James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell (1831–1879) è stato un fisico e matematico scozzese noto per aver formulato la teoria classica della radiazione elettromagnetica. Questa teoria innovativa fu la prima a unificare elettricità, magnetismo e luce, presentandoli come diverse manifestazioni di un singolare fenomeno sottostante. Le sue equazioni per l'elettromagnetismo rappresentarono la seconda grande unificazione in fisica, dopo i risultati iniziali di Isaac Newton. Inoltre, Maxwell ha svolto un ruolo fondamentale nello sviluppo della meccanica statistica.

James Clerk Maxwell (13 giugno 1831 - 5 novembre 1879) è stato un fisico e matematico scozzese responsabile della teoria classica della radiazione elettromagnetica, che fu la prima teoria a descrivere l'elettricità, il magnetismo e la luce come diverse manifestazioni dello stesso fenomeno. Le equazioni di Maxwell per l'elettromagnetismo raggiunsero la seconda grande unificazione in fisica, laddove la prima era stata realizzata da Isaac Newton. Maxwell ebbe un ruolo chiave anche nella creazione della meccanica statistica.

Nel 1854 Maxwell si laureò al Trinity College di Cambridge, distinguendosi in matematica e ricevendo il Premio Smith. Continuò brevemente il suo lavoro a Cambridge, pubblicando le prime ricerche matematiche e indagini ottiche, concentrandosi in particolare sui principi della combinazione di colori e sul daltonismo. Successivamente occupò la cattedra di Filosofia Naturale al Marischal College di Aberdeen. Lì, le sue ricerche sugli anelli di Saturno lo portarono a proporre con precisione la loro composizione di innumerevoli piccole particelle, un risultato per il quale gli venne assegnato il Premio Adams nel 1859. Durante questo periodo sposò Katherine Mary Dewar, che lo aiutò nelle sue ricerche di laboratorio. Dal 1860 al 1865 ricoprì la carica di professore di filosofia naturale al King's College di Londra, dove avanzò la sua teoria dei campi elettromagnetici. La sua pubblicazione del 1865, "Una teoria dinamica del campo elettromagnetico", dimostrò che i campi elettrici e magnetici si propagano attraverso lo spazio come onde alla velocità della luce. Questo lavoro postulava che la luce stessa sia un'ondulazione all'interno dello stesso mezzo responsabile dei fenomeni elettrici e magnetici. Questa unificazione dei fenomeni luminosi ed elettrici culminò nella sua previsione delle onde radio.

Maxwell fu il pioniere nel derivare la distribuzione di Maxwell-Boltzmann, un metodo statistico per caratterizzare aspetti della teoria cinetica dei gas, un argomento che perseguì a intermittenza per tutta la sua carriera. Nel 1861, presentò la prima fotografia a colori durevole e dimostrò che qualsiasi colore poteva essere generato mescolando i tre colori primari: rosso, verde e blu, ponendo così le basi per la televisione a colori. La sua ricerca ha compreso anche l'analisi della rigidità delle strutture ad aste e giunti, comunemente note come tralicci, che sono prevalenti nella costruzione di ponti. Ha sviluppato la moderna analisi dimensionale e ha contribuito alla creazione del sistema di misurazione CGS. Fu il primo a comprendere la teoria del caos e ad evidenziare il concetto dell'effetto farfalla. Il suo articolo del 1863, On Governors, gettò le basi cruciali per la teoria del controllo e la cibernetica, rappresentando la prima analisi matematica dei sistemi di controllo. Nel 1867 introdusse l'esperimento mentale noto come il demone di Maxwell, che esplora l'influenza delle informazioni sull'entropia termodinamica. Nel suo fondamentale articolo del 1867, Sulla teoria dinamica dei gas, presentò il modello di Maxwell per caratterizzare il comportamento dei materiali viscoelastici e creò l'equazione di Maxwell-Cattaneo per descrivere il trasporto di calore all'interno di un mezzo.

Nel 1871, Maxwell tornò a Cambridge, assumendo la posizione inaugurale di Cavendish Professor of Physics e supervisionando la costruzione del Cavendish Laboratory. Il suo vasto lavoro ha portato al suo riconoscimento come figura fondamentale nella moderna ingegneria elettrica. Le sue scoperte furono fondamentali per dare inizio all'era della fisica moderna, gettando le basi per campi come la relatività, un termine da lui introdotto nella fisica, e la meccanica quantistica.

Vita

Primi anni di vita (1831–1839)

James Clerk Maxwell è nato il 13 giugno 1831 al 14 di India Street, Edimburgo. I suoi genitori erano John Clerk Maxwell di Middlebie, un avvocato, e Frances Cay, figlia di Robert Hodshon Cay e sorella di John Cay. (La sua città natale attualmente funge da museo gestito dalla James Clerk Maxwell Foundation.) Suo padre, della ricca famiglia Clerk di Penicuik, deteneva il baronetto di Clerk di Penicuik. Il fratello di suo padre era il sesto baronetto. Nato "John Clerk", suo padre aggiunse "Maxwell" al suo cognome dopo aver ereditato la tenuta Middlebie, una proprietà Maxwell nel Dumfriesshire, da bambino nel 1793. James era cugino di primo grado sia dell'artista Jemima Blackburn (figlia di sua zia paterna) che dell'ingegnere civile William Dyce Cay (figlio di suo zio materno). Cay e Maxwell mantennero una stretta amicizia, con Cay che fece da testimone a Maxwell al suo matrimonio.

I genitori di Maxwell si sono sposati poco più che trentenni; sua madre aveva quasi 40 anni al momento della sua nascita. In precedenza avevano avuto una figlia, Elizabeth, che morì in tenera età.

Durante la prima infanzia di Maxwell, la sua famiglia si trasferì a Glenlair, Kirkcudbrightshire, una tenuta di 1.500 acri (610 ettari) che i suoi genitori avevano costruito. Le prove indicano che Maxwell possedeva un'insaziabile curiosità fin dalla tenera età. All'età di tre anni, qualsiasi oggetto che si muovesse, emettesse luce o producesse suono spingeva la sua domanda: "che succede?". In un'aggiunta del 1834 a una lettera di suo padre alla cognata Jane Cay, sua madre descrisse questa intrinseca curiosità:

È un uomo molto felice ed è migliorato molto da quando il tempo è diventato moderato; ha un ottimo lavoro con porte, serrature, chiavi, ecc., e "mostrami come va" non esce mai dalla sua bocca. Investiga anche il corso nascosto dei ruscelli e dei cavi dei campanelli, il modo in cui l'acqua arriva dallo stagno attraverso il muro....

Istruzione (1839–1847)

Riconoscendo il potenziale di suo figlio, la madre di Maxwell, Frances, si assunse la responsabilità della sua prima educazione, un ruolo tipicamente svolto dalle donne nelle famiglie vittoriane. All'età di otto anni, era in grado di recitare ampi passaggi di John Milton e l'intero 119° Salmo, comprendente 176 versi. La sua conoscenza delle Scritture era particolarmente completa, permettendogli di citare capitoli e versetti per quasi tutte le citazioni dei Salmi. Nel dicembre 1839, quando Maxwell aveva otto anni, sua madre morì di cancro addominale a seguito di un'operazione fallita. Successivamente, la sua educazione è stata supervisionata da suo padre e dalla cognata di suo padre, Jane, che hanno entrambi influenzato in modo significativo la sua vita. La sua istruzione formale iniziale si è rivelata infruttuosa sotto la tutela di un istruttore assunto di 16 anni. Esistono scarse informazioni su questo tutore, a parte il suo duro trattamento nei confronti del giovane Maxwell, che rimproverò per essere lento e disobbediente. Il tutore fu licenziato nel novembre 1841. Il 12 febbraio 1842, il padre di James lo portò alla dimostrazione di Robert Davidson sulla propulsione elettrica e sulla forza magnetica, un evento che ebbe un profondo impatto sul ragazzo.

Nel 1841, all'età di dieci anni, Maxwell si iscrisse alla stimata Accademia di Edimburgo. Durante il mandato risiedeva con sua zia Isabella. Suo cugino maggiore, Jemima, incoraggiò il suo crescente interesse per il disegno durante questo periodo. Cresciuto in relativo isolamento nella tenuta rurale di suo padre, il giovane Maxwell ha lottato per adattarsi all'ambiente scolastico. Poiché la classe del primo anno era al completo, era necessario il suo inserimento nel secondo anno, insieme agli studenti di un anno più grandi di lui. Il suo comportamento e l'accento di Galloway erano percepiti come provinciali dai suoi coetanei. Nel suo primo giorno, vestito con scarpe fatte in casa e una tunica, acquisì il soprannome dispregiativo "Daftie". Secondo quanto riferito, portò questo epiteto senza lamentarsi per molti anni, senza mai mostrarsi risentito. Il suo isolamento sociale all'Accademia si concluse quando fece amicizia con Lewis Campbell e Peter Guthrie Tait, due ragazzi della stessa età che in seguito si sarebbero distinti come studiosi. Hanno mantenuto un'amicizia permanente.

Maxwell sviluppò presto un fascino per la geometria, riscoprendo autonomamente i poliedri regolari prima di ricevere istruzioni formali. Sebbene si fosse assicurato il premio per la biografia delle Scritture della scuola al secondo anno, i suoi risultati accademici non furono in gran parte riconosciuti finché, all'età di 13 anni, gli fu assegnata la medaglia di matematica della scuola e il primo premio sia in inglese che in poesia.

Le attività intellettuali di Maxwell si estesero significativamente oltre il curriculum scolastico prescritto e non diede priorità al rendimento degli esami. All'età di 14 anni, scrisse il suo articolo scientifico inaugurale. Questo lavoro descrive in dettaglio un metodo meccanico per disegnare curve matematiche utilizzando lo spago, esplorando le proprietà delle ellissi, degli ovali cartesiani e delle curve correlate che possiedono più fuochi. L'articolo del 1846, intitolato "Sulla descrizione delle curve ovali e di quelle che hanno una pluralità di fuochi", fu presentato alla Royal Society di Edimburgo da James Forbes, professore di filosofia naturale all'Università di Edimburgo, poiché Maxwell era considerato troppo giovane per presentarlo lui stesso. Sebbene non del tutto originale, date le indagini di René Descartes del XVII secolo sulle ellissi multifocali, il contributo di Maxwell sta nel semplificarne la costruzione.

Università di Edimburgo (1847–1850)

Nel 1847, all'età di 16 anni, Maxwell lasciò l'Accademia per iniziare i suoi studi presso l'Università di Edimburgo. Sebbene gli fosse stata offerta l'opportunità di frequentare l'Università di Cambridge, scelse, dopo il suo mandato iniziale, di completare il suo intero curriculum universitario a Edimburgo. La facoltà dell'università comprendeva diversi illustri studiosi, inclusi i suoi tutor del primo anno: Sir William Hamilton, che lo istruì in logica e metafisica; Philip Kelland, che insegnava matematica; e James Forbes, che ha tenuto conferenze sulla filosofia naturale. Trovando i suoi corsi poco impegnativi, Maxwell dedicò il suo tempo libero, sia all'università che soprattutto a casa sua a Glenlair, allo studio indipendente. Durante questo periodo, condusse esperimenti con dispositivi chimici, elettrici e magnetici improvvisati. Tuttavia, il suo principale interesse di ricerca si è concentrato sulle caratteristiche della luce polarizzata. Realizzò blocchi di gelatina, li sottopose a varie sollecitazioni e, utilizzando una coppia di prismi polarizzatori forniti da William Nicol, osservò le frange cromatiche che si formavano all'interno della gelatina. Questo approccio sperimentale portò alla scoperta della fotoelasticità, un metodo per analizzare la distribuzione dello stress nelle strutture fisiche.

All'età di 18 anni, Maxwell presentò due articoli alle Transazioni della Royal Society di Edimburgo. Un contributo, intitolato “Sull’equilibrio dei solidi elastici”, ha gettato le basi per una significativa scoperta futura: la doppia rifrazione transitoria osservata nei liquidi viscosi sottoposti a stress di taglio. Il suo secondo articolo, "Rolling Curves", rispecchiava il suo precedente lavoro "Oval Curves" dell'Accademia di Edimburgo; fu nuovamente ritenuto troppo giovane per presentare personalmente le sue scoperte. Di conseguenza, il suo tutore, Kelland, consegnò il documento alla Royal Society per suo conto.

Università di Cambridge (1850–1856)

Nell'ottobre del 1850 Maxwell, già un abile matematico, si trasferì dalla Scozia all'Università di Cambridge. Inizialmente si iscrisse a Peterhouse, ma si trasferì al Trinity College prima della conclusione del suo primo mandato, anticipando un percorso più diretto verso una borsa di studio lì. Al Trinity, ottenne l'elezione ai Cambridge Apostoli, un'esclusiva società segreta. Durante il suo mandato a Cambridge, la comprensione intellettuale di Maxwell sia della sua fede cristiana che dei suoi principi scientifici si sviluppò in modo significativo. La sua partecipazione agli "Apostoli", una società di dibattito d'élite, ha fornito attraverso i suoi saggi un forum per articolare e perfezionare queste comprensioni.

"Ora il mio grande piano, che è stato concepito fin dall'antichità, ... è di non lasciare volontariamente nulla senza essere esaminato. Niente deve essere terreno sacro consacrato alla Fede Stazionaria, sia positiva che negativa. Tutti i terreni incolti devono essere arati e seguito un regolare sistema di rotazione. ... Non nascondere mai nulla, che si tratti di erbacce o no, né sembrare di volerlo nascondere. ... Ancora una volta affermo il diritto di violazione su qualsiasi appezzamento di Terra Sacra che un uomo possiede messi da parte... Ora sono convinto che nessuno tranne un cristiano può effettivamente purificare la sua terra da questi luoghi santi... Non dico che nessun cristiano abbia luoghi recintati di questo tipo. Molti ne hanno molti, e ognuno ne ha alcuni. Ma ci sono tratti estesi e importanti nel territorio dello schernitore, del panteista, del formalista, del dogmatico, del sensualista e degli altri, che sono apertamente e solennemente tabù..."

"Il cristianesimo... quello è, la religione della Bibbia, l'unico schema o forma di fede che rinnega qualsiasi possesso su tale incarico. Solo qui tutto è libero. Potresti volare fino ai confini del mondo e non trovare altro Dio che l'Autore della Salvezza leggeteli e ho trovato alcune obiezioni spiritose... che troppi ortodossi non letti ammettono, e tacciono l'argomento come infestato. Ma una candela sta arrivando per scacciare tutti i fantasmi e i bugbear. Seguiamo la luce."

Durante l'estate del suo terzo anno, Maxwell risiedette per un periodo presso la residenza nel Suffolk del reverendo C. B. Tayler, che era lo zio del suo compagno di classe, G. W. H. Tayler. Maxwell fu profondamente colpito dalla dimostrazione di devozione religiosa della famiglia, soprattutto dopo che il ministro e sua moglie gli prestarono assistenza durante il recupero da una malattia.

Al suo ritorno a Cambridge, Maxwell compose una lettera cordiale e affettuosa al suo recente ospite, che includeva la successiva testimonianza:

Maxwell ha riflettuto sulla sua innata capacità di essere malevolo, affermando: "

... ho la capacità di essere più malvagio di qualsiasi esempio che l'uomo potrebbe darmi, e... se riesco a scappare, è solo per la grazia di Dio che mi aiuta a sbarazzarmi di me stesso, in parte nella scienza, più completamente nella società, — ma non perfettamente se non impegnandomi con Dio..."

Nel novembre 1851, Maxwell iniziò i suoi studi con William Hopkins, un illustre tutor rinomato per la sua eccezionale capacità di coltivare il talento matematico, guadagnandosi il soprannome di "senior wrangler-maker."

Maxwell completò la sua laurea in matematica al Trinity nel 1854, ottenendo il secondo punteggio più alto nell'esame finale, che gli conferì il titolo di Secondo Wrangler, dietro Edward Routh. Successivamente, è stato ritenuto uguale a Routh nel più rigoroso esame del Premio Smith. Subito dopo la laurea, Maxwell presentò il suo articolo, "Sulla trasformazione delle superfici mediante piegatura", alla Cambridge Philosophical Society. Questo lavoro, uno dei suoi rari contributi puramente matematici, ha sottolineato la sua emergente importanza come matematico. Scegliendo di rimanere al Trinity dopo la laurea, Maxwell fece domanda per una borsa di studio, un processo che in genere dura diversi anni. I suoi successi come studente ricercatore gli hanno concesso l'autonomia di perseguire attività scientifiche a sua discrezione, con solo minori obblighi di tutoraggio ed esame.

Uno degli interessi significativi di Maxwell, iniziato durante i suoi studi con Forbes all'Università di Edimburgo, era la natura e la percezione del colore. Utilizzando le trottole colorate ideate da Forbes, Maxwell dimostrò empiricamente che una combinazione di luce rossa, verde e blu produceva luce bianca. Il suo articolo fondamentale, "Experiments on Colour", che chiariva i principi fondamentali della combinazione di colori, fu presentato da lui personalmente alla Royal Society di Edimburgo nel marzo 1855.

Il 10 ottobre 1855, Maxwell fu nominato membro del Trinity College, un avanzamento insolitamente rapido, e successivamente gli fu assegnato il compito di tenere lezioni di idrostatica e ottica, oltre a preparare documenti per gli esami. Il febbraio successivo, Forbes lo incoraggiò a fare domanda per la cattedra di filosofia naturale recentemente vacante al Marischal College di Aberdeen. Il padre di Maxwell lo aiutò a compilare le referenze richieste, ma morì il 2 aprile a Glenlair, prima dell'esito della domanda di Maxwell. Maxwell accettò la cattedra ad Aberdeen, lasciando Cambridge nel novembre 1856.

Marischal College, Aberdeen: 1856–1860

A 25 anni, Maxwell era circa 15 anni più giovane dei suoi colleghi della facoltà Marischal. Ha abbracciato diligentemente le sue nuove responsabilità di capo dipartimento, che includevano lo sviluppo del curriculum e la preparazione delle lezioni. Il suo impegno di insegnamento ammontava a 15 ore settimanali, comprendendo una regolare lezione pro bono per il college operaio locale. Durante i sei mesi dell'anno accademico, risiedette ad Aberdeen con suo cugino, William Dyce Cay, un ingegnere civile scozzese, e trascorse le sue estati a Glenlair, una tenuta ereditata da suo padre.

Un ex studente in seguito fornì la seguente descrizione di Maxwell:

Alla fine degli anni '50 dell'Ottocento, poco prima delle 9 di mattina d'inverno, avresti potuto vedere il giovane James Clerk Maxwell, tra i 25 ei 30 anni, un uomo di statura media, con una struttura robusta e una certa elasticità ed elasticità nella sua andatura; vestiti con comodità piuttosto che con eleganza; un volto che esprime allo stesso tempo sagacia e buon umore, ma ricoperto da una profonda sfumatura di premurosità; caratteristiche messe in grassetto e piacevolmente marcate; occhi scuri e luminosi; capelli e barba perfettamente neri, e che formano un forte contrasto con il pallore della sua carnagione.

Maxwell ha indirizzato la sua ricerca verso un problema che ha sfidato gli scienziati per due secoli: la natura fondamentale degli anelli di Saturno. Il meccanismo attraverso il quale questi anelli mantenevano la stabilità, resistendo alla disintegrazione, alla dispersione o alla collisione con Saturno, rimase sconosciuto. Questo problema acquistò particolare importanza quando il St John's College di Cambridge lo scelse come soggetto per il Premio Adams del 1857. Maxwell dedicò due anni a questa indagine, dimostrando che un anello solido e regolare non poteva sostenere la stabilità, e un anello fluido si frammentava inevitabilmente in masse discrete a causa della dinamica delle onde. Non osservando nessuna di queste condizioni, dedusse che gli anelli dovevano comprendere numerose particelle minuscole, che chiamò "pipistrelli di mattoni", ciascuna orbitante attorno a Saturno indipendentemente. Nel 1859, Maxwell ricevette il Premio Adams da 130 sterline per il suo saggio "Sulla stabilità del movimento degli anelli di Saturno", essendo l'unico contendente a ottenere progressi sufficienti per la sottomissione. La sua analisi era così completa e persuasiva che George Biddell Airy, dopo averla letta, osservò: "È una delle più straordinarie applicazioni della matematica alla fisica che io abbia mai visto". Questo lavoro fu considerato la spiegazione definitiva finché le osservazioni dirette dei sorvoli del Voyager negli anni '80 non corroborarono l'ipotesi di Maxwell riguardo alla composizione del particolato degli anelli. Tuttavia, la comprensione contemporanea riconosce che le particelle dell’anello non sono del tutto stabili, poiché vengono gradualmente attratte verso Saturno dalle forze gravitazionali. Di conseguenza, si prevede che gli anelli si dissolveranno completamente entro i prossimi 300 milioni di anni.

Nel 1857, Maxwell stabilì un'amicizia con il reverendo Daniel Dewar, allora preside del Marischal College. Attraverso questo collegamento, Maxwell ha incontrato la figlia di Dewar, Katherine Mary Dewar. Il loro fidanzamento avvenne nel febbraio 1858, seguito dal matrimonio ad Aberdeen il 2 giugno 1858. Il certificato di matrimonio identifica Maxwell come professore di filosofia naturale al Marischal College di Aberdeen. Katherine aveva sette anni più di Maxwell. Sono disponibili informazioni limitate su di lei, anche se è documentato che ha collaborato nel suo laboratorio e ha contribuito agli esperimenti riguardanti la viscosità. Lewis Campbell, biografo e amico di Maxwell, mostrò un insolito riserbo quando parlò di Katherine, tuttavia definì la loro vita coniugale come "una devozione senza precedenti".

L'anno 1860 segnò la fusione del Marischal College con l'adiacente King's College, formando l'Università di Aberdeen. Poiché non erano previsti due professori di filosofia naturale, Maxwell, nonostante la sua consolidata reputazione scientifica, dovette affrontare il licenziamento. La sua successiva domanda per la cattedra recentemente vacante di Forbes a Edimburgo non ha avuto successo, e la posizione è stata assegnata a Tait. Invece, Maxwell fu nominato alla cattedra di filosofia naturale al King's College di Londra. Dopo essersi ripreso da un grave attacco di vaiolo quasi fatale nel 1860, si trasferì a Londra con la moglie.

King's College, Londra: 1860–1865

La permanenza di Maxwell al King's College è ampiamente considerata come il periodo più prolifico della sua vita professionale. Nel 1860, fu insignito della Medaglia Rumford della Royal Society per la sua ricerca pionieristica sul colore, e successivamente fu eletto alla Società nel 1861. Durante quest'epoca, presentò in particolare la prima fotografia a colori resistente alla luce al mondo, avanzò le sue teorie sulla viscosità dei gas e propose un metodo sistematico per definire le quantità fisiche, ora riconosciuto come analisi dimensionale. Maxwell frequentava spesso le lezioni alla Royal Institution, il che facilitava le interazioni regolari con Michael Faraday. La loro relazione, tuttavia, non era caratterizzata da una stretta intimità, principalmente perché Faraday aveva 40 anni più di Maxwell e mostrava segni di senilità. Tuttavia, entrambi gli uomini mantennero un profondo rispetto reciproco per il contributo intellettuale dell'altro.

Questo periodo è particolarmente significativo per i progressi rivoluzionari di Maxwell nei campi dell'elettricità e del magnetismo. Investigò meticolosamente le caratteristiche dei campi elettrici e magnetici nel suo trattato in due parti, "Sulle linee fisiche di forza", pubblicato nel 1861. All'interno di questo lavoro, introdusse una struttura concettuale per l'induzione elettromagnetica, postulando l'esistenza di minuscole celle rotanti di flusso magnetico. Due sezioni aggiuntive furono successivamente aggiunte e pubblicate nello stesso articolo all'inizio del 1862. La prima parte supplementare elaborava la natura dell'elettrostatica e della corrente di spostamento. La seconda parte aggiuntiva riguardava la rotazione del piano di polarizzazione della luce all'interno di un campo magnetico, un fenomeno inizialmente scoperto da Faraday e ora chiamato effetto Faraday.

Anni successivi: 1865–1879

Nel 1865, Maxwell lasciò la cattedra al King's College di Londra e si trasferì a Glenlair con Katherine. Il suo articolo del 1868, "Sui governatori", fornì una descrizione matematica del comportamento dei regolatori - dispositivi essenziali per regolare la velocità dei motori a vapore - ponendo così la teoria fondamentale per l'ingegneria di controllo. Nel 1870 esplorò la rigidità strutturale di vari progetti di reticoli nel suo articolo "Sulle figure reciproche, strutture e diagrammi di forze". È autore del libro di testo Teoria del calore (1871) e dell'opera accademica Materia e movimento (1876). Inoltre, Maxwell ha aperto la strada all'applicazione esplicita dell'analisi dimensionale nel 1871 e ha contribuito alla creazione del sistema di misurazione CGS.

Maxwell è noto per essere stato il primo a comprendere il concetto di caos, in particolare identificando l'importanza dei sistemi che dimostrano una "dipendenza sensibile dalle condizioni iniziali". Durante gli anni '70 dell'Ottocento, fu anche il primo a evidenziare l'"effetto farfalla" in due distinte discussioni.

Nel 1871, Maxwell tornò a Cambridge, assumendo la posizione inaugurale di Cavendish Professor of Physics. Gli fu affidato il compito di supervisionare la creazione del Laboratorio Cavendish, supervisionando meticolosamente sia il processo di costruzione che l'acquisizione di attrezzature scientifiche. Un significativo contributo tardivo di Maxwell ha comportato la modifica della ricerca di Henry Cavendish, che includeva ampie annotazioni originali. Questo lavoro ha rivelato le indagini di Cavendish su vari argomenti, come la densità della Terra e la composizione dell'acqua. Fu inserito nell'American Philosophical Society come membro nel 1876.

Morte

Nell'aprile 1879 Maxwell soffrì di disfagia, che segnò il sintomo iniziale della sua malattia terminale.

Maxwell morì di cancro addominale a Cambridge il 5 novembre 1879, all'età di 48 anni. In particolare, sua madre era morta alla stessa età per la stessa forma di cancro. Il sacerdote che lo assistette spesso durante le sue ultime settimane espresse profondo stupore per la lucidità mentale di Maxwell e per la straordinaria capacità della sua memoria, osservando specificamente:

... la sua malattia ha tirato fuori tutto il cuore, l'anima e lo spirito dell'uomo: la sua fede salda e indubbia nell'Incarnazione e in tutti i suoi risultati; nella piena sufficienza dell'Espiazione; nell'opera dello Spirito Santo. Aveva valutato e approfondito tutti gli schemi e i sistemi filosofici, e li aveva trovati del tutto vuoti e insoddisfacenti - "inattuabili" era la sua stessa parola al riguardo - e si rivolse con fede semplice al Vangelo del Salvatore.

Mentre la sua morte si avvicinava, Maxwell comunicò a un collega di Cambridge:

Ho pensato con quanta gentilezza sono sempre stato trattato. Non ho mai avuto uno spintone violento in tutta la mia vita. L'unico desiderio che posso avere è, come Davide, servire la mia generazione per volontà di Dio e poi addormentarmi.

I resti di Maxwell sono sepolti a Parton Kirk, situato vicino a Castle Douglas a Galloway, vicino alla casa della sua infanzia. La sua biografia completa, The Life of James Clerk Maxwell, scritta dal suo ex compagno di scuola e suo collaboratore per tutta la vita, il professor Lewis Campbell, fu pubblicata nel 1882. La Cambridge University Press pubblicò la sua raccolta di opere in due volumi nel 1890.

Gli esecutori testamentari della tenuta di Maxwell includevano il suo medico George Edward Paget, G. G. Stokes e suo cugino Colin Mackenzie. A causa di un carico di lavoro eccessivo, Stokes trasferì i documenti di Maxwell a William Garnett, che ne mantenne l'effettiva custodia fino al 1884 circa.

Un'iscrizione commemorativa dedicata a Maxwell si trova vicino al paravento del coro all'interno dell'Abbazia di Westminster.

Vita personale

Maxwell, un ardente ammiratore della poesia scozzese, imparò i versi a memoria e compose i suoi. La sua opera poetica più famosa, Rigid Body Sings, è stato adattato da vicino "Comin' Through the Rye" di Robert Burns, un pezzo che, secondo quanto riferito, ha eseguito mentre suonava la chitarra. Questa composizione inizia con le seguenti righe:

Una raccolta delle sue poesie fu successivamente pubblicata dal suo amico Lewis Campbell nel 1882.

Una raccolta delle sue poesie fu pubblicata dal suo amico Lewis Campbell nel 1882.

I resoconti di Maxwell spesso evidenziano la sua eccezionale abilità intellettuale, spesso giustapposta a un notevole grado di disagio sociale.

Maxwell articolò il successivo aforisma per guidare la sua condotta professionale come scienziato:

Gli individui che cercano di sperimentare la vita pienamente e di operare in modo autonomo devono mantenere un'attenzione costante sulle proprie attività quotidiane. Evitare la preoccupazione per gli sforzi passati previene lo sconforto, mentre concentrarsi esclusivamente sulle aspirazioni future rischia di diventare puramente speculativo. Né ci si dovrebbe concentrare esclusivamente su compiti transitori e mondani, né esclusivamente su obiettivi eterni, poiché questi da soli non facilitano l’azione immediata. La vera contentezza nasce dal percepire il lavoro quotidiano come una componente integrale dello scopo della propria vita e una manifestazione di principi eterni. Un tale individuo possiede una fiducia incrollabile, essendo diventato intrinsecamente legato all’infinito. Di conseguenza, perseguono diligentemente le loro imprese quotidiane, riconoscendo il momento presente come una dotazione preziosa.

James Clerk Maxwell era un presbiteriano evangelico che, nella sua vita successiva, prestò servizio come anziano della Chiesa di Scozia. Le sue convinzioni religiose e le pratiche associate sono state ampiamente esaminate in varie pubblicazioni accademiche. Avendo frequentato sia i servizi della Chiesa di Scozia (denominazione di suo padre) che quelli episcopaliani (denominazione di sua madre) durante la sua infanzia, Maxwell sperimentò una conversione evangelica nell'aprile 1853. Questa conversione potrebbe aver contribuito alla sua adozione di una posizione filosofica antipositivista.

Eredità scientifica

Riconoscimento

Un sondaggio condotto da Physics World, che ha identificato i 100 fisici più importanti, ha classificato Maxwell come il terzo più grande fisico della storia, superato solo da Isaac Newton e Albert Einstein. Allo stesso modo, anche un sondaggio separato tra fisici praticanti condotto da PhysicsWeb lo ha collocato in terza posizione.

Numerosi fisici considerano Maxwell lo scienziato del XIX secolo che ha esercitato l'influenza più significativa sulla fisica del XX secolo. I suoi contributi scientifici sono ampiamente considerati alla pari di quelli di Newton ed Einstein in termini di profondo impatto. Durante la commemorazione del centenario della nascita di Maxwell, Albert Einstein definì il suo lavoro come "il più profondo e il più fruttuoso che la fisica abbia sperimentato dai tempi di Newton". Secondo Einstein, sto sulle spalle di Maxwell." Tom Siegfried definì Maxwell "uno di quei geni che capitano una volta ogni secolo e che percepivano il mondo fisico con sensi più acuti di quelli che lo circondavano."

Elettromagnetismo

L'impegno di Maxwell con l'elettricità e il magnetismo iniziò già nel 1855, quando il suo articolo, "Sulle linee di forza di Faraday", fu presentato alla Cambridge Philosophical Society. Questo articolo fondamentale ha offerto una concettualizzazione semplificata della ricerca di Faraday e ha chiarito l'interrelazione tra elettricità e magnetismo. Ha sintetizzato il corpus di conoscenze esistente in un sistema coerente di 20 equazioni differenziali che coinvolgono 20 variabili. Questo lavoro fondamentale fu successivamente pubblicato con il titolo "Sulle linee fisiche di forza" nel marzo 1861.

Circa nel 1862, durante le sue lezioni al King's College, Maxwell calcolò che la velocità di propagazione di un campo elettromagnetico si avvicina molto alla velocità della luce. Considerava questa congruenza più che una semplice coincidenza, osservando: "Non possiamo evitare la conclusione che la luce consiste nelle ondulazioni trasversali dello stesso mezzo che è la causa dei fenomeni elettrici e magnetici."

Sviluppando ulteriormente la sua ricerca, Maxwell dimostrò che le sue equazioni prevedono l'esistenza di onde composte da campi elettrici e magnetici oscillanti, che si propagano attraverso il vuoto a una velocità derivabile da esperimenti elettrici fondamentali. Utilizzando i dati sperimentali contemporanei, Maxwell calcolò che questa velocità fosse di 310.740.000 metri al secondo (1,0195×10⁹ ft/s). Nel suo influente articolo del 1865, "Una teoria dinamica del campo elettromagnetico", Maxwell articolò: "L'accordo dei risultati sembra mostrare che la luce e il magnetismo sono affezioni della stessa sostanza e che la luce è un disturbo elettromagnetico propagato attraverso il campo secondo le leggi elettromagnetiche."

Le famose venti equazioni di Maxwell, presentate nel loro formato contemporaneo di equazioni alle derivate parziali, furono esaurientemente dettagliate per la prima volta nel suo libro di testo del 1873, Un trattato sull'elettricità e il magnetismo. Una parte significativa di questa ricerca fu condotta da Maxwell a Glenlair, in particolare durante l'intervallo tra il suo mandato a Londra e la sua nomina alla cattedra di Cavendish. Oliver Heaviside successivamente semplificò l'intricata struttura teorica di Maxwell in una serie di quattro equazioni alle derivate parziali, ora universalmente riconosciute come Leggi di Maxwell o equazioni di Maxwell. Nonostante una diminuzione dell'importanza dei potenziali durante il diciannovesimo secolo, l'applicazione dei potenziali scalari e vettoriali è attualmente una metodologia standard per risolvere le equazioni di Maxwell. Questo lavoro fondamentale ha rappresentato la seconda grande unificazione nel campo della fisica.

Come articolato da Barrett e Grimes (1995):

Maxwell formulò l'elettromagnetismo utilizzando l'algebra dei quaternioni, posizionando il potenziale elettromagnetico come elemento centrale della sua struttura teorica. Nel 1881, Heaviside soppiantò il campo potenziale elettromagnetico con i campi di forza come concetto centrale della teoria elettromagnetica. Heaviside sosteneva che il campo potenziale elettromagnetico era arbitrario e richiedeva l'"assassinio" (sic). Successivamente, emerse una discussione tra Heaviside e [Peter Guthrie] Tate (sic) riguardante i vantaggi comparativi dell'analisi vettoriale rispetto ai quaternioni. Questa discussione è culminata nella comprensione che le profonde intuizioni fisiche offerte dai quaternioni non sarebbero state necessarie se la teoria fosse rimasta strettamente locale, portando all'adozione diffusa dell'analisi vettoriale.

Le proposizioni di Maxwell furono convalidate empiricamente e la sua creazione di una relazione quantitativa tra luce ed elettromagnetismo è considerata un risultato fondamentale nella fisica matematica del XIX secolo.

Maxwell fu inoltre il pioniere del concetto di campo elettromagnetico, contrapponendolo alla descrizione di Faraday delle linee di forza. Concettualizzando la propagazione dell'elettromagnetismo come un campo emanato da particelle attive, Maxwell fece avanzare significativamente la sua ricerca sulla luce. Durante quell'epoca, Maxwell ipotizzò che la propagazione della luce richiedesse un mezzo che trasportasse le onde, che chiamò etere luminifero. Tuttavia, l'ipotizzata esistenza di un tale mezzo, pervasivo in tutto lo spazio ma apparentemente non rilevabile con metodi meccanici, alla fine si dimostrò inconciliabile con i risultati sperimentali, in particolare l'esperimento di Michelson-Morley. Inoltre, questo concetto sembrava imporre un quadro di riferimento assoluto per la validità delle equazioni, portando alla problematica implicazione che le equazioni si sarebbero trasformate per un osservatore in movimento. Queste sfide alla fine spinsero Albert Einstein a sviluppare la teoria della relatività speciale, un processo durante il quale Einstein considerò l'etere luminifero "superfluo" e di conseguenza lo eliminò dal suo quadro teorico.

Einstein riconobbe i contributi fondamentali di Maxwell, affermando che:

Un'epoca scientifica si concluse e ne iniziò una nuova, con i contributi di James Clerk Maxwell.

Einstein ulteriormente ha riconosciuto il profondo impatto del lavoro di Maxwell sulla sua teoria della relatività:

La teoria della relatività speciale trae i suoi principi fondamentali dalle equazioni del campo elettromagnetico di Maxwell.

Visione dei colori

Coerentemente con molti fisici contemporanei, Maxwell possedeva un notevole interesse per la psicologia. Emulando il lavoro di Isaac Newton e Thomas Young, mostrò un fascino particolare per lo studio della visione dei colori. Tra il 1855 e il 1872, Maxwell pubblicò periodicamente una serie di documenti di ricerca riguardanti la percezione del colore, il daltonismo e la teoria dei colori, guadagnandosi infine la medaglia Rumford per il suo trattato "Sulla teoria della visione dei colori".

Gli esperimenti di Newton con i prismi hanno stabilito che la luce bianca, inclusa la luce solare, comprende più componenti monocromatici che possono essere ricombinati per formare luce bianca. Ha inoltre dimostrato che una vernice arancione, una miscela di giallo e rosso, potrebbe corrispondere visivamente a una luce arancione monocromatica, nonostante la sua distinta composizione fisica. Questa osservazione portò a un paradosso significativo per i fisici contemporanei: due luci complesse fisicamente disparate (composte da più luci monocromatiche) potevano apparire identiche, un fenomeno chiamato metameri. Thomas Young successivamente ipotizzò che questo paradosso potesse essere risolto proponendo che la percezione del colore avvenga attraverso un numero finito di canali oculari, in particolare tre, costituendo la base della teoria tricromatica del colore. Maxwell in seguito impiegò il campo nascente dell'algebra lineare per suffragare matematicamente l'ipotesi di Young. Ha ipotizzato che qualsiasi luce monocromatica che stimola tre recettori dovrebbe suscitare una risposta equivalente da una combinazione di tre luci monocromatiche distinte (o addirittura tre luci diverse). Maxwell ha convalidato sperimentalmente questo principio, aprendo così la strada agli esperimenti di corrispondenza dei colori e al campo della colorimetria.

Maxwell ha esteso la sua teoria della percezione del colore al dominio della fotografia a colori. La sua ricerca psicologica sulla percezione del colore ha direttamente informato l'ipotesi che se una combinazione di tre luci primarie potesse riprodurre qualsiasi colore percepibile, allora le fotografie a colori potrebbero essere generate utilizzando una serie corrispondente di tre filtri colorati. Nella sua pubblicazione del 1855, Maxwell articolò un metodo: tre fotografie in bianco e nero di una scena sarebbero state catturate attraverso filtri rosso, verde e blu. Successivamente, le stampe trasparenti di queste immagini verrebbero proiettate su uno schermo utilizzando tre proiettori, ciascuno dotato di filtri analoghi. Quando queste proiezioni venivano sovrapposte, l'occhio umano percepiva una riproduzione a colori della scena originale.

Nel 1861, durante una conferenza alla Royal Institution sulla teoria dei colori, Maxwell svelò la prima dimostrazione mondiale della fotografia a colori, impiegando il suo principio di analisi e sintesi a tre colori. Thomas Sutton, noto per aver inventato la fotocamera reflex a obiettivo singolo, ha eseguito il lavoro fotografico. Sutton ha catturato tre immagini di un nastro scozzese, ciascuna attraverso un filtro rosso, verde e blu, e ha anche scattato una quarta fotografia utilizzando un filtro giallo, che i registri di Maxwell indicano non è stato utilizzato nella dimostrazione finale. A causa dell'intrinseca insensibilità delle lastre fotografiche di Sutton alla luce rossa e della loro limitata sensibilità alla luce verde, i risultati di questo esperimento rivoluzionario non furono ottimali. Il resoconto pubblicato della conferenza osservava che "se le immagini rosse e verdi fossero state fotografate completamente come quelle blu", il risultato "sarebbe stato un'immagine del nastro veramente colorata", suggerendo che "trovare materiali fotografici più sensibili ai raggi meno rifrangibili" potrebbe migliorare significativamente la rappresentazione dei colori degli oggetti. Decenni dopo, nel 1961, i ricercatori stabilirono che l’inaspettato successo parziale dell’esposizione con filtro rosso era attribuibile alla luce ultravioletta. Questa luce, fortemente riflessa da alcuni coloranti rossi, non veniva completamente attenuata dal filtro rosso e rientrava nell'intervallo di sensibilità spettrale del processo al collodio umido utilizzato da Sutton.

Teoria cinetica e termodinamica

La ricerca di Maxwell si estese alla teoria cinetica dei gas, dove giocò un ruolo fondamentale nello stabilire la meccanica statistica. Sebbene questa teoria abbia avuto origine con Daniel Bernoulli e sia stata successivamente avanzata dai contributi di John Herapath, John James Waterston, James Joule e in particolare Rudolf Clausius, consolidandone così l'accuratezza generale, Maxwell fornì un ulteriore sviluppo sostanziale. In questo ambito si distinse sia come sperimentalista, indagando le leggi dell'attrito gassoso, sia come matematico.

Dal 1859 al 1866, Maxwell formulò la teoria riguardante la distribuzione delle velocità tra le particelle di gas, un corpus di lavori successivamente ampliato da Ludwig Boltzmann. L'equazione risultante, nota come distribuzione di Maxwell-Boltzmann, quantifica la proporzione di molecole di gas che si muovono ad una velocità specifica a qualsiasi temperatura. Nel quadro della teoria cinetica, la temperatura e il calore sono concettualizzati esclusivamente come manifestazioni del movimento molecolare. Questo approccio innovativo non solo ha generalizzato le leggi termodinamiche esistenti, ma ha anche fornito una spiegazione migliore per i fenomeni osservati e i risultati sperimentali rispetto ai modelli precedenti. Le sue indagini sulla termodinamica culminarono nella concettualizzazione del demone di Maxwell, un esperimento mentale che presupponeva un'entità immaginaria in grado di classificare le particelle in base all'energia, apparentemente in contrasto con la seconda legge della termodinamica.

Nel 1871 Maxwell formulò le sue relazioni termodinamiche, che definiscono le uguaglianze tra le derivate seconde dei potenziali termodinamici riguardanti varie variabili termodinamiche. Successivamente, nel 1874, sviluppò una visualizzazione termodinamica del gesso per studiare le transizioni di fase, attingendo alla ricerca sulla termodinamica grafica dello scienziato americano Josiah Willard Gibbs.

Nella sua pubblicazione del 1867, Sulla teoria dinamica dei gas, Maxwell presentò il modello di Maxwell, che caratterizza il comportamento dei materiali viscoelastici, e sviluppò anche l'equazione di Maxwell-Cattaneo, utilizzata per descrivere il trasporto di calore all'interno di un mezzo.

Peter Guthrie Tait ha acclamato Maxwell come il "principale scienziato molecolare" della sua epoca. Dopo la morte di Maxwell, un commentatore anonimo ha osservato che "è vissuto solo un uomo che poteva comprendere le carte di Gibbs. Quello era Maxwell, e ora è morto".

Teoria del controllo

L'articolo di Maxwell, "On governators", è apparso in Proceedings of the Royal Society, vol. 16 (1867–1868). Questo lavoro è riconosciuto come un testo fondamentale nel campo nascente della teoria del controllo. In questo contesto, "regolatori" indica i dispositivi meccanici, in particolare i regolatori centrifughi, utilizzati per regolare i motori a vapore.

Lodi

Pubblicazioni

• Maxwell, James Clerk (1873), Un trattato sull'elettricità e il magnetismo Vol I, Oxford: Clarendon PressMaxwell, James Clerk (1873), Un trattato sull'elettricità e il magnetismo Vol II, Oxford: Clarendon PressMaxwell, James Clerk (1876), Matter and Motion, Londra e New York: Society for Promoting Christian Knowledge e Pott, Young & Co.Maxwell, James Clerk (1881), Un trattato elementare sull'elettricità, Oxford: Clarendon PressMaxwell, James Clerk (1890), Gli articoli scientifici di James Clerk Maxwell Vol I, Dover PublicationMaxwell, James Clerk (1890), The scientific papers of James Clerk Maxwell Vol II, Cambridge, University PressMaxwell, James Clerk (1908), Teoria del calore, Longmans Green Co.Note

  Riferimenti

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    • Ritratti di James Clerk Maxwell alla National Portrait Gallery, Londra
    • Opere di o su James Clerk Maxwell presso l'Internet Archive
    • O'Connor, John J. e Edmund F. Robertson. "James Impiegato Maxwell." Archivio di storia della matematica di MacTutor. Università di St Andrews.
    • O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F., "James Clerk Maxwell", Archivio di storia della matematica di MacTutor, Università di St Andrews"Genealogia e stemma di James Clerk Maxwell (1831–1879)." Numericana."La Fondazione James Clerk Maxwell.""Maxwell, James Clerk (ultimo testamento e testamento di Maxwell)." scotlandspeople.gov.uk. 31 maggio 2013. Archiviata dall'originale il 30 dicembre 2006. Estratto 25 novembre 2008."Gli articoli scientifici e i libri pubblicati di James Clerk Maxwell" (PDF). Impiegato Maxwell Foundation."Bibliografia" (PDF). Impiegato Maxwell Foundation.Atti della Royal Society di Edimburgo, vol. 3, n. 45, pp. 299–301. (Facsimile digitale dalla Biblioteca Linda Hall).
    • "Maxwell." Discussione su BBC Radio 4 con Simon Schaffer, Peter Harman e Joanna Haigh. Nel nostro tempo, 2 ottobre 2003.
    • "Einstein scozzese: James Clerk Maxwell – L'uomo che ha cambiato il mondo." Documentario della BBC Two, 2015.