James Clerk Maxwell FRSE FRS (13 de junio de 1831 - 5 de noviembre de 1879) fue un físico escocés con amplios intereses [1] [2] responsable de la teoría clásica de la radiación electromagnética , que fue la primera teoría en describir la electricidad, el magnetismo y la luz. como manifestaciones diferentes de un mismo fenómeno. Las ecuaciones de Maxwell para el electromagnetismo han sido llamadas la " segunda gran unificación de la física " [3] , mientras que la primera había sido realizada por Isaac Newton .
Con la publicación de " Una teoría dinámica del campo electromagnético " en 1865, Maxwell demostró que los campos eléctricos y magnéticos viajan a través del espacio como ondas que se mueven a la velocidad de la luz . Propuso que la luz es una ondulación en el mismo medio que es la causa de los fenómenos eléctricos y magnéticos. [4] La unificación de los fenómenos luminosos y eléctricos llevó a su predicción de la existencia de ondas de radio . Maxwell también es considerado uno de los fundadores del campo moderno de la ingeniería eléctrica . [5]
Maxwell fue el primero en derivar la distribución de Maxwell-Boltzmann , un medio estadístico para describir aspectos de la teoría cinética de los gases , en la que trabajó esporádicamente a lo largo de su carrera. [6] También es conocido por presentar la primera fotografía en color duradera en 1861 y por su trabajo fundamental en el análisis de la rigidez de las estructuras de varillas y juntas ( armazones ) como las de muchos puentes. Es responsable del análisis dimensional moderno . [7] [8] Maxwell también es reconocido por sentar las bases de la teoría del caos . [9] [10]
Sus descubrimientos ayudaron a marcar el comienzo de la era de la física moderna, sentando las bases para campos como la relatividad especial y la mecánica cuántica . Muchos físicos consideran a Maxwell como el científico del siglo XIX que tuvo la mayor influencia en la física del siglo XX. Muchos consideran que sus contribuciones a la ciencia son de la misma magnitud que las de Isaac Newton y Albert Einstein . [11] En la encuesta del milenio, una encuesta de los 100 físicos más destacados, Maxwell fue elegido como el tercer físico más importante de todos los tiempos, sólo detrás de Newton y Einstein. [12] En el centenario del cumpleaños de Maxwell, Einstein describió el trabajo de Maxwell como "el más profundo y el más fructífero que la física haya experimentado desde la época de Newton". [13] Cuando Einstein visitó la Universidad de Cambridge en 1922, su anfitrión le dijo que había hecho grandes cosas porque se apoyaba en los hombros de Newton; Einstein respondió: "No, no lo hago. Estoy sobre los hombros de Maxwell". [14] Tom Siegfried describió a Maxwell como "uno de esos genios que ocurren una vez cada siglo y que percibían el mundo físico con sentidos más agudos que quienes lo rodeaban". [15]
James Clerk Maxwell nació el 13 de junio de 1831 [16] en 14 India Street, Edimburgo , hijo de John Clerk Maxwell de Middlebie , un abogado, y Frances Cay, [17] [18] hija de Robert Hodshon Cay y hermana de John Cay . (Su lugar de nacimiento ahora alberga un museo operado por la Fundación James Clerk Maxwell .) Su padre era un hombre de medios acomodados [19] de la familia Clerk de Penicuik , poseedores del título de baronet de Secretario de Penicuik . El hermano de su padre era el sexto baronet . [20] Había nacido como "John Clerk", agregando "Maxwell" a su nombre después de heredar (cuando era un bebé en 1793) la propiedad de Middlebie, una propiedad de Maxwell en Dumfriesshire. [17] James era primo hermano de la artista Jemima Blackburn [21] (la hija de la hermana de su padre) y del ingeniero civil William Dyce Cay (el hijo del hermano de su madre). Cay y Maxwell eran amigos cercanos y Cay actuó como su padrino cuando Maxwell se casó. [22]
Los padres de Maxwell se conocieron y se casaron cuando tenían más de treinta años; [23] su madre tenía casi 40 años cuando él nació. Habían tenido una hija anterior, una hija llamada Elizabeth, que murió en la infancia. [24]
Cuando Maxwell era joven, su familia se mudó a Glenlair , en Kirkcudbrightshire, que sus padres habían construido en una finca que comprendía 1.500 acres (610 ha). [25] Todos los indicios sugieren que Maxwell había mantenido una curiosidad insaciable desde una edad temprana. [26] A la edad de tres años, todo lo que se movía, brillaba o hacía ruido generaba la pregunta: "¿Qué pasa con eso?" [27] En un pasaje añadido a una carta de su padre a su cuñada Jane Cay en 1834, su madre describió este sentido innato de curiosidad:
Es un hombre muy feliz y ha mejorado mucho desde que el tiempo se hizo más moderado; trabaja muy bien con puertas, cerraduras, llaves, etc., y "muéstrame cómo funciona" nunca sale de su boca. También investiga el curso oculto de arroyos y campanas, la forma en que el agua llega del estanque a través de la pared.... [28]
Al reconocer el potencial del niño, Frances, la madre de Maxwell, asumió la responsabilidad de su educación temprana, que en la época victoriana era en gran medida tarea de la mujer de la casa. [29] A las ocho años podía recitar largos pasajes de John Milton y todo el salmo 119 (176 versos). De hecho, su conocimiento de las Escrituras ya era detallado; podía dar capítulos y versículos para casi cualquier cita de los salmos. Su madre enfermó de cáncer abdominal y, tras una operación fallida, murió en diciembre de 1839, cuando él tenía ocho años. Luego, su educación fue supervisada por su padre y la cuñada de su padre, Jane, quienes desempeñaron papeles fundamentales en su vida. [29] Su educación formal comenzó sin éxito bajo la dirección de un tutor contratado de 16 años. Poco se sabe sobre el joven contratado para instruir a Maxwell, excepto que trató al menor con dureza, reprendiéndolo por ser lento y descarriado. [29] El tutor fue despedido en noviembre de 1841. El padre de James lo llevó a la demostración de propulsión eléctrica y fuerza magnética de Robert Davidson el 12 de febrero de 1842, una experiencia con profundas implicaciones para el niño. [30]
Maxwell fue enviado a la prestigiosa Academia de Edimburgo . [31] Se alojaba durante el período lectivo en la casa de su tía Isabella. Durante este tiempo, su prima mayor Jemima fomentó su pasión por el dibujo. [32] Maxwell, de 10 años, habiendo sido criado en aislamiento en la finca rural de su padre, no encajaba bien en la escuela. [33] El primer año había estado lleno, lo que le obligó a unirse al segundo año con compañeros un año mayores que él. [33] Sus gestos y su acento de Galloway les parecieron rústicos a los otros chicos. Habiendo llegado su primer día de clases con un par de zapatos hechos en casa y una túnica, se ganó el cruel apodo de "Daftie". [34] Nunca pareció resentirse por el epíteto, y lo soportó sin quejarse durante muchos años. [35] El aislamiento social en la Academia terminó cuando conoció a Lewis Campbell y Peter Guthrie Tait , dos niños de una edad similar que se convertirían en eruditos notables más adelante en la vida. Siguieron siendo amigos de toda la vida. [17]
Maxwell quedó fascinado por la geometría a una edad temprana y redescubrió los poliedros regulares antes de recibir instrucción formal. [32] A pesar de haber ganado el premio de biografía de las Escrituras de la escuela en su segundo año, su trabajo académico pasó desapercibido [32] hasta que, a la edad de 13 años, ganó la medalla de matemáticas de la escuela y el primer premio tanto en inglés como en poesía. [36]
Los intereses de Maxwell iban mucho más allá del programa de estudios escolar y no prestó especial atención al rendimiento en los exámenes. [36] Escribió su primer artículo científico a la edad de 14 años. En él describía un medio mecánico para dibujar curvas matemáticas con un trozo de cordel, y las propiedades de las elipses , los óvalos cartesianos y las curvas relacionadas con más de dos focos . El trabajo, [17] [37] de 1846, "Sobre la descripción de curvas ovaladas y de aquellas que tienen una pluralidad de focos" [38] fue presentado a la Royal Society de Edimburgo por James Forbes , profesor de filosofía natural en la Universidad . de Edimburgo , [17] [37] porque se consideró que Maxwell era demasiado joven para presentar el trabajo él mismo. [39] La obra no era del todo original, ya que René Descartes también había examinado las propiedades de tales elipses multifocales en el siglo XVII, pero Maxwell había simplificado su construcción. [39]
Maxwell dejó la Academia en 1847 a los 16 años y comenzó a asistir a clases en la Universidad de Edimburgo . [40] Tuvo la oportunidad de asistir a la Universidad de Cambridge , pero decidió, después de su primer mandato, completar el curso completo de sus estudios universitarios en Edimburgo. El personal académico de la universidad incluía algunos nombres de gran prestigio; sus tutores de primer año incluyeron a Sir William Hamilton , quien le enseñó lógica y metafísica , Philip Kelland sobre matemáticas y James Forbes sobre filosofía natural . [17] No encontró sus clases exigentes, [41] y por lo tanto pudo sumergirse en el estudio privado durante el tiempo libre en la universidad y particularmente cuando regresó a su casa en Glenlair. [42] Allí experimentaría con aparatos químicos, eléctricos y magnéticos improvisados; sin embargo, sus principales preocupaciones se referían a las propiedades de la luz polarizada . [43] Construyó bloques de gelatina con formas , los sometió a diversas tensiones y, con un par de prismas polarizadores que le dio William Nicol , observó las franjas de colores que se habían desarrollado dentro de la gelatina. [44] A través de esta práctica descubrió la fotoelasticidad , que es un medio para determinar la distribución de tensiones dentro de las estructuras físicas. [45]
A los 18 años, Maxwell contribuyó con dos artículos para Transactions of the Royal Society of Edinburgh . Uno de ellos, "Sobre el equilibrio de los sólidos elásticos", sentó las bases para un descubrimiento importante más adelante en su vida, que fue la doble refracción temporal producida en líquidos viscosos por el esfuerzo cortante . [46] Su otro artículo fue "Rolling Curves" y, al igual que con el artículo "Oval Curves" que había escrito en la Academia de Edimburgo, nuevamente se lo consideró demasiado joven para pararse en la tribuna y presentarlo él mismo. En cambio, el documento fue entregado a la Royal Society por su tutor Kelland. [47]
En octubre de 1850, ya un consumado matemático, Maxwell dejó Escocia para ir a la Universidad de Cambridge . Inicialmente asistió a Peterhouse , pero antes del final de su primer mandato se transfirió a Trinity , donde creía que sería más fácil obtener una beca . [48] En Trinity fue elegido miembro de la sociedad secreta de élite conocida como los Apóstoles de Cambridge . [49] La comprensión intelectual de Maxwell de su fe cristiana y de la ciencia creció rápidamente durante sus años en Cambridge. Se unió a los "Apóstoles", una sociedad de debate exclusiva de la élite intelectual, donde a través de sus ensayos buscó desarrollar este entendimiento.
Ahora bien, mi gran plan, que fue concebido desde antiguo... es no dejar nada sin examinar voluntariamente. Nada debe ser terreno santo consagrado a la Fe Estacionaria, ya sea positivo o negativo. Toda la tierra en barbecho será arada y se seguirá un sistema regular de rotación. ... Nunca escondas nada, ya sea hierba o no, ni parezcas desear que se oculte. ... Nuevamente afirmo el derecho de invasión de cualquier parcela de Tierra Santa que cualquier hombre haya apartado. ... Ahora estoy convencido de que nadie excepto un cristiano puede realmente purgar su tierra de estos lugares santos. ... No digo que ningún cristiano tenga lugares cerrados de este tipo. Muchos tienen mucho y todos tienen algo. Pero hay extensiones extensas e importantes en el territorio de los burladores, los panteístas, los quietistas, los formalistas, los dogmáticos, los sensualistas y los demás, que están abierta y solemnemente tabú. ..."
El cristianismo, es decir, la religión de la Biblia, es el único esquema o forma de creencia que rechaza cualquier posesión bajo tal tenencia. Sólo aquí todo es gratis. Puedes volar hasta los confines del mundo y no encontrar más Dios que el Autor de la Salvación. Es posible que busques en las Escrituras y no encuentres un texto que te detenga en tus exploraciones. ...
Se supone comúnmente que el Antiguo Testamento, la Ley Mosaica y el judaísmo son "tabú" para los ortodoxos. Los escépticos pretenden haberlos leído y haber encontrado ciertas objeciones ingeniosas... que muchos de los ortodoxos no leídos admiten, y cierran el tema como si estuviera obsesionado. Pero viene una vela para expulsar a todos los fantasmas y osgos. Sigamos la luz. [50]
En el verano de su tercer año, Maxwell pasó algún tiempo en la casa de Suffolk del reverendo CB Tayler , tío de un compañero de clase, GWH Tayler. El amor de Dios mostrado por la familia impresionó a Maxwell, particularmente después de que el ministro y su esposa lo cuidaron de su mala salud. [51]
A su regreso a Cambridge, Maxwell escribe a su reciente anfitrión una carta locuaz y afectuosa que incluye el siguiente testimonio: [50]
... tengo la capacidad de ser más malvado que cualquier ejemplo que el hombre pueda darme, y ... si escapo, es sólo por la gracia de Dios ayudándome a deshacerme de mí mismo, parcialmente en la ciencia, más completamente en la sociedad. , —pero no perfectamente excepto comprometiéndome con Dios...
En noviembre de 1851, Maxwell estudió con William Hopkins , cuyo éxito en la formación del genio matemático le había valido el sobrenombre de " fabricante de wrangler senior ". [52]
En 1854, Maxwell se graduó en Trinity con una licenciatura en matemáticas. Obtuvo el segundo puntaje más alto en el examen final, detrás de Edward Routh y ganándose el título de Segundo Wrangler. Más tarde fue declarado igual a Routh en la prueba más exigente del examen del Premio Smith . [53] Inmediatamente después de obtener su título, Maxwell leyó su artículo "Sobre la transformación de superficies mediante flexión" en la Sociedad Filosófica de Cambridge . [54] Este es uno de los pocos artículos puramente matemáticos que había escrito, lo que demuestra su creciente estatura como matemático. [55] Maxwell decidió permanecer en Trinity después de graduarse y solicitó una beca, que era un proceso que podía esperar que tomara un par de años. [56] Animado por su éxito como estudiante de investigación, sería libre, además de algunas tareas de tutoría y examen, de dedicarse a intereses científicos a su propio ritmo. [56]
La naturaleza y percepción del color fue uno de esos intereses que había comenzado en la Universidad de Edimburgo mientras era estudiante de Forbes. [57] Con las peonzas de colores inventadas por Forbes, Maxwell pudo demostrar que la luz blanca resultaría de una mezcla de luz roja, verde y azul. [57] Su artículo "Experimentos sobre el color" expuso los principios de la combinación de colores y fue presentado a la Real Sociedad de Edimburgo en marzo de 1855. [58] Esta vez Maxwell pudo presentarlo él mismo. [58]
Maxwell fue nombrado miembro de Trinity el 10 de octubre de 1855, antes de lo normal, [58] y se le pidió que preparara conferencias sobre hidrostática y óptica y preparara exámenes. [59] En febrero siguiente, Forbes lo instó a postularse para la recién vacante Cátedra de Filosofía Natural en Marischal College , Aberdeen . [60] [61] Su padre lo ayudó en la tarea de preparar las referencias necesarias, pero murió el 2 de abril en Glenlair antes de que ninguno de los dos supiera el resultado de la candidatura de Maxwell. [61] Aceptó la cátedra en Aberdeen y dejó Cambridge en noviembre de 1856. [59]
Maxwell, de 25 años, era 15 años más joven que cualquier otro profesor de Marischal. Se comprometió con sus nuevas responsabilidades como jefe de departamento, diseñando el programa de estudios y preparando conferencias. [62] Se comprometió a dar conferencias 15 horas a la semana, incluida una conferencia semanal pro bono en la universidad local para trabajadores. [62] Vivía en Aberdeen con su primo William Dyce Cay , un ingeniero civil escocés, durante los seis meses del año académico y pasaba los veranos en Glenlair, que había heredado de su padre. [20]
Centró su atención en un problema que había eludido a los científicos durante 200 años: la naturaleza de los anillos de Saturno . No se sabía cómo podían permanecer estables sin romperse, alejarse o estrellarse contra Saturno. [63] El problema adquirió una resonancia particular en ese momento porque St John's College, Cambridge , lo había elegido como tema para el Premio Adams de 1857 . [64] Maxwell dedicó dos años a estudiar el problema, demostrando que un anillo sólido regular no podía ser estable, mientras que un anillo fluido se vería obligado por la acción de las olas a romperse en gotas. Como no se observó ninguno de los dos, concluyó que los anillos debían estar compuestos por numerosas partículas pequeñas que llamó "murciélagos de ladrillo", cada una de las cuales orbitaba independientemente a Saturno. [64] Maxwell recibió el premio Adams de £ 130 en 1859 por su ensayo "Sobre la estabilidad del movimiento de los anillos de Saturno"; [65] fue el único participante que avanzó lo suficiente como para presentar una inscripción. [66] Su trabajo fue tan detallado y convincente que cuando George Biddell Airy lo leyó comentó: "Es una de las aplicaciones más notables de las matemáticas a la física que jamás haya visto". [1] Se consideró la última palabra sobre el tema hasta que las observaciones directas de los sobrevuelos de la Voyager en la década de 1980 confirmaron la predicción de Maxwell de que los anillos estaban compuestos de partículas. [67] Ahora se entiende, sin embargo, que las partículas de los anillos no son totalmente estables y son atraídas por la gravedad hacia Saturno. Se espera que los anillos desaparezcan por completo en los próximos 300 millones de años. [68]
En 1857, Maxwell se hizo amigo del reverendo Daniel Dewar, entonces director de Marischal. [69] A través de él, Maxwell conoció a la hija de Dewar, Katherine Mary Dewar . Se comprometieron en febrero de 1858 y se casaron en Aberdeen el 2 de junio de 1858. En el acta de matrimonio, Maxwell figura como profesor de Filosofía Natural en Marischal College, Aberdeen. [70] Katherine era siete años mayor que Maxwell. Se sabe comparativamente poco de ella, aunque se sabe que ayudó en su laboratorio y trabajó en experimentos de viscosidad . [71] El biógrafo y amigo de Maxwell, Lewis Campbell, adoptó una reticencia inusual sobre el tema de Katherine, aunque describió su vida matrimonial como "una de devoción sin igual". [72]
En 1860 Marischal College se fusionó con el vecino King's College para formar la Universidad de Aberdeen . No había lugar para dos profesores de Filosofía Natural, por lo que Maxwell, a pesar de su reputación científica, se vio despedido. No logró postularse para la cátedra recientemente vacante de Forbes en Edimburgo, y el puesto recayó en Tait . En cambio , a Maxwell se le concedió la cátedra de Filosofía Natural en el King's College de Londres . [73] Después de recuperarse de un ataque casi fatal de viruela en 1860, se mudó a Londres con su esposa. [74]
La época de Maxwell en King's fue probablemente la más productiva de su carrera. Fue galardonado con la Medalla Rumford de la Royal Society en 1860 por su trabajo sobre el color y más tarde fue elegido miembro de la Sociedad en 1861. [76] Este período de su vida lo vería mostrar la primera fotografía en color resistente a la luz del mundo y desarrollar aún más sus ideas. sobre la viscosidad de los gases y propone un sistema para definir cantidades físicas, ahora conocido como análisis dimensional . Maxwell asistía a menudo a conferencias en la Royal Institution , donde entró en contacto regular con Michael Faraday . La relación entre los dos hombres no podía describirse como cercana, porque Faraday era 40 años mayor que Maxwell y mostraba signos de senilidad . Sin embargo, mantuvieron un gran respeto por los talentos de los demás. [77]
Esta vez es especialmente notable por los avances que Maxwell hizo en los campos de la electricidad y el magnetismo. Examinó la naturaleza de los campos eléctricos y magnéticos en su artículo de dos partes " Sobre líneas físicas de fuerza ", que se publicó en 1861. En él proporcionó un modelo conceptual para la inducción electromagnética , que consiste en pequeñas células giratorias de flujo magnético . Posteriormente se agregaron y publicaron dos partes más en ese mismo artículo a principios de 1862. En la primera parte adicional discutió la naturaleza de la electrostática y la corriente de desplazamiento . En la segunda parte adicional, abordó la rotación del plano de polarización de la luz en un campo magnético, fenómeno que había sido descubierto por Faraday y que ahora se conoce como efecto Faraday . [78]
En 1865, Maxwell renunció a la cátedra del King's College de Londres y regresó a Glenlair con Katherine. En su artículo "Sobre los gobernadores" (1868) describió matemáticamente el comportamiento de los gobernadores (dispositivos que controlan la velocidad de las máquinas de vapor), estableciendo así las bases teóricas de la ingeniería de control. [79] En su artículo "Sobre figuras recíprocas, marcos y diagramas de fuerzas" (1870) analizó la rigidez de varios diseños de celosías. [80] [81] Escribió el libro de texto Teoría del calor (1871) y el tratado Materia y movimiento (1876). Maxwell también fue el primero en hacer uso explícito del análisis dimensional , en 1871. [82]
En 1871 regresó a Cambridge para convertirse en el primer profesor Cavendish de Física . [83] Maxwell fue puesto a cargo del desarrollo del Laboratorio Cavendish , supervisando cada paso en el progreso de la construcción y de la compra de la colección de aparatos. [84] Una de las últimas grandes contribuciones de Maxwell a la ciencia fue la edición (con abundantes notas originales) de la investigación de Henry Cavendish , de la que se desprende que Cavendish investigó, entre otras cosas, cuestiones como la densidad de la Tierra y la composición. de agua. [85] Fue elegido miembro de la Sociedad Filosófica Estadounidense en 1876. [86]
En abril de 1879, Maxwell empezó a tener dificultades para tragar, primer síntoma de su enfermedad mortal. [87]
Maxwell murió en Cambridge de cáncer abdominal el 5 de noviembre de 1879 a la edad de 48 años. [40] Su madre había muerto a la misma edad por el mismo tipo de cáncer. [88] El ministro que lo visitó regularmente en sus últimas semanas quedó asombrado por su lucidez y el inmenso poder y alcance de su memoria, pero comenta más particularmente:
... su enfermedad arrancó todo el corazón, alma y espíritu del hombre: su fe firme e indudable en la Encarnación y todos sus resultados; en la plena suficiencia de la Expiación; en la obra del Espíritu Santo. Había evaluado y sondeado todos los esquemas y sistemas de la filosofía, y los había encontrado completamente vacíos e insatisfactorios (“inviables” fue su propia palabra sobre ellos) y se dirigió con fe sencilla al Evangelio del Salvador.
A medida que se acercaba la muerte, Maxwell le dijo a un colega de Cambridge: [50]
He estado pensando en lo gentilmente que siempre me han tratado. Nunca he recibido un empujón violento en toda mi vida. El único deseo que puedo tener es, como David, servir a mi propia generación por la voluntad de Dios y luego quedarme dormido.
Maxwell está enterrado en Parton Kirk, cerca de Castle Douglas en Galloway, cerca de donde creció. [89] La biografía ampliada La vida de James Clerk Maxwell , de su antiguo compañero de escuela y amigo de toda la vida, el profesor Lewis Campbell , se publicó en 1882. [90] [91] Sus obras completas fueron publicadas en dos volúmenes por Cambridge University Press en 1890. [92 ]
Los albaceas del patrimonio de Maxwell fueron su médico George Edward Paget , GG Stokes y Colin Mackenzie, que era primo de Maxwell. Sobrecargado de trabajo, Stokes pasó los documentos de Maxwell a William Garnett , quien tuvo la custodia efectiva de los documentos hasta aproximadamente 1884. [93]
Hay una inscripción en su memoria cerca del biombo del coro de la Abadía de Westminster . [94]
Como gran amante de la poesía escocesa , Maxwell memorizaba poemas y escribía los suyos propios. [95] El más conocido es Rigid Body Sings , basado estrechamente en " Comin' Through the Rye " de Robert Burns , que aparentemente solía cantar mientras se acompañaba con una guitarra. Tiene las primeras líneas [96]
Gin un cuerpo se encuentra con un cuerpo
Volando por el aire.
Gin un cuerpo golpeó un cuerpo,¿Volará? ¿Y donde?
Su amigo Lewis Campbell publicó una colección de sus poemas en 1882. [97]
Las descripciones de Maxwell resaltan que sus notables cualidades intelectuales van acompañadas de torpeza social. [98]
Maxwell escribió el siguiente aforismo sobre su propia conducta como científico:
El que quiera disfrutar de la vida y actuar con libertad debe tener el trabajo del día continuamente ante sus ojos. No el trabajo de ayer, para que no caiga en la desesperación, no el de mañana, para que no se convierta en un visionario, no el que termina con el día, que es un trabajo mundano, ni tampoco el que permanece solo para la eternidad, porque con él no puede moldear su acción. Feliz el hombre que puede reconocer en el trabajo de hoy una porción conectada del trabajo de la vida y una encarnación del trabajo de la eternidad. Los fundamentos de su confianza son inmutables, porque se le ha hecho partícipe del Infinito. Trabaja intensamente en sus empresas diarias, porque el presente le es dado como posesión. [99]
Maxwell era un presbiteriano evangélico y en sus últimos años se convirtió en anciano de la Iglesia de Escocia . [100] Las creencias religiosas de Maxwell y las actividades relacionadas han sido el foco de varios artículos. [101] [102] [103] [104] Maxwell asistió a los servicios de la Iglesia de Escocia (la denominación de su padre) y de los episcopales (la denominación de su madre) cuando era niño y se sometió a una conversión evangélica en abril de 1853. Una faceta de esta conversión puede tener Lo alineó con una posición antipositivista . [103]
Maxwell había estudiado y comentado sobre la electricidad y el magnetismo ya en 1855 cuando su artículo "Sobre las líneas de fuerza de Faraday" fue leído en la Sociedad Filosófica de Cambridge . [105] El artículo presenta un modelo simplificado del trabajo de Faraday y cómo se relacionan la electricidad y el magnetismo. Redujo todo el conocimiento actual a un conjunto vinculado de ecuaciones diferenciales con 20 ecuaciones en 20 variables. Este trabajo se publicó posteriormente como " Sobre las líneas físicas de fuerza " en marzo de 1861. [106]
Hacia 1862, mientras daba una conferencia en el King's College, Maxwell calculó que la velocidad de propagación de un campo electromagnético es aproximadamente la de la velocidad de la luz . Consideró que esto era más que una simple coincidencia y comentó: "Difícilmente podemos evitar la conclusión de que la luz consiste en ondulaciones transversales del mismo medio que es la causa de los fenómenos eléctricos y magnéticos. [1]
Trabajando más a fondo el problema, Maxwell demostró que las ecuaciones predicen la existencia de ondas de campos eléctricos y magnéticos oscilantes que viajan a través del espacio vacío a una velocidad que podría predecirse a partir de experimentos eléctricos simples; Utilizando los datos disponibles en ese momento, Maxwell obtuvo una velocidad de 310.740.000 metros por segundo (1,0195 × 10 9 pies/s). [107] En su artículo de 1865 " Una teoría dinámica del campo electromagnético ", Maxwell escribió: "La concordancia de los resultados parece mostrar que la luz y el magnetismo son afecciones de la misma sustancia, y que la luz es una perturbación electromagnética propagada a través del campo según las leyes electromagnéticas". [4]
Sus famosas veinte ecuaciones, en su forma moderna de ecuaciones diferenciales parciales , aparecieron por primera vez en forma completamente desarrollada en su libro de texto Tratado sobre electricidad y magnetismo en 1873. [108] La mayor parte de este trabajo fue realizado por Maxwell en Glenlair durante el período entre la celebración de su puesto en Londres y su toma de posesión de la silla Cavendish. [1] Oliver Heaviside redujo la complejidad de la teoría de Maxwell a cuatro ecuaciones diferenciales parciales , [109] conocidas ahora colectivamente como Leyes de Maxwell o ecuaciones de Maxwell . Aunque los potenciales se volvieron mucho menos populares en el siglo XIX, [110] el uso de potenciales escalares y vectoriales es ahora estándar en la solución de las ecuaciones de Maxwell. [111]
Como describen Barrett y Grimes (1995): [112]
Maxwell expresó el electromagnetismo en el álgebra de cuaterniones e hizo del potencial electromagnético la pieza central de su teoría. En 1881, Heaviside reemplazó el campo potencial electromagnético por campos de fuerza como pieza central de la teoría electromagnética. Según Heaviside, el campo potencial electromagnético era arbitrario y necesitaba ser "asesinado". ( sic ) Unos años más tarde hubo un debate entre Heaviside y [Peter Guthrie] Tate ( sic ) sobre los méritos relativos del análisis vectorial y los cuaterniones . El resultado fue la comprensión de que no había necesidad de los mayores conocimientos físicos proporcionados por los cuaterniones si la teoría era puramente local, y el análisis vectorial se convirtió en algo común.
Se demostró que Maxwell tenía razón y su conexión cuantitativa entre la luz y el electromagnetismo se considera uno de los grandes logros de la física matemática del siglo XIX . [113]
Maxwell también introdujo el concepto de campo electromagnético en comparación con las líneas de fuerza que describió Faraday. [114] Al comprender la propagación del electromagnetismo como un campo emitido por partículas activas, Maxwell pudo avanzar en su trabajo sobre la luz. En aquella época, Maxwell creía que la propagación de la luz requería un medio para las ondas, denominado éter luminífero . [114] Con el tiempo, la existencia de tal medio, que impregna todo el espacio y, sin embargo, aparentemente indetectable por medios mecánicos, resultó imposible de conciliar con experimentos como el experimento de Michelson-Morley . [115] Además, parecía requerir un marco de referencia absoluto en el que las ecuaciones fueran válidas, con el desagradable resultado de que las ecuaciones cambiaban de forma para un observador en movimiento. Estas dificultades inspiraron a Albert Einstein a formular la teoría de la relatividad especial ; En el proceso, Einstein prescindió de la necesidad de un éter luminífero estacionario . [116]
Como la mayoría de los físicos de la época, Maxwell tenía un gran interés por la psicología. Siguiendo los pasos de Isaac Newton y Thomas Young , se interesó especialmente por el estudio de la visión del color . De 1855 a 1872, Maxwell publicó a intervalos una serie de investigaciones sobre la percepción del color, el daltonismo y la teoría del color, y recibió la medalla Rumford por "Sobre la teoría de la visión del color". [117]
Isaac Newton había demostrado, utilizando prismas, que la luz blanca, como la luz solar , se compone de una serie de componentes monocromáticos que luego podrían recombinarse para formar luz blanca. [118] Newton también demostró que una pintura naranja hecha de amarillo y rojo podía verse exactamente como una luz naranja monocromática, aunque estaba compuesta por dos luces monocromáticas amarillas y rojas. De ahí la paradoja que desconcertó a los físicos de la época: dos luces complejas (compuestas por más de una luz monocromática) podían parecerse pero ser físicamente diferentes, llamadas metámeras . Thomas Young propuso más tarde que esta paradoja podría explicarse porque los colores se perciben a través de un número limitado de canales en los ojos, lo que propuso como triple, [119] la teoría del color tricromático . Maxwell utilizó el álgebra lineal recientemente desarrollada para demostrar la teoría de Young. Cualquier luz monocromática que estimule tres receptores debería poder ser estimulada igualmente por un conjunto de tres luces monocromáticas diferentes (de hecho, por cualquier conjunto de tres luces diferentes). Demostró que ese era el caso, [120] inventando experimentos de combinación de colores y colorimetría .
Maxwell también estaba interesado en aplicar su teoría de la percepción del color, concretamente en la fotografía en color . Proviene directamente de su trabajo psicológico sobre la percepción del color: si una suma de tres luces cualesquiera pudiera reproducir cualquier color perceptible, entonces se podrían producir fotografías en color con un conjunto de tres filtros de colores. En el curso de su artículo de 1855, Maxwell propuso que, si se tomaban tres fotografías en blanco y negro de una escena a través de filtros rojo, verde y azul , y se proyectaban copias transparentes de las imágenes en una pantalla usando tres proyectores equipados con filtros similares, al superponerse en la pantalla el resultado sería percibido por el ojo humano como una reproducción completa de todos los colores de la escena. [121]
Durante una conferencia de la Royal Institution sobre teoría del color en 1861, Maxwell presentó la primera demostración mundial de fotografía en color mediante este principio de análisis y síntesis de tres colores. Thomas Sutton , inventor de la cámara réflex de objetivo único , tomó la fotografía. Fotografió tres veces una cinta de tartán , a través de filtros rojo, verde y azul, realizando también una cuarta fotografía a través de un filtro amarillo, que, según relato de Maxwell, no se utilizó en la manifestación. Como las placas fotográficas de Sutton eran insensibles al rojo y apenas sensibles al verde, los resultados de este experimento pionero estuvieron lejos de ser perfectos. En el relato publicado de la conferencia se comentó que "si las imágenes roja y verde hubieran sido fotografiadas tan completamente como la azul", "habría sido una imagen verdaderamente coloreada de la cinta. Al encontrar materiales fotográficos más sensibles a la rayos menos refractables, la representación de los colores de los objetos podría mejorarse enormemente." [76] [122] [123] Los investigadores en 1961 concluyeron que el éxito parcial aparentemente imposible de la exposición con filtro rojo se debía a la luz ultravioleta , que se refleja fuertemente en algunos tintes rojos, no completamente bloqueados por el filtro rojo utilizado, y dentro del rango de sensibilidad del proceso de colodión húmedo empleado por Sutton. [124]
Maxwell también investigó la teoría cinética de los gases. Originaria de Daniel Bernoulli , esta teoría fue avanzada por los sucesivos trabajos de John Herapath , John James Waterston , James Joule y particularmente Rudolf Clausius , hasta tal punto que su precisión general quedó fuera de toda duda; pero recibió un enorme desarrollo de parte de Maxwell, quien en este campo apareció como experimentador (sobre las leyes de la fricción gaseosa) además de matemático. [125]
Entre 1859 y 1866 desarrolló la teoría de las distribuciones de velocidades en partículas de un gas, trabajo posteriormente generalizado por Ludwig Boltzmann . [126] [127] La fórmula, llamada distribución de Maxwell-Boltzmann , da la fracción de moléculas de gas que se mueven a una velocidad específica a cualquier temperatura dada. En la teoría cinética , las temperaturas y el calor implican únicamente movimiento molecular. Este enfoque generalizó las leyes de la termodinámica previamente establecidas y explicó las observaciones y experimentos existentes mejor que lo que se había logrado anteriormente. Su trabajo en termodinámica lo llevó a idear el experimento mental que llegó a conocerse como el demonio de Maxwell , donde la segunda ley de la termodinámica es violada por un ser imaginario capaz de clasificar partículas por energía. [128]
En 1871, estableció las relaciones termodinámicas de Maxwell , que son enunciados de igualdad entre las segundas derivadas de los potenciales termodinámicos con respecto a diferentes variables termodinámicas. En 1874, construyó una visualización termodinámica en yeso como una forma de explorar las transiciones de fase, basada en los artículos de termodinámica gráfica del científico estadounidense Josiah Willard Gibbs . [129] [130]
Maxwell publicó el artículo "Sobre gobernadores" en Proceedings of the Royal Society , vol. 16 (1867–1868). [131] Este artículo se considera un artículo central de los primeros días de la teoría del control . [132] Aquí "gobernadores" se refiere al gobernador o al gobernador centrífugo utilizado para regular las máquinas de vapor .
