John James Waterston

John James Waterston (1811 – 18 de junio de 1883) fue un físico escocés y un pionero olvidado de la teoría cinética de los gases .

El padre de Waterston, George, era un fabricante de lacre y papelero de Edimburgo , pariente de la familia Sandeman, Robert , y de su hermano George. John nació, el sexto de nueve hijos, en una familia con un gran interés por la literatura, la ciencia y la música. Se educó en la escuela secundaria de Edimburgo antes de convertirse en aprendiz de ingeniero civil con los señores Grainger y Miller. Sus empleadores lo alentaron a asistir a conferencias en la Universidad de Edimburgo . Estudió matemáticas y física con Sir John Leslie , además de asistir a conferencias sobre química , anatomía y cirugía y convertirse en un participante activo en la sociedad literaria estudiantil.

A los diecinueve años, Waterston publicó un artículo en el que proponía una explicación mecánica de la gravitación , ^[1] explicando la acción a distancia en términos de partículas en colisión y analizando las interacciones entre el movimiento lineal y rotacional que desempeñarían un papel en su teoría cinética posterior. Propuso que el éter está hecho de pequeñas partículas cilíndricas y que las colisiones con partículas de materia grandes transferirían el movimiento rotacional a un movimiento lineal, aumentando localmente la velocidad de las partículas del éter, lo que, según él, reduciría la densidad del éter y crearía una fuerza de atracción.

Waterston se mudó a Londres a los veintiún años, donde trabajó como topógrafo de ferrocarriles , convirtiéndose en asociado de la Institución de Ingenieros Civiles y publicando un artículo sobre un método gráfico para planificar movimientos de tierra . Los viajes y las interrupciones asociadas con su trabajo de topografía le dejaron a Waterston poco tiempo para continuar con sus estudios, por lo que se unió al departamento de hidrografía del Almirantazgo bajo el mando de Francis Beaufort . Fue Beaufort quien, en 1839, apoyó a Waterston para el puesto de instructor naval para cadetes de la Compañía de las Indias Orientales en Bombay . El puesto le vino bien a Waterston, que pudo continuar con su lectura e investigación en la biblioteca del Grant College .

Basándose en su teoría de la explicación mecánica de la gravedad, fue el primero en desarrollar la teoría cinética, independientemente de las explicaciones parciales anteriores e igualmente descuidadas de Daniel Bernoulli y John Herapath . La publicó, a sus expensas, en su libro Thoughts on the Mental Functions (1843). Derivó correctamente todas las consecuencias de la premisa de que la presión de los gases es una función del número de moléculas por unidad de volumen , N ; masa molecular , M ; y velocidad cuadrática media molecular , . Estableció la relación: ${\displaystyle {\bar {v^{2}}}}$

${\displaystyle P=NM{\bar {v^{2}}}}$.

Waterston se sintió motivado a pensar en una teoría ondulatoria del calor por analogía con la teoría ondulatoria de la luz y algunos experimentos de James Forbes y Macedonio Melloni sobre el calor radiante . Su afirmación de que ... en medios mixtos la velocidad molecular cuadrática media es inversamente proporcional al peso específico de las moléculas se ha considerado como la primera afirmación del teorema de equipartición para el movimiento de traslación. Waterston comprendió que, mientras que la energía cinética de una molécula individual con velocidad es , la energía térmica es proporcional a la temperatura . Esa idea lo llevó a derivar la ley de los gases ideales : ${\estilo de visualización v}$$estilo de visualización {\frac {1}{2}}mv^{2}}$${\estilo de visualización T}$

${\displaystyle {\frac {PV}{T}}={\mbox{una constante}}}$.

La publicación tuvo poco impacto, quizás por el título. En 1845, presentó su teoría a la Royal Society , bajo el patrocinio de Beaufort, pero fue rechazada. El árbitro Sir John William Lubbock escribió: El artículo no es más que una tontería.

Al no poder recuperar una copia de su artículo (no había hecho una copia para sí mismo antes de enviarlo a la Royal Society), reescribió el trabajo y trató de publicitarlo en otros lugares, atrayendo poca atención, salvo por parte de William John Macquorn Rankine y Hermann von Helmholtz, a través de quienes pudo haber influido en August Krönig . La teoría ganó aceptación solo cuando fue propuesta por Rudolf Clausius y James Clerk Maxwell en la década de 1850, momento en el que la contribución de Waterston ya había sido olvidada.

En 1857 regresó a Edimburgo para investigar sus propias ideas físicas, pero se topó con un desdén y un rechazo inquebrantables por parte de la comunidad científica. El desdén se vio exacerbado por su creciente reclusión y hostilidad hacia las sociedades científicas. Trabajó en acústica , astronomía , mecánica de fluidos y termodinámica .

En 1858, 27 años después de publicar su teoría de la explicación mecánica de la gravedad y 15 años después de publicar la teoría cinética, continuó presionando para que otros exploraran sus ideas sobre la gravedad sin mucho éxito. ^[2]

Abandonó su casa de Edimburgo el 18 de junio y se ahogó en un canal cercano, posiblemente cayendo al canal debido al estrés térmico provocado por sus actividades de observación astronómica. ^[3]

Como se ha comentado anteriormente, el artículo de Waterston presentado a la Royal Society fue rechazado. Algunos años después de la muerte de Waterston, Lord Rayleigh (Secretario de la Royal Society en aquel momento) logró sacarlo de los archivos de la Royal Society. Finalmente, el artículo de Waterston se publicó en Philosophical Transactions of the Royal Society en 1892 (véase más abajo).

Rayleigh consideró que el caso de Waterston no era una aberración, sino la norma: ^[4]

"La historia del artículo [de Waterston] sugiere que las investigaciones altamente especulativas, especialmente las de un autor desconocido, se presentan mejor al mundo a través de algún otro canal que no sea una sociedad científica, que naturalmente duda en admitir en sus registros impresos material de valor incierto. Tal vez se pueda ir más allá y decir que un autor joven que se cree capaz de grandes cosas normalmente haría bien en asegurarse el reconocimiento favorable del mundo científico con un trabajo cuyo alcance sea limitado y cuyo valor se pueda juzgar fácilmente, antes de embarcarse en vuelos más altos".

• John Herapath , otro físico inglés contemporáneo que también trabajó en la teoría cinética y cuyo trabajo también fue ignorado en su época.

• JJ Waterston, "Sobre la física de los medios que están compuestos de moléculas libres y perfectamente elásticas en estado de movimiento", Philosophical Transactions of the Royal Society of London A, vol. 183 (1892), pp. 1–79. (Nota: Waterston murió en 1883 y su artículo fue publicado algunos años después de su muerte.)
• Haldane, JS (ed.) (1928) The Collected Scientific Papers of John James Waterston , incluida una biografía de Haldane.
• Brush, SG (1957) "El desarrollo de la teoría cinética de los gases: II. Waterston", Anales de la Ciencia , vol. 13, págs. 275-282
• - (1961) "John James Waterston y la teoría cinética de los gases", American Scientist , vol. 49, págs. 202-214
• Daub, EE (1970) "Waterston, Rankine y Clausius sobre la teoría cinética de los gases", Isis vol. 61, pp105–106

• O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F. , "John James Waterston", Archivo de Historia de las Matemáticas MacTutor , Universidad de St Andrews
• Pioneros olvidados: John Herapath