Σύνοψη

James Clerk Maxwell FRS FRSE (13 Ιουνίου 1831-5 Νοεμβρίου 1879) και Σκωτσέζος επιστήμονας. Το μεγαλύτερο επίτευγμά του ήταν η διατύπωση της κλασικής θεωρίας της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, η οποία ενοποίησε για πρώτη φορά τον ηλεκτρισμό, τον μαγνητισμό και το φως ως διακριτές εκδηλώσεις του ίδιου φαινομένου. Οι εξισώσεις του Μάξγουελ, που διατυπώθηκαν για τον ηλεκτρομαγνητισμό, έχουν θεωρηθεί ευρέως ως η "δεύτερη μεγάλη ενοποίηση της φυσικής", με πρώτη εκείνη του Ισαάκ Νεύτωνα.

Με τη δημοσίευση του βιβλίου A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field το 1865, ο Μάξγουελ απέδειξε ότι το ηλεκτρικό και το μαγνητικό πεδίο ταξιδεύουν στο χώρο με τη μορφή κυμάτων που κινούνται με την ταχύτητα του φωτός. Ο Μάξγουελ πρότεινε επίσης ότι το φως είναι ένας κυματισμός στο ίδιο μέσο μέσω του οποίου διαδίδονται τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα. Η ενοποίηση του φωτός και των ηλεκτρικών φαινομένων τον οδήγησε στην πρόβλεψη της ύπαρξης ραδιοκυμάτων. Ο Μάξγουελ θεωρείται επίσης ο ιδρυτής του σύγχρονου τομέα της ηλεκτρολογίας.

Ο Maxwell συνέβαλε στην ανάπτυξη της κατανομής Maxwell-Boltzmann, ενός μέσου για τη στατιστική περιγραφή ορισμένων πτυχών της κινητικής θεωρίας των αερίων. Είναι επίσης γνωστός για την παρουσίαση, το 1861, της πρώτης ανθεκτικής έγχρωμης φωτογραφίας και για το έργο του στην ανάλυση της ακαμψίας των δοκών που υπάρχουν ακόμη και σήμερα σε πολλές γέφυρες.

Οι ανακαλύψεις του αποτέλεσαν το κλειδί για την έναρξη της εποχής της σύγχρονης φυσικής, θέτοντας τα θεμέλια για τομείς όπως η ειδική σχετικότητα και η κβαντομηχανική. Πολλοί φυσικοί θεωρούν ότι ο Μάξγουελ είναι ο επιστήμονας του 19ου αιώνα με τη μεγαλύτερη επιρροή στη φυσική του 20ού αιώνα. Η συμβολή του στην επιστήμη θεωρείται από πολλούς συγκρίσιμη με εκείνη επιστημόνων όπως ο Ισαάκ Νεύτων και ο Άλμπερτ Αϊνστάιν. Στη δημοσκόπηση της χιλιετίας -μια έρευνα για τους 100 μεγαλύτερους φυσικούς της εποχής- ο Μάξγουελ κατέλαβε την τρίτη θέση, πίσω μόνο από τους δύο προαναφερθέντες επιστήμονες. Στην εκατονταετηρίδα από τη γέννηση του Μάξγουελ, ο Αϊνστάιν περιέγραψε το έργο του ως το "πιο βαθύ και καρποφόρο που γνώρισε η φυσική από την εποχή του Νεύτωνα". Όταν ο Αϊνστάιν επισκέφθηκε το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ το 1922, ο οικοδεσπότης του είπε ότι είχε κάνει σπουδαία πράγματα επειδή είχε σταθεί στους ώμους του Νεύτωνα- ο Αϊνστάιν απάντησε: "Όχι, δεν το έκανα. Στέκομαι στους ώμους του Μάξγουελ".

Πρώιμα χρόνια

Ο Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ γεννήθηκε στις 13 Ιουνίου 1831 στη διεύθυνση 14 India Street, στο Εδιμβούργο, γιος του Τζον Κλερκ Μάξγουελ του Middlebie, δικηγόρου, και της Φράνσις Κέι (κόρη του Ρόμπερτ Χότσον Κέι και αδελφή του Τζον Κέι). Ο πατέρας του ήταν πλούσιος, καθώς ήταν ο έκτος βαρόνος Clerk του Penicuik. Κατά τη γέννησή του, το όνομά του ήταν μόνο John Clerk, προσθέτοντας το Maxwell αφού κληρονόμησε την περιουσία Middlebie μέσω των διασυνδέσεών του με την ίδια την οικογένεια Maxwell. Ο Τζέιμς ήταν ξάδελφος της καλλιτέχνιδας Τζεμίμα Μπλάκμπερν, καθώς και του πολιτικού μηχανικού Γουίλιαμ Ντάις Κέι, με τον οποίο διατηρούσε πολύ καλές σχέσεις και ο οποίος επρόκειτο να γίνει κουμπάρος του όταν ο Τζέιμς παντρεύτηκε.

Οι γονείς του Maxwell γνωρίστηκαν και παντρεύτηκαν στα τριάντα τους, και η μητέρα του ήταν σχεδόν σαράντα όταν γεννήθηκε. Είχαν ήδη αποκτήσει άλλο ένα παιδί, ένα κορίτσι που ονομαζόταν Eli.

Όταν ο Μάξγουελ ήταν ακόμη μικρός, η οικογένειά του μετακόμισε στο Glenlair House, το οποίο οι γονείς του είχαν χτίσει στην έκταση των 610 εκταρίων γης που αποτελούσε το κτήμα Middlebie. Όλα δείχνουν ότι ο Μάξγουελ έδειχνε μια ακόρεστη περιέργεια από μικρή ηλικία. Ήδη από την ηλικία των τριών ετών ρωτούσε για τη λειτουργία και τη χρησιμότητα οτιδήποτε κινούνταν, έλαμπε ή έκανε θόρυβο. Όπως περιγράφει η μητέρα του σε ένα απόσπασμα που προστέθηκε σε μια από τις επιστολές του συζύγου της:

"Είναι ένα πολύ χαρούμενο ανθρωπάκι, και η κατάστασή του έχει βελτιωθεί πολύ από τότε που ο καιρός μετριάστηκε- ενδιαφέρεται πολύ για τις πόρτες, τα κλειδιά και τις κλειδαριές, και το "δείξε μου πώς λειτουργεί" δεν βγαίνει ποτέ από το στόμα του. Ερευνά επίσης τα κρυφά μέρη της καλωδίωσης, τον τρόπο με τον οποίο το νερό φτάνει από τον τοίχο στη λίμνη...".

Η οικογένειά του ανήκε στη μικρή σκωτσέζικη αριστοκρατική τάξη των γαιοκτημόνων. Ο θείος του ήταν ο 6ος βαρόνος Clerk του Penicuik. Ο πατέρας του, John Clerk Maxwell, έγινε δικηγόρος στο Εδιμβούργο και αργότερα ανέλαβε τη διαχείριση της περιουσίας του. Ο Ιωάννης ήταν ένας άνθρωπος πρόθυμος να μάθει για τις εξελίξεις της επιστήμης. Ενστάλαξε στον γιο του την αγάπη για τη φύση και την επιστήμη. Ένα παράδειγμα είναι ότι ανάμεσα στα παιδικά του παιχνίδια ήταν ένα φαινακιστοσκόπιο, ο πρόγονος του κινηματογράφου, που εφευρέθηκε από τον Βέλγο Joseph Plateau. Ο Τζέιμς διδάχθηκε στο οικογενειακό κτήμα από έναν νεαρό δάσκαλο, ο οποίος, με την επιθετικότητά του, δεν κατάφερε να τον παρακινήσει. Και σε ηλικία 10 ετών, ο Τζέιμς στάλθηκε στην Ακαδημία του Εδιμβούργου, όπου χλευάστηκε από τους συμμαθητές του για την αγροτική προφορά του και τα παράξενα ρούχα του. Τέσσερα χρόνια αργότερα, ωστόσο, του απονεμήθηκε το μετάλλιο των μαθηματικών.

Συνοδεύοντας τον πατέρα του, και από την ηλικία των 12 ετών, συμμετείχε συχνά σε συναντήσεις της Βασιλικής Εταιρείας του Εδιμβούργου, οι οποίες σημάδεψαν την καριέρα του. Το 1845 έγραψε την πρώτη του επιστημονική εργασία, η οποία, λόγω του νεαρού της ηλικίας του, έπρεπε να παρουσιαστεί στην Εταιρεία του Εδιμβούργου από έναν καθηγητή του Πανεπιστημίου του Εδιμβούργου. Περιέγραφε μια μέθοδο σχεδίασης ελλείψεων και σχημάτων με περισσότερες από δύο εστίες, τις ιδιότητες των οποίων εξηγούσε με απλούστερο τρόπο από ό,τι είχε κάνει ο Ρενέ Ντεκάρτ δύο αιώνες νωρίτερα. Η εργασία δημοσιεύτηκε από την Εταιρεία του Εδιμβούργου και του χάρισε την ιδιότητα του μέλους σε ηλικία 14 ετών.

Βασικές σπουδές

Βλέποντας τις μεγάλες έμφυτες δυνατότητες του νεαρού αγοριού, η μητέρα του Φράνσις ανέλαβε να τον εκπαιδεύσει. Αυτό ήταν λογικό στην εποχή της, καθώς η εκπαίδευση των παιδιών ανήκε συνήθως στη γυναίκα. Στην ηλικία των επτά ετών, ο Μάξγουελ είχε ήδη διαβάσει μεγάλα αποσπάσματα του Μίλτον και του Ψαλμού 119. Συγκεκριμένα, η γνώση του για τις Γραφές ήταν ήδη πολύ εκτεταμένη, γνώριζε τους στίχους των Ψαλμών, κάτι πολύ ασυνήθιστο για ένα παιδί σε τόσο μικρή ηλικία. Αργότερα, η μητέρα του διαγνώστηκε με καρκίνο της κοιλιάς, παρόμοιο με αυτό που θα είχε ο Μάξγουελ 4 δεκαετίες αργότερα. Πέθανε τον Δεκέμβριο του 1839 μετά από μια ανεπιτυχή επέμβαση. Ο Μάξγουελ ήταν οκτώ ετών και από τότε η εκπαίδευσή του καθοδηγούνταν από τον πατέρα του και τη θεία του Τζέιν. Έγιναν πρόσωπα-κλειδιά στη ζωή του. Η επίσημη εκπαίδευσή του ξεκίνησε, ανεπιτυχώς, υπό την καθοδήγηση ενός δεκαεξάχρονου αγοριού. Το μόνο που ήταν γνωστό ήταν ότι φερόταν στον Τζέιμς με αγένεια και ότι τον θεωρούσε αργό και ιδιότροπο. Ο πατέρας του Μάξγουελ τον απέλυσε τον Νοέμβριο του 1841 και μετά από αρκετή σκέψη, έστειλε τον Μάξγουελ στη διάσημη Ακαδημία του Εδιμβούργου. Κατά τη διάρκεια των μαθημάτων έμεινε με τη θεία του Ιζαμπέλα, όπου ανέπτυξε, με την υποστήριξη της ξαδέλφης του Τζεμίμα, μια ιδιαίτερη προτίμηση στη ζωγραφική.

Ο χαρισματικός δεκάχρονος, που μεγάλωσε στην εξοχική έπαυλη του πατέρα του, δεν ταίριαζε στο σχολείο του. Καθώς δεν υπήρχε θέση στο πρώτο έτος, ο Μάξγουελ αναγκάστηκε να μπει στην τάξη του δεύτερου έτους, με συμμαθητές έναν χρόνο μεγαλύτερούς του. Οι τρόποι του και η προφορά του (χαρακτηριστική του Galloway) ήταν πολύ χωριάτικοι για τα άλλα αγόρια. Επειδή παρακολούθησε την πρώτη ημέρα του σχολείου του με έναν αυτοσχέδιο χιτώνα και ένα ζευγάρι παπούτσια, οι συμμαθητές του του έδωσαν το εχθρικό παρατσούκλι "Dafty" (μια παλιά αγγλική λέξη της οποίας το σύγχρονο ισοδύναμο θα ήταν δυστυχισμένος). Παρά την αντιπάθεια που υπονοούσε, ο Μάξγουελ δεν φάνηκε ποτέ να αντιπαθεί το παρατσούκλι, επιτρέποντας στον εαυτό του να τον αποκαλούν με αυτό για πολλά χρόνια χωρίς παράπονο. Η κοινωνική του απομόνωση έληξε όταν γνώρισε τον Lewis Campbell και τον Peter Guthrie Tait, οι οποίοι θα γίνονταν διάσημοι επιστήμονες και με τους οποίους θα παρέμενε φίλος καθ' όλη τη διάρκεια της ζωής του.

Η γεωμετρία γοήτευσε τον Μάξγουελ από νεαρή ηλικία, ανακαλύπτοντας εκ νέου τα κανονικά πολύεδρα πριν λάβει οποιαδήποτε επίσημη διδασκαλία σε αυτά. Παρά το γεγονός ότι κέρδισε το σχολικό βραβείο για βιογραφική συγγραφή, το ακαδημαϊκό του έργο πέρασε σε μεγάλο βαθμό απαρατήρητο μέχρι που, σε ηλικία 13 ετών, κέρδισε το σχολικό μετάλλιο για τα μαθηματικά και το πρώτο βραβείο τόσο στα αγγλικά όσο και στην ποίηση.

Τα ενδιαφέροντα του νεαρού ήταν πολύ πέρα από τα σχολικά μαθήματα και δεν κατέβαλε ποτέ μεγάλη προσπάθεια για τους βαθμούς του, παρόλο που ήταν πολύ καλοί. Έγραψε την πρώτη του επιστημονική εργασία σε ηλικία δεκατεσσάρων ετών, περιγράφοντας μια μηχανική μέθοδο για τη σχεδίαση γενικευμένων κωνικών με τη χρήση ενός κομματιού σπάγκου, καθώς και τις ιδιότητες των ελλείψεων, των καρτεσιανών ωοειδών και των συναφών καμπυλών τους (εφόσον είχαν περισσότερες από δύο εστίες). Το έργο του, Oval Curves, παρουσιάστηκε στη Βασιλική Εταιρεία του Εδιμβούργου από τον James Forbes, καθηγητή φυσικής φιλοσοφίας στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου, καθώς ο Maxwell θεωρήθηκε πολύ νέος για να το παρουσιάσει ο ίδιος.

Αν και το έργο δεν ήταν εντελώς πρωτότυπο, καθώς ο Ρενέ Ντεκάρτ είχε ήδη εξετάσει τις ιδιότητες των πολυεστιακών ελλείψεων τον 17ο αιώνα, ο Μάξγουελ κατάφερε να απλοποιήσει τη μέθοδο κατασκευής.

Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου (1847-1850)

Ο Μάξγουελ εγκατέλειψε την Ακαδημία το 1847 σε ηλικία 16 ετών και άρχισε να παρακολουθεί μαθήματα στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου. Είχε την ευκαιρία να φοιτήσει στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, αλλά αποφάσισε, μετά το πρώτο εξάμηνο, να ολοκληρώσει όλες τις προπτυχιακές του σπουδές στο Εδιμβούργο. Το προσωπικό της ακαδημίας του Πανεπιστημίου του Εδιμβούργου περιλάμβανε μερικά πολύ διάσημα ονόματα- στους καθηγητές του στο πρώτο έτος σπουδών του περιλαμβάνονταν ο Sir William Hamilton, ο οποίος του έδωσε διαλέξεις για τη λογική και τη μεταφυσική, ο Philip Kelland για τα μαθηματικά και ο James Forbes για τη φυσική φιλοσοφία. Δεν βρήκε τις διαλέξεις στο Πανεπιστήμιο πολύ δύσκολες και, ως εκ τούτου, ήταν σε θέση να αφοσιωθεί στον ιδιωτικό τομέα κατά τη διάρκεια του ελεύθερου χρόνου του στο Πανεπιστήμιο και ιδίως όταν επέστρεφε στο σπίτι του στο Glenlair. Εκεί πειραματίστηκε με χημικά, ηλεκτρικά και μαγνητικά υλικά που αυτοσχεδίασε, ενώ η κύρια ενασχόλησή του ήταν με το πολωμένο φως. Κατασκεύασε ζελατίνη σε μορφή μπλοκ, τα υπέβαλε σε διάφορες καταπονήσεις και με ένα ζευγάρι πολωτικών πρισμάτων που του είχε δώσει ο William Nicol, είδε τις χρωματιστές ακμές που είχαν αναπτυχθεί μέσα στη ζελατίνη. Μέσω αυτής της πρακτικής ανακάλυψε τη φωτοελαστικότητα, η οποία είναι ένας τρόπος προσδιορισμού της κατανομής των τάσεων σε φυσικές δομές.

Στα 18 του, συνέγραψε δύο επιστημονικές εργασίες στις "Transactions of the Royal Society of Edinburgh" (Συναλλαγές της Βασιλικής Εταιρείας του Εδιμβούργου). Μία από αυτές τις επιστημονικές εργασίες, "Περί ισορροπίας των ελαστικών στερεών", έθεσε τις βάσεις για αυτό που έμελλε να αποτελέσει μια σημαντική ανακάλυψη αργότερα στη ζωή του, την προσωρινή διπλή διάθλαση που δημιουργείται στα ιξώδη υγρά λόγω της τάσης. Η άλλη επιστημονική του εργασία ήταν η "Κυλιόμενες καμπύλες", την οποία, μαζί με την επιστημονική εργασία "Οβάλ καμπύλες" που είχε γράψει στην Ακαδημία του Εδιμβούργου, ο Μάξγουελ θεωρήθηκε και πάλι πολύ νέος για να την παρουσιάσει και να την υπερασπιστεί σε βήμα. Η επιστημονική εργασία υποβλήθηκε στη Royal Society μέσω του καθηγητή του.

Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ

Τον Οκτώβριο του 1850, ήδη μαθηματικός, ο Μάξγουελ έφυγε από τη Σκωτία για να εισαχθεί στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ. Αρχικά φοίτησε στο Peterhouse, αλλά πριν τελειώσει το πρώτο του εξάμηνο εκεί, μεταφέρθηκε στο Trinity College, όπου ήλπιζε να κερδίσει μια υποτροφία έρευνας. Στο Trinity, επιλέχθηκε από την ελίτ της μυστικής κοινωνίας που ήταν γνωστή ως οι Απόστολοι του Κέιμπριτζ. Η διανοητική του κατανόηση της χριστιανικής του πίστης και της επιστήμης αναπτύχθηκε ραγδαία κατά τη διάρκεια των χρόνων του στο Κέιμπριτζ. Στους "Αποστόλους", που ήταν μια κοινωνία συζητήσεων αποκλειστικά για την πνευματική ελίτ, μέσω των γραπτών του προσπάθησε να λειτουργήσει έξω από αυτή τη γνώση.

"Τώρα το μεγάλο μου σχέδιο, το οποίο σχεδιάστηκε στο παρελθόν, ... είναι να μην αφήσω τίποτα να μείνει ανεξερεύνητο εθελοντικά. Τίποτα δεν πρέπει να είναι ιερό έδαφος αφιερωμένο στη σταθερή πίστη, είτε θετικό είτε αρνητικό. Όλη η αγρανάπαυση πρέπει να οργώνεται και να ακολουθείται ένα τακτικό σύστημα αμειψισποράς. ... Ποτέ μην κρύβετε τίποτα, είτε υπάρχει είτε όχι, ούτε να φαίνεται ότι θέλετε να το κρύψετε.... Και πάλι, επιβεβαιώνω το Δικαίωμα του Βιασμού σε οποιοδήποτε τεμάχιο Αγίας Γης που έχει παραμερίσει οποιοσδήποτε άνθρωπος. ... Τώρα είμαι πεπεισμένος ότι μόνο ένας χριστιανός μπορεί να καθαρίσει τη χώρα του από αυτούς τους ιερούς τόπους. ... Δεν λέω ότι κανένας χριστιανός δεν έχει παραμερίσει τέτοιου είδους χώρους. Πολλοί έχουν πολλά, και όλοι έχουν μερικά. Αλλά υπάρχουν εκτεταμένες και σημαντικές περιοχές στην επικράτεια των σκωπτικών, των πανθεϊστών, των ησυχαστών, των φορμαλιστών, των δογματιστών, των αισθησιολόγων και των υπολοίπων, οι οποίες είναι ανοιχτά και πανηγυρικά ανακηρυγμένες ταμπού.Ο Χριστιανισμός - δηλαδή η θρησκεία της Βίβλου - είναι το μόνο σχήμα ή μορφή πίστης που αρνείται οποιαδήποτε κατοχή σε τέτοιες περιοχές. Μόνο που εδώ όλα είναι δωρεάν. Κάποιος μπορεί να πετάξει στα πέρατα της γης και να μην βρει κανέναν Θεό εκτός από τον Συγγραφέα της Σωτηρίας. Μπορείτε να ψάξετε τις Γραφές και να μην βρείτε ένα κείμενο που θα σας σταματήσει στις εξερευνήσεις σας... Η Παλαιά Διαθήκη, ο Μωσαϊκός Νόμος και ο Ιουδαϊσμός θεωρούνται συνήθως "ταμπού" για τους ορθόδοξους. Οι σκεπτικιστές προσποιούνται ότι τα έχουν διαβάσει και έχουν βρει ορισμένες έξυπνες αντιρρήσεις ... τις οποίες πολλοί από τους αδιάβαστους ορθόδοξους παραδέχονται και αποσιωπούν το θέμα σαν να ήταν εμμονή. Αλλά ένα κερί έρχεται να διώξει όλα τα φαντάσματα και τους εφιάλτες. Ας περάσουμε το φως."

Ο βαθμός στον οποίο ο Μάξγουελ είχε "οργώσει" τις χριστιανικές του πεποιθήσεις, υποβάλλοντάς τες σε διανοητική δοκιμασία, μπορεί να κριθεί μόνο ελλιπώς από τα γραπτά του. Υπάρχουν όμως πολλές αποδείξεις, ιδίως από τα φοιτητικά του χρόνια, ότι πράγματι εξέταζε σε βάθος την πίστη του. Σίγουρα, οι γνώσεις του για τη Βίβλο ήταν αξιοσημείωτες, έτσι ώστε η εμπιστοσύνη του στις Γραφές να μη βασίζεται σε άγνοια. Το καλοκαίρι του πρώτου έτους της φοίτησής του, ο Μάξγουελ πέρασε κάποιο διάστημα στο Σάφολκ, στο σπίτι του αιδεσιμότατου C.B. Tayler, θείου ενός συμμαθητή του, του G.W.H. Tayler. Η αγάπη του Θεού που έδειξε η οικογένεια εντυπωσίασε τον Μάξγουελ, ιδιαίτερα μετά από μια ασθένεια κατά την οποία τον φρόντιζαν ο ιερέας και η σύζυγός του. Επιστρέφοντας στο Κέιμπριτζ, ο Μάξγουελ γράφει στον πρόσφατο οικοδεσπότη του μια εύγλωττη και στοργική επιστολή που περιλαμβάνει την ακόλουθη μαρτυρία.

" ... Έχω την ικανότητα να είμαι πιο κακός από οποιοδήποτε παράδειγμα μπορεί να μου δώσει κάποιος, και ... αν ξεφύγω, είναι μόνο με τη χάρη του Θεού που με βοηθάει να απαλλαγώ από τον εαυτό μου, εν μέρει στην επιστήμη, πιο ολοκληρωτικά στην κοινωνία - αλλά όχι τέλεια, παρά μόνο παραδίδοντας τον εαυτό μου στο Θεό...".

Τον Νοέμβριο του 1851, ο Μάξγουελ σπούδαζε υπό την καθοδήγηση του Γουίλιαμ Χόπκινς, του οποίου η επιτυχία στην καλλιέργεια μαθηματικών ιδιοφυιών του είχε αποφέρει το παρατσούκλι "ο νούμερο ένα κατασκευαστής" (αναφορά στους wranglers, τους πιο έξυπνους μαθητές σε κάθε εισαγωγική εξέταση). Το 1854, ο Μάξγουελ αποφοίτησε από το Trinity με πτυχίο στα μαθηματικά. Ήταν ο δεύτερος καλύτερος στις τελικές εξετάσεις, πίσω από τον Edward Routh, κερδίζοντας τον τίτλο του "Second Wrangler". Αργότερα ανακηρύχθηκε ισότιμος με τον Routh στο πιο απαιτητικό τεστ για το βραβείο Smith. Αμέσως μετά την απόκτηση του πτυχίου του, ο Maxwell διάβασε την εργασία του "On the Transformation of Surfaces by Folding" στη Φιλοσοφική Εταιρεία του Cambridge. Πρόκειται για μία από τις λίγες αμιγώς μαθηματικές εργασίες που είχε γράψει, αποδεικνύοντας την ανάπτυξή του ως μαθηματικού.

Ο Μάξγουελ αποφάσισε να παραμείνει στο Trinity μετά την αποφοίτησή του και υπέβαλε αίτηση για υποτροφία, μια διαδικασία που μπορεί να διαρκέσει δύο χρόνια. Στηριζόμενος στην επιτυχία του ως ερευνητής φοιτητής, θα ήταν ελεύθερος, εκτός από κάποια έξοδα εκπαίδευσης και εξετάσεων, να ακολουθήσει τα επιστημονικά του ενδιαφέροντα με τον ελεύθερο χρόνο του. Η φύση και η αντίληψη του χρώματος ήταν ένα ενδιαφέρον που είχε αρχίσει να ασχολείται στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου, όταν ήταν φοιτητής του Forbes. Με τις έγχρωμες περιστρεφόμενες κορυφές που επινόησε ο Forbes, ο Maxwell μπόρεσε να δείξει ότι το λευκό φως θα προέκυπτε από ένα μείγμα κόκκινου, πράσινου και μπλε φωτός. Η εργασία του "Experiments on Colour" παρουσίασε τις αρχές του συνδυασμού χρωμάτων και παρουσιάστηκε στη Βασιλική Εταιρεία του Εδιμβούργου τον Μάρτιο του 1855. Ο Μάξγουελ ήταν αυτή τη φορά σε θέση να το παραδώσει ο ίδιος. Έγινε δεκτός στο Trinity στις 10 Οκτωβρίου 1855, νωρίτερα από τον κανόνα, και του ζητήθηκε να προετοιμάσει διαλέξεις για την υδροστατική και την οπτική και να συμμετάσχει σε εξετάσεις. Τον Φεβρουάριο του επόμενου έτους ο Forbes τον ώθησε να υποβάλει αίτηση για τη νέα κενή θέση στη Φυσική Φιλοσοφία στο Marischal College του Aberdeen. Ο πατέρας του τον βοήθησε στην προετοιμασία των απαραίτητων συστατικών επιστολών, αλλά πέθανε στις 2 Απριλίου στο Glenlair πριν μάθει το αποτέλεσμα της αίτησης του γιου του. Ο Μάξγουελ αποδέχτηκε την έδρα του καθηγητή στο Αμπερντίν, εγκαταλείποντας το Κέιμπριτζ τον Νοέμβριο του 1856.

Marischal College, Aberdeen, 1856-1860

Στα 25 του χρόνια ο Maxwell ήταν 15 χρόνια νεότερος από οποιονδήποτε άλλο καθηγητή στο Marischal College. Δεσμεύτηκε σε νέες ευθύνες ως επικεφαλής τμήματος, σχεδιάζοντας προγράμματα και προετοιμάζοντας μαθήματα. Δεσμεύτηκε να διδάσκει 15 ώρες την εβδομάδα, συμπεριλαμβανομένου ενός εβδομαδιαίου δωρεάν μαθήματος για το προσωπικό της σχολής. Ζούσε στο Αμπερντίν για τους 6 μήνες του ακαδημαϊκού έτους και τα καλοκαίρια τα περνούσε στο Γκλένλαιρ, ένα μέρος που είχε κληρονομήσει από τον πατέρα του.

Επικέντρωσε την προσοχή του σε ένα πρόβλημα που είχε διαφύγει από τους επιστήμονες για 200 χρόνια: τη φύση των δακτυλίων του Κρόνου. Το πώς θα μπορούσαν να παραμείνουν σταθερές χωρίς να διαλυθούν, να παρασυρθούν ή να συγκρουστούν με τον πλανήτη ήταν άγνωστο. Το πρόβλημα είχε ιδιαίτερη απήχηση εκείνη την εποχή, επειδή το St John's College του Cambridge το είχε επιλέξει ως θέμα για το βραβείο Adams Prize το 1857. Ο Μάξγουελ πέρασε δύο χρόνια μελετώντας το πρόβλημα, αποδεικνύοντας ότι ένας κανονικός στερεός δακτύλιος δεν θα μπορούσε να είναι σταθερός, ενώ ένας υγρός δακτύλιος θα αναγκαζόταν από τη δράση των κυμάτων να διασπαστεί σε μια άμορφη μάζα. Εφόσον δεν παρατηρήθηκε κανένα, ο Μάξγουελ κατέληξε στο συμπέρασμα ότι οι δακτύλιοι αποτελούνταν από πολυάριθμα σωματίδια, τα οποία ονόμασε "τούβλα-νυχτερίδες", καθένα από τα οποία περιφερόταν ανεξάρτητα γύρω από τον Κρόνο.

Το 1859 ο Μάξγουελ τιμήθηκε με 130 λίρες Αγγλίας από το Βραβείο Άνταμς για το δοκίμιό του Περί της σταθερότητας της κίνησης των δακτυλίων του Κρόνου. Ήταν ο μόνος που συμφώνησε να έχει κάνει μια σημαντική ανακάλυψη στο θέμα αυτό. Το έργο του ήταν τόσο λεπτομερές και πειστικό που όταν το διάβασε ο George Biddell Airy, σχολίασε: "Είναι μια από τις πιο αξιομνημόνευτες εφαρμογές των μαθηματικών στη φυσική που έχω δει ποτέ". Θεωρήθηκε το απόλυτο στο θέμα μέχρι τις άμεσες παρατηρήσεις των αναγνωριστικών πτήσεων Voyager, οι οποίες ήρθαν να επιβεβαιώσουν τις προβλέψεις του Maxwell.

Το 1857 ο Μάξγουελ έγινε φίλος με τον αιδεσιμότατο Ντάνιελ Ντιούαρντ, ο οποίος αργότερα θα γινόταν διευθυντής του Marischal College. Μέσω αυτού γνώρισε την κόρη του, Katherine Mary Dewar. Αρραβωνιάστηκαν τον Φεβρουάριο του 1858 και παντρεύτηκαν στο Αμπερντίν στις 2 Ιουνίου 1858. Ο Maxwell αναφέρεται στο μητρώο γάμου ως λέκτορας φυσικής φιλοσοφίας στο Marischal College του Aberdeen. Συγκρίνοντας την επταετή περίοδο του Μάξγουελ ως τελειόφοιτου με την περίοδο της Κάθριν, ελάχιστα είναι γνωστά γι' αυτήν, αν και είναι γνωστό ότι βοηθούσε στο εργαστήριο και εργαζόταν με πειράματα ιξώδους. Ο βιογράφος και φίλος του Μάξγουελ, Λιούις Κάμπελ, υιοθέτησε μια ασυνήθιστη επιφυλακτικότητα στο θέμα της Κάθριν, αν και περιέγραψε τον έγγαμο βίο της ως "έναν βίο πρωτοφανούς αφοσίωσης".

Το 1860 το Marischal College συγχωνεύτηκε με το King's College, το οποίο μετακόμισε σε κοντινή απόσταση, σχηματίζοντας το Πανεπιστήμιο του Aberdeen. Εκεί δεν υπήρχε χώρος για δύο καθηγητές φυσικής φιλοσοφίας, οπότε ο Μάξγουελ, παρά την επιστημονική του φήμη, βρέθηκε χωρίς δουλειά. Δεν κατάφερε να διεκδικήσει τη θέση που άδειασε ο Forbes στο Εδιμβούργο, καθώς προτιμήθηκε ο Tait. Αντ' αυτού, ο Μάξγουελ έλαβε την έδρα φυσικής φιλοσοφίας στο King's College του Λονδίνου. Αφού ανάρρωσε από μια σχεδόν θανατηφόρα ασθένεια ευλογιάς το 1860, ο Μάξγουελ μετακόμισε στο Λονδίνο με τη σύζυγό του.

King's College, Λονδίνο, 1860-1865

Η περίοδος του Μάξγουελ στο King's College ήταν ίσως η πιο παραγωγική της καριέρας του. Έλαβε το μετάλλιο Rumford της Βασιλικής Εταιρείας το 1860 για το έργο του σχετικά με το χρώμα και στη συνέχεια έγινε δεκτός στην Εταιρεία το 1861. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου της ζωής του παρουσίασε την πρώτη έγχρωμη φωτογραφία στον κόσμο, ανέπτυξε τις ιδέες του σχετικά με το ιξώδες των αερίων και πρότεινε ένα σύστημα για τον ορισμό φυσικών μεγεθών (σήμερα γνωστό ως διαστατική ανάλυση). Ο Μάξγουελ παρακολουθούσε συχνά διαλέξεις στο Βασιλικό Ίδρυμα, όπου συνέπεσε τακτικά με τον Μάικλ Φαραντέι. Η σχέση τους δεν θα μπορούσε να χαρακτηριστεί στενή, επειδή ο Faraday ήταν 40 χρόνια μεγαλύτερος από τον Maxwell και παρουσίαζε σημάδια γεροντικής άνοιας. Ωστόσο, είχαν μεγάλο σεβασμό για τα ταλέντα του άλλου.

Η περίοδος αυτή είναι ιδιαίτερα αξιοσημείωτη λόγω των επιτευγμάτων του Μάξγουελ στους τομείς του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού. Μελέτησε τη φύση των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων στο επιστημονικό του άρθρο "Περί φυσικών γραμμών δυνάμεων", το οποίο δημοσιεύθηκε το 1861 και αποτελείται από δύο μέρη. Σε αυτό παρείχε ένα εννοιολογικό μοντέλο για την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή, που αποτελείται από μικρά περιστρεφόμενα κύτταρα ηλεκτρομαγνητικής ροής. Στη συνέχεια πρόσθεσε άλλα δύο μέρη και τα δημοσίευσε στο ίδιο επιστημονικό έντυπο το 1862. Στο πρώτο πρόσθετο μέρος εξήγησε τη φύση της ηλεκτροστατικής και του ρεύματος μετατόπισης. Στο δεύτερο ανέλυσε την περιστροφή του επιπέδου πόλωσης του φωτός σε μαγνητικό πεδίο, ένα φαινόμενο που ανακαλύφθηκε από τον Faraday και είναι σήμερα γνωστό ως φαινόμενο Faraday.

Τα τελευταία χρόνια, 1865-1879

Το 1865 ο Maxwell εγκατέλειψε το King's College του Λονδίνου και επέστρεψε στο Glenlair με την Katherine. Στην επιστημονική του εργασία "Περί αμοιβαίων σχημάτων, πλαισίων και διαγραμμάτων δυνάμεων" (1870) μελέτησε την ακαμψία διαφόρων σχεδίων πλεγμάτων. Έγραψε το εγχειρίδιο Theory of Heat (1871) και την πραγματεία Matter and Motion (1876). Ο Μάξγουελ ήταν επίσης ο πρώτος που έκανε ρητή χρήση της διαστατικής ανάλυσης, το 1871.

Το 1871 έγινε ο πρώτος καθηγητής Φυσικής Cavendish στο Cambridge. Ο Μάξγουελ τέθηκε επικεφαλής της ανάπτυξης του εργαστηρίου Cavendish, επιβλέποντας κάθε βήμα της προόδου του κτιρίου και την αγορά εργαστηριακού εξοπλισμού. Μια από τις τελευταίες σημαντικές συνεισφορές του Μάξγουελ στην επιστήμη ήταν η επεξεργασία (με εκτεταμένες πρωτότυπες παρατηρήσεις) των ερευνών του Χένρι Κάβεντις, σύμφωνα με την οποία φαίνεται ότι ο Κάβεντις διερευνούσε, μεταξύ άλλων, ζητήματα όπως η πυκνότητα της Γης και η σύσταση του νερού.

Ο Μάξγουελ πέθανε στο Κέιμπριτζ από καρκίνο της κοιλιάς στις 5 Νοεμβρίου 1879 σε ηλικία 48 ετών. Η μητέρα του είχε πεθάνει στην ίδια ηλικία από το ίδιο είδος καρκίνου. Ο ιερέας που τον επισκεπτόταν τακτικά τις τελευταίες εβδομάδες της ζωής του έμεινε έκπληκτος από τη διαύγειά του και την τεράστια δύναμη και έκταση του μυαλού του, αλλά σχολιάζει ιδιαίτερα:

... η αρρώστια του ανέδειξε τη μεγάλη του καρδιά, ψυχή και πνεύμα: τη σταθερή και αδιαμφισβήτητη πίστη του στην ενσάρκωση και σε όλα τα αποτελέσματά της, στην επάρκεια της λύτρωσης, στο έργο του Αγίου Πνεύματος. Είχε μετρήσει και κατανοήσει όλα τα σχέδια και τα συστήματα της φιλοσοφίας και τα είχε κρίνει κενά και μη ικανοποιητικά - "ανεφάρμοστα" τα χαρακτήριζε - και είχε μεταπηδήσει με απλή πίστη στο Ευαγγέλιο του Σωτήρα.

Καθώς ετοιμαζόταν να πεθάνει, ο Μάξγουελ είπε σε έναν συνάδελφό του στο Κέιμπριτζ:

Σκεφτόμουν πόσο ευγενικά μου συμπεριφέρονταν πάντα. Ποτέ στη ζωή μου δεν με έχουν σπρώξει βίαια. Η μόνη επιθυμία, όπως ο Δαβίδ, είναι να υπηρετήσω τη γενιά μου με το θέλημα του Θεού και μετά να κοιμηθώ.

Ο Μάξγουελ θάφτηκε στο Parton Kirk, κοντά στο Castle Douglas στο Galloway, κοντά στο μέρος όπου μεγάλωσε. Το 1882 δημοσιεύτηκε η εκτενής βιογραφία The life of James Clerk Maxwell, από τον πρώην συμμαθητή του και φίλο του για όλη του τη ζωή καθηγητή Lewis Campbell. Τα έργα του συμπεριλήφθηκαν σε τόμους του Cambridge University Press το 1890.

Προσωπική ζωή

Ήταν παντρεμένος με την Κάθριν Κλερκ Μάξγουελ, γνωστή για τις παρατηρήσεις της, οι οποίες συνέβαλαν στις ανακαλύψεις του Κλερκ Μάξγουελ, και ως μεγάλος λάτρης της σκωτσέζικης ποίησης, ο Μάξγουελ διάβαζε τα ποιήματά της και έγραφε τα δικά του. Το πιο γνωστό είναι το Rigid Body Sings, που μοιάζει πολύ με το "Comin' through the rye" του Ρόμπερτ Μπερνς, στο οποίο τραγουδούσε με τη συνοδεία κιθάρας, το οποίο ξεκινάει ως εξής.

Τζιν ένα σώμα συναντά ένα σώμα πετώντας στον αέρα. Τζιν ένα σώμα χτύπησε ένα σώμα, θα πετάξει; Και πού;

Μια συλλογή ποιημάτων του εκδόθηκε από τον φίλο του Lewis Campbell το 1882.

Οι περιγραφές του Μάξγουελ που επισημαίνουν τις αξιοσημείωτες διανοητικές του ικανότητες συνοδεύονται από μια κοινωνική δυσκολία. Ο Μάξγουελ ήταν ευαγγελικός πρεσβυτεριανός και στα τελευταία του χρόνια έγινε πρεσβύτερος στην Εκκλησία της Σκωτίας. Οι θρησκευτικές πεποιθήσεις και οι σχετικές δραστηριότητες του Maxwell αποτέλεσαν το επίκεντρο πολλών εργασιών. Ο Μάξγουελ, ο οποίος ως παιδί φοιτούσε στην Επισκοπική Εκκλησία της Σκωτίας, αργότερα, τον Απρίλιο του 1853, μεταστράφηκε σε ευαγγελιστή. Μια πτυχή αυτής της μετατροπής μπορεί να ευθυγραμμίστηκε με μια αντι-θετικιστική θέση.

Ηλεκτρομαγνητισμός

Ο Μάξγουελ μελέτησε και σχολίασε για πρώτη φορά τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό το 1855, όταν το δοκίμιό του "On Faraday's lines of force" διαβάστηκε ενώπιον της Φιλοσοφικής Εταιρείας του Κέιμπριτζ. Το δοκίμιο παρουσίαζε ένα απλουστευμένο μοντέλο του έργου του Faraday, καθώς και ορισμένα σχόλια σχετικά με τη σχέση μεταξύ ηλεκτρισμού και μαγνητισμού. Ο Μάξγουελ περιόρισε όλη τη γνώση της ύλης εκείνη την εποχή σε ένα συγκεκριμένο σύνολο είκοσι διαφορικών εξισώσεων, με είκοσι μεταβλητές. Το έργο αυτό δημοσιεύτηκε ως "On Physical Lines of Force" τον Μάρτιο του 1861.

Γύρω στο 1862, ενώ δίδασκε στο King's College, ο Μάξγουελ υπολόγισε την ταχύτητα διάδοσης ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, βρίσκοντας ότι ήταν περίπου ισοδύναμη με εκείνη του φωτός (βλέπε ηλεκτρομαγνητικές σταθερές, στο άρθρο για την ταχύτητα του φωτός). Το θεώρησε κάτι περισσότερο από απλή σύμπτωση, σχολιάζοντας ότι: "Δύσκολα μπορούμε να αποφύγουμε το συμπέρασμα ότι το φως αποτελείται από εγκάρσιους κυματισμούς του ίδιου μέσου που είναι η αιτία των ηλεκτρικών και μαγνητικών φαινομένων".

Στην προσπάθειά του να διερευνήσει περαιτέρω το πρόβλημα, ο Μάξγουελ έδειξε ότι οι εξισώσεις του προέβλεπαν την ύπαρξη κυμάτων ηλεκτρικού πεδίου.

Οι περίφημες είκοσι εξισώσεις του εμφανίστηκαν για πρώτη φορά στη σύγχρονη εκδοχή τους (τέσσερις εξισώσεις σε μερικές παραγώγους) στο βιβλίο A Treatise on Electricity and Magnetism (1873), ενώ το μεγαλύτερο μέρος αυτής της εργασίας έγινε κατά τη διάρκεια της θητείας του στο Glenlair, ενώ είχε τη θέση του στο Λονδίνο και απέκτησε την έδρα του Cavendish. Ο Μάξγουελ εξέφρασε το έργο του για τον ηλεκτρομαγνητισμό βασισμένο σε τανυστές, με το ηλεκτρομαγνητικό δυναμικό στο κέντρο της θεωρίας. Το 1881, ο Όλιβερ Χεβισάιντ αντικατέστησε το ηλεκτρομαγνητικό δυναμικό πεδίο του Μάξγουελ με "πεδία δυνάμεων", μειώνοντας την πολυπλοκότητα της θεωρίας του Μάξγουελ και καθιστώντας δυνατή την αναγωγή της σε τέσσερις εξισώσεις, τις οποίες σήμερα γνωρίζουμε ως Νόμους του Μάξγουελ ή Εξισώσεις του Μάξγουελ. Σύμφωνα με τον Heaviside, το ηλεκτρομαγνητικό δυναμικό πεδίο ήταν αυθαίρετο και έπρεπε να "σκοτωθεί". Σήμερα, η χρήση δυναμικών (σε μορφή κλιμάκων ή διανυσμάτων) είναι το πρότυπο για την επίλυση αυτών των εξισώσεων.

Λίγα χρόνια αργότερα, ο Heaviside και ο Peter Guthrie Tait είχαν μια συζήτηση σχετικά με τα σχετικά πλεονεκτήματα της διανυσματικής ανάλυσης και των τανυστών, και το αποτέλεσμα ήταν η αποδοχή ότι δεν υπήρχε ανάγκη για τα δεδομένα και τη βαθιά φυσική γνώση που παρείχαν οι τανυστές αν η θεωρία ήταν καθαρά τοπική. Το αποτέλεσμα ήταν η αποδοχή ότι δεν υπήρχε ανάγκη για τα δεδομένα και τη βαθιά φυσική γνώση που παρείχαν οι τανυστές, αν η θεωρία ήταν καθαρά τοπική, οπότε η διανυσματική ανάλυση έγινε ο κανόνας. Ο Μάξγουελ αποδείχθηκε σωστός και η (ποσοτική) σύνδεσή του μεταξύ φωτός και ηλεκτρομαγνητισμού θεωρείται ένα από τα μεγαλύτερα επιτεύγματα της μαθηματικής φυσικής του 19ου αιώνα.

Ο Μάξγουελ εισήγαγε επίσης την έννοια του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, σε αντίθεση με την έννοια των γραμμών δύναμης που περιέγραφε ο Φαραντέι. Κατανοώντας τη διάδοση του ηλεκτρομαγνητισμού ως πεδίο που εκπέμπεται από ενεργά σωματίδια, ο Μάξγουελ μπόρεσε να προωθήσει το έργο του για το φως. Εκείνα τα χρόνια, η θεωρία του για τη διάδοση του φωτός απαιτούσε ένα μέσο για τα κύματα, που ονομάστηκε φωτεινός αιθέρας. Με την πάροδο του χρόνου, η ύπαρξη ενός τέτοιου μέσου, το οποίο θεωρητικά διαπερνούσε όλο το χώρο και ήταν μη ανιχνεύσιμο με μηχανικές μεθόδους, θεωρήθηκε αδύνατη, επειδή δεν μπορούσε να γίνει συμβατή με πειράματα όπως το πείραμα Michelson-Morley. Επιπλέον, φαινόταν ότι απαιτούσε ένα απόλυτο σύστημα αναφοράς για να ισχύουν οι εξισώσεις του, γεγονός που έκανε τη μορφή του να αλλάζει σε σχέση με έναν κινούμενο παρατηρητή. Οι δυσκολίες αυτές θα ενέπνεαν τον Άλμπερτ Αϊνστάιν να διατυπώσει τη θεωρία της ειδικής σχετικότητας, η οποία με τη σειρά της οδήγησε στην ανάγκη ύπαρξης ενός σταθερού φωτεινού αιθέρα.

Αντίληψη του χρώματος

Όπως οι περισσότεροι φυσικοί της εποχής του, ο Μάξγουελ είχε έντονο ενδιαφέρον για την ψυχολογία. Ενδιαφέρθηκε ιδιαίτερα, ακολουθώντας τα βήματα του Ισαάκ Νεύτωνα και του Τόμας Γιανγκ, για τη μελέτη της αντίληψης των χρωμάτων. Από το 1855 έως το 1872, δημοσίευσε ακανόνιστα σειρές ερευνών που αφορούσαν την αντίληψη των χρωμάτων, την αχρωματοψία και τη θεωρία των χρωμάτων, ενώ του απονεμήθηκε το μετάλλιο Rumford για την εργασία του On the Theory of Colour Vision.

Ο Ισαάκ Νεύτωνας είχε δείξει, χρησιμοποιώντας πρίσματα, ότι το λευκό φως, όπως το ηλιακό φως, αποτελείται από έναν αριθμό μονοχρωματικών συστατικών που θα μπορούσαν να συνδυαστούν ξανά σε λευκό φως. Ο Νεύτωνας έδειξε επίσης ότι ένα πορτοκαλί χρώμα που αποτελείται από κίτρινο και κόκκινο θα μπορούσε να φαίνεται το ίδιο με ένα μονοχρωματικό πορτοκαλί φως, παρόλο που αποτελείται από δύο μονοχρωματικά κίτρινο και κόκκινο φως. Εξ ου και το παράδοξο που προβλημάτισε τους φυσικούς εκείνη την εποχή: δύο σύνθετα φώτα (που αποτελούνται από περισσότερα από ένα μονοχρωματικά φώτα) θα μπορούσαν να μοιάζουν μεταξύ τους αλλά να είναι φυσικά διαφορετικά, κάτι που ονομάζεται μεταμερισμός. Ο Thomas Young πρότεινε χρόνια αργότερα ότι αυτό το παράδοξο θα μπορούσε να εξηγηθεί με το ότι τα χρώματα γίνονται αντιληπτά μέσω ενός περιορισμένου αριθμού καναλιών στα μάτια, τα οποία θα μπορούσαν να είναι τρία, την τριχρωματική θεωρία των χρωμάτων. Ο Maxwell χρησιμοποίησε τη νεοαναπτυχθείσα γραμμική άλγεβρα για να ελέγξει τη θεωρία του Young. Οποιοδήποτε μονοχρωματικό φως που διεγείρει τρεις υποδοχείς θα πρέπει να είναι εξίσου ικανό να διεγερθεί από ένα σύνολο τριών διαφορετικών μονοχρωματικών φώτων (στην πραγματικότητα, από οποιοδήποτε σύνολο τριών διαφορετικών φώτων). Απέδειξε ότι αυτό συνέβαινε, εφευρίσκοντας πειράματα για την αντιστοίχιση χρωμάτων και τη χρωματομετρία.

Ο Μάξγουελ ενδιαφερόταν επίσης να εφαρμόσει τη θεωρία των χρωμάτων του, ειδικά στην έγχρωμη φωτογραφία. Αντλώντας άμεσα από το έργο του στην ψυχολογία σχετικά με την αντίληψη των χρωμάτων: αν ένα άθροισμα τριών φώτων μπορούσε να αναπαράγει οποιοδήποτε αντιληπτό χρώμα, τότε έγχρωμες φωτογραφίες θα μπορούσαν να παραχθούν με ένα σύνολο από τρίχρωμα φίλτρα. Στην επιστημονική του εργασία του 1855, ο Μάξγουελ πρότεινε ότι αν τρεις ασπρόμαυρες φωτογραφίες λαμβάνονταν μέσω κόκκινων, πράσινων και μπλε φίλτρων και διαφανή αντίγραφα των εικόνων προβάλλονταν σε μια οθόνη χρησιμοποιώντας παρόμοια φίλτρα, όταν τοποθετούνταν στην οθόνη, το αποτέλεσμα θα γινόταν αντιληπτό από το ανθρώπινο μάτι ως πλήρης αναπαραγωγή όλων των χρωμάτων της σκηνής.

Κατά τη διάρκεια μιας διάλεξης του 1861 στο Royal Institution για τη θεωρία των χρωμάτων, ο Μάξγουελ παρουσίασε την πρώτη στον κόσμο επίδειξη της έγχρωμης φωτογραφίας με αυτή την αρχή της ανάλυσης και σύνθεσης τριών χρωμάτων. Τη φωτογραφία τράβηξε ο Thomas Sutton, εφευρέτης της μηχανής αντανακλαστικού ενός φακού. Φωτογράφισε μια καρό κορδέλα τρεις φορές, μέσω κόκκινου, πράσινου και μπλε φίλτρου, και επίσης τράβηξε μια τέταρτη φωτογραφία μέσω ενός κίτρινου φίλτρου, το οποίο, σύμφωνα με την περιγραφή του Maxwell, δεν χρησιμοποιήθηκε στην επίδειξη. Επειδή οι φωτογραφικές πλάκες του Sutton ήταν αναίσθητες στο κόκκινο και ελάχιστα ευαίσθητες στο πράσινο, τα αποτελέσματα αυτού του πρωτοποριακού πειράματος δεν ήταν καθόλου τέλεια. Στη δημοσιευμένη έκθεση του συνεδρίου, αναφέρεται ότι "αν οι κόκκινες και πράσινες εικόνες είχαν φωτογραφηθεί τόσο τέλεια όσο και οι μπλε", θα ήταν μια πραγματικά έγχρωμη εικόνα της υφασμάτινης ταινίας. "Με την εύρεση φωτογραφικών υλικών πιο ευαίσθητων στις λιγότερο διαθλαστικές ακτίνες, η χρωματική απόδοση των αντικειμένων θα μπορούσε να βελτιωθεί σημαντικά. Οι ερευνητές το 1961 κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η φαινομενικά αδύνατη μερική επιτυχία της έκθεσης με το κόκκινο φίλτρο οφειλόταν στο υπεριώδες φως, το οποίο ανακλάται έντονα από ορισμένες κόκκινες χρωστικές ουσίες, δεν αποκλείεται πλήρως από το κόκκινο φίλτρο που χρησιμοποιήθηκε και βρίσκεται εντός του εύρους ευαισθησίας της διαδικασίας υγρού κολλοδίου που χρησιμοποίησε ο Sutton.

Κινητική θεωρία και θερμοδυναμική

Ο Μάξγουελ ασχολήθηκε επίσης με την κινητική θεωρία των αερίων. Ξεκινώντας από το έργο του Daniel Bernoulli, η υπόθεσή του προχώρησε (χάρη στις προσπάθειες επιστημόνων όπως ο John Herapath, ο John James Waterston, ο James Joule και κυρίως ο Rudolf Clausius) σε τέτοιο βαθμό που η ακρίβειά της θεωρήθηκε πέραν πάσης αμφιβολίας. Σε κάθε περίπτωση, ο Μάξγουελ μπόρεσε να την αναπτύξει σε τεράστιο βαθμό, σε έναν τομέα όπου ήταν ταυτόχρονα πειραματιστής (με τους νόμους της τριβής για τα αέρια) και μαθηματικός.

Μεταξύ 1859 και 1866, ανέπτυξε μια θεωρία της κατανομής των ταχυτήτων στα σωματίδια ενός αερίου, η οποία αργότερα γενικεύτηκε από τον Ludwig Boltzmann. Ο τύπος του, γνωστός ως κατανομή Maxwell-Boltzmann, επιτρέπει την ποσοτικοποίηση του κλάσματος των σωματιδίων του συνολικού αερίου που κινούνται με δεδομένη ταχύτητα για κάθε δεδομένη θερμοκρασία. Στην κινητική θεωρία, οι θερμοκρασίες, και η θερμότητα γενικά, προκαλούν μόνο μοριακή κίνηση. Η προσέγγιση αυτή γενίκευσε τους προηγουμένως καθιερωμένους νόμους της θερμοδυναμικής και εξήγησε ορισμένα πειράματα και παρατηρήσεις πολύ καλύτερα από τα προηγούμενα εργαλεία. Το έργο του Μάξγουελ στη θερμοδυναμική τον οδήγησε να επινοήσει το περίφημο πείραμα σκέψης του Δαίμονα του Μάξγουελ, όπου ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής παραβιάζεται από ένα ον ικανό να διαχωρίζει τα σωματίδια ανάλογα με το ενεργειακό τους επίπεδο.

Το 1871 καθιέρωσε τις θερμοδυναμικές σχέσεις του Μάξγουελ, ισότητες μεταξύ των δεύτερων παραγώγων των θερμοδυναμικών δυναμικών και των διαφόρων θερμοδυναμικών μεταβλητών. Το 1874, ο Μάξγουελ κατασκεύασε ένα γύψινο μοντέλο για να απεικονίσει τις αλλαγές φάσεων από θερμοδυναμική άποψη, βασιζόμενος στην ιδέα που είχε δημοσιεύσει ο Αμερικανός επιστήμονας Josiah Willard Gibbs στις επιστημονικές του εργασίες για τη γραφική θερμοδυναμική.

Θεωρία ελέγχου

Με την επιστημονική του εργασία "On governors", που δημοσιεύθηκε στα Πρακτικά της Βασιλικής Εταιρείας, ο Μάξγουελ έθεσε ορισμένα από τα θεμέλια της σημερινής θεωρίας ελέγχου. Σε αυτό το άρθρο, ο συγγραφέας ανέλυσε ορισμένες πτυχές των φυγοκεντρικών ρυθμιστών που χρησιμοποιούνταν για τον έλεγχο των ατμομηχανών της εποχής.

Το όνομα του Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ έχει τιμηθεί σε πολλές περιπτώσεις, όπως:

Πηγές

1. Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ
2. James Clerk Maxwell