James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell nado o 13 de xuño de 1831 en Edimburgo e finado o 5 de novembro de 1879 en Cambridge foi un científico escocés no campo da física matemática. O seu logro máis notable foi a formulación da teoría clásica da radiación electromagnética, que reúne por primeira vez a electricidade, o magnetismo e a luz como manifestacións dun mesmo fenómeno. Desde ese momento, todas as outras leis e ecuacións clásicas destas disciplinas convertéronse en casos simplificados das ecuacións de Maxwell. As ecuacións de Maxwell formuladas para o electromagnetismo chamáronse a "segunda gran unificación en física" logo da primeira realizada por Isaac Newton.
Coa publicación de A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field en 1865, demostrou que os campos magnético e eléctrico atravesan o espazo, en forma de ondas á velocidade da luz, tamén defendeu que a luz é unha forma de radiación electromagnética. Maxwell propuxo que a luz é unha ondulación no mesmo medio que é a causa dos fenómenos eléctricos e magnéticos. A unificación da luz e os fenómenos eléctricos conduciu á predición da existencia das ondas de radio.
Maxwell é considerado por moitos, especialmente por aqueles que traballan no campo da física, como o científico do século XIX que máis influíu na física do século XX. Moitos consideran que as súas achegas á física son da mesma magnitude que as de Isaac Newton e Albert Einstein. Ao final da enquisa do milenio, unha enquisa que pretende facer unha lista dos 100 físicos máis relevantes da historia, Maxwell foi votado como o terceiro físico máis grande de todos os tempos, só detrás de Newton e Einstein. No centenario do nacemento de Maxwell, o mesmo Einstein describiu o traballo de Maxwell como a obra "máis profunda e máis frutífera que a física experimentou desde a época de Newton. " Einstein mantivo unha a fotografía de Maxwell na parede do seu estudo, xunto a fotografías de Michael Faraday e Newton. Traxectoria
Primeiros anos
James Clerk Maxwell naceu o 13 de xuño de 1831 no número 14 da rúa India, en Edimburgo, sendo fillo de John Clerk Maxwell de Middlebie, un avogado, e Frances Cay (a filla de Robert Hodshon Cay, e irmá de John Cay). O seu pai era un home de familia acomodada, sendo o sexto home de Clerk de Penicuik. De nacemento, o seu nome foi só John Clerk, engadindo o Maxwell tras herdar a facenda de Middlebie grazas ás súas conexións coa propia familia Maxwell. James era primo da artista Jemima Blackburn, así como do enxeñeiro civil William Di Cay, con quen tiña unha moi boa relación e que sería a súa padriño cando James casou.
Os pais de Maxwell coñecéronse e casaron na trintena de idade, e a súa nai tiña case corenta anos cando el naceu. Antes xa tiveran outro vástago, unha nena chamada Eli.
Cando Maxwell era aínda novo, a súa familia mudouse á casa Glenlair, que os seus pais construíran nas 610 hectáreas de terreo que comprendía a facenda Middlebie. Todo apunta a que Maxwell mostrou unha insaciable curiosidade desde moi curta idade. Xa aos tres anos, preguntaba sobre o funcionamento e utilidade de calquera cousa que se movese, brillase ou emitise ruído. Tal e como describiu a súa nai nunha pasaxe engadida a unha das cartas do seu marido:
«É un homiño moi feliz, e a súa condición mellorou moito desde que se moderou o tempo; interésase moito por portas, chaves e pechaduras, e o “ensíname como funciona” nunca sae da súa boca. Tamén investiga as partes ocultas do cableado, a forma na que a auga chega da parede ao estanque…».
A súa familia pertencía á pequena nobreza de terratenentes escoceses. O seu tío era o 6º barón de Clerk de Penicuik. O seu pai, John Clerk Maxwell, dedicouse á avogacía en Edimburgo e posteriormente pasou a encargarse da administración das súas propiedades. John foi un home ávido de coñecer os avances da ciencia. Inculcou ao seu fillo o amor pola natureza e as ciencias. Un exemplo diso é que entre os seus xoguetes infantís atopábase un fenaquistiscopio, antepasado do cinema, inventado polo belga Joseph Plateau. James foi instruído na leira familiar por un novo profesor que, coa súa agresividade, non logrou motivalo. E aos 10 anos James foi enviado á Academia de Edimburgo, onde os seus compañeiros se mofaban del polo seu acento rural e as súas vestimentas estrafalarias. Catro anos máis tarde, con todo, recibía a medalla ao mérito en matemáticas.
Acompañando ao seu pai, e a partir dos 12 anos, asistía con frecuencia ás reunións na Edinburgh Royal Society, que marcou a súa traxectoria. En 1845 escribiu o seu primeiro relatorio científico, que ante a súa mocidade tivo que ser presentada á Edinburgh Society por un profesor da Universidade de Edimburgo. Describía un método para debuxar elipses e figuras con máis de dous focos, cuxas propiedades explicaba de forma máis sinxela que o facía René Descartes dous séculos antes. O relatorio foi publicada pola Edinburgh Society, o que lle valeu para incorporalo como membro aos seus 14 anos.
Estudos básicos
Ao ver o gran potencial innato do mozo, a súa nai Frances tomou como súa a responsabilidade de educalo. Isto era algo lóxico na súa época, pois a educación dos nenos afacía recaer sobre a muller. Aos sete anos, Maxwell xa lera longas pasaxes de Milton e o Salmo CXIX. O seu coñecemento sobre as Sacras Escrituras era xa moi extenso e coñecía numerosos versículos do Psalterio, algo moi infrecuente para un neno a tan temperá idade. Logo, a súa nai foi diagnosticada de cancro abdominal, similar ao que tería Maxwell 4 décadas máis tarde. Morreu en decembro de 1839, tras unha operación infrutuosa. Maxwell contaba só oito anos e, desde ese momento, a súa educación foi dirixida polo seu pai e a súa tía Jane, quen se converteron nas figuras clave da súa vida. A súa escolarización formal comezou, de forma pouco frutífera, baixo a tutela dun raparigo de dezaseis anos. Del só sábese que trataba a James con rudeza e considerábao lento e caprichoso; o pai de Maxwell despediuno en novembro de 1841 e, tras un maduro proceso de reflexión, enviou a Maxwell á prestixiosa Academia de Edimburgo. Durante o curso aloxouse en casa da súa tía Isabella. Alí desenvolveu, apoiado pola súa curmá Jemima, un especial gusto polo debuxo.
O portentoso mozo de dez anos, criado na facenda campestre do seu pai, non encaixou no colexio. Dado que no primeiro curso non había máis prazas, Maxwell viuse obrigado a entrar no segundo con compañeiros un ano maiores. Os seus modos e peculiar acento (propio de Galloway), resultaban demasiado rústicos para os demais mozos. Dado que no primeiro día de clase asistira cun uniforme e un par de zapatos feitos en casa, os seus compañeiros puxéronlle o pouco amigable alcume de «Dafty» (unha palabra derivada do inglés antigo cuxo equivalente actual sería infeliz). A pesar do pouco aprecio que denotaba ese tratamento, a Maxwell nunca pareceu importarlle e deixou que o chamasen así durante moitos anos sen queixa algunha. O seu illamento social acabouse cando coñeceu a Lewis Campbell e a Peter Guthrie Tait, quen acabaría sendo eruditos de renome, e con quen mantería amizade ao longo de toda a súa vida.
A xeometría fascinou a Maxwell desde moi curta idade e descubriu en por si os poliedros regulares antes de recibir ningún tipo de instrución formal sobre eles. A pesar de gañar tempranamente o premio escolar de escritura biográfica, o seu restante traballo académico pasou totalmente desapercibido ata que aos 13 anos gañou a medalla escolar de matemáticas e o primeiro premio tanto en inglés como en poesía.
Pero os intereses do mozo estaban moito máis alá das materias escolares académicas e nunca se esforzou demasiado nas súas cualificacións, a pesar de que con todo fosen moi boas. Escribiu o seu primeiro artigo científico aos catorce anos para describir un método mecánico para debuxar cónicas xeneralizadas usando un anaco de fío, así como as propiedades das elipses, os óvalos cartesianos e as súas curvas relacionadas (sempre que estas tivesen máis de dous focos). O seu traballo, Oval Curves, foi presentado á Sociedade Real de Edimburgo por James Forbes, profesor de filosofía natural na Universidade de Edimburgo, xa que se considerou a Maxwell demasiado novo para presentalo el mesmo. Aínda que o traballo non era completamente orixinal, posto que René Descartes xa examinara as propiedades das elipses multifocais no século XVII, a contribución de Maxwell foi simplificar o seu método reducindo o número de pasos.
Universidade de Edimburgo (1847–1850)
Maxwell deixou a Academia en 1847 aos 16 anos e comezou a asistir a clases na Universidade de Edimburgo. Tivo a oportunidade de asistir á Universidade de Cambridge, pero, tras o seu primeiro trimestre, decidiu completar o curso dos seus estudos de pregrao en Edimburgo. O persoal da academia da Universidade de Edimburgo incluía algúns nomes de gran prestixio. Os seus titores de primeiro ano incluíron a sir William Rowan Hamilton, quen lle deu clases sobre lóxica e metafísica, Philip Kelland sobre matemáticas e James Forbes sobre filosofía natural. As clases na Universidade non lle pareceron moi difíciles e, polo tanto, puido dedicarse ao ámbito privado durante o tempo libre que lle deixaba a universidade e, en particular, cando regresaba á mansión de Glenlair. Alí adoitaba improvisar experimentos con materiais químicos, eléctricos e magnéticos que el reunía; as súas principais preocupacións entón tiñan que ver coa luz polarizada. Utilizou xelatina en forma de bloques: someteunos a varias tensións e, cun par de prismas polarizantes que William Nicol déralle, contemplou as cores dos bordos que se desenvolveron dentro da xelatina. Mediante esta práctica descubriu a fotoelasticidade, unha maneira de determinar a distribución da tensión mecánica das estruturas físicas.
Aos 18, contribuíu con dous artigos científicos máis á Royal Society de Edimburgo. Un destes artigos científicos, "On the Equilibrium of Elastic Solids", sentaba o fundamento para o que sería un importante descubrimento posterior na súa vida, a dobre refracción temporal producida en líquidos viscosos mediante tensión mecánica. O seu outro artigo científico foi "Rolling Curves" o cal, xunto ao artigo científico "Oval Curves" que escribira para a Academia de Edimburgo, tamén foi considerado demasiado novo para poder presentar e defender nun estrado. O artigo científico entregóuselle á Royal Society por medio do seu titor.
Universidade de Cambridge
En outubro de 1850, xa como matemático, Maxwell abandonou Escocia para ingresar na Universidade de Cambridge. Inicialmente, asistiu a Peterhouse, pero antes de acabar o seu primeiro trimestre alí, foi transferido ao Trinity College, onde esperaba conseguir unha bolsa de investigación. No Trinity foi elixido como membro pola elitista sociedade secreta coñecida como os Apóstolos de Cambridge. O entendemento intelectual da súa fe cristiá e sobre a ciencia incrementáronse rapidamente nos anos de Cambridge. A súa pertenza aos Apóstolos, unha elitista sociedade de debate intelectual, permitiu abrir a súa mente e escritos a outros ámbitos: O grao no que Maxwell "arara encima" das súas crenzas cristiás, someténdoas á proba intelectual, pode ser xulgado só de forma incompleta partindo dos seus escritos. Pero hai moitas probas, sobre todo a partir dos seus días de estudante, de que realmente examinou profundamente a súa fe. Seguramente, o seu coñecemento da Biblia era notable, polo que a súa confianza nas Escrituras non estaba baseada na ignorancia. No verán do seu terceiro ano, Maxwell pasou algún tempo en Suffolk, na casa do reverendo C. B. Tayler, tío dun compañeiro de clase, G. W. H. Tayler. O amor de Deus mostrado pola familia impresionou a Maxwell, en particular despois dunha enfermidade durante a que foi atendido polo ministro e a súa esposa. Sobre a súa volta a Cambridge, Maxwell escribe ao seu anfitrión recente unha carta elocuente e cariñosa, incluíndo o testemuño seguinte: En novembro de 1851, Maxwell estudaba baixo a tutela de William Hopkins, cuxo éxito en nutrir o xenio matemático granxeoulle o alcume de “o fabricante de números un” (en referencia aos wrangler, os alumnos máis brillantes en cada proba de ingreso). En 1854, Maxwell graduouse no Trinity cun grao en matemáticas. Foi o segundo máis alto no exame final, detrás de Edward Routh, gañándose o título de “Segundo wrangler”. Máis adiante foi declarado igualado con Routh na proba máis exixente do Premio Smith. Inmediatamente despois de obter o seu grao, Maxwell leu o seu escrito "Sobre a Transformación de Superficies por Dobrado" na Sociedade Filosófica de Cambridge. Este é un dos poucos artigos puramente matemáticos que escribira, demostrando o seu crecemento como matemático.
Maxwell decidiu permanecer no Trinity despois da gradación e solicitou unha bolsa, que era un proceso que podía durar un par de anos. Sostido polo seu éxito como estudante de investigación, sería libre, á parte dalgunha formación e impostos de exame, para perseguir intereses científicos no seu propio lecer. A natureza e a percepción da cor eran un interese que comezara a abrazar na Universidade de Edimburgo mentres era un estudante de Forbes. Cos trompos pintorlados inventados por Forbes, Maxwell foi capaz de manifestar que a luz branca sería resultado dunha mestura de luz vermella, verde e azul. Os seus escrito "Experimentos sobre a Cor" presentou os principios de combinación en cor e foi presentado á Real Sociedade de Edimburgo en marzo de 1855. Maxwell foi esta vez capaz de entregalo el mesmo. Foi admitido no Trinity o 10 de outubro de 1855, antes do marcado na norma, e pedíronlle preparar conferencias sobre a hidrostática e a óptica, e presentarse a un exame. En febreiro seguinte Forbes impulsouno a solicitar a praza recentemente vacante de filosofía natural no Marischal College, en Aberdeen. O seu pai axudoulle na tarefa de preparar as referencias necesarias, pero morreu o 2 de abril en Glenlair antes de coñecer o resultado da candidatura do seu fillo. Maxwell aceptou o profesorado en Aberdeen, abandonando Cambridge en novembro de 1856.
Marischal College, Aberdeen, 1856–1860
No ano 1856, logo da morte do seu pai, foi nomeado profesor de filosofía natural no Marischal College de Aberdeen. Con 25 anos de idade, Maxwell foi 15 anos máis novo que calquera outro profesor da escola Marischal College. Comprometeuse con novas responsabilidades como ser xefe de departamento, trazando os programas e preparando as clases. Comprometeuse a impartir 15 horas á semana, incluíndo unha clase prol bono semanal dirixida aos traballadores da escola. Viviu en Aberdeen durante os 6 meses do curso académico e pasou os veráns en Glenlair, lugar que herdara do seu pai.
Centrou a súa atención nun problema que se lle escapou aos científicos durante 200 anos: a natureza dos aneis de Saturno. Descoñecíase como podían permanecer estables, sen romper, sen ir á deriva ou chocar co planeta. O problema tivo unha repercusión especial nese momento debido a que o St Jonh’s College de Cambridge elixírao como tema para o premio Adams de 1857. Maxwell dedicou dous anos a estudar o problema, probando que un anel sólido normal non podía ser estable, mentres que un líquido veríase forzado pola acción da onda ao romper nunha masa amorfa. Xa que ningún foi observado, Maxwell concluíu que os aneis estaban compostos por numerosas partículas ás que chamou «brick-bats», cada unha orbitando independentemente ao redor de Saturno. Maxwell foi galardoado con £130 do premio Adams en 1859 polo seu ensaio On the stability of the motion of Saturn’s rings. Foi o único que concorría en facer un avance sobre o tema. O seu traballo foi tan detallado e convincente que cando George Biddell Airy leuno, comentou «É unha das aplicacións máis memorables das matemáticas á física que xamais vin». Foi considerado o último no tema até as observacións directas dos voos de recoñecemento do Voyager, que viñeron confirmar as predicións de Maxwell. Dous anos máis tarde casou con Katherine Mary Dewar, filla do director da institución. En 1860, deixa a acabada de crear Universidade de Aberdeen para dar clases de filosofía natural no King’s College de Londres.
Nesta época comeza a etapa máis frutífera da súa carreira, ingresando en 1861 na Royal Society, e sendo nomeado en 1871 director do Cavendish Laboratory. Publicou dous artigos sobre o estudo do electromagnetismo e desenvolveu unha importante labor tanto teórica como experimental na termodinámica. Levando o seu selo unha das bases deste campo, as Relacións de Maxwell, as relacións de igualdade entre as distintas derivadas parciais das funcións termodinámicas.
Porén é polo seu traballo no campo do electromagnetismo o que o sitúa entre os grandes científicos da historia. No prefacio da súa obra editada en 1873 Treatise on Electricity and Magnetism declarou que a súa principal tarefa era xustificar matematicamente conceptos físicos descritos ata o momento de maneira so cualitativa, coma as leis da indución electromagnética e dos de campos de forza, enunciada por Michael Faraday.
Con este fin Maxwell introduciu o concepto de onda electromagnética, que permite unha descrición matemática adecuada da interacción entre electricidade e magnetismo mediante as súas ecuacións que describen e cuantifican os campos de forza. A súa teoría suxeriu a posibilidade de xerar ondas electromagnéticas no laboratorio, feito comprobado por Heinrich Hertz en 1887, oito anos despois da morte de Maxwell. Esta demostración suporía o inicio da era da comunicación rápida a distancia.
Aplicou a análise estatística á interpretación da teoría cinética dos gases, coa denominada función de distribución de Maxwell-Boltzmann, que establece a probabilidade de atopar unha partícula cunha determinada velocidade nun gas ideal diluído e non sometido a campos de forza externos. Xustificou as hipóteses de Amedeo Avogadro e de André Marie Ampère, demostrou a relación directa entre a viscosidade dun gas e a súa temperatura absoluta e enunciou a lei da equipartición da enerxía. Descubriu a birrefrinxencia temporal dos corpos elásticos translúcidos sometidos a tensións mecánicas e elaborou unha teoría satisfactoria sobre a percepción cromática, desenvolvendo os fundamentos da fotografía tricolor.
Nas das ideas desenvoltas por Maxwell baséanse moitas das argumentacións tanto da Teoría da relatividade de Albert Einstein como da mecánica cuántica moderna.