Đang tải bài viết từ Wikipedia…
Sảnh các Nhà khoa học
James Clerk Maxwell
Lý thuyết điện từ; các phương trình Maxwell
- 1831 – 1879
- Sảnh các Nhà khoa học · 8/10
Sảnh các Nhà khoa học
Lý thuyết điện từ; các phương trình Maxwell
Đang tải bài viết từ Wikipedia…
James Clerk Maxwell FRS FRSE (13 tháng 6 năm 1831 – 5 tháng 11 năm 1879) là một nhà toán học, một nhà vật lý học người Scotland. Thành tựu nổi bật nhất của ông đó là thiết lập lên lý thuyết cổ điển về bức xạ điện từ, mà đã lần đầu tiên bắc chiếc cầu nối giữa điện học, từ học, và ánh sáng như là biểu hiện của cùng một hiện tượng. Phương trình Maxwell của trường điện từ đã được gọi là "lần thống nhất vĩ đại thứ hai trong vật lý" sau lần thống nhất bởi Isaac Newton.
Với bài báo Một lý thuyết động lực học của trường điện từ công bố năm 1865, Maxwell đã chứng tỏ được rằng lực tĩnh điện và từ trường lan truyền trong không gian như là các sóng chuyển động với vận tốc bằng tốc độ ánh sáng. Maxwell cho rằng ánh sáng là một dạng dao động sóng trong cùng một môi trường mà là nguyên nhân gây các các hiện tượng điện và từ. Sự thống nhất của ánh sáng với các hiện tượng điện đã đưa đến tiên đoán tồn tại sóng vô tuyến.
Maxwell đóng vai trò trong việc phát triển phân phối Maxwell–Boltzmann, một phương pháp thống kê miêu tả các đặc điểm của thuyết động học chất khí. Ông là người đầu tiên đưa ra phương pháp tạo ra ảnh màu bền lâu vào năm 1861 và ông có những công trình nền tảng trong lý thuyết phân tích độ cứng của hệ khung liên kết bởi các nút và thanh (khung giàn) như ở kết cấu cầu.
Các khám phá của ông đã mở ra lối đi cho vật lý hiện đại, đặt cơ sở cho các lĩnh vực như thuyết tương đối hẹp và cơ học lượng tử. Nhiều nhà vật lý coi Maxwell là nhà khoa học thế kỷ 19 có ảnh hưởng lớn nhất đến vật lý thế kỷ 20. Đóng góp của ông đối với khoa học được sánh ngang với các nhà khoa học Isaac Newton và Albert Einstein. Trong một cuộc khảo sát bỏ phiếu chọn ra 100 nhà vật lý có tầm ảnh hưởng nhất trong 1000 năm qua—Maxwell được đánh giá xếp thứ ba, chỉ xếp sau Newton và Einstein. Vào dịp kỷ niệm 100 năm ngày sinh của Maxwell, Einstein đã miêu tả các công trình của Maxwell "có tầm sâu sắc nhất và là mảnh đất màu mỡ nhất mà vật lý có được kể từ thời của Newton".
James Clerk Maxwell sinh ngày 13 tháng 6 năm 1831 tại nhà số 14 đường India, Edinburgh, con của ông John Clerk-Maxwell của Middlebie, một người biện hộ, và Frances Cay con của Robert Hodshon Cay và chị của John Cay. Bố ông là một người có địa vị và giàu có của dòng họ Clerk ở Penicuik, những người giữ tước tòng nam (baronetcy) Clerk của Penicuik. Bác của ông là tòng nam tước thứ 6. Tên khai sinh của bố ông là "John Clerk", cộng thêm tên đệm Maxwell sau khi ông thừa hưởng (lúc thơ ấu năm 1793) đất đai xứ Middlebie gần Corsock, Kirkcudbrightshire, từ mối liên hệ với dòng họ Maxwell, cũng là một tầng lớp quý tộc. James Clerk Maxwell cũng là anh em họ của họa sĩ Jemima Blackburn và của (con trai của cậu) kỹ sư xây dựng William Dyce Cay. Họ là những người bạn thân và Cay là phù rể trong lễ cưới của Maxwell.
Bố mẹ của Maxwell gặp nhau và làm đám cưới khi họ đã ngoài 30 tuổi; khi ông sinh ra thì mẹ ông đã gần 40 tuổi. Họ đã từng có một đứa con gái trước đó, tên là Elizabeth, tuy vậy đã chết yểu.
Gia đình Maxwell chuyển đến ngôi nhà Glenlair khi ông còn trẻ, mà bố mẹ ông đã xây dựng trên khu đất Middlebie hơn 1.500 mẫu Anh (610 ha). Mọi chứng cứ gợi ý rằng Maxwell đã có tính tò mò không ngừng ngay từ hồi nhỏ. Cho đến lúc ba tuổi, mọi thứ chuyển động, phát sáng hay gây ra tiếng ồn đều khiến cậu đưa ra câu hỏi: "cái gì khiến nó như thế?" Trong một lá thư của bố ông đến mợ Jane Cay vào năm 1834, mẹ ông đã miêu tả tính hay tò mò này của ông:
Nó là một cậu bé rất vui vẻ, và đã khá hơn nhiều kể từ khi thời tiết dễ chịu hơn; nó quan tâm nhiều tới cửa, khóa, chìa khóa, etc., và lúc nào cũng bập bẹ nói "chỉ cho con làm thế nào mà". Nó cũng tìm hiểu bí ẩn trong những dòng suối ngầm và các sợi dây chuông, cách mà nước chảy từ hồ qua tường....
Nhận ra khả năng tiềm tàng của cậu bé, mẹ của Maxwell bà Frances đã có trách nhiệm trong việc giáo dục James từ lúc còn nhỏ, cũng do đây là một công chủ yếu của người phụ nữ trong gia đình ở thời kỳ Victoria. Lúc 8 tuổi ông có thể đọc thuộc lòng các đoạn thơ dài của John Milton và toàn bộ bài thánh Vịnh thứ 119 (176 câu thơ). Quả thực ông hiểu biết rất chi tiết về kinh thánh; ông có thể nói ra chương và câu thơ đối với hầu hết đoạn trích nào từ thánh Vịnh. Mẹ ông có sức khỏe yếu dần do ung thư dạ dày, sau một lần phẫu thuật không thành công, bà qua đời vào tháng 12 năm 1839. Việc giáo dục của James lúc đó do bố ông và dì Jane giám sát, mà cả hai người này đóng vai trò quan trọng trong cuộc đời ông. Việc đi học chính thức của ông khởi đầu không thành công dưới sự hướng dẫn của một học sinh 16 tuổi ở lớp trên. Thông tin về thanh niên này được John thuê về để dạy con trai ông không có nhiều, ngoại trừ anh ta khắt khe với cậu bé, chê mắng cậu vì tính chậm chạp và ương ngạnh. John đuổi gia sư này vào tháng 11 năm 1841, và suy nghĩ cẩn thận, ông gửi James tới trường học Edinburgh Academy danh giá. Ông ở tại nhà của dì Isabella trong thời gian học ở đây. Thời gian này ông trở lên hứng thú với hội họa bởi ảnh hưởng từ chú Jemima lớn tuổi hơn ông.
Cậu bé Maxwell 10 tuổi, được nuôi nấng tách biệt trong khu đất nông thôn của bố ông, đã không hợp lắm với trường học. Học xong năm đầu tiên, ông tiếp tục được vào học cùng với các anh lớn tuổi trong năm thứ hai. Phong cách và giọng nói vùng Galloway của ông tác động vào các chàng trai khác một cách mộc mạc. Ngày đầu tiên đến trường ông đi đôi giày và mặc áo dài thắt ngang lưng của nhà làm, và người ta đặt cho cậu biệt danh là "Daftie" (gàn dở). Có vẻ ông chưa bao giờ bực bội với biệt danh này, và chẳng phàn nàn gì về nó trong nhiều năm. Cách sống biệt lập tại trường Academy kết thúc khi ông gặp Lewis Campbell và Peter Guthrie Tait, hai chàng trai cùng lứa tuổi và sau này trở thành những học giả có tiếng. Họ đã trở thành những người thân hữu lâu năm.
Maxwell đã thích thú hình học ngay từ khi còn bé, cậu khám phá lại các khối đa diện đều trước khi bắt được đi học chính thức. Mặc dù chiến thắng trong cuộc thi tìm hiểu về kinh thánh ở năm học thứ hai, các công trình hàn lâm của ông vẫn không được chú ý tới cho đến khi, lúc ông 13 tuổi, ông giành được huy chương toán học của trường và giải nhất về văn học Anh và thơ ca.
Những quan tâm của Maxwell vượt ra ngoài phạm vi chương trình dạy ở trường và ông cũng không quá tập trung vào các kỳ thi kiểm tra. Ông viết bài báo khoa học đầu tiên lúc 14 tuổi. Nội dung bài báo miêu tả cách vẽ bằng cơ học của các đường cong toán học với sợi dây cuộn, và các tính chất của elíp, oval Descartes, và các đường cong liên quan có nhiều hơn hai tiêu điểm. Nghiên cứu của ông về các đường cong oval được trình bày tại Hội Hoàng gia Edinburgh bởi James Forbes, một giáo sư triết học tự nhiên ở đại học Edinburgh, bởi Maxwell quá trẻ để có thể trình bày công trình. Nghiên cứu này hoàn toàn không phải là nghiên cứu gốc, do René Descartes cũng đã kiểm tra các tính chất của elíp đa tiêu điểm trong thế kỷ 17, nhưng Maxwell đã chỉ ra cách dựng hình đơn giản hơn.
Maxwell rời trường Academy vào năm 1847 lúc 16 tuổi và bắt đầu tham dự các lớp của đại học Edinburgh. Ông đã có cơ học để học tại đại học Cambridge, nhưng sau một học kỳ đầu tiên ông đã quyết định học một chương trình đại học hoàn toàn ở đại học Edinburgh. Các giảng viên ở trường Edinburgh khi ấy bao gồm một số tên tuổi lớn như thầy dạy năm thứ nhất của ông là tòng nam tước Sir William Hamilton, người dạy ông môn logic và siêu hình học, Philip Kelland dạy về toán học, và James David Forbes dạy về triết học tự nhiên. Chương trình dạy ở Edinburgh không quá yêu cầu nặng nề đối với ông, vì vậy ông có thể tự thực hiện nghiên cứu trong thời gian rãnh rỗi khi ở trường và đặc biệt khi quay về thăm nhà ở Glenlair. Ông có thể làm thí nghiệm với các hóa chất tùy biến, dòng điện và các thiết bị từ, nhưng ông có sự quan tâm chủ yếu vào tính chất của ánh sáng bị phân cực. Ông tạo ra các khối gelatin, cho chúng chịu dưới nhiều ứng suất khác nhau, và với một cặp lăng trụ phân cực do William Nicol làm cho ông, ông đã quan sát thấy các vân giao thoa tương tự như ở các con sứa. Nhờ thí nghiệm này mà ông đã khám phá ra phương pháp quang đàn hồi học, cho phép xác định sự phân bố ứng suất bên trong cấu trúc vật liệu và kết cấu.
Ở tuổi 18, Maxwell đã viết hai bài báo cho Tạp chí Triết học của Hội hoàng gia Edinburgh. Một bài báo với tiêu đề On the Equilibrium of Elastic Solids (Về sự cân bằng của vật rắn đàn hồi), đã đặt cơ sở cho khám phá quan trọng về sau của ông, đó là lưỡng chiết tạm thời hình thành trong chất lỏng có độ nhớt dưới tác dụng của ứng suất cắt. Bài báo kia có tiêu đề Rolling Curves (Các đường cong tạo từ sự lăn không trượt) và, giống như bài báo Oval Curves mà ông đã viết tại trường Edinburgh Academy, một lần nữa ông bị xem là quá trẻ để có thể đứng trước bục thuyết trình. Bài báo này sau đó do người thầy Kelland của ông trình bày trước Hội hoàng gia.
Tháng 10 năm 1850, lúc này ông đã trở thành một nhà toán học, Maxwell rời Scotland chuyển đến đại học Cambridge. Lúc đầu ông đăng ký vào Peterhouse, nhưng trước khi kết thúc nhiệm kỳ thứ nhất ông chuyển tới Trinity, nơi ông tin nhận được học bổng dễ dàng hơn. Ở Trinity, ông được bầu chọn vào một hội bí mật quan trọng là Những người cải cách Cambridge (Cambridge Apostles). Tri thức hiểu biết của Maxwell về đức tin Cơ đốc và khoa học phát triển nhanh chóng trong những năm ông ở Cambridge. Ông gia nhập "Hội những người cải cách", một hội quy tụ những tri thức lớn khi đó, nơi nhờ các bài luận của ông mà ông có thể nắm bắt dần kiến thức về thế giới quan.
Vào mùa hè năm thứ ba, Maxwell đã có thời gian ở nhà của Charles Benjamin Tayler tại Otley thuộc hạt Suffolk, chú của người bạn cùng lớp G.W.H. Tayler. Tình yêu đối với chúa của gia đình đã gây ấn tượng với Maxwell, đặc biệt sau khi ông được chăm sóc trong lúc ốm bởi ông bộ trưởng và vợ của ông.
Tháng 11 năm 1851, Maxwell học thầy William Hopkins, người đã dạy nhiều thiên tài toán học mà được mọi người đặt cho biệt danh "người đào tạo những sinh viên giỏi" (senior wrangler-maker).
Năm 1854, Maxwell tốt nghiệp trường Trinity với bằng cử nhân toán học. Ông xếp thứ hai trong kỳ thi tốt nghiệp, xếp sau Edward Routh và được trao danh hiệu sinh viên giỏi. Về sau ông đạt đồng giải nhất với Routh trong kỳ thi của Giải Smith. Ngay sau khi tốt nghiệp, Maxwell đã đọc bài báo On the Transformation of Surfaces by Bending trước Hội Triết học Cambridge. Đây là một trong số ít bài báo thuần túy toán học do ông viết, chứng tỏ sự tiến triển trong tầm vóc của Maxwell như là một nhà toán học. Maxwell quyết định ở lại Trinity sau khi tốt nghiệp và nộp hồ sơ để làm thành viên của trường, một quá trình mà ông nghĩ có thể mất hai năm. Nhờ sự thành công khi còn là sinh viên nghiên cứu, ông có thể tự do khỏi trách nhiệm giảng dạy và coi thi, để theo đuổi mục tiêu nghiên cứu khoa học theo ý ông muốn.
Bản chất và sự cảm nhận màu sắc là một trong những quan tâm của ông khi ông học ở Đại học Edinburgh dưới sự hướng dẫn của giáo sư Forbes. Với con quay nhiều màu sắc do Forbes sáng chế ra, Maxwell có thể chứng minh được ánh sáng trắng là tổ hợp của ánh sáng màu đỏ, lục và lam. Bài báo Experiments on Colour của ông đặt cơ sở cho các nguyên lý kết hợp màu sắc và được trình bày trước Hội Hoàng gia Edinburgh vào tháng 3 năm 1855. Thời điểm này Maxwell đã có thể tự trình bày các bài báo của mình trước hội đồng các nhà khoa học.
Maxwell chính thức trở thành thành viên của trường Trinity ngày 10 tháng 10 năm 1855, sớm hơn so với thông thường, và được yêu cầu chuẩn bị các bài giảng về thủy tĩnh học và quang học cũng như các câu hỏi kiểm tra. Tháng 2 năm sau thầy Forbes hối thúc ông đảm nhiệm vị trí mới là Chủ tịch phân viện Triết học tự nhiên tại Marischal College, Aberdeen. Bố ông đã hỗ trợ ông chuẩn bị những thứ cần thiết, nhưng ông đã qua đời vào ngày 2 tháng 4 tại Glenlair trước khi biết kết quả của việc ứng cử của Maxwell. Maxwell được nhận làm giáo sư ở Aberdeen, và ông rời Cambridge tháng 11 năm 1856.
Chàng thanh niên Maxwell 25 tuổi trẻ hơn 15 tuổi so với bất kỳ giáo sư nào khác ở Marischal. Ông đảm trách vị trí trưởng khoa, đưa ra đề cương và chuẩn bị các bài giảng. Ông tự cam kết sẽ tham gia giảng dạy khoảng 15 tiếng một tuần, bao gồm bài giảng cuối tuần miễn phí (pro bono) tại một trường đào tạo công nhân ở địa phương. Ông sống ở Aberdeen trong thời gian sáu tháng của năm học và dành thời gian của mùa hè ở trại Glenlair, nơi ông được thừa kế từ bố ông.
Ông tập trung chú trọng vào một vấn đề làm đau đầu các nhà khoa học trong suốt 200 năm: đó là bản chất của vành đai Sao Thổ. Trước đó, người ta không biết được tại sao nó vẫn ổn định mà không bị vỡ tan ra, bay ra khỏi hoặc rơi trở lại Sao Thổ. Vấn đề này còn thu hút sự chú ý đặc biệt vào lúc đó bởi trường St John's College, Cambridge đã chọn nó làm chủ đề cho giải Adams vào năm 1857. Maxwell đã dành 2 năm để nghiên cứu vấn đề này, ông chứng minh rằng một vành đai đặc rắn sẽ không thể ổn định, trong khi một vành chất lỏng sẽ bị tác động bởi lực thủy triều và xé nhỏ thành các mảnh nhỏ. Vì chi tiết cấu tạo vành đai chưa từng được quan sát kỹ, Maxwell kết luận rằng các vành đai phải là tổ hợp của nhiều hạt nhỏ mà ông gọi là những viên gạch vỡ ("brick-bats"), từng hạt quay độc lập quanh Sao Thổ. Maxwell được trao giả Adams trị giá £130 vào năm 1859 cho bài luận của ông On the stability of the motion of Saturn's rings; ông là người duy nhất đã viết về vấn đề này. Công trình rất chi tiết đầy thuyết phục của ông được George Biddell Airy bình luận khi ông đọc nó là "Đây là một trong những ứng dụng nổi bật nhất của toán học đối với vật lý mà tôi từng xem." Vấn đề này được chứng thực cho tới tận khi tàu Voyager bay qua Sao Thổ vào thập niên 1980 và xác nhận tiên đoán của Maxwell.
Nội dung từ bài Wikipedia “James Clerk Maxwell”, theo giấy phép CC BY-SA 4.0.