James Clerk Maxwell -James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell.png
Nascer ( 1831-06-13 )13 de junho de 1831
Edimburgo , Escócia
Morreu 5 de novembro de 1879 (1879-11-05)(48 anos)
Cambridge , Inglaterra
Lugar de descanso Parton, Kirkcudbrightshire 55,006693°N 4,039210°O
55°00′24″N 4°02′21″O /  / 55.006693; -4.039210
Alma mater
Conhecido por
Cônjuge
( m.   1858 )
Prêmios
Carreira científica
Campos Física e matemática
Instituições
Conselheiros acadêmicos William Hopkins
Alunos notáveis
Influências Sir Isaac NewtonMichael FaradayThomas Young
Influenciado Praticamente toda a física subsequente
Assinatura
James Clerk Maxwell sig.svg

James Clerk Maxwell FRSE FRS (13 de junho de 1831 - 5 de novembro de 1879) foi um matemático e cientista 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 foram chamadas de "a segunda grande unificação da física ", onde a primeira foi realizada por Isaac Newton .

Com a publicação de " A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field " em 1865, Maxwell demonstrou que os campos elétricos e magnéticos viajam pelo espaço como ondas que se movem à velocidade da luz . Ele propôs que a luz é uma ondulação no mesmo meio que é a causa dos fenômenos elétricos e magnéticos. A unificação dos fenômenos luminosos e elétricos levou a sua previsão da existência de ondas de rádio . Maxwell também é considerado um dos fundadores do campo moderno da engenharia elétrica .

Ele ajudou a desenvolver a distribuição Maxwell-Boltzmann , um meio estatístico de descrever aspectos da teoria cinética dos gases . Ele também é conhecido por apresentar a primeira fotografia colorida durável em 1861 e por seu trabalho fundamental na análise da rigidez de estruturas de haste e junta ( treliças ) como as de muitas pontes.

Suas descobertas ajudaram a inaugurar a era da física moderna, lançando as bases para campos como a relatividade especial e a mecânica quântica . Muitos físicos consideram Maxwell como o cientista do século 19 que teve a maior influência na física do século 20. Suas contribuições para a ciência são consideradas por muitos como da mesma magnitude que as de Isaac Newton e Albert Einstein . Na pesquisa do milênio – uma pesquisa com os 100 físicos mais proeminentes – Maxwell foi eleito o terceiro maior físico de todos os tempos, atrás apenas de Newton e Einstein. No centenário do aniversário de Maxwell, Einstein descreveu o trabalho de Maxwell como o "mais profundo e frutífero que a física experimentou desde a época de Newton". Einstein, quando visitou a Universidade de Cambridge em 1922, foi informado por seu anfitrião que havia feito grandes coisas porque estava nos ombros de Newton; Einstein respondeu: "Não, não estou. Estou sobre os ombros de Maxwell."

Vida

Início da vida, 1831-1839

Local de nascimento de Clerk Maxwell em 14 India Street em Edimburgo é agora a casa da Fundação James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell nasceu em 13 de junho de 1831 em 14 India Street, Edimburgo , filho de John Clerk Maxwell de Middlebie , um advogado, e Frances Cay, filha de Robert Hodshon Cay e irmã de John Cay . (Sua cidade natal agora abriga um museu operado pela Fundação James Clerk Maxwell .) Seu pai era um homem de meios confortáveis ​​da família Clerk de Penicuik , detentores do baronete de Clerk of Penicuik . O irmão de seu pai era o 6º baronete . Ele nasceu "John Clerk", acrescentando "Maxwell" ao seu próprio depois que ele herdou (como uma criança em 1793) a propriedade Middlebie, uma propriedade Maxwell em Dumfriesshire. James era primo em primeiro grau da artista Jemima Blackburn (filha da irmã de seu pai) e do engenheiro civil William Dyce Cay (filho do irmão de sua mãe). Cay e Maxwell eram amigos íntimos e Cay atuou como seu padrinho quando Maxwell se casou.

Os pais de Maxwell se conheceram e se casaram quando estavam na casa dos trinta; sua mãe tinha quase 40 anos quando ele nasceu. Eles tiveram um filho anterior, uma filha chamada Elizabeth, que morreu na infância.

Quando Maxwell era jovem, sua família se mudou para Glenlair , em Kirkcudbrightshire, que seus pais construíram na propriedade que compreendia 1.500 acres (610 ha). Todas as indicações sugerem que Maxwell manteve uma curiosidade insaciável desde tenra idade. Aos três anos de idade, tudo o que se movia, brilhava ou fazia barulho despertava a pergunta: "qual é o problema disso?" Em uma passagem adicionada a uma carta de seu pai para sua cunhada Jane Cay em 1834, sua mãe descreveu esse senso inato de curiosidade:

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 se faz" nunca sai de sua boca. Ele também investiga o curso oculto de riachos e fios de sino, a forma como a água sai do lago através da parede....

Educação, 1839-1847

Reconhecendo o potencial do menino, a mãe de Maxwell, Frances, assumiu a responsabilidade por sua educação inicial, que na era vitoriana era em grande parte o trabalho da mulher da casa. Aos oito ele podia recitar longas passagens de John Milton e todo o salmo 119 (176 versos). De fato, seu conhecimento das escrituras já era detalhado; ele poderia dar capítulo e versículo para quase qualquer citação dos salmos. Sua mãe adoeceu com câncer abdominal e, após uma operação malsucedida, morreu em dezembro de 1839, quando ele tinha oito anos. Sua educação foi então supervisionada por seu pai e pela cunhada de seu pai, Jane, os quais desempenharam papéis fundamentais em sua vida. Sua educação formal começou sem sucesso sob a orientação de um tutor contratado de 16 anos. Pouco se sabe sobre o jovem contratado para instruir Maxwell, exceto que ele tratou o menino mais novo com severidade, repreendendo-o por ser lento e rebelde. O tutor foi demitido em novembro de 1841. O pai de James o levou para a demonstração de propulsão elétrica e força magnética de Robert Davidson em 12 de fevereiro de 1842, uma experiência com profundas implicações para o menino.

Academia de Edimburgo, onde Maxwell foi educado

Maxwell foi enviado para a prestigiosa Academia de Edimburgo . Ele se hospedava durante o período letivo na casa de sua tia Isabella. Durante esse tempo, sua paixão pelo desenho foi incentivada por sua prima mais velha, Jemima. Maxwell, de 10 anos, criado isoladamente na propriedade rural de seu pai, não se adaptava bem à escola. O primeiro ano foi cheio, obrigando-o a se juntar ao segundo ano com colegas de classe um ano mais velhos. Seus maneirismos e sotaque de Galloway pareciam rústicos aos outros meninos. Tendo chegado em seu primeiro dia de aula vestindo um par de sapatos feitos em casa e uma túnica, ele ganhou o apelido cruel de " Daftie ". Ele nunca pareceu se ressentir do epíteto, levando-o sem reclamar por muitos anos. O isolamento social na Academia terminou quando ele conheceu Lewis Campbell e Peter Guthrie Tait , dois meninos de idade semelhante que se tornariam estudiosos notáveis ​​mais tarde na vida. Permaneceram amigos para toda a vida.

Maxwell foi fascinado pela geometria desde tenra idade, redescobrindo os poliedros regulares antes de receber qualquer instrução formal. Apesar de ter ganho o prêmio de biografia das escrituras da escola em seu segundo ano, seu trabalho acadêmico permaneceu despercebido até que, aos 13 anos, ganhou a medalha de matemática da escola e o primeiro prêmio de inglês e poesia.

Os interesses de Maxwell iam muito além do programa escolar e ele não prestava atenção especial ao desempenho nos exames. Ele escreveu seu primeiro artigo científico aos 14 anos. Nele, ele descreveu um meio mecânico de desenhar curvas matemáticas com um pedaço de barbante e as propriedades de elipses , ovais cartesianas e curvas relacionadas com mais de dois focos . O trabalho, de 1846, "Sobre a descrição de curvas ovais e aqueles com pluralidade de focos" foi apresentado à Royal Society of Edinburgh por James Forbes , professor de filosofia natural da Universidade de Edimburgo , porque Maxwell era considerado jovem demais apresentar o próprio trabalho. O trabalho não era inteiramente original, pois René Descartes também havia examinado as propriedades dessas elipses multifocais no século XVII, mas Maxwell simplificou sua construção.

Universidade de Edimburgo, 1847-1850

Old College, Universidade de Edimburgo

Maxwell deixou a Academia em 1847 aos 16 anos e começou a frequentar aulas na Universidade de Edimburgo . Ele teve a oportunidade de frequentar a Universidade de Cambridge , mas decidiu, após seu primeiro mandato, concluir o curso completo de seus estudos de graduação em Edimburgo. A equipe acadêmica da universidade incluía alguns nomes altamente conceituados; seus tutores do primeiro ano incluíram Sir William Hamilton , que o ensinou sobre lógica e metafísica , Philip Kelland sobre matemática e James Forbes sobre filosofia natural . Ele não achou suas aulas exigentes e, portanto, foi capaz de mergulhar em estudos particulares durante o tempo livre na universidade e particularmente quando voltou para casa em Glenlair. Lá ele faria experimentos com aparelhos químicos, elétricos e magnéticos improvisados; no entanto, suas principais preocupações eram as propriedades da luz polarizada . Ele construiu blocos moldados de gelatina , submeteu-os a várias tensões e, com um par de prismas polarizadores , dados a ele por William Nicol , visualizou as franjas coloridas que se desenvolveram dentro da geleia. Através desta prática, ele descobriu a fotoelasticidade , que é um meio de determinar a distribuição de tensões dentro de estruturas físicas.

Aos 18 anos, Maxwell contribuiu com dois artigos para o Transactions of the Royal Society of Edinburgh . Um deles, "Sobre o equilíbrio dos sólidos elásticos", lançou as bases para uma importante descoberta mais tarde em sua vida, que foi a dupla refração temporária produzida em líquidos viscosos por tensão de cisalhamento . Seu outro artigo foi "Rolling Curves" e, assim como no artigo "Oval Curves" que ele havia escrito na Academia de Edimburgo, ele foi novamente considerado jovem demais para ficar na tribuna para apresentá-lo. O papel foi entregue à Royal Society por seu tutor Kelland.

Universidade de Cambridge, 1850-1856

Um jovem Maxwell no Trinity College, em Cambridge , segurando uma de suas rodas de cores .

Em outubro de 1850, já um matemático consumado, Maxwell deixou a Escócia para a Universidade de Cambridge . Ele inicialmente frequentou a Peterhouse , mas antes do final de seu primeiro mandato foi transferido para Trinity , onde acreditava que seria mais fácil obter uma bolsa . Na Trinity, ele foi eleito para a sociedade secreta de elite conhecida como Cambridge Apostles . A compreensão intelectual de Maxwell de sua fé cristã e da ciência cresceu rapidamente durante seus anos em Cambridge. Ingressou nos "Apóstolos", uma sociedade de debates exclusiva da elite intelectual, onde através de seus ensaios procurou trabalhar esse entendimento.

Agora, meu grande plano, que foi concebido há muito tempo, ... é não deixar nada ser voluntariamente deixado sem exame. Nada deve ser solo sagrado consagrado à Fé Estacionária, seja positiva ou negativa. Todas as terras em pousio devem ser aradas e um sistema regular de rotação deve ser seguido. ... Nunca esconda nada, seja maconha ou não, nem pareça desejar que seja escondido. ... Mais uma vez eu afirmo o Direito de Transgressão em qualquer terreno de Terra Sagrada que qualquer homem tenha separado. ... Agora estou convencido de que ninguém, a não ser um cristão, pode realmente purificar sua terra desses lugares sagrados. ... Não digo que nenhum cristão tenha lugares fechados desse tipo. Muitos têm muito, e cada um tem algum. Mas há extensos e importantes trechos no território do Escarnecedor, do Panteísta, do Quietista, do Formalista, do Dogmático, do Sensualista e do resto, que são aberta e solenemente tabu. ..."

Cristianismo - isto é, a religião da Bíblia - é o único esquema ou forma de crença que nega quaisquer posses em tal posse. Só aqui tudo é grátis. Você pode voar até os confins do mundo e não encontrar Deus senão o Autor da Salvação. Você pode pesquisar as Escrituras e não encontrar um texto para interrompê-lo em suas explorações. ...

O Antigo Testamento e a Lei Mosaica e o Judaísmo são comumente considerados "Tabu" pelos ortodoxos. Os céticos fingem tê-los lido e encontraram certas objeções espirituosas... que muitos dos ortodoxos não lidos admitem e calam o assunto como assombrado. Mas uma vela está chegando para expulsar todos os fantasmas e bugbears. Sigamos a luz.

No verão de seu terceiro ano, Maxwell passou algum tempo na casa de Suffolk do Rev CB Tayler , tio de um colega de classe, GWH Tayler. O amor de Deus demonstrado pela família impressionou Maxwell, principalmente depois que ele foi curado de problemas de saúde pelo pastor e sua esposa.

Em seu retorno a Cambridge, Maxwell escreve ao seu recente anfitrião uma carta tagarela e afetuosa, incluindo o seguinte testemunho:

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

Em novembro de 1851, Maxwell estudou com William Hopkins , cujo sucesso em nutrir o gênio matemático lhe rendeu o apelido de " fabricante de wrangler sênior ".

Em 1854, Maxwell se formou na Trinity com um diploma em matemática. Ele obteve a segunda maior pontuação no exame final, ficando atrás de Edward Routh e ganhando o título de Segundo Wrangler. Mais tarde, ele foi declarado igual a Routh na provação mais exigente do exame do Prêmio Smith . Imediatamente após obter seu diploma, Maxwell leu seu artigo "On the Transformation of Surfaces by Bending" para a Cambridge Philosophical Society . Este é um dos poucos artigos puramente matemáticos que ele escreveu, demonstrando sua crescente estatura como matemático. Maxwell decidiu permanecer na Trinity depois de se formar e se candidatou a uma bolsa, que era um processo que ele esperava levar alguns anos. Estimulado por seu sucesso como estudante de pesquisa, ele estaria livre, além de alguns deveres de tutoria e exame, para buscar interesses científicos em seu próprio lazer.

A natureza e a percepção da cor foi um desses interesses que ele começou na Universidade de Edimburgo enquanto estudava na Forbes. Com os piões coloridos inventados pela Forbes, Maxwell conseguiu demonstrar que a luz branca resultaria de uma mistura de luz vermelha, verde e azul. Seu artigo "Experiments on Colour" expôs os princípios da combinação de cores e foi apresentado à Royal Society de Edimburgo em março de 1855. Desta vez, Maxwell foi capaz de entregá-lo ele mesmo.

Maxwell tornou-se membro da Trinity em 10 de outubro de 1855, mais cedo do que era a norma, e foi solicitado a preparar palestras sobre hidrostática e óptica e preparar exames. No mês de fevereiro seguinte, ele foi instado pela Forbes a se candidatar à cadeira recém-vaga de Filosofia Natural no Marischal College , Aberdeen . Seu pai o ajudou na tarefa de preparar as referências necessárias, mas morreu em 2 de abril em Glenlair antes que qualquer um soubesse o resultado da candidatura de Maxwell. Ele aceitou o cargo de professor em Aberdeen, deixando Cambridge em novembro de 1856.

Marischal College, Aberdeen, 1856-1860

Maxwell provou que os anéis de Saturno eram feitos de numerosas partículas pequenas.

Maxwell, de 25 anos, era uns bons 15 anos mais novo do que qualquer outro professor de Marischal. Ele se comprometeu com suas novas responsabilidades como chefe de um departamento, elaborando o programa e preparando palestras. Ele se comprometeu a lecionar 15 horas por semana, incluindo uma palestra semanal pro bono para a faculdade local de trabalhadores. Ele morava em Aberdeen com seu primo William Dyce Cay , um engenheiro civil escocês, durante os seis meses do ano acadêmico e passava os verões em Glenlair, que herdara de seu pai.

James Clerk Maxwell e sua esposa por Jemima Blackburn

Ele concentrou sua atenção em um problema que iludiu os cientistas por 200 anos: a natureza dos anéis de Saturno . Não se sabia como eles poderiam permanecer estáveis ​​sem se separar, se afastar ou colidir com Saturno. O problema adquiriu uma ressonância particular naquela época porque o St John's College, em Cambridge , o havia escolhido como tema para o Prêmio Adams de 1857 . Maxwell dedicou dois anos a estudar o problema, provando que um anel sólido regular não poderia ser estável, enquanto um anel fluido seria forçado pela ação das ondas a se quebrar em bolhas. Como nenhum dos dois foi observado, ele concluiu que os anéis devem ser compostos de numerosas pequenas partículas que ele chamou de "morcegos de tijolo", cada uma orbitando independentemente Saturno. Maxwell recebeu o Prêmio Adams de £ 130 em 1859 por seu ensaio "Sobre a estabilidade do movimento dos anéis de Saturno"; ele foi o único participante a ter feito progresso suficiente para enviar uma inscrição. Seu trabalho era tão detalhado e convincente que, quando George Biddell Airy o leu, comentou: "É uma das aplicações mais notáveis ​​da matemática à física que já vi". Foi considerada a palavra final sobre o assunto até que observações diretas dos voos da Voyager na década de 1980 confirmaram a previsão de Maxwell de que os anéis eram compostos de partículas. Agora é entendido, no entanto, que as partículas dos anéis não são estáveis, sendo puxadas pela gravidade para Saturno. Espera-se que os anéis desapareçam completamente nos próximos 300 milhões de anos.

Em 1857 Maxwell fez amizade com o reverendo Daniel Dewar, que era então o diretor de Marischal. Através dele Maxwell conheceu a filha de Dewar, Katherine Mary Dewar . Eles ficaram noivos em fevereiro de 1858 e se casaram em Aberdeen em 2 de junho de 1858. No registro de casamento, Maxwell é listado como Professor de Filosofia Natural no Marischal College, Aberdeen. Katherine era sete anos mais velha que Maxwell. Comparativamente pouco se sabe sobre ela, embora se saiba que ela ajudou em seu laboratório e trabalhou em experimentos de viscosidade . O biógrafo e amigo de Maxwell, Lewis Campbell, adotou uma reticência incomum sobre Katherine, embora descrevendo sua vida de casado como "uma de devoção incomparável".

Em 1860 Marischal College fundiu-se com o vizinho King's College para formar a Universidade de Aberdeen . Não havia lugar para dois professores de Filosofia Natural, então Maxwell, apesar de sua reputação científica, foi demitido. Ele não teve sucesso em se candidatar à cadeira recentemente desocupada da Forbes em Edimburgo, o cargo foi para Tait . Maxwell foi concedido a cadeira de Filosofia Natural no King's College, em Londres , em vez disso. Depois de se recuperar de um ataque quase fatal de varíola em 1860, mudou-se para Londres com sua esposa.

King's College, Londres, 1860-1865

Comemoração das equações de Maxwell no King's College. Uma das três placas IEEE Milestone idênticas, sendo as outras no local de nascimento de Maxwell em Edimburgo e na casa da família em Glenlair.

O tempo de Maxwell no King's foi provavelmente o mais produtivo de sua carreira. Ele foi premiado com a Medalha Rumford da Royal Society em 1860 por seu trabalho em cores e mais tarde foi eleito para a Sociedade em 1861. Este período de sua vida o veria exibir a primeira fotografia colorida de luz rápida do mundo, desenvolver ainda mais suas ideias sobre a viscosidade de gases e propor um sistema de definição de grandezas físicas – agora conhecido como análise dimensional . Maxwell frequentemente assistia a palestras na Royal Institution , onde entrou em contato regular com Michael Faraday . A relação entre os dois homens não pode ser descrita como próxima, porque Faraday era 40 anos mais velho que Maxwell e mostrava sinais de senilidade . No entanto, eles mantinham um forte respeito pelos talentos um do outro.

Placa azul, 16 Palace Gardens Terrace, Kensington, casa de Maxwell, 1860–1865

Desta vez é especialmente notável pelos avanços que Maxwell fez nos campos da eletricidade e do magnetismo. Ele examinou a natureza dos campos elétrico e magnético em seu artigo de duas partes " On physical lines of force ", que foi publicado em 1861. Nele ele forneceu um modelo conceitual para indução eletromagnética , consistindo de minúsculas células giratórias de fluxo magnético . Mais duas partes foram adicionadas e publicadas no mesmo artigo no início de 1862. Na primeira parte adicional, ele discutiu a natureza da eletrostática e da corrente de deslocamento . Na segunda parte adicional, tratou da rotação do plano de polarização da luz em um campo magnético, fenômeno descoberto por Faraday e hoje conhecido como efeito Faraday .

Anos posteriores, 1865-1879

A lápide em Parton Kirk (Galloway) de James Clerk Maxwell, seus pais e sua esposa
Esta pedra memorial para James Clerk Maxwell fica em um gramado em frente à igreja, ao lado do memorial de guerra em Parton (Galloway).

Em 1865, Maxwell renunciou à cadeira no King's College, em Londres, e retornou a Glenlair com Katherine. Em seu artigo "Sobre os governadores" (1868), ele descreveu matematicamente o comportamento dos governadores - dispositivos que controlam a velocidade das máquinas a vapor - estabelecendo assim a base teórica da engenharia de controle. Em seu artigo "Sobre figuras recíprocas, quadros e diagramas de forças" (1870), ele discutiu a rigidez de vários projetos de treliça. Ele escreveu o livro Theory of Heat (1871) e o tratado Matter and Motion (1876). Maxwell também foi o primeiro a fazer uso explícito da análise dimensional , em 1871.

Em 1871 ele retornou a Cambridge para se tornar o primeiro Professor Cavendish de Física . Maxwell foi encarregado do desenvolvimento do Laboratório Cavendish , supervisionando todas as etapas do andamento da construção e da compra da coleção de aparelhos. Uma das últimas grandes contribuições de Maxwell para a ciência foi a edição (com copiosas notas originais) da pesquisa de Henry Cavendish , a partir da qual Cavendish pesquisou, entre outras coisas, questões como a densidade da Terra e a composição da água. Ele foi eleito membro da American Philosophical Society em 1876.

Em abril de 1879 Maxwell começou a ter dificuldade em engolir, o primeiro sintoma de sua doença fatal.

Maxwell morreu em Cambridge de câncer abdominal em 5 de novembro de 1879 aos 48 anos. Sua mãe havia morrido na mesma idade do mesmo tipo de câncer. O ministro que o visitou regularmente em suas últimas semanas ficou espantado com sua lucidez e com o imenso poder e alcance de sua memória, mas comenta mais particularmente,

... sua doença extraiu 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 avaliara e sondara todos os esquemas e sistemas de filosofia, e os achara totalmente vazios e insatisfatórios — "impraticáveis" era sua própria palavra sobre eles — e se voltou com fé simples para o Evangelho do Salvador.

À medida que a morte se aproximava, Maxwell disse a um colega de Cambridge,

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

Maxwell está enterrado em Parton Kirk, perto de Castle Douglas em Galloway, perto de onde ele cresceu. A biografia estendida The Life of James Clerk Maxwell , de seu ex-colega de escola e amigo de longa data, o professor Lewis Campbell , foi publicada em 1882. Suas obras coletadas foram publicadas em dois volumes pela Cambridge University Press em 1890.

Os executores do espólio de Maxwell foram seu médico George Edward Paget , GG Stokes e Colin Mackenzie, que era primo de Maxwell. Sobrecarregado com o trabalho, Stokes passou os papéis de Maxwell para William Garnett , que teve a custódia efetiva dos papéis até cerca de 1884.

Há uma inscrição memorial para ele perto da tela do coro na Abadia de Westminster .

James Clerk Maxwell por Jemima Blackburn

Vida pessoal

Como grande amante da poesia escocesa , Maxwell memorizou poemas e escreveu os seus próprios. O mais conhecido é Rigid Body Sings , baseado em " Comin' Through the Rye " de Robert Burns , que ele aparentemente costumava cantar enquanto se acompanhava ao violão. Tem as linhas de abertura

Gin um corpo conhecer um corpo

Voando pelo ar.
Gin um corpo atingiu um corpo,

Será que vai voar? E onde?

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

Descrições de Maxwell comentam sobre suas notáveis ​​qualidades intelectuais sendo acompanhadas por constrangimento social.

Maxwell era um presbiteriano evangélico e em seus últimos anos tornou-se um ancião da Igreja da Escócia . As crenças religiosas de Maxwell e atividades relacionadas têm sido o foco de vários artigos. Frequentando tanto a Igreja da Escócia (a denominação de seu pai) quanto os serviços episcopais (a denominação de sua mãe) quando criança, Maxwell passou por uma conversão evangélica em abril de 1853. Uma faceta dessa conversão pode tê-lo alinhado com uma posição antipositivista .

Legado científico

Eletromagnetismo

Um cartão postal de Maxwell para Peter Tait

Maxwell havia estudado e comentado sobre eletricidade e magnetismo já em 1855, quando seu artigo "Sobre as linhas de força de Faraday" foi lido para a Sociedade Filosófica de Cambridge . O artigo apresentou um modelo simplificado do trabalho de Faraday e como a eletricidade e o magnetismo estão relacionados. Ele reduziu todo o conhecimento atual em um conjunto vinculado de equações diferenciais com 20 equações em 20 variáveis. Este trabalho foi publicado mais tarde como " On Physical Lines of Force " em março de 1861.

Por volta de 1862, enquanto lecionava no King's College, Maxwell calculou que a velocidade de propagação de um campo eletromagnético é aproximadamente a velocidade da luz . Ele considerou isso mais do que apenas uma coincidência, comentando: "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.

Trabalhando ainda mais no problema, Maxwell mostrou que as equações predizem a existência de ondas de campos elétricos e magnéticos oscilantes que viajam pelo espaço vazio a uma velocidade que poderia ser prevista a partir de experimentos elétricos simples; usando os dados disponíveis na época, Maxwell obteve uma velocidade de 310.740.000 metros por segundo (1,0195 × 10 9  pés/s). Em seu artigo de 1865 " A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field ", Maxwell escreveu: "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".

Suas famosas vinte equações, em sua forma moderna de equações diferenciais parciais , apareceram pela primeira vez em forma totalmente desenvolvida em seu livro A Treatise on Electricity and Magnetism em 1873. A maior parte deste trabalho foi feito por Maxwell em Glenlair durante o período entre manter seu cargo em Londres e ele assumindo a cadeira Cavendish. Oliver Heaviside reduziu a complexidade da teoria de Maxwell a quatro equações diferenciais parciais , conhecidas agora coletivamente como Leis de Maxwell ou equações de Maxwell . Embora os potenciais tenham se tornado muito menos populares no século XIX, o uso de potenciais escalares e vetoriais é agora padrão na solução das equações de Maxwell.

Como Barrett e Grimes (1995) descrevem:

Maxwell expressou o eletromagnetismo na álgebra dos quatérnions e fez do potencial eletromagnético a peça central de sua teoria. Em 1881, Heaviside substituiu o campo de potencial eletromagnético por campos de força como a peça central da teoria eletromagnética. De acordo com Heaviside, o campo de potencial eletromagnético era arbitrário e precisava ser "assassinado". ( sic ) Alguns anos depois, houve um debate entre Heaviside e [Peter Guthrie] Tate ( sic ) sobre os méritos relativos da análise vetorial e dos quatérnios . O resultado foi a percepção de que não havia necessidade de maiores insights físicos fornecidos pelos quatérnios se a teoria fosse puramente local, e a análise vetorial tornou-se comum.

Maxwell provou estar correto, e sua conexão quantitativa entre luz e eletromagnetismo é considerada uma das grandes realizações da física matemática do século XIX .

Maxwell também introduziu o conceito do campo eletromagnético em comparação com as linhas de força que Faraday descreveu. Ao entender a propagação do eletromagnetismo como um campo emitido por partículas ativas, Maxwell pôde avançar seu trabalho sobre a luz. Naquela época, Maxwell acreditava que a propagação da luz exigia um meio para as ondas, apelidado de éter luminífero . Ao longo do tempo, a existência de tal meio, permeando todo o espaço e ainda aparentemente indetectável por meios mecânicos, mostrou-se impossível de conciliar com experimentos como o experimento de Michelson-Morley . Além disso, parecia exigir um quadro de referência absoluto no qual as equações fossem válidas, com o resultado desagradável de que as equações mudavam de forma para um observador em movimento. Essas dificuldades inspiraram Albert Einstein a formular a teoria da relatividade especial ; no processo, Einstein dispensou a exigência de um éter luminífero estacionário .

Visão de cores

Primeira imagem fotográfica colorida durável, demonstrada por Maxwell em uma palestra de 1861

Junto com a maioria dos físicos da época, Maxwell tinha um forte interesse pela psicologia. Seguindo os passos de Isaac Newton e Thomas Young , interessou-se particularmente pelo estudo da visão de cores . De 1855 a 1872, Maxwell publicou em intervalos uma série de investigações sobre a percepção da cor, daltonismo e teoria das cores, e foi premiado com a Medalha Rumford por "Sobre a Teoria da Visão de Cores".

Isaac Newton havia demonstrado, usando prismas, que a luz branca, como a luz solar , é composta de vários componentes monocromáticos que podem ser recombinados em luz branca. Newton também mostrou que uma tinta laranja feita de amarelo e vermelho poderia se parecer exatamente com uma luz laranja monocromática, embora composta por duas luzes monocromáticas amarelas e vermelhas. Daí o paradoxo que intrigava os físicos da época: duas luzes complexas (compostas por mais de uma luz monocromática) podiam ser parecidas, mas ser fisicamente diferentes, chamadas de metámeros . Thomas Young mais tarde propôs que esse paradoxo poderia ser explicado pelas cores sendo percebidas através de um número limitado de canais nos olhos, que ele propôs ser triplo, a teoria das cores tricromáticas . Maxwell usou a álgebra linear recentemente desenvolvida para provar a teoria de Young. Qualquer luz monocromática que estimule três receptores deve poder ser igualmente estimulada por um conjunto de três luzes monocromáticas diferentes (na verdade, por qualquer conjunto de três luzes diferentes). Ele demonstrou ser esse o caso, inventando experimentos de correspondência de cores e Colorimetria .

Maxwell também estava interessado em aplicar a sua teoria da percepção da cor, nomeadamente na fotografia a cores . Decorrente diretamente de seu trabalho psicológico sobre percepção de cores: se uma soma de três luzes pudesse reproduzir qualquer cor perceptível, então as fotografias coloridas poderiam ser produzidas com um conjunto de três filtros coloridos. No decorrer de seu artigo de 1855, Maxwell propôs que, se três fotografias em preto e branco de uma cena fossem tiradas através de filtros vermelho, verde e azul , e impressões transparentes das imagens fossem projetadas em uma tela usando três projetores equipados com filtros semelhantes, quando sobrepostos na tela o resultado seria percebido pelo olho humano como uma reprodução completa de todas as cores da cena.

Durante uma palestra da Royal Institution em 1861 sobre teoria das cores, Maxwell apresentou a primeira demonstração mundial de fotografia colorida por este princípio de análise e síntese de três cores. Thomas Sutton , inventor da câmera reflex de lente única , tirou a foto. Ele fotografou três vezes uma fita xadrez , através de filtros vermelho, verde e azul, fazendo também uma quarta fotografia através de um filtro amarelo, que, segundo o relato de Maxwell, não foi utilizado na demonstração. Como as chapas fotográficas de Sutton eram insensíveis ao vermelho e pouco sensíveis ao verde, os resultados desse experimento pioneiro estavam longe de ser perfeitos. Foi observado no relato publicado da palestra que "se as imagens vermelhas e verdes tivessem sido tão completamente fotografadas quanto as azuis", "teria sido uma imagem verdadeiramente colorida da faixa. Ao encontrar materiais fotográficos mais sensíveis ao raios menos refrangíveis, a representação das cores dos objetos pode ser muito melhorada." Pesquisadores em 1961 concluíram que o sucesso parcial aparentemente impossível da exposição filtrada pelo vermelho era devido à luz ultravioleta , que é fortemente refletida por alguns corantes vermelhos, não totalmente bloqueados pelo filtro vermelho usado, e dentro da faixa de sensibilidade do colódio úmido. processo que Sutton empregou.

Teoria cinética e termodinâmica

O demônio de Maxwell , um experimento mental onde a entropia diminui

Maxwell também investigou a teoria cinética dos gases. Originando-se com Daniel Bernoulli , esta teoria foi avançada pelos trabalhos sucessivos de John Herapath , John James Waterston , James Joule e particularmente Rudolf Clausius , a ponto de colocar sua precisão geral além de qualquer dúvida; mas recebeu um enorme desenvolvimento de Maxwell, que nesse campo apareceu como um experimentador (sobre as leis do atrito gasoso), bem como um matemático.

Entre 1859 e 1866, desenvolveu a teoria das distribuições de velocidades em partículas de um gás, trabalho posteriormente generalizado por Ludwig Boltzmann . A fórmula, chamada distribuição de Maxwell-Boltzmann , fornece a fração de moléculas de gás que se movem a uma velocidade especificada em qualquer temperatura. Na teoria cinética , as temperaturas e o calor envolvem apenas o movimento molecular. Essa abordagem generalizou as leis da termodinâmica previamente estabelecidas e explicou as observações e experimentos existentes de uma maneira melhor do que havia sido alcançado anteriormente. Seu trabalho em termodinâmica o levou a conceber o experimento mental que veio a ser conhecido como o demônio de Maxwell , onde a segunda lei da termodinâmica é violada por um ser imaginário capaz de classificar partículas por energia.

Em 1871, ele estabeleceu as relações termodinâmicas de Maxwell , que são declarações de igualdade entre as segundas derivadas dos potenciais termodinâmicos em relação a diferentes variáveis ​​termodinâmicas. Em 1874, ele construiu uma visualização termodinâmica de gesso como forma de explorar as transições de fase, com base nos artigos de termodinâmica gráfica do cientista americano Josiah Willard Gibbs .

Teoria de controle

Maxwell publicou o artigo "On governadores" nos Proceedings of the Royal Society , vol. 16 (1867-1868). Este artigo é considerado um artigo central dos primeiros dias da teoria de controle . Aqui "governadores" refere-se ao governador ou ao governador centrífugo usado para regular os motores a vapor .

Legado

O Monumento James Clerk Maxwell em Edimburgo, por Alexander Stoddart . Encomendado pela Royal Society de Edimburgo; revelado em 2008.

Publicações

  • Maxwell, James Clerk (1873), Um tratado sobre eletricidade e magnetismo Vol I , Oxford: Clarendon Press
  • Maxwell, James Clerk (1873), Um tratado sobre eletricidade e magnetismo Vol II , Oxford: Clarendon Press
  • Maxwell, James Clerk (1881), um tratado elementar sobre eletricidade , Oxford: Clarendon Press
  • Maxwell, James Clerk (1890), Os artigos científicos de James Clerk Maxwell Vol I , Dover Publication
  • Maxwell, James Clerk (1890), Os artigos científicos de James Clerk Maxwell Vol II , Cambridge, University Press
  • Maxwell, James Clerk (1908), Teoria do calor , Longmans Green Co.
  • Três das contribuições de Maxwell para a Encyclopædia Britannica apareceram na Nona Edição (1878): Atom , Atom Attraction , Attraction e Ether Ether ; e três na décima primeira edição (1911): Capillary Action , Diagram e Faraday, Michael

Notas

Referências

links externos