James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell (13. kesäkuuta 1831 Edinburgh – 5. marraskuuta 1879 Cambridge) oli skotlantilainen fyysikko. Hän kehitti Maxwellin yhtälöt, jotka kuvaavat sähköisten ja magneettisten kenttien käyttäytymistä ja vuorovaikutusta. Lisäksi hän johti kaasumolekyylien nopeuksien jakaumalain, joka on kineettisen kaasu­teorian perusta. Maxwell oli Penicuikin nuoremman Clerk-suvun haaran viimeinen edustaja.

Maxwellia on yleensä pidetty Newtonin ja Einsteinin välisen ajan suurimpana fyysikkona. Kaikista 1800-luvun tiedemiehistä hänellä oli eniten vaikutusta 1900-luvun fysiikkaan, sillä hänen on katsottu raivanneen tietä sekä suhteellisuusteorialle että kvanttimekaniikalle.. Vuonna 1931 Maxwellin syntymän satavuotisjuhlilla Einstein kuvasi Maxwellin töitä ”kaikkein syvällisimmiksi ja kaikkein antoisimmiksi, mitä fysiikka on kokenut sitten Newtonin”.

Algebrallinen matematiikka geometrian elementeillä on piirre, joka esiintyy paljon Maxwellin töissä. Maxwell osoitti, että sähköinen ja magneettinen voima ovat kaksi toisiaan täydentävää näkökantaa sähkömagnetismille. Hän osoitti, että sähkö- ja magneettikenttä etenevät avaruuden läpi aaltomuodossa vakio valonnopeudella 3,0 · 108 m/s. Hän myös esitti, että valo on sähkömagneettista säteilyä.

Tieteellinen johdannaisyksikkö maxwell (Mx), jolla magneettista vuota mitataan (lyhennetään yleensä Φ), on nimetty hänen kunniakseen. Vuorijono Venuksessa, Maxwell Montes, on nimetty hänen mukaansa, kuten myös James Clerk Maxwell -teleskooppi, joka on halkaisijaltaan 15 metriä ja maailman suurin alimillimetritaajuksien radioteleskooppi.

Elämäkerta

Nuoruusvuodet
Maxwell syntyi Skotlannissa Edinburghissa. Hän oli edinburghilaisen asianajajan John Clerkin ja Frances Cayn ainoa lapsi. Maxwell sai muun muassa Raamatun opiskelua sisältäneen alkuopetuksen äidiltään. Suurimman osan nuoruudestaan hän oli perheen maatilalla Glenlairissa lähellä Dumfriessiä. Maxwellin ollessa kahdeksanvuotias hänen äitinsä kuoli. Sen jälkeen Maxwell aloitti koulun Edinburgh Academyssa. Hänen lempinimensä koulussa oli "Dafty", jonka hän sai tultuaan ensimmäisenä päivänä kouluun kotitekoisissa kengissä. Vuonna 1845 14-vuotias Maxwell kirjoitti aineen, jossa hän kuvasi matemaattisten käyrien piirtämistä mekaanisesti narun avulla.

Vuonna 1847 Maxwell aloitti opinnot Edinburghin yliopistossa filosofian eri aloilla. Hän opiskeli William Hamiltonin oppilaana. 18-vuotiaana opiskelijana hän julkaisi Transactions of the Royal Society of Edinburgh -julkaisussa kaksi artikkelia. On the Equilibrium of Elastic Solids loi perustan väliaikaisen kaksoisheijastuksen eli viskoosien nesteiden leikkausjännityksen tutkimukselle. Vuonna 1850 Maxwell siirtyi Cambridgen yliopistoon ja pyrki aluksi Peterhouse-collegeen, mutta hakeutui sitten Trinity Collegeen, josta hän uskoi tutkijanviran olevan helpommin saatavissa. Trinityssä hänet valittiin Cambridgen apostolien salaseuraan. Marraskuussa 1851 Maxwell opiskeli ohjaajansa William Hopkinsin (lempinimeltään wrangler maker) oppilaana. Huomattavan osuuden sähkömagnetismiin liittyvien yhtälöiden selvityksestään hän teki opiskellessaan Trinityssä.

Keski-ikä

Vuonna 1854 Maxwell suoritti Trinitystä matematiikan tutkinnon toiseksi parhaana, ja hänet merkittiin yhtä päteväksi vuoden parhaimman valmistuneen kanssa higher ordeal of the Smith's prize examinationissa. Suurimman osan elämästään hän työskenteli parhaiden tiedemiesten joukossa professorina. Heti tutkinnon suoritettuaan hän esitti Cambridgen filosofiselle yhteisölle tutkielman Pintojen muutoksesta taipumisessa. Se on yksi harvoista hänen julkaisemistaan täysin matemaattisista artikkeleista, ja se teki suuren vaikutuksen alan muihin asiantuntijoihin. Samoihin aikoihin ilmestyivät tutkielmat Faradayn voimaviivoista, jotka antoivat ensimmäisiä viitteitä sähkön tutkimisesta, joka huipentui hänen merkittävimmässä elämäntyössään.

Vuodesta 1855 vuoteen 1872 hän julkisti sarjan arvokkaita tutkimuksia Värin havaitsemisesta ja Värisokeudesta, joista ensimmäisestä hän sai Rumfordin mitalin Royal Societyltä vuonna 1860. Tutkimuksia varten hän suunnitteli tarvittavat tutkimusvälineet itse. Vuonna 1856 Maxwell valittiin Aberdeeniin Marischal Collegen luonnonfilosofian professorin virkaan, ja hän oli virassa vuoteen 1860. 

Vuonna 1859 Maxwell sai Cambridgessä tutkielmastaan Saturnuksen renkaiden tasapaino Adams Prizen. Hän todisti, että tasapaino voitiin saavuttaa vain, jos renkaat koostuivat useista pienistä kiinteistä palasista, jolloin renkaat eivät voisi olla täysin kiinteää ainetta tai nestettä. Hän myös osoitti matemaattisesti virheelliseksi nebulaarihypoteesin (jonka mukaan aurinkokunta oli muodostunut tiivistymällä suuresta kaasu- ja pölypilvestä) edellyttämällä, että teorian oli otettava huomioon lisäksi vähäisiä määriä kiinteitä kappaleita.

Vuodesta 1860 Maxwell oli professorina King's Collegessa Lontoossa. Vuonna 1861 hänet valittiin Royal Societyyn. Maxwell tutki tänä aikana myös elastisia kappaleita ja puhdasta geometriaa.

Myöhemmät vuodet

Maxwell teki myös tutkimusta optiikan ja väri­näön parissa – jopa niin, että hänen keksintönään pidetään sitä, että värivalokuvia voidaan muodostaa punaisen, vihreän ja sinisen suotimen avulla. Hän pyysi valokuvaaja Thomas Suttonin kuvaamaan skottiruudullista nauhaa kolme kertaa eri värin suodattimilla. Kun erilliset kuvat laitetaan kohdakkain, muodostuu täydellinen värikuva. Saadun kuvan värit olivat kuitenkin hieman luonnollisista väreistä poikkeavat, koska suotimet läpäisivät kuitenkin ihmissilmälle näkymättömiä taajuuksia, mutta periaate oli oikea. Nämä kolme valokuvalevyä sijaitsevat nyt Edinburghissa pienessä museossa Indian Street 14:ssä, Maxwellin syntymäkodissa.

Maxwellin tutkimustyö värisokeuden parissa toi hänelle Rumfordin Mitalin Royal Society of Londonilta. Hän kirjoitti erinomaisen kirjan Lämmön teoriasta (1871) ja loistavan perustutkielman Aineesta ja liikkeestä (1876).

Vuonna 1871 Maxwell oli ensimmäinen Cavendishin fysiikan professori Cambridgessä. Hän valvoi Cavendishin laboratorion rakentamista. Hän valvoi jokaista rakennustyön vaihetta ja arvokkaiden instrumenttien ostoa, joilla laboratorio varustettiin anteliaan perustajansa, Devonshiren seitsemännen herttuan (yliopiston rehtori ja yksi sen tunnetuimmista kasvateista) kustannuksella. Yksi Maxwellin viimeisistä suurista lahjoista tieteelle oli Henry Cavendishin Sähköisten tutkimusten toimitus (runsaiden alkuperäisten muistiinpanojen kanssa), joista selvisi, että Cavendish oli tutkinut esimerkiksi sellaisia kysymyksiä kuin maapallon keskitiheys ja veden koostumus.

Maxwell meni 27-vuotiaana naimisiin Kathrine Mary Dewarin kanssa, mutta he eivät saaneet lapsia. Hän kuoli Cambridgessa vatsasyöpään 48-vuotiaana. Hän oli vakaumuksellinen kristitty koko elämänsä.

Maxwell oli yhdistänyt aikaisempia töitä sähkömagnetismin ja optiikan kokeissa supistamalla niiden kokeelliset tulokset ja havainnot muutamaan matemaattisten yhtälöiden ryhmään. Nämä yhtälöt (kuten myös Maxwellin jakauma) ovat siitä lähtien osoittautuneet erittäin tärkeiksi fysiikassa. Ne toimivat kaikissa tapauksissa ja ovat sen vuoksi johtaneet useiden uusien sähkömagnetismin ja optiikan lakien löytymiseen, kuten myös sähkömagneettisen säteilyn lakien löytymiseen. Yhtälöt ovat perustavanlaatuisia, kun kyseessä on radio tai televisio, ja niillä voidaan tutkia röntgensäteilyä, gammasäteilyä, infrapunasäteilyä ja muita säteilymuotoja.

Maxwellin laajan elämäkerran The Life of James Clerk Maxwell (1882) on kirjoittanut hänen entinen luokkatoverinsa ja elinikäinen ystävä professori Lewis Campbell. Cambridge University Press julkaisi 1890 hänen kootut teoksensa kahtena osana, joihin sisältyi tutkielmia aineen ominaisuuksista, kuten Atomi, Vetovoima, Kapillaari-ilmiö, Diffuusio, Eetteri jne.

Tieteellinen ura

Kineettinen teoria
Yksi Maxwellin merkittävimmistä tutkimuksista käsitteli kineettistä kaasu­teoriaa. Teoriaa, joka oli lähtöisin Daniel Bernoullilta, olivat kehittäneet myös onnistuneella työllä John Herapath, John James Waterston, James Joule ja erityisesti Rudolf Clausius niin pitkälle, että sen yleistä tarkkuutta ei tarvinnut epäillä, mutta sen kehitykseen vaikutti merkittävällä tavalla myös Maxwell, joka teki tutkimusta tälläkin alalla (kaasujen kitkojen lait) matematiikan ohella.

Vuonna 1865 Maxwell muutti maatilalle Glenlairiin Skotlannin Kirkcudbrightshireen, jonka hän peri isältään. Hän erosi 1868 King's Collegen fysiikan ja astronomian professorin virasta.

Tutkiessaan termodynamiikan perusteita Maxwell päätyi siihen, että samassakin lämpötilassa kaasussa on aina sekaisin sekä nopeammin että hitaammin liikkuvia molekyylejä ja että tämän ja molekyylien suuren lukumäärän vuoksi niiden liikettä on käytännössä mahdoton kuvailla muutoin kuin tilastollisesti, toden­näköisyys­laskennan menetelmin.. Tämä lähestymistapa yleisti aikaisemmat termo­dynamiikan lait ja selitti havainnot paremmin. Tältä pohjalta hän johti vuonna 1866 molekyylien energioille jakauma­lain. Ludwig Boltzmann tarkensi vuonna 1868 tätä jakauma­lakia ottamalla huomioon, että molekyylit voivat varastoida energiaa myös pyörimis- ja värähdys­liikkeeseen sekä potentiaalienergiaksi. Hänen tarkentamassaan muodossa jakauma tunnetaan Maxwellin-Boltzmannin jakaumana.

Maxwellin tutkimustyö termodynamiikan parissa johdatti hänet keksimään myös ajatuskokeen, jota myöhemmin kutsuttiin Maxwellin demoniksi.

Sähkömagnetismi

Maxwell omisti suurimman osan työstään sähkölle. Maxwellin tärkein panos oli matemaattinen mallinnus ja laajennus Michael Faradayn, André-Marie Ampèren ja muiden sähkön ja magnetismin töihin sarjaan yhdistettyjä differentiaaliyhtälöitä (alun perin 20 yhtälöä ja 20 muuttujaa, myöhemmin kvaternio- ja vektoripohjaisiin merkintätapoihin). Yhtälöt tunnetaan nykyään Maxwellin yhtälöinä, ne esitettiin Royal Societylle vuonna 1864. Yhdessä ne kuvaavat sekä sähkömagneettisen kentän käyttäytymistä että vuorovaikutusta aineen kanssa.

Lisäksi Maxwell osoitti, että yhtälöt ennustavat aaltojen värähtelyä sähkö- ja magneettikentissä, jotka kulkevat tyhjän avaruuden läpi nopeudella, joka voitiin ennustaa tunnettujen vakioiden avulla. Silloin saatavilla olevan tiedon avulla Maxwell sai nopeudeksi 310 740 000 m/s. Vuonna (1865) Maxwell kirjoitti: 

Maxwell osui oikeaan, ja hänen kvantitatiivinen yhteytensä valon ja sähkömagnetismin välillä ajatellaan olevan yksi 1800-luvun suurimmista saavutuksista.

Tuolloin Maxwell uskoi, että valon eteneminen vaatii aalloille väliaineen, jonka hän nimesi maailman­eetteriksi. Ajan myötä sellaisen aineen olemassa­olo, joka on kaikkialla avaruudessa ja silti ilmeisen vaikeaa havaita mekaanisilla tavoilla, on todettu yhä hankalammaksi sovittaa yhteen koe­tulosten, kuten Michelson-Morleyn kokeen kanssa. Lisäksi osoittautui, että se vaatisi absoluuttisen viitekehyksen, jossa yhtälöt pätisivät, sillä epätyydyttävällä ehdolla, että yhtälöt ovat eri muodossa liikkuvalle havaitsijalle. Nämä vaikeudet inspiroivat Albert Einsteinia muodostamaan erityisen suhteellisuusteorian, ja siinä yhteydessä Einstein hylkäsi maailman­eetterin käsitteen.

Julkaisuja
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 (Archive.org). 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.

Lähteet

Viitteet

Aiheesta muualla

 Enqvist, Kari: Unohdetun neron haudalla

Skotlantilaiset fyysikot
Brittiläiset professorit
Radion varhaiset kehittäjät
Vuonna 1879 kuolleet
Vuonna 1831 syntyneet
Seulonnan keskeiset artikkelit