Maxwell James (Clerk)

fot. Archiwum Ilustracji WN PWN SA © Wydawnictwo Naukowe PWN

Maxwell

[mạ̈ks^uel]

James (Clerk) , ur. 13 VI 1831, Edynburg, zm. 5 XI 1879, Cambridge,

brytyjski fizyk, pionier fizyki XX w..

Urodził się 13 VI 1831 w Edynburgu. Pochodził z zamożnej rodziny. Jego nazwisko rodowe brzmiało Clerk, drugie nazwisko zostało dodane przez ojca, gdy odziedziczył po przodkach o nazwisku Maxwell majątek Middleby. Ojciec jego John, był prawnikiem, a w wolnych chwilach zajmował się wynalazkami. Maxwell od 1841 uczył się w szkole mieszczącej sie przy The Edinburgh Academy. Miał fenomenalną pamięć, bardzo zajmowały go mechaniczne zabawki. W tym czasie (w wieku 14 lat) napisał swą pierwszą pracę naukową (o sposobie zataczania krzywych owalnych). Od 1847 studiował na uniwersytecie w Edynburgu, od 1850 — na uniwersytecie w Cambridge. Od 1856 był profesorem filozofii naturalnej na uniwersytecie w Aberdeen, w latach 1860–65 — profesorem fizyki i astronomii w Kings College w Londynie, od 1871 — fizyki doświadczalnej na uniwersytecie w Cambridge; tam zorganizował i był pierwszym kierownikiem Cavendish Laboratory. W 1861 został członkiem Towarzystwa Królewskiego w Londynie. W 1858 Maxwell ożenił się, był bezdzietny. Zmarł 5 XI 1879 w Cambridge.

Najważniejsze dokonania

Prace Maxwella dotyczyły głównie elektromagnetyzmu, fizyki molekularnej, optyki, mechaniki i teorii sprężystości. Na początku swej kariery naukowej zajmował się badaniem pierścieni Saturna, 1859 wykazał, że pierścienie te są utworzone z licznych małych brył, a nie są ani płynne ani jednolite, jak sądzono. Prowadził też badania z termodynamiki. W 1859 opisał matematycznie rozkład prędkości (pędów) cząsteczek gazu w danej temperaturze (Maxwella rozkład). Zajmował się teorią gazów — interesował się zjawiskami dyfuzji i przewodnictwa cieplnego gazów oraz lepkością gazów. Wprowadził pojęcie „hipotetycznej istoty”, nazwanej później demonem Maxwella (hipotetyczna istota inteligentna, zdolna obalić drugą zasadę termodynamiki przez rozdzielenie gazu na część gorącą i chłodną), często wymienianej w związku z teorią fluktuacji. Podstawowe dzieło dotyczące kinetycznej teorii gazów — On the Dynamical Theory of Gases — złożył 1866 w Towarzystwie Królewskim w Londynie. W latach 1855–72 wykonał kilka prac dotyczących składania barw i widzenia barw; wydedukował, że wszystkie kolory można uzyskać przez mieszanie 3 barw podstawowych (zbudował trójkąt barw). Odkrycie to wykorzystał do wykonania jednej z pierwszych w dziejach fotografii barwnej. W 1864 podał zasadę wzajemnych przemieszczeń (Maxwella twierdzenie o wzajemności przemieszczeń) stosowaną w teorii sprężystości do obliczania układów hiperstatycznych. W opublikowanej 1865 rozprawie A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, na podstawie badań Michaela Faradaya, sformułował równania dające ilościowy opis pola elektromagnetycznego i stanowiące podstawę teorii pola elektromagnetycznego (Maxwella równania). Równania te otworzyły drogę do powstania teorii względności, a uzupełnione o równania Paula Diraca stały się podstawą elektrodynamiki kwantowej. W tym samym roku przedstawił koncepcję elektromagnetycznej natury światła.

Teoria elektromagnetyzmu

W skończonej postaci teorię elektromagnetyzmu zaprezentował Maxwell w — pisanym w latach 1866–70, a opublikowanym 1873 w Oksfordzie — dwutomowym dziele A Treatise on Electricity and Magnetism. W tym epokowym dziele Maxwell podał syntezę elektryczności, magnetyzmu i optyki łącząc te działy w jedną spójną teorię fizyczną zjawisk elektromagnetycznych. Traktat został zredagowany w niecodzienny sposób, ponieważ podzielono go na 866 numerowanych paragrafów zgrupowanych w 57 rozdziałach, które z kolei zostały ułożone w cztery duże części zatytułowane: I. Elektrostatyka; II. Elektrokinematyka; III. Magnetyzm; IV. Elektromagnetyzm. Numeracja wzorów jest osobna dla każdego rozdziału, co utrudnia śledzenie treści. Maxwell pomyślał swe dzieło jako podręcznik, z którego studenci mogą się uczyć o zjawiskach elektromagnetycznych. Z tego powodu przedstawił w nim całość wiedzy o tych zjawiskach, włączając obszerne opisy przyrządów i eksperymentów. Oczywiście najcenniejszą część Traktatu stanowi sama teoria Maxwella.

Główne idee fizyczne, na których Maxwell zbudował teorię pola elektromagnetycznego, były już przedstawione wcześniej. Samą ideę pola wprowadził 1845 Michael Faraday, który jednak nie miał wykształcenia matematycznego i swoje poglądy formułował za pomocą obrazów i pojęć opisowych, jak linie pola. Maxwell przełożył idee Faradaya na ścisły język matematyki. W pracy Dynamiczna teoria pola elektromagnetycznego, ogłoszonej na przełomie 1864/1865, podał po raz pierwszy równania opisujące zjawiska elektryczności i magnetyzmu oraz właściwości wszechobecnego ośrodka światłonośnego, w którym rozchodzą się oddziaływania elektromagnetyczne. Tam też wysunął sugestię, że w przyrodzie istnieją fale elektromagnetyczne, rozchodzące się z taką samą prędkością jak światło.

W Traktacie Maxwella te rozważania zajmują rozdział XX w części IV, zatytułowany Elektromagnetyczna teoria światła. W tym czasie dane eksperymentalne były jeszcze dość ubogie, toteż Maxwell mógł tylko w podsumowaniu napisać, że jego teoria nie przeczy żadnym wnioskom z doświadczeń. Istnienie fal elektromagnetycznych potwierdził dopiero 1877 Heinrich Hertz, już po śmierci Maxwella.

Czytając dziś Traktat Maxwella napotykamy poważne przeszkody, albowiem oryginalne sformułowanie jego teorii elektromagnetycznej bardzo różni się od tego, co dziś przedstawia się pod tą nazwą. Trudno rozpoznać nawet słynne równania Maxwella, ponieważ dziś znamy je w postaci zmodyfikowanej, głównie przez Olivera Heaviside’a. Musimy też zdawać sobie sprawę z tego, że Maxwell miał na celu wyłącznie opis matematyczny obserwowanych zjawisk i nie chciał zagłębiać się w hipotezy dotyczące ich przyczyn. Dziś mówimy o siłach oddziaływania między ładunkami elektrycznymi, podczas gdy Maxwell wystrzegał się nawet traktowania prądu elektrycznego jako prądu materii. Wystarczał mu matematyczny opis działania tego prądu. Traktat o elektryczności i magnetyzmie pozostanie jednak na zawsze wśród najważniejszych dzieł w historii nauk fizycznych.

Zbiorowe wydanie pism Maxwella ukazało się w 1890 w Cambridge: The Scientific Papers of James Clerk Maxwell.

Od nazwiska Maxwella pochodzi m.in. nazwa jednostki strumienia magnetycznego — makswel, także nazwa jednego z rodzajów mostka pomiarowego (mostek Maxwella).