زندگینامه و فعالیت‌های علمی جیمز کلرک ماکسول به مناسبت زادروز او
ترجمه از کیوان فیضل اللهی: صد و پنجاه سال پیش جیمز کلرک ماکسول 30 ساله نخستین قسمت از سندی فوق العاده را منتشر کرد: «در باب خطوط فیزیکی نیرو)، مقاله‌ای درباره فیزیک ریاضیاتی الکترومغناطیس. اگر به نظرتان پیچیده می‌آید پیدا کردن اسباب و وسایل دنیای امروزی که بر اساس الکترومغناطیس کار می‌کنند بسیار ساده است: تمام دستگاه‌های رایج در ارتباطات، تکنولوژی اطلاعات و میکروالکترونیک. اما مسیری که از آن زمان تاکنون طی شده چنان که به نظر می‌رسد سرراست نیست.
ستایندگان ماکسول گاهی کار اور گواهی بر این ادعا تلقی می‌کنند که کار‌های علمی بی‌غرضانه در نهایت منجر به نتایج عملی و اقتصادی عظیمی خواهند شد. برای مثال در انگلستان عبارت کلرک ماکسول به عنوان علامت تجاری مراکز منطقه‌ای تکنولوژی و نوآوری با هدف جاه طلبانه پر کردن شکاف میان دانشگاه و صنعت، پیشنهاد شده است.
این مدل خطی – این ایده که نظریه پردازی‌های تارک دنیایی مستقیما می‌توانند به تکنولوژی‌های جدید و سود منجر شوند – اغلب از سوی کسانی استفاده می‌شود که از سرمایه‌گذاری‌های بیشتر در علم دفاع می‌کنند. اما در گزارشی با عنوان «قرن علمی» که سال ۲۰۱۰ توسط انجمن سلطنتی بریتانیا منتشر شد آمده است. این مدل خطی، از پژوهش بنیادی تا نوآوری، ارتباط چندانی با واقعیت ندارد. همچنین در این گزارش گفته شده که جذابیت دیرپای این مدل را تا اندازه‌ای می‌توان با پندار‌های تاریخی و اسطوره‌های آشنایی توضیح داد که به ندرت به چالش کشیده شده‌اند. کار باشکوه ماکسول در دهه ۱۸۶۰ یکی از عالی‌ترین نمونه‌های این مسئله است. این دستاورد، به جای‌گذار موقرانه از یک نظریه انتزاعی به کاربرد خالص، در واقع محصول شبکه‌ای از بازار‌ها، تکنولوژی‌ها، آزمایشگاه‌ها و متخصص‌ها در کارگاه جهان است.
افسانه‌ها و ریاضیات
اساسا چرا ماکسول روی الکترومغناطیس کار می‌کرد؟ در دهه ۱۸۵۰ این خوراک رایج ریاضیدانان تحصیل کرده در دانشگاه کمبریج نبود. برنامه آموزشی دانشگاه روی علوم ریشه داری مانند مکانیک سماوی، اپتیک موجی و هیدرودینامیک متمرکز بود. دانشگاه‌های بریتانیایی حتا آزمایشگاه‌های آموزشی برای فیزیک هم نداشتند. اینکه مشهورترین پیشگام انگلیسی در تحقیقات الکترومغناطیس مایکل فارادی ( M. Faraday)، استاد موسسه سلطنتی، بود خود گویای همه چیز است. در واقع فارادی شیمیدان تجربی خارق العاده‌ای بدون تحصیلات رسمی بود که درباره ریاضیات پیشرفته و سطح بالا چیز زیادی نمی‌دانست. ماکسول، برخلاف قهرمانش فارادی، گاهی بسان یک منزوی روستانشین به نظر می‌رسید. او اغلب به املاک ۱۸۰۰ جریبی‌اش در اسکاتلند پناه می‌برد، جایی که امور روستایی بیشتر زمان او را می‌گرفت – حتا از او به عنوان «ارباب منطقه شمال» یاد می‌شد. به نظر می‌رسد این تصور از خود که در ذهن ماکسول پروش یافته بود در تابید این باور سنتی باشد که دانشمندان برجسته رها از امور دنیوی هستند.
با این حال ماکسول به عنوان نوجوانی باهوش در گالووی، در جنوب ش رقی اسکاتلند، در تبدیل اصول درسی به وسایل عملی مانند تلگراف‌های الکتریکی خانگی استعداد فوق العاده‌ای داشت. ماکسول با حمایت صمیمانه پدرش موتور‌های به نمایش در آمده در شهرهای صنعتی و همچنین نمایشگاه بزرگ کار‌های صنعتی تمام ملل» در کریستال پالاس که در سال ۱۸۵۱ در لندن برگزار شد را مورد بررسی قرار داد. نبوغ او توجه ویلیام تامسون (بعد‌ها به لرد کلوین (Kelvin) شهرت یافت) را جلب کرد، این دو در سال ۱۹۵۰ با یکدیگر ملاقات کردند. کلوین که در آن زمان استاد جوانی در دانشگاه گلاسکو بود ماکسول را تشویق کرد در خانه‌اش، در گالووی، کریستال‌های حساس به مغناطیس تولید کند.
ماکسول پس از کامل کردن تحصیلات ریاضی‌اش در کمبریج، آنچنان که انتظار می‌رفت، وارد عرصه الکتریسیته شد. اما تحقیقات فریبنده فارادی در زمینه جریان‌های الکتریکی و قطب‌های مغناطیسی توجه او را جلب کرد. بنابراین از تامسون که پیش از آن روی این معما‌ها کار می‌کرد، راهنمایی خواست. سرانجام ماکسول و دیگر فارغ التحصیلان توانستند به جنگ الکتریسیته بروند. همه چیز در زمان مناسب رخ داد.
دو سوی اطلس
در دهه ۱۸۵۰ پروژ‌های با هدف اتصال امپراتوری بریتانیا به یک سیستم جهانی تلگراف الکتریکی آغاز شد که مشکلات فنی فراوانی را پیش روی ماکسول وهمکاران علمی‌اش قرار داد که باید حل می‌کردند: انتشار سیگنال‌ها در شبکه‌های الکترومغناطیسی، قابلیت اطمینان ابزار‌های اندازه‌گیری، تحلیل‌های نیرو، مقاومت و جریان اینکه نظریه میدان الکترومغناظیس در کشوری ابداع شد که بیشترین درگیری را با خطوط تلگراف زیردریایی داشت ، بسیار اهمیت دارد. در واقع در جا‌های دیگر اروپا خطوط هوایی معمول بود، بنابراین مشکلات واپیچش و تاخیر ناشی از آب دریا در فرایند انتقال سیگنال وجود نداشت.
فارادی در سال ۱۸۵۳ شاهد مشکلات فاجعه بار تاخیر سیگنال در خطوط کابلی بود که توسط یک کمپانی تلگراف بین لندن و منچسترکار گذاشته شده بود. او این مشکلات را فرصتی برای علنی کردن نظریه‌اش درباره القای الکترومغناطیسی تلقی کرد. چند ماه بعد طی یک سخنرانی در موسسه س لطنتی، فارادی با استفاده از نظریه‌اش نشان داد چگونه آب دریا روی کابل‌های زیردریایی بسان پوشش بیرونی یک خازن عمل می‌کند و با افزایش ظرفیت کابل باعث کند شدن القا و در نتیجه تاخیر بیشتر سیگنال خواهد شد.
ماکسول و تامسون س خنرانی فارادی – و هشدار‌هایی که درباره تلگراف زیردریایی داده بود – را به دقت بررسی کردند. ظرف چند ماه تامسون به فرمولی برای رابطه میان طول کابل و تاخیر سیگنال دست یافت که برای سرمایه‌گذاران پشت پروژه جاه طلبانه زیردریایی ۵۰۰۰ کیلومتری از انگلستان به آمریکای شمالی بسیار اهمیت داشت. در سال ۱۸۵۶ تامسون از محققی در آزمایشگاه فیزیک جدیدش در گلاسکو به مدیر یکی از بزرگترین کمپانی‌های خط انتقال دوسوی اقیانوس اطلس و یکی از صاحب‌نظران مشهور در زمینه سیستم‌های الکترومغناطیسی تبدیل شد. در سال‌های پس از آن، تامسون از اختراعات ثبت شده و مشاوره‌هایش در زمینه تلگراف در آمد بسیار زیادی به دست آورد، آنقدر زیاد که برای خرید یک قایق تفریحی، ساخت یک عمارت اعیانی و اعطای کمک هزینه و تجهیزات به دانشگاهش کافی بود. ماکسول تامسون را به خاطر استفاده از علم برجسته‌اش برای تاثیر گذاشتن بر مهندسان سخت تحسین می‌کرد.
در این اثنا ماکسول که استاد فلسفه طبیعی در ابردین بود، مدل فارادی درباره القای الکترومغناطیسی را جسورانه مورد بازنگری قرار داد. او به این نتیجه رسید که فارادی مدل‌های رایج الکترومغناطیس در اروپا که در آنها کنش‌های آنی میان ذرات مجزا در امتداد فضاهای تھی مسلم فرض شده را به کلی نابود کرده بود. ماکسول الکترومغناطیس را وابسته به نوعی محیط سیال، فضای مملو از اتریامیدان تلقی کرد که کشش و تنش آن باعث ذخیره انرژی و انتقال کنش با سرعت‌های متناهی می‌شود. چهارسال طاقت‌فرسا طول کشید تاماکسول این مدل از الکترومغناطیس را با داده‌های تجربی موجود سازگار کند. در ابتدای این دوره که از بهار ۱۸۵۷ آغاز شد او در اسکاتلند بود اما در ادامه به خاطر شغل جدیدش به عنوان استاد فلسفه طبیعی در کالج کینگ، به لندن رفت. فلاسفه طبیعی بریتانیایی، برخلاف هم عصرانشان در فرانسه و آلمان، طوری تربیت شده بودند که نخست در چارچوب فیزیک قرقره‌ها، پمپ‌ها، ژله یا لاستیک بیندیشند و سپس آن اندیشه را به کل جهان تعمیم دهند. این همان رویکردی بود که ماکسول در درس‌های مکانیک سیالات در کمبریج آموخته بود. و از این رو در مقاله‌اش که بهار ۱۸۶۱ در ژورنال علم و مجله فلسفی لندن، ادینبروو دابلین) عنوان قدیمی ژورنال «مجله فلسفی» منتشر شد.
ماکسول فضای خطوط نیروی مغناطیسی فارادی را به صورت چیدمان بزرگی از چرخ دنده‌های دوار ترسیم کرد که به وسیله رشته‌ها بلندی از ساچمه‌های بلبرینگ از هم جدا شده بودند.
معادلات مکانیکی
ماکسول در مدل ۱۸۶۱ خود نشان داد طرز کار مکانیسم پیچیده‌اش از چرخ‌ها و دنده‌ها، اگر به صورت مناسب تنظیم شوند، کاملا با طرز کارپدیده الکترومغناطیس مطابقت دارد. انرژی مغناطیسی در انرژی جنبشی چرخدنده‌های دوار ذخیره شده بود و چرخش و بیرون پریدن چرخ دنده‌ها در واقع نحوه تولید جریان‌ها توسط تغییرات در میدان‌های مغناطیسی را ضبط می‌کرد. با چاپ شدن این دستاورد‌ها، ماکسول در بازگشت به املاک روستایی‌اش در تابستان ۱۸۶۱ کاملا راضی به نظر می‌رسید. با این حال در چند ماه پس از آن بود که درک او نسبت به اهمیت کارش به طور چشمگیری تغییر کرد.
ماکسول تابستان ۱۸۶۱ در اسکاتلند دریافت که محیط س یال او باید کنش‌ها را از طریق امواج عرضی انتقال دهد، درست مانند ژله یا لاستیک. او توانست از روی چگالی و صلبیت محیط – که به وسیله اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی نیرو‌های الکترواستاتیک و الکترومغناطیس تعیین شده بود – سرعت این امواج را محاسبه کند. در بازگشت به لندن، او نتایج مشاهدات انجام شده در زمینه الکترومغناطیس در اواخر دهه ۱۸۵۰ در آلمان را بررسی کرد و این مقادیر را به معادلاتش اعمال کرد. در کمال شگفتی او، اختلاف نسبت واحد‌های الکترواستاتیک و الکترومغناطیس با مقداری که یک دهه پیش در پاریس برای سرعت نور اندازه‌گیری شده بود، بیش از یک درصد نبود. | او در پاییز س ال ۱۸۶۱ به فارادی گفت «این صرفا یک تطابق عددی نیست. در واقع از نگاه ماکسول این طور به نظر می‌رسید که نور ارتعاشی است در محیط مسبب الکترومغناطیس. او با این نگرش، جرقه وحدت حوزه‌های به ظاهر مجزای نورو الکترومغناطیس را زد و فیزیک را برای همیشه دگرگون کرد.
پذیرش اکتشافات ماکسول نیز تحت تاثیر ملاحظات کاربردی انتقال سیگنال‌های تلگراف بود. در خلال دوران بی‌ن‌هایت پر بار پیش از مرگ زودهنگامش در سال ۱۸۷۹، ماکسول به شدت تلاش کرد مدل مکانیکی‌اش از میدان الکترومغناطیسیرابه نظریه دینامیکی تعمیم یافته‌ای برای کنش الکترومغناطیسی تبدیل کند. با وجود اهمیت کلیدی نظریه ماکسول برای فیزیک و فهم امروزی ما از تمام انواع تابش‌ها، سال‌ها طول کشید تا سایرین به این نظریه پی ببرند.
یکی از سرسخت‌ترین منتقدان این نظریه کسی نبود جز تامسون. در واقع او هرگز ماکسول را به خاطر عوض کردن آن زبان مکانیکی پیچیده با یک نمادگذاری جبری انتزاعی هرگز نبخشید. از نگاه او الکترومغناطیس ماکسولی، اگر نوعی «پوچگرایی) نبود، گامی به عقب تلقی می‌شد. یکی از دلایل اختلاف فاحش میان این دو دانشمند بزرگ این بود که آنها، از ابتدا، درباره ارتباطات تلگرافی برداشت‌های متفاوتی داشتند. ماکسول بر این باور بود که بررسی‌های ابتدایی فارادی درباره واپیچش سیگنال به برداشتی یکپارچه از القا، رسانش و واسطه محیطی نیاز داشت . در مقابل مدل‌های تامسون در مورد ارتباطات تلگرافی بر تحلیل جداگانه رسانش در امتداد سیم‌ها و القا از طریق عایق اطراف آنها متکی بود.
در سال ۱۸۸۴، پنج سال پس از مرگ ماکسول، تامسون به صورت علنی ادعا کرد که به واسطه تحلیل‌هایش درباره انتشار سیگنال در کابل‌های زیردریایی، از قبل همه چیز را در مورد نظریه الکترومغناطیسی نور می‌دانست. ظاهرا تامسون سرعت نور در میدان الکترومغناطیسی- موضوع مهم پژوهش‌های ماکسول – را با سرعت سیگنال در یک کابل زیردریایی – حوزه تخصصی تامسون – اشتباه گرفته بود. جرج فرانسیس فیتزجرالد، فیزیکدان ایرلندی ویکی از مریدان جوان ماکسول، مجبور شد به عنوان اعتراض و «برای جلوگیری از چیزی که متوجه شدم اشتباه بسیار رایجی است) نامه‌ای به ژورنال Nature بنویسد. پیوند میان مهندسی تلگراف و سرنوشت نظریه الکترومغناطیس حتا پس از مرگ ماکسول نیز همچنان برقرار ماند.
Nature، Mar. 2011
بنظرم خیلی از این داستان ها تحریف شده