James Clerk Maxwell - om de elektromagnetiska vågorna
Det tog över hundra år innan en rymdsond 1980 kunde bevisa att James Clerk Maxwell hade rätt om planeten Saturnus ringar. Maxwell räknas som en av de främsta inom fysikens område någonsin. Han kunde genom matematiska uträkningar förklara och förutspå en rad fysikaliska fenomen och landvinningar som först långt efter hans död skulle bli verklighet. Maxwell gjorde också en hel del mer jordnära upptäckter och framställde exempelvis världens första färgfotografi. Einstein höll honom högt i ära och förklarade att ingen forskare sedan Isaac Newton gjort lika mycket för fysikens utveckling som Maxwell.
Maxwell är den 1800-talsfysiker som haft störst inflytande på dagens fysik. Han visade att elektricitet och magnetism hör mycket nära samman.
År 1859 publicerades en uppsats om Saturnus ringar. Det var Galilei som först hade upptäckt ringarna år 1610. Men i sitt primitiva teleskop såg han fel och trodde att ringarna var månar. Efterhand konstruerades allt bättre teleskop och 1655 meddelade astronomen Christiaan Huygens att Saturnus var omgiven av en ring. 1675 visade den italienska astronomen Giovanni Cassini att det rörde sig om flera ringar.
Men det fanns en fråga kvar; vad bestod ringarna av - var de solida, eller bestod de av gas eller småsten? Den man som skrev uppsatsen år 1859 bevisade teoretiskt att ringarna måste bestå av små partiklar - något annat var matematiskt omöjligt. 1980 passerade rymdsonden Voyager 1 tillräckligt nära för att skicka hem detaljerade bilder av ringarna. De bevisade att James Clerk Maxwell (1831-1879), för det var han som skrivit uppsatsen, hade haft rätt.
ANNONS
Data och fakta
1831: Skotten James Clerk Maxwell föds.
1856: Utses till professor i fysik i Aberdeen.
1859: Bevisar teoretiskt att Saturnus ringar måste bestå av små partiklar.
1860: Maxwell blir professor i London.
1861: Bevisar att det är möjligt att ta färgfoton och kan visa en färgbild på ett skotskrutigt vand.
1863: Maxwell visar att elektricitet och magnetism är två sidor av samma fenomen - elektromagnetism. Han visar också att synligt ljus också är en elektromagnetisk vågrörelse.
1871: Professor i Cambridge. Under hans ledning byggs ett nytt laboratorium.
1879: Maxwell dör i cancer.
Det frågvisa barnet
James Clerk Maxwell var enda barnet till en advokatfamilj i den skotska staden Edinburgh. Som barn var han oerhört nyfiken, frågade om allt han såg och visade sig ha ett fantastiskt minne. 1839 dog hans mor i cancer, och en privatlärare anställdes. Han tyckte att eleven var besvärlig och menade att det gick långsamt att lära unge James något.
En kvinnlig släkting såg att privatundervisningen inte fungerade och gjorde slut på den. Maxwell sändes till en skola i Edinburgh. Där gick det bättre.
14 år gammal skrev Maxwell sitt första vetenskapliga arbete. Det rörde geometri och handlade om ellipser - äggformade kurvor. Till hans förtjusning blev det publicerat och Maxwell behöll sin smak för geometri hela livet.
Den skämtsamme professorn
1850 började Maxwell vid universitetet i Cambridge. Matematikläraren häpnade över hans förmåga och sa att han saknade förmågan att tänka fel.
1856 blev Maxwell professor i fysik i Aberdeen, men trots att staden låg i Skottland verkar han inte ha trivts.
- Här förstår man sig inte på något slags skämt, skrev han till en av sina vänner några månader efter sitt tillträde.
Maxwell skämtade gärna. Vid ett besök i Cambridge 1857 visade han en kväll en leksakssnurra för några vänner. Då de gick snurrade den. När Maxwell nästa morgon fick se en av vännerna komma över gården på väg mot honom, satte han fort i gång snurran igen och kastade sig ner i sängen och låtsades sova. I Cambridge hade folk tydligen humor.
Den första färgbilden
1860 fick Maxwell en professorstjänst i London och här arbetade han i fem år. 1861 presenterade han idén att det borde vara möjligt att ta färgfoton. Genom att fotografera genom tre olika filter, vars färger motsvarade de tre grundfärgerna blå, röd och grön, gick det att få färgbilder. Sedan kunde Maxwell projicera en färgbild på en duk. För att visa bilden krävdes tre projektorer som också hade var sitt färgfilter. Fotot som visar ett skotskrutigt band sägs vara världens första färgfotografi.
ANNONS
Det var också en av Maxwells geometriska teorier som ledde till konstruktionen av fish-eye-linsen för kameror. Linsen, eller objektivet, avbildar allt framför kameran. Linsen har en väldigt stor synvinkel - men samtidigt förvrider den. Den som sätter näsan mot ett sådant objektiv får en enorm näsa och små ögon.
Maxwell var en stor beundrare av Michael Faradays arbeten och teorier. Faraday visade att elektricitet och magnetism hörde nära samman och att ljus och gravitation nog egentligen också hörde till samma grupp.
Elektromagnetism och ljus
Isaac Newton hade hävdat att ljuset bestod av en ström av partiklar. Men trots hans prestige fanns det många bevis som talade mot att så var fallet, och de flesta fysiker hade enats om att ljuset bestod av något slags vågor.
1865 lade Maxwell fram ett berömt arbete. Där bevisade han att elektricitet och magnetism rör sig i vågor. Och vad mera är - de skapar varandra. Finns det ett föränderligt elektriskt fält, så uppkommer ett magnetfält och tvärtom.
Så här samverkar det elektriska och magnetiska fältet. Vågorna rör sig i rät vinkel mot varandra och skapar varandra. Maxwell insåg att det inte rörde sig om två krafter utan om en enda, elektromagnetism.
Enligt Maxwell fanns det egentligen bara ett slags fält - ett elektromagnetiskt - och vad han talade om var inte elektricitet och magnetism utan elektromagnetism.
Om du kastar en sten i en vattensamling, bildas vågor i vattnet runt stenen. Fysiker använder begreppet våglängd. En våglängd är den längd som rymmer exakt en våg, exempelvis avståndet mellan två vågtoppar. Vågorna i vattnet kan du se, men elektromagnetiska vågor är osynliga.
Maxwell presenterade fyra matematiska formler eller ekvationer som slog fast sambandet mellan elektricitet och magnetism. Maxwell visade att elektromagnetiska vågor rör sig med samma hastighet som ljuset, och det fick honom att anta att ljus också var en elektromagnetisk vågrörelse.
Newton hade ju visat att det gick att dela upp en ljusstråle i regnbågens olika färger genom att låta strålen passera ett glasprisma.
ANNONS
ANNONS
Maxwell insåg att detta beror på att de olika färgerna består av elektromagnetisk strålning med något olika våglängd.
- Sedan, fortsatte Maxwell, finns det annan strålning som är osynlig för våra ögon.
En kork på vattnet guppar upp och ner i vågorna, men de för inte korken framåt. Vattnet rör sig inte framåt men bär vågorna framåt genom att vattenmolekylerna rör sig upp och ner. På samma sätt förs elektromagnetiska vågor genom luften av elektroner.
Även här hade Maxwell rätt. Ultraviolett strålning, som gör oss solbrända, röntgenstrålning och gammastrålning är alla elektromagnetiska vågrörelser. Likaså infraröd strålning eller värmestrålning - den kan vi känna på huden. Även radiovågorna är elektromagnetiska vågrörelser.
Vad är en vågrörelse?
Vad är då en vågrörelse? När du kastade stenen i vattnet, såg du vågorna bildas och röra sig bort från stenen. Men själva vattnet rör sig inte bort från stenen utan bara upp och ner. Om du tittar på en kork som ligger i vatten, så guppar den upp och ner på vågorna men rör sig inte framåt, om inte vattnet gör det. Skulle korken röra sig, beror det på vind eller strömmar.
På samma sätt som vattenmolekylerna svänger upp och ner när du kastat en sten i vatten, är det ”något" som svänger när en elektromagnetisk våg förflyttar sig.
Vad det var som kunde svänga visste inte Maxwell. Men 1897 upptäckte J J Thomson elektronen, och då föll den pusselbiten på plats.
Maxwell framställde aldrig själv några elektromagnetiska vågor - han bara beskrev dem. Han förutsade också att det skulle bli möjligt att framställa sådana vågor i ett laboratorium och även att sända ut dem i rymden.
- De väldiga vidderna mellan planeterna och stjärnorna kommer inte längre att betraktas som öde platser i universum, som Skaparen inte ansett sig behöva fylla med symboler för sitt rikes mångfald skriver Maxwell.
Maxwell fick aldrig själv uppleva detta, men några år efter hans död lyckades den tyske fysikern Heinrich Hertz framställa elektromagnetiska vågor 1887. Hertz visade då att Maxwells teori var korrekt och att ljus och värme precis som magnetism och elektricitet är former av elektromagnetisk strålning.
Mellan Newton och Einstein
Hela sitt liv var Maxwell road av mekaniska föremål, som han gärna byggde själv. 1871 blev han fysikprofessor i Cambridge, och besökare har berättat hur mekaniska fjärilar flög runt i vardagsrummet. När ett nytt laboratorium skulle byggas upp i Cambridge, fick Maxwell leda arbetet. Men 1879 insjuknade han och dog den 5 november 48 år gammal i cancer.
ANNONS
Maxwells uppskattades först efter några år, och allteftersom tiden gick och allt fler av hans förutsägelser visade sig stämma, framstod hans genialitet allt klarare.
Maxwells teorier kom att bilda några av grundstenarna till såväl kvantfysiken som relativitetsteorin.
På hundraårsdagen av Maxwells födelse förklarade Albert Einstein att den förändring fysiken genomgått på grund av Maxwells arbete "var den djupaste och fruktbaraste som fysiken upplevt sedan Newtons tid".
Maxwell avgjorde striden om vad Saturnus ringar bestod av. Vad kom han fram till? Hur gick han till väga?
Hur bar sig Maxwell åt för att ta de första färgbilderna?
Vilket år lade Maxwell fram sitt mest berömda arbete?
Varför insåg Maxwell att ljuset är en elektromagnetisk vågrörelse?
Vad är det som svänger när en elektromagnetisk våg förflyttar sig?
Hur hänger elektricitet och magnetism samman?
Litteratur: Daniel J Boorstein, The Discoverers, Random House, 1983 Rom Harré, Great Scientific Experiments, Oxford University Press, 1983 Roy Porter (red.), Man Masters Nature, BBC Books, 1987 David Eliot Brody och Arnold R Brody, Upptäckterna som förändrade världen och människorna bakom dem, Wahlström & Widstrand, 1999 Jan Hult och Bengt Nyström, Technology & industry, Science History Publ., 1992
FÖRFATTARE
Text: Kaj Hildingson, journalist och läromedelsförfattare
