchschnittliche Entfernung von der Erde zur Sonne angenommen.

Nach dem gegenwärtigen Stand der Wissenschaft wäre der universellste Längenstandard, der vorgeschlagen werden könnte, die Wellenlänge des Lichts einer bestimmten Art, das von einer weit verbreiteten Substanz (z. B. Natrium) emittiert wird, deren Spektrum klar erkennbare Linien aufweist. Ein solcher Standard wäre unabhängig von jeglicher Veränderung der Größe der Erde und sollte von denen übernommen werden, die hoffen, dass ihre Schriften haltbarer sein werden als dieser Himmelskörper.

Wenn wir mit Maßeinheiten arbeiten, bezeichnen wir die Längeneinheit als [ L]. Wenn der Zahlenwert der Länge l ist, dann wird darunter ein Wert verstanden, der durch eine bestimmte Einheit ausgedrückt wird [ L], so dass die gesamte wahre Länge als l dargestellt wird [ L].

(2 MAL. In allen zivilisierten Ländern wird die Standardzeiteinheit von der Umdrehungsperiode der Erde um ihre Achse abgeleitet. Der Sterntag oder die wahre Umdrehungsperiode der Erde kann mit großer Genauigkeit durch gewöhnliche astronomische Beobachtungen bestimmt werden, und der durchschnittliche Sonnentag kann dank unserer Kenntnis der Länge des Jahres aus dem Sterntag berechnet werden.

Die Sekunde der mittleren Sonnenzeit wird in allen physikalischen Studien als Zeiteinheit übernommen.

In der Astronomie wird die Zeiteinheit manchmal als Jahr angenommen. Eine universellere Zeiteinheit könnte ermittelt werden, indem man die Schwingungsperiode genau des Lichts heranzieht, dessen Wellenlänge einer Längeneinheit entspricht.

Wir bezeichnen eine bestimmte Zeiteinheit als [ T], und das numerische Maß der Zeit wird mit bezeichnet T.

(3) MASSE. In unserem Land ist die Standardmasseeinheit das Referenz-Handelspfund (Avoirdupois-Pfund), das im Finanzministerium aufbewahrt wird. Ein Grain wird oft als Einheit verwendet und ist ein 7000stel Pfund.

Im metrischen System ist die Masseneinheit das Gramm; Theoretisch ist dies die Masse eines Kubikzentimeters destilliertem Wasser bei Standardwerten für Temperatur und Druck, in der Praxis ist es ein Tausendstel des in Paris gelagerten Standardkilogramms*.

Nimmt man aber, wie es im französischen System geschieht, einen bestimmten Stoff, nämlich Wasser, als Maß für die Dichte, so hört die Masseneinheit auf, unabhängig zu sein, sondern verändert sich wie eine Volumeneinheit, d.h. Wie [ L 3]. Wenn, wie im astronomischen System, die Einheit der Masse durch die Anziehungskraft ausgedrückt wird, dann ist die Dimension [ M] erweist sich [ L 3 T2 ]".

Maxwell zeigt das Masse kann aus der Anzahl der grundlegenden Dimensionsgrößen ausgeschlossen werden. Dies wird durch zwei Definitionen des Begriffs „Macht“ erreicht:

1) und 2) .

Indem Maxwell diese beiden Ausdrücke gleichsetzt und die Gravitationskonstante als dimensionslose Größe betrachtet, erhält er:

, [M] = [L 3 T 2 ].

Masse erwies sich als eine Raum-Zeit-Größe. Seine Abmessungen: Volumen mit Winkelbeschleunigung(oder Dichte mit der gleichen Dimension).

Die Menge an Masse begann zu befriedigen das Erfordernis der Universalität. Es wurde möglich, alle anderen physikalischen Größen in Raum-Zeit-Maßeinheiten auszudrücken.

1965 wurde der Artikel „Kinematisches System physikalischer Größen“ von R. Bartini in der Zeitschrift „Berichte der Akademie der Wissenschaften der UdSSR“ (Nr. 4) veröffentlicht. Diese Ergebnisse haben außergewöhnlicher Wert für das zur Diskussion stehende Problem.

Gesetz der Machterhaltung

Lagrange, 1789; Maxwell, 1855.

Im Allgemeinen wird das Gesetz der Leistungserhaltung als Invarianz der Leistungsgröße geschrieben:

Aus der GesamtleistungsgleichungN = P + G Daraus folgt, dass Nutzleistung und Verlustleistung projektiv invers sind und daher jede Änderung der freien Energie durch Änderungen der Leistungsverluste kompensiert unter voller Leistungskontrolle .

Die gewonnene Schlussfolgerung gibt Anlass, das Gesetz der Leistungserhaltung in Form einer Skalargleichung darzustellen:

Wo .

Die Änderung des aktiven Flusses wird durch die Differenz zwischen Verlusten und Gewinnen im System ausgeglichen.

Somit beseitigt der Mechanismus eines offenen Systems die Beschränkungen des Schließens und bietet dadurch die Möglichkeit für eine weitere Bewegung des Systems. Dieser Mechanismus zeigt jedoch keine möglichen Bewegungsrichtungen auf – die Evolution von Systemen. Daher muss es durch die Mechanismen sich entwickelnder und sich nicht entwickelnder Systeme oder Nichtgleichgewichte und Gleichgewichte ergänzt werden.

Literaturverzeichnis

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James Clerk Maxwell. Artikel und Reden. M., „Wissenschaft“, 1968.
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http://www.uni-dubna.ru/
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Edinburgh. 1831-1850 ……………………………………………………………..3

Kindheit und Schuljahre

Erste Entdeckung

Universität Edinburgh …………………………………………………….4

Cambridge. 1850-1856 ……………………………………………………………5

Elektrizitätskurse

Aberdeen. 1856-1860………………………………………………………………………………7 Abhandlung über die Ringe des Saturn

London – Glenlair. 1860-1871 ………………………………………………….9

Erstes Farbfoto

Wahrscheinlichkeitstheorie

Maxwells mechanisches Modell

Elektromagnetische Wellen und elektromagnetische Theorie des Lichts

Cambridge 1871-1879 ……………………………………………………………11

Cavendish-Labor

Weltweite Anerkennung

Liste der verwendeten Literatur ………………………………………..13

Edinburgh. 1831-1850

Kindheit und Schuljahre

13. Juni 1831 In Edinburgh, in der India Street Nr. 14, gebar Frances Kay, Tochter eines Richters aus Edinburgh, nach ihrer Heirat mit Mrs. Clerk Maxwell einen Sohn, James. An diesem Tag geschah auf der ganzen Welt nichts Bedeutendes; das Hauptereignis des Jahres 1831 war noch nicht eingetreten. Aber seit elf Jahren versucht der brillante Faraday, die Geheimnisse des Elektromagnetismus zu verstehen, und erst jetzt, im Sommer 1831, ist er der schwer fassbaren elektromagnetischen Induktion auf die Spur gekommen, und James wird erst vier Monate alt sein, wenn Faraday zusammenfasst sein Experiment, „aus Magnetismus Elektrizität zu gewinnen“. Und damit wird eine neue Ära eröffnet – die Ära der Elektrizität. Die Ära, in der der kleine James, ein Nachkomme der glorreichen Familien der schottischen Clerks und Maxwells, leben und gestalten wird.

James‘ Vater, John Clerk Maxwell, von Beruf Anwalt, hasste das Gesetz und hatte, wie er selbst sagte, eine Abneigung gegen „schmutzige Anwaltschaft“. Wann immer sich die Gelegenheit bot, hörte John mit seinem endlosen Herumschlurfen durch die Marmorvorräume des Edinburgher Hofes auf und widmete sich wissenschaftlichen Experimenten, die er beiläufig und amateurhaft durchführte. Er war ein Amateur, er war sich dessen bewusst und nahm es hart hin. John war in die Wissenschaft verliebt, in Wissenschaftler, in Praktiker, in seinen gelehrten Großvater George. Es waren die zusammen mit seinem Bruder Frances Kay durchgeführten Experimente zum Bau von Blasbälgen, die ihn mit seiner späteren Frau zusammenführten; die Hochzeit fand am 4. Oktober 1826 statt. Der Blasebalg funktionierte nie, aber ein Sohn, James, wurde geboren.

Die Royal Society of Edinburgh veränderte James‘ Leben: Dort erhielt er die ersten Konzepte der Pyramide, des Würfels und anderer regelmäßiger Polyeder. Die Perfektion der Symmetrie und die natürlichen Transformationen geometrischer Körper veränderten James‘ Konzept des Lernens – er sah im Lernen ein Körnchen Schönheit und Perfektion. Als die Zeit der Prüfungen kam, staunten die Studenten der Akademie – „Duraley“, wie sie Maxwell nannten, war einer der Ersten.

Erste Entdeckung

Wenn sein Vater James früher gelegentlich zu seinen Lieblingsunterhaltungsprogrammen mitnahm – den Treffen der Royal Society of Edinburgh, so wurden für ihn nun Besuche dieser Gesellschaft sowie der Edinburgh Society of Arts zusammen mit James regelmäßig und obligatorisch. Bei den Treffen der Society of Arts war der berühmteste und meistbesuchte Redner Herr D. R. Hay, der Dekorationskünstler. Es waren seine Vorlesungen, die James zu seiner ersten großen Entdeckung veranlassten – einem einfachen Werkzeug zum Zeichnen von Ovalen. James hat eine originelle und zugleich sehr einfache und vor allem völlig neue Methode gefunden. Das Prinzip seiner Methode beschrieb er in einem kurzen „Aufsatz“, der in der Royal Society of Edinburgh gelesen wurde – eine Ehre, die viele ersehnten, die aber einem vierzehnjährigen Schüler zuteil wurde.

Universität Edinburgh

Optisch-mechanische Forschung

1847 endete das Studium an der Edinburgh Academy, James war einer der Ersten, die Beschwerden und Sorgen der ersten Jahre waren vergessen.

Abb. 1 ist ein Bild der Spannungen in einem Stelendreieck, das James mit polarisiertem Licht aufgenommen hat.

Die Untersuchung mechanischer Spannungen kann auf optische Forschung reduziert werden. Zwei Strahlen, getrennt in einem gespannten transparenten Material, interagieren miteinander und lassen charakteristische farbenfrohe Bilder entstehen. James zeigte, dass Farbbilder völlig natürlicher Natur sind und für Berechnungen, zur Überprüfung zuvor abgeleiteter Formeln und zur Ableitung neuer Formeln verwendet werden können. Es stellte sich heraus, dass einige Formeln falsch oder ungenau waren oder einer Änderung bedurften.

Der neunzehnjährige James Clerk Maxwell stand zum ersten Mal auf dem Podium der Royal Society of Edinburgh. Sein Bericht konnte nicht unbemerkt bleiben: Er enthielt zu viel Neues und Originelles.

1850-1856 Cambridge

Elektrizitätskurse

Nun stellte niemand mehr James' Talent in Frage. Er war der Universität Edinburgh offensichtlich entwachsen und trat daher im Herbst 1850 in Cambridge ein. Im Januar 1854 schloss James die Universität mit Auszeichnung mit einem Bachelor-Abschluss ab. Er beschließt, in Cambridge zu bleiben, um sich auf eine Professur vorzubereiten. Da er sich nun nicht mehr auf Prüfungen vorbereiten muss, erhält er die lang ersehnte Gelegenheit, seine ganze Zeit mit Experimenten zu verbringen und seine Forschungen auf dem Gebiet der Optik fortzusetzen. Sein besonderes Interesse gilt der Frage der Primärfarben. Maxwells erster Artikel hieß „Die Theorie der Farben im Zusammenhang mit Farbenblindheit“ und war nicht einmal ein Artikel, sondern ein Brief. Maxwell schickte ihn an Dr. Wilson, der den Brief so interessant fand, dass er sich um seine Veröffentlichung kümmerte: Er platzierte ihn vollständig in seinem Buch über Farbenblindheit. Und doch fühlt sich James unbewusst zu tieferen Geheimnissen hingezogen, zu Dingen, die viel unoffensichtlicher sind als das Mischen von Farben. Es war Elektrizität, die aufgrund ihrer faszinierenden Unverständlichkeit früher oder später unweigerlich die Energie seines jungen Geistes anziehen musste. James akzeptierte die Grundprinzipien der Spannungselektrizität ziemlich leicht. Nachdem er Amperes Theorie der Fernwirkung studiert hatte, erlaubte er sich trotz ihrer scheinbaren Unwiderlegbarkeit, daran zu zweifeln. Die Theorie der Fernwirkung schien zweifellos richtig, weil wurde durch die formale Ähnlichkeit von Gesetzen und mathematischen Ausdrücken für scheinbar unterschiedliche Phänomene bestätigt – Gravitations- und elektrische Wechselwirkung. Aber diese Theorie, die eher mathematisch als physikalisch war, überzeugte James nicht; er neigte zunehmend zu Faradays Wahrnehmung der Wirkung durch magnetische Kraftlinien, die den Raum füllen, zur Theorie der Wirkung auf kurze Distanz.

Beim Versuch, eine Theorie aufzustellen, beschloss Maxwell, die Methode der physikalischen Analogien für die Forschung zu nutzen. Zunächst galt es, die richtige Analogie zu finden. Maxwell bewunderte immer die Analogie, die zwischen den Problemen der Anziehung elektrisch geladener Körper und den Problemen der stationären Wärmeübertragung bestand, und bemerkte sie gerade erst. James baute dies sowie Faradays Vorstellungen von der Kurzstreckenwirkung und Amperes magnetische Wirkung von geschlossenen Leitern nach und nach zu einer neuen, unerwarteten und mutigen Theorie aus.

James-Clerk MAXWELL

(13.6.1831, Edinburgh, - 5.11.1879, Cambridge)

James Clerk Maxwell – englischer Physiker, Begründer der klassischen Elektrodynamik, einer der Begründer der statistischen Physik, wurde 1831 in Edinburgh geboren.
Maxwell ist der Sohn eines schottischen Adligen aus einer Adelsfamilie von Angestellten. Er studierte an den Universitäten Edinburgh (1847–50) und Cambridge (1850–54). Mitglied der Royal Society of London (1860). Professor am Marischal College in Aberdeen (1856–60), dann an der University of London (1860–65). Seit 1871 ist Maxwell Professor an der Universität Cambridge. Dort gründete er Großbritanniens erstes eigens dafür errichtetes Physiklabor, das Cavendish Laboratory, dessen Direktor er ab 1871 war.
Zu den wissenschaftlichen Aktivitäten von Maxwell gehören Probleme des Elektromagnetismus, kinetische Gastheorie, Optik, Elastizitätstheorie und vieles mehr. Maxwell vollendete sein erstes Werk „On the Drawing of Ovals and on Ovals with Many Tricks“, als er noch keine 15 Jahre alt war (1846, veröffentlicht 1851). Zu seinen ersten Studien gehörten Arbeiten zur Physiologie und Physik des Farbsehens und der Farbmetrik (1852–72). Im Jahr 1861 demonstrierte Maxwell erstmals ein Farbbild, das durch die gleichzeitige Projektion roter, grüner und blauer Dias auf eine Leinwand entstand. Damit bewies er die Gültigkeit der Dreikomponententheorie des Farbsehens und skizzierte gleichzeitig Möglichkeiten zur Erstellung von Farbfotografien. Er schuf eines der ersten Instrumente zur quantitativen Farbmessung, die Maxwell-Scheibe.
1857-59. Maxwell führte eine theoretische Untersuchung der Stabilität der Saturnringe durch und zeigte, dass Saturnringe nur dann stabil sein können, wenn sie aus unabhängigen festen Teilchen bestehen.
In der Forschung zu Elektrizität und Magnetismus (Artikel „Über Faradays Kraftlinien“, 1855–56; „Über physikalische Kraftlinien“, 1861–62; „Dynamische Theorie des elektromagnetischen Feldes“, 1864; zweibändige grundlegende „Abhandlung über Electricity and Magnetism“, 1873) entwickelte Maxwell die Ansichten von Michael Faraday über die Rolle des Zwischenmediums bei elektrischen und magnetischen Wechselwirkungen mathematisch weiter. Er versuchte (in Anlehnung an Faraday), dieses Medium als einen alles durchdringenden Weltäther zu interpretieren, doch diese Versuche waren erfolglos.
Die weitere Entwicklung der Physik zeigte, dass der Träger elektromagnetischer Wechselwirkungen ist elektromagnetisches Feld, deren Theorie (in der klassischen Physik) Maxwell geschaffen hat. In dieser Theorie fasste Maxwell alle damals bekannten Fakten der makroskopischen Elektrodynamik zusammen und führte erstmals die Idee ein, dass ein Verschiebungsstrom ein Magnetfeld wie ein gewöhnlicher Strom erzeugt (Leitungsstrom, bewegte elektrische Ladungen). Maxwell drückte die Gesetze des elektromagnetischen Feldes in Form eines Systems von 4 partiellen Differentialgleichungen aus ( Maxwells Gleichungen).
Der allgemeine und umfassende Charakter dieser Gleichungen zeigte sich darin, dass ihre Analyse die Vorhersage vieler bisher unbekannter Phänomene und Muster ermöglichte.
Daraus folgte die Existenz elektromagnetischer Wellen, die später von G. Hertz experimentell entdeckt wurden. Durch das Studium dieser Gleichungen kam Maxwell zu dem Schluss über die elektromagnetische Natur des Lichts (1865) und zeigte, dass die Geschwindigkeit aller anderen elektromagnetischen Wellen im Vakuum gleich der Lichtgeschwindigkeit ist.
Er maß (mit größerer Genauigkeit als W. Weber und F. Kohlrausch im Jahr 1856) das Verhältnis der elektrostatischen Ladungseinheit zur elektromagnetischen und bestätigte dessen Gleichheit mit der Lichtgeschwindigkeit. Maxwells Theorie implizierte, dass elektromagnetische Wellen Druck erzeugen.
Der leichte Druck wurde 1899 von P. N. Lebedev experimentell festgestellt.
Maxwells Theorie des Elektromagnetismus erhielt eine vollständige experimentelle Bestätigung und wurde zur allgemein anerkannten klassischen Grundlage der modernen Physik. Die Rolle dieser Theorie wurde von A. Einstein klar beschrieben: „... Hier ereignete sich ein großer Wendepunkt, der für immer mit den Namen Faraday, Maxwell, Hertz verbunden ist. Der Löwenanteil dieser Revolution gehört Maxwell... Nach Maxwell wurde die physikalische Realität in Form von kontinuierlichen Feldern konzipiert, die nicht mechanisch erklärt werden können... Diese Veränderung des Realitätsbegriffs ist die tiefgreifendste und fruchtbarste von denen, die die Physik vorgenommen hat seit der Zeit Newtons erlebt hat".
In Studien zur molekularkinetischen Theorie von Gasen (Artikel „Erläuterungen zur dynamischen Theorie der Gase“, 1860 und „Dynamische Theorie der Gase“, 1866) löste Maxwell als erster das statistische Problem der Verteilung idealer Gasmoleküle nach Geschwindigkeit ( Maxwell-Verteilung). Maxwell berechnete die Abhängigkeit der Gasviskosität von der Geschwindigkeit und der mittleren freien Weglänge der Moleküle (1860), berechnete deren Absolutwert und leitete eine Reihe wichtiger thermodynamischer Beziehungen ab (1860). Der Viskositätskoeffizient trockener Luft wurde experimentell gemessen (1866). 1873-74. Maxwell entdeckte das Phänomen der Doppelbrechung in einer Strömung ( Maxwell-Effekt).
Maxwell war ein bedeutender Popularisierer der Wissenschaft. Er schrieb eine Reihe von Artikeln für die Encyclopedia Britannica, populäre Bücher wie „The Theory of Heat“ (1870), „Matter and Motion“ (1873) und „Electricity in Elementary Exposition“ (1881), übersetzt ins Russische. Ein wichtiger Beitrag zur Geschichte der Physik ist Maxwells Veröffentlichung von Manuskripten von G. Cavendishs Werken über Elektrizität (1879) mit ausführlichen Kommentaren.

Am 13. Juni 1831 wurde in Edinburgh ein Junge namens James in die Familie eines Aristokraten aus der alten Clerk-Familie geboren. Sein Vater, John Clerk Maxwell, Mitglied der Anwaltskammer, hatte eine Universitätsausbildung, mochte seinen Beruf jedoch nicht und interessierte sich in seiner Freizeit für Technik und Naturwissenschaften. James‘ Mutter, Frances Kay, war die Tochter eines Richters. Nach der Geburt des Jungen zog die Familie nach Middleby, dem Anwesen der Familie Maxwell im Süden Schottlands. Bald baute John dort ein neues Haus namens Glenlar.

Die Kindheit des zukünftigen großen Physikers wurde nur durch den zu frühen Tod seiner Mutter getrübt. James wuchs als neugieriger Junge auf und war dank der Hobbys seines Vaters von Kindheit an von „technischen“ Spielzeugen umgeben, wie einem Modell der Himmelssphäre und der „Zauberscheibe“, einem Vorläufer des Kinos. Dennoch interessierte er sich auch für Poesie und schrieb übrigens sogar selbst Gedichte und gab diese Tätigkeit bis zum Ende seiner Tage nicht auf. James‘ Vater gab ihm eine Grundschulausbildung – der erste Heimlehrer wurde erst eingestellt, als James zehn Jahre alt war. Allerdings erkannte der Vater schnell, dass eine solche Ausbildung überhaupt nicht effektiv war, und schickte seinen Sohn nach Edinburgh zu seiner Schwester Isabella. Hier trat James in die Edinburgh Academy ein, wo die Kinder eine rein klassische Ausbildung erhielten – Latein, Griechisch, antike Literatur, Heilige Schrift und ein wenig Mathematik. Dem Jungen gefiel das Lernen nicht sofort, aber nach und nach wurde er der beste Schüler der Klasse und interessierte sich hauptsächlich für Geometrie. Zu dieser Zeit erfand er seine eigene Methode zum Zeichnen von Ovalen.

Im Alter von sechzehn Jahren schloss James Maxwell die Akademie ab und ging an die University of Edinburgh. Hier interessierte er sich schließlich für die exakten Wissenschaften, und bereits 1850 erkannte die Royal Society of Edinburgh seine Arbeit zur Elastizitätstheorie als ernst an. Im selben Jahr stimmte James‘ Vater zu, dass sein Sohn eine angesehenere Ausbildung brauchte, und James ging nach Cambridge, wo er zunächst am Peterhouse College studierte und im zweiten Semester an das Trinity College wechselte. Zwei Jahre später erhielt Maxwell für seinen Erfolg ein Universitätsstipendium. Allerdings beschäftigte er sich in Cambridge nur sehr wenig mit Naturwissenschaften – er las mehr, knüpfte neue Bekanntschaften und bewegte sich aktiv unter den Intellektuellen der Universität. Zu dieser Zeit bildeten sich auch seine religiösen Ansichten – bedingungsloser Glaube an Gott und Skepsis gegenüber der Theologie, die James Maxwell unter anderen Wissenschaften an letzter Stelle stellte. Während seiner Studienzeit wurde er auch Anhänger des sogenannten „Christlichen Sozialismus“ und beteiligte sich an der Arbeit der „Arbeiterhochschule“, wo er beliebte Vorlesungen hielt.

Mit 23 Jahren bestand James die Abschlussprüfung in Mathematik und belegte den zweiten Platz auf der Studentenliste. Nach Erhalt seines Bachelor-Abschlusses beschloss er, an der Universität zu bleiben und sich auf den Rang eines Professors vorzubereiten. Er unterrichtete, arbeitete weiterhin mit der Arbeiterhochschule zusammen und begann ein Buch über Optik, das er nie zu Ende brachte. Gleichzeitig schuf Maxwell eine experimentelle Comic-Studie, die Teil der Cambridge-Folklore wurde. Der Zweck dieser Studie war „Katzenrollen“ – Maxwell bestimmte die Mindesthöhe, aus der eine Katze beim Fallen auf ihren Pfoten steht. Doch James‘ Hauptinteresse galt damals der Farbtheorie, die aus Newtons Vorstellung von der Existenz von sieben Primärfarben entstand. Sein ernsthaftes Interesse an Elektrizität geht auf die gleiche Zeit zurück. Unmittelbar nach seinem Bachelor-Abschluss begann Maxwell mit der Erforschung von Elektrizität und Magnetismus. In der Frage nach der Natur magnetischer und elektrischer Effekte übernahm er die Position von Michael Faraday, wonach Kraftlinien negative und positive Ladungen verbinden und den umgebenden Raum füllen. Die korrekten Ergebnisse wurden jedoch durch die bereits etablierte und strenge Wissenschaft der Elektrodynamik erzielt, und deshalb stellte sich Maxwell die Frage, eine Theorie zu konstruieren, die sowohl Faradays Ideen als auch die Ergebnisse der Elektrodynamik umfasste. Maxwell entwickelte ein hydrodynamisches Modell der Kraftlinien und es gelang ihm auch erstmals, die von Faraday entdeckten Gesetze in der Sprache der Mathematik auszudrücken – in Form von Differentialgleichungen.

Im Herbst 1855 wurde James Maxwell, nachdem er die erforderliche Prüfung erfolgreich bestanden hatte, Mitglied des Universitätsrates, was damals übrigens die Ablegung eines Zölibatsgelübdes bedeutete. Mit Beginn des neuen Semesters begann er, an der Hochschule Vorlesungen über Optik und Hydrostatik zu lesen. Im Winter musste er jedoch auf sein Heimatgut gehen, um seinen schwerkranken Vater nach Edinburgh zu transportieren. Als James nach England zurückkehrte, erfuhr er, dass am Aberdeen Marischal College eine Stelle für einen Lehrer für Naturphilosophie frei war. Dieser Ort gab ihm die Möglichkeit, seinem Vater näher zu sein, und Maxwell sah in Cambridge keine Perspektive für sich. Mitte Frühjahr 1856 wurde er Professor in Aberdeen, doch John Clerk Maxwell starb vor der Ernennung seines Sohnes. James verbrachte den Sommer auf dem Familienanwesen und reiste im Oktober nach Aberdeen.

Aberdeen war der wichtigste Hafen Schottlands, aber viele Fakultäten der Universität wurden leider verlassen. Schon in den ersten Tagen seiner Professur begann James Maxwell, diese Situation zumindest in seinem Fachbereich zu korrigieren. Er arbeitete an neuen Lehrmethoden und versuchte, Studierende für wissenschaftliches Arbeiten zu begeistern, was ihm jedoch nicht gelang. Die Vorlesungen des neuen Professors waren voller Humor und Wortspiele und behandelten sehr komplexe Dinge, und diese Tatsache schreckte die meisten Studenten ab, die an die Beliebtheit der Präsentation, den Mangel an Demonstrationen und die Vernachlässigung der Mathematik gewöhnt waren. Von den acht Dutzend Schülern konnte Maxwell nur wenige Menschen unterrichten, die wirklich lernen wollten.

In Aberdeen ordnete Maxwell auch sein Privatleben – im Sommer 1858 heiratete er die jüngste Tochter des College-Direktors Marischal, Catherine Dewar. Unmittelbar nach der Hochzeit wurde James aus dem Rat des Trinity College ausgeschlossen, weil er gegen sein Zölibatsgelübde verstoßen hatte.

Bereits 1855 bot Cambridge Arbeiten zur Erforschung der Saturnringe für den prestigeträchtigen Adams-Preis an, und 1857 gewann James Maxwell den Preis. Doch mit dem Preis gab er sich nicht zufrieden, er entwickelte das Thema weiter und veröffentlichte schließlich 1859 die Abhandlung „Über die Stabilität der Bewegung der Saturnringe“, die bei Wissenschaftlern sofort Anerkennung fand. Die Abhandlung galt als die brillanteste Anwendung der Mathematik auf die Physik, die es gibt. Während seiner Professur am Aberdeen College beschäftigte sich Maxwell auch mit dem Thema Lichtbrechung, geometrischer Optik und vor allem der kinetischen Theorie von Gasen. 1860 erstellte er das erste statistische Modell von Mikroprozessen, das zur Grundlage für die Entwicklung der statistischen Mechanik wurde.

Die Professur an der University of Aberdeen passte ganz gut zu Maxwell – das College verlangte seine Anwesenheit nur von Oktober bis Mai, die restliche Zeit war der Wissenschaftler völlig frei. Im College herrschte eine Atmosphäre der Freiheit, die Professoren hatten keine strengen Verantwortlichkeiten, und außerdem hielt Maxwell jede Woche bezahlte Vorlesungen an der Aberdeen Scientific School für Mechaniker und Handwerker, an deren Ausbildung er immer interessiert war. Dieser bemerkenswerte Zustand änderte sich 1859, als beschlossen wurde, die beiden Hochschulen der Universität zu vereinen, und die Position eines Professors in der Abteilung für Naturphilosophie abgeschafft wurde. Maxwell versuchte, die gleiche Stelle an der Universität von Edinburgh zu bekommen, aber die Stelle ging durch Konkurrenz an seinen alten Freund Peter Tat. Im Juni 1860 wurde James eine Professur in der Abteilung für Naturphilosophie am King's College in der Hauptstadt angeboten. Im selben Monat hielt er einen Vortrag über seine Forschungen zur Farbtheorie und erhielt bald darauf die Rumford-Medaille für seine Arbeiten in den Bereichen Optik und Farbmischung. Die gesamte verbleibende Zeit bis zum Semesterbeginn verbrachte er jedoch in Glenlare, dem Familienanwesen – und zwar nicht in wissenschaftlichen Studien, sondern schwer an Pocken erkrankt.

Der Beruf als Professor in London erwies sich als viel weniger angenehm als in Aberdeen. Das King's College verfügte über hervorragend ausgestattete Physiklabore und schätzte die experimentelle Wissenschaft, unterrichtete aber auch viel mehr Studenten. Die Arbeit ließ Maxwell nur Zeit für Heimexperimente. 1861 wurde er jedoch in das Normenkomitee aufgenommen, das mit der Definition der Grundeinheiten der Elektrizität beauftragt war. Zwei Jahre später wurden die Ergebnisse sorgfältiger Messungen veröffentlicht, die 1881 als Grundlage für die Einführung der Volt-, Ampere- und Ohm-Einheiten dienten. Maxwell setzte seine Arbeiten zur Elastizitätstheorie fort, erstellte den Satz von Maxwell, der Spannungen in Fachwerken mit graphostatischen Methoden berücksichtigt, und analysierte die Gleichgewichtsbedingungen von Kugelschalen. Für diese und andere Werke von erheblicher praktischer Bedeutung erhielt er den Keith-Preis der Royal Society of Edinburgh. Im Mai 1861 legte Maxwell in einem Vortrag über Farbentheorie sehr überzeugende Beweise dafür vor, dass er Recht hatte. Dies war das erste Farbfoto der Welt.

Aber James Maxwells größter Beitrag zur Physik war die Entdeckung des Stroms. Nachdem Maxwell zu dem Schluss gekommen war, dass elektrischer Strom translatorischer Natur und Magnetismus Wirbelnatur ist, schuf er ein neues Modell – ein rein mechanisches Modell, nach dem „molekulare Wirbel“ ein rotierendes Magnetfeld erzeugen und „freilaufende Übertragungsräder“ Stellen Sie sicher, dass sie sich in eine Richtung drehen. Die Bildung eines elektrischen Stroms wurde durch die translatorische Bewegung von Übertragungsrädern (nach Maxwell - „Elektrizitätsteilchen“) sichergestellt, und das Magnetfeld, das entlang der Rotationsachse des Wirbels gerichtet war, erwies sich als senkrecht zur Richtung die jetzige. Dies kam in der „Gimlet-Regel“ zum Ausdruck, die Maxwell konkretisierte. Dank seines Modells konnte er nicht nur das Phänomen der elektromagnetischen Induktion und die Wirbelnatur des stromerzeugenden Feldes anschaulich veranschaulichen, sondern auch nachweisen, dass Änderungen im elektrischen Feld, Verschiebungsstrom genannt, zur Entstehung eines führen Magnetfeld. Nun, der Verschiebungsstrom gab einen Hinweis auf die Existenz offener Ströme. In seinem Artikel „Über physikalische Kraftlinien“ (1861-1862) skizzierte Maxwell diese Ergebnisse und stellte auch die Ähnlichkeit der Eigenschaften des Wirbelmediums mit den Eigenschaften des leuchtenden Äthers fest – und dies war ein ernsthafter Schritt in Richtung Entstehung der elektromagnetischen Theorie des Lichts.

Maxwells Artikel über die dynamische Theorie des elektromagnetischen Feldes wurde 1864 veröffentlicht und darin wurde das mechanische Modell durch „Maxwellsche Gleichungen“ – eine mathematische Formulierung der Feldgleichungen – ersetzt und das Feld selbst erstmals als real behandelt physikalisches System mit einer bestimmten Energie. In diesem Artikel sagte er die Existenz nicht nur magnetischer, sondern auch elektromagnetischer Wellen voraus. Parallel zum Studium des Elektromagnetismus führte Maxwell mehrere Experimente durch und überprüfte seine Ergebnisse in der kinetischen Theorie. Nachdem er ein Gerät zur Bestimmung der Viskosität von Luft konstruiert hatte, gelangte er zu der Überzeugung, dass der innere Reibungskoeffizient tatsächlich nicht von der Dichte abhängt.

Im Jahr 1865 hatte Maxwell seine Lehrtätigkeit endgültig satt. Es ist nicht verwunderlich – seine Vorlesungen waren zu schwierig, um darin Disziplin aufrechtzuerhalten, und wissenschaftliche Arbeit beschäftigte im Gegensatz zum Unterrichten alle seine Gedanken. Die Entscheidung wurde getroffen und der Wissenschaftler zog in seine Heimatstadt Glenlar. Fast unmittelbar nach dem Umzug verletzte er sich beim Reiten und erkrankte an Erysipel. Nachdem er sich erholt hatte, widmete sich James aktiv der Landwirtschaft und baute sein Anwesen wieder auf und erweiterte es. Allerdings vergaß er die Studenten nicht – er reiste regelmäßig nach London und Cambridge, um Prüfungen abzulegen. Ihm gelang es, Fragen und Probleme anwendungsorientierter Natur in die Prüfungen einzubringen. Anfang 1867 riet ein Arzt Maxwells oft kranker Frau, sich in Italien behandeln zu lassen, und die Maxwells verbrachten den gesamten Frühling in Florenz und Rom. Hier traf sich der Wissenschaftler mit Professor Matteuci, einem italienischen Physiker, und übte Fremdsprachen. Maxwell beherrschte übrigens gut Latein, Italienisch, Griechisch, Deutsch und Französisch. Über Deutschland, Holland und Frankreich kehrten die Maxwells in ihre Heimat zurück.

Im selben Jahr verfasste Maxwell ein Gedicht, das Peter Tait gewidmet war. Die komische Ode hieß „An den Hauptmusiker von Nabla“ und war so erfolgreich, dass sie in der Wissenschaft einen neuen Begriff „Nabla“ etablierte, der vom Namen eines alten assyrischen Musikinstruments abgeleitet war und das Symbol eines Vektordifferentialoperators bezeichnete. Beachten Sie, dass Maxwell seinem Freund Tait, der zusammen mit Thomson den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik als JCM = dp/dt vorstellte, sein eigenes Pseudonym verdankt, mit dem er seine Gedichte und Briefe signierte. Die linke Seite der Formel stimmte mit den Initialen von James überein, und deshalb beschloss er, die rechte Seite – dp/dt – als Signatur zu verwenden.

Im Jahr 1868 wurde Maxwell die Stelle eines Rektors an der University of St. Andrews angeboten, doch der Wissenschaftler lehnte ab, da er seinen zurückgezogenen Lebensstil in Glenlare nicht ändern wollte. Nur drei Jahre später leitete er nach langem Überlegen das gerade eröffnete Physiklabor in Cambridge und wurde damit Professor für Experimentalphysik. Nachdem Maxwell diesem Posten zugestimmt hatte, begann er sofort mit der Organisation der Bauarbeiten und der Ausstattung des Labors (zunächst mit seinen eigenen Instrumenten). In Cambridge begann er, Kurse in Elektrizität, Wärme und Magnetismus zu unterrichten.

Ebenfalls im Jahr 1871 erschien Maxwells Lehrbuch „Theory of Heat“, das in der Folge mehrmals nachgedruckt wurde. Das letzte Kapitel des Buches enthielt die grundlegenden Postulate der molekularkinetischen Theorie und Maxwells statistische Ideen. Hier widerlegte er den von Clausius und Thomson formulierten zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Diese Formulierung sagte den „Hitzestod des Universums“ voraus – eine rein mechanische Sichtweise. Maxwell behauptete die statistische Natur des berüchtigten „zweiten Gesetzes“, das seiner Überzeugung nach nur von einzelnen Molekülen verletzt werden kann, während es im Fall großer Aggregate weiterhin gültig bleibt. Er illustrierte diese Position mit einem Paradox namens „Maxwells Dämon“. Das Paradoxe liegt in der Fähigkeit des „Dämons“ (des Kontrollsystems), die Entropie dieses Systems ohne Arbeitsaufwand zu reduzieren. Dieses Paradox wurde im 20. Jahrhundert gelöst, indem man auf die Rolle von Fluktuationen im Kontrollelement hinwies und bewies, dass der „Dämon“, wenn er Informationen über Moleküle erhält, die Entropie erhöht und daher keine Verletzung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik vorliegt.

Zwei Jahre später erschien Maxwells zweibändiges Werk mit dem Titel „Treatise on Magnetism and Electricity“. Es enthielt Maxwells Gleichungen, die zur Entdeckung elektromagnetischer Wellen durch Hertz (1887) führten. Die Abhandlung bewies auch die elektromagnetische Natur des Lichts und sagte die Wirkung von Lichtdruck voraus. Basierend auf dieser Theorie erklärte Maxwell den Einfluss des Magnetfelds auf die Lichtausbreitung. Dieses grundlegende Werk wurde jedoch von den Koryphäen der Wissenschaft – Stokes, Thomson, Airy, Tait – sehr kühl aufgenommen. Als besonders schwer verständlich erwies sich das Konzept des berüchtigten Verschiebungsstroms, der laut Maxwell sogar im Äther, also in Abwesenheit von Materie, existiert. Zudem störte Maxwells teilweise sehr chaotischer Darstellungsstil die Wahrnehmung stark.

Das nach Henry Cavendish benannte Labor in Cambridge wurde im Juni 1874 eröffnet und der Herzog von Devonshire übergab Cavendishs Manuskripte feierlich an James Maxwell. Fünf Jahre lang studierte Maxwell das Erbe dieses Wissenschaftlers, reproduzierte seine Experimente im Labor und veröffentlichte 1879 unter seiner Leitung die gesammelten Werke von Cavendish, die aus zwei Bänden bestanden.

Etwa die letzten zehn Jahre seines Lebens beschäftigte sich Maxwell mit der Popularisierung der Wissenschaft. In seinen eigens zu diesem Zweck verfassten Büchern brachte er seine Ideen und Ansichten freier zum Ausdruck, teilte Zweifel mit dem Leser und sprach über Probleme, die zu dieser Zeit noch nicht lösbar waren. Am Cavendish Laboratory entwickelte er weiterhin sehr spezifische Fragestellungen zur Molekularphysik. Seine letzten beiden Werke wurden 1879 veröffentlicht – zur Theorie verdünnter inhomogener Gase und zur Gasverteilung unter dem Einfluss von Zentrifugalkräften. Er übte auch viele Aufgaben an der Universität aus – er war Mitglied im Rat des Universitätssenats, Mitglied der Kommission zur Reform des Mathematikexamens und Präsident der Philosophischen Gesellschaft. In den siebziger Jahren hatte er Studenten, darunter zukünftige berühmte Wissenschaftler George Crystal, Arthur Shuster, Richard Glazeburg, John Poynting und Ambrose Fleming. Sowohl Maxwells Studenten als auch Mitarbeiter bemerkten seinen Fokus, seine einfache Kommunikation, seine Einsicht, seinen subtilen Sarkasmus und seinen völligen Mangel an Ehrgeiz.

Im Winter 1877 zeigte Maxwell die ersten Symptome der Krankheit, die ihn töten würde, und zwei Jahre später diagnostizierten Ärzte bei ihm Krebs. Der große Wissenschaftler starb am 5. November 1879 im Alter von 48 Jahren in Cambridge. Maxwells Leiche wurde nach Glenlare transportiert und unweit des Anwesens auf einem bescheidenen Friedhof im Dorf Parton begraben.

Die Rolle von James Clerk Maxwell in der Wissenschaft wurde von seinen Zeitgenossen nicht voll gewürdigt, aber die Bedeutung seiner Arbeit für das nächste Jahrhundert war unbestreitbar. Richard Feyman, ein amerikanischer Physiker, sagte, dass die Entdeckung der Gesetze der Elektrodynamik das bedeutendste Ereignis des 19. Jahrhunderts sei, im Vergleich dazu verblasse der gleichzeitig stattfindende Bürgerkrieg in den Vereinigten Staaten ...

Viele wissenschaftliche Publikationen und Zeitschriften haben kürzlich Artikel über Errungenschaften der Physik und moderne Wissenschaftler veröffentlicht, und Veröffentlichungen über Physiker der Vergangenheit sind selten. Wir möchten diese Situation korrigieren und an einen der herausragenden Physiker des letzten Jahrhunderts erinnern, James Clerk Maxwell. Dies ist ein berühmter englischer Physiker, der Vater der klassischen Elektrodynamik, der statistischen Physik und vieler anderer Theorien, physikalischen Formeln und Erfindungen. Maxwell wurde der Gründer und erste Direktor des Cavendish Laboratory.

Wie Sie wissen, stammte Maxwell aus Edinburgh und wurde 1831 in eine Adelsfamilie hineingeboren, die mit dem schottischen Nachnamen Penicuik Clerks verwandt war. Maxwell verbrachte seine Kindheit auf dem Anwesen Glenlare. James‘ Vorfahren waren Politiker, Dichter, Musiker und Wissenschaftler. Wahrscheinlich wurde seine Vorliebe für die Wissenschaft von ihm geerbt.

James wuchs ohne Mutter (da sie starb, als er 8 Jahre alt war) von einem Vater auf, der sich um den Jungen kümmerte. Der Vater wollte, dass sein Sohn Naturwissenschaften studiert. James verliebte sich sofort in die Technik und entwickelte schnell praktische Fähigkeiten. Der kleine Maxwell nahm seinen ersten Unterricht zu Hause mit Beharrlichkeit, da ihm die harten Erziehungsmethoden des Lehrers nicht gefielen. Die weitere Ausbildung erfolgte in einer Adelsschule, wo der Junge große mathematische Fähigkeiten zeigte. Maxwell mochte besonders die Geometrie.

Für viele großartige Menschen schien die Geometrie eine erstaunliche Wissenschaft zu sein, und schon im Alter von 12 Jahren sprach er von einem Geometrielehrbuch, als wäre es ein heiliges Buch. Maxwell liebte die Geometrie ebenso wie andere wissenschaftliche Koryphäen, aber seine Beziehungen zu seinen Schulkameraden waren schlecht. Sie erfanden ständig beleidigende Spitznamen für ihn und einer der Gründe dafür war seine lächerliche Kleidung. Maxwells Vater galt als Exzentriker und kaufte seinem Sohn Kleidung, die ihn zum Lächeln brachte.

Maxwell zeigte bereits als Kind großes Potenzial auf dem Gebiet der Naturwissenschaften. 1814 wurde er zum Studium an die Edinburgh Grammar School geschickt und 1846 erhielt er eine Medaille für Verdienste um die Mathematik. Sein Vater war stolz auf seinen Sohn und erhielt die Gelegenheit, eine der wissenschaftlichen Arbeiten seines Sohnes vor dem Vorstand der Edinburgh Academy of Sciences vorzustellen. Diese Arbeit befasste sich mit mathematischen Berechnungen elliptischer Figuren. Dieses Werk trug damals den Titel „Über das Zeichnen von Ovalen und Ovalen mit vielen Brennpunkten“. Es wurde 1846 geschrieben und 1851 der breiten Öffentlichkeit zugänglich gemacht.

Maxwell begann nach seinem Wechsel an die University of Edinburgh ein intensives Studium der Physik. Calland, Forbes und andere wurden seine Lehrer. Sie erkannten sofort das große intellektuelle Potenzial von James und den unkontrollierbaren Wunsch, Physik zu studieren. Vor dieser Zeit lernte Maxwell bestimmte Bereiche der Physik kennen und studierte Optik (er widmete sich viel der Polarisation von Licht und den Newtonschen Ringen). Dabei half ihm der berühmte Physiker William Nicol, der einst das Prisma erfand.

Natürlich waren Maxwell auch andere Naturwissenschaften nicht fremd und er widmete dem Studium der Philosophie, der Wissenschaftsgeschichte und der Ästhetik besondere Aufmerksamkeit.

1850 trat er in Cambridge ein, wo Newton einst arbeitete, und erhielt 1854 einen akademischen Grad. Danach befasste er sich mit der Forschung auf dem Gebiet der Elektrizität und Elektroinstallationen. Und 1855 wurde ihm die Mitgliedschaft im Rat des Trinity College gewährt.

Maxwells erstes bedeutendes wissenschaftliches Werk war On Faraday's Lines of Force, das 1855 erschien. Boltzmann sagte einmal über Maxwells Artikel, dass diese Arbeit eine tiefe Bedeutung habe und zeige, wie zielstrebig der junge Wissenschaftler an wissenschaftliche Arbeit herangeht. Boltzmann glaubte, dass Maxwell nicht nur naturwissenschaftliche Fragen verstand, sondern auch einen besonderen Beitrag zur theoretischen Physik leistete. Maxwell skizzierte in seinem Artikel alle Trends in der Entwicklung der Physik für die nächsten Jahrzehnte. Später kamen Kirchhoff, Mach und andere zu dem gleichen Schluss.

Wie entstand das Cavendish Laboratory?

Nach Abschluss seines Studiums in Cambridge blieb James Maxwell hier als Lehrer und wurde 1860 Mitglied der Royal Society of London. Gleichzeitig zog er nach London, wo er eine Stelle als Leiter der Physikabteilung am King's College der University of London erhielt. Er war 5 Jahre in dieser Position tätig.

Im Jahr 1871 kehrte Maxwell nach Cambridge zurück und gründete das erste Labor in England für die Forschung auf dem Gebiet der Physik, das Cavendish Laboratory (zu Ehren von Henry Cavendish) genannt wurde. Maxwell widmete den Rest seines Lebens der Entwicklung des Labors, das zu einem echten Zentrum wissenschaftlicher Forschung wurde.

Über Maxwells Leben ist wenig bekannt, da er weder Aufzeichnungen noch Tagebücher führte. Er war ein bescheidener und schüchterner Mann. Maxwell starb im Alter von 48 Jahren an Krebs.

Was ist James Maxwells wissenschaftliches Erbe?

Maxwells wissenschaftliche Tätigkeit umfasste viele Bereiche der Physik: die Theorie elektromagnetischer Phänomene, die kinematische Theorie von Gasen, die Optik, die Elastizitätstheorie und andere. Das erste, was James Maxwell interessierte, war das Studium und die Forschung in der Physiologie und Physik des Farbsehens.

Maxwell war der erste, der ein Farbbild erhielt, das durch gleichzeitige Projektion des roten, grünen und blauen Bereichs entstand. Damit bewies Maxwell der Welt erneut, dass das Farbbild des Sehens auf der Drei-Komponenten-Theorie basiert. Diese Entdeckung markierte den Beginn der Entstehung von Farbfotografien. In der Zeit von 1857 bis 1859 konnte Maxwell die Stabilität der Saturnringe untersuchen. Seine Theorie besagt, dass die Ringe des Saturn nur unter einer Bedingung stabil sein werden – der Trennung von Teilchen oder Körpern voneinander.

Seit 1855 widmete Maxwell der Arbeit auf dem Gebiet der Elektrodynamik besondere Aufmerksamkeit. Aus dieser Zeit gibt es mehrere wissenschaftliche Werke: „Über Faradays Kraftlinien“, „Über physikalische Kraftlinien“, „Abhandlung über Elektrizität und Magnetismus“ und „Dynamische Theorie des elektromagnetischen Feldes“.

Maxwell und die Theorie des elektromagnetischen Feldes.

Als Maxwell begann, elektrische und magnetische Phänomene zu untersuchen, waren viele davon bereits gut untersucht. Wurde erstellt Coulomb-Gesetz, Amperesches Gesetz Es wurde auch nachgewiesen, dass magnetische Wechselwirkungen mit der Wirkung elektrischer Ladungen zusammenhängen. Viele Wissenschaftler dieser Zeit waren Befürworter der Theorie der Fernwirkung, die besagt, dass die Wechselwirkung augenblicklich und im leeren Raum stattfindet.

Die Hauptrolle in der Theorie der Nahwechselwirkung spielten die Forschungen von Michael Faraday (30er Jahre des 19. Jahrhunderts). Faraday argumentierte, dass die Art der elektrischen Ladung auf dem umgebenden elektrischen Feld beruht. Das Feld einer Ladung ist in zwei Richtungen mit dem benachbarten verbunden. Ströme interagieren über ein Magnetfeld. Laut Faraday werden magnetische und elektrische Felder von ihm in Form von Kraftlinien beschrieben, die elastische Linien in einem hypothetischen Medium – dem Äther – sind.

Maxwell unterstützte Faradays Theorie der Existenz elektromagnetischer Felder, das heißt, er war ein Befürworter entstehender Prozesse rund um Ladung und Strom.

Maxwell erklärte Faradays Ideen in mathematischer Form, etwas, das die Physik wirklich brauchte. Mit der Einführung des Feldbegriffs wurden die Gesetze von Coulomb und Ampère überzeugender und bedeutungsvoller. Im Konzept der elektromagnetischen Induktion konnte Maxwell die Eigenschaften des Feldes selbst berücksichtigen. Unter dem Einfluss eines magnetischen Wechselfeldes entsteht im leeren Raum ein elektrisches Feld mit geschlossenen Kraftlinien. Dieses Phänomen wird als elektrisches Wirbelfeld bezeichnet.

Maxwells nächste Entdeckung war, dass ein elektrisches Wechselfeld ein magnetisches Feld erzeugen kann, ähnlich einem gewöhnlichen elektrischen Strom. Diese Theorie wurde als Verschiebungsstromhypothese bezeichnet. Anschließend drückte Maxwell das Verhalten elektromagnetischer Felder in seinen Gleichungen aus.

Referenz. Maxwells Gleichungen sind Gleichungen, die elektromagnetische Phänomene in verschiedenen Medien und im Vakuumraum beschreiben und beziehen sich auch auf die klassische makroskopische Elektrodynamik. Dies ist eine logische Schlussfolgerung aus Experimenten, die auf den Gesetzen elektrischer und magnetischer Phänomene basieren.
Die wichtigste Schlussfolgerung der Maxwell-Gleichungen ist die Endlichkeit der Ausbreitung elektrischer und magnetischer Wechselwirkungen, die zwischen der Theorie der Nahwirkung und der Theorie der Fernwirkung unterschied. Die Geschwindigkeitseigenschaften näherten sich der Lichtgeschwindigkeit von 300.000 km/s. Dies gab Maxwell Anlass zu der Annahme, dass Licht ein Phänomen ist, das mit der Wirkung elektromagnetischer Wellen verbunden ist.

Molekularkinetische Theorie der Maxwellschen Gase.

Maxwell trug zum Studium der molekularkinetischen Theorie bei (heute heißt diese Wissenschaft). Statistische Mechanik). Maxwell war der erste, der auf die Idee der statistischen Natur der Naturgesetze kam. Er schuf ein Gesetz für die Geschwindigkeitsverteilung von Molekülen und es gelang ihm auch, die Viskosität von Gasen im Verhältnis zu Geschwindigkeitsindikatoren und der freien Weglänge von Gasmolekülen zu berechnen. Dank Maxwells Arbeit verfügen wir außerdem über eine Reihe thermodynamischer Beziehungen.

Referenz. Die Maxwell-Verteilung ist eine Theorie der Geschwindigkeitsverteilung von Molekülen eines Systems unter Bedingungen des thermodynamischen Gleichgewichts. Das thermodynamische Gleichgewicht ist eine Bedingung für die Translationsbewegung von Molekülen, die durch die Gesetze der klassischen Dynamik beschrieben wird.

Maxwell hatte viele wissenschaftliche Werke veröffentlicht: „The Theory of Heat“, „Matter and Motion“, „Electricity in Elementary Exposition“ und andere. Maxwell brachte in dieser Zeit nicht nur die Wissenschaft voran, sondern interessierte sich auch für ihre Geschichte. Einst gelang es ihm, die Werke von G. Cavendish zu veröffentlichen, die er durch seine Kommentare ergänzte.

Woran erinnert sich die Welt an James Clerk Maxwell?

Maxwell beschäftigte sich aktiv mit der Erforschung elektromagnetischer Felder. Seine Theorie über ihre Existenz erlangte nur ein Jahrzehnt nach seinem Tod weltweite Anerkennung.

Maxwell war der erste, der Materie klassifizierte und jeder Materie eigene Gesetze zuordnete, die nicht auf Newtons mechanische Gesetze reduziert werden konnten.

Viele Wissenschaftler haben über Maxwell geschrieben. Der Physiker R. Feynman sagte über ihn, dass Maxwell, der die Gesetze der Elektrodynamik entdeckte, Jahrhunderte in die Zukunft blickte.

Epilog. James Clerk Maxwell starb am 5. November 1879 in Cambridge. Er wurde in einem kleinen schottischen Dorf in der Nähe seiner Lieblingskirche begraben, die nicht weit vom Anwesen seiner Familie entfernt liegt.

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