James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell (1831–1879) foi um físico e matemático escocês conhecido por formular a teoria clássica da radiação eletromagnética. Esta teoria inovadora foi a primeira a unificar a eletricidade, o magnetismo e a luz, apresentando-os como diversas manifestações de um fenômeno subjacente singular. Suas equações para o eletromagnetismo representaram a segunda grande unificação na física, após a conquista inicial de Isaac Newton. Além disso, Maxwell desempenhou um papel fundamental no desenvolvimento da mecânica estatística.

James Clerk Maxwell (13 de junho de 1831 – 5 de novembro de 1879) foi um físico e matemático escocês responsável pela teoria clássica da radiação eletromagnética, que foi a primeira teoria a descrever eletricidade, magnetismo e luz como diferentes manifestações do mesmo fenômeno. As equações de Maxwell para o eletromagnetismo alcançaram a segunda grande unificação na física, onde a primeira foi realizada por Isaac Newton. Maxwell também foi fundamental na criação da mecânica estatística.

Em 1854, Maxwell formou-se no Trinity College, em Cambridge, distinguindo-se em matemática e recebendo o Prêmio Smith. Ele continuou brevemente seu trabalho em Cambridge, publicando pesquisas matemáticas iniciais e investigações ópticas, concentrando-se especificamente nos princípios da combinação de cores e daltonismo. Posteriormente, ocupou a Cátedra de Filosofia Natural no Marischal College em Aberdeen. Lá, sua pesquisa sobre os anéis de Saturno o levou a propor com precisão a composição de inúmeras pequenas partículas, conquista pela qual recebeu o Prêmio Adams em 1859. Durante esse período, casou-se com Katherine Mary Dewar, que o auxiliou em suas pesquisas de laboratório. De 1860 a 1865, ocupou o cargo de professor de filosofia natural no King's College London, onde desenvolveu sua teoria dos campos eletromagnéticos. Sua publicação de 1865, "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field", demonstrou que os campos elétricos e magnéticos se propagam pelo espaço como ondas à velocidade da luz. Este trabalho postulou que a própria luz é uma ondulação dentro do mesmo meio responsável pelos fenômenos elétricos e magnéticos. Essa unificação dos fenômenos luminosos e elétricos culminou em sua previsão de ondas de rádio.

Maxwell foi o pioneiro na derivação da distribuição Maxwell-Boltzmann, um método estatístico para caracterizar aspectos da teoria cinética dos gases, um assunto que ele perseguiu intermitentemente ao longo de sua carreira. Em 1861, ele revelou a primeira fotografia colorida durável e demonstrou que qualquer cor poderia ser gerada pela mistura das três cores primárias: vermelho, verde e azul, estabelecendo assim as bases para a televisão em cores. Sua pesquisa também abrangeu a análise da rigidez em estruturas de hastes e juntas, comumente conhecidas como treliças, que são predominantes na construção de pontes. Ele desenvolveu análises dimensionais modernas e contribuiu para o estabelecimento do sistema de medição CGS. Ele foi o primeiro a compreender a teoria do caos e a destacar o conceito do efeito borboleta. Seu artigo de 1863, On Governors, lançou uma base crucial para a teoria de controle e a cibernética, representando a primeira análise matemática de sistemas de controle. Em 1867, ele introduziu o experimento mental conhecido como demônio de Maxwell, que explora a influência da informação na entropia termodinâmica. Em seu artigo seminal de 1867, Sobre a Teoria Dinâmica dos Gases, ele apresentou o modelo de Maxwell para caracterizar o comportamento de materiais viscoelásticos e originou a equação de Maxwell-Cattaneo para descrever o transporte de calor dentro de um meio.

Em 1871, Maxwell retornou a Cambridge, assumindo o cargo inaugural de Professor Cavendish de Física e supervisionando a construção do Laboratório Cavendish. Seu extenso trabalho o levou ao reconhecimento como uma figura fundamental na engenharia elétrica moderna. Suas descobertas foram fundamentais para iniciar a era da física moderna, estabelecendo as bases para campos como a relatividade – um termo que ele introduziu na física – e a mecânica quântica.

Vida

Primeira vida (1831–1839)

James Clerk Maxwell nasceu em 13 de junho de 1831, em 14 India Street, Edimburgo. Seus pais eram John Clerk Maxwell de Middlebie, um defensor, e Frances Cay, filha de Robert Hodshon Cay e irmã de John Cay. (Seu local de nascimento atualmente funciona como um museu administrado pela Fundação James Clerk Maxwell.) Seu pai, da rica família Clerk de Penicuik, ocupava o título de baronete de Clerk of Penicuik. O irmão de seu pai era o sexto baronete. Nascido "John Clerk", seu pai acrescentou "Maxwell" ao seu sobrenome depois de herdar a propriedade Middlebie, uma propriedade de Maxwell em Dumfriesshire, quando criança em 1793. James era primo-irmão da artista Jemima Blackburn (filha de sua tia paterna) e do engenheiro civil William Dyce Cay (filho de seu tio materno). Cay e Maxwell mantiveram uma amizade próxima, com Cay servindo como padrinho de casamento de Maxwell.

Os pais de Maxwell se casaram com quase trinta anos; sua mãe tinha quase 40 anos quando ele nasceu. Eles já tiveram uma filha, Elizabeth, que morreu na infância. Durante a primeira infância de Maxwell, sua família se mudou para Glenlair, Kirkcudbrightshire, uma propriedade de 1.500 acres (610 ha) que seus pais construíram. As evidências indicam que Maxwell possuía uma curiosidade insaciável desde muito jovem. Aos três anos de idade, qualquer objeto que se movesse, emitisse luz ou produzisse som motivava sua pergunta: "o que acontece com isso?". Num acréscimo de 1834 a uma carta de seu pai para sua cunhada Jane Cay, sua mãe caracterizou essa curiosidade inerente:

Ele é um homem muito feliz e melhorou muito desde que o tempo ficou moderado; ele tem um ótimo trabalho com portas, fechaduras, chaves, etc., e "mostre-me como faz" nunca sai de sua boca. Ele também investiga o curso oculto dos riachos e dos sinos, a forma como a água passa do lago através da parede....

Educação (1839–1847)

Reconhecendo o potencial do filho, a mãe de Maxwell, Frances, assumiu a responsabilidade pela sua educação inicial, um papel tipicamente desempenhado pelas mulheres nos lares vitorianos. Aos oito anos, ele conseguia recitar extensas passagens de John Milton e todo o Salmo 119, compreendendo 176 versos. Seu conhecimento bíblico era notavelmente abrangente, permitindo-lhe citar capítulos e versículos para quase qualquer citação dos Salmos. Em dezembro de 1839, quando Maxwell tinha oito anos, sua mãe sucumbiu ao câncer abdominal após uma operação malsucedida. Posteriormente, sua educação foi supervisionada por seu pai e pela cunhada de seu pai, Jane, os quais influenciaram significativamente sua vida. Sua escolaridade formal inicial não teve sucesso sob a tutela de um instrutor contratado de 16 anos. Existem poucas informações sobre este tutor, além do tratamento severo que dispensou ao jovem Maxwell, a quem ele repreendeu por ser lento e desobediente. O tutor foi demitido em novembro de 1841. Em 12 de fevereiro de 1842, o pai de James o levou para a demonstração de propulsão elétrica e força magnética de Robert Davidson, um evento que impactou profundamente o menino.

Em 1841, aos dez anos de idade, Maxwell matriculou-se na estimada Academia de Edimburgo. Durante o período, residiu com sua tia Isabella. Sua prima mais velha, Jemima, fomentou seu crescente interesse pelo desenho durante esse período. Tendo sido criado em relativo isolamento na propriedade rural do pai, o jovem Maxwell lutou para se adaptar ao ambiente escolar. A lotação máxima da turma do primeiro ano exigiu sua colocação no segundo ano, ao lado de alunos um ano mais velhos. Seu comportamento e sotaque Galloway foram considerados provincianos por seus colegas. No primeiro dia, vestido com sapatos caseiros e túnica, ganhou o apelido depreciativo de “Daftie”. Ele supostamente carregou esse epíteto sem reclamar por muitos anos, nunca parecendo se ressentir dele. Seu isolamento social na Academia terminou quando ele fez amizade com Lewis Campbell e Peter Guthrie Tait, dois meninos de idade semelhante que mais tarde alcançariam distinção como acadêmicos. Eles mantiveram uma amizade para toda a vida.

Maxwell desenvolveu desde cedo um fascínio pela geometria, redescobrindo independentemente os poliedros regulares antes de receber instrução formal. Embora ele tenha garantido o prêmio de biografia das escrituras da escola em seu segundo ano, suas realizações acadêmicas não foram reconhecidas até que, aos 13 anos, ele recebeu a medalha de matemática da escola e os primeiros prêmios em inglês e poesia.

As atividades intelectuais de Maxwell se estendiam significativamente além do currículo escolar prescrito, e ele não priorizava o desempenho nos exames. Aos 14 anos, ele escreveu seu primeiro artigo científico. Este trabalho detalhou um método mecânico para desenhar curvas matemáticas usando barbante, explorando as propriedades de elipses, ovais cartesianas e curvas relacionadas que possuem múltiplos focos. O artigo de 1846, intitulado "Sobre a descrição de curvas ovais e aquelas com pluralidade de focos", foi apresentado à Royal Society of Edinburgh por James Forbes, professor de filosofia natural na Universidade de Edimburgo, já que Maxwell era considerado jovem demais para apresentá-lo pessoalmente. Embora não seja totalmente original, dadas as investigações de René Descartes no século XVII sobre elipses multifocais, a contribuição de Maxwell residiu na simplificação da sua construção.

Universidade de Edimburgo (1847–1850)

Em 1847, aos 16 anos, Maxwell deixou a Academia para iniciar seus estudos na Universidade de Edimburgo. Embora tenha tido a oportunidade de frequentar a Universidade de Cambridge, optou, após o período inicial, por completar todo o seu currículo de graduação em Edimburgo. O corpo docente da universidade era composto por vários estudiosos ilustres, incluindo seus tutores do primeiro ano: Sir William Hamilton, que o instruiu em lógica e metafísica; Philip Kelland, que ensinava matemática; e James Forbes, que lecionou filosofia natural. Achando seu curso pouco exigente, Maxwell dedicou seu tempo livre, tanto na universidade quanto especialmente em sua casa em Glenlair, ao estudo independente. Durante esse período, ele conduziu experimentos com dispositivos químicos, elétricos e magnéticos improvisados. No entanto, seu principal interesse de pesquisa concentrou-se nas características da luz polarizada. Ele fabricou blocos de gelatina, submeteu-os a diversas tensões e, utilizando um par de prismas polarizadores fornecidos por William Nicol, observou as franjas cromáticas que se formavam dentro da gelatina. Esta abordagem experimental levou à descoberta da fotoelasticidade, um método para analisar a distribuição de tensões em estruturas físicas.

Aos 18 anos, Maxwell submeteu dois artigos ao Transactions of the Royal Society of Edinburgh. Uma submissão, intitulada "Sobre o equilíbrio de sólidos elásticos", estabeleceu as bases para uma descoberta futura significativa: a refração dupla transitória observada em líquidos viscosos sob tensão de cisalhamento. Seu segundo artigo, "Rolling Curves", refletiu seu trabalho anterior "Oval Curves" da Academia de Edimburgo; ele foi novamente considerado jovem demais para apresentar pessoalmente suas descobertas. Consequentemente, seu tutor, Kelland, entregou o documento à Royal Society em seu nome.

Universidade de Cambridge (1850–1856)

Em outubro de 1850, Maxwell, já um matemático competente, mudou-se da Escócia para a Universidade de Cambridge. Ele inicialmente se matriculou em Peterhouse, mas foi transferido para o Trinity College antes da conclusão de seu primeiro semestre, antecipando um caminho mais direto para uma bolsa lá. Na Trinity, ele foi eleito para os Apóstolos de Cambridge, uma sociedade secreta exclusiva. Durante seu mandato em Cambridge, a compreensão intelectual de Maxwell tanto de sua fé cristã quanto de seus princípios científicos desenvolveu-se significativamente. Sua participação nos “Apóstolos”, uma sociedade de debates de elite, proporcionou um fórum através de seus ensaios para articular e refinar esses entendimentos.

"Agora, meu grande plano, que foi concebido há muito tempo, ... é não permitir que nada seja deliberadamente deixado sem exame. Nada deve ser solo sagrado consagrado à Fé Estacionária, seja positivo ou negativo. Toda terra em pousio deve ser arada e um sistema regular de rotação seguido. ... Nunca esconda nada, seja erva daninha ou não, nem pareça desejar que seja escondido. ... Mais uma vez eu afirmo o Direito de Transgressão em qualquer terreno sagrado que qualquer homem tenha separados. ... Agora estou convencido de que ninguém, exceto um cristão, pode realmente purgar sua terra desses locais sagrados ... Não digo que nenhum cristão tenha lugares fechados desse tipo, e todos têm alguns tratados abertos e importantes ... ""Cristianismo - isto é,. a religião da Bíblia - é o único esquema ou forma de crença que rejeita qualquer posse em tal posse. Somente aqui tudo é livre. Você pode voar até os confins do mundo e não encontrar nenhum Deus além do Autor da Salvação. Você pode pesquisar as Escrituras e não encontrar um texto que o impeça de explorar. e encontrei certas objeções espirituosas... que muitos dos ortodoxos não lidos admitem, e calam o assunto como assombrado. Mas uma vela está vindo para expulsar todos os fantasmas e bugbears.

Durante o verão de seu terceiro ano, Maxwell residiu por um período na residência em Suffolk do reverendo C. B. Tayler, que era tio de seu colega de classe, G. W. H. Tayler. Maxwell foi profundamente afetado pela demonstração de devoção religiosa da família, especialmente depois que o ministro e sua esposa prestaram cuidados durante sua recuperação de uma doença.

Ao retornar a Cambridge, Maxwell escreveu uma carta cordial e afetuosa ao seu recente anfitrião, que incluía o testemunho subsequente:

Maxwell refletiu sobre sua capacidade inerente de malevolência, afirmando: "

... tenho a capacidade de ser mais perverso do que qualquer exemplo que o homem possa me dar, e... se eu escapar, será apenas pela graça de Deus me ajudando a me livrar de mim mesmo, parcialmente na ciência, mais completamente na sociedade, - mas não perfeitamente, exceto me comprometendo com Deus..."

Em novembro de 1851, Maxwell iniciou seus estudos com William Hopkins, um ilustre tutor conhecido por sua habilidade excepcional de cultivar talentos matemáticos, o que lhe valeu o apelido de "criador de disputas sênior". Posteriormente, ele foi considerado igual a Routh no exame mais rigoroso do Prêmio Smith. Imediatamente após sua formatura, Maxwell apresentou seu artigo, "On the Transformation of Surfaces by Bending", à Cambridge Philosophical Society. Este trabalho, uma de suas raras contribuições puramente matemáticas, ressaltou sua proeminência emergente como matemático. Optando por permanecer na pós-graduação da Trinity, Maxwell solicitou uma bolsa, um processo que normalmente dura vários anos. Suas realizações como estudante pesquisador proporcionaram-lhe autonomia para realizar empreendimentos científicos a seu critério, com apenas pequenas obrigações de tutoria e exames.

Um dos interesses significativos de Maxwell, iniciado durante seus estudos com Forbes na Universidade de Edimburgo, foi a natureza e a percepção da cor. Utilizando piões coloridos desenvolvidos pela Forbes, Maxwell demonstrou empiricamente que uma combinação de luz vermelha, verde e azul produzia luz branca. Seu artigo seminal, "Experiments on Color", que elucidou os princípios fundamentais da combinação de cores, foi apresentado pessoalmente por ele à Royal Society of Edinburgh em março de 1855.

Em 10 de outubro de 1855, Maxwell foi nomeado membro do Trinity College, um avanço incomumente rápido, e posteriormente foi encarregado de desenvolver palestras sobre hidrostática e óptica, bem como preparar provas de exames. Em fevereiro seguinte, a Forbes o encorajou a se candidatar à recentemente vaga cadeira de Filosofia Natural no Marischal College, Aberdeen. O pai de Maxwell o ajudou a compilar as referências necessárias, mas faleceu em 2 de abril em Glenlair, antes do resultado da inscrição de Maxwell. Maxwell aceitou o cargo de professor em Aberdeen, deixando Cambridge em novembro de 1856.

Marischal College, Aberdeen: 1856–1860

Aos 25 anos, Maxwell era aproximadamente 15 anos mais novo que seus colegas do corpo docente de Marischal. Ele abraçou diligentemente suas novas responsabilidades de chefe de departamento, que incluíam desenvolvimento curricular e preparação de palestras. Seu compromisso de ensino era de 15 horas semanais, abrangendo palestras pro bono regulares para a faculdade local para trabalhadores. Durante o ano letivo de seis meses, ele residiu em Aberdeen com seu primo, William Dyce Cay, um engenheiro civil escocês, e passou os verões em Glenlair, uma propriedade herdada de seu pai.

Mais tarde, um ex-aluno forneceu a seguinte descrição de Maxwell:

No final da década de 1850, pouco antes das 9h da manhã de qualquer inverno, você poderia muito bem ter visto o jovem James Clerk Maxwell, na casa dos 20 anos, um homem de estatura mediana, com estrutura fortemente unida e uma certa elasticidade e elasticidade em seu andar; vestido com conforto e conforto em vez de elegância; um rosto expressivo ao mesmo tempo de sagacidade e bom humor, mas revestido de um profundo tom de consideração; características corajosamente colocadas de forma agradável; olhos escuros e brilhantes; cabelo e barba perfeitamente pretos, formando um forte contraste com a palidez de sua tez.

Maxwell direcionou sua pesquisa para um problema que desafiava os cientistas há dois séculos: a natureza fundamental dos anéis de Saturno. O mecanismo pelo qual estes anéis mantiveram a estabilidade, resistindo à desintegração, dispersão ou colisão com Saturno, permaneceu desconhecido. Esta questão ganhou especial destaque quando o St John's College, em Cambridge, a selecionou como tema para o Prêmio Adams de 1857. Maxwell dedicou dois anos a esta investigação, demonstrando que um anel sólido e regular não poderia sustentar a estabilidade, e um anel fluido inevitavelmente se fragmentaria em massas discretas devido à dinâmica das ondas. Não observando nenhuma dessas condições, ele deduziu que os anéis deviam compreender numerosas partículas minúsculas, que ele chamou de "morcegos-tijolo", cada uma orbitando Saturno independentemente. Em 1859, Maxwell recebeu o Prêmio Adams de £ 130 por seu ensaio, "Sobre a estabilidade do movimento dos anéis de Saturno", sendo o único candidato a alcançar progresso suficiente para submissão. Sua análise foi tão abrangente e persuasiva que George Biddell Airy comentou ao lê-la: "É uma das aplicações mais notáveis ​​da matemática à física que já vi." Este trabalho foi considerado a explicação definitiva até que observações diretas das passagens da Voyager na década de 1980 corroboraram a hipótese de Maxwell sobre a composição particulada dos anéis. No entanto, a compreensão contemporânea reconhece que as partículas do anel não são totalmente estáveis, sendo gradualmente atraídas em direcção a Saturno por forças gravitacionais. Consequentemente, prevê-se que os anéis se dissipem inteiramente nos próximos 300 milhões de anos.

Em 1857, Maxwell estabeleceu uma amizade com o reverendo Daniel Dewar, então diretor do Marischal College. Através desta conexão, Maxwell conheceu a filha de Dewar, Katherine Mary Dewar. O noivado ocorreu em fevereiro de 1858, seguido pelo casamento em Aberdeen em 2 de junho de 1858. A certidão de casamento identifica Maxwell como professor de filosofia natural no Marischal College, Aberdeen. Katherine era sete anos mais velha que Maxwell. Informações limitadas estão disponíveis sobre ela, embora esteja documentado que ela ajudou em seu laboratório e contribuiu para experimentos relativos à viscosidade. Lewis Campbell, biógrafo e amigo de Maxwell, exibiu uma reserva incomum ao discutir Katherine, mas caracterizou sua vida conjugal como "de devoção sem precedentes".

O ano de 1860 marcou a fusão do Marischal College com o adjacente King's College, formando a Universidade de Aberdeen. Como não havia previsão de dois professores de Filosofia Natural, Maxwell, apesar de sua reputação científica estabelecida, enfrentou redundância. Sua candidatura subsequente para a cadeira recentemente vaga da Forbes em Edimburgo não teve sucesso, com o cargo sendo concedido a Tait. Em vez disso, Maxwell foi nomeado para a Cátedra de Filosofia Natural no King's College, em Londres. Após se recuperar de um ataque grave e quase fatal de varíola em 1860, ele se mudou para Londres com sua esposa.

King's College, Londres: 1860–1865

A gestão de Maxwell no King's College é amplamente considerada o período mais prolífico de sua vida profissional. Em 1860, ele foi homenageado com a Medalha Rumford da Royal Society por sua pesquisa pioneira sobre cores, e posteriormente foi eleito para a Sociedade em 1861. Durante esta época, ele apresentou notavelmente a primeira fotografia colorida resistente à luz do mundo, avançou suas teorias sobre a viscosidade dos gases e propôs um método sistemático para definir quantidades físicas, agora reconhecido como análise dimensional. Maxwell assistia frequentemente a palestras na Royal Institution, o que facilitava interações regulares com Michael Faraday. O relacionamento deles, no entanto, não era caracterizado por uma intimidade próxima, principalmente devido ao fato de Faraday ser 40 anos mais velho que Maxwell e exibir sinais de senilidade. No entanto, ambos os homens mantiveram um profundo respeito mútuo pelas contribuições intelectuais um do outro.

Este período é particularmente significativo para os avanços inovadores de Maxwell nos campos da eletricidade e do magnetismo. Ele investigou meticulosamente as características dos campos elétricos e magnéticos em seu tratado de duas partes, "On Physical Lines of Force", publicado em 1861. Neste trabalho, ele introduziu uma estrutura conceitual para a indução eletromagnética, postulando a existência de minúsculas células rotativas de fluxo magnético. Duas seções adicionais foram posteriormente anexadas e publicadas no mesmo artigo no início de 1862. A primeira parte suplementar elaborou a natureza da eletrostática e da corrente de deslocamento. A segunda parte adicional abordou a rotação do plano de polarização da luz dentro de um campo magnético, um fenômeno inicialmente descoberto por Faraday e agora denominado efeito Faraday.

Anos posteriores: 1865–1879

Em 1865, Maxwell renunciou ao cargo de professor no King's College, em Londres, e mudou-se para Glenlair com Katherine. Seu artigo de 1868, "Sobre governadores", forneceu uma descrição matemática do comportamento do governador - dispositivos essenciais para regular a velocidade das máquinas a vapor - estabelecendo assim a teoria fundamental para a engenharia de controle. Em 1870, ele explorou a rigidez estrutural de vários projetos de treliça em seu artigo "Sobre figuras recíprocas, quadros e diagramas de forças". Ele foi o autor do livro Teoria do Calor (1871) e do trabalho acadêmico Matéria e Movimento (1876). Além disso, Maxwell foi o pioneiro na aplicação explícita da análise dimensional em 1871 e contribuiu para o estabelecimento do sistema de medição CGS. Maxwell é reconhecido por ser o primeiro a compreender o conceito de caos, especificamente ao identificar a importância de sistemas que demonstram "dependência sensível das condições iniciais". Durante a década de 1870, ele também se tornou o primeiro a destacar o "efeito borboleta" em duas discussões distintas. Em 1871, Maxwell retornou a Cambridge, assumindo o cargo inaugural de Professor Cavendish de Física. Ele foi encarregado de supervisionar a criação do Laboratório Cavendish, supervisionando meticulosamente tanto o processo de construção quanto a aquisição de equipamentos científicos. Uma contribuição tardia significativa de Maxwell envolveu a edição da pesquisa de Henry Cavendish, que incluía extensas anotações originais. Este trabalho revelou as investigações de Cavendish sobre vários temas, como a densidade da Terra e a composição da água. Ele foi introduzido na Sociedade Filosófica Americana como membro em 1876.

Morte

Em abril de 1879, Maxwell apresentou disfagia, que marcou o sintoma inicial de sua doença terminal.

Maxwell sucumbiu ao câncer abdominal em Cambridge, em 5 de novembro de 1879, aos 48 anos. Notavelmente, sua mãe faleceu na mesma idade devido ao mesmo tipo de câncer. O clérigo que o atendeu frequentemente durante suas últimas semanas expressou profundo espanto com a clareza mental de Maxwell e a extraordinária capacidade de sua memória, observando especificamente:

... sua doença consumiu todo o coração, alma e espírito do homem: sua fé firme e indubitável na Encarnação e em todos os seus resultados; na plena suficiência da Expiação; na obra do Espírito Santo. Ele havia avaliado e sondado todos os esquemas e sistemas da filosofia, e os achou totalmente vazios e insatisfatórios - "inviáveis" era sua própria palavra sobre eles - e se voltou com fé simples para o Evangelho do Salvador.

À medida que sua morte se aproximava, Maxwell comunicou a um colega de Cambridge:

Tenho pensado em como sempre fui tratado com muita delicadeza. Nunca tive um empurrão violento em toda a minha vida. O único desejo que posso ter é, como David, servir a minha própria geração pela vontade de Deus e depois adormecer.

Os restos mortais de Maxwell estão enterrados em Parton Kirk, situado perto de Castle Douglas, em Galloway, perto da casa de sua infância. Sua biografia abrangente, The Life of James Clerk Maxwell, de autoria de seu ex-colega de escola e associado de longa data, Professor Lewis Campbell, foi lançada em 1882. A Cambridge University Press publicou suas obras coletadas em dois volumes em 1890.

Os executores do espólio de Maxwell incluíam seu médico George Edward Paget, G. G. Stokes e seu primo Colin Mackenzie. Devido a uma carga de trabalho excessiva, Stokes transferiu os papéis de Maxwell para William Garnett, que manteve a custódia efetiva desses documentos até aproximadamente 1884.

Uma inscrição memorial dedicada a Maxwell está localizada perto da tela do coro na Abadia de Westminster.

Vida Pessoal

Maxwell, um fervoroso admirador da poesia escocesa, decorou versos e compôs os seus próprios. Sua obra poética mais renomada, Rigid Body Sings, foi adaptada de "Comin' Through the Rye", de Robert Burns, uma peça que ele teria tocado enquanto tocava violão. Esta composição começa com as seguintes linhas:

Uma compilação de seus poemas foi posteriormente publicada por seu amigo Lewis Campbell em 1882.

Uma coleção de seus poemas foi publicada por seu amigo Lewis Campbell em 1882.

Os relatos de Maxwell frequentemente destacam sua excepcional habilidade intelectual, muitas vezes justaposta a um notável grau de estranheza social.

Maxwell articulou o aforismo subsequente para orientar sua conduta profissional como cientista:

Indivíduos que buscam vivenciar a vida plenamente e operar de forma autônoma devem manter um foco constante em suas tarefas diárias. Evitar a preocupação com esforços passados ​​evita o desânimo, enquanto um foco exclusivo nas aspirações futuras corre o risco de se tornar puramente especulativo. Nem se deve concentrar apenas em tarefas mundanas e transitórias, nem exclusivamente em buscas eternas, pois estas por si só não facilitam a acção imediata. O verdadeiro contentamento surge da percepção do trabalho diário como um componente integral do propósito da vida e uma manifestação de princípios eternos. Tal indivíduo possui uma confiança inabalável, tendo-se tornado intrinsecamente ligado ao infinito. Consequentemente, eles prosseguem diligentemente os seus compromissos diários, reconhecendo o momento presente como um dom valioso.

James Clerk Maxwell foi um presbiteriano evangélico que, mais tarde, serviu como presbítero da Igreja da Escócia. Suas convicções religiosas e práticas associadas foram amplamente examinadas em diversas publicações acadêmicas. Tendo frequentado os cultos da Igreja da Escócia (denominação de seu pai) e episcopais (denominação de sua mãe) durante sua infância, Maxwell experimentou uma conversão evangélica em abril de 1853. Essa conversão pode ter contribuído para sua adoção de uma postura filosófica antipositivista.

Legado Científico

Reconhecimento

Uma pesquisa realizada pela Physics World, que identificou os 100 físicos mais proeminentes, classificou Maxwell como o terceiro maior físico da história, superado apenas por Isaac Newton e Albert Einstein. Da mesma forma, uma pesquisa separada com físicos praticantes conduzida pela PhysicsWeb também o colocou na terceira posição.

Vários físicos consideram Maxwell o cientista do século XIX que exerceu a influência mais significativa na física do século XX. Suas contribuições científicas são amplamente consideradas equivalentes às de Newton e Einstein em termos de seu profundo impacto. Durante a comemoração do centenário do nascimento de Maxwell, Albert Einstein caracterizou seu trabalho como "o mais profundo e mais frutífero que a física experimentou desde a época de Newton". Sobre Einstein, estou sobre os ombros de Maxwell." Tom Siegfried caracterizou Maxwell como "um daqueles gênios que ocorrem uma vez a cada século e que percebem o mundo físico com sentidos mais aguçados do que aqueles ao seu redor".

Eletromagnetismo

O envolvimento de Maxwell com a eletricidade e o magnetismo começou já em 1855, quando seu artigo, "Sobre as linhas de força de Faraday", foi apresentado à Sociedade Filosófica de Cambridge. Este artigo seminal ofereceu uma conceituação simplificada da pesquisa de Faraday e elucidou a inter-relação entre eletricidade e magnetismo. Ele sintetizou o corpo de conhecimento existente em um sistema coerente de 20 equações diferenciais envolvendo 20 variáveis. Este trabalho fundamental foi posteriormente publicado sob o título "On Physical Lines of Force" em março de 1861.

Aproximadamente em 1862, durante suas palestras no King's College, Maxwell calculou que a velocidade de propagação de um campo eletromagnético se aproxima muito da velocidade da luz. Ele considerou esta congruência como mais do que mera coincidência, observando: "Dificilmente podemos evitar a conclusão de que a luz consiste nas ondulações transversais do mesmo meio que é a causa dos fenômenos elétricos e magnéticos." Desenvolvendo ainda mais sua pesquisa, Maxwell demonstrou que suas equações previam a existência de ondas compostas de campos elétricos e magnéticos oscilantes, que se propagam através do vácuo a uma velocidade derivável de experimentos elétricos fundamentais. Utilizando os dados experimentais contemporâneos, Maxwell calculou que essa velocidade era de 310.740.000 metros por segundo (1,0195×10⁹ pés/s). Em seu influente artigo de 1865, "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field", Maxwell articulou: "A concordância dos resultados parece mostrar que a luz e o magnetismo são afecções da mesma substância, e que a luz é uma perturbação eletromagnética propagada através do campo de acordo com leis eletromagnéticas."

As famosas vinte equações de Maxwell, apresentadas em seu formato contemporâneo de equações diferenciais parciais, foram detalhadamente detalhadas pela primeira vez em seu livro de 1873, A Treatise on Electricity and Magnetism. Uma parte significativa desta pesquisa foi conduzida por Maxwell em Glenlair, especificamente durante o intervalo entre seu mandato em Londres e sua nomeação para a cátedra Cavendish. Oliver Heaviside posteriormente simplificou a intrincada estrutura teórica de Maxwell em um conjunto de quatro equações diferenciais parciais, agora universalmente reconhecidas como Leis de Maxwell ou equações de Maxwell. Apesar do declínio na proeminência dos potenciais durante o século XIX, a aplicação de potenciais escalares e vetoriais é atualmente uma metodologia padrão para resolver as equações de Maxwell. Este trabalho seminal representou a segunda maior unificação no campo da física.

Conforme articulado por Barrett e Grimes (1995):

Maxwell formulou o eletromagnetismo usando álgebra de quatérnios, posicionando o potencial eletromagnético como o elemento central de seu referencial teórico. Em 1881, Heaviside substituiu o campo potencial eletromagnético por campos de força como o conceito central da teoria eletromagnética. Heaviside argumentou que o campo potencial eletromagnético era arbitrário e exigia "assassinato" (sic). Posteriormente, surgiu um discurso entre Heaviside e [Peter Guthrie] Tate (sic) sobre as vantagens comparativas da análise vetorial versus quaternions. Esta discussão culminou na compreensão de que os profundos conhecimentos físicos oferecidos pelos quaterniões seriam desnecessários se a teoria permanecesse estritamente local, levando à adoção generalizada da análise vetorial.

As proposições de Maxwell foram validadas empiricamente, e seu estabelecimento de uma relação quantitativa entre a luz e o eletromagnetismo é considerado uma conquista fundamental na física matemática do século XIX.

Maxwell também foi pioneiro no conceito de campo eletromagnético, contrastando-o com a descrição das linhas de força de Faraday. Ao conceituar a propagação do eletromagnetismo como um campo que emana de partículas ativas, Maxwell avançou significativamente em sua pesquisa sobre a luz. Durante essa época, Maxwell postulou que a propagação da luz necessitava de um meio portador de ondas, que ele chamou de éter luminífero. No entanto, a hipótese da existência de tal meio, difundido em todo o espaço, mas aparentemente indetectável por métodos mecânicos, acabou por se revelar inconciliável com as descobertas experimentais, nomeadamente a experiência de Michelson-Morley. Além disso, este conceito parecia exigir um quadro de referência absoluto para a validade das equações, levando à implicação problemática de que as equações se transformariam para um observador em movimento. Esses desafios levaram Albert Einstein a desenvolver a teoria da relatividade especial, um processo durante o qual Einstein considerou o éter luminífero "supérfluo" e, consequentemente, eliminou-o de sua estrutura teórica.

Einstein reconheceu as contribuições seminais de Maxwell, afirmando que:

Uma época científica terminou, e uma nova começou, com as contribuições de James Clerk Maxwell.

Einstein reconheceu ainda o profundo impacto do trabalho de Maxwell em sua própria teoria da relatividade:

A teoria da relatividade especial deriva seus princípios fundamentais das equações do campo eletromagnético de Maxwell.

Visão de cores

Consistente com muitos físicos contemporâneos, Maxwell possuía um interesse significativo em psicologia. Emulando o trabalho de Isaac Newton e Thomas Young, ele demonstrou um fascínio particular pelo estudo da visão das cores. Entre 1855 e 1872, Maxwell publicou periodicamente uma série de artigos de pesquisa abordando a percepção das cores, o daltonismo e a teoria das cores, ganhando a Medalha Rumford por seu tratado "Sobre a Teoria da Visão das Cores".

As experiências de Newton com prismas estabeleceram que a luz branca, incluindo a luz solar, compreende múltiplos componentes monocromáticos que podem ser recombinados para formar luz branca. Ele demonstrou ainda que uma tinta laranja, uma mistura de amarelo e vermelho, poderia combinar visualmente com uma luz laranja monocromática, apesar de sua composição física distinta. Esta observação levou a um paradoxo significativo para os físicos contemporâneos: duas luzes complexas fisicamente díspares (compostas de múltiplas luzes monocromáticas) poderiam parecer idênticas, um fenômeno denominado metâmeros. Thomas Young posteriormente postulou que este paradoxo poderia ser resolvido propondo que a percepção das cores ocorre através de um número finito de canais oculares, especificamente três, formando a base da teoria tricromática das cores. Mais tarde, Maxwell empregou o campo nascente da álgebra linear para fundamentar matematicamente a hipótese de Young. Ele postulou que qualquer luz monocromática que estimulasse três receptores deveria provocar uma resposta equivalente a partir de uma combinação de três luzes monocromáticas distintas (ou mesmo, quaisquer três luzes diferentes). Maxwell validou experimentalmente este princípio, sendo pioneiro em experimentos de correspondência de cores e no campo da Colorimetria.

Maxwell estendeu sua teoria da percepção das cores ao domínio da fotografia colorida. Sua pesquisa psicológica sobre a percepção das cores informou diretamente a hipótese de que se uma combinação de quaisquer três luzes primárias pudesse reproduzir qualquer cor perceptível, então fotografias coloridas poderiam ser geradas usando um conjunto correspondente de três filtros coloridos. Em sua publicação de 1855, Maxwell articulou um método: três fotografias em preto e branco de uma cena seriam capturadas através de filtros vermelhos, verdes e azuis. Posteriormente, impressões transparentes dessas imagens seriam projetadas em uma tela por meio de três projetores, cada um equipado com filtros análogos. Quando essas projeções fossem sobrepostas, o olho humano perceberia uma reprodução colorida da cena original. Em 1861, durante uma palestra da Royal Institution sobre teoria das cores, Maxwell revelou a demonstração inaugural de fotografia colorida no mundo, empregando seu princípio de análise e síntese de três cores. Thomas Sutton, conhecido por inventar a câmera reflex de lente única, executou o trabalho fotográfico. Sutton capturou três imagens de uma fita xadrez, cada uma através de um filtro vermelho, verde e azul, e também tirou uma quarta fotografia usando um filtro amarelo, que os registros de Maxwell indicam que não foi utilizado na demonstração final. Devido à insensibilidade inerente das placas fotográficas de Sutton à luz vermelha e à sua sensibilidade limitada à luz verde, os resultados desta experiência inovadora foram abaixo do ideal. O relato publicado da palestra observou que "se as imagens vermelhas e verdes tivessem sido fotografadas tão completamente quanto as azuis", o resultado "teria sido uma imagem verdadeiramente colorida da fita", sugerindo que "encontrar materiais fotográficos mais sensíveis aos raios menos refrangentes" poderia melhorar significativamente a representação das cores dos objetos. Décadas mais tarde, em 1961, os investigadores determinaram que o inesperado sucesso parcial da exposição com filtro vermelho era atribuível à luz ultravioleta. Esta luz, fortemente refletida por certos corantes vermelhos, não foi completamente atenuada pelo filtro vermelho e caiu dentro da faixa de sensibilidade espectral do processo de colódio úmido utilizado por Sutton.

Teoria cinética e termodinâmica

A pesquisa de Maxwell estendeu-se à teoria cinética dos gases, onde desempenhou um papel fundamental no estabelecimento da mecânica estatística. Embora esta teoria tenha se originado com Daniel Bernoulli e tenha sido posteriormente avançada pelas contribuições de John Herapath, John James Waterston, James Joule e, notavelmente, Rudolf Clausius, solidificando assim sua precisão geral, Maxwell forneceu um desenvolvimento adicional substancial. Neste domínio, ele se destacou tanto como experimentalista, investigando as leis do atrito gasoso, quanto como matemático.

De 1859 a 1866, Maxwell formulou a teoria relativa à distribuição de velocidades entre as partículas de gás, um corpo de trabalho posteriormente ampliado por Ludwig Boltzmann. Esta equação resultante, conhecida como distribuição de Maxwell-Boltzmann, quantifica a proporção de moléculas de gás que se movem a uma velocidade específica em qualquer temperatura. No âmbito da teoria cinética, a temperatura e o calor são conceituados apenas como manifestações do movimento molecular. Esta abordagem inovadora não apenas generalizou as leis termodinâmicas existentes, mas também forneceu uma explicação superior para fenômenos observados e resultados experimentais em comparação com modelos anteriores. Suas investigações sobre termodinâmica culminaram na conceituação do demônio de Maxwell, um experimento mental que postula uma entidade imaginária capaz de classificar partículas por energia, parecendo assim infringir a segunda lei da termodinâmica.

Em 1871, Maxwell formulou suas relações termodinâmicas, que definem igualdades entre as segundas derivadas de potenciais termodinâmicos em relação a várias variáveis termodinâmicas. Posteriormente, em 1874, ele desenvolveu uma visualização termodinâmica de gesso para investigar transições de fase, baseando-se na pesquisa de termodinâmica gráfica do cientista americano Josiah Willard Gibbs.

Em sua publicação de 1867, Sobre a Teoria Dinâmica dos Gases, Maxwell apresentou o modelo de Maxwell, que caracteriza o comportamento de materiais viscoelásticos, e também desenvolveu a equação de Maxwell-Cattaneo, usada para descrever o transporte de calor dentro de um meio.

Peter Guthrie Tait aclamou Maxwell como o "principal cientista molecular" de sua época. Após a morte de Maxwell, um comentarista anônimo observou que "apenas um homem viveu que poderia entender os documentos de Gibbs. Esse foi Maxwell, e agora ele está morto".

Teoria de controle

O artigo de Maxwell, "Sobre governadores", foi publicado em Proceedings of the Royal Society, vol. 16 (1867–1868). Este trabalho é reconhecido como um texto fundamental no campo nascente da teoria de controle. Neste contexto, "governadores" denota os dispositivos mecânicos, especificamente reguladores centrífugos, empregados para regular motores a vapor.

Honras

Publicações

• Maxwell, James Clerk (1873), Um tratado sobre eletricidade e magnetismo Vol I, Oxford: Clarendon PressMaxwell, James Clerk (1873), Um tratado sobre eletricidade e magnetismo Vol II, Oxford: Clarendon PressMaxwell, James Clerk (1876), Matéria e Movimento, Londres e Nova York: Sociedade para a Promoção do Conhecimento Cristão e Pott, Young & Co.Maxwell, James Clerk (1881), Um tratado elementar sobre eletricidade, Oxford: Clarendon PressMaxwell, James Clerk (1890), Os artigos científicos de James Clerk Maxwell Vol I, Dover PublicationMaxwell, James Clerk (1890), Os artigos científicos de James Clerk Maxwell Vol II, Cambridge, University PressMaxwell, James Clerk (1908), Teoria do calor, Longmans Green Co.Notas

  Referências

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  • Retratos de James Clerk Maxwell na National Portrait Gallery, Londres
  • Trabalhos de ou sobre James Clerk Maxwell no Internet Archive
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  • O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F., "James Clerk Maxwell", Arquivo de História da Matemática MacTutor, Universidade de St Andrews"Genealogia e brasão de James Clerk Maxwell (1831–1879)." Numérico."Fundação James Clerk Maxwell.""Maxwell, James Clerk (último testamento e testamento de Maxwell)." scotlandspeople.gov.uk. 31 de maio de 2013. Arquivado do original em 30 de dezembro de 2006. Recuperado em 25 de novembro de 2008."Os artigos científicos e livros publicados de James Clerk Maxwell" (PDF). Fundação Clerk Maxwell."Bibliografia" (PDF). Fundação Clerk Maxwell.Anais da Royal Society of Edinburgh, vol. 3, não. 45, pp. (Fac-símile digital da Biblioteca Linda Hall).
  • "Maxwell." Discussão da BBC Radio 4 com Simon Schaffer, Peter Harman e Joanna Haigh. Em nosso tempo, 2 de outubro de 2003.
  • "Einstein da Escócia: James Clerk Maxwell – O Homem que Mudou o Mundo." Documentário da BBC Two, 2015.