26 January 2007

Οι κορυφαίοι του Ηλεκτρομαγνητισμού

Η επιστήμη του Ηλεκτρομαγνητισμού (Η/Μ) ξεκίνησε το έτος 1600, όταν ο William Gilbert (1544-1603) παρουσίασε το βιβλίο του de Magnete, με το οποίο εξηγούσε τη φύση του γήινου μαγνητισμού και των μαγνητικών φαινομένων γενικότερα, διαχωρίζοντάς τα από τα ηλεκτρικά. Σήμερα γνωρίζουμε ότι αυτός ο διαχωρισμός δεν ήταν σωστός! Έκτοτε, η μελέτη του Η/Μ προχώρησε και τον 19o αιώνα πήρε αυτός ο γνωστικός τομέας τις διαστάσεις αυτοτελούς τεχνολογίας και επιστήμης.

Σ' αυτή την πορεία μελέτης τεσσάρων αιώνων, μέχρι σήμερα, αναδείχθηκαν τέσσερις κορυφαίοι επιστήμονες, στων οποίων τη συμβολή στηρίζεται η γνώση μας για τα Η/Μ φαινόμενα. Πρόκειται για τους Ampere, Faraday, Maxwell και Hertz.

Σημειώνουμε ακόμα ότι ο Η/Μ είναι ο μόνος τομέας των φυσικών επιστημών, ο οποίος περιγράφεται πλήρως από 4 θεμελιώδεις εξισώσεις.



Andre Marie Ampere (1775-1836)


Ο Αμπέρ (διαβάζεται αμ-πέρ) εργάστηκε σε πλήθος επιστημονικών θεμάτων της Φυσικής, των Μαθηματικών, της Φιλοσοφίας, της Βιολογίας, της Γλωσσολογίας, της Ανατομίας κ.ά., αλλά όχι πάντα με ευδιάκριτα και αξιόλογα αποτελέσματα, κυρίως λόγω του άστατου χαρακτήρα του. Γεννήθηκε στη Lyon, ο πατέρας του δολοφονήθηκε στα χρόνια της μεγάλης επαναστάσεως.

Ο Αμπέρ έδειξε εντυπωσιακή ευφυία ήδη σε μικρή ηλικία. Λέγεται ότι έμαθε λατινικά, τα οποία αποτελούσαν την «επίσημη» γλώσσα της επιστήμης εκείνη την εποχή, μέσα σε δύο εβδομάδες. Είναι επίσης γνωστό ότι ήδη σε ηλικία 14 ετών διάβαζε τα περίπλοκα έργα των Bernoulli και του Euler. Το 1804 ο Αμπέρ έγινε, σε ηλικία 29 ετών, καθηγητής στο Πολυτεχνείο, φαινόμενο περίπου πρωτοφανές για την εποχή του. Ασχολήθηκε με προβλήματα της Χημείας και συναγωνιζόταν με τον Avogadro σε θέματα της ατομικής θεωρίας εκείνης της εποχής. Στα επόμενα πέντε χρόνια ασχολείται, αν και μέλος της Ακαδημίας Επιστημών ως μαθηματικός, με ζητήματα Ψυχολογίας και Μεταφυσικής.

Το 1820, όταν πληροφορήθηκε την ανακάλυψη του Oersted (επίδραση ρεύματος στον προσανατολισμό μαγνητικής βελόνας), ο Αμπέρ ενδιαφέρεται για τον Ηλεκτρομαγνητισμό. Ήδη μετά από μελέτη μερικών εβδομάδων θεμελιώνει την άποψή του ότι οι μαγνητικές δράσεις προκαλούνται από το κινούμενο και όχι από το ακίνητο ηλεκτρικό φορτίο. Μέχρι το 1826 επεξεργάζεται την αντίληψή του για την αλληλένδετη εμφάνιση του ΜΠ με το ηλεκτρικό ρεύμα που οδηγεί στο «νόμο του διαρρεύματος». Αυτός ο νόμος αναγνωρίστηκε αργότερα από τον Maxwell ως υποπερίπτωση της λεγόμενης σήμερα «πρώτης εξισώσεως Maxwell». Τους επιστημονικούς κύκλους της εποχής είχε εντυπωσιάσει η αντιδικία του Αμπέρ με τους Biot και Savart για την ορθότητα του νόμου τους σε σύγκριση με τo δικό του. Τελικά αποδείχθηκε ότι και οι δύο νόμοι περιγράφουν με διαφορετικό τρόπο την ίδια πραγματικότητα.

Ο Αμπέρ αναγνωρίζει επίσης το σωληνοειδές πηνίο ως μαγνητικά ισοδύναμο με τη ράβδο μόνιμου μαγνήτη. Ανακαλύπτει ακόμα την ενισχυτική δράση στο ΜΠ που δημιουργεί η εισαγωγή σιδήρου στο σωληνοειδές πηνίο. Επίσης, εισάγει τις ασαφείς για εκείνη την εποχή έννοιες της ηλεκτρικής τάσης και του ηλεκτρικού ρεύματος για να διακρίνει «τις μορφές, με τις οποίες παρουσιάζεται η ηλεκτρομαγνητική δράση», όπως εξηγούσε σε μία ανακοίνωσή του στην Ακαδημία. Το 1926 γίνεται ο ιδιοφυής ερευνητής καθηγητής σε έδρα Φυσικής, οπότε παύει να ασχολείται με αυτή την επιστήμη και επιδίδεται σε άλλες μελέτες, αρχικά φιλοσοφικού περιεχομένου, αργότερα με θέματα από τη Βιολογία, την Ανατομία κ.ά.


Michael Faraday (1791-1867)


Ο Φαρανταίυ γεννήθηκε στο Λονδίνο σε φτωχή οικογένεια ενός πεταλωτή αλόγων. Επαγγελματική του απασχόληση ήταν η πώληση εφημερίδων, αργότερα εκπαιδεύτηκε στη βιβλιοδετική. Επιστημονικά ήταν αυτοδίδακτος. Παρακολούθησε διαλέξεις του H. Davy και τις κατέγραψε με τέτοια πληρότητα και γνώση του αντικειμένου, ώστε προσελήφθη σε θέση παρασκευαστή Χημείου. Οι πρώτες εργασίες του ήταν «Η περιστροφή του ρεύματος γύρω από ένα μαγνήτη και η περιστροφή ενός μαγνήτη γύρω από ένα ρεύμα», με την οποία προαναγγέλονται ουσιαστικά οι στροβιλισμοί στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, καθώς επίσης «Η υγροποίηση αέριου χλωρίου».

Η σοβαρότητα αυτών και άλλων εργασιών έφεραν τον Φαρανταίυ στη Βρετανική Ακαδημία Επιστημών (Royal Society). Το 1832 άρχισε η δημοσίευση των «Experimental Researches». Οι ανακαλύψεις του Φαρανταίυ εκτείνονται σε πολλούς τομείς της Φυσικής της Ηλεκτροχημείας και της επιστήμης των υλικών. Οι σπουδαιότερες ανακαλύψεις του στο πλαίσιο του Η/M ήταν: Ο νόμος της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής (1831), η διηλεκτρική σταθερά (σήμερα: επιτρεπτότητα), η παρα- και δια-μαγνητική συμπεριφορά των υλικών, οι εικόνες των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδιακών γραμμών κ.ά.

Ειδικότερα, η εισαγωγή των πεδιακών γραμμών ή των γραμμών μαγνητικής δυνάμεως, όπως ονομάζονταν τότε, οδήγησε τον Φαρανταίυ στο συμπέρασμα, ότι πρέπει αυτές να διαχέονται σε όλο το χώρο με άπειρη ταχύτητα. Αυτό αποτελεί μία πρώτη, τελείως διαισθητική βέβαια, σύλληψη για την ύπαρξη των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Γεγονός είναι πάντως ότι ακόμα και διάσημοι επιστήμονες της εποχής αμφισβήτησαν αυτή την ιδέα, μέχρι που έγινε γενικά αποδεκτή από την H/M θεωρία που διατύπωσε ο Maxwell.

Σημαντικές είναι επίσης οι ανακαλύψεις του Faraday στον τομέα της μαγνητοοπτικής. Ίσως λόγω της χρόνιας δηλητηριάσεως από ατμούς υδραργύρου στο εργαστήριό του, πιθανόν όμως και λόγω της υπερβολικής προσπάθειας για συγκέντρωση και μελέτη, παρουσιάστηκαν στον λαμπρό αυτό ερευνητή διαλείψεις στη μνήμη, με αποτέλεσμα να προβληματίζεται και να ερευνά θέματα που είχε ήδη προ πολλού ανακαλύψει ο ίδιος. Ο τρόπος εργασίας του ήταν καθαρά διαισθητικός, αφού δεν διέθετε μαθηματική προπαίδεια για να διευκολυνθεί στις μελέτες του.

Μετά το θάνατό του σε ηλικία 76 ετών βρέθηκαν στα συρτάρια του κάπου 95 τιμητικά διπλώματα διαφόρων επιστημονικών και άλλων οργανώσεων, όλα ιδιόχειρα δεμένα με την ικανότητα του έμπειρου βιβλιοδέτη.


James Clerk-Maxwell (1831-1879)

Ο Μάξγουελ καταγόταν από εύπορη οικογένεια της Σκωτίας. Το πατρώνυμό του ήταν Clerk, έγινε όμως διάσημος με το επώνυμο Maxwell της μητέρας του. Λόγω της οικονομικής ανέσεως της οικογένειάς του, ο Μάξγουελ είχε πολυετή και πλήρη κλασική και φυσικομαθηματική μόρφωση.

Ήδη το 1855 δημοσίευσε την εργασία «On Faraday's Lines of Force», με την οποία μαθηματικοποίησε τις εικόνες των πεδιακών γραμμών του Faraday.

Ο ίδιος ο Faraday, διάσημος ερευνητής πια, τον ενεθάρρυνε σ' αυτές τις εργασίες του. Το 1872 δημοσιεύτηκε το βιβλίο που έκανε τον Μάξγουελ διάσημο, «A Treatise on Electricity and Magnetism», στο οποίο παρουσιάζονται οι ονομαζόμενες έκτοτε «Maxwell Equations» (Εξισώσεις Μάξγουελ). Σ' αυτή την εργασία, η οποία είναι καρπός περίπου πενταετούς εργασίας σε εθελοντική απομόνωση, μεταξύ άλλων:
  1. συνενώνονται όλες οι γνώσεις της εποχής περί Η/Μ (δηλαδή τα πορίσματα μίας περιόδου πειραματισμών και εμπειρικής γνώσης 150 ετών, σε μία ομάδα απλών εξισώσεων (Ampere, Gauss, Faraday),
  2. θεμελιώνεται θεωρητικά για πρώτη φορά η ύπαρξη του φυσικού φαινομένου που σήμερα ονομάζουμε «ηλεκτρομαγνητικά κύματα»,
  3. γίνεται υπολογισμός της ταχύτητας του φωτός και εξηγείται η διάδοσή του ως ηλεκτρομαγνητικό κύμα.
Πρέπει να σημειωθεί εδώ ότι την εποχή εκείνη δεν είχαν ακόμα αναπτυχθεί οι μαθηματικοί συμβολισμοί (διανυσματική ανάλυση κτλ.), γι' αυτό οι εξισώσεις Μάξγουελ δεν είχαν την απλή μορφή που γνωρίζουμε σήμερα. Οι φυσικοί νόμοι δίνονταν με τις συνιστώσες των διανυσμάτων, πράγμα που μόνο εξειδικευμένοι και έμπειροι μαθηματικοί ήταν σε θέση να διαβάσουν και να κατανοήσουν. Ένας εξ αυτών, ο Boltzmann, λέγεται ότι αναφώνησε, όταν μελέτησε τις πολυπλοκότατες μαθηματικές παραστάσεις στο βιβλίο του Μάξγουελ: «Αυτές τις εξισώσεις μόνο ένας θεός μπορεί να τις έγραψε». Αλλά και γενικότερα, η αναγνώριση του ως θεμελιωτή της θεωρίας του Η/Μ ήταν καθολική. Σε δημοσίευση της εποχής αναφέρεται, ότι «το έργο του Μάξγουελ προβλέπει τις αρχές για όλα τα ηλεκτρομαγνητικά μηχανήματα»!



Σε ανάλογο βαθμό σημαντικές με την ηλεκτρομαγνητική θεωρία είναι και οι εργασίες του Μάξγουελ για την κινητική θεωρία των αερίων, τη γενική Στατιστική κτλ. Αλλά και καθαρά μαθηματικές εργασίες έχει δημοσιεύσει ο Μάξγουελ, όπως για τη θεωρία κινήσεως της σβούρας, την επιφάνεια κυκλιδών κ.ά. Πέθανε σε ηλικία 48 ετών στο Καίμπριτζ, όπου δίδασκε ως καθηγητής.


Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894)

Ο Χέρτς γεννήθηκε στο Αμβούργο, σπούδασε αρχικά μηχανικός στο Μόναχο και αργότερα ασχολήθηκε με τη Φυσική. Έγινε βοηθός πανεπιστημίου (Assistent) δίπλα στον Helmholtz, ο οποίος και υπέδειξε στον να ασχοληθεί με την Η/Μ θεωρία του Maxwell. Το αρχικό πρόβλημα προς διευκρίνιση ήταν, αν «η ηλεκτρική δύναμη οδεύει με απεριόριστη ταχύτητα», όπως υπεστήριζε ο Βέμπερ (Weber), ή συμπεριφερόταν «ως κύμα», όπως έλεγε ο Maxwell. Αποτέλεσμα αυτής της έρευνας ήταν να επιβεβαιωθεί πειραματικά η H/M θεωρία και η ύπαρξη H/M κυμάτων.

Για την ολοκλήρωση των ερευνών του παρήγαγε ο Χέρτς με τα πρωτόγονα μέσα της εποχής H/M κύματα με συχνότητες μέχρι 1 GHz! Οι σχετικές δημοσιεύσεις έγιναν το 1888. Στο πλαίσιο των ίδιων ερευνών διαπιστώθηκε ότι τα H/M κύματα ανακλώνται σε μεταλλικές επιφάνειες, αλλά «διαπερνούν ξύλινες πόρτες», όπως γράφτηκε τότε εντυπωσιακά στις εφημερίδες.

Πολλά από τα ερευνητικά θέματα των πρωτοπόρων αποτελούν βέβαια για τον 21ο αιώνα γραφικότητες, πρέπει όμως να σκεφτούμε ότι θεμέλιο των δορυφορικών επικοινωνιών, της κινητής τηλεφωνίας, των δικτύων Η/Υ, της εγγραφής/ανάγνωσης με ακτίνες Laser και ό,τι άλλο σχετικό προκύψει μελλοντικά, είναι οι εργασίες ιδιοφυών ανθρώπων του 19ο αιώνα.

Ο Χέρτς είχε εντυπωσιακή ικανότητα να συνδυάζει τη θεωρία με το πείραμα. Δημοσίευσε δε σημαντικές εργασίες για πολλά θέματα Ηλεκτρομαγνητισμού, καθώς επίσης για θέματα Θερμότητας και Μηχανικής. Δίδαξε για μικρό χρονικό διάστημα στο Κίελο και μετά έγινε καθηγητής στην Καρλσρούη. To 1889 έγινε καθηγητής στη Βόννη, όπου και δημοσίευσε το βιβλίο «Αρχές Μηχανικής». Πέθανε την πρωτοχρονιά του 1894 σε ηλικία μόλις 37 ετών!
(Στέλιος Φραγκόπουλος, Stelios Frangopoulos)