Джеймс Клерк Максвелл (1831 - 1879)

Оригінал: https://faculty.wcas.northwestern.edu/infocom/Ideas/maxwell.html

Взято з тексту Кіта Лейдлера, факультет хімії Оттавського університету

Вважається, що найбільшим внеском Максвелла в науку є його теорія електромагнітного випромінювання, а другим — його кінетична теорія, особливо його висновок про розподіл швидкості молекул газу. Але Максвелл також зробив важливий внесок у кількох інших галузях, включаючи: теорію кольорів, термодинаміку та теорію динаміки кілець Сатурна.

На відміну від деяких вчених, які працюють над різними темами послідовно з невеликим перекриттям між ними, Максвелл прагнув працювати над темами одночасно. Він працював над кольоровим зором з 1849 року, коли був студентом в Единбурзі, до 1871 року, коли він відправився в Кембридж як професор Кавендіша. Його робота з теорії електромагнітної енергії почалася незабаром після закінчення Кембриджського університету в 1854 році і тривала до його смерті в 1879 році. Між його статтями на ту саму тему часто був інтервал у кілька років. Дванадцять років минуло між його двома найважливішими статтями з кінетичної теорії (у 1867 і 1879 роках), і шість років між його першою і другою статтями з електромагнетизму (у 1855 і 1861 роках). Тому в цій статті теми згруповані за предметами, а не в хронологічному порядку.

Теорія кольору та сприйняття кольору (1849-1870)

Ісаак Ньютон (1642-1727) дійшов висновку, що біле світло складається з семи основних кольорів, але художники усвідомлювали, що будь-який бажаний відтінок можна отримати шляхом поєднання трьох основних кольорів (червоного, зеленого, синього). Важлива наукова робота, заснована на ідеї трьох основних кольорів, була проведена раніше в 19 столітті Томасом Янгом (1773-1829), який отримав докази того, що світло є хвилею, а не корпускулою, як стверджував Ньютон. Янг також припустив, що око містить три типи кольорових рецепторів, чутливих до червоного, жовтого та синього світла, і що око розпізнає кольори шляхом суперпозиції зображень від цих рецепторів.

Максвелл перейшов до теми там, де Янг зупинився. Він почав вивчати колір у 1849 році у віці 18 років, коли навчався в Единбурзькому університеті. У 1855 році, будучи професором Маришальського коледжу в Абердіні, він представив Единбурзькому королівському товариству статтю під назвою «Експерименти з кольором, як його сприймає око, із зауваженнями щодо дальтонізму». Він продемонстрував глядачам свій улюблений пристрій для кольорових експериментів: спеціально розроблену кольорову поверхню з плоскою поверхнею, до якої він міг прикріпити кольорові сектори різного розміру. Стаття Максвелла, здебільшого експериментальна, є зразком ретельності та знаменує собою початок науки про кількісну колориметрію. Максвелл показав, що червоний, зелений і синій утворюють кращий набір основних кольорів, ніж червоний, жовтий і синій. Він вперше чітко розрізнив відтінок (спектральний колір, який визначається довжиною хвилі), відтінок (ступінь насиченості кольору) і тінь (інтенсивність освітлення).

Його процедура полягала в тому, щоб знайти збіги між різними сумішами кольорів і зв’язати складені кольори з основними за допомогою рівнянь. Він побудував кольорові діаграми, що складаються з рівносторонніх трикутників, з основними кольорами в кутових точках. Будь-який колір, отриманий із суміші лише двох основних, був представлений точкою на стороні трикутника. Якщо брали участь три основні кольори, то точка була в межах діаграми.

У 1858 році, ще будучи в Абердіні, Максвелл відмовився від кольорового верху і організував будівництво кольорової коробки, за допомогою якої він міг поєднувати кольори. Пізніше він побудував інші кольорові ящики на основі того ж принципу. Його дружина та кілька інших допомагали йому проводити спостереження за допомогою цих пристроїв. У 1860 році він представив важливу статтю в Королівському товаристві «Про теорію складених кольорів і співвідношення кольорів спектру», яка пізніше була опублікована в «Філософських роботах». У ньому він встановив, які кольори потрібно додати або відняти, щоб отримати будь-який складний колір.

Протягом наступних десяти років у Королівському коледжі Лондона та в Гленлері Максвелл продовжував цікавитися кольором. Він опублікував ряд подальших робіт, але вони були більше за характером оглядів його попередніх робіт.

Кольорове фотозображення (1861)

Часто стверджують, що Максвелл був першим, хто зробив кольорову фотографію в 1861 році. Це неправда, оскільки сер Джон Гершель (1792-1871) і Едмонд Беккерель (1820-1891) зробили кольорові фотографії спектрів у 1842 і 1843 роках. відповідно; приклади їх роботи все ще існують. Можливо, Максвелл був першою людиною, яка створила кольорове зображення об’єкта, що складніше, ніж фотографувати спектр. Але насправді він взагалі не зробив кольорової фотографії; він виготовив три чорно-білі позитивні прозорі плівки, і, спроектувавши їх одночасно на екран, використовуючи червоне, зелене та синє світло, створив досить гарне зображення «банта зі стрічки, смугастої різними кольорами». Стрічка з червоними, зеленими і синіми смугами була зав'язана в розетку.

Демонстрація мала особливе значення у зв'язку з теорією кольору Максвелла. Було зроблено три чорно-білі фотографії через червоний, зелений і синій фільтри. Червоний фільтр — розчин двовалентного тіоціаніду, зелений — розчин хлориду міді, синій — розчин аміаку сульфату міді. Негативи виготовляли на вологому колодії, що містить йодисте срібло, а з них виготовляли скляні позитиви. Перша публічна демонстрація зображення, сформованого проектуванням трьох негативів за допомогою кольорових вогнів, відбулася в травні 1861 року в Королівському інституті, і одним із зацікавлених глядачів був Майкл Фарадей.

Набагато пізніше з’ясувалося, що в демонстрації є дивна аномалія. Доступні на той час фотоемульсії були чутливі лише до синього кінця спектра. Вони були лише трохи чутливі до зеленого, а зовсім не до червоного. Як тоді Максвеллу та Саттону вдалося створити зображення, на якому були зелені та червоні? Відповідь дав у 1961 році, через сто років після демонстрації, Ральф М. Еванс з компанії Eastman Kodak. Зелень проявляється лише слабо, і це можна пояснити невеликою чутливістю емульсій до зеленого кольору. Червоні, однак, не повинні були з'являтися взагалі, і все ж вони з'явилися. Відтворюючи експеримент у вихідних умовах і використовуючи копії оригінальних прозорих позитивів, які все ще знаходяться в Кавендішській лабораторії, Еванс зміг показати, що червоний барвник, використаний у стрічці, також відбивав значну кількість ультрафіолетового світла, до якого була чутлива емульсія. У результаті червоні смуги на стрічці створювали гарне зображення не тому, що вони були червоними, а через ультрафіолетове світло, яке вони відбивали.

Триколірна система Максвелла стала основою для сучасної кольорової фотографії, але знадобилося приблизно 90 років, щоб вона стала комерційно здійсненною. У 1935 році компанія Eastman Kodak представила свої матеріали Kodachrome, які складалися з трьох шарів, що містять органічні барвники трьох основних кольорів. Кольорові відбитки не були доступні до 1942 року, а комерційно доступні лише в 1950-х роках.

Кільця Сатурна (1855-1857)

Робота Максвелла про кільця планети Сатурн становить особливий інтерес, оскільки вона призвела до його більш важливої ​​роботи з кінетичної теорії газів. У 1855 році Кембриджський університет оголосив, що предметом його Премії Адамса 1857 року буде теоретичне дослідження кілець Сатурна з особливим посиланням на дві можливості: що кільця були твердими або текучими. У той час астрономи спостерігали три концентричні кільця навколо Сатурна, усі в одній площині. Було відомо, що принаймні деякі області кілець повинні бути досить тонкими, оскільки в деяких областях крізь них добре видно планету. Максвелл розпочав свою роботу в Кембриджі і продовжив її після призначення в Маришальський коледж, Абердін. Він провів ретельний теоретичний аналіз і дійшов висновку, що кільця не можуть бути твердими чи рідкими, оскільки механічні сили, що діють на кільця такого величезного розміру, розіб’ють їх. Він припустив, що замість цього кільця складаються з величезної кількості окремих твердих частинок, які обертаються по окремих концентричних орбітах з різними швидкостями. Його остання стаття на цю тему «Про стабільність руху кілець Сатурна», опублікована в «Працях Единбурзького королівського товариства» в 1859 році, займала 90 сторінок і є монументальним, прискіпливим і зрозумілим аналізом проблеми.

Пізніші дослідження, включаючи спостереження з космічного корабля «Вояджер», підтвердили висновки Максвелла. Часткова природа кілець підтверджується спостереженнями за зірками, які видно крізь частини кілець. Спектроскопічні дослідження показали, що частинки складаються з нечистого льоду або, принаймні, покриті льодом. Радарні спостереження з використанням ефекту Доплера підтвердили діапазон швидкостей, передбачений Максвеллом. Виявляється, що частинки мають діаметри від кількох сантиметрів до ста метрів.

Кінетична теорія газів (1859-1878).

Тип математики, використаний Максвеллом у розгляді кілець Сатурна, був безпосередньо застосовний до кінетичної теорії газів. На початку 1859 року, коли він ще був в Абердіні, він помітив у «Філософському журналі» переклад важливої ​​статті німецького фізика Рудольфа Клаузіуса (1822-1888). У ній Клаузіус вивів фундаментальний зв’язок між добутком тиску на об’єм газу та кількістю молекул, їхньою масою та середньою швидкістю.

Максвелл розвивав цю роботу в кількох напрямках. На зборах Британської асоціації сприяння розвитку науки в Абердіні в 1859 році він представив теорію в'язкості газів, засновану на кінетичній теорії. Він зробив висновок, що в’язкість газу не залежить від тиску і що вона зростає приблизно з коренем квадратним з абсолютної температури. На тій же зустрічі він також оголосив свою знамениту теорію розподілу молекулярних швидкостей. Ця робота була опублікована в «Філософському журналі» в 1860 році. Того ж року Максвелл залишив Абердін і прийняв призначення в Королівському коледжі в Лондоні. На горищі свого будинку в Кенсінгтоні за допомогою дружини він провів експериментальні вимірювання в'язкості газу, щоб підтвердити висновки, які він зробив про вплив тиску та температури. Багато з цих експериментів проводилися між 51 °F (10,6 °C) і 74 °F (23,3 °C), і, здається, ці температури були отримані просто шляхом зміни температури на горищі! Це організувала місіс Максвелл, яка організувала відповідне розпалювання багаття. Деяка робота також була виконана при 185 °F (85 °C), і ця температура була досягнута відповідним чином спрямованим потоком пари. Результати цього дослідження були повідомлені Королівському товариству в лекції Максвелла Бейкеріана під назвою «Про в'язкість і внутрішнє тертя повітря та інших газів». Стаття була опублікована в журналі Philosophical Transactions у 1866 році. які організували відповідне розпалювання багаття. Деяка робота також була виконана при 185 °F (85 °C), і ця температура була досягнута відповідним чином спрямованим потоком пари. Результати цього дослідження були повідомлені Королівському товариству в лекції Максвелла Бейкеріана під назвою «Про в'язкість і внутрішнє тертя повітря та інших газів». Стаття була опублікована в журналі Philosophical Transactions у 1866 році. які організували відповідне розпалювання багаття. Деяка робота також була виконана при 185 °F (85 °C), і ця температура була досягнута відповідним чином спрямованим потоком пари. Результати цього дослідження були повідомлені Королівському товариству в лекції Максвелла Бейкеріана під назвою «Про в'язкість і внутрішнє тертя повітря та інших газів». Стаття була опублікована в журналі Philosophical Transactions у 1866 році.

У 1862 році Клаузіус вказав на деякі помилки в роботі Максвелла 1860 року, і Максвелл погодився, що критика була справедливою. Клаузіус сам запропонував обробку, але вона також мала незадовільні риси. Максвеллу довелося боротися з цією проблемою кілька років, перш ніж він був задоволений. У 1867 році він опублікував значно вдосконалену версію своєї кінетичної теорії, включаючи кращий висновок свого закону розподілу. Робота Максвелла про розподіл швидкостей була розширена в 1868 році Людвігом Больцманом (1844-1906) з точки зору розподілу енергії між частинками. Ціла галузь статистичної механіки була заснована на цих обробках.

Хоча він зробив важливий внесок у кінетичну теорію, особливо в свій закон розподілу, Максвелл ніколи не був переконаний у його справедливості. Його сумніви були пов’язані з певними аномаліями, такими як явна помилка принципу рівномірного розподілу енергії, і їх не вдалося вирішити до появи квантової теорії, понад двадцять років після його смерті.

Термодинаміка

Протягом усієї своєї кар'єри Максвелл цікавився термодинамікою, але не написав жодної серйозної статті на цю тему. Він відіграв важливу роль у розповсюдженні та роз’ясненні незрозуміло висловлених ідей американського фізика Джозіа Вілларда Гіббса (1839-1903), зокрема через його книгу «Теорія тепла». У цій книзі, яка зрештою випустила 11 видань, була особливо чітка розповідь про термодинаміку. Він включав деякі фундаментальні рівняння, які стали відомі як "співвідношення Максвелла".