“అజ్ఞానాన్ని అంగీకరించడం ఒకటి, దాని అవగాహన వేరొకటి. అజ్ఞానంపై సంపూర్ణ అవగాహన విజ్ఞాన సోపానానికి మొదటి మెట్టు.” – మాక్స్‌వెల్ (1874)

న్యూటన్, ఐన్‌స్టయిన్‌లెవరో బడి పిల్లలకి కూడా తెలుసు. మాక్స్‌వెల్ ఎవరో ఉన్నత విద్యావంతులయిన వారిలో కూడా చాలా మందికి తెలియదు. రేడియో, టీవీ, రాడార్, Wi-Fi, … ఇవేవీ లేకుండా ఆధునిక మానవుడు ఓ గంటసేపైనా బతకడం కష్టమే. ఇవన్నీ మాక్స్‌వెల్ సిద్ధాంతం మీద ఆధారపడినవే. తీగెలు లేని సమాచార ప్రపంచానికి మూలం అతని సిద్ధాంతమే. సమాచార ప్రసారానికే కాదు, భౌతిక ప్రపంచ అవగాహనలో విప్లవాత్మక మార్పులకి కారణం అతని ఆలోచనలే.

1931లో మాక్స్‌వెల్ శతజయంతోత్సవ సందర్భంగా ఐన్‌స్టయిన్ ఇలా అన్నాడు: “పరిశీలించే వ్యక్తికి వేరుగా బయట ప్రపంచం ఒకటుందన్న నమ్మకం, ప్రకృతి శాస్త్రానికి ఆధారం. ఆ ప్రపంచ భౌతిక వాస్తవాన్ని మనం ఇంద్రియాలతో పరోక్షంగా మాత్రమే గ్రహిస్తాము; ఇంకా లోతుగా తెలియాలంటే ఊహాజనిత వివేచన అవసరం. ఊహాజనితం కావున భౌతిక వాస్తవం గురించిన ఆలోచనలు ఎప్పటికీ అంతిమం కావు. వాటిని మార్చుకోడానికి మనమెప్పుడూ సిద్ధంగా ఉండాలి. భౌతికశాస్త్ర పురోగతిని పరిశీలిస్తే అది ఎంత తీవ్రమైన మార్పులకు లోనయిందో తెలుస్తుంది. న్యూటన్ తర్వాత భౌతిక ప్రపంచానికి సిద్ధాంతపరమైన మార్పు, అన్నిటికన్నా గొప్ప మార్పు, ఫారడే-మాక్స్‌వెల్ విద్యుదయస్కాంత పరిశోధనలే.”

భౌతికశాస్త్రంలో న్యూటన్ ఐన్‌స్టయిన్‌ల స్థాయికి చెందిన మాక్స్‌వెల్‌ని పరిచయం చేసే వ్యాసం ఇది.

జేమ్స్ క్లార్క్ మాక్స్‌వెల్

మాక్స్‌వెల్ బాల్యం

ఫారడే విద్యుదయస్కాంత ప్రేరణని (electromagnetic induction) మరో రెండు నెలలలో కనుగొంటాడనగా, జేమ్స్ క్లార్క్ మాక్స్‌వెల్ (James Clerk Maxwell, 1831 – 1879) 1831 జూన్ 13న, స్కాట్లండ్ దేశంలోని ఎడిన్బరో నగరంలో ఇండియా వీధిలో ఉన్న తమ మూడంతస్తుల ఇంట్లో పుట్టాడు. ఫారడేది ఓ పేద కమ్మరి కుటుంబమయితే, మాక్స్‌వెల్‌ది రాజుల-రాణులతో సంబంధాలున్న ధనికుల వంశం. ఎడిన్బరోలో చాలా మందికి ఈస్ట్ ఇండియా కంపెనీతో వ్యాపార సంబంధాలుండేవి. నగరంలో వీధుల పేర్లు అప్పటికే విస్తరించిన బ్రిటన్ సామ్రాజ్యానికి గుర్తులు.

ఇండియా వీధి పేరుకీ మాక్స్‌వెల్ కుటుంబానికీ ప్రత్యక్ష సంబంధం లేదు కాని, మాక్స్‌వెల్ తాత ఈస్ట్ ఇండియా నౌకాదళంలో కెప్టెన్‌గా పనిచేసేవాడు. ఒకసారి హుగ్లీ నదిలో నౌక మునిగిపోతే, తన తిత్తిసుతి (స్కాట్లండు వారి ఓ రకపు సన్నాయి, bagpipe) గాలి సంచులతో ఈదుకొంటూ ఒడ్దుకు చేరుకొని, పెద్దగా వాయించడంతో బెంగాలీ పులులు బెదరిపోయాయని వారి కుటుంబం కథగా సరదాగా చెప్పుకుంటారు.

మాక్స్‌వెల్ తండ్రి జాన్ న్యాయవాద వృత్తిలో ఉన్నా కాని అందులో అంతగా రాణించలేదు. మాక్స్‌వెల్ తల్లి ఫ్రాన్‌సెస్ ప్రోద్బలంతో జాన్ తనకి వారసత్వపరంగా వచ్చిన గ్యాలవే (Galloway) ప్రాంతంలోని భూమిని బాగుచేయించి నివాసయోగ్యం చేసి ఎస్టేటుని కట్టి దానికి గ్లెన్‌లేర్ (Glenlair) అని పేరు పెట్టాడు. పెళ్ళాడేనాటికి జాన్‌కి 39 ఏళ్ళు, ఫ్రాన్‌సెస్‌కి 34. వారి మొదటి సంతానం, ఆడపిల్ల, బతకలేదు. రెండో సంతానం మాక్స్‌వెల్. మాక్స్‌వెల్ బాల్యం గ్రామీణ వాతావరణంతో శోభాయమానంగా ఉన్న గ్లెన్‌లేర్ లో గడచింది.

గ్లెన్‌లేర్

మాక్స్‌వెల్ చిన్నప్పటినుండే మిక్కిలి కుతూహలం కలవాడని పేరు తెచ్చుకున్నాడు. ప్రతి దానినీ “అదెలా పనిచేస్తుంది (how it doos)?” అని అడిగేవాడు. సరయిన సమాధానం ఇవ్వకపోతే “కాని అదెలా వెళ్తుంది?” అని తిరిగి ప్రశ్నించేవాడు. అతని ప్రశ్నలకు సమాధానం చెప్పలేక పెద్దవాళ్ళు తికమకపడేవాళ్ళు. సంతోషంగా సాగుతున్న బాల్యంలో పెద్ద విపత్తు వచ్చి పడింది. ఫ్రాన్‌సెస్‌కి కేన్సర్ వచ్చి, ఓ సంవత్సరం పాటు మంచాన పడి బాధతో తన 46 వ ఏట మరణించింది. అప్పుడు మాక్స్‌వెల్ వయసు ఎనిమిదేళ్ళే. అతని పెంపకం తండ్రి తీసుకున్నాడు.

1841లో మాక్స్‌వెల్ ఎడిన్బరో అకాడెమీలో చేరాడు. పల్లెటూరిలో పెరగడాన అక్కడ ఇమడలేదు. తోటిపిల్లలు అతని భాషనీ దుస్తులనీ చూసి ఎగతాళి చేసేవారు. ఇద్దరు స్నేహితులతో తోడు కుదిరి, ఆ స్నేహం జీవితాంతం కొనసాగింది; వారిలో ఒకరు అతని జీవిత చరిత్రకారుడు కూడా.

పిన్న వయసులోనే గణిత ప్రతిభ

బల్లమీద కాగితం పరచి, దానిలో సూదిని గుచ్చి, సూదికి దారం కట్టి, దారం చివరన పెన్సిల్ ని కట్టి, పెన్సిల్‌ని సూది చుట్టూ, దారాన్ని గట్టిగా లాగుతూ (సూదికీ పెన్సిల్ కీ మధ్య దూరం మారకుండా), తిప్పితే వృత్తం ఏర్పడుతుందని మనకి తెలుసు.

కాగితంలో రెండు సూదులు గుచ్చి, వాటిని దారంతో కలిపి, మధ్యలో పెన్సిల్ ని దారం పక్కన పెట్టి, దారాన్ని గట్టిగా లాగుతూ, సూదుల చుట్టూ పెన్సిల్ ని తిప్పితే, అండాకార వృత్తం గీయవచ్చు. సూదులకీ పెన్సిల్ కీ మధ్య దూరాన్ని కూడితే అది స్థిరంగా ఉంటుంది.

మూడు సూదులని పెట్టి, పెన్సిల్ ని తిప్పితే, ఎలాటి ఆకారం వస్తుంది? నాలుగు, అయుదు, … అలా ఆలోచించాడు.

మూడు కేంద్రాల అండాకార రేఖ

దీని మీద మాక్స్‌వెల్ ఓ పత్రం రాశాడు. పిల్లవాడిలో ప్రతిభ ఉందని తండ్రి గ్రహించి, దానిని ప్రొఫెసర్ ఫోర్బ్స్‌కి చూపించాడు. ఆయన జాగ్రత్తగా చదివి, పట్టుమని పదిహేనేళ్ళు కూడా లేని అతని ప్రతిభ విశేషమన్నాడు. ఆయనే దానిని 1846లో ఎడిన్బరో రాయల్ సొసైటీ సభ్యుల ముందర చదివాడు. ఇలాంటి వక్రరేఖల గురించి ఇంతకు ముందే పరిశోధనలు సాగాయి కాబట్టి శాస్త్రీయంగా దీనికి ప్రసిద్ధి లేదు. కాని ప్రొఫెసర్‌తో మొదలైన స్నేహం జీవితాతం సాగింది. కొడుకు తనవలె న్యాయశాస్త్రం కాకుండా గణితమే చదవాలని తండ్రి కూడా ఒప్పుకున్నాడు.

తర్వాత కేంబ్రిడ్జ్ విశ్వవిద్యాలయం నుండి 1854లో గణితంలో మొదటి పట్టా, 1857లో అక్కడి నుండే MA పట్టా పొందాడు. 1856లో తన 25వ ఏట అబెర్డీన్‌లోని మార్షల్ కాలేజీలో, పిదప 1860 నుండి 1865 వరకు లండన్‌లోని కింగ్స్ కాలేజీలో ప్రొఫెసర్‌గా పనిచేశాడు.

కాంతి – రంగులు – కళ్ళు

న్యూటన్ తన క్లాసిక్ పుస్తకం, ఆప్టిక్స్‌లో (Optiks, 1704) “రంగుల అద్భుతం (The Phenomenon of Color)” గురించి ఇలా మొదలెడతాడు:

“1666వ సంవత్సరంలో (గోళాకారంలో లేని గాజు కటకాలని సానబడుతున్నప్పుడు) ఘనమైన రంగుల స్వభావాన్ని పరిశీలించేందుకు త్రిభుజాకారంలో ఉన్న పట్టకాన్ని (prism) సంపాదించాను. నా గదిని చీకటిమయం చేసి, సూర్యరశ్మి రావడానికి కిటీకీలో చిన్న గుండ్రటి రంధ్రం చేసి, పట్టకంపై ప్రసరింపచేశాను. పట్టకంలో ప్రవేశించిన కాంతి ఎదుటి గోడపై పడింది. గోడపై ఏర్పడిన ఉజ్వలమైన రంగులు ఆహ్లాదాన్నిచ్చాయి. కాని ఆలోచిస్తే, అవి నిడుపు వాటుగా వుండటం చూసి, ఆశ్చర్యపోయాను. గుండ్రటి రంధ్రం నుండి వచ్చిన కాంతి పట్టకంలో ప్రవేశించిన తర్వాత గుండ్రంగా ఉండాలి కాని నిడువుగా ఎలా వాలింది?”

అరిస్టాటిల్ కాలం నుండి తత్వవేత్తలు కాంతి కిరణాలు తెల్లని రంగులో ఉన్నాయని భావించారు. హరివిల్లులోని రంగులు, గాజు పలక చిత్రించే రంగులు, ఇవన్నీ కాంతిని నీరు, గాజు, ఇతర వస్తువులు మలినం చెయ్యడం వలన ఏర్పడతాయి కాని కాంతి మాత్రం స్వచ్ఛమైన తెల్లరంగుదని నమ్మారు.

న్యూటన్ మొదటి పట్టకం నుండి వచ్చే కాంతిని మరో పట్టకం మీద ప్రసరింపచేసి దాని నుండి తిరిగి తెల్ల కాంతిని రప్పించి, కాంతిలోనే రకరాకాల రంగులున్నాయనీ, పట్టకం ఒక్కో రంగుని ఒక్కో కోణంలో వంచుతుందనీ రుజువు చేశాడు.

న్యూటన్ జంట పట్టకాల ప్రయోగం

ఒక రంగు నుండి మరో రంగుకి క్రమ క్రమంగా మారడమే కాని ఇదిగో కచ్చితంగా ఇక్కడ ఒక రంగు పోయి వేరే రంగు వచ్చిందనడానికి వీలు లేదు. కాని న్యూటన్, శబ్దంలో సప్త స్వరాలు ఉన్నట్లే, కాంతిలో కూడా ఏడు రంగులున్నాయని వాటికి పేర్లు పెట్టాడు – ఎరుపు, నారింజ రంగు, పసుపు, ఆకుపచ్చ, నీలం, ఇండిగో, ఊదా. వాటిలోని మూడు రంగులతో తెల్ల కాంతిని సృష్టించవచ్చని కూడా చెప్పాడు.

పలురంగాలలో పరిశోధించి పేరుగాంచిన థామస్ యంగ్ (Thomas Young, 1773 – 1829), అన్న శాస్త్రజ్ఞుడు రెండు చీలికల ప్రయోగం ద్వారా కాంతి తరంగాల రూపంలో ఉందని నిరూపించాడు. యంగ్ 1801లో, కంట్లో నానా రకాల రంగులకి స్పందించడానికి అన్ని రకాల నరాలు లేవనీ, ఉన్నవి మూడేననీ, అవి కాంతిలో వేర్వేరు కంపన శ్రేణులలో ఉన్న తరంగాలకి స్పందించడాన వివిధ రకాల రంగులని చూడగలుతున్నామన్నాడు. దానిని నిరూపించడానికి ఓ చక్రంపై వివిధ పరిమాణాలలో కోణచ్ఛేద రూపంలో మూడు రంగులని వేసి, చక్రాన్ని తిప్పి, కంటికి ఆ మూడిటి మిశ్రమమైన వేరే రంగు కనిపిస్తుందని చూపెట్టాడు.

1852 లో హెర్మాన్ వాన్ హెల్మ్‌హోల్ట్స్ (Hermann von Helmholtz, 1821 – 1894) అన్న జర్మన్ శాస్త్రజ్ఞుడు రంగుల కలయిక గురించి ఓ ముఖ్యమైన విషయం కనుగొన్నాడు. చక్రంపై రంగులు వేసి తిప్పితే కనిపించే రంగు, ఒకదానిపై వేరొకటి వేయటాన (superposition) కలిగే రంగుల కూడిక వలన; రక రకాల రంగుల పూతలని కలిపితే కనిపించే రంగు కొన్ని రంగులు లీనమవడాన (absorption) కలిగే రంగుల తీసివేత మూలంగా.

మాక్స్‌వెల్ కూడా రంగుల చక్రంతో ప్రయోగాలు చేశాడు. కాని చక్రానికి రంగు వెయ్యకుండా, అనేక కోణాలలో కత్తిరించిన రకరకాల రంగుల కాగితాలని చక్రంపై అమర్చి, పరిశోధనలు చేశాడు. అంతే కాక చక్రంపై బయటి వర్తులానికి మూడు రంగుల కాగితాలు, లోన వర్తులానికి రెండు రంగులు వేసి, చక్రాన్ని తిప్పితే బయటి వలయపు రంగూ లోపలి వలయపు రంగూ ఒకటే కావడానికి ఏ కలయిక (కాంబినేషన్) వాడాలో చక్రం చుట్టూ గుర్తులు పెట్టి తెలుసుకున్నాడు.

మాక్స్‌వెల్ రంగుల చక్రం

రంగుల చక్రంతో యవ్వనంలో మాక్స్‌వెల్

చక్రంపై రంగుల కాగితాలు రంగుల తీసివేతనీ, చక్రం తిప్పడాన కూడికనీ మనకు కనిపించే రంగుని ప్రభావితం చేస్తాయి. 1858 లో చక్రం కన్నా మెరుగైన పరికరాన్ని – ‘L’ ఆకారంలో గల రంగుల పెట్టెని (color box) తయారు చేశాడు. దాని లోపలి పట్టకాలనీ, అద్దాలనీ బయటనుండి మరమేకులని తిప్పి సరిచెయ్యడానికి వీలుపరచాడు.

మాక్స్‌వెల్ రంగుల పెట్టె

తెల్ల కాంతి పెట్టెకి ఒక ఒకవైపు నుండి లోనికి ప్రవేశించి, కటకాన్ని దాటి, రెండు పట్టకాలతో వక్రీభవనం చెంది, పెట్టెకి అవతలి వైపు రంగుల పటం ఏర్పరస్తుంది. అక్కడ ఉన్న మూడు చీలికలు మూడు రంగులని ఎన్నుకుంటాయి. వాటిని అద్దం ద్వారా పట్టకాల మీద ప్రతిబింబంపచేసి మూడు రంగుల మిశ్రమం, దాని కిందనే తెల్ల కాంతీ బయటకి కనబడేటట్లు చేశాడు. ఆ మిశ్రమ రంగునీ, తెల్ల కాంతినీ కళ్ళతో చూసి అవి సరి సమానంగా ఉండటానికి చీలికల వెడల్పుని మరమేకులతో సరిదిద్దుకోవచ్చు.

అలా సరిదిద్దిన పిదప చీలికల వెడల్పుని కొలిచి సమీకరణాలతో ఇలా కట్టవచ్చు (W = White, R = Red, G = Green, B = Blue; x, x’, y, y’, z, z’ చీలికల వెడల్పు):

W = xR + yG + zB

ఇప్పుడు, నీలానికి (Blue) బదులు నారింజని (Orange) వాడి అదే ప్రయోగాన్ని చేసి వేరే సమీకరణాన్ని రావట్టవచ్చు:

W = x’R + y’G + z’O

ఆ రెండు సమీకరణాలని సాధించి నారింజ రంగుకి ఎరుపు, ఆకుపచ్చ, నీలం రంగులు ఏ నిష్పత్తిలో వాడాలో కనుక్కోవచ్చు. అలా మూడు రంగులతో (ఎరుపు, ఆకుపచ్చ, నీలం) రకరకాల రంగులు చూపెట్టవచ్చని ప్రయోగపరంగా తెలిపాడు.

ఈ ప్రయోగాన్ని అనేకమంది మీద చేసి, కొందరికి రంగులు కనబడక పోవడానికి (వర్ణాంధత్వం, color blindness) కారణం వారి కళ్ళలో మూడిటికి బదులు రెండే గ్రాహకాలు (receptors) ఉన్నాయని ప్రతిపాదించాడు.

మనకి అద్భుత రంగుల ప్రపంచాన్ని చూపించే ఆధునిక టీవీ డిస్‌ప్లేలు, కంప్యూటర్ మానిటర్లు, స్మార్ట్‌ఫోన్ స్క్రీన్‌లు – ఇవన్నీ, మూడు రంగుల సిద్ధాంతం పైన ఆధారపడే పనిచేస్తాయి.

మొదటి కలర్ ఫొటో – టార్టాన్ రిబ్బన్

1861 మే 17న రాయల్ ఇన్‌స్టిట్యూషన్‌లో రంగుల సిద్ధాంతంపై ఉపన్యాసం ఇస్తూ, మాక్స్‌వెల్ ప్రపంచంలోనే మొట్టమొదటి కలర్ ఫోటోను ప్రదర్శించాడు. ఒక రంగుల ‘టార్టాన్ రిబ్బన్’ ని ఎరుపు, ఆకుపచ్చ, నీలం రంగుల ఫిల్టర్ల ద్వారా మూడు వేర్వేరు బ్లాక్ అండ్ వైట్ ఫోటోలుగా తీసి, ఆ మూడు ఫోటోలను తిరిగి అదే రంగుల ఫిల్టర్ల ద్వారా ఒకదానిపై ఒకటి ప్రొజెక్ట్ (project) చేసినప్పుడు, తెర మీద రంగుల చిత్రం కనిపించింది.

శని గ్రహం వలయాలు (The Rings of Saturn)

1610లో గెలీలియో తన టెలెస్కోప్‌తో శని గ్రహం చుట్టూ వలయాలుండటం చూసి విస్మయం చెందాడు. అప్పటి నుండి శని గ్రహం వలయాలు స్థిరంగా ఎలా ఉండగలుగుతున్నాయి, వాటిలో ఏ పదార్థమున్నది, వాటి మర్మమేమిటి అన్న విషయాలు ఖగోళ శాస్త్రజ్ఞులకి అంతుబట్టలేదు.

1857లో కేంబ్రిడ్జ్ విశ్వవిద్యాలయం శని వలయాల చిక్కుముడి విప్పిన వారికి “ఆడమ్స్ బహుమతి (Adams Prize)” ఇస్తామని ప్రకటించింది. ఖగోళ శాస్త్రం మాక్స్‌వెల్ పరిశోధనా రంగం కాకపోయినా రెండేళ్ళ పాటు శ్రమించి, ఆ వలయాల విషయాలు పరిశోధించి, 1859లో ఆ బహుమతి సంపాదించాడు.

వలయంలో ఉన్నది ఘన పదార్థమైతే వలయం లోపల భాగం వెలుపలి భాగం కన్నా ఎక్కువ వేగంతో తిరగాలనీ, ఆ తేడా గొప్ప ఒత్తిడి కలిగించి వలయాన్ని చిన్నాభిన్నం చేస్తుందనీ, ద్రవ పదార్థమైతే (వాయువైనా) శని గ్రహం భ్రమణం మూలంగా కలిగే అలలు ద్రవాన్ని (వాయువుని) చిన్నాభిన్నం చేస్తాయనీ గణితపరంగా చూపెట్టాడు. వలయాలు అనేక కణాల సమూహమయితే తప్ప వలయాలు స్థిరంగా ఉండలేవు అని తీర్మానించాడు. ప్రతి కణమూ తనదైన కక్ష్యలో స్థిరంగా తిరుగుతుందన్నాడు. ఆధునిక కాలంలో అంతరిక్ష యానాల (Voyager, Cassini) ద్వారా సేకరించిన సమాచారంతో మాక్స్‌వెల్ పరిశోధన నిజమని తేలింది.

జేమ్స్ వెబ్ అంతరిక్ష దూరదర్శినితో శని గ్రహం

వాయువుల సిద్ధాంతం (Law of Gases)

శని గ్రహం మీద చేసిన పరిశోధనలు మాక్స్‌వెల్‌ని వాయువుల వైపు తీసుకెళ్ళాయి. అణుచలన సిద్ధాంతం (Kinetic Theory of Gases) ఆధారంగా వాయువు గుణాలని (పీడనం, వేడి, సాంద్రత) వివరించడానికి శాస్త్రజ్ఞులు వాయువు వడిగా తిరిగే అనేక అణువుల సముదాయమని ఊహించారు. ప్రతి అణువు వేగమూ కనుగొనడం అసాధ్యం కావున అన్నీ ఒకే సగటు వేగంతో కదులుతాయని విశ్లేషించేవారు. మాక్స్‌వెల్ అణువులన్నీ ఒకే వేగంతో తిరగడం అసంభవమని, ఆ శాస్త్రానికి వేరైన గణితపరమైన విశ్లేషణ అవసరమని పరిశోధనలు మొదలెట్టాడు.

అణువుల వేగం బెల్ రూపంలో ఉండే సామాన్య వితరణ (Normal Distribution) కి అనుగుణంగా ఉంటుందని ఊహించి విశ్లేషణ చేసి చూపెట్టాడు. ప్రతి అణువు వేగం తెలియక పోయినా, వాటి సమూహం యొక్క వేగాన్ని తెలుసుకోవచ్చన్నాడు. ఆ పద్ధతిని ఉపయోగించి వాయు పీడనానికి కచ్చితమైన ఫార్ములా కనిపెట్టాడు. అతను కనిపెట్టిన గణిత విధానం భౌతిక శాస్త్రంలో అనేక విభాగాలలో వాడుక అయింది.

దాని తరువాత, మరో ముఖ్య విషయం మీద పరిశోధన చేశాడు: ఓ అణువు మరో దానితో ఢీకొనే ముందర ఎంత దూరం ప్రయాణం చేస్తుంది? అణువులను విడివిడిగా పరిశీలించలేము కనుక వాటి సగటు దూరం వాయువు యొక్క స్నిగ్ధత (చిక్కదనం, viscosity) మీద ఆధారపడుతుందని వాదించి, తద్వారా ఓ విచిత్రమైన విషయం కనుగొన్నాడు: వాయువు స్నిగ్ధత దాని సాంద్రతపై (density) ఆధారపడదని చూపెట్టాడు.

వంటగదిలో ఎవరో కాఫీ పెడుతున్నారు, మీరు హాలులో టీవీ చూస్తున్నారు అనుకుందాం. కాఫీ వాసన మీకు చేరడానికి దాదాపు ఓ నిముషం పట్టవచ్చు. గాలిలో అణువులు సెకనుకి కొన్ని వందల మీటర్ల వేగంతో ప్రయాణం చేస్తాయి; మరి వాసన మరు క్షణమే ఎందుకు హాలులోకి రాదు?

అణువులు ప్రతి సెకనుకీ కొన్ని వందల కోట్ల సార్లు కొట్టుకోవడం వలన అవి సగటున ప్రయాణం చేసే దూరం చాలా తక్కువ ఉంటుంది. అందువలన కాఫీ వాసన వంటగదినుండి హాలులోకి రావడానికి కొన్ని నిమిషాలు పడుతుంది.

ఇలా, ఇన్ని రంగాలలో కృషి చేసిన మాక్స్‌వెల్ మరేమీ చెయ్యకపోయినా చెప్పుకోదగ్గ శాస్త్రవేత్తగా మిగిలేవాడు; కాని న్యూటన్ ఐన్‌స్టయిన్‌ల స్థాయికి చేరేవాడు కాదు. మాక్స్‌వెల్‌కి ఆ స్థాయిలో గుర్తింపు రావడానికి కారణం అతని విద్యుదయస్కాంత సిద్ధాంతం (Electromagnetic Theory).

శక్తి రేఖలు – క్షేత్ర సిద్ధాంతం (Lines of Force – FIeld Theory)

గత నెల ఫారడేపై రాసిన వ్యాసంలో న్యూటన్ దూర క్రియ సిద్ధాంతంలోని (action at a distance) లొసుగుని వివరించాను. క్లుప్తంగా, న్యూటన్ ఒక వస్తువు మరో వస్తువు మీద తక్షణమే (instantaneously) ప్రభావితమవుతుందన్నాడు. అదెలా సాధ్యమని ఇతరులు వాదించారు కాని, న్యూటన్ సిద్ధాంతం గ్రహాదుల చలనాన్ని ఏమాత్రం తేడా లేకుండా లెక్క కట్టడం వలనా, దానికి పోటీగా మరే సిద్ధాంతమూ లేకపోవడం మూలానా, ఆ సిద్ధాంతమే రాజ్యమేలింది. అంతే కాక కొత్త శాస్త్రాలయిన విద్యుదయస్కాంతాలకి కూడా దూర క్రియ సిద్ధాంతాలనే కూలాం, ఇతరులు వాడేవారు.

దూర క్రియ సిద్ధాంతంలో వస్తువుల మధ్య ఉన్న దూరానికే తప్ప వాటి మధ్య ఉండే క్షేత్రానికి ప్రాధాన్యత లేదు. అందుకు విరుద్ధంగా ఫారడే తన శక్తి రేఖలని ప్రతిపాదించాడు; వస్తువుల మధ్య ప్రదేశంలో శక్తి విస్తరించి ఉందనీ దాని ప్రభావమే వస్తువుల మీద ఉందనీ ఫారడే అభిప్రాయం. కాని అతనికి గణితంలో ప్రవేశం లేకపోవడాన తన ఆలోచనలని సిద్ధాంత పరంగా ముందుకు తీసుకెళ్ళలేకపోయాడు.

ఆ పరిస్థితులలో మాక్స్‌వెల్ రంగప్రవేశం చేశాడు:

“విద్యుత్‌శాస్త్రాన్ని అధ్యయనం చేసే ముందర, ఫారడే రాసిన ‘Experimental Researches on Electricity’ గ్రంథాన్ని పూర్తిగా చదివిందాకా ఆ విషయంపై గణిత రచనలు చదవకూడదని నేను నిశ్చయించుకున్నాను. ఫారడే దృష్టి, ఇతర గణితవేత్తల దృష్టికి భిన్నమనీ, అతనికి వారి భాష సంతృప్తి ఇవ్వకపోగా, వారికీ అతని భాష సంతృప్తికరంగా లేదనీ నాకు ముందే తెలుసు.

నా ఫారడే అధ్యయనం ముందుకు సాగే కొలదీ, సాంప్రదాయ గణిత చిహ్నాల రూపంలో లేకపోయినా, అతని భావాల రూపకల్పన కూడా గణితాత్మకమేనని గ్రహించాను. అంతేకాక, అతని ఆలోచనా విధానాలను సాధారణ గణిత రూపాల్లోకి మార్చి, స్థిరపరచి, వృత్తిపరమైన గణిత శాస్త్రజ్ఞుల పద్ధతులతో సరితూగేలా పోల్చవచ్చని కూడా నేను కనుగొన్నాను.”

క్షేత్ర సిద్ధాంత పరిశోధనపై మాక్స్‌వెల్ దాదాపు ఇరవై ఏళ్ళ పాటు పనిచేశాడు: a) 1855 – 1856 లో “On Faraday’s Lines of Force” రాశాడు; హైడ్రోడైనమిక్స్ నమూనా (గొట్టాలు, ప్రవహించే ద్రవం) వాడాడు. b) 1861 – 1862 లో “On Physical Lines of Force” రాశాడు; నమూనా క్లిష్టమైంది (తిరిగే గొట్టాలు, గోళాలు). c) 1864 – 1865 లో నమూనాని తీసివేసి కేవలం సమీకరణాలతో సిద్ధాంతీకరిస్తూ “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field” రాశాడు. d) 1873లో ఈ పరిశోధనలన్నింటినీ క్రోడీకరించి అత్యంత ప్రసిద్ధమైన “A Treatise on Electricity and Magnetism” రాశాడు.

సుడిలో స్థూపాలు, గోళాలు – నమూనా

దూర క్రియ సిద్ధాంతానికీ, క్షేత్ర సిద్ధాంతానికీ భేదం తెలిపే ఉదాహరణ: శూన్యంలో ఓ విద్యుత్ ఛార్జ్ తప్ప మరేమీ లేదనుకోండి. దూర క్రియ సిద్ధాంతం ప్రకారం ఛార్జ్‌కి ఎలాంటి శక్తీ లేదు. క్షేత్ర సిద్ధాంతం ప్రకారం ఛార్జ్ చుట్టూ విద్యుత్ క్షేత్రం ఉంది; దూరం ఎక్కువయే కొలదీ దాని శక్తి తగ్గినా అది అనంతం దాకా విస్తరించి ఉంది. వేరే ఛార్జ్ క్షేత్రం లోకి వస్తే ఆ క్షేత్ర ప్రభావం దాని మీద ఉంటుంది; ఏమీ రాకపోయినా క్షేత్రంలో శక్తి ఉంది.

మాక్స్‌వెల్ సమీకరణాలు — భావనాత్మక వివరణ

పాపులర్ సైన్స్ రచనలలో ఫార్ములాలు పెట్టడానికి రచయితలు భయపడతారు – అవి పాఠకులని విముఖులని చేస్తాయని. కాని సమీకరణాలు లేని మాక్స్‌వెల్ మీద వ్యాసం అతని ప్రతిభని తెలియజేయదనీ, అతనికి న్యాయం చెయ్యదనీ నా అభిప్రాయం. అందుకని అతని సమీకరణాలని, తగు వివరణతో, మరీ లోతైన గణితం జోలికి పోకుండా వివరించడానికి ప్రయత్నిస్తాను.

తలక్రిందులైన త్రిభుజం గుర్తుని (∇) డెల్ (Del) అంటారు. Del dot F అంటే క్షేత్ర (F) విస్తరణ (Divergence). Del cross F అంటే క్షేత్ర (F) సుడి (curl).

గౌస్ విద్యుత్ సూత్రం (Gauss’s Law for Electricity): ఒక బల్బు వెలుగుతున్నప్పుడు దాని చుట్టూ కాంతి ఎలా ప్రసరిస్తుందో, అలాగే ఒక పాజిటివ్ (+) లేదా నెగటివ్ (-) ఛార్జ్ ఉన్న వస్తువు తన చుట్టూ ఒక విద్యుత్ వలయాన్ని సృష్టిస్తుంది. ఆ వలయం నుండి విద్యుత్ రేఖలు బయటకు (+) లేదా లోపలికి (-) వస్తాయి.

ఓ బిందువు దగ్గర విద్యుత్ క్షేత్రం అక్కడి ఛార్జ్ సాంద్రత (ρ) మీదా, విద్యుత్ అనుమతి స్థిరాంకం ε₀ మీదా ఆధారపడుతుంది.

$$ \nabla \cdot \mathbf{E} = \frac{\rho}{\epsilon_0} $$

గౌస్ అయస్కాంత సూత్రం (Gauss’s Law for Magnetism): ఒక అయస్కాంతాన్ని ఎన్ని ముక్కలు చేసినా, ప్రతి ముక్కకు మళ్ళీ ఉత్తర ధ్రువం, దక్షిణ ధ్రువం ఏర్పడుతూనే ఉంటాయి. మూసిన ఉపరితలంలో ఎన్ని అయస్కాంత రేఖలు లోనికి వస్తాయో అన్ని బయటకి పోతాయి కావున కావున మిగిలేదేమీ ఉండదు.

$$ \nabla \cdot \mathbf{B} = 0 $$

ఫారడే ప్రేరణ సూత్రం (Faraday’s Law of Induction): ఒక అయస్కాంతాన్ని తీగె చుట్ట (Coil) లోపల వేగంగా అటు ఇటు కదిలిస్తే, ఆ తీగెలో విద్యుత్తు ప్రవహిస్తుంది. నేడు మనం వాడుతున్న ఎలక్ట్రిక్ జనరేటర్లు, డైనమోలు అన్నీ ఈ సూత్రం ద్వారానే మనకు విద్యుత్తును ఇస్తున్నాయి. అయస్కాంత క్షేత్రం కాలంతో మారితే (సమీకరణంలో కుడి), అదే ప్రాంతంలో విద్యుత్ క్షేత్రం తిరుగుతుంది (సమీకరణంలో ఎడమ). B మారితే, E తిరుగుతుంది.

$$ \nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} $$

ఆంపేర్ సూత్రం (Ampere’s Law): తీగెలో ప్రవహించే విద్యుత్తుకి (సమీకరణంలో కుడి) చుట్టూ అయస్కాంత క్షేత్రం (సమీకరణంలో ఎడమ) ఏర్పడుతుంది.

$$ \nabla \times \mathbf{B} = \mu_0 \mathbf{J} $$

కానీ ఈ సూత్రం ఓ సందర్భంలో వైరుధ్యానికి దారి తీసింది. అదేమిటో తెలుసుకోవడం ముఖ్యం.

ఒక కెపాసిటర్‌కి (రెండు లోహ ప్లేట్లు) రెండూ వైపులా తీగెని బిగించి బ్యాటరీతో కలిపితే తీగెలో విద్యుత్తు ప్రవహిస్తుంది; కెపాసిటర్ ప్లేట్లపై ఛార్జ్‌లు చేరతాయి. ప్లేట్ల మధ్య విద్యుత్ క్షేత్రం (E-field) ఏర్పడి, కాలంతో పెరుగుతుంది; కాని కెపాసిటర్ ప్లేట్ల మధ్య విద్యుత్తు ప్రవహించదు.

కెపాసిటర్‌లో ప్లేట్ల మధ్య విద్యుత్ క్షేత్రం

తీగెలో విద్యుత్తు ప్రవహించడాన దాని చుట్టూ అయస్కాంత క్షేత్రం ఉండాలి. కెపాసిటర్ ప్లేట్ల మధ్య విద్యుత్తు లేకపోవడాన అక్కడ అయస్కాంత క్షేత్రంలేదు. కాని అలా అయస్కాంత క్షేత్రం ఒక్కసారిగా అంతరించిపోవడం అసాధ్యం. అందువల్ల ప్లేట్ల మధ్య కూడా అయస్కాంత క్షేత్రానికి ఏదో ఒక మూలం ఉండాలి. మాక్స్‌వెల్ ఇలా ఆలోచించాడు: “ప్లేట్ల మధ్య ఛార్జ్ కదలకపోయినా, విద్యుత్ క్షేత్రం కాలంతో మారుతోంది. ఆ మార్పు కూడా అయస్కాంత ప్రభావాన్ని సృష్టించాలి.” దానితో విరోధం సమసిపోయింది. మారే విద్యుత్ క్షేత్రాన్ని displacement current అన్నాడు:

$$I_d = \epsilon_0 \frac{d \Phi_E}{dt}$$

ఈ సవరణతో సమీకరణం ఇలా మారింది – ఆంపేర్-మాక్స్‌వెల్ సూత్రం (Ampere-Maxwell Law):

$$ \nabla \times \mathbf{B} = \mu_0 \left( \mathbf{J} + \epsilon_0 \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t} \right) $$

విద్యుదయస్కాంత తరంగాలు – కాంతి

ఆ నాలుగు సమీకరణాలు విద్యుదయస్కాంత గుణాలని కట్టుదిట్టంగా వర్ణించాయి. మాక్స్‌వెల్‌ వాటి ద్వారా కొన్ని అద్భుతమైన సూత్రాలను రాబట్టాడు:

శూన్య అంతరిక్షంలో (vacuum), ఛార్జ్‌లు/కరెంట్లు లేని ప్రాంతంలో ρ = 0, J = 0. అప్పుడు ఆంపేర్-మాక్స్‌వెల్ సమీకరణం ఇలా సులభమవుతుంది:

$$ \nabla \times \mathbf{B} = \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t} $$

ఇప్పుడు ఫారడే ప్రేరణ సూత్రానికి రెండువైపులా curl తీసుకుందాం:

$$ \nabla \times (\nabla \times \mathbf{E}) = \nabla \times \left( -\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} \right) $$

$$ \nabla \times (\nabla \times \mathbf{E}) = -\frac{\partial}{\partial t} \left(\nabla \times \mathbf{B} \right) $$

కుడి వైపు దాని బదులు సులభతరమైన ఆంపేర్-మాక్స్‌వెల్ సమీకరణం వాడదాం:

$$ \nabla \times (\nabla \times \mathbf{E}) = -\frac{\partial}{\partial t} \left( \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t} \right) $$

ఇక్కడ ఒక ప్రసిద్ధ వెక్టర్ గుర్తింపు (identity) వాడతాం:

$$ \nabla \times (\nabla \times \mathbf{E}) = \nabla (\nabla \cdot \mathbf{E}) – \nabla^2 \mathbf{E} $$

వాక్యూమ్ లో కాబట్టి (Gauss law ద్వారా)

$$ \nabla \cdot \mathbf{E} = 0 $$

అందువల్ల

$$ \nabla \times (\nabla \times \mathbf{E}) = -\nabla^2 \mathbf{E} $$

ఇది పైన సమీకరణంలో ఉపయోగిస్తే:

$$ – \nabla^2 \mathbf{E} = -\frac{\partial}{\partial t} \left( \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t} \right) $$

రెండు వైపులా “–” రద్దు చేస్తే:

$$ \nabla^2 \mathbf{E} = \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2 \mathbf{E}}{\partial t^2} $$

అదే విధంగా B కి కూడా:

$$ \nabla^2 \mathbf{B} = \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2 \mathbf{B}}{\partial t^2} $$

ఈ రూపంలో ఉన్న వాటిని తరంగాల సమీకరణాలు (wave equations) అంటారు (తరంగ వేగం v):

$$ \nabla^2 \psi = \frac{1}{v^2} \frac{\partial^2 \psi}{\partial t^2} $$

మనది:

$$ \nabla^2 \mathbf{E} = \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2 \mathbf{E}}{\partial t^2} $$

కాబట్టి తరంగ వేగం:

$$ v = \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \epsilon_0}} $$

విద్యుదయస్కాంత క్షేత్రాలు తరంగాలుగా ఒకదానికొకటి లంబముగా విస్తరిస్తాయనీ, అవి తరంగం పయనించే దిశకు లంబదిశలో ఉంటాయనీ అదే సమీకరణాలతో రాబట్టాడు.

విద్యుత్ అయస్కాంత రంగాల మధ్యగల పరస్పర సంబంధం కారణంగా, విద్యుత్ క్షేత్రంలో కలిగే అలజడి అయస్కాంత క్షేత్రంలో అలజడిని సృష్టిస్తుంది. ఇది తిరిగి విద్యుత్ క్షేత్రాన్ని ప్రభావితం చేస్తుంది. ఇలా ఒకదాని ప్రభావం మరోదానిమీద కలుగుతూ ఉండటాన ఏర్పడే కంపనం అంతరిక్షం ద్వారా ప్రయాణిస్తుంది. ఈ పయనించే అలజడినే విద్యుదయస్కాంత తరంగం అంటారు.

విద్యుదయస్కాంత క్షేత్ర తరంగం

పై సమీకరణం ప్రకారం తరంగ వేగం రెండు స్థిరాంకాల (ε₀, μ₀) మీద ఆధారపడి ఉంటుంది. సరళంగా చెప్పాలంటే, ఖాళీ ప్రదేశం లేదా ఏదైనా పదార్థం (గాలి, నీరు, లోహం) తమ గుండా విద్యుత్, అయస్కాంత ప్రభావాలను ఎంతవరకు అనుమతిస్తాయో తెలిపే కొలమానాలే ఇవి.

విద్యుత్ అనుమతి (Permittivity – ε₀): దీనిని ఒక ప్రదేశం యొక్క “విద్యుత్ నిరోధక శక్తి” అని అనుకోవచ్చు. ఉదాహరణ: ఒక స్పంజిని నీటిలో ముంచినప్పుడు, అది ఎంత నీటిని పీల్చుకుంటుందో, అలాగే ఒక పదార్థం విద్యుత్ క్షేత్రాన్ని తనలో ఎంతవరకు “నిల్వ” చేసుకుంటుందో ఇది చెబుతుంది.

అయస్కాంత వ్యాప్యత (Permeability – μ₀): దీనిని ఒక ప్రదేశం యొక్క “అయస్కాంత వాహకత” అనవచ్చు. ఉదాహరణ: ఇనుము వంటి పదార్థాల గుండా అయస్కాంత తరంగాలు చాలా వేగంగా, బలంగా ప్రవహిస్తాయి. అంటే వాటికి వాహకత ఎక్కువ.

విద్యుదయస్కాంత క్షేత్రాలు తరంగ రూపంలో ఉన్నాయని రుజువు చేసేనాటికి మాక్స్‌వెల్‌ తన ఎస్టేటులో ఉన్నాడు. శాస్త్రీయ రచనలన్నీ అందుబాటులో లేవు. లండన్ వచ్చిన వెంటనే ε₀, μ₀ విలువలను తెలుసుకొని ఫార్ములాలో పెడితే తరంగ వేగం దాదాపు 300,000 km/sec అని వచ్చింది. అది అప్పటిలో కొలిచిన కాంతి వేగానికి దరిదాపు సమానంగా ఉంది. దానితో మాక్స్‌వెల్‌ “కాంతి కూడా విద్యుదయస్కాంత తరంగమేనని తీర్మానించక తప్పదు,” అని చారిత్రాత్మక ప్రకటన చేశాడు.

ఒక్క నిమిషం ఆగి, మానవ చరిత్రలో ఈ ప్రకటన ప్రాముఖ్యత గురించి ఆలోచిద్దాం. రెండు వేల సంవత్సరాలగా ప్రకృతిలో విద్యుత్తు, అయస్కాంత శక్తులున్నాయని మానవుడికి తెలుసు. అంతకు కొన్ని వేల ఏళ్ళ ముందరే కాంతి అనే వేరే శక్తి ఉందనీ తెలుసు. పందొమ్మిదో శతాబ్దం మధ్యలో ఈ మూడూ ఒకే శక్తి రూపాలని మాక్స్‌వెల్‌ నిరూపించాడు – అదీ గణితం ద్వారా, ఏ ప్రయోగాలూ చెయ్యకుండా. కాని మాక్స్‌వెల్‌ ఏం అన్నాడో కూడా గుర్తుంచుకుందాం: తను కేవలం అత్యుత్తమ ప్రయోగకర్త అయిన ఫారడే భావాలకి గణిత రూపం ఇచ్చానన్నాడు.

క్షేత్ర ప్రాధాన్యతని వివరిస్తూ మాక్స్‌వెల్‌ ఇలా అన్నాడు: “విస్తార గ్రహాంతర నక్షత్రాంతర ప్రాంతాలను ఇకపై విశ్వంలోని పనికిరాని ఖాళీ ప్రదేశాలుగా పరిగణించలేము; సృష్టికర్త వాటిని తన చిహ్నమైన ఏ వస్తువుతోనూ నింపలేదని అనుకోలేము. ఆ ప్రాంతాలన్నీ ఒక అద్భుతమైన మాధ్యమంతో (medium) నిండి ఉన్నాయి. ఏ మానవుడు కూడా అత్యంత శక్తివంతమైన శూన్యం (vacuum) నుండి దానిలోని అతి చిన్న భాగాన్ని కూడా తొలగించలేడు, దాని గుండా ఏ రకమైన చలనాన్ని కూడా పంపలేడు; ఎందుకంటే ఆ చలనం అప్పటికే ఆ మాధ్యమంలో అంతర్భాగమై ఉంటుంది. ఇది ఘనపదార్థాల అంతర్భాగాన వ్యాపించి ఉండటమే కాకుండా, ఏ వస్తువులూ లేని శూన్య ప్రదేశాలను కూడా అంతే సంపూర్ణంగా నింపివేస్తుంది.

“అది ఒక నక్షత్రం నుండి మరో దానికి అవిచ్ఛిన్నంగా సాగుతుంది. జ్యేష్టానక్షత్రంలో (dog-star) ఓ అణువు కంపిస్తే, ఆ కంపనాలని ఈ మాధ్యమం తనలో మూడేళ్ళపాటు ఉంచుకొని వాటినన్నిటినీ క్రమం తప్పకుండా భూమ్మీద స్పెక్ట్రోస్కోప్‌కి చేరవేస్తుంది.”

కావెండిష్ లేబొరేటరీ

హెన్రీ కావెండిష్ (Henry Cavendish, 1731 – 1810) గొప్ప బ్రిటిష్ శాస్త్రవేత్త. భౌతిక, రసాయన, విద్యుత్ శాస్త్రాలలో పరిశోధనలు చేశాడు. 1766 లో హైడ్రోజన్ వాయువును కనిపెట్టి, దానికి “మండే గాలి” అని పేరు పెట్టాడు. దానిని ఆక్సిజన్ తో కలిపి మండిస్తే నీరు ఏర్పడుతుందని గమనించాడు. సుమారు రెండు వంతుల హైడ్రోజన్, ఒక వంతు ఆక్సిజన్‌తో కలిసినప్పుడు నీరు ఏర్పడుతుందని కూడా లెక్క కట్టాడు. 1798 లో “భూమిని తూచడం (weighing the world)” అన్న ప్రయోగంలో టార్షన్ తూకంతో (Torsion balance) రెండు పెద్ద సీస గోళాల మధ్య గురుత్వాకర్షణ శక్తిని కొలిచి, గురుత్వాకర్షణ స్థిరాంకం (G) విలువ ఎంతో నిర్ధారించాడు.

హెన్రీ కావెండిష్

కావెండిష్ వారసత్వపరంగా మిక్కిలి ధనవంతుడు. ఒంటరి, పెళ్ళి చేసుకోలేదు. పరాయివాళ్ళతో మాట్లాడటానికి చాలా భయపడేవాడు. ఆడవాళ్ళతోనయితే మరీను – మొహం చూపడానికి కూడా సిగ్గుపడేవాడు. ఇంట్లో పని వాళ్ళతో మాట్లాడకుండా నోట్స్ రాసి పెట్టేవాడు. ఓ రోజు ఇంట్లో మెట్ల మీద పని మనిషి ఎదురైంది; అంతే, కలవరపడిన కావెండిష్ ఆడ పని మనుషులు తనకి ఎదురుపడకుండా ఉండటానికి వాళ్ళకి ఇంట్లో వేరే మెట్లు (staircase) కట్టించాడు.

కావెండిష్ ఇంట్లో ప్రయోగాలు చేసేవాడు; చాలా పుస్తకాలు ఉండేవి. వాటి కోసం ఇతరులు వస్తే కలవాల్సి వస్తుందని వేరే చోట లైబ్రరీ ని ఏర్పాటు చేశాడు. ఏకాకి అయినా లైబ్రరీని అందరూ వాడుకునేటట్లు ఏర్పాటు చేశాడు.

ఆయన జీవితచరిత్రలో 1851లో జార్జ్ విల్సన్ ఇలా రాశాడు: “అతనికి ప్రేమ లేదు; ద్వేషం లేదు; ఆశ లేదు; భయం లేదు; దైవభక్తి కూడా లేదు. ఆయన గురించిన జ్ఞాపకాలను చదువుతున్నప్పుడు నాకు కనిపించేదల్లా—ఆలోచించే ఒక మేధోపరమైన మెదడు, అద్భుతమైన తీక్షణతతో గమనించే ఒక జత కళ్ళు, ప్రయోగాలు చేయడంలో అత్యంత నైపుణ్యం కలిగిన ఒక జత చేతులు మాత్రమే.” ఆ జీవిత చరిత్రని ఆధారంగా 2001 లో నాడీశాస్త్ర నిపుణుడు, ఆలివర్ శాక్స్ (Oliver Sacks, 1933 – 2015) కావెండిష్‌కి ఆస్పెర్గెర్ సిండ్రోం (Asperger syndrome) ఉండి ఉంటుందన్నాడు.

మాక్స్‌వెల్ 1865లో 34 ఏళ్ల వయసులోనే లండన్‌లోని కింగ్స్ కాలేజీలో తన ప్రొఫెసర్ పదవికి రాజీనామా చేసి, విశ్రాంత జీవనం గడపడానికి తమ కుటుంబ ఎస్టేటుకి గ్లెన్‌లైర్‌ కు వెళ్ళిపోయాడు. (ఈకాలంలోనే ఆయన తన అత్యంత ప్రసిద్ధ గ్రంథమైన “A Treatise on Electricity and Magnetism” రాయడం మొదలెట్టాడు.)

కావెండిష్ లాబొరేటరీ

కావెండిష్ వారసుడు కేంబ్రిడ్జ్ విశ్వవిద్యాలయానికి ఛాన్సెలర్. ఆయన కావెండిష్ పేరిట లేబొరేటరీ స్థాపించడానికి పెద్ద విరాళమిచ్చి, 1871 లో మాక్స్‌వెల్‌‌ని డైరెక్టరుగా రమ్మని కోరాడు. మొదట అయిష్టత చూపెట్టినా, మిత్రుల కోరికపై, దానిని బాధ్యతగా భావించి, మాక్స్‌వెల్‌‌ ఒప్పుకున్నాడు; మొదటి ప్రొఫెసర్‌గా నియమితమయ్యాడు. భవన రూపకల్పనలో, దానిని ప్రయోగశాలలకి అనుగుణంగా కట్టించడంలో, పరికరాల తయారీదారులతో సంప్రదింపులలో, తగిన ప్రొఫెసర్లని నియమించడంలో, మాక్స్‌వెల్‌ ఎంతో శ్రద్ధ తీసుకున్నాడు. చనిపోయేదాకా డైరెక్టరుగా పనిచేశాడు. 1874లో మొదలైన ఈ ప్రతిష్ఠాత్మక సంస్థలో పనిచేస్తూ ఇప్పటికి 36 మంది శాస్త్రవేత్తలు నోబెల్ బహుమతులు పొందారు. ఎలెక్ట్రాన్, న్యూట్రాన్, DNA – వీటిని కనుగొన్నది అక్కడే.

కావెండిష్ లాబొరేటరీ ఫలకం

కావెండిష్ వారసుని దగ్గర ఉన్న కావెండిష్ ప్రచురించని ప్రయోగ పత్రాలని చూసి మాక్స్‌వెల్‌ ఆశ్చర్యపోయాడు. వాటిని క్షుణ్ణంగా అయిదేళ్ళపాటు అధ్యయనం చేసి, 1879లో “The Electrical Researches of the Honourable Henry Cavendish” పేరుతో ప్రచురించాడు. కేవలం ప్రచురించడమే కాకుండా, ఆ ప్రయోగాలను మాక్స్‌వెల్ స్వయంగా చేసి వాటి ఖచ్చితత్వాన్ని నిరూపించాడు. దీనివల్ల ఓమ్ సూత్రం (Ohm’s Law), కూలాం సూత్రం (Coulomb’s Law) వంటి ముఖ్యమైన సూత్రాలను వారికన్నా ముందే కావెండిష్ కనుగొన్నాడని ప్రపంచానికి తెలిసింది. ఒక గొప్ప శాస్త్రవేత్త కృషి మరుగున పడిపోకుండా మాక్స్‌వెల్ చేసిన ఈ ప్రయత్నం విజ్ఞాన శాస్త్ర చరిత్రలో మరువరానిది.

కవిగా మాక్స్‌వెల్‌

మాక్స్‌వెల్‌ యుక్త వయసునుండే కవితలు రాసేవాడు – కొన్ని సరదాకి, కొన్ని సీరియస్ గానూ.

రొమాన్స్, సైన్స్ కలిసిన వేలంటైన్ కవిత:

The tendrils of my soul are twined
With thine, though many a mile apart.
And thine in close coiled circuits wind
Around the needle of my heart.

Constant as Daniel, strong as Grove.
Ebullient throughout its depths like Smee,
My heart puts forth its tide of love,
And all its circuits close in thee.

O tell me, when along the line
From my full heart the message flows,
What currents are induced in thine?
One click from thee will end my woes.

Through many a volt the weber flew,
And clicked this answer back to me;
I am thy farad staunch and true,
Charged to a volt with love for thee.
– Valentine by a Telegraph Clerk to a Telegraph Clerk

అప్పట్లో ఆడవాళ్ళకి విశ్వవిద్యాలయలలో చదివే అవకాశాలు తక్కువ. సైన్సు విషయాలలోనయితే మరీ తక్కువ. మాక్స్‌వెల్‌, మరి కొందరు ప్రొఫెసర్లు ఆడవాళ్ళకని ప్రత్యేకంగా లెక్చర్లు ఇవ్వడం మొదలెట్టారు. అప్పుడు, ఆడవాళ్ళకి కళ్ళనిచ్చింది స్వర్గాన్ని ప్రతిబంబించడానికే కాని, పరికరాలతో కొలవడానికి కాదని చమత్కరించే కవిత:

O love! you fail to read the scale
Correct to tenths of a division.
To mirror heaven those eyes were given,
And not for methods of precision.
Break contact, break, set the free light-spot flying;
Break contact, rest thee, magnet, swinging, creeping, dying.
– Lectures to Women on Physical Science

వైవాహిక జీవితం

భార్యతో మాక్స్‌వెల్

మాక్స్‌వెల్ అబర్డీన్‌లోని మార్షల్ కాలేజీలో ప్రొఫెసర్‌గా పనిచేస్తున్నప్పుడు, ఆ కాలేజీ ప్రిన్సిపాల్ అయిన రెవరెండ్ డేనియల్ డ్యూయర్ కుమార్తె కేథరీన్‌తో అతని పరిచయం ప్రేమగా మారి, వాళ్ళు 1858 జూన్ 2 న పెళ్ళి చేసుకున్నారు. మాక్స్‌వెల్ పరిశోధనలో ఆవిడ కూడా పాల్గొనేది. రంగుల పెట్టె ప్రయోగాలలో ఒకరు పరిశీలించే వారైతే (observer) మరొకరు అమర్చేవారు (operator). ఆ ప్రయోగంపై రాసిన పరిశోధనా పత్రాలను బట్టి కేథరీన్ (K) కొన్ని ప్రయోగాలను పరిశీలించినట్లు అర్థమవుతుంది. వారికి సంతానం లేదు.

అవసాన దశ

1877లో మాక్స్‌వెల్‌కి కడుపులో మంట మొదలయింది; తిన్నది జీర్ణం చేసుకోలేకపొయాడు. మాంసం తినడం మానేసి, కర్బను సోడా సేవించమని డాక్టరు సలహా ఇచ్చాడు. రెండేళ్ళకి సోడా పనిచెయ్యడం మానేసింది; తిన్నది మింగలేక అవస్తపడ్డాడు. ఏప్రిల్ 1879 నాటికి తన వ్యాధి ముదిరిందనీ, తల్లికి వచ్చిన కడుపు కేన్సర్ తనకీ వచ్చిందనీ తెలుసుకున్నాడు. అక్టోబరులో డాక్టరు మరో నెలకి మించి బతకడని చెప్పాడు. 1879 నవంబరు 5న, 48వ ఏట, తన భార్యని సంరక్షించమని భగవంతుణ్ణి కోరుకుంటూ, మాక్స్‌వెల్ నిబ్బరంగా అంతిమ శ్వాస వదిలాడు.

మరణానికి కొన్ని రోజుల ముందర, మాక్స్‌వెల్‌ తన వైద్యునితో ఇలా అన్నాడు: “నన్ను అందరూ ఎల్లప్పుడూ చాలా దయతో చూసుకున్నారు. నా జీవితంలో నేను ఎప్పుడూ ఏ కష్టానికీ, హింసకీ గురికాలేదు. దైవేచ్ఛ మేరకు, డేవిడ్ వలె, నా తరం వారికి సేవ చేసి, ఆ తర్వాత ప్రశాంతంగా నిద్రపోవాలన్నదే నా ఏకైక కోరిక.”

మాక్స్‌వెల్ సమీకరణాల ఫలకం

మాక్స్‌వెల్ నాలుగు సమీకరణాలతో విద్యుదయస్కాంత సిద్ధాంతాన్ని ప్రవేశపెట్టాడని రాశాను. వాస్తవానికి మాక్స్‌వెల్ రాసిన పత్రాలలో దాదాపు ఇరవై సమీకరణాలున్నాయి. అప్పటి శాస్త్రజ్ఞులకే అవి అర్థం కావడం కష్టమైంది. వాటిని సులభం చేసి ప్రస్తుతం మనం వాడే రీతిలో రావడానికి కృషి చేసిన వారి గురించి వచ్చే సంచికలో తెలుసుకుందాం.

మూలాలు:

1. James R. Newman. James Clerk Maxwell. Scientific American. June 1955.
2. Ivan Tolstoy. James Clerk Maxwell: A Biography. Canongate. 1981.
3. Lewis Campbell and William Garnett. The Life of James Clerk Maxwell with a Selection from His Correspondence and Occasional Writings and a Sketch of his Contributions to Science. Macmillan and Co. 1882.