James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell (1831-1879) était un physicien et mathématicien écossais réputé pour avoir formulé la théorie classique du rayonnement électromagnétique. Cette théorie révolutionnaire fut la première à unifier l’électricité, le magnétisme et la lumière, les présentant comme diverses manifestations d’un phénomène sous-jacent singulier. Ses équations pour l'électromagnétisme représentaient la deuxième unification majeure de la physique, après la réalisation initiale d'Isaac Newton. De plus, Maxwell a joué un rôle central dans le développement de la mécanique statistique.

James Clerk Maxwell (13 juin 1831 - 5 novembre 1879) était un physicien et mathématicien écossais responsable de la théorie classique du rayonnement électromagnétique, qui fut la première théorie à décrire l'électricité, le magnétisme et la lumière comme différentes manifestations du même phénomène. Les équations de Maxwell pour l'électromagnétisme ont réalisé la deuxième grande unification en physique, là où la première avait été réalisée par Isaac Newton. Maxwell a également joué un rôle clé dans la création de la mécanique statistique.

En 1854, Maxwell est diplômé du Trinity College de Cambridge, se distinguant en mathématiques et recevant le prix Smith. Il a brièvement poursuivi son travail à Cambridge, publiant ses premières recherches mathématiques et optiques, se concentrant spécifiquement sur les principes de la combinaison des couleurs et du daltonisme. Par la suite, il occupe la chaire de philosophie naturelle au Marischal College d'Aberdeen. Là, ses recherches sur les anneaux de Saturne l'ont amené à proposer avec précision leur composition d'innombrables petites particules, une réalisation pour laquelle il a reçu le prix Adams en 1859. Au cours de cette période, il a épousé Katherine Mary Dewar, qui l'a aidé dans ses recherches en laboratoire. De 1860 à 1865, il occupe le poste de professeur de philosophie naturelle au King’s College de Londres, où il fait progresser sa théorie des champs électromagnétiques. Sa publication de 1865, "Une théorie dynamique du champ électromagnétique", démontrait que les champs électriques et magnétiques se propagent dans l'espace sous forme d'ondes à la vitesse de la lumière. Ce travail postulait que la lumière elle-même est une ondulation au sein du même milieu responsable des phénomènes électriques et magnétiques. Cette unification des phénomènes lumineux et électriques a abouti à sa prédiction des ondes radio.

Maxwell a été le pionnier dans l'élaboration de la distribution Maxwell-Boltzmann, une méthode statistique pour caractériser certains aspects de la théorie cinétique des gaz, un sujet qu'il a étudié par intermittence tout au long de sa carrière. En 1861, il dévoile la première photographie couleur durable et démontre que n'importe quelle couleur peut être générée en mélangeant les trois couleurs primaires : le rouge, le vert et le bleu, établissant ainsi les bases de la télévision couleur. Ses recherches ont également porté sur l'analyse de la rigidité des structures à tiges et joints, communément appelées fermes, qui sont répandues dans la construction de ponts. Il a développé l'analyse dimensionnelle moderne et a contribué à la mise en place du système de mesure CGS. Il fut le premier à comprendre la théorie du chaos et à mettre en évidence le concept de l’effet papillon. Son article de 1863, On Governors, a jeté les bases cruciales de la théorie du contrôle et de la cybernétique, représentant la première analyse mathématique des systèmes de contrôle. En 1867, il introduisit l'expérience de pensée connue sous le nom de démon de Maxwell, qui explore l'influence de l'information sur l'entropie thermodynamique. Dans son article fondateur de 1867, Sur la théorie dynamique des gaz, il présente le modèle de Maxwell pour caractériser le comportement des matériaux viscoélastiques et est à l'origine de l'équation de Maxwell-Cattaneo pour décrire le transport de chaleur dans un milieu.

En 1871, Maxwell retourne à Cambridge, assumant le poste inaugural de professeur de physique Cavendish et supervisant la construction du laboratoire Cavendish. Ses nombreux travaux lui ont valu d'être reconnu comme une figure fondatrice de l'ingénierie électrique moderne. Ses découvertes ont joué un rôle déterminant dans le lancement de l'ère de la physique moderne, établissant les bases de domaines tels que la relativité (un terme qu'il a introduit en physique) et la mécanique quantique.

Vie

Petite vie (1831-1839)

James Clerk Maxwell est né le 13 juin 1831 au 14 India Street, à Édimbourg. Ses parents étaient John Clerk Maxwell de Middlebie, avocat, et Frances Cay, fille de Robert Hodshon Cay et sœur de John Cay. (Son lieu de naissance sert actuellement de musée géré par la Fondation James Clerk Maxwell.) Son père, issu de la riche famille Clerk de Penicuik, détenait le titre de baronnie de Clerk of Penicuik. Le frère de son père était le sixième baronnet. Né « John Clerk », son père a ajouté « Maxwell » à son nom de famille après avoir hérité du domaine Middlebie, une propriété Maxwell dans le Dumfriesshire, alors qu'il était enfant en 1793. James était le cousin germain de l'artiste Jemima Blackburn (fille de sa tante paternelle) et de l'ingénieur civil William Dyce Cay (fils de son oncle maternel). Cay et Maxwell entretenaient une amitié étroite, Cay étant le témoin de Maxwell lors de son mariage.

Les parents de Maxwell se sont mariés à la fin de la trentaine ; sa mère avait presque 40 ans au moment de sa naissance. Ils avaient déjà eu une fille, Elizabeth, décédée en bas âge.

Pendant la petite enfance de Maxwell, sa famille a déménagé à Glenlair, Kirkcudbrightshire, un domaine de 1 500 acres (610 ha) que ses parents avaient construit. Les preuves indiquent que Maxwell possédait une curiosité insatiable dès son plus jeune âge. À l'âge de trois ans, tout objet qui bougeait, émettait de la lumière ou produisait du son l'incitait à se demander : « qu'est-ce que ça fait ? ». Dans un ajout de 1834 à une lettre de son père à sa belle-sœur Jane Cay, sa mère décrit cette curiosité inhérente :

C'est un homme très heureux, et il s'est beaucoup amélioré depuis que le temps est devenu modéré ; il fait un excellent travail avec les portes, les serrures, les clés, etc., et "montre-moi comment ça marche" n'est jamais sorti de sa bouche. Il enquête également sur le cours caché des ruisseaux et des fils de cloche, sur la façon dont l'eau s'écoule de l'étang à travers le mur....

Éducation (1839-1847)

Reconnaissant le potentiel de son fils, la mère de Maxwell, Frances, a assumé la responsabilité de son éducation précoce, un rôle généralement assumé par les femmes dans les foyers victoriens. À l’âge de huit ans, il pouvait réciter de longs passages de John Milton et l’intégralité du 119e Psaume, comprenant 176 versets. Sa connaissance des Écritures était particulièrement complète, lui permettant de citer des chapitres et des versets pour presque toutes les citations des Psaumes. En décembre 1839, alors que Maxwell avait huit ans, sa mère succomba à un cancer de l'abdomen à la suite d'une opération infructueuse. Par la suite, son éducation a été supervisée par son père et la belle-sœur de son père, Jane, qui ont tous deux influencé sa vie de manière significative. Sa scolarité formelle initiale s'est avérée infructueuse sous la tutelle d'un instructeur engagé de 16 ans. Il existe peu d'informations sur ce tuteur, à part son traitement sévère envers le jeune Maxwell, qu'il a réprimandé pour sa lenteur et sa désobéissance. Le tuteur fut licencié en novembre 1841. Le 12 février 1842, le père de James l'amena à la démonstration de Robert Davidson sur la propulsion électrique et la force magnétique, un événement qui marqua profondément le garçon.

En 1841, à l'âge de dix ans, Maxwell s'inscrivit à la prestigieuse Académie d'Édimbourg. Pendant sa scolarité, il résidait avec sa tante Isabella. C'est sa cousine aînée, Jemima, qui nourrit son intérêt naissant pour le dessin au cours de cette période. Ayant grandi dans un isolement relatif dans le domaine rural de son père, le jeune Maxwell a eu du mal à s'adapter au milieu scolaire. La classe de première année étant à pleine capacité, il a fallu qu'il soit placé en deuxième année, aux côtés d'élèves d'un an son aîné. Son attitude et son accent Galloway étaient perçus comme provinciaux par ses pairs. Dès son premier jour, vêtu de chaussures faites maison et d'une tunique, il a acquis le surnom désobligeant de « Daftie ». Il aurait porté cette épithète sans se plaindre pendant de nombreuses années, ne semblant jamais lui en vouloir. Son isolement social à l'Académie prit fin lorsqu'il se lia d'amitié avec Lewis Campbell et Peter Guthrie Tait, deux garçons du même âge qui se distingueront plus tard en tant qu'érudits. Ils ont entretenu une amitié qui durera toute leur vie.

Maxwell a développé très tôt une fascination pour la géométrie, redécouvrant indépendamment les polyèdres réguliers avant de recevoir un enseignement formel. Bien qu'il ait obtenu le prix de biographie biblique de l'école au cours de sa deuxième année, ses résultats scolaires sont restés largement méconnus jusqu'à ce que, à l'âge de 13 ans, il reçoive la médaille de mathématiques de l'école et les premiers prix d'anglais et de poésie.

Les activités intellectuelles de Maxwell s'étendaient bien au-delà du programme scolaire prescrit et il n'accordait pas la priorité aux résultats aux examens. À l’âge de 14 ans, il rédige son premier article scientifique. Ce travail détaille une méthode mécanique pour dessiner des courbes mathématiques à l'aide de ficelle, explorant les propriétés des ellipses, des ovales cartésiens et des courbes associées possédant plusieurs foyers. L'article de 1846, intitulé « Sur la description des courbes ovales et de celles ayant une pluralité de foyers », a été présenté à la Royal Society of Edinburgh par James Forbes, professeur de philosophie naturelle à l'Université d'Édimbourg, car Maxwell était considéré comme trop jeune pour le présenter lui-même. Bien que cela ne soit pas entièrement original, étant donné les recherches de René Descartes au XVIIe siècle sur les ellipses multifocales, la contribution de Maxwell a consisté à simplifier leur construction.

Université d'Édimbourg (1847-1850)

En 1847, à l'âge de 16 ans, Maxwell quitta l'Académie pour commencer ses études à l'Université d'Édimbourg. Bien qu'il ait eu l'opportunité de fréquenter l'Université de Cambridge, il a choisi, après son premier mandat, de terminer l'intégralité de son programme de premier cycle à Édimbourg. Le corps professoral de l'université comprenait plusieurs érudits éminents, dont ses tuteurs de première année : Sir William Hamilton, qui lui a enseigné la logique et la métaphysique ; Philip Kelland, qui enseignait les mathématiques ; et James Forbes, qui a donné des conférences sur la philosophie naturelle. Trouvant ses cours peu exigeants, Maxwell consacra son temps libre, tant à l'université que chez lui à Glenlair, à des études indépendantes. Au cours de cette période, il a mené des expériences avec des dispositifs chimiques, électriques et magnétiques de fortune. Cependant, ses principaux intérêts de recherche se sont concentrés sur les caractéristiques de la lumière polarisée. Il a fabriqué des blocs de gélatine, les a soumis à diverses contraintes et, à l'aide d'une paire de prismes polarisants fournis par William Nicol, a observé les franges chromatiques qui se formaient dans la gélatine. Cette approche expérimentale l'a conduit à découvrir la photoélasticité, une méthode d'analyse de la répartition des contraintes dans les structures physiques.

À l'âge de 18 ans, Maxwell a soumis deux articles aux Transactions de la Royal Society of Edinburgh. Une soumission, intitulée « Sur l'équilibre des solides élastiques », a jeté les bases d'une découverte future importante : la double réfraction transitoire observée dans les liquides visqueux soumis à une contrainte de cisaillement. Son deuxième article, « Rolling Curves », reflétait son ouvrage antérieur « Oval Curves » de l'Académie d'Édimbourg ; il fut encore une fois jugé trop jeune pour présenter personnellement ses découvertes. Par conséquent, son tuteur, Kelland, a remis le document à la Royal Society en son nom.

Université de Cambridge (1850-1856)

En octobre 1850, Maxwell, déjà un mathématicien compétent, quitta l'Écosse pour s'installer à l'Université de Cambridge. Il s'est d'abord inscrit à Peterhouse, mais a été transféré au Trinity College avant la fin de son premier mandat, espérant y trouver un chemin plus simple vers une bourse. À Trinity, il fut élu aux Cambridge Apostles, une société secrète exclusive. Au cours de son mandat à Cambridge, la compréhension intellectuelle de Maxwell de sa foi chrétienne et de ses principes scientifiques s'est considérablement développée. Sa participation aux « Apôtres », une société de débat d'élite, a fourni un forum à travers ses essais pour articuler et affiner ces compréhensions.

"Maintenant, mon grand plan, qui a été conçu il y a longtemps, ... est de ne rien laisser volontairement sans examen. Rien ne doit être une terre sainte consacrée à la foi stationnaire, qu'elle soit positive ou négative. Toutes les terres en jachère doivent être labourées et un système de rotation régulier doit être suivi. ... Ne cachez jamais rien, que ce soit de la mauvaise herbe ou non, et ne semblez pas non plus vouloir que cela soit caché. ... Encore une fois, j'affirme le droit d'intrusion sur toute parcelle de Terre Sainte que tout homme a établie. ... Maintenant, je suis convaincu que personne d'autre qu'un chrétien ne peut réellement purger son pays de ces lieux saints. ... Je ne dis pas qu'aucun chrétien n'a clôturé des lieux de ce genre. Beaucoup en ont beaucoup, et tout le monde en a. Mais il existe des traités étendus et importants sur le territoire des moqueurs, des panthéistes, des formalistes, des dogmatiques, des sensualistes et des autres, qui sont ouvertement et solennellement tabous. la religion de la Bible - est le seul système ou forme de croyance qui désavoue toute possession sur un tel mandat. Ici seulement, tout est libre. Vous pouvez voler jusqu'aux extrémités du monde et ne trouver d'autre Dieu que l'Auteur du Salut. Vous pouvez rechercher dans les Écritures et ne pas trouver de texte pour vous arrêter dans vos explorations. J'ai trouvé certaines objections pleines d'esprit... que trop d'orthodoxes non lus admettent, et font taire le sujet comme étant hanté. Mais une bougie arrive pour chasser tous les fantômes et tous les insectes. "

Au cours de l'été de sa troisième année, Maxwell a résidé pendant un certain temps à la résidence du révérend C. B. Tayler, dans le Suffolk, qui était l'oncle de son camarade de classe, G. W. H. Tayler. Maxwell a été profondément affecté par la démonstration de dévotion religieuse de la famille, en particulier après que le pasteur et son épouse lui ont prodigué des soins pendant sa convalescence après une maladie.

À son retour à Cambridge, Maxwell a composé une lettre cordiale et affectueuse à son récent hôte, qui comprenait le témoignage ultérieur :

Maxwell a réfléchi à sa capacité inhérente de malveillance, déclarant : "

... J'ai la capacité d'être plus méchant que n'importe quel exemple que l'homme pourrait me donner, et... si je m'échappe, ce n'est que par la grâce de Dieu qui m'aide à me débarrasser de moi-même, en partie dans la science, plus complètement dans la société, - mais pas parfaitement, sauf en m'en remettant à Dieu..."

En novembre 1851, Maxwell commença ses études auprès de William Hopkins, un professeur distingué réputé pour sa capacité exceptionnelle à cultiver des talents mathématiques, ce qui lui valut le surnom de « faiseur de wrangler senior ».

Maxwell obtint son diplôme de mathématiques à Trinity en 1854, obtenant la deuxième meilleure note à l'examen final, ce qui lui conféra le titre de Second Wrangler, derrière Edward Routh. Par la suite, il a été jugé égal à Routh lors de l'examen plus rigoureux du Smith's Prize. Immédiatement après avoir obtenu son diplôme, Maxwell a présenté son article « Sur la transformation des surfaces par courbure » ​​à la Cambridge Philosophical Society. Ce travail, l'une de ses rares contributions purement mathématiques, a souligné sa notoriété naissante en tant que mathématicien. Ayant choisi de rester à Trinity après avoir obtenu son diplôme, Maxwell a postulé pour une bourse, un processus qui s'étend généralement sur plusieurs années. Ses réalisations en tant qu'étudiant chercheur lui ont donné l'autonomie nécessaire pour poursuivre des activités scientifiques à sa discrétion, avec seulement des obligations mineures en matière de tutorat et d'examen.

L'un des intérêts importants de Maxwell, initié au cours de ses études sous Forbes à l'Université d'Édimbourg, était la nature et la perception de la couleur. En utilisant des toupies colorées conçues par Forbes, Maxwell a démontré empiriquement qu'une combinaison de lumière rouge, verte et bleue produisait de la lumière blanche. Son article fondateur, "Experiments on Colour", qui élucidait les principes fondamentaux de la combinaison des couleurs, fut personnellement présenté par lui à la Royal Society of Edinburgh en mars 1855.

Le 10 octobre 1855, Maxwell fut nommé membre du Trinity College, une progression inhabituellement rapide, et fut ensuite chargé de développer des cours sur l'hydrostatique et l'optique, ainsi que de préparer les épreuves d'examen. En février suivant, Forbes l'a encouragé à postuler pour la chaire de philosophie naturelle récemment libérée au Marischal College d'Aberdeen. Le père de Maxwell l'a aidé à rassembler les références requises, mais est décédé le 2 avril à Glenlair, avant le résultat de la candidature de Maxwell. Maxwell accepta le poste de professeur à Aberdeen et quitta Cambridge en novembre 1856.

Collège Marischal, Aberdeen : 1856-1860

À 25 ans, Maxwell avait environ 15 ans de moins que ses collègues de la faculté Marischal. Il a assumé avec diligence ses nouvelles responsabilités de chef de département, qui comprenaient l'élaboration de programmes d'études et la préparation de cours. Son engagement d'enseignement s'élevait à 15 heures par semaine, comprenant une conférence régulière pro bono pour le collège des travailleurs locaux. Pendant les six mois de l'année universitaire, il résidait à Aberdeen avec son cousin, William Dyce Cay, un ingénieur civil écossais, et passait ses étés à Glenlair, un domaine hérité de son père.

Un ancien étudiant a fourni plus tard la description suivante de Maxwell :

À la fin des années 1850, peu avant 9 heures du matin, n'importe quel matin d'hiver, vous avez peut-être vu le jeune James Clerk Maxwell, âgé d'une vingtaine d'années, un homme de taille moyenne, avec une silhouette solidement tricotée, et une certaine ressort et élasticité dans sa démarche ; habillé pour une aisance confortable plutôt que pour l'élégance ; un visage expressif à la fois de sagacité et de bonne humeur, mais recouvert d'une profonde nuance de réflexion ; les caractéristiques sont audacieusement marquées et agréablement marquées ; les yeux sombres et brillants ; cheveux et barbe parfaitement noirs, et formant un fort contraste avec la pâleur de son teint.

Maxwell a orienté ses recherches vers un problème qui interpellait les scientifiques depuis deux siècles : la nature fondamentale des anneaux de Saturne. Le mécanisme par lequel ces anneaux maintenaient leur stabilité, résistant à la désintégration, à la dispersion ou à la collision avec Saturne, restait inconnu. Cette question a pris une importance particulière lorsque le St John's College de Cambridge l'a choisie comme sujet du prix Adams de 1857. Maxwell a consacré deux ans à cette enquête, démontrant qu'un anneau solide et régulier ne pouvait pas maintenir la stabilité et qu'un anneau fluide se fragmenterait inévitablement en masses discrètes en raison de la dynamique des vagues. N'observant aucune de ces conditions, il en déduisit que les anneaux devaient comprendre de nombreuses particules minuscules, qu'il appela « chauves-souris », chacune en orbite autour de Saturne indépendamment. En 1859, Maxwell reçut le prix Adams de 130 £ pour son essai « Sur la stabilité du mouvement des anneaux de Saturne », étant le seul prétendant à réaliser des progrès suffisants pour être soumis. Son analyse était si complète et convaincante que George Biddell Airy a fait remarquer en la lisant : « C'est l'une des applications les plus remarquables des mathématiques à la physique que j'ai jamais vues. » Ce travail a été considéré comme l'explication définitive jusqu'à ce que les observations directes des survols du Voyager dans les années 1980 corroborent l'hypothèse de Maxwell concernant la composition particulaire des anneaux. Néanmoins, la compréhension contemporaine reconnaît que les particules de l'anneau ne sont pas entièrement stables, étant progressivement attirées vers Saturne par les forces gravitationnelles. Par conséquent, les anneaux devraient se dissiper entièrement au cours des 300 prochains millions d'années.

En 1857, Maxwell a noué une amitié avec le révérend Daniel Dewar, alors directeur du Marischal College. Grâce à cette connexion, Maxwell a rencontré la fille de Dewar, Katherine Mary Dewar. Leurs fiançailles ont eu lieu en février 1858, suivis de leur mariage à Aberdeen le 2 juin 1858. L'acte de mariage identifie Maxwell comme professeur de philosophie naturelle au Marischal College d'Aberdeen. Katherine était de sept ans l'aînée de Maxwell. Des informations limitées sont disponibles à son sujet, bien qu'il soit documenté qu'elle a aidé dans son laboratoire et contribué à des expériences concernant la viscosité. Lewis Campbell, le biographe et ami de Maxwell, a fait preuve d'une réserve inhabituelle lorsqu'il a parlé de Katherine, mais il a néanmoins qualifié leur vie conjugale de « une vie de dévouement sans exemple ».

L'année 1860 marque la fusion du Marischal College avec le King's College adjacent, formant l'Université d'Aberdeen. Comme il n'y avait aucune disposition pour deux professeurs de philosophie naturelle, Maxwell, malgré sa réputation scientifique établie, fut licencié. Sa candidature ultérieure pour le poste récemment libéré de Forbes à Édimbourg n'a pas abouti, le poste étant attribué à Tait. Au lieu de cela, Maxwell a été nommé à la chaire de philosophie naturelle du King's College de Londres. Après s'être rétabli d'une grave crise de variole, presque mortelle, en 1860, il s'installa à Londres avec sa femme.

King's College, Londres : 1860–1865

Le mandat de Maxwell au King's College est largement considéré comme la période la plus prolifique de sa vie professionnelle. En 1860, il reçut la médaille Rumford de la Royal Society pour ses recherches pionnières sur la couleur, puis fut élu à la Société en 1861. À cette époque, il présenta notamment la première photographie couleur résistante à la lumière au monde, fit progresser ses théories sur la viscosité des gaz et proposa une méthode systématique de définition des grandeurs physiques, désormais reconnue comme l'analyse dimensionnelle. Maxwell assistait fréquemment à des conférences à la Royal Institution, ce qui facilitait les interactions régulières avec Michael Faraday. Leur relation, cependant, n'était pas caractérisée par une intimité étroite, principalement parce que Faraday était de 40 ans l'aîné de Maxwell et présentait des signes de sénilité. Néanmoins, les deux hommes ont maintenu un profond respect mutuel pour leurs contributions intellectuelles respectives.

Cette période est particulièrement significative pour les avancées révolutionnaires de Maxwell dans les domaines de l'électricité et du magnétisme. Il a méticuleusement étudié les caractéristiques des champs électriques et magnétiques dans son traité en deux parties, « Sur les lignes de force physiques », publié en 1861. Dans ce travail, il a introduit un cadre conceptuel pour l'induction électromagnétique, postulant l'existence de minuscules cellules rotatives de flux magnétique. Deux sections supplémentaires furent ensuite annexées et publiées dans le même article au début de 1862. La première partie supplémentaire développait la nature de l'électrostatique et du courant de déplacement. La deuxième partie supplémentaire traitait de la rotation du plan de polarisation de la lumière dans un champ magnétique, un phénomène initialement découvert par Faraday et maintenant appelé effet Faraday.

Années ultérieures : 1865-1879

En 1865, Maxwell abandonna son poste de professeur au King's College de Londres et s'installa à Glenlair avec Katherine. Son article de 1868, « Sur les gouverneurs », fournissait une description mathématique du comportement des gouverneurs (dispositifs essentiels à la régulation de la vitesse des machines à vapeur), posant ainsi la théorie fondamentale de l'ingénierie de contrôle. En 1870, il a exploré la rigidité structurelle de diverses conceptions de treillis dans son article « Sur les figures, les cadres et les diagrammes de forces réciproques ». Il est l'auteur du manuel Theory of Heat (1871) et de l'ouvrage scientifique Matter and Motion (1876). De plus, Maxwell a été le pionnier de l'application explicite de l'analyse dimensionnelle en 1871 et a contribué à l'établissement du système de mesure CGS.

Maxwell est reconnu pour être le premier à comprendre le concept de chaos, en particulier en identifiant l'importance des systèmes démontrant une « dépendance sensible aux conditions initiales ». Au cours des années 1870, il est également devenu le premier à mettre en évidence « l'effet papillon » à travers deux discussions distinctes.

En 1871, Maxwell retourna à Cambridge, assumant le poste inaugural de professeur Cavendish de physique. Il fut chargé de superviser la création du Laboratoire Cavendish, supervisant méticuleusement le processus de construction et l'acquisition d'équipement scientifique. Une contribution tardive importante de Maxwell a consisté à éditer les recherches d'Henry Cavendish, qui comprenaient de nombreuses annotations originales. Ce travail a révélé les recherches de Cavendish sur divers sujets, tels que la densité de la Terre et la composition de l'eau. Il fut intronisé à l'American Philosophical Society en tant que membre en 1876.

Mort

En avril 1879, Maxwell souffrit de dysphagie, qui marqua le premier symptôme de sa maladie en phase terminale.

Maxwell a succombé à un cancer de l'abdomen à Cambridge le 5 novembre 1879, à l'âge de 48 ans. Sa mère était notamment décédée au même âge de la même forme de cancer. L'ecclésiastique qui le fréquentait fréquemment au cours de ses dernières semaines a exprimé un profond étonnement devant la clarté mentale de Maxwell et l'extraordinaire capacité de sa mémoire, remarquant spécifiquement : 

... sa maladie a arraché tout le cœur, l'âme et l'esprit de l'homme : sa foi ferme et indubitable en l'Incarnation et en tous ses résultats ; dans la pleine suffisance de l’Expiation ; dans l'œuvre du Saint-Esprit. Il avait évalué et sondé tous les schémas et systèmes de la philosophie, et les avait trouvés totalement vides et insatisfaisants – « irréalisables » était son propre mot à leur sujet – et il se tourna avec une foi simple vers l’Évangile du Sauveur.

À l'approche de sa mort, Maxwell a confié à un collègue de Cambridge :

Je pense à la douceur avec laquelle j'ai toujours été traité. Je n'ai jamais subi de bousculade violente de toute ma vie. Le seul désir que je puisse avoir est, comme David, de servir ma propre génération par la volonté de Dieu, puis de m'endormir.

Les restes de Maxwell sont enterrés à Parton Kirk, situé près de Castle Douglas à Galloway, près de sa maison d'enfance. Sa biographie complète, La vie de James Clerk Maxwell, écrite par son ancien camarade de classe et associé de toujours, le professeur Lewis Campbell, a été publiée en 1882. Cambridge University Press a publié ses œuvres complètes en deux volumes en 1890.

Les exécuteurs testamentaires de Maxwell comprenaient son médecin George Edward Paget, G. G. Stokes et son cousin Colin Mackenzie. En raison d'une charge de travail excessive, Stokes a transféré les papiers de Maxwell à William Garnett, qui en a conservé la garde effective jusqu'en 1884 environ.

Une inscription commémorative dédiée à Maxwell se trouve près du chœur de l'abbaye de Westminster.

Vie personnelle

Maxwell, un fervent admirateur de la poésie écossaise, mémorisait des vers et composait les siens. Son œuvre poétique la plus célèbre, Rigid Body Sings, a été étroitement adaptée de "Comin' Through the Rye" de Robert Burns, une pièce qu'il aurait interprétée en jouant de la guitare. Cette composition commence par les lignes suivantes :

Une compilation de ses poèmes fut ensuite publiée par son ami Lewis Campbell en 1882.

Un recueil de ses poèmes a été publié par son ami Lewis Campbell en 1882.

Les récits de Maxwell mettent fréquemment en évidence ses prouesses intellectuelles exceptionnelles, souvent juxtaposées à un degré notable de maladresse sociale.

Maxwell a articulé l'aphorisme suivant pour guider sa conduite professionnelle en tant que scientifique :

Les individus qui cherchent à vivre pleinement la vie et à fonctionner de manière autonome doivent rester constamment concentrés sur leurs tâches quotidiennes. Éviter de se préoccuper des efforts passés évite le découragement, tandis que se concentrer exclusivement sur les aspirations futures risque de devenir purement spéculatif. Il ne faut pas non plus se concentrer uniquement sur des tâches éphémères et mondaines, ni exclusivement sur des activités éternelles, car celles-ci ne suffisent pas à elles seules à faciliter une action immédiate. Le véritable contentement naît de la perception du travail quotidien comme une partie intégrante du but de la vie et une manifestation de principes éternels. Un tel individu possède une confiance inébranlable, étant devenu intrinsèquement lié à l’infini. Par conséquent, ils poursuivent avec diligence leurs entreprises quotidiennes, reconnaissant le moment présent comme une richesse précieuse.

James Clerk Maxwell était un presbytérien évangélique qui, plus tard dans sa vie, a été ancien de l'Église d'Écosse. Ses convictions religieuses et ses pratiques associées ont été largement examinées dans diverses publications scientifiques. Ayant assisté aux services de l'Église d'Écosse (la dénomination de son père) et de l'épiscopalisme (la dénomination de sa mère) pendant son enfance, Maxwell connut une conversion évangélique en avril 1853. Cette conversion a peut-être contribué à son adoption d'une position philosophique antipositiviste.

Héritage scientifique

Reconnaissance

Une enquête menée par Physics World, qui a identifié les 100 physiciens les plus éminents, a classé Maxwell comme le troisième plus grand physicien de l'histoire, dépassé seulement par Isaac Newton et Albert Einstein. De même, un sondage distinct auprès de physiciens en exercice mené par PhysicsWeb l'a également placé en troisième position.

De nombreux physiciens considèrent Maxwell comme le scientifique du XIXe siècle qui a exercé la plus grande influence sur la physique du XXe siècle. Ses contributions scientifiques sont largement considérées comme étant comparables à celles de Newton et d’Einstein en termes de profond impact. Lors de la commémoration du centenaire de la naissance de Maxwell, Albert Einstein a qualifié son travail de « le plus profond et le plus fructueux que la physique ait connu depuis l'époque de Newton ». Sur Einstein, je me tiens sur les épaules de Maxwell. » Tom Siegfried a caractérisé Maxwell comme « l'un de ces génies uniques au siècle qui percevaient le monde physique avec des sens plus aiguisés que ceux qui l'entouraient. »

Electromagnétisme

L'engagement de Maxwell dans le domaine de l'électricité et du magnétisme a commencé dès 1855, lorsque son article, « Sur les lignes de force de Faraday », a été présenté à la Cambridge Philosophical Society. Cet article fondateur offrait une conceptualisation simplifiée des recherches de Faraday et élucidait l'interrelation entre l'électricité et le magnétisme. Il a synthétisé l'ensemble des connaissances existantes en un système cohérent de 20 équations différentielles impliquant 20 variables. Ce travail fondateur fut ensuite publié sous le titre « Sur les lignes de force physiques » en mars 1861.

En 1862 environ, lors de ses cours au King's College, Maxwell calcula que la vitesse de propagation d'un champ électromagnétique se rapproche étroitement de la vitesse de la lumière. Il considérait cette congruence comme plus qu'une simple coïncidence, remarquant : "Nous pouvons difficilement éviter la conclusion que la lumière consiste dans les ondulations transversales du même milieu qui est la cause des phénomènes électriques et magnétiques."

Développant davantage ses recherches, Maxwell démontra que ses équations prédisent l'existence d'ondes composées de champs électriques et magnétiques oscillants, qui se propagent dans le vide à une vitesse dérivable à partir d'expériences électriques fondamentales. En utilisant les données expérimentales contemporaines, Maxwell a calculé cette vitesse à 310 740 000 mètres par seconde (1,0195×10⁹ pieds/s). Dans son article influent de 1865, « Une théorie dynamique du champ électromagnétique », Maxwell expliquait : « L'accord des résultats semble montrer que la lumière et le magnétisme sont des affections de la même substance, et que la lumière est une perturbation électromagnétique propagée à travers le champ selon les lois électromagnétiques. »

Les vingt équations renommées de Maxwell, présentées dans leur format contemporain d'équations aux dérivées partielles, ont été détaillées de manière exhaustive pour la première fois dans son manuel de 1873, Un traité sur l'électricité et le magnétisme. Une partie importante de cette recherche a été menée par Maxwell à Glenlair, en particulier entre son mandat à Londres et sa nomination à la chaire Cavendish. Oliver Heaviside a ensuite simplifié le cadre théorique complexe de Maxwell en un ensemble de quatre équations aux dérivées partielles, désormais universellement reconnues sous le nom de lois de Maxwell ou d'équations de Maxwell. Malgré un déclin de l'importance des potentiels au cours du XIXe siècle, l'application de potentiels scalaires et vectoriels constitue actuellement une méthodologie standard pour résoudre les équations de Maxwell. Ce travail fondateur représentait la deuxième unification majeure dans le domaine de la physique.

Comme l'expliquent Barrett et Grimes (1995) :

Maxwell a formulé l'électromagnétisme en utilisant l'algèbre des quaternions, positionnant le potentiel électromagnétique comme élément central de son cadre théorique. En 1881, Heaviside a supplanté le champ potentiel électromagnétique par les champs de force comme concept central de la théorie électromagnétique. Heaviside a soutenu que le champ potentiel électromagnétique était arbitraire et nécessitait un « assassinat » (sic). Par la suite, un discours a émergé entre Heaviside et [Peter Guthrie] Tate (sic) concernant les avantages comparatifs de l'analyse vectorielle par rapport aux quaternions. Cette discussion a abouti à la compréhension que les connaissances physiques approfondies offertes par les quaternions n'étaient pas nécessaires si la théorie restait strictement locale, ce qui a conduit à l'adoption généralisée de l'analyse vectorielle.

Les propositions de Maxwell ont été validées empiriquement, et son établissement d'une relation quantitative entre la lumière et l'électromagnétisme est considéré comme une réalisation primordiale dans la physique mathématique du XIXe siècle.

Maxwell a également été le pionnier du concept de champ électromagnétique, en le comparant à la description des lignes de force par Faraday. En conceptualisant la propagation de l'électromagnétisme comme un champ émanant de particules actives, Maxwell a considérablement fait progresser ses recherches sur la lumière. À cette époque, Maxwell affirmait que la propagation de la lumière nécessitait un milieu porteur d’ondes, qu’il appelait l’éther lumineux. Cependant, l'hypothèse de l'existence d'un tel milieu, omniprésent dans tout l'espace mais apparemment indétectable par des méthodes mécaniques, s'est finalement révélée inconciliable avec les découvertes expérimentales, notamment l'expérience Michelson-Morley. De plus, ce concept semblait imposer un cadre de référence absolu pour la validité des équations, ce qui conduit à l'implication problématique que les équations se transformeraient pour un observateur en mouvement. Ces défis ont finalement incité Albert Einstein à développer la théorie de la relativité restreinte, un processus au cours duquel Einstein a jugé l'éther lumineux « superflu » et l'a par conséquent éliminé de son cadre théorique.

Einstein a reconnu les contributions fondamentales de Maxwell, affirmant que :

Une époque scientifique s'est terminée et une nouvelle a commencé, avec les contributions de James Clerk. Maxwell.

Einstein a en outre reconnu l'impact profond du travail de Maxwell sur sa propre théorie de la relativité :

La théorie restreinte de la relativité tire ses principes fondamentaux des équations du champ électromagnétique de Maxwell.

Vision des couleurs

Comme de nombreux physiciens contemporains, Maxwell possédait un intérêt significatif pour la psychologie. Imitant le travail d'Isaac Newton et de Thomas Young, il manifeste une fascination particulière pour l'étude de la vision des couleurs. Entre 1855 et 1872, Maxwell a publié périodiquement une série d'articles de recherche traitant de la perception des couleurs, du daltonisme et de la théorie des couleurs, ce qui lui a valu la médaille Rumford pour son traité « Sur la théorie de la vision des couleurs ».

Les expériences de Newton avec les prismes ont établi que la lumière blanche, y compris la lumière du soleil, comprend de multiples composants monochromatiques qui peuvent être recombinés pour former de la lumière blanche. Il a en outre démontré qu'une peinture orange, un mélange de jaune et de rouge, pouvait visuellement correspondre à une lumière orange monochromatique, malgré sa composition physique distincte. Cette observation a conduit à un paradoxe important pour les physiciens contemporains : deux lumières complexes physiquement disparates (composées de plusieurs lumières monochromatiques) pourraient apparaître identiques, un phénomène appelé métamères. Thomas Young a ensuite postulé que ce paradoxe pourrait être résolu en proposant que la perception des couleurs se produit via un nombre fini de canaux oculaires, en particulier trois, formant la base de la théorie des couleurs trichromatiques. Maxwell a ensuite utilisé le domaine naissant de l'algèbre linéaire pour justifier mathématiquement l'hypothèse de Young. Il a postulé que toute lumière monochromatique stimulant trois récepteurs devrait susciter une réponse équivalente à partir d’une combinaison de trois lumières monochromatiques distinctes (ou même de trois lumières différentes). Maxwell a validé expérimentalement ce principe, ouvrant ainsi la voie aux expériences de correspondance des couleurs et au domaine de la colorimétrie.

Maxwell a étendu sa théorie de la perception des couleurs au domaine de la photographie couleur. Ses recherches psychologiques sur la perception des couleurs ont directement nourri l'hypothèse selon laquelle si une combinaison de trois lumières primaires pouvait reproduire n'importe quelle couleur perceptible, alors des photographies couleur pourraient être générées à l'aide d'un ensemble correspondant de trois filtres colorés. Dans sa publication de 1855, Maxwell expose une méthode : trois photographies en noir et blanc d'une scène seraient capturées à travers des filtres rouge, vert et bleu. Par la suite, des impressions transparentes de ces images seraient projetées sur un écran à l'aide de trois projecteurs, chacun équipé de filtres analogues. Lorsque ces projections étaient superposées, l'œil humain percevait une reproduction en couleurs de la scène originale.

En 1861, lors d'une conférence de la Royal Institution sur la théorie des couleurs, Maxwell a dévoilé la première démonstration mondiale de photographie couleur, utilisant son principe d'analyse et de synthèse tricolores. Thomas Sutton, connu pour avoir inventé l'appareil photo reflex mono-objectif, a exécuté le travail photographique. Sutton a capturé trois images d'un ruban tartan, chacune à travers un filtre rouge, vert et bleu, et a également pris une quatrième photo en utilisant un filtre jaune, qui, selon les archives de Maxwell, n'a pas été utilisé dans la démonstration finale. En raison de l'insensibilité inhérente des plaques photographiques de Sutton à la lumière rouge et de leur sensibilité limitée à la lumière verte, les résultats de cette expérience révolutionnaire n'ont pas été optimaux. Le compte rendu publié de la conférence notait que « si les images rouges et vertes avaient été aussi entièrement photographiées que le bleu », le résultat « aurait été une image véritablement colorée du ruban », suggérant que « trouver des matériaux photographiques plus sensibles aux rayons les moins réfrangibles » pourrait améliorer considérablement la représentation des couleurs des objets. Des décennies plus tard, en 1961, des chercheurs ont déterminé que le succès partiel inattendu de l’exposition filtrée rouge était imputable à la lumière ultraviolette. Cette lumière, fortement réfléchie par certains colorants rouges, n'était pas complètement atténuée par le filtre rouge et tombait dans la plage de sensibilité spectrale du procédé au collodion humide utilisé par Sutton.

Théorie cinétique et thermodynamique

Les recherches de Maxwell se sont étendues à la théorie cinétique des gaz, où il a joué un rôle central dans l'établissement de la mécanique statistique. Bien que cette théorie soit née avec Daniel Bernoulli et ait ensuite été avancée par les contributions de John Herapath, John James Waterston, James Joule et notamment Rudolf Clausius, renforçant ainsi son exactitude générale, Maxwell a fourni un développement ultérieur substantiel. Dans ce domaine, il s'est distingué à la fois comme expérimentateur, étudiant les lois du frottement gazeux, et comme mathématicien.

De 1859 à 1866, Maxwell a formulé la théorie concernant la distribution des vitesses entre les particules de gaz, un ensemble de travaux développés plus tard par Ludwig Boltzmann. Cette équation résultante, connue sous le nom de distribution de Maxwell – Boltzmann, quantifie la proportion de molécules de gaz se déplaçant à une vitesse spécifique à une température donnée. Dans le cadre de la théorie cinétique, la température et la chaleur sont conceptualisées uniquement comme des manifestations du mouvement moléculaire. Cette approche innovante a non seulement généralisé les lois thermodynamiques existantes, mais a également fourni une explication supérieure des phénomènes observés et des résultats expérimentaux par rapport aux modèles antérieurs. Ses recherches sur la thermodynamique ont abouti à la conceptualisation du démon de Maxwell, une expérience de pensée postulant une entité imaginaire capable de trier les particules par énergie, semblant ainsi contrevenir à la deuxième loi de la thermodynamique.

En 1871, Maxwell a formulé ses relations thermodynamiques, qui définissent les égalités entre les dérivées secondes des potentiels thermodynamiques concernant diverses variables thermodynamiques. Par la suite, en 1874, il développa une visualisation thermodynamique en plâtre pour étudier les transitions de phase, en s'appuyant sur les recherches en thermodynamique graphique du scientifique américain Josiah Willard Gibbs.

Dans sa publication de 1867, Sur la théorie dynamique des gaz, Maxwell présenta le modèle de Maxwell, qui caractérise le comportement des matériaux viscoélastiques, et développa également l'équation de Maxwell-Cattaneo, utilisée pour décrire le transport de chaleur dans un moyen.

Peter Guthrie Tait a acclamé Maxwell comme le « principal scientifique moléculaire » de son époque. Après la disparition de Maxwell, un commentateur anonyme a fait remarquer qu'« un seul homme vivait qui pouvait comprendre les papiers de Gibbs. C'était Maxwell, et maintenant il est mort. »

Théorie du contrôle

L'article de Maxwell, « On Governors », est paru dans les Proceedings of the Royal Society, vol. 16 (1867-1868). Ce travail est reconnu comme un texte fondateur dans le domaine naissant de la théorie du contrôle. Dans ce contexte, « gouverneurs » désigne les dispositifs mécaniques, en particulier les régulateurs centrifuges, utilisés pour réguler les machines à vapeur.

Distinctions

Publications

• Maxwell, James Clerk (1873), Un traité sur l'électricité et le magnétisme Vol I, Oxford : Clarendon PressMaxwell, James Clerk (1873), Un traité sur l'électricité et le magnétisme Vol II, Oxford : Clarendon PressMaxwell, James Clerk (1876), Matter and Motion, Londres et New York : Society for Promoting Christian Knowledge et Pott, Young & CieMaxwell, James Clerk (1881), Un traité élémentaire sur l'électricité, Oxford : Clarendon PressMaxwell, James Clerk (1890), Les articles scientifiques de James Clerk Maxwell Vol I, Dover PublicationMaxwell, James Clerk (1890), Les articles scientifiques de James Clerk Maxwell Vol II, Cambridge, University PressMaxwell, James Clerk (1908), Théorie de la chaleur, Longmans Green Co.Remarques

  Références

  • Barrett, Terence William ; Grimes, Dale Mills (1995). Electromagnétisme avancé : fondements, théorie et applications. Monde scientifique. ISBN 978-981-02-2095-2.Duhem, Pierre Maurice Marie (2015). Les théories électriques de J. Clerk Maxwell. Études de Boston en philosophie et histoire des sciences. Vol. 314. Traduit par Aversa, Alan. Springer. est ce que je:10.1007/978-3-319-18515-6. ISBN 978-3-319-18515-6. Consulté le 8 juillet 2015.Campbell, Lewis ; Garnett, William (1882). La vie de James Clerk Maxwell (PDF). Édimbourg : MacMillan. OCLC 2472869.Eyges, Leonard (1972). Le champ électromagnétique classique. New York : Douvres. ISBN 978-0-486-63947-5.Gardner, Martin (2007). Les dernières récréations : hydres, œufs et autres mystifications mathématiques. Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-25827-0.Glazebrook, R.T. (1896). James Clerk Maxwell et la physique moderne. 811951455. OCLC 811951455.Harman, Peter M. (1998). La philosophie naturelle de James Clerk Maxwell. La Presse de l'Universite de Cambridge. ISBN 0-521-00585-X.Harman, Peter M. (2004). "Maxwell, James". Oxford Dictionary of National Biography (éd. en ligne). Presse de l'Université d'Oxford. est ce que je:10.1007/978-3-319-18515-6.Mahon, Basilic (2003). L'homme qui a tout changé – la vie de James Clerk Maxwell. Wiley. ISBN 0-470-86171-1.Russo, Remigio (1996). Problèmes mathématiques d'élasticité. Monde scientifique. ISBN 981-02-2576-8.Tait, Peter Guthrie (1911). "Maxwell, James Clerk" . Dans Chisholm, Hugh (éd.). Encyclopædia Britannica. Vol. 17 (11e éd.). La Presse de l'Universite de Cambridge.Timoshenko, Stephen (1983). Histoire de la résistance des matériaux. Courrier Douvres. ISBN 978-0-486-61187-7.Tolstoï, Ivan (1982). James Clerk Maxwell : une biographie. Presses de l'Université de Chicago. ISBN 0-226-80787-8. OCLC 8688302.Warwick, Andrew (2003). Masters of Theory : Cambridge et l'essor de la physique mathématique. Presses de l'Université de Chicago. ISBN 0-226-87374-9.Waterston, Charles D. et A. Macmillan Shearer (juillet 2006). Anciens membres de la Royal Society of Edinburgh 1783–2002 : Index biographique (PDF). Vol. II. Édimbourg : La Royal Society of Edinburgh. ISBN 978-0-902198-84-5. Archivé de l'original (PDF) le 9 mai 2015.Wilczek, Frank (2015). "Maxwell I : l'esthétique de Dieu. II : Les portes de la perception." Dans Une belle question : Trouver la conception profonde de la nature. Allen Lane, pp. 117–164. ISBN 978-0-7181-9946-3.
    • Portraits de James Clerk Maxwell à la National Portrait Gallery de Londres
    • Œuvres de ou sur James Clerk Maxwell dans Internet Archive
    • O'Connor, John J. et Edmund F. Robertson. "James Clerk Maxwell." Archives d'histoire des mathématiques MacTutor. Université de St Andrews.
    • O'Connor, John J. ; Robertson, Edmund F., "James Clerk Maxwell", Archives d'histoire des mathématiques MacTutor, Université de St Andrews"Généalogie et armoiries de James Clerk Maxwell (1831-1879)." Numericana."La Fondation James Clerk Maxwell.""Maxwell, James Clerk (les dernières volontés et testament de Maxwell)." scotlandspeople.gov.uk. 31 mai 2013. Archivé de l'original du 30 décembre 2006. Consulté le 25 novembre 2008."Les articles et livres scientifiques publiés de James Clerk Maxwell" (PDF). Fondation Clerk Maxwell."Bibliographie" (PDF). Fondation Clerk Maxwell.Actes de la Royal Society of Edinburgh, vol. 3, non. 45, p. 299-301. (Fac-similé numérique de la bibliothèque Linda Hall).
    • "Maxwell." Discussion sur BBC Radio 4 avec Simon Schaffer, Peter Harman et Joanna Haigh. À notre époque, 2 octobre 2003.
    • "Einstein d'Écosse : James Clerk Maxwell – L'homme qui a changé le monde." Documentaire BBC Two, 2015.