ג'יימס מקסוול: אבי מהפכת הטכנולוגיה
הוא צילם את תמונת הצבע הראשונה וגילה את אופיין האמיתי של הטבעות סביב שבתאי, אבל היו אלה ארבע המשוואות שכתב לפני 135 שנה, שעיצבו את העולם כפי שאנו מכירים אותו
מייקל פרדיי, אחד הפיסיקאים החשובים של תחילת המאה ה-19 ומאבות תורת החשמל, התלונן פעם בפני עמיתו המהולל לא פחות, אנדריי אמפר, על הנטייה לתאר כל תופעה פיסיקלית בכלים מתמטיים. "בכל פעם שמתגלה תופעה מעניינת, מתרגמים אותה למשוואות מתמטיות שאני לא מצליח להבין", רטן במכתב ששלח לאמפר. מעניין שבסופו של דבר, היה זה פיסיקאי בעל נטייה מתמטית אשר תרגם את הרעיונות מעוררי המחלוקת של פרדיי למשוואות ששינו את פני הפיסיקה והולידו את תורת האלקטרומגנטיות המודרנית ואת תעשיית האלקטרוניקה.
שמו היה ג'יימס קלארק מקסוול (James Clerk Maxwell). בן למשפחת אצילים כפרית מאדינבורו, סקוטלנד, אשר נולד חודשיים לפני שמייקל פרדיי פרסם באוגוסט 1831 את תגליתו המפתיעה לפיה תנועה של מגנט מחוללת זרם חשמלי בתיל מוליך. תגלית זו הביאה לגילוי תופעת ההשראה האלקטרומגנטית ולפיתוח המנוע החשמלי והגנרטור הראשון, שאותם בנה פרדיי במעבדתו במכון המלכותי בלונדון.
אלא שניסיונו של פרדיי להסביר את הממצאים עורר מחלוקת. במאה ה-19 התבססה תמונת העולם המדעית על הפיסיקה של ניוטון, ולפיה כל הגופים בטבע מפעילים כוחות אחד על השני באמצעות מגע. במחקרים הראשונים של חוקרי החשמל, כמו פרדיי, אמפר, קירכהוף ואחרים, זוהו אמנם תופעות חשמליות מעניינות, אולם לא זוהו הכוחות ו"הגופים" המחוללים אותם. זו הייתה אחת הסיבות מדוע הושקעו כל כך הרבה מאמצים בחקר החשמל בתקופה הוויקטוריאנית.
כדי להסביר את תופעת ההשראה, העלה פרדיי את הרעיון של "קווי כוח". לפי רעיון זה, לכוחות החשמליים והמגנטיים יש מעין קווים שלאורכם ובכיוונם הם פועלים בסוגי תווך שונים. הרעיון נראה כסותר את חוקי ניוטון, ועורר ביקורת קשה בקהילה המדעית. נדרשו 40 שנה וגאון כמו מקסוול כדי שהרעיון יתקבל על-ידי הפיסיקאים.
עוד ב"הידען": ייצור קל יותר של תרופות
האיש שצילם את תמונת הצבע הראשונה
ג'יימס קלארק מקסוול נולד למשפחת אצולה כפרית, מבוססת אך צנועה. אביו היה בעל השכלה משפטית, אולם התעניין בעיקר בהמצאות מדעיות. אמו של מקסוול הייתה בת 40 כשילדה אותו, וכשהיה בן 8 היא מתה ממחלת סרטן הקיבה. מקסוול עצמו מת באותו גיל, 48, ומאותה סיבה בדיוק.
לאחר מות אמו, עבר חינוכו לידי האב, אשר החדיר בו אהבה עזה למדע. ילדותו עברה עליו בין אדינבורו לבין האחוזה המשפחתית Glenair בחבל Galloway בסקוטלנד, שם הרבה לטייל בחיק הטבע וגם התגלה כצייר חובב ובעל כישרון רישום רב.
את מאמרו המדעי הראשון חיבר מקסוול כשהיה בן 14: כיצד לצייר אליפסה בצורה מדויקת באמצעות עפרון, חוט ונעצים. בגיל 16 החל ללמוד באוניברסיטה של אדינבורו ובגיל 19 עבר לקיימברידג'. בניגוד לאקדמאים בני זמנו, הוא לימד במספר אוניברסיטאות בבריטניה, ורק ב-1871 חזר לקיימברידג', ואף התמנה למנהלה הראשון של מעבדת קאוונדיש המהוללת.
הוא היה התוצר המושלם של אידיאל החינוך הנאור. לצד הישגיו המדעיים המופלגים, נחשב לאדם נעים הליכות ובעל חוש הומור מפותח. הוא דיבר בטון רך ונעים, היה מאוהב ברעייתו לאורך כל חייו והרבה לכתוב שירים בהם עיבד את חוויותיו ואף לגלג על התמכרותו למתמטיקה.
הטבעות של שבתאי. מקסוול חישב את טבען המיוחד (צילום: נאס"א)
כסטודנט בקיימברידג', מקסוול כתב עבודה שבמהלכה ניתח את מבנה הטבעות של שבתאי (Saturn) והגיע למסקנה, שהן עשויות ממספר עצום של חלקיקים בגדלים שונים. הטבעות מסביב לכוכב נחשבו לתעלומה בעיני האסטרונומים, מאז צפו בהם גלילאו בשנת 1610 והאסטרונום ההולנדי הויגנס בשנת 1660. כאשר סייר החלל Voyager הגיע לקרבת שבתאי בשנת 1980 וצילם לראשונה את הטבעות מקרוב, התברר שהניתוח של מקסוול היה מדויק. עד היום נחשבת עבודה זו כאחד היישומים המרשימים הראשונים של מתמטיקה בפתרון בעיות פיסיקליות.
אך הנושא העיקרי שריתק את תשומת ליבו עוד מילדותו היה האור. בתור ילד נהג להשתעשע בעדשה מקטבת, ולאחר מכן בחן את קיטוב האור על פני ג'לטין נמתח. מקסוול התעניין במיוחד בתופעות הגליות של האור ובצבעים המרכיבים את האור, ומחקריו הביאו אותו לייצור תמונת הצבע הראשונה בעולם.
בשנת 1861 הוא צילם סרט בד סקוטי שלוש פעמים ברציפות, כל תמונה באמצעות מסנן צבע שונה. לאחר מכן הקרין את שלושת השקופיות על קיר באמצעות שלושה מקרנים שונים, שכל אחד הפיק צבע אחר באמצעות הפילטרים ששימשו לביצוע הצילום. כאשר שלוש התמונות מוקדו בנקודה אחת – הופיעה תמונה צבעונית של הבד המשובץ.
עוד ב"הידען": אוניית מלחמה פורטוגזית דגה בעזרת מפרסים
תמונת עולם חדשה
הישגו הגדול ביותר של מקסוול, הסברת האלקטרומגנטיות, נחשב עד היום לאחת מהתורות הפיסיקליות המרשימות ביותר - שוות ערך לעבודותיהם של ניוטון ואיינשטיין. התיאוריה הייתה מנוסחת בארבע משוואות, המהוות אינטרפרטציה מתמטית לרעיונות של פרדיי, אשר ממירות את רעיון קווי הכוח לנוסחאות מדויקות. מתוך משוואות אלה צמחה תמונת עולם חדשה של הקשר בין מגנטיות וחשמל. ומהרעיונות שהן הביאו על האופן בו מגנטיות וחשמל מתקדמים בחלל, צמחה תיאוריה חדשה של גלים אלקטרומגנטיים: מגלי רדיו דרך קרני אור ועד לקרינת רנטגן וחלקיקים קוסמיים.
יותר מ-20 שנה עסק מקסוול בחקר תופעת האלקטרומגנטיות ובניסיון למזג את הרעיונות של פרדיי, לצד ממצאים אחרים, לכדי תיאוריה מתמטית מאוחדת. בשנת 1873, בדיוק לפני 135 שנה, הוא פרסם את מסקנותיו בספר Treatise on Electricity and Magnetism. "ככל שהתקדמתי בלימוד המחקרים של פרדיי הגעתי למסקנה שגם המתודה שלו הייתה מתמטית, למרות שלא הוצגה בצורה המקובלת של משוואות מתמטיות. מצאתי גם שניתן לייצג מתודות אלה בצורה מתמטית הולמת", כתב מקסוול בספר.
השפעתו של הספר הייתה עצומה, למרות שבפועל הוא רק מסכם את הממצאים של מקסוול שפורסמו לאורך יותר מ-20 שנות מחקר במאמרים רבים. כבר בשנת 1864 העריך מקסוול כי "יש לנו סיבות רבות להניח שהאור עצמו, כולל קרינת חום וסוגים אחרים של קרינה, הם הפרעות אלקטרומגנטיות בצורת גלים המתקדמים בהתאם לחוקי האלקטרומגנטיות". אולם רק עם פרסום הספר, הכולל את כל המשוואות וההנחות של מקסוול, הכירו הפיסיקאים בחשיבות - ובמהפכנות - של תורתו.
אחת התובנות המרהיבות של מקסוול הייתה שהתופעות החשמליות והאלקטרומגנטיות פועלות כגלים. כמו פרדיי, גם הוא דחה את הרעיון שהיה מקובל בתקופתו, לפיו תופעות אלה היו פעולה ישירה של גופים הבאים במגע זה עם זה. אולם כדי להשלים עם תמונת העולם הניוטונית, הוא האמין בקיומו של התווך הבלתי נראה שקיבל את הכינוי אתר (Ether), אשר קיים בכל מקום, אפילו בריק, ואשר ההפרעות בתווך זה מאפשרות את מעבר הגלים האלקטרומגנטיים.
באמצעות המשוואות שפיתח, הוא הראה שההפרעות בתווך זה, האתר, הן בצורת גלים שהם גם חשמליים וגם מגנטיים, והמהירות בה הם נעים צריכה להיות תואמת ליחס בין היחידות האלקטרוסטטיות והאלקטרומגנטיות שבה נמדדת התופעה החשמלית. יחס זה נתן מהירות של 300 מיליון מטר לשנייה. מקסוול היה כה קרוב להערכה המקובלת של מהירות האור, שכתב לפרדיי ש"כעת ניתן לקבוע בוודאות אם טענתי שהאור והאלקטרומגנטיות הן שתי התגלויות של תופעה אחת, היא נכונה או לא".
גלי רדיו: הניבוי שהצליח
השפעת התיאוריה של מקסוול הייתה עצומה, למרות שנדרשו שנים רבות עד שכל רעיונותיו התקבלו ולאחר מכן גם יושמו. במאמציו לאחד את התיאוריה החשמלית, נתקל מקסוול בבעיות רבות, מכיוון שעובדות רבות על התכונות החשמליות של החומר ועל הקשר בין חשמל ומגנטיות לא היו ידועות בזמנו.
כדי להתגבר על כך הפעיל אסטרטגיות שונות, כולל הפעלת שיקולי סימטריה, מודלים מכניים ואינטואיציה. כך למשל, המשוואה הרביעית של מקסוול קובעת ששתי תופעות עשויות לחולל שדה מגנטי: תנועה של מטען חשמלי (זרם) ושינויים בשדה החשמלי. אלא שהתופעה השנייה לא הייתה מוכרת בימיו. משיקולים עיוניים, ועל מנת לשמור על שלמות המשוואות, הוא שיער את קיומה והוסיף למשוואה גורם נוסף שאותו כינה "זרם העתקה" – מעין זרם דמיוני המתחולל במרחב עקב השינוי בשדה החשמלי. בכך, אפשר לומר, "המציא" את הקרינה האלקטרומגנטית.
רק 25 שנה לאחר פרסום ספרו, הצליח הפיסיקאי הגרמני היינריך הרץ לייצר גלים אלקטרומגנטיים קצרים, ולהוכיח שהם מתנהגים כגלי אור: ניתנים למיקוד, להחזרה ולקיטוב. אולם הדבר לא היה קל. הקהילה המדעית קיבלה את רעיון הגלים האלקטרומגנטיים בספקנות, מכיוון שלא הייתה עדיין אף תוצאה ניסויית שתאשר את קיומם.
בשנת 1879, שנת מותו של מקסוול, הכריזה האקדמיה למדעים בברלין על פרס למי שיגלה גלים אלקטרומגנטיים וימדוד את מהירות התפשטותם, מתוך כוונה להוכיח שאין שדה עצמאי בו מתפשטים גלים במהירות סופית. לתחרות ניגש היינריך הרץ, פרופ' באוניברסיטת קרלסרוהה ובן לאב יהודי, עורך דין שהמיר את דתו לנצרות. המערכת הניסויית של הרץ כללה משדר ומקלט. המשדר הורכב ממקור מתח, סליל ושתי כדוריות מתכת קרובות זו לזו. המקלט היה דומה למשדר, אולם ללא מקור מתח.
הרץ גילה שבכל פעם שהמתח במשדר עלה ונוצר ניצוץ בין שתי הגולות, הופיע ניצוץ מקביל, חלש יותר, בין שתי הגולות שבמקלט. מסקנתו הייתה שתנודות המטענים החשמליים בין הכדוריות במעגל הראשון יצרו גלים אלקטרומגנטיים שהתפשטו במרחב והגיעו למעגל השני. בהמשך, ביצע הרץ סדרת ניסויים בהם הוכיח שיש לגלים אלה את כל התכונות של גלים. הוא אף מדד את מהירותם והראה שהיא שווה למהירות האור.
ניסוייו של היינריך הרץ בשנים 1886-88 הולידו את עידן התקשורת האלחוטית. כבר ב-1896 בנו ג'וליאלמו מרקוני האיטלקי ואלכסנדר פופוב הרוסי מכשירי רדיו שיכלו להעביר מסרים למרחקים קצרים. ב-1901 ביצע מרקוני את שידור הרדיו הטרנס-אטלנטי הראשון.
עוד ב"הידען": ההשבתה ב"בן גוריון" תימשך עד להודעה החדשה
המשוואות של המאה ה-20
למשוואות מקסוול נודעה השפעה מכרעת על התפתחות הפיסיקה, החשמל ותעשיית האלקטרוניקה. עד כדי כך שהן זכו לכינוי "המשוואות של המאה ה-20". כמאתיים שנה לאחר פרסום עקרונות המכניקה של ניוטון, הופיעה פעם נוספת תיאוריה פיסיקלית מגובשת, הנחשבת לגולת הכותרת של הפיסיקה הקלאסית.
כמעט כל ההתפתחויות הטכנולוגיות ב-100 השנים האחרונות חבות את קיומן למשוואות מקסוול: התקשורת האלחוטית, המכ"ם, התקשורת האופטית, הלייזר, המנוע החשמלי ועוד. אלא שלצד ההצלחות, משוואות מקסוול יצרו אתגרים שהמדע נאלץ התמודד עימם בחוסר הצלחה במשך יותר מ-30 שנה, עד שאלברט איינשטיין פרסם את תורת היחסות הכללית.
מתורת היחסות המצומצמת (או "הפרטית"), שפרסם איינשטיין ביוני 1905, נובע שינוי עקרוני בתיאוריה האלקטרומגנטית: במשוואות מקסוול מופיעים השדה החשמלי והשדה המגנטי כשתי ישויות נפרדות. מתורת היחסות המצומצמת עולה ששני השדות אינם אלא שני צדדים של אותה תופעה. חוסר הסימטריה שהוזכר קודם, נובע מכך שבמערכת ייחוס אחת שדה חשמלי יכול להתגלגל לשדה מגנטי, ולהיפך. התוצאה הנוספת של תורת היחסות הייתה המסקנה שמשוואות מקסוול אינן מושפעות מקיומו או אי-קיומו של האתר, ולכן אין צורך להניח את קיומו. אינשטיין סילק מתולדות הפיסיקה את האתר שמקסוול כה חיבב.
הכתבה המלאה פורסמה במגזין Wavetech
לפנייה לכתב/ת 
ג'יימס קלארק מקסוול
צילום: gettyimages imagebank
לאתר "הידען"
