캐릭터 개요
James Clerk Maxwell,
1831년 6월 13일 - 1879년 11월 5일.
James Clerk Maxwell, 위대한 영국의 물리학자는 전자기학의 기본 법칙을 표현하는 4원 방정식의 공식화로 유명합니다. 맥스웰 이전부터 사람들은 전기와 자기의 두 분야에 대해 광범위한 연구가 진행되어 왔다고 알려져 있습니다. 둘은 밀접하게 연관되어 있다. 특정 상황에 적용할 수 있는 다양한 전자기 법칙이 발견되었지만 맥스웰 이전에는 완전하고 통일된 교리가 공식화되지 않았습니다. Maxwell은 전자기장의 특성과 전자기장의 짧지만 매우 복잡한 4개 요소 방정식 시스템과의 상호 작용을 정확하게 설명할 수 있었습니다. 맥스웰의 주요 공헌은 맥스웰 방정식을 확립하고, 고전 전기역학을 창안하고, 전자기파의 존재를 예측하고, 빛의 전자기 이론을 제안한 것이었습니다. 맥스웰은 전자기 이론의 대가였습니다. 그는 전자기 이론의 창시자인 패러데이가 전자기 유도 정리를 제안한 1831년에 태어났다. 이후 그는 패러데이와 절친한 친구가 되어 전자기 이론의 과학 체계를 공동으로 구축했다. 물리학의 역사에서는 뉴턴의 고전역학이 기계시대의 문을 열었고, 맥스웰의 전자기론은 전기시대의 기초를 닦았다고 여겨진다. 1931년 맥스웰 탄생 100주년 기념행사에서 아인슈타인은 그의 업적을 "뉴턴 이후 물리학에서 가장 심오하고 유익한 업적"이라고 평가했습니다. p>
1831년 11월 13일 스코틀랜드 에딘버러에서 태어난 맥스웰은 어려서부터 똑똑했다. 그의 아버지는 지식이 풍부한 변호사였기 때문에 맥스웰은 어려서부터 좋은 교육을 받았다. 10세에 에딘버러 중학교에 입학한 그는 14세에 에딘버러 왕립학회지(Journal of the Royal Society of Edinburgh)에 이차 곡선 구성 문제에 관한 논문을 게재하여 뛰어난 재능을 보여주었습니다. 1847년에 그는 수학과 물리학을 공부하기 위해 에딘버러 대학교에 입학했습니다. 1850년에 케임브리지 대학교 트리니티 칼리지 수학과로 편입했으며, 1854년에 스미스 장학금을 2등으로 받고 졸업 후 2년 동안 이 학교에 머물었습니다. 1856년에 그는 스코틀랜드 애버딘의 마리샬 대학에서 자연철학 교수가 되었습니다. 1860년에 그는 자연 철학과 천문학 교수로 킹스 칼리지 런던(King's College London)에 다녔습니다. 1861년에 그는 런던 왕립학회의 회원으로 선출되었습니다. 1865년 봄에 그는 교수직을 그만두고 고향으로 돌아와 전자기학에 대한 연구 결과를 체계적으로 요약했으며, 1873년에 출판된 전자기장 이론에 관한 고전 걸작 "전기와 자기에 관하여"를 완성했습니다. , 그는 케임브리지에 새로 설립된 케임브리지 대학의 실험물리학 교수로 임용되었으며, 유명한 캐번디시 실험실의 준비를 담당했으며, 1874년 실험실이 완공된 후 2009년 사망할 때까지 실험실의 첫 번째 책임자를 역임했습니다. 1879년 11월 5일 케임브리지.
과학적 연구
James Clerk Maxwell의 1861년
세계 최초의 컬러 사진.
맥스웰은 주로 전자기 이론, 분자 물리학, 통계 물리학, 광학, 역학, 탄성 이론에 대한 연구에 종사하고 있습니다. 특히 그가 확립한 전기, 자기, 광학을 통합한 전자기장 이론은 19세기 물리학 발전의 가장 영광스러운 성취이자 과학사에서 가장 위대한 종합의 하나였다. 그는 전자기파의 존재를 예측했습니다. 이 이론은 나중에 실험적으로 완전히 검증되었습니다. 그는 물리학을 위한 기념비를 세웠습니다. 인류에게 이로운 무선 기술은 전자기장 이론을 바탕으로 개발되었습니다. 맥스웰은 1855년경에 전자기학을 연구하기 시작했습니다. 전자기학에 대한 패러데이의 새로운 이론과 아이디어를 연구한 후, 그는 패러데이의 새로운 이론이 진실을 담고 있다고 굳게 믿었습니다. 그래서 그는 패러데이 이론의 "수학적 방법의 기초를 제공"하려는 열망을 품고 패러데이의 천재적 사고를 명확하고 정확한 수학적 형식으로 표현하기로 결심했습니다.
그는 전임자들의 업적을 바탕으로 전체 전자기 현상에 대한 체계적이고 포괄적인 연구를 수행했으며, 심오한 수학적 지식과 풍부한 상상력을 바탕으로 전자기장 이론에 관한 세 편의 논문("패러데이의 힘선에 대하여")을 출판했습니다(1855년 12월). 1856년 2월), "물리학의 힘선에 대하여"(1861~1862), "전자기장의 동적 이론"(1864년 12월 8일). 그는 전임자와 자신의 연구를 포괄적으로 요약하고 전자기장 이론을 간결하고 대칭적이며 완벽한 수학적 형식으로 표현했습니다. 이후 세대에 의해 정리되고 다시 작성된 후 주요한 맥스웰 방정식이 되었습니다. 고전 전기 역학의 기초. 이를 바탕으로 1865년 그는 횡파만 있을 수 있는 전자기파의 존재를 예측하고, 전자기파의 전파 속도가 빛의 속도와 같다는 사실을 계산했으며, 동시에 빛은 형태라는 결론을 내렸습니다. 전자기파를 통해 빛 현상과 전자기적 접촉 현상의 관계를 밝힙니다. 1888년 독일의 물리학자 헤르츠(Hertz)는 전자기파의 존재를 실험적으로 확인했습니다.
맥스웰은 1873년에 그의 과학적 걸작인 "전자기 이론"을 출판했습니다. 전자기장 이론을 체계적이고 포괄적이며 완벽하게 설명합니다. 이 이론은 고전 물리학의 중요한 기둥 중 하나가 되었습니다. 맥스웰은 또한 열역학과 통계 물리학에 중요한 공헌을 했습니다. 그는 기체 운동론의 창시자 중 한 사람이었습니다. 1859년에 그는 통계법칙을 사용하여 처음으로 맥스웰의 속도 분포 법칙을 도출하여 미세한 2개로부터 통계적 평균을 찾는 보다 정확한 방법을 찾았습니다. 1866년에 그는 속도에 따른 분자의 분포 함수에 대한 새로운 유도 방법을 제시했습니다. 이 방법은 전방 및 역방향 충돌 분석을 기반으로 했습니다. 그는 이완 시간의 개념을 도입하고 일반적인 형태의 수송 이론을 개발하여 이를 확산, 열 전도 및 기체 내부 마찰 과정에 적용했습니다. "통계역학"이라는 용어는 1867년에 도입되었습니다. 맥스웰은 수학적 도구를 사용하여 물리적 문제를 분석하고 과학적 아이디어를 정확하게 표현하는 데 능숙했으며, 자신이 설립한 캐번디시 연구소는 이후 그의 지도 아래 세계적으로 유명한 실험실로 발전했습니다. 이사. 학술 센터 중 하나입니다.
가정 환경
제임스 클러크 맥스웰과 그의 아내.
맥스웰의 아버지 존은 맥스웰에게 큰 영향을 준 파격적인 기계 디자이너였다. 그는 장로교인이지만 마음이 넓고, 예리하며, 실용적이고 유능합니다. 그는 크든 작든 집에 있는 모든 일을 잘 처리합니다. 집을 수리하고, 마당을 청소하고, 아이들을 위한 장난감을 만들고, 심지어 옷을 자르는 것까지 그는 모든 것을 할 수 있습니다. 1847년, 맥스웰은 16세였고, 고등학교를 졸업하고 공부하기 위해 에딘버러 대학교에 입학했습니다. 스코틀랜드 최고의 대학입니다. 그는 반에서 가장 어린 학생이지만 그의 시험 점수는 항상 최고 수준입니다. 여기에서 그는 수리물리학을 전공했고 뛰어난 재능을 보였습니다. 그는 열심히 공부했지만 독서에 집착하지 않았습니다. 공부 외에도 여전히 시를 썼고, 과외 서적을 만족스럽지 않게 읽었으며 광범위한 지식을 축적했습니다.
에든버러 대학교에서 Maxwell은 과학의 수준을 높이는 데 필요한 기본 교육을 받았습니다. 그에게 가장 깊은 영향을 준 사람은 물리학자이자 산악인인 포브스(Forbes)였고, 또 한 사람은 논리학과 형이상학 교수인 해밀턴(Hamilton)이었다. 포브스는 실험주의자였고, 그는 이론 물리학에 종사하는 사람이 갖기 힘든 실험 기술에 대한 맥스웰의 예리한 관심을 키웠습니다. 그는 맥스웰에게 일관되게 글을 쓰도록 강요했고 과학사에 대한 관심을 맥스웰에게 물려주었습니다. 해밀턴 교수는 폭넓은 지식으로 그에게 영향을 주었고, 그의 탁월하고 독특한 비판적 기술을 활용하여 맥스웰이 기본적인 문제를 연구하도록 격려했습니다. 진정한 재능과 지식을 갖춘 이들의 영향에 맥스웰의 개인적인 천재성과 노력이 더해져 맥스웰의 지식은 날로 향상되었습니다. 그에 비하면 에든버러 대학교의 요람은 이러했습니다. 지식에 대한 맥스웰의 갈증은 충족될 수 없었습니다. 그는 학업을 계속하기 위해 1850년에 아버지의 허락을 받아 에든버러를 떠나 재능이 가득한 도시인 케임브리지에서 공부했습니다.
헤르츠는 독일의 젊은 물리학자였습니다. 맥스웰은 "전자기학의 일반 이론"이 출판되었을 때 겨우 16세였습니다.
당시 독일에서는 사람들이 여전히 뉴턴의 전통적인 물리학 개념을 고수하고 있었는데, 패러데이와 맥스웰의 이론은 물질 세계에 대한 새로운 묘사를 제공했지만 전통을 위반했기 때문에 독일과 다른 유럽 중심지에서는 설 자리가 없었고 심지어 무시되기도 했습니다. .. 이상한 얘기로 취급하세요. 당시 볼츠만과 헬름홀츠만이 전자기 이론 연구를 지원했습니다. Hertz는 나중에 Helmholtz의 학생이 되었습니다. 헤르츠는 스승의 영향을 받아 전자기학에 대한 심층적인 연구를 진행한 뒤, 물리적인 사실을 비교한 뒤 전통적인 '초과거리 이론'보다 맥스웰의 이론이 더 설득력이 있다는 것을 확인했다. 그래서 그는 이것을 확인하기 위해 실험을 사용하기로 결정했습니다. 1886년, 헤르츠는 반복된 실험 끝에 전파 링을 발명했습니다. 그는 이 전파 링을 가지고 일련의 실험을 진행했고, 마침내 1888년에 사람들이 의심하고 오랫동안 기다려 왔던 전자기파를 발견했습니다. 헤르츠의 실험이 발표된 후 전 세계 과학계에 센세이션을 일으켰습니다. 패러데이가 개척하고 맥스웰이 요약한 전자기 이론이 결정적인 승리를 거두었습니다. 맥스웰의 마지막 소원이 마침내 이루어졌습니다.
토성의 고리
이미 1787년에 라플라스는 토성의 고리를 고체로 연구하기 위해 계산을 수행했습니다. 당시 그는 두 가지 조건이 충족되어야 하기 때문에 균일하고 견고한 고리인 토성의 고리가 분해되지 않을 것이라고 판단했습니다. 하나는 원심력과 토성의 중력의 균형을 이루는 속도로 움직인다는 것입니다. 고리는 토성의 밀도비와 일치하며, 임계값인 0.8을 초과하여 고리의 내부층과 외부층 사이의 중력이 원심력과 서로 다른 반경에서의 중력의 차이를 초과합니다. 그는 균일한 고리의 움직임이 동적으로 불안정하고 균형을 깨뜨리는 약간의 변위로 인해 고리의 움직임이 파괴되어 고리가 토성을 향해 떨어지게 되기 때문에 이것을 추론했습니다. 라플라스는 토성의 고리가 질량 분포가 불규칙한 견고한 고리라고 추측했습니다.
1855년까지 이론은 여전히 여기에 머물렀고 그 동안 사람들은 토성의 새로운 암흑고리를 관찰하고 현재의 고리에서 더욱 분리되었으며 이후 고리계가 발견되었다. 지난 200년 동안 천천히 변했습니다. 따라서 일부 과학자들은 토성 고리의 동적 안정성을 설명하기 위해 가설을 제안했습니다. 이 가설은 토성의 고리가 서로 조밀하지 않은 고체 유체와 수많은 물질로 구성되어 있다는 것입니다. Maxwell은 이 가설에 대해 논의했습니다. 그는 먼저 라플라스가 남긴 고체 고리 이론으로 시작하여 모든 모양의 고리의 안정성 조건을 결정했습니다. 맥스웰은 토성의 중심 고리에 의해 발생하는 전위에 기초하여 운동 방정식을 나열하고 등속 운동 전위의 1차 도함수에 대한 두 가지 제한 사항을 얻은 다음 테일러 방정식으로부터 안정 운동의 2차 도함수에 대한 세 가지 조건을 얻었습니다. 확장. 그런 다음 Maxwell은 이러한 결과를 질량 분포의 푸리에 계열의 처음 세 계수에 관한 조건으로 변환했습니다. 그리하여 그는 아주 특별한 상황을 제외하면 상상할 수 있는 거의 모든 고리가 불안정하다는 것을 증명했습니다. 이 특별한 경우는 균일한 고리가 한 지점에서 나머지 질량의 4.43~4.67배 사이의 질량을 운반하는 경우입니다. 그러나 이 특별한 경우 고체 링은 고르지 않은 응력 하에서 붕괴되므로 고체 링에 대한 이론적 가설을 설정할 수 없습니다.
Maxwell은 1849년 초 에든버러에 있는 Forbes Laboratory에서 색상 혼합 실험을 시작했습니다. 당시 에딘버러에는 포브스, 윌슨, 브루스터 외에도 눈에 관심이 있는 의사나 과학자들이 많이 있었습니다. 실험은 주로 빠르게 회전하는 디스크의 여러 색상 섹터에서 생성되는 색상을 관찰하는 것입니다. Maxwell과 Forbes가 수행한 첫 번째 실험 중 하나는 빨간색, 노란색, 파란색을 결합하여 회색을 만드는 것이었습니다. 그들의 실험은 실패했으며 주된 이유는 파란색과 노란색을 혼합하면 평소처럼 녹색이 생성되지 않지만 둘 다 지배적일 때는 밝은 빨간색을 생성하기 때문입니다. 이 조합에 빨간색을 더하면 어떤 회색도 생성할 수 없습니다.
맥스웰은 처음에 모교인 에딘버러 대학교에서 일자리를 구하려고 생각했는데, 그 이유는 그곳의 선생님인 포브스(Forbes)가 사임했고 자연철학 교수가 필요했기 때문이다. 해당 직무에 동시에 지원한 사람은 3명이었고, 학교에서는 시험을 통해 채용할 사람을 결정하기로 결정했습니다.
필기시험에서는 당연히 맥스웰의 지식이 1위였지만, 웅변적인 면에서는 다시 한번 맥스웰이 불리한 입장을 보였다. 시험 결과, 맥스웰은 꼴찌였고, 가르치는 능력도 정말 형편없었다. 당시 에딘버러의 한 잡지에도 에딘버러 대학에서 이런 인재를 잃었다는 사실을 애도하는 기사가 실렸습니다. 하지만 선택한 사람도 나쁘지 않은데, 바로 고등학교와 대학교 동창인 테이트였다. 맥스웰은 아내를 데리고 애버딘, 즉 그의 고향인 에든버러를 떠나 런던 왕립 아카데미의 교수로 임명되었습니다. 그 후 맥스웰은 새로운 삶을 시작했습니다. 런던의 왕립대학에서 그는 결국 물리학사에 빛을 발하게 될 전자기 이론을 완성했습니다.
전자기적 사랑
전자기학의 역사를 되돌아보면 1820년까지 물리학의 과정은 뉴턴의 물리학적 사상에 바탕을 두고 있었다. 열, 전기, 빛, 자기 및 화학적 효과와 같은 자연의 "힘"은 일련의 유체 입자 사이의 순간적인 인력 또는 반발력으로 점차 감소되고 있습니다. 자기와 정전기는 중력의 법칙과 유사한 역제곱 법칙을 따른다는 것이 이미 알려져 있습니다. 19세기 이전 40년 동안에는 "힘의 상관관계"를 선호하는 이러한 견해에 반대하는 움직임이 있었습니다. 1820년 외르스테드가 발견한 전자기 현상은 즉시 이 새로운 경향의 첫 번째 증거이자 매우 강력한 원동력이 되었습니다. 그러나 당시 사람들은 이에 대해 파악하기 어렵고 혼란스러워했습니다. 외르스테드가 관찰한 전류와 자석 사이의 상호 작용은 두 가지 근본적인 측면에서 알려진 현상과 달랐습니다. 이는 전기의 이동에 의해 나타났으며 자석은 전류가 흐르는 도선을 향하지도 않고 전류가 흐르는 도선을 향해 밀려나지도 않았습니다. , 그러나 측면에 위치합니다. 같은 해에 프랑스 과학자 앙페르는 수학적 방법을 사용하여 외르스테드의 발견을 요약하고 전기역학을 창안했습니다. 그 이후로 앙페르와 그의 추종자들은 전자기 작용과 원거리 순간 작용에 대한 기존 통찰을 조화시키려고 노력했습니다.
Maxwell의 전기 연구는 캠브리지를 졸업한 지 불과 몇 주 만인 1854년에 시작되었습니다. 그는 패러데이의 "전기에 대한 실험적 조사"를 읽고 즉시 책에 담긴 새로운 실험과 통찰력에 매료되었습니다. 당시 사람들은 패러데이의 견해와 이론에 대해 서로 다른 의견을 갖고 있었고 많은 비판이 있었습니다. 주된 이유는 '원거리 활동'이라는 전통적인 개념이 당시 큰 영향을 미쳤기 때문입니다. 또 다른 이유는 패러데이의 이론이 충분히 엄격하지 않기 때문입니다. 패러데이는 실험의 달인이었습니다. 그는 보통 사람들의 능력을 넘어서는 능력을 가지고 있었지만 수학적 능력이 부족했기 때문에 그의 독창적인 아이디어가 직관적인 형태로 표현되었습니다. 일반 물리학자들은 뉴턴의 물리 이론을 고수하며 패러데이의 이론은 상상할 수 없다고 생각합니다. 한 천문학자는 "원거리 작용의 명확한 개념과 모호한 힘의 선의 개념에서 벗어나는 사람은 뉴턴을 모독하는 사람이다!"라고 공개적으로 선언한 적이 있습니다. 케임브리지 학자들 사이에서도 이러한 불일치는 상당합니다. Thomson은 또한 케임브리지에서 가장 지식이 풍부한 학자 중 한 명이었습니다. Maxwell은 그를 너무 존경해서 Thomson에게 전기에 대한 조언을 구하기 위해 편지를 썼습니다. Thomson은 Maxwell보다 7살 위였으며 Maxwell의 전기 연구에 큰 도움을 주었습니다. Thomson의 지도 하에 Maxwell은 영감을 받아 Faraday의 새로운 이론에 알려지지 않은 진실이 있다고 믿게 되었습니다. 그는 패러데이의 작품을 주의 깊게 관찰한 후 역선 사상의 가치를 느꼈고, 또한 질적 표현에 있어서 패러데이의 약점도 보았다. 그래서 막 졸업한 이 젊은 과학자는 이를 보완하기 위해 수학을 사용하기로 결정했습니다. 1855년에 맥스웰은 전자기학에 관한 첫 번째 논문인 "패러데이의 힘선에 관하여"를 출판했습니다.
힘의 선 이론
맥스웰의 전자기 방정식
1862년에 맥스웰은 "물리학에서의 힘의 선"이라는 논문을 완성하고 맥스웰의 선 이론을 완성했습니다. 물리학에서 힘의 원리는 자기장의 회전 가설을 일반 물질에서 에테르까지 확장하는 데 있습니다. 그는 비압축성 유체 깊은 곳에 박혀 있는 소용돌이의 배열을 고려했습니다. 정상적인 상황에서 압력은 모든 방향에서 동일하지만 회전으로 인한 원심력으로 인해 각 와류가 세로 방향으로 수축되고 자오선 압력이 가해지며 이는 패러데이의 힘선 이론에서 제안된 응력 분포를 시뮬레이션합니다. 각 소용돌이의 각속도를 국부 자기장의 강도에 비례하게 함으로써 Maxwell은 자석, 정상 전류 및 반자성 사이의 힘에 대한 기존 이론과 정확히 동일한 공식에 도달했습니다.
맥스웰은 유체의 관찰 실험을 바탕으로 각 소용돌이가 같은 방향으로 자유롭게 회전할 수 있는 이유는 각 소용돌이가 전기와 똑같은 작은 입자 층에 의해 인접한 소용돌이와 분리되어 있기 때문이라고 믿었습니다.
그러나 맥스웰은 자신의 기존 업적에 만족하지 않고 여전히 전자기학 분야로 더 깊이 나아갔습니다. 1863년에 그는 다른 사람들의 도움을 받아 세 번째 논문 "전기량의 기본 관계"를 완성했습니다. 이는 맥스웰의 전기 연구에서 중요한 단계였지만 과거에는 종종 무시되었습니다. 이 논문에서 그는 열 이론에서 푸리에가 시작한 절차를 일반화하고 이진 전기 단위 시스템에 대한 이해를 제공하기 위해 질량, 길이 및 시간과 관련된 전기량 및 자기량의 정의를 발표했습니다. 완전한 설명. 그는 차원 관계를 표현하기 위한 표준 표기법을 각각의 무차원 승수와 함께 질량, 길이 및 시간 측정값의 괄호 안에 있는 거듭제곱(mì)으로 도입했습니다. 올해 맥스웰은 전자기량과 빛의 속도 사이의 순수한 현상학적 연관성을 발견했습니다.
1865년에 그는 네 번째 논문 "전자기장의 동적 이론"을 출판했는데, 이 논문은 빛의 속도에 관한 순수한 현상학적 문제를 해결하기 위한 새로운 이론적 틀을 제공했습니다. 이는 실험과 몇 가지 일반적인 역학 원리를 기반으로 하며, 분자 소용돌이나 전기 입자 사이의 힘에 대한 특별한 가정 없이 공간에서 전자기파의 전파가 발생한다는 것을 보여줍니다. 이 논문에서 Maxwell은 자신의 방정식을 개선했습니다. 그는 라그랑주와 해밀턴이 창안한 수학적 방법을 사용하여 이 방정식 시스템으로부터 전기장과 자기장의 파동 방정식을 직접 도출했습니다. 파동의 전파 속도는 유전 계수와 투자율 계수의 기하 평균의 역수입니다. . 이 속도는 빛의 속도와 정확히 같습니다. 이 결과는 4년 전 Maxwell의 계산과 다시 한번 완전히 일치합니다. 이쯤 되면 전자파의 존재는 확실해진다. 이로부터 맥스웰은 빛도 전자기파라는 과감한 결론을 내렸습니다. 빛의 전자기론에 대한 패러데이의 막연한 추측은 맥스웰의 치밀한 계산을 거쳐 과학적 추론으로 바뀌었고, 이후 패러데이와 맥스웰의 이름은 마치 뉴턴과 갈릴레오의 이름처럼 이어져 빛의 물리학에서 영원히 빛났다. 맥스웰은 편지에서 자신의 논문에 대해 이렇게 말했습니다. "나는 빛과 관련된 전자기 이론을 완성하고 있습니다. 반대 이론이 만들어졌다는 것을 확신할 때까지는 이 이론이 1865년부터 강력한 무기라고 생각합니다." 맥스웰은 왕립 아카데미를 사임하고 과학 연구에 집중하기 시작했으며 연구 결과를 체계적으로 요약하고 전자기학에 관한 논문을 썼습니다.
전자기학 논문
제임스 클러크 맥스웰
8년 간의 노력 끝에 마침내 1873년에 맥스웰의 전자기학 논문이 나왔습니다. 전자기학". 전자기학 일반이론에서 맥스웰은 라그랑주 방정식을 이전보다 더 철저하게 적용하고 동역학의 형식적 체계를 발전시켰습니다. 이 시기에 영국과 유럽 대륙의 수학자들은 물리적인 문제에 분석동역학을 더 광범위하게 사용하는 경향이 있었고, 맥스웰의 접근 방식은 수학자들의 방법과 일치했다. 게다가 그의 방법과 통찰력은 참신해서 많은 사람들의 관심을 끌고 있다. 이러한 대중적인 연구 경향을 전자기학에 적용함으로써 그는 패션을 자신만의 독특한 결과물로 만들었습니다. Maxwell은 전자기 시스템의 라그랑지 함수를 가장 일반적인 형태로 표현하기 위해 용어의 대칭성과 벡터의 구조에 대한 매우 현대적인 논증을 사용했습니다. Maxwell의 라그랑주 방법 사용은 물리 이론에 대한 거의 새로운 접근 방식의 첫 번째 시도였습니다. 다른 물리학자들이 전자기학 분야를 연구하기 위해 이 방법을 완전히 사용하기까지는 수년이 걸렸습니다.
『전자기학의 일반이론』은 전자기학 이론의 고전으로, 맥스웰은 19세기 중반 무렵의 전자기 현상에 대한 인류의 탐구와 연구의 궤적을 체계적으로 정리한 책이다. 쿨롱, 앙페르, 외르스테드, 패러데이 등의 업적을 정리하고, 자신의 창작 노력의 결과와 업적을 보다 자세하고 체계적으로 요약함으로써 완전한 전자기 이론을 확립한다.
이 걸작은 특별한 역사적 중요성을 갖고 있으며 뉴턴의 "수학 원리"(역학) 및 다윈의 "종의 기원"(생물학)과 비교할 수 있습니다. 앙페르(Ampere)와 외르스테드(Oersted), 패러데이(Faraday), 톰슨(Thomson), 그리고 마지막으로 맥스웰(Maxwell)을 거쳐 여러 세대의 끊임없는 노력을 통해 마침내 전자기 이론의 장엄한 체계가 확립되었습니다. 이 책의 출판은 자연스럽게 물리학계의 큰 사건이 되었습니다. 당시 맥스웰은 42세에 불과했고 실험물리학 교수로 캠브리지로 돌아왔습니다. 그의 통찰력 있는 여러 논문을 통해 사람들은 이미 그의 이름을 잘 알고 있으며, 그의 친구, 학생, 과학계 사람들은 오랫동안 그의 책을 기대하며 책을 사려고 곳곳의 서점을 달려가고 있었습니다. 그래서 책의 초판이 빨리 매진되었습니다.
맥스의 방정식
맥스웰의 비율 분포 곡선
맥스웰 방정식의 가장 큰 장점은 어떤 상황에도 적용할 수 있는 보편성이다. 이전의 모든 전자기 법칙은 맥스웰의 방정식으로부터 도출될 수 있으며, 이전에 풀리지 않았던 많은 미지의 문제도 방정식 도출 과정을 통해 답이 가능합니다.
이러한 새로운 결과 중 가장 중요한 것은 Maxwell 자신이 도출한 것입니다. 그의 방정식에 따르면 전자기장의 주기적인 진동이 존재한다는 것이 증명될 수 있습니다. 이러한 진동을 전자기파라고 하며, 일단 방출되면 우주 공간을 통해 외부로 전파됩니다. Maxwell은 자신의 방정식을 사용하여 전자기파의 속도가 초당 300,000km(186,000마일)에 가깝다는 것을 표현할 수 있었고, Maxwell은 이것이 측정된 빛의 속도와 동일하다는 것을 깨달았습니다. 이것으로부터 그는 빛 자체가 전자기파로 구성되어 있다는 올바른 결론에 도달했습니다. 그러므로 맥스웰의 방정식은 전자기학의 기본법칙일 뿐만 아니라 광학의 기본법칙이기도 하다. 실제로 이전에 알려진 모든 광학 법칙은 이전에 발견되지 않은 많은 사실과 관계와 마찬가지로 방정식에서 파생될 수 있습니다.
가시광선만이 전자기 방사선의 유일한 유형은 아닙니다. 맥스웰의 방정식은 가시광선과 다른 파장과 주파수를 갖는 다른 전자기파가 존재할 수 있음을 나타냅니다. 이러한 이론적 결론은 나중에 하인리츠 헤르츠(Heinlitz Hertz)의 공개 시연을 통해 입증되었습니다. Hertz는 Maxwell이 예측한 보이지 않는 광파를 생산했을 뿐만 아니라 테스트도 했습니다. 몇 년 후 Gaglielmo Marconi는 이러한 눈에 보이지 않는 광파가 무선 통신에 사용될 수 있음을 입증했으며 라디오가 발명되었습니다. 오늘날 우리는 텔레비전 통신에도 보이지 않는 빛을 사용합니다. X선, 감마선, 적외선, 자외선은 전자기 방사선의 다른 예입니다. 이 모든 광선은 Maxwell의 방정식을 사용하여 연구할 수 있습니다.
인물 평가
『전자기학 일반이론』은 매진됐지만 실제로 이해한 사람은 거의 없었다. 곧 이해하기 어렵다는 비판을 들었다. 물론, 고도로 추상적인 맥스웰 미분방정식은 결국 2×2=4처럼 간단하지 않습니다. 두 가지 공식과 몇 가지 수학 기호만으로 전하, 전류, 전자기학, 빛 등 자연계의 모든 전자기 현상의 법칙이 담겨 있다는 사실은 일반인들에게는 참으로 놀라운 일입니다. 게다가 더 중요한 이유는 맥스웰이 이론을 발표한 이후 누구도 전자기파를 발견하지 못했다는 점이다. 전자기파의 존재를 증명할 수 있는지 여부는 맥스웰의 이론을 검증하는 열쇠입니다. 그래서 많은 물리학자들은 회의적입니다. 과거 맥스웰을 열광적으로 격려했던 윌리엄 톰슨조차 맥스웰의 예측이 믿을 만한 것인지 확신할 수 없었다.
맥스웰의 전자기 이론은 물리학에서 획기적인 의미를 갖습니다. 불행하게도 맥스웰 자신은 자신의 이론을 확증할 수 없었다(어느 정도는 "확증에 실패했다"고 할 수 있다). 객관적인 이유와 주관적인 이유가 있습니다. 환경과 작업 조건의 제한으로 인해 Maxwell은 전자기 실험에 참여할 기회가 더 이상 없었습니다. 그의 시간과 에너지의 대부분은 열역학과 분자물리학 연구에 소모되었습니다. 그리고 그는 주로 이론물리학자였습니다. 그의 학생인 플레밍(1849-1945)은 나중에 이렇게 말했습니다. "그는 이론적으로 전자기파의 존재를 예측했지만 그것을 증명하기 위해 어떤 실험도 사용할 생각은 하지 못한 것 같습니다." 파라는 생애 처음으로 떠나지 않았습니다. 실험이 없었다면 패러데이도 없었다고 할 수 있습니다.
이와는 반대로 맥스웰은 런던에서 5년 동안 주로 기체 역학 분야에서 일부 제한적인 실험만 수행했습니다. 그의 연구실인 아파트 옥상 근처에는 길고 좁은 다락방이 있다. 그의 아내는 종종 그의 조수로 일하면서 난로를 켜고 실내 온도를 조절했습니다. 나중에 그는 왕립 아카데미 실험실에서 표준 저항을 측정하는 몇 가지 전기 실험을 수행했습니다. 맥스웰은 『전자기학 일반이론』을 완성한 후 캐번디시 연구소 건립을 준비하고 캐번디시(1731~1810)의 유작을 정리하느라 분주했다.
위와 같은 이유로 인해 전자기 이론은 출현 이후 오랫동안 인정받지 못했습니다. 처음에는 케임브리지 대학의 젊은 물리학자 몇 명만이 이를 지지했습니다. 저명한 과학자 그룹을 포함한 많은 사람들은 아직 입증되지 않은 새로운 이론에 대해 관망적인 접근 방식을 취합니다. Laue(1879-1960)는 "물리학의 역사"에서 다음과 같이 논평한 바 있습니다. "맥스웰의 이론은 본질적으로 완벽하고 모든 경험과 일치하지만 물리학자들에 의해서만 점차 받아들여질 수 있습니다. 그 아이디어는 너무나 특별해서 특별한 재능을 가진 사람들조차도 헬름홀츠나 볼츠만(1844~1906)처럼 그것을 이해하려고 수년을 보냈다."
몇 년 전. 봄과 가을이 지나갔다. Maxwell은 조용히 Cavendish Laboratory에 자신의 노력을 바쳤습니다. 1872년에 실험실 착공이 시작되어 1874년에 완공되었습니다. 건설 자금은 과학을 장려하는 공작이 기부했습니다. 악기를 추가하기 위해 Maxwell은 자신이 저축한 약간의 돈도 썼습니다. 디자인, 제작, 악기 구입부터 게이트에 새기는 것까지 모든 준비 과정을 맥스웰이 직접 맡았습니다. 그는 실험실의 창립자이자 첫 번째 이사였습니다. 나중에 그의 뒤를 이어 레일리(1842-1919)와 조셉 톰슨(Joseph Thomson)이 톰슨(1871-1937)에 이어 세계 일류 물리학자가 되었습니다. 실험실은 20세기에 결실을 맺었습니다. 특히 원자력 물리학 분야의 뛰어난 과학 인재들이 이곳에서 훈련을 받고 있습니다.
지난 몇 년간 맥스웰의 주요 업무는 캐번디시가 남긴 방대한 양의 정보를 정리하는 것이었다. 공작이 그에게 맡긴 임무는 꽤 부담스러웠다. 캐번디시는 18세기 영국의 유명한 물리학자이자 화학자로 괴상한 성격을 갖고 있었습니다. 그는 한때 수소가스를 발견했고, 물의 화학적 조성을 확인했으며, 지구의 질량을 최초로 계산했으며, 정전기학에 대한 연구도 했습니다. 그는 결혼하지 않았고 수줍음이 많았으며 고립된 삶을 좋아했습니다. 사망 후 그는 주로 수학과 전기에 관련된 20권 이상의 미발표 과학 원고를 남겼습니다. 이 정보를 수집하는 것은 매우 상세하고 어려운 작업이었습니다. 이 작업을 완료하기 위해 Maxwell은 큰 희생을 치렀습니다. 그는 연구를 포기하고 에너지를 소진했습니다.
캐번디시 연구소의 일상 업무 외에도 Maxwell은 매 학기마다 전자기학이나 열역학에 관한 강좌를 가르쳤습니다. 그는 열정적으로 전자기 이론을 홍보하고 연단에서 새로운 이론을 홍보했습니다. 청취자가 많지 않은게 아쉽네요. 그는 강의를 잘하지 못했고 전자기 이론이 너무 심오하고 전통적인 물리학과 완전히 다르다는 것은 말할 것도 없습니다! 1878년 5월, 그는 전화로 대중적인 과학 강연을 열었습니다. 전화기는 아직 새로운 것이었고 막 발명된 것이었습니다. 벨은 1875년에 전화기를 발명했고 이듬해 1877년에 에디슨은 임피던스 마이크로폰을 발표했습니다. 인류 통신 역사상 이러한 새로운 발명품은 Maxwell의 큰 관심을 불러일으켰습니다. 아마도 그는 그 당시 자신의 이론이 언젠가는 이러한 발명품에 날개를 달아 전 세계로 퍼질 것이라는 예감이 있었을 것입니다.
맥스웰의 말년은 고난으로 가득 차 있었다. 아무도 그의 가르침을 이해하지 못했고, 그의 아내는 오랫동안 병을 앓았습니다. 이 이중의 불행은 그를 지칠 정도로 압도했습니다. 아내가 병들자 온 가족 생활의 질서가 무너졌습니다. 맥스웰은 아내를 늘 배려하기 위해 3주 동안 침대에서 자지 않았습니다. 그럼에도 불구하고 그의 강의와 실험실 작업은 결코 중단되지 않았습니다. 과도한 불안과 피로는 결국 그의 건강을 해쳤습니다.
동료들은 이타적인 과학자가 점차 체중이 감소하고 점점 창백해지고 있음을 알아차렸습니다. 그런데도 그는 여전히 끈질기게 일했다.
1879년은 맥스웰 생애의 마지막 해였습니다. 올해는 봄이 너무 늦게 와서 유난히 추웠어요. 그의 건강은 크게 악화되었지만 그는 계속해서 전자기 이론을 장려했습니다. 당시 그의 강연을 듣는 청중은 단 두 명뿐이었다. 한 사람은 미국 대학원생이었고, 다른 한 사람은 나중에 전자관을 발명한 플레밍이었다. 이 얼마나 놀라운 장면입니까! 텅 빈 강의실 맨 앞줄에는 학생 두 명만이 앉아 있었다. 맥스웰은 유인물을 겨드랑이에 끼고 연단으로 올라갔고 평소처럼 굳건하게 걸었습니다. 그의 얼굴은 가늘고 눈은 반짝거리고 표정은 진지하고 엄숙했습니다. 마치 두 명의 청중이 아닌 전 세계에 자신의 이론을 설명하는 것 같았습니다.
1879년 11월 5일, 맥스웰은 49세의 나이에 암으로 사망했습니다. 뉴턴을 보완할 수 있는 물리학의 별이 떨어졌습니다. 그가 전성기에 젊은 나이에 세상을 떠난 것은 매우 안타까운 일이다. 그의 이론은 현대 과학기술의 새로운 길을 열었지만 그의 업적은 생전에 크게 받아들여지지 않았다. 맥스웰의 삶은 지배와 자기희생의 삶이었습니다. 이 과학 거인의 생애 동안의 명예는 패러데이의 명예보다 훨씬 낮았습니다. 헤르츠가 전자기파의 존재를 증명한 후 사람들은 그가 죽은 지 몇 년이 지나서야 그를 "세계 최고의 수학 물리학자"로 인정했습니다. 뉴턴 이후의 세계."
맥스웰(1831-1879). 맥스웰은 전자기학을 터득한 패러데이 이후 가장 위대한 과학자였습니다. 그는 Coulomb, Gauss, Ohm, Ampere, Biot, Savard, Faraday 및 기타 선배들의 일련의 발견과 실험 결과를 바탕으로 전자기파의 존재를 과학적으로 예측했을 뿐만 아니라 빛, 전기, 자기 현상의 본질적인 통일성을 밝혀 물리학의 또 하나의 위대한 종합을 완성했습니다. 이러한 이론적인 자연과학의 결과는 현대 전력산업, 전자산업, 라디오산업의 초석을 다졌다.
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제작: Hongchensanxian, Do You really Care Who I Am, Hai Weimian 2014, I Love Bananas, Sogood1 , 인터랙티브 13호 스테이션 매니지먼트 등이 편집에 참여했다.
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