James Clerk Maxwell

gigatos | 15 listopada, 2021

Post Views: 146

Streszczenie

James Clerk Maxwell (13 czerwca 1831, Edynburg, Szkocja – 5 listopada 1879, Cambridge, Anglia) był brytyjskim (szkockim) fizykiem, matematykiem i mechanikiem. Członek Królewskiego Towarzystwa w Londynie (1861). Maxwell stworzył podstawy współczesnej elektrodynamiki klasycznej (równania Maxwella), wprowadził do fizyki pojęcia prądu wyporowego i pola elektromagnetycznego, uzyskał szereg konsekwencji ze swojej teorii (przewidywanie fal elektromagnetycznych, elektromagnetyczna natura światła, ciśnienie światła i inne). Jeden z twórców kinetycznej teorii gazów (ustalił rozkład prędkości cząsteczek gazu). Był jednym z pierwszych, którzy wprowadzili do fizyki pojęcia statystyczne, wykazał statystyczny charakter drugiej zasady termodynamiki („demon Maxwella”), uzyskał szereg ważnych wyników w fizyce molekularnej i termodynamice (relacje termodynamiczne Maxwella, reguła Maxwella dla przejścia fazowego ciecz-gaz i inne). Pionier ilościowej teorii koloru; twórca zasady trójkolorowości w fotografii barwnej. Inne prace Maxwella to badania z zakresu mechaniki (fotoelastyczność, twierdzenie Maxwella w teorii sprężystości, prace z teorii stateczności ruchu, analiza stateczności pierścieni Saturna), optyki, matematyki. Przygotowywał do druku rękopisy dzieł Henry”ego Cavendisha, poświęcał wiele uwagi popularyzacji nauki, zaprojektował wiele instrumentów naukowych.

Przeczytaj także: bitwy – Bitwa pod Azincourt

Pochodzenie i młodość. Pierwsza praca naukowa (1831-1847)

James Clerk Maxwell należał do starej szkockiej rodziny Clerk z Penicuik. Jego ojciec, John Clerk Maxwell, był właścicielem rodzinnej posiadłości Middleby w południowej Szkocji (drugie nazwisko Maxwell odzwierciedla ten fakt). Ukończył Uniwersytet Edynburski i był członkiem palestry, ale nie pałał miłością do prawa, w wolnym czasie pasjonując się nauką i techniką (opublikował nawet kilka artykułów o charakterze użytkowym) i regularnie uczestnicząc w spotkaniach Royal Society of Edinburgh jako słuchacz. W 1826 r. ożenił się z Frances Cay, córką sędziego Sądu Admiralicji, która pięć lat później urodziła mu syna.

Wkrótce po narodzinach syna rodzina przeniosła się z Edynburga do opuszczonej posiadłości Middleby, gdzie wybudowano nowy dom, nazwany Glenlair (co oznacza „jamę w wąskim wąwozie”). Tutaj James Clerk Maxwell spędził lata dzieciństwa, na których cieniem położyła się wczesna śmierć matki na raka. Życie na świeżym powietrzu uczyniło go odpornym i ciekawskim. Od najmłodszych lat był ciekawy otaczającego go świata, otaczał się „zabawkami naukowymi” („czarodziejska płyta” – prekursor kinematografu, model sfery niebieskiej, diabelska wolta itp.), wiele nauczył się z kontaktów z ojcem, interesował się poezją i podejmował pierwsze eksperymenty poetyckie. Dopiero w wieku dziesięciu lat miał specjalnie wynajętego nauczyciela domowego, ale nauczanie to okazało się nieskuteczne i w listopadzie 1841 r. Maxwell przeniósł się wraz z ciotką Izabelą, siostrą ojca, do Edynburga. Tutaj rozpoczął naukę w nowej szkole, tzw. Akademii Edynburskiej, która kładła nacisk na klasyczne wykształcenie – naukę łaciny, greki i angielskiego, literatury rzymskiej i Pisma Świętego.

Początkowo Maxwella nie pociągały studia, ale stopniowo nabrał do nich zamiłowania i stał się najlepszym uczniem w klasie. W tym czasie zainteresował się geometrią, wykonując wielościany z kartonu. Jego uznanie dla piękna geometrycznych kształtów wzrosło po wykładzie artysty Davida Ramsaya Haya na temat sztuki Etrusków. Rozważania na ten temat doprowadziły Maxwella do wynalezienia metody rysowania owali. Metoda ta, wywodząca się z twórczości René Descartes”a, polegała na wykorzystaniu szpilek ogniskujących, nici i ołówka do rysowania kół (jedno ognisko), elips (dwa ogniska) i bardziej skomplikowanych kształtów owalnych (więcej ognisk). Wyniki te zostały zgłoszone przez profesora Jamesa Forbesa na spotkaniu Royal Society of Edinburgh, a następnie opublikowane w jego Proceedings. Podczas studiów w Akademii Maxwell zaprzyjaźnił się z kolegą z klasy Lewisem Campbellem, późniejszym słynnym filologiem klasycznym i biografem Maxwella, oraz ze słynnym matematykiem Peterem Guthrie Tate”em, który był klasę niżej od niego.

Przeczytaj także: bitwy – Bitwa pod Verdun

University of Edinburgh. Fotoelastyczność (1847-1850)

W 1847 r. zakończyła się kadencja akademii, a w listopadzie Maxwell wstąpił na Uniwersytet Edynburski, gdzie uczęszczał na wykłady fizyka Forbesa, matematyka Philipa Kellanda i filozofa Williama Hamiltona; studiował liczne prace z matematyki, fizyki i filozofii oraz przeprowadzał eksperymenty z optyki, chemii i magnetyzmu. W czasie studiów Maxwell przygotował pracę na temat krzywych walcowania, ale jego głównym celem było badanie właściwości mechanicznych materiałów za pomocą światła spolaryzowanego. Idea tych badań sięga czasów znajomości, wiosną 1847 roku, ze słynnym szkockim fizykiem Williamem Nicollem, który podarował mu dwa przyrządy polaryzacyjne własnej konstrukcji (pryzmaty Nicolla). Maxwell zdał sobie sprawę, że promieniowanie spolaryzowane może być wykorzystane do wyznaczania naprężeń wewnętrznych w obciążonych ciałach stałych. Wykonywał z żelatyny modele ciał o różnych kształtach i poddając je deformacjom, obserwował w świetle spolaryzowanym barwne wzory odpowiadające krzywym kierunków skurczu i naprężenia. Porównując wyniki swoich eksperymentów z obliczeniami teoretycznymi, Maxwell sprawdził wiele starych i wyprowadził nowe prawa teorii sprężystości, także w tych przypadkach, które były zbyt trudne do obliczenia. W sumie rozwiązał 14 problemów dotyczących naprężeń w cylindrach, prętach, tarczach, kulach i trójkątach płaskich, wnosząc tym samym znaczący wkład w rozwój metody fotoelastyczności. Wyniki te miały również duże znaczenie dla mechaniki budowli. Maxwell przedstawił je na spotkaniu Towarzystwa Królewskiego w Edynburgu w 1850 roku, co było pierwszym poważnym uznaniem dla jego pracy.

Przeczytaj także: historia-pl – Wojny wandejskie

Cambridge (1850-1856)

W 1850 roku, mimo chęci ojca, by syn pozostał blisko niego, zdecydowano, że Maxwell wyjedzie na Uniwersytet Cambridge (wszyscy jego przyjaciele opuścili już Szkocję, by zdobyć bardziej prestiżowe wykształcenie). Jesienią przybył do Cambridge i zapisał się do najtańszego college”u, Peterhouse, z pokojem w samym budynku college”u. Nie był jednak zadowolony z programu nauczania w Peterhouse, a szanse na to, że pozostanie w tej uczelni po ukończeniu studiów były niewielkie. Wielu jego krewnych i znajomych, w tym profesorowie James Forbes i William Thomson (niektórzy z jego szkockich przyjaciół również tu studiowali. Ostatecznie, po pierwszym semestrze w Peterhouse, James przekonał ojca do przeniesienia się do Trinity.

W 1852 r. Maxwell został członkiem kolegium i otrzymał pokój bezpośrednio w budynku. W tym czasie niewiele pracował naukowo, ale dużo czytał, uczęszczał na wykłady George”a Stokesa i seminaria Williama Hopkinsa, które przygotowywały go do egzaminów, nawiązywał nowe znajomości, pisał dla zabawy wiersze (wiele z nich opublikował później Lewis Campbell). Maxwell brał czynny udział w życiu intelektualnym uczelni. Został wybrany do „klubu apostołów”, który zrzeszał dwunastu ludzi o najbardziej oryginalnych i głębokich ideach; wygłaszał tam referaty na różne tematy. Obcowanie z nowymi ludźmi pozwoliło mu zrekompensować nieśmiałość i powściągliwość, które rozwinęły się w ciągu lat spokojnego życia w domu. Rytm dnia Jamesa również był niezwykły: pracował od siódmej rano do piątej wieczorem, potem kładł się spać, wstawał o wpół do dziesiątej, żeby poczytać, od drugiej do wpół do trzeciej rano ćwiczył na korytarzach schroniska, a potem znowu spał do rana.

W tym czasie jego poglądy filozoficzne i religijne były już ostatecznie ukształtowane. Te ostatnie cechował spory eklektyzm, sięgający lat dziecięcych, kiedy to uczęszczał zarówno do kościoła prezbiteriańskiego ojca, jak i episkopalnego ciotki Izabeli. W Cambridge Maxwell stał się zwolennikiem teorii chrześcijańskiego socjalizmu rozwiniętej przez teologa Fredericka Denisona Maurice”a, ideologa „szerokiego kościoła”. (szeroki kościół) i jeden z założycieli Working Men”s College. Wierząc, że edukacja i kultura są sposobem na poprawę społeczeństwa, James brał udział w pracach college”u, prowadząc wieczorami popularne wykłady. Mimo bezgranicznej wiary w Boga, nie był jednak przesadnie religijny, wielokrotnie otrzymywał upomnienia za opuszczanie nabożeństw. W liście do swojego przyjaciela Lewisa Campbella, który zdecydował się na karierę teologa, Maxwell uszeregował nauki w następujący sposób

W każdej dziedzinie wiedzy postęp jest proporcjonalny do liczby faktów, na których jest zbudowany, a więc związany z możliwością uzyskania obiektywnych danych. W matematyce jest to proste. <…> Chemia wyprzedza znacznie wszystkie nauki historii naturalnej; wszystkie one wyprzedzają medycynę, medycyna wyprzedza metafizykę, prawo i etykę; i wszystkie one wyprzedzają teologię. …Uważam, że bardziej przyziemne i materialne nauki nie powinny być w żaden sposób pogardzane w porównaniu z wzniosłymi badaniami nad Umysłem i Duchem.

W innym liście sformułował zasadę swojej pracy naukowej i życia w ogóle:

Oto mój wielki plan, który powstawał od dawna, a który teraz umiera, teraz ożywa i stopniowo staje się coraz bardziej obsesyjny… Podstawową zasadą tego planu jest uparte pozostawienie niczego niezbadanego. Nic nie powinno być „świętą ziemią”, świętą niewzruszoną prawdą, pozytywną lub negatywną.

W styczniu 1854 r. Maxwell zdał końcowy trzystopniowy egzamin z matematyki (Mathematical Tripos) i, zajmując drugie miejsce na liście studentów (Second Wrangler), otrzymał tytuł licencjata. W kolejnym teście, pisemnym opracowaniu matematycznym do tradycyjnej nagrody Smitha, rozwiązał zaproponowany przez Stokesa problem dotyczący dowodu twierdzenia, zwanego obecnie twierdzeniem Stokesa. Na koniec tego testu podzielił się nagrodą z kolegą z klasy Edwardem Rouse.

Po egzaminie Maxwell zdecydował się pozostać w Cambridge, aby przygotować się do objęcia profesury. Udzielał korepetycji uczniom, zdawał egzaminy w Cheltenham College, nawiązywał nowe przyjaźnie, kontynuował współpracę z Workers” College, zaczął pisać książkę o optyce za sugestią wydawcy Macmillana (nigdy jej nie ukończył), a w wolnych chwilach odwiedzał ojca w Glenlaire, którego stan zdrowia gwałtownie się pogorszył. Był to również czas eksperymentalnego badania nad „kocim wołaniem”, które weszło do folkloru Cambridge: jego celem było określenie minimalnej wysokości, z której kot mógłby stanąć na czterech łapach, gdyby spadł.

Jednak głównym zainteresowaniem naukowym Maxwella w tym czasie była praca nad teorią barw. Wywodzi się to z prac Isaaca Newtona, który wyznawał ideę siedmiu kolorów podstawowych. Maxwell był kontynuatorem teorii Thomasa Junga, który wysunął ideę trzech barw podstawowych i powiązał je z procesami fizjologicznymi zachodzącymi w organizmie człowieka. Zeznania pacjentów ze ślepotą barw, czyli color-blindness, zawierały ważne informacje. W eksperymentach nad mieszaniem barw, które pod wieloma względami niezależnie powtarzały eksperymenty Hermanna Helmholtza, Maxwell zastosował „koło barw”, którego tarcza podzielona była na kolorowe sektory do różnych kolorów, a także „pudełko barw”, opracowany przez niego system optyczny, który pozwalał na mieszanie barw wzorcowych. Podobne urządzenia stosowano już wcześniej, ale dopiero Maxwell zaczął otrzymywać za ich pomocą wyniki ilościowe i dość precyzyjnie przewidywać kolory powstające w wyniku mieszania. Tak więc okazało się, że mieszanka ciemnoniebieskiego i żółtego koloru daje nie zielony, jak często sądzono, a różowawy odcień. Eksperymenty Maxwella wykazały, że biały kolor nie może być otrzymany przez mieszankę ciemnoniebieskiego, czerwonego i żółtego, jak uważał David Brewster i inni naukowcy, a podstawowymi kolorami są czerwony, zielony i ciemnoniebieski. Do graficznego przedstawienia barw Maxwell, za Jungiem, użył trójkąta, którego wierzchołki wyznaczają wynik zmieszania barw podstawowych znajdujących się w wierzchołkach figury.

Pierwsze poważne zainteresowanie Maxwella problemem elektryczności również datuje się na lata studiów w Cambridge. Wkrótce po zdaniu egzaminu, w lutym 1854 roku, poprosił Williama Thomsona o wskazówki dotyczące literatury przedmiotu i sposobu jej odczytywania. W czasie, gdy Maxwell rozpoczął swoje badania nad elektrycznością i magnetyzmem, istniały dwa poglądy na naturę efektów elektrycznych i magnetycznych. Większość naukowców kontynentalnych, takich jak André Marie Amper, Franz Neumann i Wilhelm Weber, wyznawała koncepcję działania dalekiego zasięgu, postrzegając siły elektromagnetyczne jako analogiczne do przyciągania grawitacyjnego między dwiema masami, które oddziałują natychmiastowo na odległość. Elektrodynamika, tak jak została rozwinięta przez tych fizyków, stanowiła ugruntowaną i rygorystyczną naukę. Z drugiej strony Michael Faraday, odkrywca zjawiska indukcji elektromagnetycznej, wysunął ideę linii sił, które łączą dodatnie i ujemne ładunki elektryczne lub północne i południowe bieguny magnesu. Według Faradaya linie sił wypełniają całą otaczającą przestrzeń, tworząc pole, i są odpowiedzialne za oddziaływania elektryczne i magnetyczne. Maxwell nie mógł zaakceptować koncepcji działania na odległość, była ona sprzeczna z jego intuicją fizyczną, więc wkrótce przeszedł na stanowisko Faradaya:

Kiedy obserwujemy, że jedno ciało działa na inne na odległość, zanim przyjmiemy, że to działanie jest bezpośrednie i bezpośrednie, zwykle badamy, czy istnieje jakieś materialne połączenie między ciałami… Komu nie są znane właściwości powietrza, temu przekazywanie siły za pomocą tego niewidzialnego medium wyda się tak samo niezrozumiałe, jak każdy inny przykład działania na odległość… Nie jest konieczne patrzenie na te linie jako na czysto matematyczne abstrakcje. Są to kierunki, w których medium doznaje naprężeń podobnych do naprężeń liny…

Maxwell stanął przed problemem skonstruowania teorii matematycznej, która uwzględniałaby zarówno idee Faradaya, jak i poprawne wyniki uzyskane przez zwolenników akcji dalekiego zasięgu. Maxwell postanowił wykorzystać metodę analogii stosowaną z powodzeniem przez Williama Thomsona, który już w 1842 roku zaobserwował analogię pomiędzy oddziaływaniem elektrycznym a procesami wymiany ciepła w ciałach stałych. Pozwoliło mu to zastosować wyniki uzyskane dla ciepła do elektryczności i dać pierwsze matematyczne uzasadnienie procesów przenoszenia akcji elektrycznej przez jakieś medium. W 1846 r. Thomson badał analogię między elektrycznością a sprężystością. Maxwell wykorzystał inną analogię: opracował hydrodynamiczny model linii sił, porównując je do idealnych rur z nieściśliwym płynem (wektory indukcji magnetycznej i elektrycznej są analogiczne do wektora prędkości płynu), i po raz pierwszy wyraził prawa wzoru pola Faradaya w języku matematycznym (równania różniczkowe). W obrazowym wyrażeniu Roberta Millikena, Maxwell „ubrał plebejskie nagie ciało idei Faradaya w arystokratyczny strój matematyki”. Nie udało mu się jednak odkryć związku pomiędzy spoczywającymi ładunkami a „poruszającą się elektrycznością” (prądami), którego brak był podobno jedną z głównych motywacji jego pracy.

We wrześniu 1855 r. Maxwell uczestniczył w kongresie Brytyjskiego Stowarzyszenia Naukowego w Glasgow, zatrzymując się po drodze, by odwiedzić chorego ojca, a po powrocie do Cambridge pomyślnie zdał egzamin, by zostać członkiem rady uczelni (co wiązało się ze złożeniem ślubu celibatu). W nowym semestrze Maxwell rozpoczął wykłady z hydrostatyki i optyki. Zimą 1856 r. powrócił do Szkocji, przeniósł ojca do Edynburga i w lutym wrócił do Anglii. W międzyczasie dowiedział się o wakacie na stanowisku profesora filozofii naturalnej w Marischal College w Aberdeen i postanowił spróbować swoich sił na tym stanowisku, mając nadzieję, że będzie bliżej ojca i nie widząc jasnych perspektyw w Cambridge. W marcu Maxwell zabrał ojca z powrotem do Glenlair, gdzie wydawało się, że jego stan się poprawia, ale 2 kwietnia ojciec zmarł. Pod koniec kwietnia Maxwell otrzymał nominację na profesora w Aberdeen i po spędzeniu lata w rodzinnej posiadłości, w październiku przybył do nowego miejsca pracy.

Przeczytaj także: wazne_wydarzenia – Karl Marx

Aberdeen (1856-1860)

Już od pierwszych dni pracy w Aberdeen Maxwell zajął się organizacją nauczania w zaniedbanej Katedrze Filozofii Naturalnej. Szukał właściwej metody nauczania, starał się przyzwyczaić studentów do pracy naukowej, ale nie odnosił większych sukcesów. Jego wykłady, przyprawione humorem i grą słów, często poruszały tak skomplikowane tematy, że odstraszały wielu. Różniły się one od wcześniejszego modelu mniejszym naciskiem na popularną prezentację i rozległość tematyki, skromniejszymi demonstracjami i większą dbałością o matematyczną stronę rzeczy. Ponadto Maxwell był jednym z pierwszych, który zachęcał studentów do podejmowania zajęć praktycznych i zapewniał dodatkowe studia dla studentów ostatniego roku poza standardowym kursem. Jak wspominał astronom David Gill, jeden z jego studentów z Aberdeen

…Maxwell nie był dobrym nauczycielem; tylko czterech czy pięciu z nas, a było nas siedemdziesięciu czy osiemdziesięciu, wiele się od niego nauczyło. Zostawaliśmy u niego na parę godzin po wykładach, dopóki nie przyszła jego okropna żona i nie zaciągnęła go na skromny obiad o trzeciej. Sam był bardzo miłym i sympatycznym stworzeniem – często zasypiał i budził się nagle – wtedy opowiadał o tym, co mu przyszło do głowy.

W Aberdeen nastąpiła istotna zmiana w życiu osobistym Maxwella: w lutym 1858 roku zaręczył się z Catherine Mary Dewar, młodszą córką dyrektora Marischal College Daniela Dewara, profesora historii kościoła, a w czerwcu wzięli ślub. Natychmiast po ślubie Maxwell został usunięty z Rady Trinity College, ponieważ złamał śluby celibatu. W tym samym czasie filozoficzne poglądy Maxwella na naukę, wyrażone w jednym z jego przyjacielskich listów, zostały ostatecznie utrwalone:

Jeśli chodzi o nauki materialne, to wydają mi się one bezpośrednią drogą do jakiejkolwiek prawdy naukowej dotyczącej metafizyki, własnych myśli czy społeczeństwa. Suma wiedzy, która istnieje w tych tematach, bierze dużą część swojej wartości z idei pochodzących przez wyciąganie analogii z nauk materialnych, a reszta, choć ważna dla ludzkości, nie jest naukowa, ale aforystyczna. Główną filozoficzną wartością fizyki jest to, że daje ona mózgowi coś konkretnego, na czym może się oprzeć. Jeśli znajdziesz się w niewłaściwym miejscu, natura od razu ci o tym powie.

Jeśli chodzi o jego pracę naukową w Aberdeen, początkowo Maxwell był zaangażowany w projektowanie „fali dynamicznej”, którą zlecił, aby zademonstrować niektóre aspekty teorii rotacji ciał stałych. W 1857 r. w Proceedings of the Cambridge Philosophical Society ukazał się jego artykuł „On Faraday”s lines of force”, zawierający wyniki badań nad elektrycznością z kilku poprzednich lat. W marcu Maxwell rozesłał ją do najważniejszych fizyków brytyjskich, w tym do samego Faradaya, z którym nawiązał przyjacielską korespondencję. W tym czasie zajmował się również optyką geometryczną. W artykule „O ogólnych prawach przyrządów optycznych” analizował warunki, jakie powinien spełniać doskonały przyrząd optyczny. Później Maxwell niejednokrotnie powracał do tematu załamania światła w złożonych układach, stosując swoje wyniki do działania konkretnych urządzeń.

Jednak to badania Maxwella nad naturą pierścieni Saturna, zgłoszone w 1855 roku przez Uniwersytet Cambridge do nagrody Adamsa (praca musiała być ukończona w ciągu dwóch lat), przyciągnęły w tym czasie znacznie więcej uwagi. Pierścienie zostały odkryte przez Galileo Galilei na początku XVII wieku i przez długi czas pozostawały przyrodniczą zagadką: planeta wydawała się być otoczona trzema ciągłymi koncentrycznymi pierścieniami złożonymi z materii o nieznanej naturze (trzeci pierścień został odkryty niedługo wcześniej przez George”a Bonda). William Herschel uważał je za ciągłe obiekty stałe. Pierre Simon Laplace udowodnił, że stałe pierścienie muszą być niejednorodne, bardzo wąskie i muszą się koniecznie obracać. Po przeprowadzeniu matematycznej analizy różnych wariantów pierścieni Maxwell był przekonany, że nie mogą one być ani ciałem stałym, ani cieczą (w tym drugim przypadku pierścień szybko rozpadłby się na kropelki). Doszedł on do wniosku, że taka struktura może być stabilna tylko wtedy, gdy składa się z roju niepowiązanych ze sobą meteorytów. Stabilność pierścieni jest zapewniona przez ich przyciąganie do Saturna oraz wzajemny ruch planety i meteorytów. Wykorzystując analizę Fouriera, Maxwell zbadał rozchodzenie się fal w takim pierścieniu i wykazał, że w pewnych warunkach meteoryty nie zderzają się ze sobą. Dla przypadku dwóch pierścieni określił, przy jakich stosunkach ich promieni występuje stan niestabilny. Za tę pracę w 1857 roku Maxwell otrzymał nagrodę Adamsa, ale kontynuował pracę nad tematem, co zaowocowało opublikowaniem w 1859 roku dzieła On the stability of the motion of Saturn”s rings. Praca od razu spotkała się z uznaniem w kręgach naukowych. Królewski astronom George Airy uznał to za najbardziej błyskotliwe zastosowanie matematyki w fizyce, jakie kiedykolwiek widział. Później, pod wpływem kinetycznej teorii gazów, Maxwell próbował rozwinąć kinetyczną teorię pierścieni, ale nie udało mu się to. Problem okazał się znacznie trudniejszy niż w przypadku gazów, ze względu na nieelastyczność zderzeń meteorytów i znaczną anizotropię ich rozkładu prędkości. W 1895 roku James Keeler i Aristarchus Belopolsky zmierzyli przesunięcie dopplerowskie różnych części pierścieni Saturna i stwierdzili, że wewnętrzne części poruszają się szybciej niż zewnętrzne. Potwierdziło to wniosek Maxwella, że pierścienie składają się z mnóstwa małych ciał podlegających prawom Keplera. Praca Maxwella nad stabilnością pierścieni Saturna jest uważana za „pierwszą pracę nad teorią procesów zbiorowych wykonaną na nowoczesnym poziomie”.

Inną główną działalnością naukową Maxwella w tym czasie była kinetyczna teoria gazów, oparta na pojęciu ciepła jako rodzaju ruchu cząsteczek gazu (atomów lub molekuł). Maxwell kontynuował idee Rudolfa Clausiusa, który wprowadził pojęcia średniej drogi swobodnej i średniej prędkości cząsteczek (zakładano, że w stanie równowagi wszystkie cząsteczki mają taką samą prędkość). Z kolei Clausius wprowadził do teorii kinetycznej elementy teorii prawdopodobieństwa. Maxwell zdecydował się podjąć ten temat po przeczytaniu pracy niemieckiego naukowca w lutowym numerze Philosophical Magazine z 1859 roku, początkowo zamierzając zakwestionować poglądy Clausiusa, ale potem uznając je za warte uwagi i rozwinięcia. Już we wrześniu 1859 roku Maxwell wygłosił referat na temat swojej pracy na spotkaniu British Association w Aberdeen. Wyniki zawarte w tej pracy zostały opublikowane w „Illustrations of the Dynamical Theory of Gases”, która ukazała się w trzech częściach w styczniu i lipcu 1860 roku. Maxwell wyszedł od idei gazu jako zespołu wielu doskonale sprężystych kul poruszających się chaotycznie w zamkniętej przestrzeni i zderzających się ze sobą. Kulki-molekuły można podzielić na grupy według prędkości i w stanie stacjonarnym liczba molekuł w każdej grupie jest stała, choć mogą one zmieniać prędkość po zderzeniach. Z tego rozważania wynika, że w równowadze cząsteczki nie mają jednakowych prędkości, lecz są rozłożone na prędkości zgodnie z krzywą Gaussa (rozkład Maxwella). Wykorzystując otrzymaną funkcję rozkładu Maxwell obliczył szereg wielkości, które odgrywają ważną rolę w zjawiskach transportowych: liczbę cząstek w pewnym zakresie prędkości, prędkość średnią i średni kwadrat prędkości. Całkowita funkcja rozkładu została obliczona jako iloczyn funkcji rozkładu dla każdej ze współrzędnych. Oznaczało to ich niezależność, co wielu osobom wydawało się wówczas nieoczywiste i wymagało dowodu (został on podany później).

Maxwell doprecyzował współczynnik liczbowy w wyrażeniu na długość średniej drogi swobodnej, a także udowodnił równość średnich energii kinetycznych w równowagowej mieszaninie dwóch gazów. Rozważając problem tarcia wewnętrznego (lepkości), Maxwell był w stanie po raz pierwszy oszacować wartość średniej drogi swobodnej, uzyskując prawidłowy rząd wielkości. Inną konsekwencją tej teorii był pozornie paradoksalny wniosek o niezależności współczynnika tarcia wewnętrznego gazu od jego gęstości, który później został potwierdzony doświadczalnie. Ponadto, wyjaśnienie prawa Avogadro wynikało bezpośrednio z teorii. W ten sposób Maxwell w swojej pracy z 1860 roku skonstruował pierwszy w historii fizyki statystyczny model mikroprocesów, który położył podwaliny pod rozwój mechaniki statystycznej.

W drugiej części pracy Maxwell, oprócz tarcia wewnętrznego, rozpatrywał z tych samych pozycji inne procesy transportu – dyfuzję i przewodzenie ciepła. W trzeciej części zajął się ruchem obrotowym zderzających się cząstek i po raz pierwszy uzyskał prawo równego rozkładu energii kinetycznej na translacyjne i rotacyjne stopnie swobody. Wyniki zastosowania swojej teorii do zjawisk transportowych uczony przedstawił na regularnym kongresie British Association w Oxfordzie w czerwcu 1860 roku.

Maxwell był całkiem zadowolony ze swojego miejsca pracy, które wymagało jego obecności tylko od października do kwietnia; resztę czasu spędzał w Glenlaire. Podobała mu się swobodna atmosfera uczelni, brak sztywnych obowiązków, choć jako jeden z czterech regentów musiał uczestniczyć w sporadycznych posiedzeniach senatu uczelni. Ponadto raz w tygodniu w tzw. Aberdeen School of Science prowadził praktycznie zorientowane wykłady dla rzemieślników i mechaników, nadal, podobnie jak w Cambridge, chętnie ucząc robotników. Pozycja Maxwella zmieniła się pod koniec 1859 roku, kiedy to uchwalono dekret o połączeniu dwóch kolegiów w Aberdeen, Marischal College i King”s College, w Uniwersytet Aberdeen. Zlikwidowało to stanowisko profesorskie zajmowane przez Maxwella od września 1860 r. (połączoną katedrę otrzymał wpływowy profesor King”s College, David Thomson). Próba wygrania konkursu na zwolnione przez Forbesa stanowisko profesora filozofii naturalnej na Uniwersytecie w Edynburgu nie powiodła się: stanowisko to otrzymał jego stary przyjaciel Peter Tat. Wczesnym latem 1860 roku Maxwell został zaproszony do objęcia stanowiska profesora filozofii naturalnej w King”s College w Londynie.

Przeczytaj także: historia-pl – Bitwa na Morzu Koralowym

Londyn (1860-1865)

Lato i wczesną jesień 1860 roku, przed przeprowadzką do Londynu, Maxwell spędził w rodzinnej posiadłości Glenlair, gdzie zachorował na ospę i wyzdrowiał tylko dzięki opiece żony. Praca w King”s College, gdzie kładziono nacisk na nauki eksperymentalne (istniały tam jedne z najlepiej wyposażonych laboratoriów fizycznych) i gdzie było wielu studentów, nie pozostawiała mu zbyt wiele wolnego czasu. Miał jednak czas na eksperymenty w domu z bańkami mydlanymi i kolorowym pudełkiem, a także na eksperymenty mierzące lepkość gazów. W 1861 roku Maxwell został członkiem Komitetu Standardów, którego zadaniem było określenie podstawowych jednostek elektrycznych. Jako materiał wzorca oporu elektrycznego przyjęto stop platyny i srebra. Wyniki jego starannych pomiarów zostały opublikowane w 1863 r. i doprowadziły do tego, że Międzynarodowy Kongres Inżynierów Elektryków (1881) zalecił stosowanie omów, amperów i woltów jako podstawowych jednostek. Maxwell kontynuował prace nad teorią sprężystości i obliczaniem konstrukcji, zajmował się naprężeniami w kratownicach za pomocą metod grafostatycznych (twierdzenie Maxwella), analizował warunki równowagi powłok kulistych, opracował metody konstruowania wykresów naprężeń wewnętrznych w ciałach. Za tę pracę, która miała duże znaczenie praktyczne, został odznaczony przez Royal Society of Edinburgh Medalem Keitha.

W czerwcu 1860 roku, na zjeździe British Association w Oxfordzie, Maxwell przedstawił raport na temat swoich wyników w teorii barw, popartych eksperymentalnymi demonstracjami z użyciem kolorowego pudełka. Jeszcze w tym samym roku Royal Society of London przyznało mu Medal Rumforda za badania nad mieszaniem kolorów i optyką. 17 maja 1861 roku, podczas wykładu w Royal Institution na temat „Teorii trzech kolorów podstawowych”, Maxwell przedstawił kolejny przekonujący dowód swojej teorii – pierwszą na świecie fotografię kolorową, którą wymyślił już w 1855 roku. Wraz z fotografem Thomasem Suttonem uzyskał trzy negatywy kolorowej taśmy na szkle pokrytym emulsją fotograficzną (koloidem). Negatywy były fotografowane przez filtry zielony, czerwony i niebieski (roztwory różnych soli metali). Naświetlając negatywy przez te same filtry, byli w stanie uzyskać kolorowy obraz. Jak wykazali prawie sto lat później pracownicy Kodaka, którzy odtworzyli warunki eksperymentu Maxwella, dostępny materiał fotograficzny nie pozwalał na zademonstrowanie fotografii barwnej, a w szczególności na uzyskanie obrazów czerwonych i zielonych. Szczęśliwym zbiegiem okoliczności obraz uzyskany przez Maxwella był wynikiem mieszanki całkiem różnych barw – fal w zakresie niebieskim i bliskim ultrafioletu. Mimo to eksperyment Maxwella zawierał prawidłową zasadę uzyskiwania fotografii barwnej, wykorzystaną wiele lat później, gdy odkryto barwniki światłoczułe.

Pod wpływem idei Faradaya i Thomsona, Maxwell doszedł do wniosku, że magnetyzm ma naturę wirową, a prąd elektryczny naturę translacyjną. Aby jasno opisać efekty elektromagnetyczne, stworzył on nowy, czysto mechaniczny model, według którego obracające się „wiry molekularne” wytwarzają pole magnetyczne, zaś maleńkie transmitujące „koła jałowe” zapewniają, że wiry te obracają się w jednym kierunku. Ruch postępowy owych kół przesyłowych („cząsteczek elektryczności”, w terminologii Maxwella) zapewnia formowanie się prądu elektrycznego. Pole magnetyczne, skierowane wzdłuż osi obrotu wirów, jest prostopadłe do kierunku prądu, co wyraża się w uziemionej „regule boraksa” Maxwella. W ramach tego mechanicznego modelu możliwe było nie tylko adekwatne wizualne zilustrowanie zjawiska indukcji elektromagnetycznej i wirowego charakteru pola wytwarzanego przez prąd, ale także wprowadzenie efektu symetrycznego do Faradaya: zmiany pola elektrycznego (tzw. prądu biasowego generowanego przez przesunięcie kół transmisyjnych, czyli związanych ładunków molekularnych, pod wpływem działania pola) muszą prowadzić do pojawienia się pola magnetycznego. Prąd skośny prowadził bezpośrednio do równania ciągłości dla ładunku elektrycznego, czyli do idei prądów otwartych (wcześniej wszystkie prądy uważano za zamknięte). Względy symetrii równań najwyraźniej nie odegrały w tym przypadku żadnej roli. Słynny fizyk J.J. Thomson nazwał odkrycie prądu skośnego „największym wkładem Maxwella do fizyki”. Wyniki te zostały podsumowane w „O fizycznych liniach sił (O fizycznych liniach sił), wydana w kilku częściach w latach 1861-1862.

W tej samej pracy Maxwell, przystępując do rozważań nad propagacją perturbacji w swoim modelu, zauważył podobieństwo między własnościami jego ośrodka wirowego a przenoszącym światło eterem Fresnela. Znalazło to wyraz w praktycznej zbieżności szybkości rozchodzenia się perturbacji (stosunek elektromagnetycznych i elektrostatycznych jednostek elektryczności zdefiniowanych przez Webera i Rudolfa Kohlrauscha) z prędkością światła zmierzoną przez Hippolyte”a Fizeau. Maxwell uczynił w ten sposób decydujący krok w kierunku skonstruowania elektromagnetycznej teorii światła:

Trudno nam uciec od wniosku, że światło składa się z drgań poprzecznych tego samego ośrodka, który powoduje zjawiska elektryczne i magnetyczne.

Jednak to medium (eter) i jego własności nie były głównym przedmiotem zainteresowania Maxwella, choć z pewnością podzielał on ideę elektromagnetyzmu jako rezultatu zastosowania praw mechaniki do eteru. Jak zauważył na ten temat Henri Poincaré: „Maxwell nie podaje mechanicznego wyjaśnienia elektryczności i magnetyzmu; ogranicza się do udowodnienia możliwości takiego wyjaśnienia.

W 1864 r. ukazał się kolejny artykuł Maxwella, A dynamic theory of the electromagnetic field (Dynamiczna teoria pola elektromagnetycznego). (Dynamiczna teoria pola elektromagnetycznego, która podała bardziej szczegółowe sformułowanie jego teorii (sam termin „pole elektromagnetyczne” pojawił się tu po raz pierwszy). Odrzucił surowy model mechaniczny (takie pojęcia, zdaniem uczonego, wprowadzono jedynie „jako ilustracyjne, a nie wyjaśniające”), pozostawiając czysto matematyczne sformułowanie równań pola (równanie Maxwella), które po raz pierwszy potraktowano jako fizycznie realny układ o określonej energii. Wydaje się, że jest to związane z pierwszym uświadomieniem sobie realności opóźnionego oddziaływania ładunków (i opóźnionego oddziaływania w ogóle) omawianego przez Maxwella. W tej samej pracy faktycznie przewidział istnienie fal elektromagnetycznych, choć za Faradayem pisał tylko o falach magnetycznych (fale elektromagnetyczne w pełnym tego słowa znaczeniu pojawiły się w pracy z 1868 r.). Okazało się, że prędkość tych fal poprzecznych jest równa prędkości światła i w ten sposób powstała koncepcja elektromagnetycznej natury światła. Ponadto, w tej samej pracy Maxwell zastosował swoją teorię do problemu rozchodzenia się światła w kryształach, których przenikalność dielektryczna lub magnetyczna zależy od kierunku, oraz w metalach, uzyskując równanie falowe uwzględniające przewodność materiału.

Równolegle z badaniami nad elektromagnetyzmem Maxwell przeprowadził w Londynie kilka eksperymentów mających na celu sprawdzenie jego wyników w teorii kinetycznej. Skonstruował specjalny aparat do wyznaczania lepkości powietrza i wykorzystał go do zweryfikowania wniosku, że współczynnik tarcia wewnętrznego jest niezależny od gęstości (co przeprowadził wraz z żoną). Później Lord Rayleigh napisał, że „w całej dziedzinie nauki nie ma piękniejszego lub bardziej znaczącego odkrycia niż stałość lepkości gazu we wszystkich gęstościach”. Po 1862 r., gdy Clausius skrytykował kilka punktów teorii Maxwella (zwłaszcza w odniesieniu do przewodnictwa cieplnego), zgodził się z tymi uwagami i przystąpił do korekty wyników. Szybko jednak doszedł do wniosku, że metoda oparta na pojęciu średniej drogi swobodnej nie nadaje się do rozpatrywania procesów transportowych (na co wskazuje niemożność wyjaśnienia temperaturowej zależności lepkości).

Przeczytaj także: biografie-pl – Alfred Hitchcock

Glenlair (1865-1871)

W 1865 roku Maxwell postanowił opuścić Londyn i powrócić do rodzinnej posiadłości. Powodem tego była chęć poświęcenia większej ilości czasu pracy naukowej, a także niepowodzenia dydaktyczne: nie potrafił utrzymać dyscypliny na swoich niezwykle trudnych wykładach. Wkrótce po przeprowadzce do Glenlair, w wyniku kontuzji odniesionej podczas jednej z konnych przejażdżek, poważnie zachorował na wrzody głowy. Po powrocie do zdrowia Maxwell wziął aktywny udział w prowadzeniu firmy, odbudowując i powiększając swój majątek. Regularnie odwiedzał Londyn, a także Cambridge, gdzie brał udział w egzaminach. Pod jego wpływem do praktyki egzaminacyjnej zaczęto wprowadzać pytania i problemy o charakterze użytkowym. I tak w 1869 r. zaproponował do zbadania pracę będącą pierwszą teorią dyspersji, opartą na oddziaływaniu padającej fali z cząsteczkami posiadającymi określoną częstotliwość drgań własnych. Zależność współczynnika załamania światła od częstotliwości uzyskana w tym modelu została niezależnie wydedukowana trzy lata później przez Wernera von Sellmeiera. Teoria dyspersji Maxwella-Sellmeiera została potwierdzona pod koniec XIX wieku w eksperymentach Heinricha Rubensa.

Wiosnę 1867 roku Maxwell spędził z często chorą żoną, za radą lekarza, we Włoszech, zwiedzając Rzym i Florencję, poznając profesora Carlo Matteucciego, ćwicząc języki (znał dobrze grekę, łacinę, włoski, francuski i niemiecki). Przez Niemcy, Francję i Holandię wrócili do ojczyzny. W 1870 r. Maxwell przemawiał jako przewodniczący sekcji matematyki i fizyki na zjeździe British Association w Liverpoolu.

Maxwell nadal zajmował się teorią kinetyczną, konstruując w O dynamicznej teorii gazów (1866) bardziej ogólną niż poprzednio teorię procesów transportowych. W wyniku swoich eksperymentów z pomiarem lepkości gazów postanowił porzucić koncepcję cząsteczek jako sprężystych kulek. W swojej nowej pracy postrzegał cząsteczki jako małe ciała, odpychające się od siebie z siłą zależną od odległości między nimi (ze swoich eksperymentów wywnioskował, że odpychanie jest odwrotnie proporcjonalne do odległości w potędze piątej). Rozważając fenomenologicznie lepkość ośrodka na podstawie najprostszego z możliwych do obliczeń modelu molekuł („molekuły Maxwelliana”) wprowadził po raz pierwszy pojęcie czasu relaksacji jako czasu ustalania się stanu równowagi. Ponadto dokonał matematycznego rozbioru procesów oddziaływania dwóch cząsteczek tego samego lub różnych gatunków, po raz pierwszy wprowadzając do teorii całkę zderzeniową, uogólnioną później przez Ludwiga Boltzmanna. Po uwzględnieniu procesów transportowych wyznaczył wartości współczynników dyfuzji i przewodnictwa, odnosząc je do danych doświadczalnych. Chociaż niektóre twierdzenia Maxwella okazały się błędne (np. prawa oddziaływania cząsteczek są bardziej złożone), to jednak ogólne podejście, które opracował, okazało się bardzo owocne. W szczególności, stworzono podstawy teorii lepkosprężystości opartej na modelu ośrodka znanym jako ośrodek Maxwella (materiał Maxwella). W tej samej pracy z 1866 r. podał nowe wyprowadzenie rozkładu prędkości cząsteczek, oparte na warunku nazwanym później zasadą równowagi szczegółowej.

Maxwell poświęcił wiele uwagi pisaniu swoich monografii na temat kinetycznej teorii gazów i elektryczności. W Glenlair ukończył swój podręcznik The Theory of Heat, opublikowany w 1871 r. i wielokrotnie wznawiany za jego życia. Większa część tej książki została poświęcona fenomenologicznemu ujęciu zjawisk cieplnych. Ostatni rozdział zawierał podstawowe informacje na temat teorii molekularno-kinetycznej w połączeniu ze statystycznymi ideami Maxwella. Tam też sprzeciwił się drugiej zasadzie termodynamiki sformułowanej przez Thomsona i Clausiusa, która doprowadziła do „termicznej śmierci wszechświata”. Nie zgadzając się z tym czysto mechanicznym punktem widzenia, jako pierwszy dostrzegł statystyczny charakter drugiej zasady. Według Maxwella może ona być naruszona przez pojedyncze cząsteczki, ale pozostaje ważna dla dużych populacji cząsteczek. Aby zilustrować ten punkt, zaproponował paradoks znany jako „demon Maxwella” (termin zaproponowany przez Thomsona; sam Maxwell wolał słowo „zawór”). Polega ona na tym, że jakiś układ sterujący („demon”) jest w stanie zmniejszyć entropię układu nie kosztując przy tym żadnej pracy. Paradoks demona Maxwella został rozwiązany już w XX wieku w pracach Mariana Smoluchowskiego, który wskazał na rolę fluktuacji w samym pierwiastku sterującym, oraz Leo Szilarda, który pokazał, że uzyskiwanie informacji o cząsteczkach przez „demona” prowadzi do wzrostu entropii. Zatem druga zasada termodynamiki nie jest naruszona.

W 1868 r. Maxwell opublikował kolejną pracę na temat elektromagnetyzmu. Rok wcześniej nadarzyła się okazja do znacznego uproszczenia prezentacji referatu. Po przeczytaniu „An elementary treatise on quaternions” Petera Tata postanowił zastosować notację kwaternionową do wielu relacji matematycznych swojej teorii, co pozwoliło mu zredukować i uściślić ich zapis. Jednym z najbardziej użytecznych narzędzi był hamiltonowski operator nabla, którego nazwę zasugerował William Robertson Smith, przyjaciel Maxwella, przez analogię do starożytnej asyryjskiej formy harfy o trójkątnym kręgosłupie. Maxwell napisał szyderczą odę „Do głównego muzyka Nabla”, dedykowaną Tatowi. Sukces tego poematu sprawił, że nowe pojęcie zyskało oparcie w naukowym użyciu. Maxwell był również pierwszym, który zapisał równania pola elektromagnetycznego w niezmienniczej postaci wektorowej poprzez operator Hamiltonianu. Warto dodać, że zawdzięczał Tatowi swój pseudonim dpdt, którym podpisywał swoje listy i wiersze. Faktem jest, że Thomson i Tat w swoim „Traktacie o filozofii przyrody” przedstawili drugą zasadę termodynamiki w postaci JCM=dpdt{.} Ponieważ lewa część pokrywa się z inicjałami Maxwella, postanowił on w przyszłości używać prawej części jako swojego podpisu. Wśród innych osiągnięć okresu Glenlair jest artykuł zatytułowany On governors (1868), w którym analizuje stabilność regulatora odśrodkowego metodami teorii małych oscylacji.

Przeczytaj także: biografie-pl – Ptolemeusz III Euergetes

Laboratorium Cavendisha (1871-1879)

W 1868 roku Maxwell odmówił objęcia stanowiska rektora Uniwersytetu St Andrews, nie chcąc rozstawać się ze swoim ustronnym życiem w posiadłości. Trzy lata później, po wielu wahaniach, przyjął jednak propozycję kierowania nowo powstałym Laboratorium Fizyki Uniwersytetu Cambridge i objęcia stanowiska profesora fizyki eksperymentalnej (zaproszenie to odrzucili wcześniej William Thomson i Hermann Helmholtz). Laboratorium zostało nazwane na cześć odosobnionego naukowca Henry”ego Cavendisha, którego bratanek, książę Devonshire, był w tym czasie kanclerzem Uniwersytetu i zapewnił fundusze na jego budowę. Założenie pierwszego laboratorium w Cambridge było zgodne z uświadomieniem sobie znaczenia badań eksperymentalnych dla dalszego postępu nauki. W dniu 8 marca 1871 roku Maxwell został mianowany i natychmiast podjął swoje obowiązki. Zbudował i wyposażył laboratorium (początkowo przy użyciu własnych instrumentów) oraz prowadził wykłady z fizyki doświadczalnej (kursy z zakresu ciepła, elektryczności i magnetyzmu).

W 1873 r. Maxwell opublikował duże dwutomowe dzieło A Treatise on Electricity and Magnetism (Traktat o elektryczności i magnetyzmie), które zawierało informacje o istniejących wcześniej teoriach elektryczności, metodach pomiarowych i cechach aparatury eksperymentalnej, ale koncentrowało się na traktowaniu elektromagnetyzmu z jednej, faradayowskiej pozycji. W ten sposób prezentacja materiału odbywała się nawet ze szkodą dla samych idei Maxwella. Jak zauważył Edmund Whittaker,

Doktryny należące wyłącznie do Maxwella – istnienie prądów wyporowych i drgań elektromagnetycznych identycznych ze światłem – nie zostały przedstawione ani w pierwszym tomie, ani w pierwszej połowie drugiego tomu; a ich opis był niewiele pełniejszy i prawdopodobnie mniej atrakcyjny niż ten, który podał w pierwszych pismach naukowych.

Traktat zawierał podstawowe równania pola elektromagnetycznego, znane obecnie jako równania Maxwella. Były one jednak przedstawione w niewygodnej formie (poprzez potencjały skalarne i wektorowe, oraz w notacji kwaternionowej) i było ich dość dużo – dwanaście. Następnie Heinrich Hertz i Oliver Heaviside przepisali je przez wektory pola elektrycznego i magnetycznego, uzyskując cztery równania w nowoczesnej postaci. Heaviside po raz pierwszy zauważył też symetrię równań Maxwella. Bezpośrednią konsekwencją tych równań było przewidzenie istnienia fal elektromagnetycznych, doświadczalnie odkrytych przez Hertza w latach 1887-1888. Inne ważne wyniki zawarte w „Traktacie” to dowód elektromagnetycznej natury światła oraz przewidywanie efektu ciśnienia światła (jako rezultatu ponderomotorycznego działania fal elektromagnetycznych), odkrytego znacznie później w słynnych eksperymentach Piotra Lebiediewa. Na podstawie swojej teorii Maxwell podał również wyjaśnienie wpływu pola magnetycznego na rozchodzenie się światła (efekt Faradaya). Inny dowód teorii Maxwella – kwadratowa zależność między optyczną (współczynnik załamania światła) i elektryczną (przenikalność) charakterystyką ośrodka – został opublikowany przez Ludwiga Boltzmanna wkrótce po ukazaniu się Traktatu.

Fundamentalna praca Maxwella została chłodno przyjęta przez większość ówczesnych koryfeuszy nauki – Stokesa, Airy”ego, Thomsona (teorię przyjaciela nazwał „ciekawą i oryginalną, ale niezbyt logiczną hipotezą” i dopiero po eksperymentach Lebiediewa przekonanie to zostało nieco zachwiane), Helmholtza, który bezskutecznie próbował pogodzić nowe poglądy ze starymi teoriami opartymi na oddziaływaniu dalekiego zasięgu. Za główne osiągnięcie „Traktatu” Tat uważał jedynie ostateczne obalenie akcji dalekiego zasięgu. Szczególnie trudne do zrozumienia było pojęcie prądu wyporowego, który musi istnieć nawet w nieobecności materii, czyli w eterze. Nawet Hertz, uczeń Helmholtza, unikał odwoływania się do Maxwella, którego prace były bardzo niepopularne w Niemczech, i pisał, że jego eksperymenty nad falami elektromagnetycznymi „są przekonujące niezależnie od jakiejkolwiek teorii”. Osobliwości stylu – braki w zapisie i często nieporadna prezentacja – nie sprzyjały zrozumieniu nowych idei, na co zwracali uwagę m.in. francuscy uczeni Henri Poincaré i Pierre Duhem. Ten ostatni pisał: „Myśleliśmy, że wchodzimy do spokojnego i uporządkowanego mieszkania rozumu dedukcyjnego, ale zamiast tego znaleźliśmy się w jakiejś fabryce. Historyk fizyki Mario Liozzi podsumował wrażenie, jakie wywarła praca Maxwella, w następujący sposób

Maxwell buduje swoją teorię krok po kroku, stosując „sztuczki”, jak to trafnie ujął Poincaré, odnosząc się do logicznych naciągnięć, na które naukowcy pozwalają sobie czasem przy formułowaniu nowych teorii. Gdy w toku konstrukcji analitycznej Maxwell natrafia na pozorną sprzeczność, nie waha się przezwyciężyć jej z niepokojącą swobodą. Nie waha się na przykład wykluczyć jakiegoś terminu, zastąpić niewłaściwego znaku znakiem odwrotnym, zastąpić znaczenia litery. Na tych, którzy podziwiali nieomylną logiczną konstrukcję elektrodynamiki Ampere”a, teoria Maxwella musiała wywrzeć nieprzyjemne wrażenie.

Tylko kilku naukowców, przeważnie młodych, było poważnie zainteresowanych teorią Maxwella: Arthur Schuster (Oliver Lodge, który wyruszył na poszukiwanie fal elektromagnetycznych; George Fitzgerald, który bezskutecznie próbował przekonać Thomsona (rosyjscy naukowcy Mikołaj Umow i Aleksander Stoletow. Słynny holenderski fizyk Hendrik Anton Lorenz, jeden z pierwszych, którzy zastosowali teorię Maxwella w swojej pracy, napisał wiele lat później:

„Traktat o elektryczności i magnetyzmie” wywarł być może jedno z najsilniejszych wrażeń w moim życiu: interpretacja światła jako zjawiska elektromagnetycznego przewyższała w swej śmiałości wszystko, co do tej pory znałem. Ale książka Maxwella nie była łatwa!

16 czerwca 1874 roku otwarto trzypiętrowy budynek Laboratorium Cavendisha. Tego samego dnia książę Devonshire podarował Maxwellowi dwadzieścia worków z rękopisami Henry”ego Cavendisha. Przez następne pięć lat Maxwell pracował nad spuścizną nieuchwytnego naukowca, który dokonał serii niezwykłych odkryć: zmierzył pojemność i stałą dielektryczną wielu substancji; wyznaczył opór elektrolitów i przewidział odkrycie prawa Ohma; odkrył też prawo wzajemnego oddziaływania ładunków (znane jako prawo Coulomba). Maxwell dokładnie przestudiował charakterystykę i warunki eksperymentów Cavendisha, a wiele z nich odtworzył w swoim laboratorium. W październiku 1879 r. zredagował dwutomowy zbiór prac The Electrical Researches of the Honourable Henry Cavendish.

W latach 70. XIX wieku Maxwell aktywnie włączył się w popularyzację nauki. Napisał kilka artykułów do Encyclopaedia Britannica („Atom”, „Attraction”, „Ether” i inne). W tym samym roku 1873, kiedy ukazał się „A Treatise on Electricity and Magnetism”, opublikowana została niewielka książka zatytułowana „Matter and Motion”. Do ostatnich dni życia pracował nad pracą Elektryczność w elementarnym ujęciu, opublikowaną w 1881 roku. W pismach popularnych pozwalał sobie na swobodniejsze wyrażanie swoich poglądów, poglądów na atomową i molekularną budowę ciał (a nawet eteru) oraz rolę ujęć statystycznych, a także dzielił się z czytelnikami swoimi wątpliwościami (np. co do jedności atomów czy nieskończoności świata). Trzeba powiedzieć, że w tym czasie idea atomu nie była bynajmniej uważana za niepodważalną. Maxwell, będąc zwolennikiem idei atomistycznych, zwrócił uwagę na szereg problemów nierozwiązywalnych w tamtych czasach: co to jest cząsteczka i jak tworzą ją atomy, jaka jest natura sił międzyatomowych, jak rozumieć tożsamość i niezmienność wszystkich atomów lub cząsteczek danej substancji, co wynika ze spektroskopii? Odpowiedzi na te pytania zostały udzielone dopiero po pojawieniu się teorii kwantowej.

W Cambridge Maxwell kontynuował prace nad szczegółowymi zagadnieniami fizyki molekularnej. W 1873 r., wzorując się na pracach Johannesa Loschmidta, obliczył wymiary i masy cząsteczek szeregu gazów oraz wyznaczył wartość stałej Loschmidta. W wyniku dyskusji nad równowagą pionowego słupa gazu podał proste wyprowadzenie uogólnionego rozkładu cząsteczek w potencjalnym polu sił otrzymanego wcześniej przez Boltzmanna (rozkład Maxwella-Boltzmanna). W 1875 roku, na podstawie pracy Jana Diederika van der Waalsa, udowodnił, że na krzywej przejściowej między stanem gazowym a ciekłym linia prosta odpowiadająca obszarowi przejściowemu odcina równe obszary (reguła Maxwella).

W ostatnich latach Maxwell poświęcił wiele uwagi pracy Willarda Gibbsa, który rozwinął metody geometryczne w zastosowaniu do termodynamiki. Metody te zostały podjęte przez Maxwella w przygotowaniu przedruków Teorii ciepła i były mocno propagowane w artykułach i przemówieniach. Na ich podstawie poprawnie zinterpretował pojęcie entropii (a nawet zbliżył się do traktowania entropii jako własności zależnej od wiedzy o układzie) i uzyskał cztery relacje termodynamiczne (tzw. relacje Maxwella). Stworzył kilka modeli powierzchni termodynamicznych, z których jeden wysłał do Gibbsa.

W 1879 r. ukazały się dwie ostatnie prace Maxwella z zakresu fizyki molekularnej. Pierwszy z nich zawierał podstawy teorii gazów niejednorodnych rozrzedzonych. Rozważał również oddziaływanie gazu z powierzchnią ciała stałego w odniesieniu do termicznych efektów światła w radiometrze wynalezionym przez Williama Crookesa (pierwotnie zakładano, że urządzenie będzie rejestrowało ciśnienie światła). W drugiej pracy, O twierdzeniu Boltzmanna o średnim rozkładzie energii w układzie punktów materialnych, Maxwell wprowadził pojęcia „fazy układu” (dla zbioru współrzędnych i pędu) i „stopnia swobody cząsteczki”, właściwie wyraził hipotezę ergodyczną dla układów mechanicznych o stałej energii, rozważał rozkład gazu pod działaniem sił odśrodkowych, czyli położył podwaliny pod teorię wirówki. Praca ta była ważnym krokiem w kierunku mechaniki statystycznej, która została później rozwinięta w pracach Gibbsa.

W Cambridge Maxwell pełnił różne funkcje administracyjne, był członkiem Senatu Uniwersytetu, należał do komisji reformy egzaminu z matematyki i jednym z organizatorów nowego egzaminu z nauk przyrodniczych, został wybrany na prezesa Cambridge Philosophical Society (1876-1877). W tym czasie pojawili się jego pierwsi uczniowie – George Chrystal, Richard Glazebrook (z którym Maxwell badał propagację fal w kryształach dwuosiowych), Arthur Schuster, Ambrose Fleming i John Henry Poynting. Maxwell zwykle pozostawiał wybór tematu badań swoim studentom, ale w razie potrzeby chętnie służył pomocną radą. Pracownicy zwracali uwagę na jego prostotę, skupienie na badaniach, umiejętność dotarcia do sedna problemu, wnikliwość, wrażliwość na krytykę, brak pragnienia sławy, ale jednocześnie zdolność do subtelnego sarkazmu.

Pierwsze objawy Maxwell miał już w 1877 roku. Stopniowo zaczął mieć trudności z oddychaniem, trudności z przełykaniem pokarmów i bóle. Wiosną 1879 r. z trudem prowadził wykłady, szybko się męcząc. W czerwcu wrócił z żoną do Glenlair, jego stan stale się pogarszał. Lekarze zdiagnozowali u niego raka jamy brzusznej. Na początku października osłabiony ostatecznie Maxwell powrócił do Cambridge pod opiekę słynnego doktora Jamesa Pageta. Wkrótce, 5 listopada 1879 roku, uczony zmarł. Trumna z ciałem Maxwella została przewieziona do jego posiadłości, a on sam został pochowany obok swoich rodziców na małym cmentarzu w wiosce Parton.

Chociaż wkład Maxwella w fizykę (zwłaszcza elektrodynamikę) nie był właściwie doceniany za jego życia, w późniejszych latach rosła świadomość prawdziwego miejsca jego pracy w historii nauki. Wielu ważnych naukowców zauważyło to w swoich ocenach. Max Planck, na przykład, zwrócił uwagę na uniwersalizm Maxwella jako naukowca:

Wielkie myśli Maxwella nie były dziełem przypadku: wypływały one naturalnie z bogactwa jego geniuszu; najlepiej świadczy o tym fakt, że był on pionierem w najróżniejszych gałęziach fizyki, a we wszystkich jej działach był znawcą i nauczycielem.

Jednak według Plancka to właśnie praca Maxwella nad elektromagnetyzmem jest szczytowym osiągnięciem jego twórczości:

…w badaniach nad elektrycznością, jego geniusz stoi przed nami w całej okazałości. To właśnie w tej dziedzinie, po wielu latach spokojnych badań, Maxwell odniósł sukces, który musimy przypisać najbardziej zdumiewającym aktom ludzkiego ducha. Udało mu się za pomocą czystej myśli wydobyć z natury takie tajemnice, które dopiero pokolenie później i tylko częściowo mogły być pokazane w dowcipnych i pracochłonnych eksperymentach.

Jak zauważył Rudolf Peierls, prace Maxwella nad teorią pola elektromagnetycznego przyczyniły się do zaakceptowania idei pola jako takiego, która znalazła szerokie zastosowanie w fizyce XX wieku:

Dobrze się stało, że po przyswojeniu idei Maxwella fizycy przyzwyczaili się do przyjmowania za podstawowy fakt fizyczny stwierdzenia, że w danym punkcie przestrzeni istnieje pole pewnego rodzaju, gdyż od dawna nie można było ograniczyć się do pola elektromagnetycznego. W fizyce pojawiło się wiele innych dziedzin i oczywiście nie chcemy ani nie oczekujemy, że będziemy je wyjaśniać za pomocą różnego rodzaju modeli.

Na znaczenie koncepcji pola w pracach Maxwella zwrócili uwagę Albert Einstein i Leopold Infeld w swojej popularnej książce The Evolution of Physics:

Sformułowanie tych równań jest najważniejszym osiągnięciem od czasów Newtona, nie tylko ze względu na wartość ich treści, ale także dlatego, że stanowią one przykład nowego typu prawa. Charakterystyczną cechę równań Maxwella, która pojawia się we wszystkich innych równaniach współczesnej fizyki, można wyrazić w jednym zdaniu: Równania Maxwella są prawami wyrażającymi strukturę pola… Teoretyczne odkrycie fal elektromagnetycznych rozchodzących się z prędkością światła jest jednym z największych osiągnięć w historii nauki.

Einstein przyznał również, że „teoria względności zawdzięcza swoje powstanie równaniom Maxwella dla pola elektromagnetycznego”. Warto też zauważyć, że teoria Maxwella była pierwszą teorią gauge-invariantną. Dało to impuls do dalszego rozwoju zasady symetrii gauge”a, która jest podstawą współczesnego Modelu Standardowego. Na koniec warto wspomnieć o licznych praktycznych zastosowaniach elektrodynamiki Maxwella, wzbogaconej o pojęcie tensora naprężeń Maxwella. Obejmują one obliczenia i budowę zakładów przemysłowych, wykorzystanie fal radiowych oraz nowoczesne modelowanie numeryczne pola elektromagnetycznego w złożonych systemach.

Niels Bohr, w swoim przemówieniu na obchodach stulecia Maxwella, zwrócił uwagę, że rozwój teorii kwantowej w żaden sposób nie umniejszył znaczenia osiągnięć brytyjskiego uczonego:

Rozwój teorii atomowej, jak wiemy, wkrótce wyprowadził nas poza bezpośrednie i konsekwentne zastosowanie teorii Maxwella. Muszę jednak podkreślić, że to właśnie możliwość analizy zjawisk promieniowania dzięki elektromagnetycznej teorii światła doprowadziła do uznania zasadniczo nowych cech w prawach przyrody… A jednak na tym stanowisku teoria Maxwella nadal była teorią wiodącą… Nie wolno nam zapominać, że tylko klasyczne koncepcje cząstek materialnych i fal elektromagnetycznych mają jednoznaczne zastosowanie, podczas gdy koncepcje fotonu i fal elektronicznych nie mają żadnego… W rzeczywistości musimy zdać sobie sprawę, że jednoznaczna interpretacja każdego pomiaru

W chwili śmierci Maxwell był najbardziej znany ze swojego wkładu w teorię molekularno-kinetyczną, w której rozwoju był uznanym liderem. Ogromne znaczenie dla rozwoju nauki, oprócz wielu konkretnych wyników w tej dziedzinie, miało opracowanie przez Maxwella metod statystycznych, które ostatecznie doprowadziły do rozwoju mechaniki statystycznej. Sam termin „mechanika statystyczna” został ukuty przez Maxwella w 1878 roku. Dobitnym przykładem znaczenia tego podejścia jest statystyczna interpretacja drugiej zasady termodynamiki oraz paradoks „demona” Maxwella, które wpłynęły na sformułowanie teorii informacji w XX wieku. Metody Maxwella w teorii procesów transportowych znalazły również owocne rozwinięcie i zastosowanie w fizyce współczesnej w pracach Paula Langevina, Sidneya Chapmana, Davida Enskoga, Johna Lennarda-Jonesa i innych.

Prace Maxwella nad teorią barw stworzyły podstawy dla metod dokładnego określania ilościowego kolorów powstałych w wyniku mieszania. Wyniki te zostały wykorzystane przez Międzynarodową Komisję Oświetleniową przy opracowywaniu kart kolorów, uwzględniających zarówno charakterystykę spektralną barw, jak i ich poziom nasycenia. Analiza stabilności pierścieni Saturna i prace Maxwella nad teorią kinetyczną mają swoją kontynuację nie tylko we współczesnym podejściu do opisu cech struktury pierścieni, z których wiele nie zostało jeszcze wyjaśnionych, ale także w opisie podobnych struktur astrofizycznych (takich jak dyski akrecyjne). Co więcej, idee Maxwella dotyczące stabilności układów cząstek znalazły zastosowanie i rozwinęły się w zupełnie innych dziedzinach – analizie dynamiki fal i cząstek naładowanych w akceleratorach pierścieniowych, plazmie, nieliniowych ośrodkach optycznych i tak dalej (układy równań Własowa-Maxwella, Schrödingera-Maxwella, Wignera-Maxwella).

Jako podsumowanie wkładu Maxwella do nauki wypada zacytować Lorda Rayleigha (1890):

Nie ulega wątpliwości, że późniejsze pokolenia będą uważać jego elektromagnetyczną teorię światła, dzięki której optyka stała się gałęzią elektryczności, za najwyższe osiągnięcie w tej dziedzinie. …Niewiele mniej ważne, jeśli w ogóle, od jego pracy nad elektrycznością było zaangażowanie Maxwella w rozwój dynamicznej teorii gazów…

Przeczytaj także: biografie-pl – Domicjan

Tłumaczenia na język rosyjski

Źródła