تويت
جيمس كلارك ماكسويل - الميكانيكا الإحصائية .. الديناميكا الحرارية - حرارة المادة - من ١٨٤٨ إلى ١٩١٤
جيمس كلارك ماكسويل
كانت أسرة «كلارك» من طبقة ملاك الأراضي الاسكتلندية، وعندما تزوج اثنان من هذه الأسرة في القرن الثامن عشر من سيدتين من أسرة ماكسويل، وهما من البنات غير الشرعيات للورد ماكسويل الثامن، فإن الشابين اتخذا لأنفسهما لقب ماكسويل ليكتسبا لقبا شرعيا يمكنهما من بعض العقارات. ولد جيمس كلارك ماكسويل في العقد الرابع من القرن التاسع عشر، وعاش حياة رغدة يدعمه في ذلك عنان الفضول العلمي لماكسويل. وبينما كان يحاول تفسير الحلقات حول كوكب زحل، فإنه كان يفكر حول فيزياء التصادمات بين الأعداد الكبيرة من الأجسام. وعندما قرأ مقالة كلاوزيوس التي تربط بين الضغط وصدمات جزيئات الغاز على جدران الإناء، فإنه بدأ يناور بهذه النظرية واكتشف أنه يمكن التنبؤ بظاهرة بعيدة عن الحدس : لابد أن تكون لزوجة الغاز غير متعلقة بكثافته، فاللزوجة مقياس المعدل تباطؤ سريان الغاز في أثناء مروره في أنبوب. وتعاني الجزيئات الملاصقة للجدران من الاحتكاك الذي يتسبب في الإبطاء من حركتها نتيجة تصادمها مع الجدران وتؤثر في الجزيئات الداخلية فتبطئ من حركتها هي الأخرى نتيجة لاصطدامها بهذه الجزيئات . وفي الكثافات المنخفضة يوجد عدد أقل من جزيئات الغاز في حجم معين منه، لذا فإن هناك عددا أقل من الصدمات الاحتكاكية، غير أن هناك - كذلك - عددا أقل من الصدمات بين هذه الجزيئات والجزيئات الداخلية، لذلك فإن محصلة الاحتكاك هي نفسها كما في الكثافات العالية. وعندما قام هو وزوجته كاترين ماري ديوار بالتحقق من ذلك تجريبيا، فإنهما تأكدا في الوقت نفسه من نظرية الحركة للغازات. وراجع ماكسويل أبحاث كلاوزيوس مرة أخرى.
لاحظ ماكسويل أن كلاوزيوس قد بسط الأمور، وافترض أن جميع جزيئات الغاز تنتقل بالسرعة نفسها . ولكن ماكسويل نقح هذه النظرية وأزاح جانبا هذا التبسيط مستخدما التوزيع الإحصائي للسرعات التي يمكن للغاز الحقيقي أن يكتسبها . افترض ماكسويل أيضا أن مؤشر كلاوزيوس عن الاتجاه التلقائي للتغيير (الأنتروبيا) يمكن دحضه في بعض الأنظمة المعزولة كلية عن العالم الخارجي. وعلى وجه التحديد فقد قال ماكسويل إن الحرارة يمكن أن تسري من الغازات الباردة إلى الغازات الساخنة إذا أجلسنا عفريتا على فتحة في أنبوب التوصيل بين هذه الغازات بحيث يسمح بعبور الجزيئات الساخنة (السريعة) إلى الجزء الساخن، والجزيئات الباردة إلى الجزء البارد. (وقد جاء الرد على عفريت ماكسويل» في حقيقة أن هذا العفريت لا يمكن أن يظل معزولاً إلى الأبد - فحتى العفاريت لا بد لها أن تأكل - لذلك فإن نظاما كهذا يحتاج إلى إدخال الطاقة).
استطاع ماكسويل أن يكشف عن فائدة العلاقات وتحاليل جيبس. بل إنه صنع نموذج ثلاثي الأبعاد لسطح ديناميكي حراري أسماه سطح «ويلارد جيبس» كهدية لجيبس، لكنه توفي بعد أن انتهى منه بأسبوعين متأثرًا ببطنه وهو بعد في سن 48. كان جيبس في ذلك الوقت قد اكتسب بعض الاعتراف من أوروبا من خلال ماكسويل.
لكن جيبس ظل غير مشهور في بلده. وعندما أسس جامعة جديدة في الولايات المتحدة، سافر رئيسها إلى أوروبا لاكتشاف خبير في الفيزياء الجزيئية لكليته، وعندها أخبروه في كامبريدج، بإنجلترا، أن أفضل خبير لهذا العمل يوجد هناك في ولاياته المتحدة، إلا أنه رد واضح: «أرجو إعطائي اسمًا آخر. فلا يمكن أن يكون ويلارد جيبس ذا جاذبية شخصية وإلا لكنت قد سمعت عنه .
وبالقطع، فيما يتعلق بالجاذبية الشخصية، فلم يكن جيبس يملك منها شيئًا. كان يملك صوتًا مطليًا بطبقة كثيفة من الأسفلت»، وقد وصف أحد الكيميائيين الإنجليز - كان حاضرًا في إحدى محاضراته - وصف طالبين كانا يجلسان يخربشان في كراستيهما، بينما وقف جيبس بجوار السبورة التي تغطيها تمامًا بكتابات ورموز منمنمة وهو يطن فوقها. وكان عدد المرات التي استجمعت فيها قواه ليتساءل عن شيء ما في الملتقيات (السمينارات) نادرة يتذكرها الجميع. وأثناء إحدى المجادلات في الكلية حول أفضل تدريس اللغة أو تدريس الرياضيات، نهض جيبس لغة الرياضيات ثم جلس (12). انتهى الأمر به في الجامعة حيث أمضى 10 سنوات دون مرتبات معتمدة فقط على ما يدفعه طلابه من المصروفات. وفي عام 1880، عندما أعلن جيبس أنه سينتقل إلى جامعة جونز هوبكينس قامت جامعة إسرائيل أخيرًا بتخصيص مرتبات له بمقدار 2000 دولار سنويًا .
ومن المشكوك فيه أن ينتقل جيبس إلى جامعة جونز هوبكينس، بيت الذي كان في العاشرة من عمره لا يبعد سوى نصف مربع عن جامعة ييل ومربع عن مكتبه ومربع عن المقابر التي دُفنت فيها. وقد اكتسبت أعمال جيبس شهرة في وسط القلة المؤثرة من الكيميائيين بفضل ماكسويل. وأحد هؤلاء كان الكيميائي الفرنسي الذي ترجم أعمال جيبس إلى الفرنسية، وبذل الكثير من الجهد لجذب انتباه العلماء الفرنسيين إلى هذه الأبحاث. كان اسمه لوشتيليه، وهو الاسم الذي أصبح مرادفا للاتزان الكيميائي .
جيمس كلارك ماكسويل
كانت أسرة «كلارك» من طبقة ملاك الأراضي الاسكتلندية، وعندما تزوج اثنان من هذه الأسرة في القرن الثامن عشر من سيدتين من أسرة ماكسويل، وهما من البنات غير الشرعيات للورد ماكسويل الثامن، فإن الشابين اتخذا لأنفسهما لقب ماكسويل ليكتسبا لقبا شرعيا يمكنهما من بعض العقارات. ولد جيمس كلارك ماكسويل في العقد الرابع من القرن التاسع عشر، وعاش حياة رغدة يدعمه في ذلك عنان الفضول العلمي لماكسويل. وبينما كان يحاول تفسير الحلقات حول كوكب زحل، فإنه كان يفكر حول فيزياء التصادمات بين الأعداد الكبيرة من الأجسام. وعندما قرأ مقالة كلاوزيوس التي تربط بين الضغط وصدمات جزيئات الغاز على جدران الإناء، فإنه بدأ يناور بهذه النظرية واكتشف أنه يمكن التنبؤ بظاهرة بعيدة عن الحدس : لابد أن تكون لزوجة الغاز غير متعلقة بكثافته، فاللزوجة مقياس المعدل تباطؤ سريان الغاز في أثناء مروره في أنبوب. وتعاني الجزيئات الملاصقة للجدران من الاحتكاك الذي يتسبب في الإبطاء من حركتها نتيجة تصادمها مع الجدران وتؤثر في الجزيئات الداخلية فتبطئ من حركتها هي الأخرى نتيجة لاصطدامها بهذه الجزيئات . وفي الكثافات المنخفضة يوجد عدد أقل من جزيئات الغاز في حجم معين منه، لذا فإن هناك عددا أقل من الصدمات الاحتكاكية، غير أن هناك - كذلك - عددا أقل من الصدمات بين هذه الجزيئات والجزيئات الداخلية، لذلك فإن محصلة الاحتكاك هي نفسها كما في الكثافات العالية. وعندما قام هو وزوجته كاترين ماري ديوار بالتحقق من ذلك تجريبيا، فإنهما تأكدا في الوقت نفسه من نظرية الحركة للغازات. وراجع ماكسويل أبحاث كلاوزيوس مرة أخرى.
لاحظ ماكسويل أن كلاوزيوس قد بسط الأمور، وافترض أن جميع جزيئات الغاز تنتقل بالسرعة نفسها . ولكن ماكسويل نقح هذه النظرية وأزاح جانبا هذا التبسيط مستخدما التوزيع الإحصائي للسرعات التي يمكن للغاز الحقيقي أن يكتسبها . افترض ماكسويل أيضا أن مؤشر كلاوزيوس عن الاتجاه التلقائي للتغيير (الأنتروبيا) يمكن دحضه في بعض الأنظمة المعزولة كلية عن العالم الخارجي. وعلى وجه التحديد فقد قال ماكسويل إن الحرارة يمكن أن تسري من الغازات الباردة إلى الغازات الساخنة إذا أجلسنا عفريتا على فتحة في أنبوب التوصيل بين هذه الغازات بحيث يسمح بعبور الجزيئات الساخنة (السريعة) إلى الجزء الساخن، والجزيئات الباردة إلى الجزء البارد. (وقد جاء الرد على عفريت ماكسويل» في حقيقة أن هذا العفريت لا يمكن أن يظل معزولاً إلى الأبد - فحتى العفاريت لا بد لها أن تأكل - لذلك فإن نظاما كهذا يحتاج إلى إدخال الطاقة).
استطاع ماكسويل أن يكشف عن فائدة العلاقات وتحاليل جيبس. بل إنه صنع نموذج ثلاثي الأبعاد لسطح ديناميكي حراري أسماه سطح «ويلارد جيبس» كهدية لجيبس، لكنه توفي بعد أن انتهى منه بأسبوعين متأثرًا ببطنه وهو بعد في سن 48. كان جيبس في ذلك الوقت قد اكتسب بعض الاعتراف من أوروبا من خلال ماكسويل.
لكن جيبس ظل غير مشهور في بلده. وعندما أسس جامعة جديدة في الولايات المتحدة، سافر رئيسها إلى أوروبا لاكتشاف خبير في الفيزياء الجزيئية لكليته، وعندها أخبروه في كامبريدج، بإنجلترا، أن أفضل خبير لهذا العمل يوجد هناك في ولاياته المتحدة، إلا أنه رد واضح: «أرجو إعطائي اسمًا آخر. فلا يمكن أن يكون ويلارد جيبس ذا جاذبية شخصية وإلا لكنت قد سمعت عنه .
وبالقطع، فيما يتعلق بالجاذبية الشخصية، فلم يكن جيبس يملك منها شيئًا. كان يملك صوتًا مطليًا بطبقة كثيفة من الأسفلت»، وقد وصف أحد الكيميائيين الإنجليز - كان حاضرًا في إحدى محاضراته - وصف طالبين كانا يجلسان يخربشان في كراستيهما، بينما وقف جيبس بجوار السبورة التي تغطيها تمامًا بكتابات ورموز منمنمة وهو يطن فوقها. وكان عدد المرات التي استجمعت فيها قواه ليتساءل عن شيء ما في الملتقيات (السمينارات) نادرة يتذكرها الجميع. وأثناء إحدى المجادلات في الكلية حول أفضل تدريس اللغة أو تدريس الرياضيات، نهض جيبس لغة الرياضيات ثم جلس (12). انتهى الأمر به في الجامعة حيث أمضى 10 سنوات دون مرتبات معتمدة فقط على ما يدفعه طلابه من المصروفات. وفي عام 1880، عندما أعلن جيبس أنه سينتقل إلى جامعة جونز هوبكينس قامت جامعة إسرائيل أخيرًا بتخصيص مرتبات له بمقدار 2000 دولار سنويًا .
ومن المشكوك فيه أن ينتقل جيبس إلى جامعة جونز هوبكينس، بيت الذي كان في العاشرة من عمره لا يبعد سوى نصف مربع عن جامعة ييل ومربع عن مكتبه ومربع عن المقابر التي دُفنت فيها. وقد اكتسبت أعمال جيبس شهرة في وسط القلة المؤثرة من الكيميائيين بفضل ماكسويل. وأحد هؤلاء كان الكيميائي الفرنسي الذي ترجم أعمال جيبس إلى الفرنسية، وبذل الكثير من الجهد لجذب انتباه العلماء الفرنسيين إلى هذه الأبحاث. كان اسمه لوشتيليه، وهو الاسم الذي أصبح مرادفا للاتزان الكيميائي .
تعليق