James Clerk Maxwell
De Viquipèdia
 James Clerk Maxwell |
|
| Naixement | 13 de juny de 1831 Edimburg, Escòcia |
|---|---|
| Mort | 5 de novembre de 1879 Cambridge, Anglaterra |
| Residència |  Escòcia |
| Nacionalitat | Escocès |
| Camp | Matemàtic i físic |
| Universitat | Universitat de Cambridge |
| Conegut per | Equacions de Maxwell, Distribució de Maxwell |
| Premis importants | Medalla Rumford, Premi Adams |
| Religió | Cristià |
James Clerk Maxwell (13 de juny de 1831 – 5 de novembre de 1879) fou un matemàtic i físic teòric escocès. El seu èxit més important va ser la formulació d'un conjunt d'equacions epònimes —conegudes com equacions de Maxwell— que per primera volta expressà les lleis bàsiques de l'electricitat i el magnetisme d'un mode unificat. També va desenvolupar la distribució de Maxwell, una estadística que pretén descriure aspectes de la teoria cinètica dels gasos. Aquests dos descobriments contribuïren a inaugurar l'era de la física moderna, assentant els fonaments per als futurs treballs en camps com la relativitat especial i la mecànica quàntica. Maxwell és també conegut per haver creat la primera càmera fotogràfica de colors combinats el 1861, mitjançant el sistema de la síntesi additiva.
| « | (Els treballs de Maxwell) ... el més profund i profitós que ha experimentat la física des dels temps de Newton. | » |
|
—Albert Einstein, The Sunday Post[1] |
||
La majoria de la il·lustre carrera de Maxwell tingué lloc a la Universitat de Cambridge, on les seves investigacions sovint feien ús de la seva aptitud matemàtica, recorrent a elements de la geometria i l'àlgebra. Amb aquestes destreses, Maxwell fou capaç de demostrar que els camps elèctric i magnètic viatgen a través de l'espai en forma d'ones i a la velocitat constant de la llum. Finalment, el 1861 Maxwell va escriure una publicació dividida en quatre parts en el Philosophical Magazine anomenada Sobre les línies físiques de força on va proposar per primer cop que la llum era de fet ondulacions en el propi medi, que és la causa del fenòmen elèctric i magnètic.
Maxwell és considerat per molts, especialment per aquells que treballen en el camp de la física, com el científic del segle XIX que més va influir la física del segle XX. Molts consideren que les seves aportacions a la física són de la mateixa magnitud que les d'Isaac Newton i Albert Einstein.[2]
Taula de continguts |
[edita] Biografia
[edita] Primers anys i educació
James Clerk Maxwell nasqué el 13 de juny de 1831 a Edimburg, Escòcia, fill de John Clerk i Frances (de soltera Cay) Maxwell. El seu lloc de naixement, el número 14 d'India Street, ara és l'emplaçament del ICMS (Centre Internacional per a les Ciències Matemàtiques). Per aquella època el físic Michael Faraday estava a punt de completar el seu treball sobre inducció magnètica, un concepte sobre el qual Maxwell es basaria més tard.
Maxwell va créixer a la finca del seu pare en la ruralia d'Escòcia. El seu pare el va encoratjar per a què perseguís els seus interessos científics i matemàtics. Maxwell entrà a la universitat a l'edat de 16 anys i amb el temps es va graduar amb honors en matemàtiques. Tots els indicis suggereixen que Maxwell havia mantingut una inextingible curiositat des de ben jove. Als tres anys, qualsevol cosa que es movia, brillava o feia soroll cridava la seva atenció.[3] En una carta a la seva germana Jane Cay el 1834, sa mare descriu aquest innat sentit de la curiositat:
És un xiquet molt feliç i ha progressat molt des que el temps ha esdevingut més moderat; les portes, els panys, les claus, etc., l'engresquen molt i no para de repetir 'ensenya'm com es fa'. També investiga el curs ocult dels corrents i dels cables dels timbres, com l'aigua passa de l'estany a través de la paret...[2]
En adonar-se del potencial del jove Maxwell, la seva mare Frances es féu responsable de la seva educació infantil, que en l'època victoriana era en bona mesura la feina de les dones que servien a la casa. Però va emmalaltir —probablement de càncer— i morí el 1839. El seu pare, John Clerk Maxwell, es va fer càrrec de l'educació del seu fill, amb l'ajuda de la seva cunyada Jane Cay, ambdós van jugar papers fonamentals en la vida de James. La seva educació formal començà, sense èxit, sota l'orientació d'un tutor contractat. No se sap gaire sobre l'home que el pare de James va contractar per a alliçonar el seu fill, excepte que va tractar el noi amb molta severitat. La seva filosofia educativa es basava en la intimidació, sovint física. James mai no va respondre bé a la instrucció del tutor; reganyava el seu estudiant per ésser lent i desobedient. Després d'una recerca considerable, John Maxwell envià James a l'Acadèmia d'Edimburg. El seu malnom a l'escola era «Dafty» («sonat» o «badoc») perquè el primer dia de classe dugué sabates de fabricació casolana.
Maxwell fou captivat per la geometria a una edat precoç, redescobrint els políedres regulars abans de qualsevol ensenyament formal. Molt del seu talent, però, va passar desapercebut i el seu treball acadèmic romangué sense notorietat fins que el 1845, a l'edat de 13 anys, va guanyar la medalla de matemàtiques de l'escola i els primers premis a les categories de llengua i versos en anglès. Com a primera creació de treball innovador, a l'edat de 14, Maxwell escrigué un assaig descrivint tècniques mecàniques per a dibuixar corbes matemàtiques amb un tros de cordill i les propietats d'el·lipses i corbes amb més de dos focus. Aquest treball, Corbes ovals, fou publicat per la Royal Society d'Edimburg i malgrat que demostra la curiositat de Maxwell a una edat ben jove, és important assenyalar que el treball en si mateix no era matemàticament profund. A diferència d'altres ments excepcionals, com ara Gauß, Pascal o Mozart, Maxwell no va ser un nen prodigi. El seu talent natural més aviat maduraria lentament.
[edita] Joventut
Maxwell abandonà l'Acadèmia i començà a assistir a les classes de la Universitat d'Edimburg. Va tenir l'oportunitat d'ingressar a Cambridge després del primer trimestre, però en comptes d'això Maxwell va decidir completar els tres trimestres dels seus estudis universitaris a Edimburg. La raó principal fou que Cambridge era massa lluny de casa i només hauria pogut veure el seu pare dos cops l'any. Una altra raó fou la preocupació de Maxwell sobre el seu futur. Volia ser científic, però les feines científiques eren escasses en aquell temps i hauria estat molt més difícil obtenir un lloc com a ensenyant en una universitat tan prestigiosa com Cambridge. En conseqüència, Maxwell va completar els seus estudis a Edimburg en filosofia natural, filosofia moral i filosofia de la ment amb Sir William Hamilton. L'any del seu divuitè aniversari contribuí amb dos articles en el Transactions of the Royal Society of Edinburgh —un dels quals, Sobre l'equilibri dels sòlids elàstics, va establir els fonaments per a una important descoberta que faria posteriorment en la seva vida: la doble refracció temporal produïda en els líquids viscosos per la tensió de cisalla.
El 1850, Maxwell va marxar a la Universitat de Cambridge, inicialment a Peterhouse, però finalment l'abandonà per la Trinity College, on segons creia era més fàcil aconseguir una beca. A Trinity, fou elegit per la societat secreta coneguda com els Apòstols de Cambridge. El novembre de 1851, Maxwell va estudiar amb el tutor William Hopkins (conegut com el «productor de wranglers», estudiants que acaben el tercer any de carrera amb les millors qualificacions). Durant el temps en què Maxwell estudiava la carrera universitària a Trinity, es va completar una part considerable de la interpretació de les seves equacions d'electromagnetisme.
El 1854, Maxwell es graduà amb un títol com a second wrangler en matemàtiques a Trinity (és a dir, obtenint la segona puntuació més alta a l'examen final de matemàtiques) i fou declarat igual al senior wrangler del seu any en la prova, bastant més exigent, de l'examen per al premi Smith (això és, al mateix nivell que el primer de la seva promoció). Immediatament després de prendre el seu títol de graduat, va llegir davant de la Societat Filosòfica de Cambridge una memòria original, Sobre la transformació de superfícies per flexió. Aquest és un dels pocs documents purament matemàtics que va publicar i immediatament va mostrar als experts tota la genialitat del seu autor. Per la mateixa època, aparegué la seva elaborada memòria, Sobre les línies de força de Faraday, en la qual donava el primer indici d'algunes de les investigacions sobre electricitat que culminaren en el treball més formidable de la seva vida.
Del 1855 al 1872, va publicar a intèrvals una sèrie de valuoses investigacions relacionades amb Percepció del color i Daltonisme, per la primera de les quals va rebre la medalla Rumford de la Royal Society el 1860. Els instruments que dissenyà per a aquestes investigacions eren senzills i còmodes d'utilitzar. Per exemple, va emprar els anomenats discos de Maxwell per a comparar una barreja variable dels tres colors primaris amb un color de mostra, observant el color únic que apareixia en girar-los ràpidament. El 1856, Maxwell fou nomenat per a la càtedra de Filosofia Natural al Marischal College, Aberdeen, que va mantenir fins a la fusió de les dues universitats d'Aberdeen el 1860.
El 1859, va guanyar el premi Adams a Cambridge per un assaig innovador, Sobre l'estabilitat dels anells de Saturn, en el qual conclogué que els anells no podien ser completament sòlids o fluids. Maxwell va demostrar que l'estabilitat podria presentar-s'hi únicament si els anells consistiren en nombroses petites partícules sòlides, que ell anomenava «rocall». També va refutar matemàticament la hipòtesi nebular (que afirmava que el sistema solar s'havia format per la condensació progressiva d'una nebulosa difusa), obligant la teoria a donar explicacions sobre les porcions addicionals de petites partícules sòlides.
El 1860, va ser professor en el King's College de Londres. El 1861, Maxwell fou escollit per a la Royal Society. Durant aquest temps, va fer recerca sobre l'elasticitat dels sòlids i la geometria pura.
[edita] Teoria cinètica
La recerca sobre la teoria cinètica dels gasos va ésser una de les més grandioses de Maxwell. Iniciada amb Daniel Bernoulli, aquesta teoria anà avançant amb les aportacions successives de John Herapath, John James Waterston, James Joule i particularment Rudolf Clausius, fins al punt de situar la seva exactitud fora de qualsevol dubte; però va rebre un enorme desenvolupament per part de Maxwell, qui va aparèixer en aquest camp tant com a experimentador (sobre les lleis de la fricció gasosa) com a matemàtic.
El 1865, Maxwell es traslladà a la residència del seu pare a Glenlair, Kirkcudbrightshire, Escòcia. El 1868, renuncià a la seva Càtedra de Física i Astronomia en el King's College, Londres.
El 1866, va formular estadísticament, independentment de Ludwig Boltzmann, la teoria cinètica dels gasos Maxwell-Boltzmann. La seva fórmula, anomenada distribució de Maxwell, proporciona la fracció de molècules de gas que es mouen a una velocitat específica a una temperatura donada. En la teoria cinètica, les temperatures i la calor només impliquen moviment. Aquest enfocament va generalitzar la llei de la termodinàmica prèviament establerta i va explicar les observacions i els experiments existents millor de com s'havia aconseguit anteriorment. Els estudis de Maxwell sobre termodinàmica el portaren a idear l'experiment mental que es coneix amb el nom de paradoxa o dimoni de Maxwell.
[edita] Electromagnetisme
Maxwell va consagrar la labor més extensa de la seva vida a l'electricitat. La seva contribució més important va ser l'ampliació i la formulació matemàtica de treballs previs sobre electricitat i magnetisme de Michael Faraday, André-Marie Ampère i altres en un conjunt interrelacionat d'equacions diferencials (originalment, 20 equacions amb 20 variables, posteriorment reformulades en un quaternió i notacions basades en vectors). Aquestes equacions, conegudes ara col·lectivament com equacions de Maxwell, foren presentades per primera vegada a la Royal Society el 1864 i juntes descriuen el comportament dels camps elèctric i magnètic, així com les seves interaccions amb la matèria.
Maxwell va mostrar que les equacions prediuen l'existència d'ones de camps elèctrics i magnètics oscil·latoris que viatgen pel buit a una velocitat que es podria conèixer mitjançant experiments senzills; fent servir les dades disponibles aleshores, Maxwell va obtenir una velocitat de 310.740.000 m/s. En Una teoria dinàmica del camp electromagnètic, un assaig de 1864, Maxwell escrigué:
- La concordança dels resultats sembla revelar que la llum i el magnetisme són afeccions de la mateixa substància i que la llum és una pertorbació electromagnètica propagada a través del camp d'acord amb les lleis electromagnètiques.
Es va demostrar que la teoria de Maxwell era correcta i la seva connexió quantitativa entre llum i electromagnetisme es considera un dels grans triomfs de la física del segle XIX.
Per aquell temps, Maxwell creia que la propagació de la llum requeria un medi per a les ones, anomenat èter lumínic. Gradualment, l'existència de tal medi, aparentment indetectable pels instruments mecànics malgrat que impregnava tot l'espai, era cada vegada més difícil de conciliar amb experiments com el de Michelson-Morley. Encara més, precisava d'un sistema de referència absolut en el qual les equacions eren vàlides, amb el resultat desagradable que aquestes canviaven de forma per a un observador en moviment. Aquests esculls motivaren Albert Einstein a enunciar la teoria de la relativitat especial i en el procés Einstein prescindí de la necessitat d'un èter lumínic.
[edita] Teoria de control
Maxwell publicà un famós article, Sobre els reguladors en les Actes de la Royal Society, vol. 16 (1867-1868). Aquest article sol considerar-se un document clàssic dels primers temps de la teoria de control. (Si us plau, mireu les publicacions més avall)
[edita] Maduresa, mort i anys posteriors
Maxwell també va fer contribucions a l'àrea de l'òptica i la visió en color, amb el descobriment que les fotografies en color podien formar-se utilitzant filtres vermells, verds i blaus. Va fer que el fotògraf Thomas Sutton fotografiara una cinta de tartà tres voltes, cada volta amb un filtre de color diferent sobre la lent. Les tres imatges van ser revelades i tot seguit projectades en una pantalla amb tres projectors diferents, cada un provist del mateix filtre de color usat per a captar la seva imatge. Quan s'enfocaven, les tres imatges formaven una imatge completament en color. Les tres plaques fotogràfiques es troben en un petit museu en el número 14 d'India Street a Edimburg, la casa on va néixer Maxwell.
Maxwell guanyà la Medalla Rumford concedida per la Royal Society de Londres pels seus treballs sobre daltonisme. Va escriure un admirable llibre de text de la Teoria de la calor (1871) i un tractat elemental excel·lent sobre Matèria i moviment (1876). Maxwell fou, a més, el primer a fer un ús explícit de l'anàlisi dimensional, també el 1871.
El 1871 fou el primer professor de Física Cavendish a Cambridge. Maxwell va ser l'encarregat del desenvolupament del Laboratori Cavendish. Supervisà cada pas del progrés de fabricacio i compra d'una col·lecció molt valuosa d'aparells finançada pel seu generós fundador, William Cavendish, el 7è Duc de Devonshire (rector de la universitat i un dels seus alumnes més distingits). Una de les darreres contribucions importants de Maxwell a la ciència va ésser l'edició (amb abundants notes originals) de la recerca sobre electricitat de Henry Cavendish, en la qual es fa palès que Cavendish va indagar sobre qüestions com la densitat mitjana de la Terra i la composició de l'aigua, entre altres coses.
Maxwell es casà amb Katherine Mary Dewar als 27 anys, però no varen tenir fills. Va morir a Cambridge de càncer abdominal a l'edat de 48. Fou un cristià devot durant tota la seva vida. Maxwell es troba enterrat a l'església de Parton, prop del Castell Douglas a Galloway, Escòcia.
El 1882 fou publicada l'extensa biografia La vida de James Clerk Maxwell escrita pel professor Lewis Campbell, un antic company d'escola i amic de tota la vida, i el 1890 la Cambridge University Press va editar en dos volums la recopilació dels seus treballs, inclosa la sèrie d'articles sobre les propietats de la matèria, com ara Àtom, Atracció, Acció capil·lar, Difusió, Èter, etc.
[edita] Personalitat
Des del començament de la seva infantesa, la religió va impregnar tots els aspectes de la vida de Maxwell. Tant son pare com sa mare eren feligresos devots (presbiterians i episcopalians) i varen infondre una fe profunda en llur fill. Tota la informació disponible suggereix que Maxwell no va renegar mai, ni en la seva adolescència ni en els anys posteriors de la seva vida, dels principis fonamentals de la seva fe cristiana. Ivan Tolstoy, autor d'una de les biografies de Maxwell, remarcà la freqüència amb la qual els científics que escriuen succintes biografies de Maxwell ometen l'assumpte de la seva religió. És impossible, però, comprendre l'home que era James Clerk Maxwell sense considerar la seva fe.
Com a gran amant de la poesia del seu país, Maxwell va memoritzar poemes i en va escriure els seus propis. El més conegut és El cos rígid canta, clarament basat en Travessant el sègol de Robert Burns, que pel que sembla solia cantar acompanyant-se amb una guitarra. Comença amb els versos imperibles:[1]:
- Si un cos troba un altre cos,
- tot volant per l'aire.
- Si un cos toca un altre cos,
- Volarà? I a on?
El seu amic Lewis Campbell va publicar una col·lecció dels seus poemes el 1882.
[edita] Publicacions
- On the Description of Oval Curves, and those having a plurality of Foci. Procedure of the Royal Society of Edinburgh, Vol. ii. 1846.
- Illustrations of the Dynamical Theory of Gases. 1860.
- On Physical Lines of Force. 1861.
- A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field. 1865.
- Theory of Heat. 1871.
- A Treatise on Electricity and Magnetism. Clarendon Press, Oxford. 1873.
- Molecules. Nature, September, 1873.
- On the Results of Bernoulli's Theory of Gases as Applied to their Internal Friction, their Diffusion, and their Conductivity for Heat.
[edita] Referències
- ↑ McFall, Patrick "Brainy young James wasn't so daft after all" al The Sunday Post, 23 d'abril del 2006
- ↑ 2,0 2,1 Tolstoy, Ivan (1981). James Clerk Maxwell: A Biography, Edinburgh: Cannongate, 12. ISBN 086241010X.
- ↑ Mahon, Basil (2003). The Man Who Changed Everything – the Life of James Clerk Maxwell, Hoboken, NJ: Wiley. ISBN 0-470-86171-1.
[edita] Enllaços i recursos
- Campbell, Lewis, "The Life of James Clerk Maxwell". 1882. [Digital Preservation]
- Maxwell, James Clerk, "A Treatise on Electricity & Magnetism". Dover Publications, New York. 1873. ISBN 0-486-60636-8 (Vol. 1) ISBN 0-486-60637-6 (Vol. 2)
- Jack, Peter Michael, "Maxwell-equations: A Brief Note". Physical space as a quaternion structure - I.
- Glenlair Today
- Wolfram Research's Maxwell
- MacTutor's Maxwell
- Victorian Web's Maxwell
- Maxwell and the Christian Proposition
- 1911 Britannica Maxwell
- The James Clerk Maxwell Foundation Including a virtual tour of the museum.
