Džejms Klerk Maksvel

Džejms Klerk Maksvel
Lični podaci
Datum rođenja	(1831-06-13)13. jun 1831.
Mesto rođenja	Edinburg, Ujedinjeno Kraljevstvo
Datum smrti	5. novembar 1879.(1879-11-05) (48 god.)
Mesto smrti	Kembridž, Ujedinjeno Kraljevstvo
Obrazovanje	Univerzitet u Edinburgu, Peterhouse, Edinburgh Academy, Triniti koledž
Potpis

Džejms Klerk Maksvel (engl. James Clerk Maxwell; Edinburg, 13. jun 1831 — Kembridž, 5. novembar 1879), bio je škotski fizičar i matematičar. Maksvel je, istražujući vezu između elektriciteta i magnetizma, prema Faradejevoj ideji, zaključio da su istog fenomena, talasne prirode, čija je brzina ravna brzini svetlosti (3.0 × 10⁸ m/s) i da je vidljiva svetlost elektromagnetne prirodne radijacije. Takođe je tvrdio da su infracrvena i ultraljubičasta svetlost međusobno iste prirode. Ovu tvrdnju Maksvela potvrdio je ubrzo, 1888, Hajnrih Rudolf Herc.

Maksvel je 1864. publikovao dinamičku teoriju električnog polja, kojom je ponuđeno matematičko objašnjenje elektromagnetizma, danas poznate kao Maksvelove jednačine. On se, takođe, bavio istraživanjima termodinamike kretanja molekula gasova, iz čega je proizašao zakon distribucije po Maksvel-Bolcmanu, koji objašnjava nastanak toplote usled kretanja molekula. Maksvel je, pored toga, 1861. proizveo prvu kolor fotografiju. I u domenima astronomije utvrdio je da su saturnovi prstenovi sastavljeni od bezbroj malih tela, koja skladno, u pravilnom međusobnom rasporedu, rotiraju oko Saturna. Maksvel je 1871. osnovao Kevendiševu laboratoriju na Univerzitetu Kembridž, gde je služio kao istaknuti profesor fizike. Rano je dobio rak i umro je u 48. godini života. U naučnom svetu Maksvel je percipiran kao najbolji fizičar posle Njutna.

Biografija

Džejms Klerk Maksvel iz mlađih dana

Rane godine (1831—1839)

Džejms i Katrin Maksvel 1869.

Džejms Klerk Maksvel rođen je 13. juna 1831. u Edinburgu

Maksvel je zaključio da se prstenovi moraju sastojati od brojnih malih čestica, koja svaka nezavisno kruži oko Saturna.

3D prikaz rasprostiranja pravolinijski polarizovanih elektromagnetskih talasa (sleva nadesno) s pripadajućim jednačinama:
E = E₀ sin(−ωt + k ⋅ r) i
B = B₀ sin(−ωt + k ⋅ r).

Maksvelov zakon raspodele koji određuje raspodelu verovatnoće brzina molekula u plemenitim gasovima na temperaturi 25 °-{C]- (298,15 K).

Kinetička teorija gasova: temperatura idealnog gasa je mera prosečne kinetičke energije molekula.

Džejms Klerk Maksvel rođen je 13. juna 1831. u Edinburgu. Otac mu je bio Džon Klerk, advokat po struci, a majka Francis Kej. Maksvelov otac je bio iz porodice Klerka od Penikuika, Midlotijana, porodice koja je bila nositelj titule baroneta Klerka od Penikuika. Njegov brat bio je 6. Baronet. Rođen kao Džon Klerk, svome prezimenu je dodao Maksvel nakon što je nasledio imanje u Midlbiju, Kirkudbridžšir, preko veza sa porodicom Maksvel, koja je takođe bila deo perstva. Džejms je bio prvi rođak znamenite umetnice iz 19. veka Džemime Blekbern.

Maksvelovi roditelji nisu se sreli i oženili sve do njihovih tridesetih godina, što je bilo vrlo neuobičajeno za to vreme. Majka mu je imala gotovo 40 godina kada se on rodio. Imali su i jedno dete pre njega, kćerku Elizabetu, koje je umrla u dojenačkom uzrastu. Dok je bio mlad, Maksvelova porodica odselila je u kuću Glenler, koju je njegov otac izgradio na imanju Midlbi od 1500 akera (6,1 km²). Brojni pokazatelji ukazuju da je od najranijeg doba Maksvel pokazivao nezasitnu znatiželju.

Obrazovanje (1839—1847)

Prepoznavši potencijal u dečaku, majka je preuzela njegovo obrazovanje u svoje ruke, kao što je bio i običaj u to vreme. Ona se razbolela od tumora u trbuhu, i nakon neuspešne operacije preminula je u decembru 1839. kada je Maksvel imao samo osam godina. Džejmsovo obrazovanje je zatim nadgledao Džon Maksvel i supruga njegovog brata Džejn, koji su oboje imali ključne uloge u njegovom životu.

Formalno obrazovanje počelo je neuspešno, pod nadzorom šesnaestogodišnjeg tutora kojeg je doveo otac. U novembru je otac otpustio tutora, te je Džejmsa poslao u uglednu Edinburšku akademiju (engl. Edinburgh Academy). U vreme ispita stanovao je u kući tetke Izabele, gde je uz ohrabrivanje starije rođake Džemime, razvio strast za crtanjem.

Desetogodišnji Maksvel, koji je tokom celokupnog dotadašnjeg perioda odrastanja i odgajanja bio izolovan na očevom imanju nije se dobro uklapao u školu. Kako je prva godina bila popunjena, morao je pridružiti drugoj godini sa decom koja su bila godinu dana starija od njega. Njegovi maniri i naglasak delovali su ostalim dečacima rustičnim, te je prvi dan kada se pojavio u cipelama napravljenim kod kuće i u tunici, dobio nadimak Dafti. Taj nadimak zadržao se nekoliko godina, a sam Džejms nije za njega previše mario. Društvena izolacije u školi završila se tako što je upoznao Luisa Kambela i Pitera Gatrijaa Tejta, dvojicu vršnjaka koji su takođe kasnije postali poznati naučnici, a s kojima je ostao prijatelj do kraja života.

Maksvel je od rane mladosti dobio fasciniran geometrijom. Mnogi njegovi talenti su u početku ostali neotkriveni iako je na drugoj godini počeo osvajati školske nagrade. Tek kada je u uzrastu od 13 godina osvojio školsku matematičku medalji i prvu nagradu za engleski jezik i prvo nagradu za pesništvo, primećen je njegov rad.

Maksvelova zanimanja nadilazila su školski program, te nije previše brinuo za uspeh na ispitima. Prvi naučni rad napisao je u dobi od 14 godina. U njemu je opisao mehanički način crtanja matematičkih krivulja sa komadom kanapa, te opisao svojstva elipsi, Kartezijevih ovala i sličnih krivih uz pomoć dva žarišta. Njegov rad na ovalnim krivama, predstavio je profesor Džejms Forbs Kraljevskom društvu u Edinburgu. Maksvela su smatrali premladim za takav rad, i njegov rad nije bio potpuno izvoran. Dekart je opisivao krive u 17. veku, ali je Maksvel je pojednostavio konstrukciju.

Univerzitet Edinburga (1847—1850)

Akademiju je napustio 1847. kada je imao 16 godina, te je počeo da pohađa predavanja na Univerzitetu u Edinburgu. Imao je mogućnost pohađanja Univerziteta u Kembridžu, što je odbio dok ne završi kolegije u Edinburgu.

Na univerzitetu je Džejms imao brojne znamenite predavače. Tako je Ser Vilijam Hamilton predavao logiku i metafiziku, Filip Keland matematiku, a Džejms Forbs prirodnu filozofiju. Maksvelu predavanja nisu bila prezahtevna, te je imao vremena da se posveti vlastitom proučavanju, kada je bio slobodan od univerziteta, naročito u svom domu u Glenleru. Tamo je izvodio eksperimente sa improvizovanim hemijskim, električnim, magnetskim uređajima, a glavni predmet zanimanje su mu bila pitanja svojstva polarizovanog svetla. Od blokova želatina, koje je izložio različitim naprezanjima, i sa parom polarizujućih prizmi koje mu je dao poznati naučnik Vilijam Nikol, posmatrao je obojene trake koje su nastajale u želeu. Kroz ovaj eksperiment Maksvel je otkrio fotoelastičnost.

Pri uzrastu od 18 godina Maksvell je napisao dva rada za Kraljevsko društvo. U jednom od njih postavio je osnovu za kasnije važno otkriće privremene dvolomnosti u viskoznih tečnosti pod pritiskom. Maksvela su opet smatrali premladim da sam izlaže u Kraljevskom društvu, te je rad predstavio njegov tutor Keland.

Univerzitet Kembridža (1850 – 1856)

U oktobru 1850. kao već dokazan matematičar, Maksvel je napustio Škotsku te došao u Kembridž. Iako je prvotno krenuo na fakultet Piterhaus, brzo je prešao u Triniti koledž, gde je verovao da će lakše doći do položaja saradnika (engl. fellowship; slično položaju asistenta na univerzitetu). Ubrzo je izabran u elitno tajno društvo Cambridge Apostles. U novembru 1851, Maksvel je učio kod poznatog profesora Vilijama Hopkinsa. Značajan deo jednačina iz elektromagnetizma potiče iz toga vremena. Godine 1854. diplomirao je matematiku, kao drugi u generaciji, te odmah nakon diplome pred Filozofskim društvom Kembridža, predstavio je svoj rad o transformaciji površine savijanjem. Bio je to jedan od njegovih retkih čisto matematičkih radova. Nakon diplomiranja odlučio je da ostane na fakultetu Triniti, te se prijavio za mesto saradnika, koje je očekivao da će dobiti tek za nekoliko godina, kao što je bilo uobičajeno. To vreme je nameravao da posveti vlastitim naučnim interesima uz ponešto obaveza ispitivanja i tutorstva.

Maksvel je postao saradnik (asistent) 10. oktobra 1855, znatno brže nego očekivano, te je zamoljen da pripremi predavanja i ispite iz hidrostatike i optike. Sledećeg februara Forbs ga je zamolio da sa prijavi na otvoreno mesto profesora prirodne filozofije na fakultetu Marišal u Aberdinu. Otac mu je pomagao u prikupljanju referenci potrebnih za takvo mesto, ali je umro 2. aprila u Glenleru pre nego što je saznao rezultate kandidature. Maksvel je prihvatio mesto, te napustio Kembridž u novembru 1856.

Univerzitet Aberdin (1856—1860)

Maksvel je bio 15-ak godina mlađi od svih profesora na fakultetu Marišalu. Potpuno se predao novim zadacima kao šef odeljenja, pripremajući gradivo i predavanja, te predajući 15 sati nedeljno uz besplatna predavanja za lokalnom učilištu za radnike. Tokom šest meseci školske godine živeo je u Aberdinu dok je ljeta provodio na Glenleru, koji je nasledio od oca. Posvetio se rešavanju problema koje naučnici nisu mogli da objasne 200 godina: prirodi saturnovih prstenova. Bilo je nepoznato kako ostaju stabilni bez raspadanja, bez odvajanja ili rušenja na planetu. Problem je bio odabran kao tema za 1857. za dodelu nagrade Adams koju dodeljuje St Džonov koledž iz Kembridža.

Maksvel je posvetio dve godine rešavanju problema, te je dokazao da čvrsti prsten ne bi bio stabilan, a tekući prsten bi talasi pretvorili u kugle. Kako niti jedna od navedenih pojava nije primećena, Maksvel je zaključio da se prstenovi moraju sastojati od brojnih malih čestica, pri čemu svaka nezavisno kruži oko Saturna. Maksvel je dobio 130 funti nagrade Adams za svoj rad. Njegov rad smatran je objašnjenjem pojave prstena sve dok preleti letelice programa Vojadžer 1980-ih nisu potvrdili njegova predviđanja.

Godine 1857. Maksvel se sprijateljio sa sveštenikom Danielom Duerom, preko kojeg je upoznao njegovu kerku Katarinu Mari Duer. Zaručili su se u februaru 1858. i vjenčali u Aberdinu 2. juna 1858.

Godine 1860. fakultet Marišal udružio se sa susednim fakultetom Kings koledž, te je tako nastao Univerzitet u Aberdinu. Nakon spajanja nije bilo mesta za dva profesora prirodne filozofije, te je Maksvel, uprkos svojoj naučnoj reputaciji bio otpušten. Pokušao je da se prijavi za mesto u Edinburgu, koje se pojavilo nakon odlaska Forbes, međutim dodeljeno je Tejtu. Maksvel je dobio mesto u Londonu na Kings koledžu. Nakon što se oporavio od teškog slučaja boginja u leto 1860. sa suprugom se zaputio u London.

London Kings koledž (1860—1865)

Vreme provedeno u Londonu smatra se najproduktivnijim u Maksvelovoj karijeri. Za rad na bojama 1860. Kraljevsko društvo mu je dodelilo Ramfordovu medalju, a 1861. postao je član Kraljevskog društva. Maksvel je često slušao predavanja u Kraljevskom društvo, te tako došao u redovan kontakt sa Majklom Faradejom, koji je bio 40 godina stariji od Maksvela i u to vreme pokazivao znakove senilnosti.

Maksvel je u to vreme učinio značajne napretke u području elektriciteta i magnetizma. Ispitivao je prirodu električnog i magnetskog polja te u dvodelnom radu objavljenom 1861. dokazao konceptualni model elektromagnetne indukcije. Dva dodatna dela rada objavljena su u ranom delu 1862. U prvom je raspravlja o prirodi elektrostatike i struje pomaka. Završni deo odnosio se na rotaciju ravni polarizacije svetla u magnetskom polju, pojavu koji je otkrio Faradej i koji se danas naziva Faradejov učinak.

Kasne godine

Godine 1865. Maksvel je odstupio sa mesta na Univerzitetu Kings koledža, te se sa suprugom Katarinom preselio u Glenler. Godine 1871. postao je prvi Kavendišov profesor fizike na Kembridžu. Zadužen je za opremanje Kavendišovih laboratorija, vrednim uređajima, što je sponzorirao Vilijam Kavendiš, 7. vojvoda od Devonšira. Preminuo je 5. novembra 1879. u dobi od 48 godina od posledica tumora trbušne šupljine, kao i njegova majka. Sahranjen je u naselju Parton, u blizini grada Kasl Daglas, u Škotskoj.

Maksvelov kolega i prijatelj Luis Kambel, izdao je 1882. njegovu biografiju The Life of James Clerk Maxwell, i kolekciju njegovih pesama.

Doprinosi

Maksvelove jednačine

Glavni članak: Maksvelove jednačine

Najznačajniji Maksvelov rad je u oblasti elektriciteta. Njegov najvažniji doprinos je proširenje i matematička formulacija ranijih radova o elektricitetu i magnetizmu Majkla Faradeja, Andre-Marija Ampera i drugih u povezani set diferencijalnih jednačina. Ove jednačine, poznate i kao Maksvelove jednačine su prvi put pokazane Kraljevskom društvu 1864. i opisuju ponašanje i veze električnog i magnetnog polja, kao i njihovu interakciju sa materijom.

Maksvel jednačine su predvidele postojanje talasa od oscilujućih električnih i magnetnih polja koje putuju kroz prazan prostor brzinom koja se može dobiti iz prostih električnih eksperimenata; koristeći podatke dostupne u to vreme, Maksvel je dobio brzinu od 310.740.000 m/s.

Pokazalo se da je Maksvel bio u pravu i njegova kvantitativna veza između svetlosti i elektromagnetizma se smatra jednim od najvećih trijumfa fizike 19. veka.

Maksvelov zakon raspodele

Glavni članak: Maksvelov zakon raspodele

Maksvelov zakon raspodele zakon je statističke mehanike koji određuje raspodelu verovatnoća brzina molekula u gasu zavisno od temperature. U nekoj zapremini gasa molekuli mogu poprimiti sve moguće brzine, ali prema Maksvelovu istraživanju postoji uvek određena brzina koja je najverojatnija pri određenoj temperaturi, i najveći broj molekula u gasu ima upravo brzine bliske toj brzini. Prema tom zakonu raspodele vidljivo je koliko molekula u proseku otpada na pojedinu moguću brzinu. S porastom temperature postaje i najverojatnija brzina sve veća, tako da je prosečna brzina kojom se kreću molekuli u vrelom gasu veća nego prosečna brzina molekula u gasu pri nižoj temperaturi.

Maksvelove diferencijalne jednačine

Maksvelove diferencijalne jednačine osnovne su jednačine elektrodinamike koje izražavaju povezanost električnog i magnetskog polja te opisuju način njihova menjanja u vakuumu. Prema njima, dovoljno je poznavati u nekom trenutku električno i magnetsko polje u prostoru da bi se jednoznačno mogao odrediti vremenski tok polja u budućnosti:

${\begin{aligned}\nabla \cdot \mathbf {E} &=0\quad &\nabla \times \mathbf {E} &=-{\frac {\partial \mathbf {H} }{\partial t}},\\\nabla \cdot \mathbf {H} &=0\quad &\nabla \times \mathbf {H} &={\frac {1}{c^{2}}}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}.\end{aligned}}$

gde je: H - vektor magnetskog polja, E - vektor električnog polja, c - brzina širenja promene, odnosno brzina svetlosti, t - vreme.

Maksvelova jednačina za indeks loma

Glavni članak: Indeks prelamanja

Maksvelova jednačina za indeks loma relacija je koja povezuje realni deo indeksa loma n s relativnom dielektričnom permitivnošću ε_r i relativne magnetske permeabilnosti μ_r sredine u kojoj se svetlost širi:

$n={\sqrt {\varepsilon _{\mathrm {r} }\cdot \mu _{\mathrm {r} }}}$

Ostavština

Glavni članak: Spisak stvari koje su imenovane po Džejmsu Klerku Maksvelu

Spomenik Džejmsa Klerka Maksvela u Edinburgu, rad Aleksandra Stodarta.

Njegovo ime poštuje na nekoliko načina:

• Maksvel (Mx), izvedena jedinca za merenje magnetnog fluksa
• Džejms Klerk Maksvelova nagrada za fiziku plazme Američkog fizičkog društva
• IEEE Maksvelova nagrada
• Maksvel montes, planinski lanac na Veneri
• Maksvelov međuprostor u saturnovim prstenovima
• Džejms Klerk Maksvelov teleskop, najveći astronomski teleskop submilimetarske-talasne dužine na svetu, sa prečnikom od 15 m ]
• Džejms Klerk Maksvelova zgrada Univerziteta u Edinburgu, u kojoj su škole za matematiku, fiziku i meteorologiju
• Džejms Klerk Maksvelova zgrada u Vaterlo kampusu Kings koledža u Londonu, katedra za fiziku, i društvo za dodiplomske fizičare su imenovani po njemu na ovom univerzitetu.
• Džejms Klerk Maksvelov naučni centar Edinburške akademije
• Maksvelov centar Univerziteta u Kembridžu, posvećen akademsko industrijskim interakcijama u fizičkim naukama i tehnologiji.
• Statua na Edinburškoj ulici George Street
• GPU proizvođač Nvidia je nazvao arhitekturu svoje GeForce 900 serije po Maksvelu

Radovi

• Maxwell, James Clerk (1873), A treatise on electricity and magnetism Vol I, Oxford : Clarendon Press 
• Maxwell, James Clerk (1873), A treatise on electricity and magnetism Vol II, Oxford : Clarendon Press 
• Maxwell, James Clerk (1881), An Elementary treatise on electricity, Oxford : Clarendon Press 
• Maxwell, James Clerk (1890), The scientific papers of James Clerk Maxwell Vol I, Dover Publication 
• Maxwell, James Clerk (1890), The scientific papers of James Clerk Maxwell Vol II, Cambridge, University Press 
• Maxwell, James Clerk (1908). Theory of heat. Longmans Green Co. 
• Three of Maxwell's contributions to Encyclopædia Britannica appeared in the Ninth Edition (1878): Atom,[1] Attraction,[2],and Ether[3]; and three in the Eleventh Edition (1911): Capillary Action,[4] Diagram,[5] and Faraday, Michael[6].

Literatura

• Barrett, Terence William; Grimes, Dale Mills (1995). Advanced Electromagnetism: Foundations, Theory and Applications. World Scientific. ISBN 9789810220952. 
• Campbell, Lewis; Garnett, William (1882). The Life of James Clerk Maxwell (PDF). Edinburgh: MacMillan. OCLC 2472869. 
• Eyges, Leonard (1972). The Classical Electromagnetic Field. New York: Dover Publications Inc. 
• Gardner, Martin (2007). The Last Recreations: Hydras, Eggs, and Other Mathematical Mystifications. New York: Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-25827-0. 
• Glazebrook, R. T. (1896). James Clerk Maxwell and Modern Physics. 811951455. OCLC 811951455. 
• Harman, Peter M. (1998). The Natural Philosophy of James Clerk Maxwell. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-00585-2. 
• Harman, Peter M. (2004). „Maxwell, James”. Oxford Dictionary of National Biography (online izd.). Oxford University Press. doi:10.1093/ref:odnb/5624.  (Subscription or UK public library membership required.)
• Mahon, Basil (2003). The Man Who Changed Everything – the Life of James Clerk Maxwell. Hoboken, NJ: Wiley. ISBN 978-0-470-86171-4. 
• Porter, Roy (2000). Hutchinson Dictionary of Scientific Biography. Hodder Arnold H&S. ISBN 978-1-85986-304-6. OCLC 59409209. 
• Russo, Remigio (1996). Mathematical Problems in Elasticity. World Scientific. ISBN 978-981-02-2576-6. 
• Timoshenko, Stephen (1983). History of Strength of Materials. Courier Dover Publications. ISBN 978-0-486-61187-7. 
• Tolstoy, Ivan (1982). James Clerk Maxwell: A Biography. University of Chicago Press. ISBN 978-0-226-80787-4. OCLC 8688302. 
• Warwick, Andrew (2003). Masters of Theory: Cambridge and the Rise of Mathematical Physics. University of Chicago Press. ISBN 978-0-226-87374-9. 
• Waterston, Charles D; Macmillan Shearer, A. (2006). Former Fellows of the Royal Society of Edinburgh 1783–2002: Biographical Index (PDF). II. Edinburgh: The Royal Society of Edinburgh. ISBN 978-0-902198-84-5. Arhivirano iz originala (PDF) 05. 04. 2019. g. Pristupljeno 15. 07. 2017. 

Spoljašnje veze

• Radovi Džejmsa Klerka Maksvela u internet arhivi
• Genealogy and Coat of Arms of James Clerk Maxwell (1831–1879) – Numericana
• Campbell, Lewis, "Život Džejms Klerk Maksvel Arhivirano na sajtu Wayback Machine (29. april 2008)". 1882. [Digital Preservation]
• Džejms Klerk Maksvel fondacija uključujući virtualnu turu kroz muzej
• Maxwell Year 2006 Events planned to mark 175th anniversary of Clerk Maxwell's birth.
• BBC Radio 4 In Our Time – JAMES CLERK MAXWELL – streaming audio
• James Clerk Maxwell on ScotlandsPeople website Arhivirano na sajtu Wayback Machine (30. decembar 2006) – Maksvelova poslednja volja i testament
• O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F. „Džejms Klerk Maksvel”. MacTutor History of Mathematics archive. University of St Andrews.