Ιστορία των Επιστημών & της Τεχνολογίας - Βιβλίο Μαθητή
1. Η ΚΥΜΑΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ 3. Η ΑΡΧΗ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Επιστροφή στην αρχική σελίδα του μαθήματος

2 Η ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ

Στο δεύτερο μισό του 18ου αι. οι νόμοι που διέπουν τις δυνάμεις μεταξύ ηλεκτρικών φορτίων, καθώς και μεταξύ μαγνητών, προσδιορίστηκαν ύστερα από εκτεταμένες πειραματικές και θεωρητικές μελέτες. Η σύλληψη και η διατύπωση αυτών των νόμων επιτεύχθηκε στο πλαίσιο ενός νευτώνειου προγράμματος εξήγησης των ηλεκτρικών και των μαγνητικών φαινομένων βάσει κεντρικών δυνάμεων, δηλαδή δυνάμεων των οποίων η διεύθυνση συμπίπτει με την ευθεία που ενώνει τα κέντρα των ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων μεταξύ των οποίων ασκούνται. Το πρόγραμμα αυτό ήταν αποτέλεσμα της μεγάλης επιτυχίας της νευτώνειας θεωρίας στην εξήγηση και την πρόβλεψη των κινήσεων των ουράνιων σωμάτων. Οι έρευνες του Γάλλου στρατιωτικού μηχανικού C.-A. de Coulomb (Κουλόμπ, 1736-1806), μεταξύ άλλων, έδειξαν ότι οι ηλεκτρικές δυνάμεις μπορούσαν να περιγραφούν με την ίδια μαθηματική εξίσωση που ίσχυε για το νόμο της βαρύτητας. Ο νόμος που εκφράζει τις δυνάμεις μεταξύ ηλεκτρικών φορτίων λέγεται «νόμος του Coulomb». Η μαθηματική

Εικόνα

Charles-Augustin Coulomb (1736-1806)

έκφραση του νόμου για τις δυνάμεις μεταξύ μαγνητών προέκυψε επίσης από την πειραματική δουλειά του Coulomb (1785).

Η επιτυχία αυτή του Coulomb δικαίωσε τη μηχανιστική προσέγγιση του ηλεκτρισμού. Βασική έννοια αυτής της προσέγγισης ήταν και εδώ η έννοια των αβαρών ρευστών η οποία είχε ήδη χρησιμοποιηθεί από τα μέσα του 18ου αι. για την κατανόηση των ηλεκτρικών φαινομένων. Τα ηλεκτρικά και τα μαγνητικά ρευστά ήταν φορείς ηλεκτρικών και μαγνητικών ιδιοτήτων, αλλά δεν ήταν συνήθεις υλικές ουσίες, αφού δεν είχαν μάζα. Τα σωματίδια που τα αποτελούσαν απωθούνταν μεταξύ τους, ενώ έλκονταν με τα σωματίδια της ύλης. Αυτές οι ελκτικές και απωστικές δυνάμεις αποτελούσαν την πηγή των ηλεκτρικών και μαγνητικών φαινομένων.

Εικόνα

Benjamin Franklin (1706-1790)

Σε ό,τι αφορά τον ηλεκτρισμό, μια από τις πιο διαδεδομένες θεωρίες ήταν του Αμερικανού πολιτικού και ερευνητή Β. Franklin (Φράνκλιν, 1706-1790). Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, ο ηλεκτρισμός αποτελούνταν από ένα μοναδικό ρευστό και η φόρτιση ενός σώματος ήταν αποτέλεσμα της απώλειας ή της απόκτησης ηλεκτρικού ρευστού (θετική και αρνητική φόρτιση αντίστοιχα).

Μετά το 1799 η επινόηση της μπαταρίας από τον Α. Volta (Βόλτα, 1745-1827) υπονόμευσε σταδιακά τη σύλληψη του ηλεκτρισμού ως ρευστού. Η μπαταρία παρείχε έναν εύκολο τρόπο παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος και χρησιμοποιήθηκε, σχεδόν αμέσως μετά την επινόηση της, για την αποσύνθεση του νερού σε υδρογόνο και σε οξυγόνο (ηλεκτρόλυση). Η διαφαινόμενη σύνδεση ηλεκτρικών και χημικών φαινομένων ώθησε τον Η. Davy (Ντέιβυ, 1778-1829) να εγκαταλείψει την ιδέα του ηλεκτρικού ρευστού και να διατυπώσει μια θεωρία περί ηλεκτρισμού, που βασιζόταν στην έννοια της χημικής συγγένειας. Η στενή σχέση ηλεκτρισμού και χημείας ήταν για τον Davy μια σοβαρή ένδειξη ότι οι ηλεκτρικές και οι χημικές δυνάμεις αποτελούσαν ένα ενιαίο φαινόμενο.

2.1 Η ανακάλυψη τον ηλεκτρομαγνητισμού
και το έργο τον Michael Faraday

Έως το 1820 ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός θεωρούνταν δύο διαφορετικές κατηγορίες φαινομένων. Η άποψη αυτή αμφισβητήθηκε μετά την ανακάλυψη του ηλεκτρομαγνητισμού από το Δανό φυσικό H.C. Oersted (Έρστεντ, 1777-1851). Ο Oersted παρατήρησε ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα προκαλεί απόκλιση της μαγνητικής βελόνας. Αυτό το φαινόμενο επιβεβαίωσε την πεποίθησή του για την ενότητα των φυσικών δυνάμεων, πεποίθηση που είχε αντλήσει από τη γερμανική φιλοσοφία της φύσης. Η ιδέα περί ενότητας της φύσης ήταν ιδιαίτερα δημοφιλής στις αρχές του 19ου αι. και προερχόταν από ένα γερμανικό φιλοσοφικό ρεύμα, τη λεγόμενη naturphilosophie (φιλοσοφία της φύσης). Υπό την επίδραση αυτού του ρεύματος πολλοί επιστήμονες επιχείρησαν να ανακαλύψουν τις συνδέσεις διαφορετικών φαινομένων και να διατυπώσουν ενοποιητικές θεωρίες. Αυτή η τάση ήταν ιδιαίτερα έντονη στη διερεύνηση των ηλεκτρικών και των μαγνητικών φαινομένων. Σύμφωνα με τις παρατηρήσεις του Oersted, η απόκλιση της μαγνητικής βελόνας, όταν τοποθετούνταν πάνω από το ρευματοφόρο αγωγό, και η απόκλισή της όταν τοποθετούνταν κάτω από το ρευματοφόρο αγωγό, είχαν αντίθετη φορά.

Με αφορμή την ανακάλυψη του Oersted ξεκίνησαν και άλλες έρευνες, που είχαν στόχο να βρουν παρόμοια ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα. Το 1820 στο Παρίσι ο A.M. Ampere (Αμπέρ, 1775-1836) έδειξε ότι, εάν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διαπερνούσε ένα πηνίο από σύρμα, το πηνίο δρούσε σαν να ήταν μαγνήτης. Ο Ampere υποστήριξε ότι ο μαγνητισμός θα μπορούσε να αναχθεί στον ηλεκτρισμό. Αφού ένα ηλεκτρικό ρεύμα έχει μαγνητικές ιδιότητες, θα μπορούσε κανείς να υποθέσει ότι ένας μαγνήτης αποτελείται από πολλά στοιχειώδη μοριακά ρεύματα, δηλαδή μικροσκοπικά φορτία, τα οποία διαγράφουν κλειστές κυκλικές τροχιές. Επίσης, ο Ampere διατύπωσε μια σχέση για τη δύναμη που ασκείται μεταξύ δύο ρευμάτων.

Την επόμενη χρονιά, το 1821, ο Μ. Faraday (1791-1867), με αφετηρία την ανακάλυψη του Oersted άρχισε να μελετά τις πρόσφατες εξελίξεις στον ηλεκτρομαγνητισμό. Ο Faraday δεν περιορίστηκε στη μελέτη των αποτελεσμάτων που είχαν ήδη προκύψει, αλλά έκανε και δικά του πειράματα, που οδήγησαν, το Σεπτέμβριο του 1821, στην ανακάλυψη του φαινομένου της ηλεκτρομαγνητικής περιστροφής. Οι παρατηρήσεις του Faraday έδειχναν ότι ένα ρευματοφόρο καλώδιο ασκεί δυνάμεις κυκλικού χαρακτήρα σ' ένα μαγνήτη που βρίσκεται υπό την επίδρασή του. Δηλαδή, ο μαγνήτης τείνει να περιστραφεί γύρω από το καλώδιο. Θεωρώντας ότι πρέπει να ισχύει και το αντίστροφο, δηλαδή ότι η δύναμη που ασκείται από ένα μαγνήτη σ' ένα καλώδιο είναι επίσης κυκλική, κατασκεύασε μια διάταξη, στην οποία ένα ρευματοφόρο

καλώδιο περιστρεφόταν γύρω από ένα σταθερό μαγνήτη.

Αυτή η ανακάλυψη αποτέλεσε την αρχή λειτουργίας των ηλεκτρικών μηχανών. Πέρα όμως από την πρακτική σημασία της αυτή είχε και σημαντικές θεωρητικές προεκτάσεις. Παρείχε μια πρώτη ένδειξη ότι τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα θα ήταν δύσκολο να ενταχθούν στη νευτώνεια παράδοση.

Δέκα χρόνια αργότερα, το 1831, ο Faraday ανακάλυψε ένα άλλο φαινόμενο, την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή. Στην πειραματική διάταξη που σχεδίασε, δύο σύρματα είναι τυλιγμένα γύρω από ένα σιδερένιο δακτύλιο σε διαμετρικά αντίθετες θέσεις. Το ένα σύρμα (πρωτεύον) συνδέεται, μέσω ενός διακόπτη, με μια μπαταρία. Κοντά στο άλλο (δευτερεύον) είναι τοποθετημένη μια μαγνητική βελόνα. Ο Faraday παρατήρησε ότι το κλείσιμο του διακόπτη και η δίοδος ηλεκτρικού ρεύματος στο ένα σύρμα συνοδευόταν από τη στιγμιαία εμφάνιση ρεύματος στο άλλο σύρμα, όπως φαινόταν από τη στιγμιαία κίνηση της βελόνας. Το ίδιο συνέβαινε και με το άνοιγμα του διακόπτη και τη διακοπή του ρεύματος στο πρώτο σύρμα. Πάνω στο φαινόμενο αυτό στηρίζεται η λειτουργία των μετασχηματιστών.

Ένα παρόμοιο φαινόμενο, όπως παρατήρησε ο Faraday, εμφανίζεται, όταν ένας μαγνήτης πλησιάζει σ' ένα πηνίο. Δηλαδή «επάγεται» ένα ρεύμα στο πηνίο. Επίσης, παρατηρείται και το «αντίστροφο» φαινόμενο. Η κίνηση ενός αγωγού στην περιοχή που βρίσκεται ένας μαγνήτης έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος. Στο πείραμα του Faraday η περιστροφή ενός χάλκινου δίσκου ανάμεσα στους πόλους ενός μαγνήτη συνοδευόταν από την εμφάνιση ενός ρεύματος στο δίσκο, την οποία παρατηρούσε με τη βοήθεια ενός γαλβανόμετρου. Αξίζει σε αυτό το σημείο να τονιστεί η δυσκολία αυτών των πειραμάτων. Αν και εκ των υστέρων φαίνονται εύκολα, ήταν προϊόν επίπονων ερευνών, καθώς είχαν προηγηθεί πολλές άκαρπες προσπάθειες.

Εικόνα

Σχέδιο του Faraday: Η περιστροφή του δίσκου ανάμεσα στους πόλους τον μαγνήτη προκαλεί την εμφάνιση ενός ρεύματος στο δίσκο.

Η τεχνολογική σημασία του φαινομένου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής επρόκειτο να αποδειχθεί τεράστια, γιατί αποτέλεσε τη βάση για την κατασκευή ηλεκτρικών γεννητριών. Με τη χρήση μιας ατμομηχανής για να κινεί τη γεννήτρια γινόταν δυνατή η παραγωγή ηλεκτρισμού.

Ο Faraday δεν ενδιαφερόταν ιδιαίτερα για τις τεχνολογικές εφαρμογές των ερευνών, αν και είχε επίγνωση της πρακτικής σημασίας τους. Έτσι, ο ηλεκτρικός κινητήρας και η γεννήτρια εξελίχθηκαν από άλλους. Χρειάστηκαν γύρω στα 50 χρόνια, για να σημειωθούν σημαντικές εξελίξεις στον τομέα αυτό.

2.2 Ο Faraday και η ανάδυση της έννοιας του πεδίου

Για να αναπαραστήσει γεωμετρικά τη μετάδοση των ηλεκτρικών δυνάμεων, ο Faraday εισήγαγε την έννοια των «δυναμικών γραμμών». Κατά τη δεκαετία του 1830 πίστευε ότι οι γραμμές αυτές συμπίπτουν με τις γραμμές που σχηματίζουν τα σωματίδια του «διηλεκτρικού», του μονωτικού μέσου που παρεμβάλλεται μεταξύ δύο φορτισμένων σωμάτων, κάτω από την επίδραση των ηλεκτρικών δυνάμεων. Αν και από τότε απέρριπτε τις δράσεις από μεγάλες αποστάσεις, θεωρούσε ότι η ηλεκτρική αλληλεπίδραση των σωματιδίων ενός μέσου δε λαμβάνει χώρα εξ επαφής αλλά εξ αποστάσεως. Βέβαια, οι αποστάσεις για τις οποίες μιλάμε ήταν πολύ μικρές (περίπου 1 εκ.). Το πώς μεταδιδόταν μια δύναμη μεταξύ δύο γειτονικών σωματιδίων ο Faraday δεν ήταν σε θέση να το εξηγήσει.

Το 1844, για να καλύψει αυτό το κενό, διατύπωσε μια αντιατομική θεωρία της ύλης. Ο λόγος για την απόρριψη του ατομισμού ήταν ο εξής: τα άτομα, σύμφωνα με την ατομική θεωρία, δε βρίσκονταν σε επαφή μεταξύ τους και, επομένως, ο ενδιάμεσος χώρος έπρεπε να παίζει κάποιο ρόλο στη μετάδοση μιας δύναμης από ένα άτομο σε ένα άλλο. Όμως, σύμφωνα με τον Faraday, ο χώρος δεν μπορεί να αποτελεί την αιτία για τη δημιουργία φυσικών φαινομένων: για να χρησιμοποιήσουμε τα λόγια του, «ο απλός χώρος δεν μπορεί να δράσει, όπως δρα η ύλη».

Προς αντικατάσταση της ατομικής θεωρίας ο Faraday πρότεινε ότι η ύλη αποτελείται από μια συνεχή κατανομή δυνάμεων, που εκτείνονται σε όλο το χώρο. Τα σωματίδια που την αποτελούν αναπαρίστανται ως «κέντρα δυνάμεων» στο χώρο. Η ύλη, σύμφωνα με αυτή την άποψη, δεν αποτελείται από αδιαπέραστες και αδιαίρετες οντότητες• επομένως είναι δυνατόν μια υλική ουσία να διαπερνά μια άλλη. Αυτή η θεώρηση της ύλης μπορούσε να εξηγήσει πώς μεταδίδεται μια δύναμη από το ένα σωματίδιο στο άλλο, αφού «η ύλη θα είναι καθ' ολοκληρίαν συνεχής• θεωρώντας ένα σώμα δεν είμαστε υποχρεωμένοι να υποθέσουμε ότι υπάρχει διάκριση μεταξύ των ατόμων του και του χώρου που παρεμβάλλεται ανάμεσά τους».

Η έννοια των δυναμικών γραμμών απέκτησε άμεσο εμπειρικό περιεχόμενο μέσω των μαγνητικών φαινομένων. Εάν σκορπίσουμε ρινίσματα σιδήρου πάνω από ένα μαγνήτη σχηματίζονται κάποιες μορφές. Οι μορφές αυτές αντιστοιχούν στις μαγνητικές

δυναμικές γραμμές, που με αυτό τον τρόπο γίνονται ορατές. Από το 1852 και μετά ο Faraday πίστευε ότι οι δυναμικές γραμμές είναι υπαρκτές οντότητες και όχι κάποιες αναπαραστάσεις της πραγματικότητας.

Οι πλευρές του έργου του Faraday που έχουμε εξετάσει ως τώρα αφορούσαν φαινόμενα στα οποία μια φυσική «δύναμη», π.χ. ο ηλεκτρισμός, μετατρέπεται σε μια άλλη, π.χ. στο μαγνητισμό. Αυτό δεν αποτελεί σύμπτωση, καθώς η ιδέα της ενότητας και της μετατροπής των φυσικών δυνάμεων έπαιζε καθοριστικό ρόλο στις έρευνες του Faraday. Στη δεκαετία του 1830, για παράδειγμα, έκανε μια σειρά πειραμάτων με στόχο τη διερεύνηση της σχέσης ηλεκτρικών και χημικών φαινομένων, θεωρώντας ότι η προδιάθεση που έχουν μερικές ουσίες να ενωθούν με κάποιες άλλες έχει ηλεκτρική προέλευση. Ο Faraday πίστευε ότι η αλληλεξάρτηση των φυσικών δυνάμεων ήταν αποτέλεσμα της διατήρησης τους. Οι φυσικές δυνάμεις δεν ήταν δυνατόν ούτε να καταστραφούν ούτε να δημιουργηθούν εκ του μηδενός, και η φαινομενική εξαφάνιση μιας δύναμης συνοδευόταν πάντα από την εμφάνιση μίας άλλης. Δηλαδή, τα φαινόμενα εξαφάνισης και δημιουργίας φυσικών δυνάμεων ήταν φαινόμενα μετατροπής μιας δύναμης σε μια άλλη. Όπως αναφέρει χαρακτηριστικά το 1845 σε ένα άρθρο για τη δράση του μαγνητισμού στο φως, «οι διάφορες μορφές με τις οποίες εκδηλώνονται οι δυνάμεις της ύλης έχουν μια κοινή προέλευση• ή, με άλλα λόγια, σχετίζονται τόσο άμεσα και είναι τόσο αμοιβαία εξαρτημένες, που είναι μετατρέψιμες ... η μία στην άλλη».

Την ίδια χρονιά εισήγαγε τον όρο «μαγνητικό πεδίο». Το πεδίο θα μπορούσε να ερμηνευτεί με δύο τρόπους: 1) ως πεδίο δυνάμεων, δηλαδή ως ένας αυθύπαρκτος φορέας, μέσω του οποίου μεταδίδονται οι δυνάμεις μεταξύ των σωμάτων, 2) ως ιδιότητα ενός μέσου, του αιθέρα, που διαπερνά όλο το χώρο. Το μέσο αυτό θα μπορούσε να είναι συνεχές ή να αποτελείται από διακριτά σωματίδια. Έως τα μέσα της δεκαετίας του 1840 ο Faraday υιοθετούσε τη δεύτερη ερμηνεία. Οι ηλεκτρομαγνητικές δράσεις μεταδίδονταν μέσω των σωματιδίων που αποτελούσαν το «διηλεκτρικό μέσο». Στη συνέχεια υιοθέτησε μια άποψη του πεδίου, ως αυθύπαρκτης οντότητας, και εξήγησε τη μετάδοση των δυνάμεων με βάση την έννοια των δυναμικών γραμμών.

Και στις δύο αυτές εκδοχές του πεδίου ο ακριβής μηχανισμός μετάδοσης των δυνάμεων, η διατύπωση, δηλαδή, του νόμου της μετάδοσης των ηλεκτρικών και των μαγνητικών δυνάμεων δεν είχε ακόμη προσδιοριστεί. Αυτόν ακριβώς το μηχανισμό, τη μετάδοση των δυνάμεων, επιχείρησε να εξηγήσει ο Maxwell, δημιουργώντας διάφορα μηχανικά μοντέλα του αιθέρα.

Εικόνα

James Clerk Maxwell
(1831-1879)

2.3 Η σύνθεση τον Maxwell

Το έργο του Faraday συνεχίστηκε από τον J.C. Maxwell (1831-1879). Οι προσπάθειες του Maxwell στόχευαν στη μαθηματικοποίηση των ιδεών του Faraday και στη δημιουργία ενός μοντέλου του αιθέρα, που θα ήταν σε θέση να εξηγήσει τη μετάδοση των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων. Στις δεκαετίες του 1850 και του 1860 ο Maxwell δημιουργεί μια μαθηματικά διατυπωμένη θεωρία των ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων, σύμφωνα με την οποία τα φαινόμενα αυτά προκύπτουν από τις κινήσεις υλικών σωματιδίων και μεταδίδονται μέσω του αιθέρα. Ο αιθέρας, σύμφωνα με τον Maxwell, αποτελούνταν επίσης από σωματίδια, που ήταν οι ενδιάμεσοι φορείς για τη μετάδοση των δυνάμεων.

Η πρώτη εργασία του για το πεδίο είχε τίτλο «On Faraday's lines of force» [Περί των δυναμικών γραμμών του Faraday, 1856], Η έννοια των δυναμικών γραμμών του κίνησε το ενδιαφέρον λόγω της γεωμετρικής υφής της. Ο Maxwell, που ενδιαφερόταν ιδιαίτερα για τη γεωμετρία, θεωρούσε ότι αυτή η έννοια θα μπορούσε να εκφράσει γεωμετρικά την κατανομή των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων στο χώρο. Οι δυναμικές γραμμές, στην εργασία του 1856, αντιπροσωπεύουν τις διευθύνσεις αυτών των δυνάμεων. Παρά το ότι είχε υιοθετήσει την ιδέα του Faraday περί δυναμικών γραμμών, απέρριψε τη φυσική ερμηνεία που τους είχε προσδώσει ο Faraday. Η έννοια των δυναμικών γραμμών, σύμφωνα με το Maxwell, είχε γεωμετρική και όχι φυσική σημασία.

Στην επόμενη εργασία του για το πεδίο «On physical lines of force» [Περί των φυσικών δυναμικών γραμμών, 1861-62] επιχείρησε μια μηχανιστική ερμηνεία του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, βάσει ενός μηχανικού μοντέλου του αιθέρα. Σύμφωνα με το μοντέλο αυτό ο αιθέρας ήταν ένα ρευστό, το οποίο αποτελούνταν από περιστρεφόμενους στροβίλους. Η περιστροφή γειτονικών στροβίλων με την ίδια φορά ήταν δυνατή, διότι μεταξύ τους παρεμβάλλονταν σφαιρικά σωματίδια, που λειτουργούσαν ως ενδιάμεσοι τροχοί κίνησης. Η περιστροφή των στροβίλων αντιστοιχούσε στην ύπαρξη ενός μαγνητικού πεδίου, του οποίου η ένταση εξαρτιόταν από τη γωνιακή ταχύτητα των στροβίλων. Εάν το μαγνητικό πεδίο ήταν ανομοιογενές, δηλαδή εάν οι γειτονικοί στρόβιλοι είχαν διαφορετικές γωνιακές ταχύτητες, αυτό θα προσέδιδε στους ενδιάμεσους τροχούς κίνησης μια μεταφορική κίνηση, δηλαδή θα είχε ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός ηλεκτρικού ρεύματος.

Στο Maxwell ήταν σαφές ότι αυτό το μηχανικό μοντέλο του αιθέρα ήταν μια χρήσιμη υπόθεση, που παρείχε μια μηχανιστική εξήγηση του πεδίου, χωρίς να θεωρεί ότι ανταποκρίνεται στη φυσική πραγματικότητα. Με βάση αυτό το μοντέλο ο Maxwell υπολόγισε την ταχύτητα διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών διαταραχών. Το αποτέλεσμα αυτού του υπολογισμού ήταν ότι η ταχύτητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων συνέπιπτε με την ταχύτητα του φωτός, την οποία είχε μετρήσει με ακρίβεια ο Η. Fizeau το 1849. Αυτή η σύμπτωση οδήγησε το Maxwell στο συμπέρασμα «ότι το φως αποτελείται από τους εγκάρσιους κυματισμούς τον ίδιου μέσον που είναι η αιτία των ηλεκτρικών και μαγνητικών φαινομένων» (Maxwell, 1862). Βλέπουμε, λοιπόν, ότι μέσω μιας υπόθεσης για τη δομή του αιθέρα ο Maxwell πέτυχε την ενοποίηση των οπτικών και των ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων. Αυτή η επιτυχία ενίσχυσε την πεποίθησή του στην ύπαρξη του αιθέρα, τον οποίο θεωρούσε ως την καλύτερα επιβεβαιωμένη οντότητα της φυσικής φιλοσοφίας!

Στην επόμενη εργασία του για το πεδίο «Α dynamical theory of the electromagnetic field» [Μια δυναμική θεωρία του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, 1865] απέφυγε τη διατύπωση ενός συγκεκριμένου μηχανικού μοντέλου του αιθέρα, θεωρώντας απλώς ότι ο αιθέρας είναι ένα μέσο που διαθέτει ενέργεια, κινητική και δυναμική. Η κινητική ενέργεια του αιθέρα αντιστοιχούσε στην ενέργεια του μαγνητικού πεδίου, ενώ η δυναμική ενέργειά του αντιστοιχούσε στην ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου. Η θεωρία του Maxwell ήταν «μια θεωρία του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, διότι έχει να κάνει με το χώρο στη «γειτονιά» των ηλεκτρικών και μαγνητικών σωμάτων». Εξακολουθούσε να είναι μια μηχανιστική θεωρία, διότι βασιζόταν στην ιδέα ότι η κίνηση υλικών σωματιδίων μέσα στον αιθέρα ήταν η πηγή των ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων.



Το έργο του Maxwell αντιπροσωπεύει και τις τρεις κυρίαρχες τάσεις στην επιστήμη του 19ου αιώνα: τη μαθηματικοποίηση των φυσικών θεωριών, την ενοποίηση διαφορετικών περιοχών της φυσικής και τη μηχανιστική ερμηνεία των φυσικών φαινομένων. Η μαθηματικοποίηση της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας φτάνει στο απόγειο της, όταν οι θεωρητικές έρευνες του Maxwell καταλήγουν στη διατύπωση τεσσάρων εξισώσεων, που διέπουν τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. Οι εξισώσεις αυτές ενοποιούν τα ηλεκτρικά, τα μαγνητικά και τα οπτικά φαινόμενα. Αντιπροσωπεύουν μια σύνθεση των γνώσεων που είχαν συσσωρευτεί έως τότε για όλες αυτές τις κατηγορίες φαινομένων, μια σύνθεση της οποίας η σημασία στην ιστορία της επιστήμης είναι αντίστοιχη με τη σημασία της νευτώνειας σύνθεσης στο τέλος του 17ου αιώνα.

Η σύνθεση του Maxwell οδήγησε στην πρόβλεψη ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα μεταδίδονται στον αιθέρα με την ταχύτητα του φωτός. Το 1888 ο Γερμανός φυσικός Heinrich Hertz (Χερτς, 1857-1894) ανακαλύπτει πειραματικά τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα και επιβεβαιώνει με αυτό τον τρόπο τη θεωρία του Maxwell. Στην

Ηπειρωτική Ευρώπη, έως την ανακάλυψη του Hertz, ανθούσαν διάφορες ηλεκτρομαγνητικές θεωρίες, που περιέγραφαν τις ηλεκτρικές και μαγνητικές δυνάμεις ως δυνάμεις που δρουν ακαριαία εξ αποστάσεως, χωρίς τη μεσολάβηση του πεδίου. Τα πειράματα του Hertz συνετέλεσαν στην εγκατάλειψη αυτών των θεωριών και στην εδραίωση της έννοιας του πεδίου. Επίσης, πρέπει να αναφερθεί ότι η ανακάλυψη του είχε τεράστια τεχνολογική σημασία, γιατί οδήγησε στην κατασκευή του ασύρματου τηλέγραφου και στην ανάπτυξη των τηλεπικοινωνιών.

Η τρίτη τάση στην φυσική του 19ου αι., η μηχανιστική θεώρηση των φυσικών φαινομένων, επίσης αντανακλάται στο έργο του Maxwell. Η ενέργεια του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου ήταν, σύμφωνα με το Maxwell, η μηχανική ενέργεια του αιθέρα. Η έννοια της ενέργειας, δηλαδή, έδωσε τη δυνατότητα για μια μηχανιστική εξήγηση των ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων. Η έννοια αυτή πήρε τη μορφή που ξέρουμε σήμερα και διαχωρίστηκε σαφώς σε κινητική και σε δυναμική, στα μέσα του 19ου αιώνα. Η ιστορική διαδρομή, που οδήγησε στη διατύπωση της έννοιας της ενέργειας, καθώς και στην αρχή της διατήρησής της, αποτελούν το θέμα της επόμενης ενότητας.