James Clerk Maxwell -James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell

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Geboren ( 13.06.1831 )13. Juni 1831
Edinburgh , Schottland
Gestorben 5. November 1879 (1879-11-05)(48 Jahre)
Cambridge , England
Ruheplatz Parton, Kirkcudbrightshire 55.006693°N 4.039210°W
55°00′24″N 4°02′21″W /  / 55.006693; -4.039210
Alma Mater
Bekannt für
Ehepartner
( m.   1858 )
Auszeichnungen
Wissenschaftlicher Werdegang
Felder Physik und Mathematik
Institutionen
Akademische Berater William Hopkins
Bemerkenswerte Studenten
Einflüsse Sir Isaac Newton , Michael Faraday , Thomas Young
Beeinflusst Praktisch alle nachfolgenden Physik
Unterschrift
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James Clerk Maxwell FRSE FRS (13. Juni 1831 – 5. November 1879) war ein schottischer Mathematiker und Wissenschaftler, der für die klassische Theorie der elektromagnetischen Strahlung verantwortlich war, die die erste Theorie war, die Elektrizität, Magnetismus und Licht als unterschiedliche Manifestationen desselben Phänomens beschrieb. Maxwells Gleichungen für den Elektromagnetismus wurden als die „ zweite große Vereinigung in der Physik “ bezeichnet , während die erste von Isaac Newton verwirklicht wurde .

Mit der Veröffentlichung von „ A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field “ im Jahr 1865 demonstrierte Maxwell, dass sich elektrische und magnetische Felder als Wellen mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum bewegen . Er schlug vor, dass Licht eine Wellenbewegung in demselben Medium ist, das die Ursache für elektrische und magnetische Phänomene ist. Die Vereinigung von Licht und elektrischen Phänomenen führte zu seiner Vorhersage der Existenz von Radiowellen . Maxwell gilt auch als Begründer der modernen Elektrotechnik .

Er half bei der Entwicklung der Maxwell-Boltzmann-Verteilung , einem statistischen Mittel zur Beschreibung von Aspekten der kinetischen Gastheorie . Er ist auch dafür bekannt, dass er 1861 das erste dauerhafte Farbfoto präsentierte, und für seine grundlegende Arbeit zur Analyse der Steifigkeit von Stab- und Gelenkgerüsten ( Fachwerken ), wie sie in vielen Brücken vorkommen.

Seine Entdeckungen trugen dazu bei, das Zeitalter der modernen Physik einzuläuten und den Grundstein für Bereiche wie die spezielle Relativitätstheorie und die Quantenmechanik zu legen . Viele Physiker betrachten Maxwell als den Wissenschaftler des 19. Jahrhunderts, der den größten Einfluss auf die Physik des 20. Jahrhunderts hatte. Seine Beiträge zur Wissenschaft werden von vielen als von der gleichen Größenordnung angesehen wie die von Isaac Newton und Albert Einstein . In der Millennium-Umfrage – einer Umfrage unter den 100 prominentesten Physikern – wurde Maxwell zum drittgrößten Physiker aller Zeiten gewählt, nur hinter Newton und Einstein. Zum 100. Geburtstag von Maxwell beschrieb Einstein Maxwells Arbeit als die „tiefgründigste und fruchtbarste, die die Physik seit Newton erlebt hat“. Als Einstein 1922 die Universität von Cambridge besuchte, wurde ihm von seinem Gastgeber gesagt, er habe Großes geleistet, weil er auf Newtons Schultern gestanden habe; Einstein antwortete: „Nein, tue ich nicht. Ich stehe auf den Schultern von Maxwell.“

Leben

Frühes Leben, 1831–1839

Das Geburtshaus von Clerk Maxwell in der India Street 14 in Edinburgh ist heute die Heimat der James Clerk Maxwell Foundation

James Clerk Maxwell wurde am 13. Juni 1831 in der 14 India Street, Edinburgh , als Sohn von John Clerk Maxwell aus Middlebie , einem Anwalt, und Frances Cay, Tochter von Robert Hodshon Cay und Schwester von John Cay , geboren . (Sein Geburtsort beherbergt heute ein Museum, das von der James Clerk Maxwell Foundation betrieben wird .) Sein Vater war ein wohlhabender Mann aus der Clerk-Familie von Penicuik , Inhaber der Baronetwürde des Clerk of Penicuik . Der Bruder seines Vaters war der 6. Baronet . Er war als "John Clerk" geboren worden und hatte "Maxwell" zu seinem eigenen hinzugefügt, nachdem er (als Kind im Jahr 1793) das Middlebie-Anwesen, ein Maxwell-Anwesen in Dumfriesshire, geerbt hatte. James war ein Cousin ersten Grades sowohl der Künstlerin Jemima Blackburn (der Tochter der Schwester seines Vaters) als auch des Bauingenieurs William Dyce Cay (dem Sohn des Bruders seiner Mutter). Cay und Maxwell waren enge Freunde und Cay fungierte als sein Trauzeuge, als Maxwell heiratete.

Maxwells Eltern lernten sich kennen und heirateten, als sie weit über dreißig waren; Seine Mutter war fast 40, als er geboren wurde. Sie hatten ein früheres Kind, eine Tochter namens Elizabeth, die im Säuglingsalter starb.

Als Maxwell jung war, zog seine Familie nach Glenlair in Kirkcudbrightshire, das seine Eltern auf dem 610 ha großen Anwesen errichtet hatten. Alle Anzeichen deuten darauf hin, dass Maxwell schon in jungen Jahren eine unstillbare Neugier bewahrt hatte. Mit drei Jahren stellte sich bei allem, was sich bewegte, glänzte oder Geräusche machte, die Frage: „Was ist das?“ In einer Passage, die 1834 einem Brief seines Vaters an seine Schwägerin Jane Cay hinzugefügt wurde, beschrieb seine Mutter diesen angeborenen Sinn für Neugier:

Er ist ein sehr glücklicher Mann und hat sich sehr verbessert, seit das Wetter mäßig geworden ist; Er hat tolle Arbeit mit Türen, Schlössern, Schlüsseln usw. und "Zeig mir, wie es geht" kommt nie aus seinem Mund. Er untersucht auch den verborgenen Verlauf von Bächen und Klingeldrähten, wie das Wasser aus dem Teich durch die Mauer kommt....

Bildung, 1839–1847

Maxwells Mutter Frances erkannte das Potenzial des Jungen und übernahm die Verantwortung für seine frühe Erziehung, die in der viktorianischen Ära größtenteils die Aufgabe der Frau des Hauses war. Mit acht Jahren konnte er lange Passagen von John Milton und den gesamten 119. Psalm (176 Verse) rezitieren. Tatsächlich war sein Wissen über die Schrift bereits detailliert; er konnte fast jedem Zitat aus den Psalmen Kapitel und Verse geben. Seine Mutter erkrankte an Bauchkrebs und starb nach einer erfolglosen Operation im Dezember 1839, als er acht Jahre alt war. Seine Ausbildung wurde dann von seinem Vater und dessen Schwägerin Jane beaufsichtigt, die beide eine Schlüsselrolle in seinem Leben spielten. Seine formelle Schulbildung begann erfolglos unter der Anleitung eines 16-jährigen angestellten Tutors. Über den jungen Mann, der angeheuert wurde, um Maxwell zu unterweisen, ist wenig bekannt, außer dass er den jüngeren Jungen hart behandelte und ihn tadelte, weil er langsam und eigensinnig war. Der Tutor wurde im November 1841 entlassen. James' Vater nahm ihn am 12. Februar 1842 mit zu Robert Davidsons Demonstration des elektrischen Antriebs und der Magnetkraft, eine Erfahrung mit tiefgreifenden Folgen für den Jungen.

Edinburgh Academy, wo Maxwell ausgebildet wurde

Maxwell wurde an die renommierte Edinburgh Academy geschickt . Er wohnte während der Semesterzeiten im Haus seiner Tante Isabella. Während dieser Zeit wurde seine Leidenschaft für das Zeichnen von seiner älteren Cousine Jemima gefördert. Der 10-jährige Maxwell, der isoliert auf dem Landgut seines Vaters aufgewachsen war, passte nicht gut in die Schule. Das erste Jahr war voll gewesen, was ihn zwang, das zweite Jahr mit Klassenkameraden zu besuchen, die ein Jahr älter waren als er. Seine Manierismen und sein Galloway- Akzent kamen den anderen Jungen rustikal vor. Als er an seinem ersten Schultag mit einem Paar selbstgemachter Schuhe und einer Tunika ankam, erntete er den unfreundlichen Spitznamen „ Daftie “. Er schien den Beinamen nie zu übel nehmen, trug ihn viele Jahre lang klaglos. Die soziale Isolation an der Akademie endete, als er Lewis Campbell und Peter Guthrie Tait kennenlernte , zwei Jungen in ähnlichem Alter, die später im Leben bemerkenswerte Gelehrte werden sollten. Sie blieben lebenslang Freunde.

Maxwell war schon in jungen Jahren von der Geometrie fasziniert und entdeckte die regulären Polyeder wieder, bevor er eine formelle Unterweisung erhielt. Obwohl er in seinem zweiten Jahr den Biografiepreis der Schule gewann, blieb seine akademische Arbeit unbemerkt, bis er im Alter von 13 Jahren die mathematische Medaille der Schule und den ersten Preis für Englisch und Poesie gewann.

Maxwells Interessen reichten weit über den Lehrplan der Schule hinaus und er achtete nicht besonders auf die Prüfungsleistung. Seine erste wissenschaftliche Arbeit schrieb er im Alter von 14 Jahren. Darin beschrieb er ein mechanisches Mittel zum Zeichnen mathematischer Kurven mit einem Stück Schnur und die Eigenschaften von Ellipsen , kartesischen Ovalen und verwandten Kurven mit mehr als zwei Brennpunkten . Die Arbeit von 1846, „On the description of oval curves and these having a plural of foci“, wurde der Royal Society of Edinburgh von James Forbes , einem Professor für Naturphilosophie an der University of Edinburgh , vorgelegt , weil Maxwell als zu jung galt die Arbeit selbst vorzustellen. Die Arbeit war nicht ganz originell, da René Descartes im 17. Jahrhundert auch die Eigenschaften solcher multifokaler Ellipsen untersucht hatte, aber Maxwell ihre Konstruktion vereinfacht hatte.

Universität Edinburgh, 1847–1850

Old College, Universität Edinburgh

Maxwell verließ die Akademie 1847 im Alter von 16 Jahren und begann, Kurse an der University of Edinburgh zu besuchen . Er hatte die Möglichkeit, die University of Cambridge zu besuchen , entschied sich jedoch nach seinem ersten Semester, den gesamten Kurs seines Grundstudiums in Edinburgh zu absolvieren. Das akademische Personal der Universität umfasste einige hoch angesehene Namen; Zu seinen Tutoren im ersten Jahr gehörten Sir William Hamilton , der ihn in Logik und Metaphysik unterrichtete , Philip Kelland in Mathematik und James Forbes in Naturphilosophie . Er fand seinen Unterricht nicht anspruchsvoll und konnte sich daher in seiner Freizeit an der Universität und insbesondere zu Hause in Glenlair in das Privatstudium vertiefen. Dort würde er mit improvisierten chemischen, elektrischen und magnetischen Apparaten experimentieren; Seine Hauptsorgen galten jedoch den Eigenschaften von polarisiertem Licht . Er baute geformte Gelatineblöcke , setzte sie verschiedenen Belastungen aus und betrachtete mit einem Paar polarisierender Prismen , die ihm William Nicol gegeben hatte, die farbigen Streifen, die sich innerhalb des Gelee entwickelt hatten. Durch diese Praxis entdeckte er die Photoelastizität , die ein Mittel zur Bestimmung der Spannungsverteilung innerhalb physikalischer Strukturen ist.

Im Alter von 18 Jahren steuerte Maxwell zwei Artikel für die Transactions of the Royal Society of Edinburgh bei . Eines davon, "Über das Gleichgewicht elastischer Festkörper", legte den Grundstein für eine spätere wichtige Entdeckung in seinem Leben, nämlich die vorübergehende Doppelbrechung , die in viskosen Flüssigkeiten durch Scherspannung erzeugt wurde . Seine andere Arbeit war "Rolling Curves", und genau wie bei der Arbeit "Oval Curves", die er an der Edinburgh Academy geschrieben hatte, wurde er erneut als zu jung angesehen, um auf dem Podium zu stehen, um sie selbst zu präsentieren. Das Papier wurde stattdessen von seinem Tutor Kelland an die Royal Society geliefert.

Universität Cambridge, 1850–1856

Ein junger Maxwell am Trinity College in Cambridge , der eines seiner Farbräder hält .

Im Oktober 1850 verließ Maxwell, bereits ein versierter Mathematiker, Schottland, um an die University of Cambridge zu gehen . Er besuchte zunächst Peterhouse , wechselte aber vor Ende seiner ersten Amtszeit nach Trinity , wo er glaubte, dass es einfacher wäre, ein Stipendium zu bekommen . In Trinity wurde er in die elitäre Geheimgesellschaft gewählt, die als Cambridge Apostles bekannt ist . Maxwells intellektuelles Verständnis seines christlichen Glaubens und der Wissenschaft wuchs während seiner Jahre in Cambridge schnell. Er schloss sich den "Apostles" an, einem exklusiven Debattierclub der intellektuellen Elite, wo er durch seine Essays versuchte, dieses Verständnis herauszuarbeiten.

Nun ist mein großer Plan, der von alters her ersonnen wurde, ... nichts willentlich ungeprüft zu lassen. Nichts soll heiliger Boden sein, der dem stationären Glauben geweiht ist, ob positiv oder negativ. Alle Brachflächen müssen umgepflügt und ein regelmäßiges Rotationssystem befolgt werden. ... Verstecke niemals etwas, sei es Gras oder nicht, und scheine auch nicht zu wollen, dass es versteckt wird. ... Nochmals behaupte ich das Recht auf unbefugtes Betreten jedes Grundstücks auf heiligem Boden, das ein Mann abgesondert hat. ... Jetzt bin ich davon überzeugt, dass niemand außer einem Christen sein Land tatsächlich von diesen heiligen Stätten säubern kann. ... Ich sage nicht, dass keine Christen Orte dieser Art eingezäunt haben. Viele haben viel, und jeder hat etwas. Aber es gibt umfangreiche und wichtige Abhandlungen im Gebiet der Spötter, Pantheisten, Quietisten, Formalisten, Dogmatiker, Sensualisten und der anderen, die offen und feierlich tabuisiert werden. ..."

Das Christentum – das heißt die Religion der Bibel – ist das einzige Schema oder die einzige Glaubensform, die jeglichen Besitz auf einer solchen Amtszeit verleugnet. Hier allein ist alles frei. Du fliegst vielleicht bis ans Ende der Welt und findest keinen Gott außer dem Urheber der Erlösung. Sie können die Schrift durchsuchen und keinen Text finden, der Sie bei Ihren Erkundungen aufhält. ...

Das Alte Testament und das mosaische Gesetz und das Judentum werden allgemein von den Orthodoxen als „tabuisiert“ angesehen. Skeptiker geben vor, sie gelesen zu haben und gewisse witzige Einwände gefunden zu haben ... die zu viele der orthodoxen Ungelesenen zugeben, und bringen das Thema als gehetzt zum Schweigen. Aber eine Kerze kommt, um alle Geister und Bugbears zu vertreiben. Folgen wir dem Licht.

Im Sommer seines dritten Jahres verbrachte Maxwell einige Zeit im Haus von Rev. CB Tayler , dem Onkel eines Klassenkameraden, GWH Tayler, in Suffolk . Die von der Familie gezeigte Liebe zu Gott beeindruckte Maxwell, besonders nachdem er von dem Pfarrer und seiner Frau von einer Krankheit geheilt worden war.

Bei seiner Rückkehr nach Cambridge schreibt Maxwell seinem letzten Gastgeber einen gesprächigen und liebevollen Brief mit dem folgenden Zeugnis:

... Ich habe die Fähigkeit, böser zu sein als jedes Beispiel, das Menschen mir geben könnten, und ... wenn ich entkomme, hilft mir nur Gottes Gnade, mich selbst loszuwerden, teilweise in der Wissenschaft, vollständiger in der Gesellschaft , – aber nicht vollkommen, außer indem ich mich Gott anvertraue …

Im November 1851 studierte Maxwell bei William Hopkins , dessen Erfolg bei der Förderung mathematischer Genies ihm den Spitznamen „ Senior Wrangler- Maker“ eingebracht hatte.

1854 schloss Maxwell das Trinity College mit einem Abschluss in Mathematik ab. Er erzielte in der Abschlussprüfung die zweithöchste Punktzahl, kam hinter Edward Routh und verdiente sich den Titel des zweiten Wranglers. Später wurde er in der anspruchsvolleren Prüfung zum Smith's Prize für gleichgestellt mit Routh erklärt . Unmittelbar nach seinem Abschluss las Maxwell seine Arbeit „On the Transformation of Surfaces by Bending“ vor der Cambridge Philosophical Society vor . Dies ist eine der wenigen rein mathematischen Abhandlungen, die er geschrieben hat, und demonstriert seine wachsende Bedeutung als Mathematiker. Maxwell beschloss, nach seinem Abschluss bei Trinity zu bleiben, und bewarb sich um ein Stipendium, was ein Prozess war, von dem er erwarten konnte, dass er ein paar Jahre dauern würde. Beflügelt von seinem Erfolg als Forschungsstudent würde es ihm, abgesehen von einigen Nachhilfe- und Prüfungspflichten, freistehen, wissenschaftlichen Interessen in seiner Freizeit nachzugehen.

Die Natur und Wahrnehmung von Farbe war ein solches Interesse, das er an der Universität von Edinburgh begonnen hatte, als er Student von Forbes war. Mit den von Forbes erfundenen farbigen Kreiseln konnte Maxwell zeigen, dass weißes Licht aus einer Mischung von rotem, grünem und blauem Licht entsteht. Sein Papier "Experiments on Colour" legte die Prinzipien der Farbkombination dar und wurde im März 1855 der Royal Society of Edinburgh vorgelegt. Maxwell konnte es diesmal selbst liefern.

Maxwell wurde am 10. Oktober 1855 früher als üblich zum Stipendiaten von Trinity ernannt und gebeten, Vorlesungen über Hydrostatik und Optik vorzubereiten und Prüfungsarbeiten zu erstellen. Im darauffolgenden Februar wurde er von Forbes aufgefordert, sich für den neu frei gewordenen Lehrstuhl für Naturphilosophie am Marischal College in Aberdeen zu bewerben . Sein Vater half ihm bei der Vorbereitung der notwendigen Referenzen, starb jedoch am 2. April in Glenlair, bevor einer der beiden das Ergebnis von Maxwells Kandidatur kannte. Er nahm die Professur in Aberdeen an und verließ Cambridge im November 1856.

Marischal College, Aberdeen, 1856–1860

Maxwell bewies, dass die Ringe des Saturn aus zahlreichen kleinen Teilchen bestehen.

Der 25-jährige Maxwell war gut 15 Jahre jünger als jeder andere Professor an Marischal. Er widmete sich seinen neuen Aufgaben als Abteilungsleiter, erstellte den Lehrplan und bereitete Vorlesungen vor. Er verpflichtete sich, 15 Stunden pro Woche Vorlesungen zu halten, einschließlich einer wöchentlichen Pro-Bono- Vorlesung an der örtlichen Arbeiterschule. Er lebte während der sechs Monate des akademischen Jahres in Aberdeen mit seinem Cousin William Dyce Cay , einem schottischen Bauingenieur, und verbrachte die Sommer in Glenlair, das er von seinem Vater geerbt hatte.

James Clerk Maxwell und seine Frau von Jemima Blackburn

Er konzentrierte seine Aufmerksamkeit auf ein Problem, das Wissenschaftlern 200 Jahre lang entgangen war: die Natur der Saturnringe . Es war unbekannt, wie sie stabil bleiben konnten, ohne auseinanderzubrechen, wegzudriften oder mit Saturn zu kollidieren. Das Problem erhielt damals eine besondere Resonanz, weil das St. John's College, Cambridge , es als Thema für den Adams-Preis von 1857 gewählt hatte . Maxwell widmete der Untersuchung des Problems zwei Jahre und bewies, dass ein normaler fester Ring nicht stabil sein kann, während ein flüssiger Ring durch Wellenbewegung gezwungen würde, in Blobs aufzubrechen. Da beides nicht beobachtet wurde, kam er zu dem Schluss, dass die Ringe aus zahlreichen kleinen Partikeln bestehen müssen, die er "Ziegelfledermäuse" nannte und die jeweils unabhängig voneinander den Saturn umkreisen. Maxwell wurde 1859 für seinen Aufsatz „Über die Stabilität der Bewegung der Saturnringe“ mit dem mit 130 Pfund dotierten Adams-Preis ausgezeichnet; Er war der einzige Teilnehmer, der genug Fortschritte gemacht hatte, um einen Beitrag einzureichen. Seine Arbeit war so detailliert und überzeugend, dass George Biddell Airy , als er sie las, kommentierte: „Es ist eine der bemerkenswertesten Anwendungen der Mathematik auf die Physik, die ich je gesehen habe.“ Es wurde als das letzte Wort zu diesem Thema angesehen, bis direkte Beobachtungen der Vorbeiflüge der Voyager in den 1980er Jahren Maxwells Vorhersage bestätigten, dass die Ringe aus Partikeln bestehen. Inzwischen versteht man jedoch, dass die Teilchen der Ringe überhaupt nicht stabil sind, da sie durch die Schwerkraft auf den Saturn gezogen werden. Es wird erwartet, dass die Ringe in den nächsten 300 Millionen Jahren vollständig verschwinden werden.

1857 freundete sich Maxwell mit Reverend Daniel Dewar an, der damals Rektor von Marischal war. Durch ihn lernte Maxwell Dewars Tochter Katherine Mary Dewar kennen . Sie verlobten sich im Februar 1858 und heirateten am 2. Juni 1858 in Aberdeen. In der Heiratsurkunde ist Maxwell als Professor für Naturphilosophie am Marischal College in Aberdeen aufgeführt. Katherine war sieben Jahre älter als Maxwell. Über sie ist vergleichsweise wenig bekannt, obwohl bekannt ist, dass sie in seinem Labor half und an Viskositätsexperimenten arbeitete . Maxwells Biograf und Freund Lewis Campbell nahm eine uncharakteristische Zurückhaltung zum Thema Katherine an, obwohl er ihr Eheleben als "eines von beispielloser Hingabe" beschrieb.

1860 fusionierte das Marischal College mit dem benachbarten King's College zur University of Aberdeen . Es gab keinen Platz für zwei Professoren für Naturphilosophie, sodass Maxwell trotz seines wissenschaftlichen Rufs entlassen wurde. Es gelang ihm nicht, sich für den kürzlich frei gewordenen Lehrstuhl von Forbes in Edinburgh zu bewerben, stattdessen ging die Stelle an Tait . Maxwell wurde stattdessen der Lehrstuhl für Naturphilosophie am King's College in London verliehen. Nachdem er sich 1860 von einem fast tödlichen Pockenanfall erholt hatte, zog er mit seiner Frau nach London.

King’s College, London, 1860–1865

Gedenken an Maxwells Gleichungen am King's College. Eine von drei identischen IEEE Milestone Plaques, die anderen befinden sich in Maxwells Geburtsort in Edinburgh und dem Familienhaus in Glenlair.

Maxwells Zeit bei King's war wahrscheinlich die produktivste seiner Karriere. 1860 erhielt er die Rumford-Medaille der Royal Society für seine Arbeit über Farbe und wurde später 1861 in die Gesellschaft gewählt. In dieser Zeit seines Lebens zeigte er das weltweit erste lichtechte Farbfoto und entwickelte seine Ideen zur Viskosität weiter von Gasen und schlagen ein System zur Definition physikalischer Größen vor, das heute als Dimensionsanalyse bekannt ist . Maxwell besuchte oft Vorlesungen an der Royal Institution , wo er in regelmäßigen Kontakt mit Michael Faraday kam . Die Beziehung zwischen den beiden Männern konnte nicht als eng bezeichnet werden, denn Faraday war 40 Jahre älter als Maxwell und zeigte Alterserscheinungen . Dennoch bewahrten sie großen Respekt vor den Talenten des anderen.

Blaue Plakette, 16 Palace Gardens Terrace, Kensington, Maxwells Haus, 1860–1865

Diese Zeit ist besonders bemerkenswert für die Fortschritte, die Maxwell auf den Gebieten der Elektrizität und des Magnetismus gemacht hat. Er untersuchte die Natur sowohl elektrischer als auch magnetischer Felder in seiner zweiteiligen Arbeit „ Über physikalische Kraftlinien “, die 1861 veröffentlicht wurde. Darin lieferte er ein konzeptionelles Modell für die elektromagnetische Induktion , bestehend aus winzigen rotierenden Zellen des magnetischen Flusses . Zwei weitere Teile wurden später hinzugefügt und Anfang 1862 in demselben Artikel veröffentlicht. Im ersten zusätzlichen Teil diskutierte er die Natur der Elektrostatik und des Verschiebungsstroms . Im zweiten Zusatzteil beschäftigte er sich mit der Drehung der Polarisationsebene von Licht in einem Magnetfeld, einem von Faraday entdeckten Phänomen, das heute als Faraday-Effekt bekannt ist .

Spätere Jahre, 1865–1879

Der Grabstein in Parton Kirk (Galloway) von James Clerk Maxwell, seinen Eltern und seiner Frau
Dieser Gedenkstein für James Clerk Maxwell steht auf einer Grünfläche vor der Kirche neben dem Kriegerdenkmal in Parton (Galloway).

1865 gab Maxwell den Lehrstuhl am King's College in London auf und kehrte mit Katherine nach Glenlair zurück. In seiner Arbeit „Über Regler“ (1868) beschrieb er mathematisch das Verhalten von Reglern – Vorrichtungen, die die Geschwindigkeit von Dampfmaschinen regeln – und legte damit die theoretische Grundlage der Regelungstechnik. In seiner Arbeit "Über reziproke Figuren, Rahmen und Kräftediagramme" (1870) diskutierte er die Starrheit verschiedener Gitterkonstruktionen. Er schrieb das Lehrbuch Theory of Heat (1871) und die Abhandlung Matter and Motion (1876). Maxwell war auch der erste , der 1871 ausdrücklich von der Dimensionsanalyse Gebrauch machte.

1871 kehrte er nach Cambridge zurück, um der erste Cavendish-Professor für Physik zu werden . Maxwell wurde mit der Entwicklung des Cavendish Laboratory beauftragt und überwachte jeden Schritt im Fortschritt des Gebäudes und des Kaufs der Gerätesammlung. Einer von Maxwells letzten großen Beiträgen zur Wissenschaft war die Bearbeitung (mit zahlreichen Originalnotizen) der Forschung von Henry Cavendish , aus der hervorgeht, dass Cavendish unter anderem Fragen wie die Dichte der Erde und die Zusammensetzung des Wassers erforschte. 1876 ​​wurde er zum Mitglied der American Philosophical Society gewählt.

Im April 1879 bekam Maxwell Schluckbeschwerden, das erste Symptom seiner tödlichen Krankheit.

Maxwell starb am 5. November 1879 im Alter von 48 Jahren in Cambridge an Bauchkrebs. Seine Mutter war im gleichen Alter an derselben Krebsart gestorben. Der Pfarrer, der ihn in seinen letzten Wochen regelmäßig besuchte, war erstaunt über seine Klarheit und die immense Kraft und Reichweite seines Gedächtnisses, bemerkte aber insbesondere:

... seine Krankheit zog das ganze Herz und die ganze Seele und den ganzen Geist des Mannes heraus: sein fester und unzweifelhafter Glaube an die Inkarnation und all ihre Ergebnisse; in der vollen Hinlänglichkeit des Sühnopfers; im Wirken des Heiligen Geistes. Er hatte alle Schemata und Systeme der Philosophie ermessen und ergründet und fand sie völlig leer und unbefriedigend – „undurchführbar“ war sein eigenes Wort darüber – und er wandte sich mit einfachem Glauben dem Evangelium des Erlösers zu.

Als sich der Tod näherte, sagte Maxwell zu einem Kollegen aus Cambridge:

Ich habe darüber nachgedacht, wie sanft ich immer behandelt wurde. Ich habe mein ganzes Leben lang noch nie einen heftigen Schubs bekommen. Der einzige Wunsch, den ich haben kann, ist wie David, meiner eigenen Generation durch den Willen Gottes zu dienen und dann einzuschlafen.

Maxwell ist in Parton Kirk in der Nähe von Castle Douglas in Galloway begraben, in der Nähe dessen, wo er aufgewachsen ist. Die erweiterte Biografie The Life of James Clerk Maxwell von seinem ehemaligen Schulkameraden und lebenslangen Freund Professor Lewis Campbell wurde 1882 veröffentlicht. Seine gesammelten Werke wurden 1890 in zwei Bänden von der Cambridge University Press herausgegeben.

Die Testamentsvollstrecker von Maxwells Nachlass waren sein Arzt George Edward Paget , GG Stokes und Colin Mackenzie, der Maxwells Cousin war. Mit Arbeit überlastet, gab Stokes Maxwells Papiere an William Garnett weiter , der die Papiere bis etwa 1884 effektiv verwahrte.

Es gibt eine Gedenkinschrift für ihn in der Nähe des Chorgitters in der Westminster Abbey .

James Clerk Maxwell von Jemima Blackburn

Persönliches Leben

Als großer Liebhaber der schottischen Poesie lernte Maxwell Gedichte auswendig und schrieb seine eigenen. Am bekanntesten ist Rigid Body Sings , eng angelehnt an „ Comin‘ Through the Rye “ von Robert Burns , den er anscheinend früher gesungen hat, während er sich selbst auf einer Gitarre begleitete. Es hat die Eröffnungszeilen

Gin einen Körper trifft einen Körper

Fliegt durch die Luft.
Gin ein Körper schlägt einen Körper,

Wird es fliegen? Und wo?

Eine Sammlung seiner Gedichte wurde 1882 von seinem Freund Lewis Campbell veröffentlicht.

Beschreibungen von Maxwell bemerken, dass seine bemerkenswerten intellektuellen Qualitäten mit sozialer Unbeholfenheit einhergehen.

Maxwell war evangelischer Presbyterianer und wurde in seinen späteren Jahren Ältester der Church of Scotland . Maxwells religiöse Überzeugungen und damit verbundene Aktivitäten standen im Mittelpunkt einer Reihe von Artikeln. Als Kind nahm Maxwell sowohl an Gottesdiensten der Church of Scotland (der Konfession seines Vaters) als auch der Episcopalian (der Konfession seiner Mutter) teil und unterzog sich im April 1853 einer evangelischen Bekehrung. Ein Aspekt dieser Bekehrung könnte ihn mit einer antipositivistischen Position in Einklang gebracht haben.

Wissenschaftliches Erbe

Elektromagnetismus

Eine Postkarte von Maxwell an Peter Tait

Maxwell hatte bereits 1855 Elektrizität und Magnetismus studiert und kommentiert, als sein Aufsatz „On Faraday's Lines of Force“ vor der Cambridge Philosophical Society vorgelesen wurde . Das Papier präsentierte ein vereinfachtes Modell von Faradays Arbeit und wie Elektrizität und Magnetismus zusammenhängen. Er reduzierte das gesamte aktuelle Wissen auf einen verknüpften Satz von Differentialgleichungen mit 20 Gleichungen in 20 Variablen. Dieses Werk wurde später im März 1861 als „ On Physical Lines of Force “ veröffentlicht.

Um 1862, als er am King's College lehrte, berechnete Maxwell, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektromagnetischen Feldes ungefähr der Lichtgeschwindigkeit entspricht . Er hielt dies für mehr als nur einen Zufall und kommentierte: „Wir kommen kaum um den Schluss herum, dass Licht aus den Querwellen des gleichen Mediums besteht, das die Ursache für elektrische und magnetische Phänomene ist.

Maxwell arbeitete weiter an dem Problem und zeigte, dass die Gleichungen die Existenz von Wellen oszillierender elektrischer und magnetischer Felder vorhersagen, die sich mit einer Geschwindigkeit durch den leeren Raum bewegen, die aus einfachen elektrischen Experimenten vorhergesagt werden könnte; Unter Verwendung der damals verfügbaren Daten erhielt Maxwell eine Geschwindigkeit von 310.740.000 Metern pro Sekunde (1,0195 × 10 9  ft / s). In seiner Arbeit „ A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field “ von 1865 schrieb Maxwell: „Die Übereinstimmung der Ergebnisse scheint zu zeigen, dass Licht und Magnetismus Einflüsse derselben Substanz sind, und dass Licht eine elektromagnetische Störung ist, die sich entsprechend durch das Feld ausbreitet elektromagnetische Gesetze".

Seine berühmten zwanzig Gleichungen in ihrer modernen Form von partiellen Differentialgleichungen erschienen erstmals 1873 in vollständig entwickelter Form in seinem Lehrbuch A Treatise on Electricity and Magnetism . Der größte Teil dieser Arbeit wurde von Maxwell in Glenlair während der Zeit zwischen seiner Anstellung in London durchgeführt und seine Einnahme des Cavendish-Stuhls. Oliver Heaviside reduzierte die Komplexität von Maxwells Theorie auf vier partielle Differentialgleichungen , die heute gemeinsam als Maxwellsche Gesetze oder Maxwellsche Gleichungen bekannt sind . Obwohl Potentiale im neunzehnten Jahrhundert viel weniger populär wurden, ist die Verwendung von Skalar- und Vektorpotentialen heute Standard bei der Lösung von Maxwells Gleichungen.

Wie Barrett und Grimes (1995) beschreiben:

Maxwell drückte den Elektromagnetismus in der Algebra der Quaternionen aus und machte das elektromagnetische Potential zum Kernstück seiner Theorie. 1881 ersetzte Heaviside das elektromagnetische Potentialfeld durch Kraftfelder als Kernstück der elektromagnetischen Theorie. Laut Heaviside war das elektromagnetische Potentialfeld willkürlich und musste „ermordet“ werden. ( sic ) Ein paar Jahre später gab es eine Debatte zwischen Heaviside und [Peter Guthrie] Tate ( sic ) über die relativen Vorzüge von Vektoranalyse und Quaternionen . Das Ergebnis war die Erkenntnis, dass die größeren physikalischen Erkenntnisse, die Quaternionen bieten, nicht erforderlich waren, wenn die Theorie rein lokal war, und die Vektoranalyse wurde alltäglich.

Maxwell hat sich als richtig erwiesen, und seine quantitative Verbindung zwischen Licht und Elektromagnetismus gilt als eine der großen Errungenschaften der mathematischen Physik des 19. Jahrhunderts .

Maxwell führte auch das Konzept des elektromagnetischen Feldes im Vergleich zu den von Faraday beschriebenen Kraftlinien ein. Durch das Verständnis der Ausbreitung des Elektromagnetismus als ein von aktiven Teilchen emittiertes Feld konnte Maxwell seine Arbeit zum Thema Licht vorantreiben. Zu dieser Zeit glaubte Maxwell, dass die Ausbreitung des Lichts ein Medium für die Wellen erforderte, das als leuchtender Äther bezeichnet wurde . Im Laufe der Zeit erwies sich die Existenz eines solchen Mediums, das den gesamten Raum durchdringt und dennoch mit mechanischen Mitteln scheinbar nicht nachweisbar ist, als unvereinbar mit Experimenten wie dem Michelson-Morley-Experiment . Darüber hinaus schien es einen absoluten Bezugsrahmen zu erfordern, in dem die Gleichungen gültig waren, mit dem unangenehmen Ergebnis, dass die Gleichungen für einen sich bewegenden Beobachter ihre Form änderten. Diese Schwierigkeiten inspirierten Albert Einstein , die Theorie der speziellen Relativitätstheorie zu formulieren ; dabei verzichtete Einstein auf die Forderung nach einem stationären Lichtäther .

Farbsehen

Erstes dauerhaftes farbfotografisches Bild, demonstriert von Maxwell in einem Vortrag von 1861

Wie die meisten Physiker der damaligen Zeit hatte Maxwell ein starkes Interesse an Psychologie. Er folgte den Spuren von Isaac Newton und Thomas Young und interessierte sich besonders für das Studium des Farbsehens . Von 1855 bis 1872 veröffentlichte Maxwell in Abständen eine Reihe von Untersuchungen über die Wahrnehmung von Farben, Farbenblindheit und Farbtheorie und wurde mit der Rumford-Medaille für „On the Theory of Color Vision“ ausgezeichnet.

Isaac Newton hatte mit Hilfe von Prismen gezeigt, dass weißes Licht wie Sonnenlicht aus einer Reihe monochromatischer Komponenten besteht , die dann zu weißem Licht rekombiniert werden können. Newton zeigte auch, dass eine orangefarbene Farbe aus Gelb und Rot genau wie ein monochromatisches orangefarbenes Licht aussehen kann, obwohl sie aus zwei monochromatischen gelben und roten Lichtern besteht. Daher das Paradoxon, das die damaligen Physiker verwirrte: Zwei komplexe Lichter (die aus mehr als einem monochromatischen Licht bestehen) könnten gleich aussehen, aber physikalisch unterschiedlich sein, Metamere genannt . Thomas Young schlug später vor, dass dieses Paradox dadurch erklärt werden könnte, dass Farben durch eine begrenzte Anzahl von Kanälen in den Augen wahrgenommen werden, die er dreifach vorschlug, die trichromatische Farbtheorie . Maxwell verwendete die kürzlich entwickelte lineare Algebra , um Youngs Theorie zu beweisen. Jedes monochromatische Licht, das drei Rezeptoren stimuliert, sollte in der Lage sein, von einem Satz von drei verschiedenen monochromatischen Lichtern (tatsächlich von jedem Satz von drei verschiedenen Lichtern) gleichermaßen stimuliert zu werden. Er demonstrierte dies, indem er Farbanpassungsexperimente und die Farbmetrik erfand .

Maxwell interessierte sich auch für die Anwendung seiner Theorie der Farbwahrnehmung, nämlich in der Farbfotografie . Direkt aus seiner psychologischen Arbeit zur Farbwahrnehmung hervorgegangen: Wenn eine Summe von drei beliebigen Lichtern jede wahrnehmbare Farbe reproduzieren könnte, könnten Farbfotografien mit einem Satz von drei Farbfiltern erstellt werden. Im Verlauf seiner Arbeit von 1855 schlug Maxwell vor, dass, wenn drei Schwarz-Weiß-Fotografien einer Szene durch Rot-, Grün- und Blaufilter aufgenommen wurden, und transparente Drucke der Bilder mit drei Projektoren auf eine Leinwand projiziert wurden ähnlicher Filter würde das Ergebnis, wenn es auf dem Bildschirm überlagert wird, vom menschlichen Auge als vollständige Reproduktion aller Farben in der Szene wahrgenommen.

Während eines Vortrags der Royal Institution im Jahr 1861 über Farbtheorie präsentierte Maxwell die weltweit erste Demonstration der Farbfotografie nach diesem Prinzip der Dreifarbenanalyse und -synthese. Aufgenommen hat Thomas Sutton , Erfinder der Spiegelreflexkamera . Er fotografierte ein Tartanband dreimal durch rote, grüne und blaue Filter und machte auch ein viertes Foto durch einen gelben Filter, der laut Maxwells Bericht bei der Demonstration nicht verwendet wurde. Da Suttons fotografische Platten für Rot unempfindlich und für Grün kaum empfindlich waren, waren die Ergebnisse dieses bahnbrechenden Experiments alles andere als perfekt. In der veröffentlichten Darstellung des Vortrags wurde angemerkt, dass „wenn die roten und grünen Bilder so vollständig fotografiert worden wären wie die blauen“, es „ein wirklich gefärbtes Bild des Bandes gewesen wäre“. weniger brechbare Strahlen, könnte die Darstellung der Farben von Objekten stark verbessert werden." Forscher kamen 1961 zu dem Schluss, dass der scheinbar unmögliche Teilerfolg der rotgefilterten Belichtung auf ultraviolettes Licht zurückzuführen ist, das von einigen roten Farbstoffen stark reflektiert wird, nicht vollständig durch den verwendeten Rotfilter blockiert wird und im Empfindlichkeitsbereich des nassen Kollodiums liegt Prozess Sutton beschäftigt.

Kinetische Theorie und Thermodynamik

Maxwells Dämon , ein Gedankenexperiment, bei dem die Entropie abnimmt

Maxwell untersuchte auch die kinetische Gastheorie . Ausgehend von Daniel Bernoulli wurde diese Theorie durch die aufeinanderfolgenden Arbeiten von John Herapath , John James Waterston , James Joule und insbesondere Rudolf Clausius so weit vorangetrieben, dass ihre allgemeine Genauigkeit außer Zweifel gestellt wurde; aber es erhielt eine enorme Entwicklung von Maxwell, der auf diesem Gebiet sowohl als Experimentator (über die Gesetze der Gasreibung) als auch als Mathematiker auftrat.

Zwischen 1859 und 1866 entwickelte er die Theorie der Geschwindigkeitsverteilungen in Gasteilchen, eine Arbeit, die später von Ludwig Boltzmann verallgemeinert wurde . Die als Maxwell-Boltzmann-Verteilung bezeichnete Formel gibt den Anteil der Gasmoleküle an, die sich bei einer bestimmten Temperatur mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegen. In der kinetischen Theorie beinhalten Temperaturen und Wärme nur Molekularbewegungen. Dieser Ansatz verallgemeinerte die zuvor etablierten Gesetze der Thermodynamik und erklärte bestehende Beobachtungen und Experimente besser als bisher. Seine Arbeiten zur Thermodynamik führten ihn zur Entwicklung des Gedankenexperiments , das als Maxwells Dämon bekannt wurde, bei dem der zweite Hauptsatz der Thermodynamik durch ein imaginäres Wesen verletzt wird, das in der Lage ist, Teilchen nach Energie zu sortieren.

1871 stellte er Maxwells thermodynamische Beziehungen auf, die Aussagen über die Gleichheit zwischen den zweiten Ableitungen der thermodynamischen Potentiale in Bezug auf verschiedene thermodynamische Variablen sind. 1874 konstruierte er eine thermodynamische Visualisierung aus Gips , um Phasenübergänge zu untersuchen, basierend auf den grafischen Thermodynamik - Papieren des amerikanischen Wissenschaftlers Josiah Willard Gibbs .

Steuerungstheorie

Maxwell veröffentlichte die Abhandlung „On Governors“ in den Proceedings of the Royal Society , vol. 16 (1867–1868). Dieses Papier gilt als zentrales Papier der frühen Tage der Regelungstheorie . Hier bezieht sich "Regler" auf den Regler oder den Fliehkraftregler , der zur Regulierung von Dampfmaschinen verwendet wird .

Erbe

Das James Clerk Maxwell Monument in Edinburgh, von Alexander Stoddart . Im Auftrag der Royal Society of Edinburgh; 2008 enthüllt.

Veröffentlichungen

  • Maxwell, James Clerk (1873), Eine Abhandlung über Elektrizität und Magnetismus, Bd. I , Oxford: Clarendon Press
  • Maxwell, James Clerk (1873), Eine Abhandlung über Elektrizität und Magnetismus, Bd. II , Oxford: Clarendon Press
  • Maxwell, James Clerk (1881), Eine elementare Abhandlung über Elektrizität , Oxford: Clarendon Press
  • Maxwell, James Clerk (1890), The scientific papers of James Clerk Maxwell Vol I , Dover Publication
  • Maxwell, James Clerk (1890), The scientific papers of James Clerk Maxwell Vol II , Cambridge, University Press
  • Maxwell, James Clerk (1908), Wärmetheorie , Longmans Green Co.
  • Drei von Maxwells Beiträgen zur Encyclopædia Britannica erschienen in der neunten Ausgabe (1878): Atom , Atom Attraction , Attraction und Ether Ether ; und drei in der Elften Ausgabe (1911): Kapillarwirkung , Diagramm , und Faraday, Michael

Anmerkungen

Verweise

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