James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell (13 Haziran 1831 – 5 Kasım 1879), İskoç teorik fizikçi ve matematikçi. En önemli başarısı, klasik elektromanyetik teorisinde daha önceden birbirleriyle ilişkisiz olarak gözüken elektrik ve manyetizmanın aynı şey olduğunu kendisine ait olan Maxwell Denklemleri'yle (4 denklem) ispatlamasıdır. Bu denklemler elektrik, manyetik ve optik alanlarında kullanılır. Maxwell Denklemleri sayesinde bu alandaki klasik denklemler ve yasalar basitleştirilmiş oldu. Maxwell'in elektromanyetik alandaki çalışmaları, birincisi Isaac Newton tarafından gerçekleştirilmiş, "fizikteki ikinci büyük birleşme" olarak isimlendirilir.

Maxwell elektrik ve manyetik alanların uzayda dalga formunda sabit ışık hızında ilerlediğini bulmuştur. 1864 yılında Maxwell A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field (Elektromanyetik Alanın Dinamik Teorisi) adlı kitabı yayınlamıştır. Işığın aslında aynı ortamda dalga hareketi yaptığı, bunların da elektriksel ve manyetik bulgular olduğu ilk kez bu kitapta yer almıştır. Elektrik kuvveti ile manyetik kuvveti birleştirdiği elektromanyetizm modeli, fizikteki en önemli gelişmelerden biri olarak kabul edilir.

Maxwell ayrıca gazların kinetik teorisini istatistiksel olarak açıklayan Maxwell-Boltzmann Dağılımı'nın geliştiricilerinden biridir. Bu iki buluş modern fizikte yeni bir çağın başlamasına neden olmuş, özel görelilik ve kuantum mekaniğinin ortaya çıkmasına katkıda bulunmuştur. Maxwell ayrıca 1861'de ilk gerçek renkli fotoğrafı yaratması ve birçok köprünün yapısını oluşturan çubuk-mafsal sistemlerinin esnemezliği (Rijitlik) konusundaki temel oluşturan çalışmalarıyla bilinir.

Birçok fizikçi tarafından 19. yüzyılda yaşayıp 20. yüzyıl fiziğine en büyük katkıyı sağlayan kişi olarak görülür. Maxwell'in bilime katkıları Isaac Newton ve Albert Einstein'ınkilerle eşdeğer görülür. 1999'un sonlarında 100 ileri gelen fizikçiyle gerçekleştirilen milenyum oylamasında Maxwell, tüm zamanların en iyi fizikçileri arasında Einstein ve Newton'dan sonra 3. sırayı almıştır. 1931 yılında Einstein, Maxwell'in doğumgünü töreninde Maxwell'in çalışmasını "Newton'dan sonra fizikte en verimli ve en önemli çalışmadır" diye tanımlamıştır. Einstein çalışma odasının duvarına Michael Faraday ve Isaac Newton'un yanı sıra Maxwell'in de fotoğrafını asmıştı.

James Clerk Maxwell 13 Haziran 1831 tarihinde İskoçya'nın başkenti Edinburgh'da avukat John Clerk Maxwell ve eşi Frances Maxwell'in çocukları olarak dünyaya gelmiştir. Babası Penicuik bölgesinin baronetliğini elinde bulunduran Clerk ailesinden olan varlıklı bir kişi olup, kardeşi 6. baronet unvanı almıştır. Asıl adı John Clerk olan babası, Middlebie, Kirkcudbrightshire kasabasında, soylulardan Maxwell ailesi ile olan bağlantısından kendisine miras kalmasından sonra Maxwell soyadını ekletmiştir.

Maxwell'in anne ve babası o dönemde pek rastlanmayan bir biçimde 30'lu yaşlarına kadar tanışmamış dahası o doğduğunda annesi 40 yaşına yaklaşmıştır. Daha önce Elizabeth adlı bir kızları olmuş ancak ilk döneminde ölmüştür. Yaşayan tek çocuklarına dedesi ve diğer birçok aile büyüğünün anısına James adını koymuşlardır.

Maxwell henüz küçükken ailesi Middlebie kasabasında 6.1 km² üzerine inşa ettirdikleri Glenlair House diye anılan eve taşınmıştır. Eldeki bütün işaretler Maxwell'in daha o yaşta bitmeyen bir merak duygusuna sahip olduğunu göstermiştir. 3 yaşında iken çevresinde hareket eden, ışık saçan, ses çıkaran her şeyi sorguladığı söylenmiştir.

Viktorya dönemi'nde sıkça görüldüğü üzere, potansiyeli kolaylıkla fark edilebilen genç James'in eğitiminden sorumlu kişi annesi Frances'ti. Fakat karın kanserine yakalanan annesi, başarısız bir ameliyattan sonra Aralık 1839'da Maxwell daha 8 yaşındayken hayatını kaybetmiştir. Bundan sonra onunla babası John Maxwell ile kardeşinin karısı Jane ilgilenmiş, ikisi de hayatında önemli rol oynamıştır. Okul hayatı babasının tuttuğu 16 yaşındaki özel hocası gözetiminde kötü başlamıştır. Bu kişi hakkında çok bilgi olmasa da John'a acımasızca davrandığı, yavaş ve dik başlı olduğu gerekçesiyle azarladığı söylenmiştir. Babası 1841 Kasım'ında bu hocayı kovmuş, bunu yerine James'i saygın Edinburgh Akademisi'ne göndermiştir. Buradaki dönemde halası Isabella'nın yanında kalmış, kendisi yetenekli bir ressam olan kuzeni Jemima onu çizime olan tutkusu konusunda cesaretlendirmiştir.

Kırsaldaki evlerinde çevresinden izole bir şekilde büyüyüp 10 yaşına gelen Maxwell, okula uyum sağlayamamıştır. İlk yıl sınıfları dolu olduğu için, kendisinden bir üstteki sınıflara katılmak zorunda kalmıştır. Kendine has davranışları ve sahip olduğu Gallowey aksanı sebebiyle köylü olarak görülmüş, okulun ilk gününde giydiği el yapımı ayakkabı ve giysiler sebebiyle arkadaşları ona salak, deli anlamlarına gelen daftie lakabını takmıştır. Maxwell bu duruma rağmen hiç gücenmiş gibi görünmemiş, şikayet etmeden durumu kabullenmiştir. Akademideki yalnızlığı, sonraki dönemlerde tanınmış isimler haline gelen yaşıtları Lewis Campbell ve Peter Guthrie Tait ile tanıştığında sona ermiş, onlarla ömür boyu dost kalmıştır.

Maxwell ilk döneminde geometri'ye büyük ilgi duymuş, herhangi bir ödev, yönlendirme olmadan düzenli çok yüzlü kavramını yeniden keşfetmiştir. Maxwell'in zekası bu duruma rağmen büyük oranda fark edilememiş; okuldaki ikinci yılında kazandığı kutsal metin ödülüne rağmen, akademik çalışmaları 13 yaşında kazandığı matematik madalyası ile İngilizce-şiir birincilik ödüllerine kadar karşılıksız kalmıştır.

İlk bilimsel makalesini 14 yaşında yazan Maxwell, bu çalışmasında bir parça ip ile oluşturabilen matematiksel eğrilerin mekanik anlamlarıyla birlikte elipslerin ve ikiden fazla odaklı eğrilerin özelliklerini ortaya koymuştur. Oval Eğriler (Oval Curves) adlı çalışması o dönem Edinburgh Üniversitesi'nde doğa felsefesi profesörü olan James Forbes tarafından Edinburgh Kraliyet Topluluğu'na (Royal Society of Edinburgh) sunulmuştur. Maxwell'in bu sunumu yapmak için çok genç olduğu düşünülmüştür. Maxwell'in bu çalışmasının, Descartes'in de 17. yüzyılda çok odaklı eğrileri incelediği düşünüldüğünde, tamamen özgün olduğu söylenemese de; çalışma bu yapıları basitleştirmiştir.

Maxwell 1847’de akademiyi bırakıp Edinburgh Üniversitesi'nde derslere katılmaya başladı. Cambridge Üniversitesi’ne katılma şansı elde etse de, bunun yerine Edinburgh’daki lisans derslerini bitirmeye karar verdi. Maxwell’in üniversitede bulunduğu dönemde Edinburgh Üniversitesi'nin akademik kadrosu birçok saygıdeğer kişiyi içermekteydi. İlk senesinde Sir William Hamilton’dan mantık ve metafizik, Philip Kelland’dan matematik ve James Forbes’dan doğa felsefesi dersleri aldı. Fakat üniversitedeki dersleri pek çekici bulmayan Maxwell boş zamanlarında, özellikle Glenlair'deki evinde, kendini özel çalışmalarına verdi. Asıl ilgi alanı polarize ışığın özellikleriydi. Şekillendirilmiş jelatin bloklarları farklı baskılara maruz bırakıp, kendisine ünlü bilim insanı William Nicol tarafından verilen polarizasyon prizmalarını kullanarak jelatinde oluşan renkli fringeleri(ışığın kırılmasıyla oluşan koyu çizgiler) gösterdi. Bu denemesi sırasında (daha sonraları madde üzerindeki baskıyı hesaplamak için kullanılacak olan) fotoelastisiteyi buldu.

18 yaşında iki farklı makale yayımlayan Maxwell “kürsüde durmak” için çok genç olarak nitelendirilmiş ve makalelerin sunumu hocası Kelland tarafından gerçekleştirilmiştir.

1850 Ekim'inde, zaten başarılı bir matematikçi olan Maxwell, Cambridge Üniversitesi için İskoçya'dan ayrıldı. Başlangıçta Peterhouse'a katıldı, ancak ilk döneminin bitiminden önce, bir burs almanın daha kolay olacağına inandığı Trinity'ye transfer oldu. Trinity'de Cambridge Havarileri olarak bilinen elit gizli topluluğa seçildi. Maxwell'in Hristiyan inancına ve bilime ilişkin entelektüel anlayışı Cambridge yıllarında hızla gelişti. Entelektüel seçkinlerin münhasır tartışma topluluğu olan "Havariler" e katıldı ve denemeleri aracılığıyla bu anlayışı geliştirmeye çalıştı.

1854'te Maxwell, Trinity'den matematik alanında bir derece ile mezun oldu. Final sınavında ikinci en yüksek puanı alarak Edward Routh'u geride bıraktı ve kendisine İkinci Wrangler unvanını kazandı. Maxwell, derecesini kazandıktan hemen sonra Cambridge Philosophical Society'ye "On the Transformation of Surfaces by Bending" adlı makalesini okudu. Bu, bir matematikçi olarak büyüyen itibarını gösteren, yazdığı tamamen matematiksel birkaç makaleden biridir. Maxwell, mezun olduktan sonra Trinity'de kalmaya karar verdi ve birkaç yıl almasını bekleyebileceği bir süreç olan bir burs için başvurdu.

Rengin doğası ve algısı, Forbes öğrencisi iken Edinburgh Üniversitesi'nde başlamış olduğu bu türden bir ilgiydi. Forbes tarafından icat edilen renkli topaçlarla Maxwell, beyaz ışığın kırmızı, yeşil ve mavi ışık karışımından kaynaklanacağını gösterebildi. "Renk Deneyleri" adlı makalesi renk kombinasyonunun ilkelerini ortaya koydu ve Mart 1855'te Edinburgh Kraliyet Cemiyeti'ne sunuldu.

Zamanın çoğu fizikçisinin yanı sıra, Maxwell psikolojiye güçlü bir ilgi duyuyordu. Isaac Newton ve Thomas Young'ın adımlarını takip ederek, özellikle renkli görme çalışmasıyla ilgilendi. Maxwell, 1855'ten 1872'ye kadar aralıklarla renk algısı, renk körlüğü ve renk teorisi ile ilgili bir dizi araştırma yayınladı ve "Renk Görme Teorisi Üzerine" Rumford Madalyası ile ödüllendirildi.

Isaac Newton, prizmalar kullanarak, güneş ışığı gibi beyaz ışığın, daha sonra beyaz ışığa dönüştürülebilecek bir dizi monokromatik bileşenden oluştuğunu göstermişti. Newton ayrıca, iki tek renkli sarı ve kırmızı ışıktan oluşmasına rağmen, sarı ve kırmızıdan yapılmış turuncu bir boyanın tam olarak tek renkli turuncu bir ışığa benzeyebileceğini gösterdi. Zamanın fizikçilerinin kafasını karıştıran paradoks bu yüzden: iki karmaşık ışık (birden fazla monokromatik ışıktan oluşan) birbirine benzeyebilir ancak fiziksel olarak farklı olabilir, metamer adı verilir. Thomas Young daha sonra bu paradoksun, üç yönlü olmasını önerdiği, gözlerde sınırlı sayıda kanal aracılığıyla algılanan renklerle açıklanabileceğini öne sürdü, trikromatik renk teorisi. Maxwell, Young'ın teorisini kanıtlamak için yakın zamanda geliştirilen doğrusal cebiri kullandı. Üç reseptörü uyaran herhangi bir monokromatik ışık, üç farklı monokromatik ışıktan oluşan bir setle (aslında, üç farklı ışıktan oluşan herhangi bir setle) eşit olarak uyarılabilmelidir. Renk eşleştirme deneyleri ve Renk Ölçümü icat ederek durumun böyle olduğunu gösterdi.

Maxwell, renk algısı teorisini, yani renkli fotoğrafçılığa uygulamakla da ilgileniyordu. Bu doğrudan renk algısı üzerine yaptığı psikolojik çalışmasından kaynaklanıyordu "Herhangi bir üç ışığın toplamı, algılanabilir herhangi bir rengi yeniden üretebiliyorsa, üç renkli filtre seti ile renkli fotoğraflar üretilebilir." Maxwell, 1855 tarihli makalesi sırasında, bir sahnenin üç siyah-beyaz fotoğrafının kırmızı, yeşil ve mavi filtrelerden çekilmesi ve görüntülerin şeffaf baskılarının, üç projektörle donatılmış üç projektör kullanılarak bir ekrana yansıtılmasını önerdi. benzer filtreler, ekrana bindirildiğinde, sonuç insan gözü tarafından sahnedeki tüm renklerin eksiksiz bir yeniden üretimi olarak algılanacaktır.

Renk teorisi üzerine bir 1861 Kraliyet Enstitüsü dersi sırasında Maxwell, bu üç renkli analiz ve sentez prensibiyle dünyanın ilk renkli fotoğraf gösterimini sundu. Tek lensli refleks kameranın mucidi Thomas Sutton fotoğrafı çekti. Kırmızı, yeşil ve mavi filtrelerden bir ekose kurdeleyi üç kez fotoğrafladı ve ayrıca Maxwell'in hesabına göre gösteride kullanılmayan sarı bir filtreden dördüncü bir fotoğraf yaptı. Sutton'ın fotoğraf plakaları kırmızıya ve yeşile çok az duyarlı olduğu için, bu öncü deneyin sonuçları mükemmel olmaktan uzaktı. Konferansta yayınlanan açıklamada, "kırmızı ve yeşil görüntüler mavi kadar tamamen fotoğraflanmış olsaydı", şeridin gerçekten renkli bir görüntüsü olacağı belirtildi. daha az kırılabilir ışınlar olursa, nesnelerin renklerinin temsili büyük ölçüde iyileştirilebilir. "1961'de araştırmacılar, kırmızı filtreli maruz kalmanın görünüşte imkansız olan kısmi başarısının morötesi ışığa bağlı olduğu sonucuna vardılar. Bazı kırmızı boyalar tarafından güçlü bir şekilde yansıtılır, kullanılan kırmızı filtre tarafından tamamen engellenmez ve Sutton'ın uyguladığı ıslak kolodiyon işleminin hassasiyet aralığı dahilindedir.

Maxwell ayrıca gazların kinetik teorisini araştırdı. Daniel Bernoulli ile başlayan bu teori, John Herapath, John James Waterston, James Joule ve özellikle Rudolf Clausius'un ardıl emekçileri tarafından genel doğruluğunu şüpheye dayandıracak şekilde ilerletildi; ancak bu alanda bir deneyci (gazlı sürtünme yasaları hakkında) ve bir matematikçi olarak ortaya çıkan Maxwell'den muazzam bir gelişme aldı.

1859 ve 1866 arasında, daha sonra Ludwig Boltzmann tarafından genelleştirilen bir gaz parçacıklarındaki hızların dağılımı teorisini geliştirdi. Maxwell-Boltzmann dağılımı adı verilen formül, verilen herhangi bir sıcaklıkta belirli bir hızda hareket eden gaz moleküllerinin fraksiyonunu verir. Kinetik teoride, sıcaklıklar ve ısı sadece moleküler hareketi içerir. Bu yaklaşım önceden belirlenmiş termodinamik yasalarını genelleştirdi ve mevcut gözlemleri ve deneyleri daha önce elde edilenden daha iyi bir şekilde açıkladı. Termodinamik üzerine yaptığı çalışma, onu Maxwell'in şeytanı olarak bilinen düşünce deneyini tasarladı; burada termodinamiğin ikinci yasası, parçacıkları enerjiye göre ayırabilen hayali bir varlık tarafından ihlal edildi.