James Clerk Maxwell jednym zestawem równań połączył trzy wielkie dziedziny fizyki. Kim był?

W tym artykule:

1. James Clerk Maxwell – rodzina
2. Dzieciństwo i edukacja
3. Pierwsze prace naukowe i studia
4. Przełomowe idee Maxwella
5. Elektryczność i magnetyzm
6. Teoria elektromagnetyzmu
7. Równania Maxwella
8. Śmierć Maxwella

James Clerk Maxwell przyszedł na świat 13 czerwca 1831 roku w Edynburgu. Urodził się w domu wybudowanym na polecenie jego ojca w eleganckiej części Edynburga, tzw. Nowym Mieście, powstałym po wojnach napoleońskich. Pochodził z zamożnej i ustosunkowanej rodziny.

James Clerk Maxwell – rodzina

Jego ojciec, John Clerk Maxwell z Middlebie, był adwokatem i członkiem Towarzystwa Królewskiego w Edynburgu. Matka, Frances Cay, była córką szkockiego admirała nadzorującego procesy morskie. Małżonkowie poznali się późno i pobrali, gdy byli już po trzydziestce. Ich pierwsze dziecko – Elżbieta – zmarło w dzieciństwie. Jedyny syn urodził się, gdy małżonkowie mieli po ponad 40 lat. Innymi słowy, młody James mógł liczyć na dostatnie dzieciństwo i świetne wykształcenie.

Wkrótce po narodzinach Jamesa, rodzina przeniosła się do swojej 500-hektarowej posiadłości w Glenlair, niedaleko Dumfrie. Wszystko wskazuje na to, że Maxwell od najmłodszych lat wykazywał niezaspokojoną ciekawość. Z zapisków i listów rodziny wynika, że najczęstszymi słowami wypowiadanymi przez małego Jamesa były: „O co w tym chodzi?”.

Dzieciństwo i edukacja

Początkowo edukacją syna zajmowała się matka. Niestety, zmarła na raka, gdy James miał zaledwie osiem lat. Chłopcem opiekował się ojciec oraz kuzynostwo. Wynajęto również prywatnego nauczyciela, który po krótkim czasie został zwolniony za nieuzasadnione besztanie chłopca. Jest to o tyle ciekawe, że w XIX wieku kary cielesne były na porządku dziennym, a większość ustosunkowanych rodziców nie interesowała się zbytnio życiem swoich dzieci. James miał szczęście. Był kochany i zadbany.

10 najstarszych uniwersytetów w Europie – w jakich okolicznościach powstały?

Początki szkolnictwa wyższego w Polsce sięgają 1364 roku, kiedy przed żakami swe podwoje otworzył Uniwersytet Jagielloński (dokładna data założenia to 12 maja 1364 roku). Oznacza to, że ...

Aby mógł rozwijać swoje naukowe pasje, został zapisany do Akademii Edynburskiej, prywatnej szkoły założonej w 1824 roku. W szkole poznał Lewisa Campbella i Petera Guthrie Taita, dwóch chłopców w podobnym wieku. W późniejszym życiu stali się wybitnymi uczonymi. Pozostali przyjaciółmi na całe życie.

Pierwsze prace naukowe i studia

Maxwell był znakomitym uczniem, rozkochanym przede wszystkim w matematyce, ale też w poezji i w malarstwie. Jako 13-latek wygrał szkolny złoty medal za osiągnięcia z matematyki i drugie najwyższe odznaczenie za znajomość poezji.

Rok później napisał swoją pierwszą pracę naukową „O opisie krzywych owalnych i tych, które mają wiele ognisk”. Była tak dobra, że została przedstawiona Towarzystwu Królewskiemu w Edynburgu. Jednak pracę zaprezentował uczonym James Forbes, profesor filozofii przyrody na Uniwersytecie w Edynburgu. Maxwell został uznany za zbyt młodego, aby osobiście dyskutować z członkami towarzystwa.

Akademię ukończył w wieku 16 lat. A chociaż mógł od razu przenieść się na Uniwersytet w Cambridge, zdecydował się zrobić licencjat na Uniwersytecie Edynburskim. Zajęcia akademickie były dla niego na tyle proste, że wolał zajmować się własnymi dociekaniami. W tamtym okresie eksperymentował z improwizowaną aparaturą chemiczną, elektryczną i magnetyczną.
Kariera akademicka

W październiku 1850 roku, będąc już znakomitym matematykiem, Maxwell opuścił Szkocję i udał się na Uniwersytet w Cambridge. Początkowo uczęszczał do Peterhouse, ale przed końcem pierwszego semestru przeniósł się do słynnego Trinity College. Tego samego, do którego uczęszczał Izaak Newton, a wiele lat później Stephen Hawking.

W 1856 roku, w wieku zaledwie 25 lat, został profesorem fizyki w Marischal College w Aberdeen. Stamtąd przeniósł się najpierw do King’s College w Londynie. Następnie, w 1871 roku, został pierwszym profesorem fizyki eksperymentalnej w Cambridge, gdzie kierował nowo utworzonym Laboratorium Cavendisha. To właśnie tam rozwijał swoje najbardziej przełomowe idee.

Przełomowe idee Maxwella

Współczesna technologia w dużej mierze wywodzi się z jego zrozumienia podstawowych zasad Wszechświata. Szeroko zakrojony rozwój w dziedzinie elektryczności i elektroniki, w tym radia, telewizji, radarów i łączności, wywodzą się z odkrycia przez Maxwella praw pola elektromagnetycznego.

Nie było to syntezą tego, co było znane wcześniej. To raczej fundamentalna zmiana koncepcji, która odeszła od poglądu Newtona i miała wywrzeć ogromny wpływ na współczesną naukę i rewolucją przemysłową.

Elektryczność i magnetyzm

W tamtym czasie jednym z głównych obszarów zainteresowania naukowców były trudne do połączenia właściwości elektryczności i magnetyzmu. Chociaż te dwie siły były znane ludzkości od tysiącleci, im dłużej je badano, tym dziwniejsze się wydawały.

Od starożytności ludzie wiedzieli, że niektóre zwierzęta, takie jak węgorze elektryczne, mogą porazić człowieka prądem. A niektóre substancje, takie jak bursztyn, mogą – potarte – przyciągać przedmioty. Wiedzieli też, że piorun może wzniecić pożar. Znaleźli pozornie magiczne skały, które mogły przyciągać kawałki metalu. Opanowali posługiwanie się kompasem, choć nie rozumieli, jak on działa.

Naukowcy, tacy jak Benjamin Franklin odkryli, że elektryczność z piorunów może być magazynowana. Luigi Galvani wykazał, że porażanie żywych organizmów elektrycznością powoduje ich ruch. A francuscy naukowcy dowiedli, że poruszający się wzdłuż drutu prąd elektryczny może przyciągać opiłki żelaza – lub odpychać, w zależności od kierunku przepływu.

Wydawało się, że istnieje dziwny związek między elektrycznością a magnetyzmem. Przewody pod napięciem mogą odchylać wskazówkę kompasu. Uruchomienie przepływu prądu w jednym przewodzie może pobudzić przepływ prądu w innym, nawet jeśli przewody nie są połączone. Wymachiwanie magnesem może generować energię elektryczną.

Teoria elektromagnetyzmu

Wszystko to było absolutnie fascynujące, ale nikt nie miał pojęcia, co się dzieje. I wówczas na scenę wkroczył James Clerk Maxwell. Na przestrzeni zaledwie kilku lat Maxwell zrozumiał fizykę i matematykę potrzebną do wyjaśnienia wszystkich eksperymentów związanych z elektrycznością i magnetyzmem.

Jak działa radioteleskop i jak pomaga poznawać Wszechświat? Co już odkryto dzięki radioteleskopom?

Mogą mieć kształt wklęsłej czaszy, jak najsłynniejszy, nieczynny już radioteleskop Obserwatorium Arecibo. Mogą być polem odbiorników w typie europejskiego LOFARa. Mogą też działać na ...

Zdał sobie sprawę, że pola elektryczne i magnetyczne to dwie strony tego samego medalu. Elektryczność i magnetyzm nie są dwiema odrębnymi siłami, ale tylko dwoma wyrażeniami tej samej, zjednoczonej siły elektromagnetycznej. Nie można myśleć o elektryczności, nie myśląc jednocześnie o magnetyzmie i na odwrót.

Równania Maxwella

Spostrzeżenia Maxwella przybrały formę 20 połączonych ze sobą równań. Kilka lat później zostały one zredukowane do czterech równań elektromagnetyzmu. Wprowadzając pojęcie pola do analizy elektryczności i magnetyzmu, Maxwell odkrył, że światło – we wszystkich swoich formach, od podczerwieni, przez fale radiowe, po kolory tęczy – jest w rzeczywistości falami promieniowania elektromagnetycznego.

Za pomocą jednego zestawu równań, jednego błyskotliwego skoku intuicji Maxwell połączył trzy wielkie dziedziny fizyki: elektryczność, magnetyzm i optykę. Nic dziwnego, że Albert Einstein go podziwiał. Na ścianie gabinetu Einsteina wisiało zdjęcie szkockiego uczonego. A gdy pewien dziennikarz zapytał twórcę teorii względności, czy mógł widzieć dalej, gdyż stoi na ramionach Newtona, ten odpowiedział: „Nie, na ramionach Maxwella”.

Śmierć Maxwella

Maxwell przez całe życie był człowiekiem bardzo wierzącym i nie rozstającym się z Pismem Świętym. Był również przeciwnikiem ewolucjonizmu Karola Darwina. Zmarł w Cambridge na raka jamy brzusznej 5 listopada 1879. Miał wówczas zaledwie 48 lat. Na tę samą chorobę i w tym samym wieku zmarła jego matka. Maxwell został pochowany w Parton Kirk, w pobliżu zamku Douglas w Galloway. Niedaleko miejsca, w którym dorastał.

Nasz ekspert

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Związana z magazynami portali Gazeta.pl oraz Wp.pl. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.