Максвелл өріс физикасында несімен әйгілі

Ғылым тарихы қоршаған әлемді түсінуімізді түбегейлі өзгерткен көрнекті ғалымдарды жетерлік біледі. Он тоғызыншы ғасыр электр мен магнетизмді зерттеудегі революциялық жетістіктер дәуіріне айналды. Джеймс Клерк Максвелл бөлек эксперименттік деректерді заманауи физиканың негізіне жатқан жүйелі математикалық теорияға біріктіре алды. Оның өрістер туралы ғылымға қосқан үлесі соншалықты іргелі болды, осы ашылымдардың салдары әлі күнге дейін сезіледі.

Электромагниттік өріс теориясын жасау

Максвелл кеңістіктегі электрлік және магниттік құбылыстардың өзара байланысын сипаттайтын теңдеулер жүйесін әзірледі. Оның жұмыстарына дейін бұл физика салалары ғылымның бөлек бөлімдері ретінде қарастырылды.

Ғалымның негізгі жетістіктері бірнеше негізгі элементтерді қамтыды:

1. Электрлік және магниттік өрістердің математикалық сипаттамасы сапалық бақылауларды қатаң формулалар тіліне аударуға мүмкіндік берді. Максвелл күш сызықтары мен энергия ағындарын көрсету үшін векторлық талдауды пайдаланды. Қазір оның атын алып жүрген төрт теңдеу классикалық электрдинамиканың іргетасына айналды.
2. Ығысу тогы концепциясы шотланд физигімен қолданыстағы заңдардағы қайшылықтарды жою үшін енгізілді. Бұл гипотетикалық ток зарядтардың қозғалысынсыз электр өрісінің уақыт бойынша өзгеруі кезінде пайда болады. Теңдеулерге жаңа мүшені қосу жүйені математикалық тұрғыдан тұйық және қайшылықсыз етті.
3. Электромагниттік толқындарды болжау әзірленген математикалық қатынастар теориясының тікелей салдары болды. Теңдеулерден айнымалы өрістер вакуумда жарық жылдамдығымен тарала алатыны шықты. Максвелл жарық сәулеленуінің толқындық табиғаты туралы гипотезаны алғаш айтты.

Ғалымның теориялық есептері өз заманының эксперименттік мүмкіндіктерін бірнеше ондаған жылдармен озды.

Оптика мен электромагнетизмді біріктіру

Есептеулер электромагниттік бұзылыстардың таралу жылдамдығы бұрын өлшенген жарық жылдамдығымен сәйкес келетінін көрсетті. Бұл қарапайым кездейсоқтық болуы мүмкін емес еді, сондықтан Максвелл құбылыстардың бірыңғай табиғаты туралы батыл қорытынды жасады.

Физиканың әртүрлі бөлімдері арасындағы байланыс мынада көрінді:

• жарық толқындары белгілі бір жиіліктегі электромагниттік өріс тербелістерін білдіреді;
• көрінетін спектр мүмкін электромагниттік сәулеленулердің тек аз бөлігін құрайды;
• оптика заңдары электрдинамиканың жалпы теңдеулерінің жекеше жағдайына айналады;
• жарықтың сынуы, шағылысуы және дифракциясы өрістердің затпен өзара әрекеттесуімен түсіндіріледі.

Бұл идеялардың эксперименттік растауы кейінірек Герц тәжірибелері арқасында келді, бірақ теориялық негіз Максвеллмен қаланған.

Өріс туралы түсініктердің дамуы

Шотланд физигінің жұмыстарына дейін денелер бос кеңістік арқылы тікелей өзара әрекеттеседі деген алыс әсер концепциясы билік етті. Максвелл жақын әсер идеясына негізделген балама тәсілді дамытты.

Жаңа парадигма іргелі түсініктерді өзгертті:

1. Өріс күштерді сипаттауға арналған математикалық абстракция емес, өзіндік физикалық шындық ретінде қарастырыла бастады. Энергия кеңістікте локализацияланады және оны туғызған зарядтардан тәуелсіз бола алады. Бұзылыстардың таралуы орта нүктелері арқылы шектеулі жылдамдықпен жүреді.
2. Эфир концепциясы вакуумдағы өзара әрекеттерді беру механизмін түсіндіру үшін Максвеллмен пайдаланылды. Кейінірек бұл гипотезадан бас тартылғанымен, ол теорияны дамытуда маңызды эвристикалық рөл атқарды. Механикалық ұқсастықтар сол кездегі физиктерге абстрактілі математикалық құрылымдарды интуитивті түсінуге көмектесті.
3. Электромагниттік өріс энергиясы кеңістікте есептеуге болатын белгілі бір тығыздықпен таралған. Пойнтинг векторы әрбір уақыт сәтінде кез келген бет арқылы энергия ағынын сипаттайды. Бұл түсініктер сәулелену және толқындардың таралуы теориясының негізіне жатты.

Өрістік тәсіл өте жемісті болып шықты және кейіннен өзара әрекеттесудің басқа түрлеріне таралды.

Молекулалық физикаға үлесі

Электромагнетизмнен басқа, Максвелл газдардың кинетикалық теориясын дамытуға айтарлықтай үлес қосты. Ол көп санды бөлшектердің қозғалысын сипаттауға статистикалық тәсілді әзірледі.

Бұл саладағы жетістіктер мыналарды қамтыды:

• жылулық тепе-теңдікте газда молекулалардың жылдамдықтар бойынша таралу заңын шығару;
• молекулалық түсініктер негізінде тұтқырлық және жылу өткізгіштік құбылыстарын түсіндіру;
• заттың макроскопиялық параметрлері мен бөлшектердің микроскопиялық қозғалысы арасындағы байланысты белгілеу;
• көп денелер жүйелеріне арналған статистикалық механика әдістерін дамыту.

Ғалымның молекулалық физика саласындағы жұмыстары статистикалық термодинамиканың кейінгі дамуына іргетас қалады.

Ашылымдардың практикалық маңызы

Шотланд физигінің теориялық әзірлемелері XX және XXI ғасырлардың технологияларында кең қолдану тапты. Қазіргі өркениет электромагнетизм принциптерінде жұмыс істейтін құрылғыларсыз елестетілмейді.

Максвелл теориясының практикалық қолданулары:

1. Радиобайланыс электромагниттік толқындардың табиғатын және олардың таралу заңдарын түсіну арқасында мүмкін болды. Ақпаратты сымсыз кез келген қашықтыққа беру шотланд ғалымымен болжанған құбылыстарды пайдаланады. Мобильді байланыс, теледидар және сымсыз интернет классикалық электрдинамиканың іргелі принциптеріне негізделген.
2. Электротехника және электр энергетикасы өткізгіштер мен диэлектриктердегі өрістердің мінез-құлқын сипаттайтын теңдеулерге сүйенеді. Трансформаторларды, генераторларды және электр беру желілерін есептеу Максвелл әзірлеген математикалық аппаратты қолданады. Заманауи энергетикалық жүйелер электромагниттік процестерді терең түсінусіз мүмкін болмас еді.
3. Оптикалық технологиялар жарықтың электромагниттік табиғаты белгіленгеннен кейін теориялық негіздеме алды. Линзаларды, айналарды және оптикалық аспаптарды жобалау сәулеленудің толқындық қасиеттерін ескереді. Лазерлік техника, талшықты оптика және көптеген басқа жетістіктер XIX ғасырдың іргелі ашылымдарынан өсті.

Максвелл жұмыстарының нәтижелерін тікелей немесе жанама пайдаланбайтын заманауи техниканың саласын табу қиын.

Физиканың дамуына әсері

Шотланд ғалымының зерттеулерінің әдістемесі мен нәтижелері теориялық физиканың кейінгі дамуына терең әсер етті. Оның теория құру тәсілі көптеген ғалымдар ұрпақтары үшін үлгі болды.

Ғылыми мұраның негізгі аспектілері:

• өрістерді сипаттау үшін әзірленген математикалық формализм физиканың басқа бөлімдеріне бейімделді;
• жалпы принциптер негізінде әртүрлі құбылыстарды унификациялау идеясы XX ғасыр ғылымының бағыт-бағдары болды;
• толқындық процестер туралы түсінік кванттық механика және салыстырмалылық теориясы үшін топырақ дайындады;
• статистикалық әдістер көптеген еркіндік дәрежелері бар жүйелерді зерттеуде қолдану тапты.

Эйнштейн Максвелл жұмыстарын қазіргі физика негізделген бағаналардың бірі деп санады. Салыстырмалылық теориясы өрістер үшін теңдеулерді қайта қарауды талап етпей электрдинамиканы органикалық түрде өзіне қосты. Кванттық электрдинамика шотланд физигінің негізгі концептуалды идеяларын сақтай отырып, классикалық теорияны микроәлемге дейін кеңейтті.

Джеймс Клерк Максвеллдің өріс физикасына қосқан үлесін асыра бағалау қиын, өйткені оның ашылымдары ғылымның келбетін алдағы ғасырларға айқындады. Бөлек эксперименттік фактілерді бірыңғай математикалық құрылымға синтездеу теориялық ойлаудың күшін көрсетті. Әзірленген теорияның болжамдық қуаты кейінгі эксперименттер мен техникалық қолданулармен көп рет расталды. Шотланд ғалымының ғылыми мұрасы тірі болып қалады және зерттеушілерді жаратылыстанудың әртүрлі салаларында жаңа ашылымдарға шабыттандыруды жалғастырады.