James Clerk Maxwell kimdir? Işığın ve ışımanın elektromanyetik doğası

“Değişim kaçınılmaz. Büyüme ise isteğe bağlıdır.”

Modern matematiksel fiziğin tarihinde üç kilit isim vardır: Isaac Newton, Albert Einstein ve James Clerk Maxwell. Edinburgh'da doğan Maxwell'in doğa felsefesi, İskoç Aydınlanması'ndan, Sanayi Devrimi, Alman felsefesi ve romantizmden, Cambridge Üniversitesi matematiksel fiziğinden ve Viktoryen imparatorluk kültüründen etkilenmiştir. Üstelik Maxwell'in doğa felsefesi birçok farklı inceleme alanlarının bileşkesiydi: Matematik, deneysel fizik, metafizik, mantık, dil felsefesi, teorik, bilişsel psikoloji, estetik, dekoratif tasarım, doğa teolojisi ve kişisel teoloji, elektrik ve makine mühendisliği, siyasi ekonomi, görme ve hareketin fizyolojisi.

Maxwell'in fiziğe katkıları renk teorisi ve optik, elastik katıların ve akışkanların mekaniği, gökbilimi, gazların moleküler fiziği ve en önemlisi elektromanyetizmadır. Bu katkıları matematiksel ustalığı, dilin ve yöntemlerin bilinçli kullanımı, birlik ruhu, doğal görüngüleri ve soyut matematik teorilerini kavramada hayal gücünün ölçülü kullanımının bileşimiyle nitelenirler. Arkadaşı ve biyografi yazarı Lewis Campbell'e göre, Maxwell bilimsel sanayi, felsefi kavrayış, şiirsel his ve hayal gücü ve çoşkulu mizahın "harika bir bileşimi" idi.

James Clerk Maxwell kimdir?

Maxwell'in Kelvin'e yazdığı başka bir fırıldak şeması içeren 1858 tarihli mektup, ''duyarlı putperestleri bilgilendirmek için'' Satürn'ün halkalarının bileşimini ve istikrarının Maxwell'ce tanımını örnekleyen mekanik modeli göstermektedir
Maxwell'in Kelvin'e yazdığı başka bir fırıldak şeması içeren 1858 tarihli mektup, "duyarlı putperestleri bilgilendirmek için" Satürn'ün halkalarının bileşimini ve istikrarının Maxwell'ce tanımını örnekleyen mekanik modeli göstermektedir

Maxwell İskoçya, Midlohtian kırsal bölgesindeki Penicuikli hatırı sayılır Clerk ailesinin oğluydu; Maxwell soyadı babasının adı Clerk'e Maxwell adlı aileye ait arazinin kendisine miras kalmasından sonra kanunen eklenmişti. Büyük-büyük babası Hollandalı fizikçi Hermann Boerhaave nezaretinde tıp okumuştu; hocasıyla da besteler yapmıştı. Newton yorumcusu İskoçyalı matematikçi Colin Maclaurin ile ortaklaşa çalışmış, titiz bir sanat eksperi ve gayretli bir koleksiyoncuydu; hamilik yaptığı farmason İskoçyalı mimar William Adam ile Palladio tarzı en görkemli evlerden biri tasarladı ve yenilikçi bir tarzda mimarlık ve yeraltı mimarisi bakışıyla madencilik üzerine yazdı. Büyük-büyük amcası özellikle peyzaj ve mimaride uzmanlaşmış teknik ressam ve oymacıydı; mineraloji, jeoloji ve madencilikte, Hutton'un Theory of Earth (Yerküre Teorisi) adlı eserinin diyagramları ve illüstrasyonları dahil, James Hutton'un jeolojik çalışmalarına katkıda bulunmuş bir uzmandı.

Amcası imparatorluk ağırlık ve ölçü standartlarını hazırlayan heyetin başındaydı. Babası arazi sahibiydi, teknolojik ve bilimsel gelişmelerle ilgilenen bir avukattı, yeni bir baskı makinesi tasarlamıştı. Oğlunu Edinburgh Kraliyet Cemiyeti ve İskoç Kraliyet Sanat Cemiyeti'ndeki toplantılara götürdü.

Annesinin o henüz çok küçükken 1839 yılında gerçekleşen ölümünden sonra yanlarında yaşadığı kuzeni Jemima Wedderburn, William Thomson'ın (daha sonra Lord Kelvin) Glosgowlu meslektaşı matematikçi Hugh Blackburn ile evlenmişti. Suluboya resimleri ve Viktoryen çizimleri ile başarılı bir ressam olan kuzeni Jemima Ruskin, Millais ve Landseer gibi ressam tanıdıkları tarafından takdir edilirdi.

Böylece Maxwell henüz erken yaşta zengin sosyal, kültürel ve entelektüel bir çevrenin parçası olmuştu. Din de önemliydi. Maxwell hem babasının İskoç Prestiberyen inancını, hem de halası Jane Cay'in Episkopalyan inancını deneyimledi. Bunlar Yaratıcıyı eseri aracılığıyla tanımak ve yüceltmek için doğayı araştırma ve anlamada yeniliklerin kullanımını destekleyerek dünyada hakkında bilgi sahibi olmanın değerini vurguluyordu. Bu da bilhassa hayali ve maddi modellerin, aletlerin tasarımı, yapımı ve kimyasal maddelerin ve nesnelerin deneysel manipülasyonunu temel alıyordu.

Maxwell'in eğitim ortamı

Working Men's College
Working Men's College

10 ve 16 yaşları arasında Maxwell saygın Edinburgh Akademisi'ne devam etti; burada çizim ve şiir yeteneği hemen ortaya çıkmış, yetkin bir geometri uzmanı olmuş ve amatör bilimsel yapmaya başlamıştı. Bilimsel modellere duyduğu sevginin izleri çocukluğundaki oyunlar ve oyuncaklarına kadar sürülebilir. 1847 yılında Edinburgh Üniversitesi'ne girdi, edebiyat okumak için kayıt oldu ve sonra akrabası, Britanya Bilimsel İlerleme Derneği'nin kurucularından biri olan doğa felsefecisi James Forbes himayesinde üç yıl doğa felsefesi eğitimi aldı. Kimya, Cambridge tarzı matematik, retorik, Aristoteles ve Kant mantığı ve metafiziği öğrendi.

Daha sonra Cambridge'e geçti, burada çokyönlü bilim insanı, Trinity College hocası, idealist bir tarihçi ve bilim felsefecisi, mimarlik tarihçisi, şair, ahlak kuramcısı ve eğitimci William Whewell'den etkilendi. Maxwell Alman romantizminin metafizik kültürünü, klasikleri, teoloji, entelektüel ve duygusal bağlanmayı Trinity'den öğrendi. Cambridge Apostles adıyla bilinen gizli tartışma derneğine üye olmuş ve teolog F. D. Maurice yönetimindeki, Hristiyan sosyalistlerden ilhamla açılmış Working Men's College'da ders vermişti.

Maxwell 1854 yılında mezun olduğunda, babasının ölümüyle, kendisine miras kalan İskoçya'daki arazilerin başına geçti. 1856 yılında, Aberdeen'deki Marischal College'da görev aldı. İşçilere ders vermeye devam etti ve müdürün kızı Katherina Dewar ile evlendi. 1860'ta görev iptal edilince Maxwell Londra'daki King's College'a geçti. Burada İngiliz Bilim Derneği'nin Thomson (Kelvin) önderliğindeki İngiltere'de yeni elektrik standartları kurma girişimine katıldı. Thomson bilimsel hayatını geniş kullanım alanı olan, ama dar çerçevede planlanmış matematiksel, deneysel ve teknolojik uygulamalara adamıştı. Görüşünüşe göre, yeni Viktoryen ekonomiyi anlamak, öngörmek ve yönetmedeki zorlu görev mümkün olduğunca çok ölçüm yapmaktı.

Renk teorisine giriş

Maxwell'in 1873 tarihli A Treatise on Electricity and Magnetism adlı eserinden bir çizim
Maxwell'in 1873 tarihli A Treatise on Electricity and Magnetism adlı eserinden bir çizim

Maxwell de aynı düşünceyi üretimden ziyade, doğal döngülere uygulamak istedi – bunların da ölçümü mevcut kabullere dayanan türdeşlik, genellik ve kesinlik dili gerektiriyordu. Bu gelenek Thomson'ın Glosgow laboratuvarını ayakta tutan yeni telgraf kablo ağı, hassas ölçüm aletleri üretimi ve aslında İngiliz İmparatorluğu için elzemdi. 1871 yılında Maxwell Cambridge'e deneysel fizik profesörü ve Cavendish Laboratuvarı'na müdür atandı. Kısmen elektrik birimlerinin standardizyonunu devam ettirecek laboratuvar, elektro-teknik atölyesini katan Maxwell'in tasarımıyla özel olarak kurulmuştu. Annesi gibi erken yaşta, mide kanserinden öldüğü 1879 yılında halen bu laboratuvarda çalışıyordu.

Renk teorisi alanına ise öğrenciliğinde Edinburgh'ta sık görülen renk körlüğünü araştırarak girmişti. Ana renkleri – sıklıkla kırmızı, mavi ve sarı – karıştırarak renklerin yaratılmasına dair o eski sanatsal sorunu araştırırken 'coğrafi bir yöntem' tesis etmişti. Bu yöntem onu öznel bir görüngünün genel ve kesin nesnel temsiline götürdü: Yani her rengi, renk üçgeninde işaretleyen bir koordinat sistemi (harita) ve her renk için üç yeni ana rengin yani kırmızı, yeşil ve morun miktarları üzerinden bir denklem. Maxwell'in teorisi deneysel sonuçlara dayanıyordu.

Cambridge'de lisans eğitimi esnasında (kendisi de renkler arasındaki matematiksel oranları savundu) David Hay'in sağladığı standartlarla renklerin niceliksel karışımını incelemek için dönen renk diskleri ve daha sonra farklı renklerin spektral ayrışmasını analiz etmek için oyun evlerine benzer renk kutuları tasarlamıştı. Alman fizyoloji literatüründeki görüş alanı fikrinden yola çıkarak "renk alanı" fikrini ileri sürdü. Böylece Thomas Young'ın 1802 tarihli renk görüşündeki üç-reseptör teorisi önerisini kanıtlıyordu. Kraliyet Enstitüsü'nün 1861 tarihli konferansında Young'ın teorisini örneklemek için Maxwell ilk renkli fotoğrafı yansıtmayı başardı.

Elektromanyetik dalgalar

Maxwell fotoğrafçı Thomas Sutton'un kırmızı, yeşil ve mavi filtreden geçirilmiş yansıtmaları üst üste bindirerek renkli görüntüsünü yansıttıkları ekose fiyonk
Fotoğrafçı Thomas Sutton'un kırmızı, yeşil ve mavi filtreden geçirilmiş yansıtmaları üst üste bindirerek renkli görüntüsünü yansıttıkları ekose fiyonk

Bilime yaptığı en ünlü katkısında mekanik ve optiği birleştirmiştir. Matematiksel elektromanyetizma teorisini, kuvvet ve enerjinin elektrik ve manyetik alanları üzerinden açıklamıştır. Maxwell Faraday'in deneysel sonuçlarını, elektrik ile manyetizma arasındaki ilişkiye ve manyetizmanın rotasyonel doğasına dair tanımlarını, elektrik ve manyetik kuvvetlerin polar karşıt durumların gerilimindeki kuvvet eğrileri boyunca, art arda etki ettiği fikrini benimsedi. Maxwell (ve Thomson) bitişik hareketin fiziğini matematiksel olarak ifade edebilmek için, Newton'un belli bir mesafeden etki modelinin tersine, nedensel bitişik etkinin temsili olarak diferansiyel denklemler uyguladı.

Böylece Maxwell iş yapma kapasitesi ile ölçülebilen enerjiyi saklayan, iletişimi sağlayan görünmez bir kas gibi uzaya yayılan mekanik esirin mevcudiyeti fikrine dayanarak, uzaydaki her noktada geçerli, kuvvet ve enerji alanlarına dayanan birleşik elektromanyetizma teorisini formüle etti. Elektromanyetizma ve esir anlayışına akışkan akış tüpleri biçiminde hayali mekanik gerilim ve enerji modellerinden yaklaştı.

1861 yılında yuvarlanma temasındaki dönen mikroskobik girdaplar ile elektromanyetik esirin moleküler modelini sundu. Teori elektromanyetik dalgaların mevcudiyetini ve ışığın deneysel hızına çok yakın olan yayılma hızının değerini öngörüyordu. Maxwell bu eşitlikten yola çıkarak, ışığın elektromanyetik bir dalga olması gerektiğini ve böylece optiğin elektromanyetizmaya indirgenebileceğini buldu. Bu nedenle Maxwell sıklıkla kendi çağının en önemli bilim insanı –ve Newton ve Einstein'dan sonra gelmiş geçmiş en büyük fizikçi– diye anılır.

Zamanla Maxwell tamamlanmamış elektromanyetik etkinin iletiminin mekanik moleküler temsili yerine daha güvenli şekilde genel ilkelerden gelen genel açıklamalara bağlanmayı tercih etti. Fikirleri 1873 yılında en büyük eseri A Treatise on Electricity and Mangnetism (Elektrik ve Manyetizma Üzerine İnceleme) adlı eserinde derlendi. Moleküler fizik uygulamaları gökbiliminden mikroskobik moleküllere kadar uzanıyordu.

Maxwell Einstein'ın yolunu açıyor

Birleşik Krallık'taki Maxwell heykeli
Birleşik Krallık'taki Maxwell heykeli

Satürn'ün halkalarının sabitliğinin gezegenin çevresinde farklı uzaklıklarda dolanan sınırsız sayıdaki küçük bağımsız taneciklerin hızı üzerinden açıklayabilmişti. Bu döner model gazların dinamik teorisindeki sıcaklık, basınç ve akışmazlık gibi makroskobik özelliklerinin istatiksel moleküler incelemelerine olan ilgisini artırdı. Termodinamik davranışla ilgili çalışması sonuçta esirdeki bitişik elektromanyetik mekanik iletimin döner moleküler modeline esin kaynağı oldu.

Her ne kadar bu yeni moleküler modeller sonunda kısmen başarısız olduysa da –20. yüzyılda kuantum mekaniğin gelişine kadar– özdeş molekül popülasyonunuın grup özelliklerini ve büyük sistemlerin davranışlarını tanımlayan olasılık teorisine dayanan istatiksel yöntemin kullanımını perçinlediler; tarihi yöntem, bunun tersine, mikroskobik seviyede bireysel moleküllerin özelliklerini ve evrimini tanımlıyordu.

Maxwell fiziğe bu yaklaşımını tanımlayan "istatistiksel" mekanik terimini ilk kez kullanmakla bilinir. (Thomson'un verdiği isimle) Maxwell'in Cini (ya da Maxwell'in Şeytanı) moleküler boyutun kurgusal varlığıydı, moleküler düzeyde ısının sıcaktan soğuğa akışını tersine çevirmenin mümkün olduğunu gösteren bu düşünce deneyiyle yarattığı, Alice'in bilimsel haliydi. Thomson'ın termodinamiğin ikinci yasasında tanımladığı tersinmez makroskobik sürecin sadece istatiksel kesinliği olabileceğini ortaya koydu.

Bu nedenle Maxwell'in fiziğe katkıları sürekli kuvvetler teorisi ve ayrık madde teorisi üzerinden mekanik dünya görüşünün ve doğa felsefesi geleneğinin büyük zirvelerini temsil eder. Bunlar 20. yüzyılın başında Einstein'ın görelilik teorisi ve kuantum fiziğine giden yolu açmıştır.

James Clerk Maxwell – Işığın ve ışımanın elektromanyetik doğası yazımız burada son buldu. Benzer içerikler için: https://2ladd.com/k/bilim-teknoloji/

Ortalama puan: / 5. Oy sayısı: