James Clerk Maxwell

Maxwell was die enigste kind van John Clerk Maxwell (1787-1856), 'n landeienaar, advokaat en uitvinder, en sy eggenoot Frances Cay (1792-1839). Sy vader was 'n lid van die Skotse kleinadel. Nadat hy sy vroeë skoling vanaf sy moeder ontvang het, gaan Maxwell in 1840 na Edinburgh Academy. Hier blink hy uit in wetenskappe en wiskunde, en ontvang al reeds 'n wiskundemedalje van die Academy in 1841. Op die ouderdom van veertien skryf hy sy eerste wetenskaplike artikel, Oval Curves, waarin hy 'n vereenvoudigde metode gegee het om krommes met meer as twee fokusse te teken. Die artikel word dan ook voorgelê aan die Royal Society of Edinburgh.[2]

Maxwell tydens sy studies aan Trinity College

In 1847 toe hy 16 jaar oud was het Maxwell aan die Universiteit van Edinburgh begin studeer. Aangesien hy sy lesse nie veeleisend gevind het, kon hy sy vrye tyd aan sy eie studies wy. Hy het hom veral toegespits op chemiese, elektriese en magnetiese toestelle, en hy het 'n besonderse belangstelling in die polarisasie van lig ontwikkel. Hierdeur het hy die konsep van fotoelastisieteit ontdek, toe hy deur polariserende prismas na blokke gelatine gekyk het terwyl hulle gerek of saamgepers word.[3] Op die ouderdom van 18 het Maxwell twee artikels aan die Royal Society of Edinburgh voorgelê. Een het oor die elastisiteit van vastestowwe gehandel, en die ander een het sy vorige werk in Oval Curves uitgebrei.

Maxwell het in Oktober 1850, toe hy al reeds 'n gekende wiskundige was, na die Universiteit van Cambridge toe gegaan. Hy het aan Trinity College gestudeer, en het hier al 'n groot deel van sy werk aan die elektromagnetiese vergelykings afgehandel. Hy het in 1854 met 'n graad in Wiskunde afgestudeer.

Die aard en persepsie van kleur het Maxwell altyd geïnteresseer. In sy lesing Eksperimente met kleur wat hy in Maart 1855 voor die Royal Society of Edinburgh gelewer het, het hy aangetoon dat wit lig geproduseer kan word deur 'n mengsel van die drie ligte, rooi, groen en blou te neem.

James en Katherine Maxwell, 1869.

Op 25 jarige ouderdom word Maxwell 'n professor aan die Universiteit van Aberdeen. Hy het sy aandag op 'n belangrike probleem gefokus wat fisikuste al vir 200 jaar ontwyk het: die aard van Saturnus se ringe. Maxwell het die probleem twee jaar lank bestudeer. Hy was die eerste persoon wat die korrekte afleiding gemaak het, naamlik dat die ringe uit klein stukkies vastestof bestaan wat onafhanklik van mekaar om die planeet wentel.

Op 2 Junie 1858 trou Maxwell met Katherine Mary Dewar, die dogter van een van sy vriende, die predikant Daniel Dewar. In 1860, nadat Maxwell net-net 'n pokke aanval oorleef het, trek hulle Londen toe, waar hy 'n professor by King's College word.

Hierdie was waarskynlik die produktiefste tyd van sy loopbaan. Hy word tot die Royal Society verkies in 1861, nadat hulle hom die Rumford medalje in 1860 toegeken het vir sy werk oor kleur. Dit is gedurende hierdie tydperk dat hy die wêreld se eerste permanente kleurfoto ontwikkel het. Hy het sy idees oor die viskositeit van gasse verder ontwikkel en 'n stelsel om fisiese eenhede te definieer, nou bekend as dimensionele analise, voorgestel. Hy het ook baie werk oor elektrisiteit en magnetisme gedoen. Hy het sy bekende vergelykings in 1861 gepubliseer in die artikel On physical lines of force.[4]

In 1865 trek hy weer terug Skotland toe, maar aanvaar wel die eerbetoon van die Cavendish Professoraat aan Cambridge in 1871. Hier is die beroemde Cavendish Laboratorium onder sy leiding gestig.

Maxwell was sy hele lewe 'n Presbiteriaan, en het later 'n ouderling in die Kerk van Skotland geword.

Hy is op 5 November 1879 in Cambridge aan buikkanker oorlede.

Maxwell se vergelykings

Maxwell word deesdae veral onthou vir sy deurslaggewende werk in elektromagnetisme en elektromagnetiese straling, 'n verskynsel wat hy teoreties voorspel het. Maxwell se eerste werk was die artikel On Faraday's lines of force, wat in 1855 aan die Cambridge Philosophical Society voorgelê is. Hierin het hy 'n vereenvoudiging van Michael Faraday se werk gelewer. Faraday het elektriese induksie eksperimenteel ontdek, maar Maxwell was die eerste een wat die wiskundige basis daarvan blootgelê het. In die daaropvolgende artikel van Maart 1861, On physical lines of force het hy sy beroemde vergelykings uiteengesit. Hulle is oorspronklik in 'n ingewikkelde vorm geskryf, wat vir die moderne leser redelik obskuur en ontoeganklik voorkom. Die rede hiervoor is dat Maxwell van die kwaternioon formaat gebruikgemaak het, wat daartoe gelei het dat daar 20 vergelykings en 20 veranderlikes was. In die moderne notasie word daar van vektore gebruikgemaak, en is daar slegs vier vergelykings.

Een van die gevolge van sy vergelykings, was dat hulle na die bestaan van elektromagnetiese golwe toe gelei het. Toe Maxwell die spoed van hierdie golwe bereken het, was hy stomgeslaan, want dit was feitelik dieselfde as die spoed van lig. Hy het dit as meer as net blote toeval beskou, en het gesê: "Dit is moeilik om nie tot die gevolgtrekking te kom, dat lig uit 'n golwing bestaan wat in dieselfde medium trek as die elektriese en magnetiese verskynsels nie".[5] Die elektromagnetiese golwe se spoed kon van eenvoudige elektriese eksperimente af bereken word, wat op die oog af heeltemal niks met lig te doen gehad het nie. Met hierdie beskikbare data het Maxwell 'n spoed van 310 740 000 m/s uitgewerk, terwyl die spoed van lig in 'n vakuum destyds op sowat 300 000 000 m/s gereken was.

Steun vir Maxwell se vermoede het in 1875 gekom, toe Hendrik Lorentz gewys het dat Maxwell se vergelykings die korrekte beskrywing van ligbreking gee. Eksperimentele ondersteuning het uit die werk van Heinrich Hertz gekom, toe hy in 1886 die eerste radiosender gebou het en aangetoon het dat elektromagnetiese golwe dieselfde gedrag as lig vertoon.

Maxwell en sy tydsgenote het geglo dat die elektromagnetiese golwe in 'n werklike fisiese medium getrek het, wat hulle die eter genoem het. Einstein het op Maxwell se werk voortgebou, en sy relatiwiteitsteorie was in beginsel 'n poging om Maxwell se vergelykings met die onverwagte eksperimentele waarneming, dat lig altyd teen dieselfde spoed trek, te vereenselwig. Hierdeur is die konsep van eter dan ook verwerp.[6]

Die eerste permanente kleurfoto, geneem deur James Clerk Maxwell in 1861

Maxwell het verskeie bydraes tot die studie van lig en kleur gelewer, en het onder andere die basis van praktiese kleurfotografie gelê. Van 1855 tot 1872 het hy gereeld artikels oor die menslike waarneming van kleur, kleurblindheid en die teorie van kleur gelewer, en hy het hiervoor die Rumsford medalje ontvang.

In 1855 het hy voorgestel hoe om 'n kleur weergawe van 'n foto te bekom. Op hierdie stadium was dit al goed bekend hoe om swart en wit fotos te maak, maar niemand het al suksesvolle kleurfoto's gemaak nie. Maxwell het voorgestel dat daar drie fotos van 'n voorwerp geneem word: een deur 'n rooi filter, een deur 'n blou filter en een deur 'n groen filter. Daar word dan transparante van hierdie fotos gemaak. Die transparante word almal saam op een skerm geprojekteer, maar met drie afsonderlike projektors waarvan die ligkleure met die fotos se filterkleure ooreenstem. Op die manier verkry mens 'n kleurprojeksie van die oorspronklike voorwerp.

Gedurende 'n sitting van die Royal Institution in 1861, het Maxwell die wêreld se eerste kleurfoto vertoon. Hierdie foto, van 'n stuk geruite Skotse tartan, het te veel blou gehad, en nie genoeg rooi nie. Dit was die gevolg van die feit dat die destydse fotochemiese prosesse nie sensitief genoeg vir rooi lig was nie. Sy metode het die basis vir byna al die toekomstige fotochemiese en elektroniese vorms van kleurfotografie gevorm.

Maxwell het ook die kinetiese gasteorie ondersoek. Volgens hierdie teorie, wat teen Maxwell se tyd nog betwis was, bestaan gasse uit klein deeltjies wat rondbeweeg en elasties teen mekaar bots. Hy het eksperimentele en teoretiese bydraes tot die veld gemaak, en die status van die teorie aansienlik versterk.

In 1866 het hy, onafhanklik van Ludwig Boltzmann, die Maxwell-Boltzmann verspreiding bereken. Hierdie verspreiding dui aan hoeveel partikels in 'n gas teen 'n sekere spoed beweeg. Sy benadering het na 'n veralgemening van die bestaande wette van termodinamika toe gelei, en het sommige eksperimente en waarnemings beter beskryf as die bestaande teorie. Hy het ook die gedagte-eksperiment ontwikkel wat as Maxwell se demoon bekend staan.

In 1871 het hy die termodinamiese uitdrukkings wat bekend staan as Maxwell se verhoudings beskryf. Dit is die stelling dat die tweede afgeleidenes van die termodinamiese potensiale (interne energie, entalpie, vrye energie, Gibbs-energie) ten opsigte van die termodinamiese veranderlikes (temperatuur, druk, volume, entropie) gelyk is aan mekaar.

Die volle ringstelsel, soos afgeneem deur die Cassini–ruimtetuig op 15 September 2006 (foto verhelder).

Sedert hulle ontdekking deur Galileo Galilei in 1610 was daar groot belangstelling in Saturnus se ringe. Daar was onsekerheid oor die materiaal waaruit hulle gemaak is, en dit was 'n raaisel hoe hulle stabiel kon bly sonder om op te breek, en dan weg te dryf of na die planeet toe terug te val. Maxwell het bewys dat 'n soliede ring nie stabiel kan wees nie, en dat 'n ring wat uit vloeistof gemaak word deur golwe se aksie opgebreek sal word. 'n Derde opsie, wat Maxwell toe voorgestaan het, was dat die ringe uit kleinerige voorwerpe bestaan wat almal onafhanklik rondom Saturnus wentel. Hierdie werk was so gedetailleerd en noukeurig, dat dit die meeste mense oortuig het sonder om werklik 'n bewys te lewer. Maxwell se teorie is 1895 gerugsteun deur die spektroskopiese waarnemings van die ringe deur James Keeler van die Allegheny-sterrewag by die Universiteit van Pittsburgh. Die finale antwoord op die vraag moes egter tot in 1981 gewag het, toe waarnemings deur die Voyager 1 ruimtetuig gedurende sy verbyvlug van Saturnus gewys het dat Maxwell werklik reg was.

Deur op hierdie werk voort te bou, het Maxwell die slegs-gas weergawe van die Newel-hipotese verkeerd bewys. Volgens die Newel-hipotese het die sonnestelsel gevorm toe 'n groot gaswolk onder sy eie swaartekrag ineengestort het om die son en die planete te vorm. Maxwell het aangetoon dat so 'n wolk nie slegs uit 'n gas sou kon bestaan nie, maar dat hy ook klein stukkies vastestof moes bevat het.

Maxwell het in 1867 'n belangrike artikel On governors aan die Royal Society voorgelê. Dit word gereeld as een van die klassieke werke in die beginsdae van beheerteorie gesien.