Obsah:
Paul M. Sutter je astrofyzik ze SUNY Stony Brook a Institutu Flatiron, hostitel "Ask a Spaceman" a "Space Radio" a autor knihy "How to Die in Space."
Každý je fanouškem Alberta Einsteina, a to z dobrého důvodu: Vynalezl nejméně čtyři nové oblasti fyziky, spřádal zcela novou teorii gravitace ze struktury své vlastní představivosti a naučil nás skutečnou povahu času a prostoru. Ale koho byl Einstein fanouškem?
James Clerk Maxwell. SZO? Oh, on je jen vědec, který je zodpovědný za vysvětlení sil, které stojí za rádiem ve vašem autě, magnety na vaší lednici, horko teplého letního dne a nabíjení baterie.
Příbuzný: Slavná Einsteinova rovnice poprvé použitá k vytvoření hmoty ze světla
Na začátku
Většina lidí nezná Maxwella, skotského vědce a polyhistora z 19. století. Přesto byl možná největším vědcem své generace a způsobil revoluci ve fyzice způsobem, který nikdo nečekal. Ve skutečnosti trvalo roky, než si Maxwellovi vrstevníci uvědomili, jak úžasný – a správný – byl.
V té době byly jedním z velkých ohnisek vědeckého zájmu podivné a matoucí vlastnosti elektřiny a magnetismu. Zatímco tyto dvě síly byly lidstvu známé po tisíciletí, čím více vědců tyto síly studovalo, tím podivnější se zdály.
Starověcí lidé věděli, že určitá zvířata, jako jsou električtí úhoři, vás mohou šokovat, když se jich dotknete, a že určité látky, jako je jantar, mohou přitahovat věci, když je třete. Věděli, že blesk může způsobit požár. Našli zdánlivě magické kameny, zvané magnetovce, které mohly přitahovat kousky kovu. A ovládali používání kompasu, i když bez pochopení toho, jak funguje.
V době, kdy Maxwell vstoupil, rozšířila se široká škála experimentů na podivnost těchto sil. Vědci jako Benjamin Franklin zjistili, že elektřinu z blesku lze uložit. Luigi Galvani zjistil, že nabíjení živých organismů elektřinou způsobilo jejich pohyb.
Mezitím francouzští vědci zjistili, že elektřina pohybující se po drátu může přitahovat - nebo odpuzovat, v závislosti na směru toku - další drát a že elektrifikované koule mohou přitahovat nebo odpuzovat se silou úměrnou druhé mocnině jejich oddělení.
Nejzajímavější bylo, že mezi elektřinou a magnetismem existovalo zvláštní spojení. Elektrifikované dráty by mohly vychýlit pohyb kompasu. Spuštění toku elektřiny v jednom drátu by mohlo urychlit tok elektřiny v jiném, i když dráty nebyly připojeny. Mávání magnetem kolem může generovat elektřinu.
To vše bylo naprosto fascinující, ale nikdo neměl tušení, co se děje.
Velký sjednotitel
Pak přišel Maxwell. Slyšel o všem tom zmatku elektřiny a magnetismu, když pracoval na jiném problému: jak funguje barevné vidění. (Opravdu vynalezl barevnou fotografii.)
Během pouhých několika let si Maxwell představil fyziku a matematiku potřebnou k vysvětlení všech experimentů týkajících se elektřiny a magnetismu.
Aby to dokázal, musel myslet jako budoucí vědec.
Dnes je moderní fyzika založena na konceptu pole, entity, která pokrývá celý prostor a čas a říká ostatním objektům, jak se mají pohybovat. I když Maxwell nebyl první, kdo si takové pole představil, byl první, kdo jej uvedl do provozu a proměnil jej z pohodlného matematického triku ve skutečnou fyzickou entitu.
Maxwell si například představoval, že síly elektřiny a magnetismu budou přenášeny a přenášeny elektrickými a magnetickými poli. Maxwell řekl, že elektrický náboj vytvoří elektrické pole, které jej obklopí. Jakékoli jiné náboje by mohly snímat toto pole a na základě síly a směru pole by vědělo, jak reagovat na sílu původního náboje.
Totéž platilo pro magnetické pole a Maxwell to udělal ještě o krok dále. Uvědomil si, že elektrická a magnetická pole jsou dvě strany téže mince: Elektřina a magnetismus nebyly dvě samostatné, odlišné síly, ale pouze dva výrazy stejné, sjednocené elektromagnetické síly. Nemůžete myslet na elektřinu, aniž byste přemýšleli o magnetismu a naopak.
Budiž světlo
Maxwellovy poznatky měly podobu 20 propojených rovnic, které byly o několik let později zredukovány na čtyři rovnice elektromagnetismu, které se vědci a inženýři učí dodnes. Jeho revoluce následovala po prvním sjednocení fyziky Isaaca Newtona, ve kterém byla zemská gravitace spojena s gravitací nebes podle jediného zákona a Maxwellovy rovnice se staly známými jako druhé velké sjednocení ve fyzice.
Maxwellův náhled byl obrovský – kdo by tušil, že elektřina a magnetismus spolu nejen souvisejí, ale jsou totéž? Moderní fyzika je především o hledání jednotných principů k popisu rozsáhlých oblastí přírodních jevů a Maxwell posunul stranu sjednocení na další úroveň.
Maxwell tím ale neskončil. Uvědomil si, že měnící se elektrická pole mohou indukovat pole magnetická a naopak. Okamžitě se tedy začal zajímat o to, zda by takové uspořádání mohlo být samoposilující, kdy by měnící se elektrické pole vytvořilo měnící se magnetické pole, které by pak mohlo vytvářet měnící se elektrické pole a tak dále.
Maxwell si uvědomil, že to bude vlna – vlna elektromagnetismu. Pustil se do výpočtu rychlosti těchto elektromagnetických vln pomocí sil elektřiny a magnetismu a objevil se … rychlost světla.
Zavedením konceptu pole do analýzy elektřiny a magnetismu Maxwell zjistil, že světlo - ve všech jeho formách, od infračerveného přes rádiové vlny až po barvy duhy - jsou ve skutečnosti vlny elektromagnetického záření.
Pomocí jedné sady rovnic, jednoho skvělého skoku intuice a vhledu, Maxwell sjednotil tři velké říše fyziky: elektřinu, magnetismus a optiku. Není divu, že ho Einstein obdivoval.
