Jubilæum for artiklen, der skabte den moderne fysik
more_vert
close
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og at Mediehuset Ingeniøren og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, tilbud mm via telefon, SMS og email. I nyhedsbreve og mails fra Mediehuset Ingeniøren kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Jubilæum for artiklen, der skabte den moderne fysik

Maxwells ligninger beskriver, at elektriske felter udgår fra positiv ladning og ender på negativ ladning (1). Magnetiske felter danner lukkede kurver (2). Et tidsvarierende magnetisk felt giver anledning til et elektrisk felt (3). Et tidsvarierende elektrisk felt eller en strøm giver anledning til et magnetisk felt (4). Illustration: YassineMrabet/Wikicommons

Den 16. juni 1865 blev James Clerk Maxwells artikel A dynamical theory of the electromagnetic field sendt til tryk for at indgå i Philosophical Transactions of the Royal Society.

Til trods for at den skotske fysiker i sin samtid var en anerkendt og hædret videnskabsmand, blev hans artikel dog stort set ignoreret i mere end 20 år – ikke mindst i hjemlandet.

Først omkring ti år efter Maxwells alt for tidlige død i 1879 blev hans forklaring af lys som et elektromagnetisk fænomen verificeret af Heinrich Hertz, som påviste eksistensen af elektromagnetiske bølger med en frekvens på 1 gigahertz, der opfører sig helt identisk med lys.

Ved 100-året for Maxwells fødsel i 1931 forklarede Albert Einstein, at Maxwells artikel var det mest indsigtsfulde og frugtbare, fysikken havde set siden Newton.

En af fysikkens grand old men, den nu 91-årige Freeman Dyson, har et bud på, hvorfor artiklen længe blev overset: Den var svær for fysikerne at forstå, fordi ligningerne var komplicerede. Den var svær for matematikerne at forstå, for den brugte et fysisk sprog til at forklare ligningerne. Og så var Maxwell alt for beskeden, mener Freeman Dyson.

Som præsident for Section A omfattende matematik og fysik for British Association for the Advancement of Science holdt Maxwell et indlæg ved årsmødet i 1870, som efterfølgende blev trykt i bind 2 af det nylancerede tidsskrift Nature.

Maxwell talte om en lang række nylige teorier i grænseområdet mellem fysik og matematik, herunder den – helt forkerte – teori om mole­kyler, som hvirvler i æteren, som William Thompson (den senere Lord Kelvin) havde fremlagt.

Man kunne forvente, at han også ville fremhæve sin egne teorier, men først til allersidst i sin tale omtalte Maxwell ganske kort ‘en anden teori for elektricitet, som jeg foretrækker’ – uden at nævne, at der var tale om hans egen dynamiske feltteori.

Maxwell var helt absurd og oprørende beskeden i sammenligning med eksempelvis Galileo eller Newton, mener Freeman Dyson:

»Newton ville aldrig have beskrevet sin teori om tyngdekraften som ‘en anden teori for tyngdekraften, jeg foretrækker’«.

Forståelsen af statiske elektriske og magnetiske felter var gradvist udviklet siden slutningen af 1700-tallet, men en forståelse af de tidsvarierende fænomener opstod først efter 1830. Maxwell tog selv flere tilløb i 1850’erne, og i 1865 var han klar med en færdig model.

Uhåndgribeligt, men smukt

Maxwell indleder sin artikel på 55 sider med at forklare, at han har svært ved at opfatte en elektromagnetisk teori af den tyske fysiker Wilhelm Weber som værende fyldestgørende, da den ikke beskriver, hvordan kræfter overføres. Lidt omskrevet og afkortet bemærker Maxwell:

‘Jeg foretrækker derfor at finde en forklaring, hvor vekselvirkningen opstår ved forandringer i det omliggende medium såvel som i objekterne.’

Han bemærker, at teorien kan kaldes en teori for det elektromagnetiske felt, da den vedrører rummet i nærheden af de elektriske eller magnetiske objekter, og den kan kaldes en dynamisk teori, da den antager, at der i rummet er stof i bevægelse, som er med til at producere de observerede elektromagnetiske fænomener.

Maxwells model var kompliceret. Den bestod af 20 ligninger for 20 variable. Det hjalp noget, da den selvlærte britiske ingeniør og fysiker Oliver Heaviside i 1884 omskrev teorien til de fire kompakte ligninger, som vi kender i dag.

Men feltteori er stadig uhåndgribelig og kompliceret.

Newtons beskrivelse af naturen var baseret på håndgribelige mekaniske størrelser, hvis bevægelser blev styret af simple udtryk som tyngdeloven og den anden lov: Kraft er lig masse gange acceleration.

Maxwell indførte en tolagsmodel, hvor det fundamentale lag består af felter styret af partielle diffentialligninger. Hertil kommer et andet lag, som består af de ting, vi kan måle og veje som energi, kræfter og andre mekaniske egenskaber.

De to lag er forbundne, idet størrelser i det andet lag opnås ved at gange to størrelser på det funda­mentale niveau med hinanden – eller i visse tilfælde tage kvadratet af en størrelse på det fundamentale niveau. Energitætheden måles eksempelvis i joule pr. kubikmeter, men beregnes som kvadratet på den elektriske feltstyrke, som altså er kvadrat­roden af joule pr. kubikmeter.

Som Freeman Dyson skriver, så betyder det ikke, at vi kan måle den elektriske feltstyrke med kvadratroden af et kalorimeter. Det betyder, at den elektriske feltstyrke er et abstrakt begreb.

Pointen er, at naturen følger matematiske regler i en abstrakt verden på det første niveau, men mennesker lever i en konkret verden på det andet niveau.

»For at se skønheden i Maxwells teori er det nødvendigt at bevæge sig fra mekaniske modeller til felternes abstrakte verden,« forklarer Freeman Dyson.

Samme tolagsmodel findes i den generelle relativitetsteori, kvantemekanik og partikelfysik, som alle er baseret på konceptet for dynamiske felter introduceret af Maxwell i 1865.

Ligningerne giver lysets hastighed, men uden nogen reference til noget som helst andet end dig selv.
Det er vel lige så epokegørende som Newtons formuleringer af mekanikken. Der optræder heller ikke noget egentligt referencepunkt.

  • 0
  • 3

Det kunne være interessant at se Maxwells originale artikel.
Findes den paa nettet?
Maxwells genistreg var, at han tilføjede et manglede led "dD/dt" til ligningerne.
Det undrer mig, at han ikke indsaa at ligningerne derved blev invariante for en rum-tid transformation.
Han kunne let have foregrebet Lorentz og Einstein.

@ Jens Ramschou

"statistisk" skal være "statisk". Maxwell teori var dynamisk til forskel fra tidligere statiske teorier.
Iøvrigt tak for mange udmærkede artikler i ing.dk.

  • 3
  • 0

Jeg har rettet statistisk til statisk, som ikke blev fanget i korrekturlæsningen.

Her er et link til Maxwells artikel

http://rstl.royalsocietypublishing.org/con...

Maxwell brugte andre betegnelser, end dem vi i dag anvender. Det gør artiklen vanskelig at læse, men dele af artiklen som eksempelvis indledningen, kan man sagtens have fornøjelse af at læse.

Bemærk at den anførte dato 1.januar for udgivelsen af Philosophical Transactions of The Royal Society ikke er korrekt.

https://en.wikipedia.org/wiki/Philosophica...

  • 2
  • 0