James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell (13. kesäkuuta 1831 Edinburgh – 5. marraskuuta 1879 Cambridge)James Clerk Maxwell 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.Hart 1979, s. 142–144 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.von Baeyer 2000, s. 91. 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,Karttunen et al. 1984, s. 212  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 kuolivon Baeyer 2000, s. 86. 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 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 saavansa tutkijanviran helpommin. Trinityssä hänet valittiin Cambridgen apostolien salaseuraan. Marraskuussa 1851 Maxwell opiskeli ohjaajansa William Hopkinsin (lempinimeltään wrangler maker) oppilaana. Hän teki suuren osan sähkömagnetismiin liittyvien yhtälöiden selvityksestään opiskellessaan Trinityssä.

Keski-ikä

Vuonna 1854 Maxwell suoritti Trinitystä matematiikan tutkinnon toiseksi parhaana, ja hänet merkittiin yhtä päteväksi vuoden parhaimpana valmistuneen kanssa higher ordeal of the Smith's prize examinationissa. Suurimman osan elämästään hän työskenteli parhaiden tiedemiesten joukossa professorina. 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 asiantuntijoihin. Samoihin aikoihin ilmestyivät tutkielmat Faradayn voimaviivoista, joissa näkyi 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. 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 tutki myös optiikkaa ja väri­näköä. Sitä, että värivalokuvia voidaan muodostaa punaisen, vihreän ja sinisen suotimen avulla pidetään hänen keksintönään. Hän pyysi valokuvaaja Thomas Suttonin kuvaamaan skottiruudullista nauhaa kolme kertaa eri värin suodattimilla. Kun erilliset kuvat laitetaan kohdakkain, muodostuu täydellinen värikuva. Saadun kuvan värit poikkesivat hieman luonnollisista, koska suotimet läpäisivät 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 teoksen Lämmön teoriasta (1871) ja perustutkielman Aineesta ja liikkeestä (1876).

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

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 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 säteilyn muotoja.

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. Daniel Bernoulliltavon Baeyer 2000, s. 79–82 lähtöisin olevaa teoriaa olivat kehittäneet myös John Herapath, John James Waterston, James Joule ja erityisesti Rudolf Clausius niin pitkälle, että sen yleistä tarkkuutta ei tarvinnut epäillä, mutta myös Maxwell vaikutti merkittävällä teorian sen kehitykseen.

Vuonna 1865 Maxwell muutti isältään perimälle maatilalle Glenlairiin Skotlannin Kirkcudbrightshireen. 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.von Baeyer 2000, s. 90–95. Tämä lähestymistapa yleisti aikaisemmat termo­dynamiikan lait ja selitti havainnot paremmin. Tältä pohjalta hän johti vuonna 1866 molekyylien energioille jakauma­lain. Ludwig Boltzmann tarkensi vuonna 1868 jakauma­lakia ottamalla huomioon, että molekyylit voivat varastoida energiaa myös pyörimis- ja värähdys­liikkeeseen sekä potentiaalienergiaksi. Hänen tarkentamassaan muodossa jakauma tunnetaan Maxwellin-Boltzmannin jakaumana.von Baeyer 2000, s. 110

Maxwellin tutkimustyö termodynamiikan parissa johdatti hänet keksimään myös ajatuskokeen, jota myöhemmin kutsuttiin Maxwellin demoniksi.von Baeyer 2000, s. 11–14Maxwell 1871, s. 338–339

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.Oja et al. 1982

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

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