Det okända geniet

2013-01-30 06:06  

Han räknas som den kanske allra störste av 1800-talets fysiker, men är trots det förhållandevis lite känd. Det var James Clerk Maxwell som formulerade de fyra ekvationerna som ger sambanden mellan elektriska och magnetiska laddningar och upptäckte att ljuset är en elektromagnetisk strålning.

Det sägs att han som barn ständigt plågade sina föräldrar med frågor om världen. ”Varför är det blått?” kunde han fråga. Han fick inget ordenligt svar, så han beslutade sig för att ta reda på saken när han blev äldre.

Han hette James Clerk Maxwell, och var född 1831 i Edinburgh. Där fick han också sin utbildning innan han 1850 kom till Trinity College i Cambridge och tog examen i matematik. Men det var grundforskning i fysik som han var mest intresserad av, och då framför allt två forskningsfält: hur det egentligen förhåller sig med färger och elektromagnetism.

Isaac Newton hade redan på 1600-talet visat att vitt ljus kunde delas upp i ett spektrum av färger. Den brittiske fysiken Thomas Young lade 1802 fram teorin att det i ögat finns tre typer av receptorer, känsliga för ljus av olika färger. Maxwell ville nu vända på steken och visa att en blandning av tre grundfärger kunde upplevas som vitt. Han tog en rund skiva och färgade den med färger, en tredjedel röd, en tredjedel blå och en tredjedel gul. Så lät han skivan rotera snabbt, så att ögat inte skulle hinna hänga med.

Till hans stora förvåning blev resultatet inte vitt utan rosa. Snart upptäckte han att om han däremot färgade skivan röd, blå och grön uppvägde färgerna varandra och den roterande skivan blev färglös.

Han fortsatte med sina experiment, och skapade färgtriangeln och den moderna färgläran. Tyvärr visade det sig att den kände tyske forskaren Hermann von Helmholtz var inne på samma sak, och det är Helmholtz som fått prioritet.

Maxwells kusin skulle konstruera en bro i fackverk. Att rätt dimensionera konstruktionen krävde omsorgsfulla och tidsödande beräkningar. Maxwell funderade en stund, och presenterade sedan en grafisk metod för att beräkna tryck och spänningar i alla delar av fackverket. Hans metod vidareutvecklades senare av en italiensk matematiker vid namn Luigi Cremona, och metoden bär i dag italienarens namn och inte Maxwells. Cremonaplanen är välkänd för alla arkitekter och ingenjörer som studerat byggnadsstatik.

Maxwell intresserade sig också för gaser och termodynamik, och korresponderade med Ludwig Boltzmann i Wien. Maxwells mest kända bidrag till termodynamiken är ”Maxwells demon”.

Tänk er, sa Maxwell, att vi har två gasfyllda rum som skiljs åt av en vägg. I båda rummen är gasen av samma temperatur, molekylernas energier följer en normalfördelningskurva. Vi har alltså molekyler med olika hastigheter. Tänk er nu att det i skiljeväggen finns en liten lucka. Tänk er sedan att där sitter en mycket liten demon som ibland öppnar luckan och släpper igenom en gasmolekyl från rum ett till rum två, men bara molekyler med hög hastighet. Molekyler med låg hastighet släpper han i stället in i rum ett.

Resultatet av detta skulle bli att temperaturen stadigt ökade i rum två. Med hjälp av demonen hade vi fått en evighetsmaskin!

Tyvärr fungerar inte det hela, sa Maxwell. För att demonen ska kunna mäta molekylernas hastighet kräver han energi, så det blir inget över för att höja någon temperatur.

1800-talets hetaste forskningsfält var elektromagnetismen. På Royal Institution i London hade Michael Faraday hittat fascinerade samband mellan elektricitet och magnetism, och skapat den första generatorn, den första transformatorn och ett embryo till en elektrisk motor. Maxwell begav sig dit och satte sig in i de senaste rönen.

Faraday var en genial experimentator, men ingen teoretiker. Han hade överhuvud taget ingen akademisk skolning i matematik. Det ansågs vid den här tiden att krafter som gravitationen och magnetismen verkade mellan föremål på avstånd, helt utan något däremellan. Faraday hävdade emellertid att rymden genomströmmades av elektriska och magnetiska fält.

Faraday hade funnit att elektrisk strömstöt i en ledare kunde magnetiskt inducera en annan strömstöt i en annan ledare och därigenom uppfunnit transformatorn. Frågan var varför den fungerade.

Maxwell funderade, och föreslog sedan en besynnerlig elektromekanisk teori. Fältlinjerna kan ses som rader av roterade celler, sa han. När strömmen slås på i en ledare börjar cellerna närmast ledaren rotera och alstrar ett magnetfält. Därigenom sprider sig rotationen och gör att en ström genereras i den andra ledaren. Men därefter avtar rotationen vid den första ledaren och strömmen i den andra ledaren avtar.

Många var förtjusta i Maxwells modell, men själv såg han den som en halvmesyr. Han beslutade sig för att ta ett helt annat grepp på problemet.

Varför grubbla över vad som egentligen händer när ett magnetfält inducerar en ström och vice versa? Det räcker med att veta att det gör det. Låt oss i stället betrakta systemet som en svart låda, och noggrant mäta output för olika typer av input, och finna de matematiska sambanden mellan elektriska och magnetiska krafter.

Sagt och gjort. Resultatet av Maxwells mätningar blev hans berömda fyra partiella differentialekvationer, som tillsammans beskriver alla relationer mellan elektriska och magnetiska laddningar.

En god teori ska emellertid inte bara kunna beskriva ett fenomen. Den ska också kunna göra förutsägelser. Maxwells ekvationer förutsade att det varhelst laddningar rörde sig skulle bildas elektromagnetiska vågor av olika frekvenser som skulle sprida sig i etern som ringar på en vattenyta. Det skulle också gå att beräkna vågornas utbredningshastighet om man kände de elektriska och magnetiska enhetsladdningarna. Och det gjorde man, sådana mätningar hade gjorts. Det visade sig nu att de elektromagnetiska vågorna utbredde sig med ljusets hastighet.

Detta kunde inte vara en slump, hävdade Maxwell. Det fanns bara ett svar, nämligen att ljuset självt var en elektromagnetisk vågrörelse. Maxwell presenterade sina resultat under titeln ”A Dynamical Theory of the Electromagnetical Field” inför Royal Society i december 1864.

Maxwell avled i hjärtsvikt 1879, bara 48 år gammal. Han fick aldrig tillfälle att fortsätta sin forskning om elektromagnetiska vågor av annat slag än det synliga ljuset. I stället blev det tysken Heinrich Hertz som lyckades framställa och studera radiovågor.

”En vetenskaplig epok slutade och en annan började med James Clerk Maxwell”, hävdade Albert Einstein. Och vem vet? Om han fått leva kanske Maxwell skulle ha hunnit före Einstein med att formulera relativitetsteorin.

Läs mer om Maxwell i boken ”The Man who Changed Everything” av Basil Mahon.

Kaianders Sempler

Mer om: Fysik matematik

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt

Läs mer