James Clerk Maxwell FRS FRSE (13 de junio de 1831 - 5 de noviembre de 1879) fue un físico escocés con amplios intereses [1] [2] que fue responsable de la teoría clásica de la radiación electromagnética , que fue la primera teoría en describir la electricidad, el magnetismo y la luz como diferentes manifestaciones del mismo fenómeno. Las ecuaciones de Maxwell para el electromagnetismo han sido llamadas la " segunda gran unificación en física " [3] donde 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 la luz y los fenómenos eléctricos condujo a su predicción de la existencia de ondas de radio . Maxwell también es considerado como uno de los fundadores del campo moderno de la ingeniería eléctrica . [5]
Maxwell fue el primero en derivar la distribución de Maxwell-Boltzmann , un método 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 los marcos de varillas y juntas ( cerchas ) como los 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 ha tenido la mayor influencia en la física del siglo XX. Sus contribuciones a la ciencia son consideradas por muchos como 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 votado como el tercer físico más grande de todos los tiempos, solo detrás de Newton y Einstein. [12] En el centenario del nacimiento de Maxwell, Einstein describió el trabajo de Maxwell como el "más profundo y el más fructífero que la física ha experimentado desde la época de Newton". [13] Einstein, cuando 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 me apoyo en los hombros de Maxwell". [14] Tom Siegfried describió a Maxwell como "uno de esos genios que aparecen una vez cada siglo y que percibían el mundo físico con sentidos más agudos que los que lo rodeaban". [15]
James Clerk Maxwell nació el 13 de junio de 1831 [16] en el número 14 de 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 alberga ahora 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 Clerk de Penicuik . El hermano de su padre era el sexto baronet . [20] Había nacido "John Clerk", añadiendo "Maxwell" al suyo después de heredar (cuando era un bebé en 1793) la finca Middlebie, una propiedad de Maxwell en Dumfriesshire. [17] James era primo hermano de la artista Jemima Blackburn [21] (hija de la hermana de su padre) y del ingeniero civil William Dyce Cay (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 ya tenían más de treinta años; [23] su madre tenía casi cuarenta cuando él nació. Habían tenido una hija antes, 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 la 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 provocaba la pregunta: "¿qué es 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 clima se ha moderado; es un gran profesional con puertas, cerraduras, llaves, etc., y nunca se le va la mano con la frase "enséñame cómo se hace". También investiga el curso oculto de los arroyos y los cables de las campanas, la forma en que el agua llega desde el estanque a través del muro... [28]
Reconociendo el potencial del niño, la madre de Maxwell, Frances, se hizo responsable de su educación temprana, que en la era victoriana era en gran parte tarea de la mujer de la casa. [29] A los ocho años podía recitar largos pasajes de John Milton y todo el Salmo 119 (176 versículos). De hecho, su conocimiento de las Escrituras ya era detallado; podía dar capítulo y versículo para casi cualquier cita de los Salmos. Su madre enfermó de cáncer abdominal y, después de una operación fallida, murió en diciembre de 1839 cuando tenía ocho años. Su educación fue supervisada entonces 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 guía de un tutor contratado de 16 años. Poco se sabe sobre el joven contratado para instruir a Maxwell, excepto que trataba al niño más joven con dureza, reprendiéndolo por ser lento y desobediente. [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 pasión por el dibujo fue alentada por su prima mayor Jemima. [32] Maxwell, de 10 años, habiendo sido criado en aislamiento en la finca rural de su padre, no se adaptó bien a la escuela. [33] El primer año había estado lleno, lo que lo obligó a unirse al segundo año con compañeros de clase un año mayores que él. [33] Sus gestos y acento de Galloway le parecieron rústicos a los otros chicos. Habiendo llegado en su primer día de escuela con un par de zapatos hechos en casa y una túnica, se ganó el apodo poco amable de "Daftie". [34] Nunca pareció resentirse por el epíteto, 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 chicos de una edad similar que se convertirían en notables eruditos más adelante en la vida. Siguieron siendo amigos de por vida. [17]
Maxwell quedó fascinado por la geometría desde temprana edad, redescubriendo los poliedros regulares antes de recibir instrucción formal. [32] A pesar de haber ganado el premio de biografía bíblica de la escuela en su segundo año, su trabajo académico pasó desapercibido [32] hasta que, a la edad de 13 años, ganó la medalla matemática de la escuela y el primer premio tanto de inglés como de poesía. [36]
Los intereses de Maxwell iban mucho más allá del programa escolar y no prestaba especial atención al rendimiento en los exámenes. [36] Escribió su primer artículo científico a la edad de 14 años. En él, describió 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 las curvas ovaladas y las 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 Maxwell fue considerado demasiado joven para presentar el trabajo él mismo. [39] El trabajo no era completamente 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 semestre, completar el curso completo de sus estudios universitarios en Edimburgo. El personal académico de la universidad incluía algunos nombres muy respetados; sus tutores de primer año incluyeron a Sir William Hamilton , quien le dio conferencias sobre 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 estaba de regreso en 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 moldeados , 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 las Transactions of the Royal Society of Edinburgh . Uno de ellos, "On the Equilibrium of Elastic Solids", sentó las bases para un importante descubrimiento posterior en su vida, que fue la doble refracción temporal producida en líquidos viscosos por la tensión de corte . [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 consideró que era demasiado joven para subir al podio para presentarlo él mismo. El artículo fue entregado a la Royal Society por su tutor Kelland. [47]
En octubre de 1850, ya convertido en un matemático consumado, Maxwell abandonó Escocia para ir a la Universidad de Cambridge . Inicialmente asistió a Peterhouse , pero antes de que terminara su primer período se trasladó 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 trató de desarrollar esta comprensión.
Ahora bien, mi gran plan, que fue concebido hace mucho tiempo... es no dejar nada sin examinar voluntariamente. Nada debe ser tierra santa consagrada a la Fe Estacionaria, ya sea positiva o negativa. Toda tierra en barbecho debe ser arada y se debe seguir un sistema regular de rotación... Nunca escondas nada, sea maleza o no, ni parezcas querer ocultarlo... Una vez más, afirmo el Derecho de Intrusión en cualquier parcela de Tierra Santa que cualquier hombre haya apartado... Ahora estoy convencido de que nadie más que un cristiano puede realmente purgar su tierra de estos lugares sagrados... No digo que ningún cristiano tenga lugares cerrados de este tipo. Muchos tienen una gran cantidad, y todos tienen algo. Pero hay extensas e importantes extensiones en el territorio del Escarnecedor, el Panteísta, el Quietista, el Formalista, el Dogmático, el Sensualista y el resto, que están abierta y solemnemente Prohibidas...
El cristianismo, es decir, la religión de la Biblia, es el único sistema o forma de creencia que niega cualquier posesión en tal tenencia. Sólo aquí todo es libre. Puedes volar hasta los confines del mundo y no encontrar otro Dios que el Autor de la Salvación. Puedes escudriñar las Escrituras y no encontrar un texto que te detenga en tus exploraciones. ...
Los ortodoxos consideran comúnmente que el Antiguo Testamento, la ley mosaica y el judaísmo son tabú. Los escépticos pretenden haberlos leído y han encontrado ciertas objeciones ingeniosas... que muchos ortodoxos que no los leen admiten, y cierran el tema como algo que les preocupa. Pero una vela está llegando para expulsar a todos los fantasmas y a los espantajos. 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 que le demostraba la familia impresionó a Maxwell, en particular después de que el ministro y su esposa lo ayudaran a recuperarse de su mala salud. [51]
A su regreso a Cambridge, Maxwell le escribe a su reciente anfitrión una carta amena y afectuosa que incluye el siguiente testimonio: [50]
... Tengo la capacidad de ser más malvado que cualquier ejemplo que el hombre pudiera 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 entregándome a Dios...
En noviembre de 1851, Maxwell estudió con William Hopkins , cuyo éxito en el fomento del genio matemático le había valido el apodo de " el creador de grandes pensadores ". [52]
En 1854, Maxwell se graduó en Trinity con un título en matemáticas. Obtuvo la segunda puntuación más alta en el examen final, detrás de Edward Routh y se ganó el título de Second 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 por 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 llevara un par de años. [56] Animado por su éxito como estudiante de investigación, sería libre, aparte de algunas tareas de tutoría y examen, para perseguir intereses científicos a su propio ritmo. [56]
La naturaleza y la percepción del color era uno de esos intereses que había comenzado a desarrollar 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 Royal Society de Edimburgo en marzo de 1855. [58] Esta vez Maxwell pudo exponerlo él mismo. [58]
Maxwell fue nombrado miembro de Trinity el 10 de octubre de 1855, antes de lo habitual, [58] y se le pidió que preparara conferencias sobre hidrostática y óptica y que preparara exámenes. [59] El siguiente febrero, Forbes lo instó a solicitar la cátedra de filosofía natural recientemente vacante 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 abandonó Cambridge en noviembre de 1856. [59]
Maxwell, de 25 años, era 15 años más joven que cualquier otro profesor de Marischal. Se dedicó a sus nuevas responsabilidades como jefe de departamento, ideando el programa de estudios y preparando las clases. [62] Se comprometió a dar 15 horas de clase a la semana, incluida una clase semanal pro bono en la escuela de trabajadores local. [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]
Más tarde, su antiguo alumno describió a Maxwell de la siguiente manera:
A finales de la década de 1850, poco antes de las nueve de la mañana de cualquier mañana de invierno, es posible que hayas visto al joven James Clerk Maxwell, de entre veintitantos y treinta años, un hombre de mediana estatura, de complexión fuerte y cierta elasticidad en su andar; vestido para la comodidad más que para la elegancia; un rostro expresivo a la vez de sagacidad y buen humor, pero revestido de un profundo matiz de reflexión; rasgos marcados de forma agradable y audaz; ojos oscuros y brillantes; cabello y barba perfectamente negros, que formaban un fuerte contraste con la palidez de su tez. [63]
Centró su atención en un problema que había eludido a los científicos durante 200 años: la naturaleza de los anillos de Saturno . Se desconocía cómo podían permanecer estables sin romperse, alejarse o chocar con Saturno. [64] El problema adquirió una resonancia particular en ese momento porque el St John's College, Cambridge , lo había elegido como tema para el Premio Adams de 1857. [65] 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 manchas. Como no se observó ninguna de las dos cosas, concluyó que los anillos debían estar compuestos de numerosas partículas pequeñas a las que llamó "murciélagos", cada una de las cuales orbitaba independientemente Saturno. [65] Maxwell recibió el Premio Adams de 130 libras en 1859 por su ensayo "Sobre la estabilidad del movimiento de los anillos de Saturno"; [66] fue el único participante que había avanzado lo suficiente como para enviar una entrada. [67] 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 he visto jamás". [1] Se consideró que era la última palabra sobre el tema hasta que las observaciones directas de los sobrevuelos de las Voyager en la década de 1980 confirmaron la predicción de Maxwell de que los anillos estaban compuestos de partículas. [68] Sin embargo, ahora se sabe que las partículas de los anillos no son totalmente estables, ya que son atraídas por la gravedad hacia Saturno. Se espera que los anillos desaparezcan por completo en los próximos 300 millones de años. [69]
En 1857 Maxwell se hizo amigo del reverendo Daniel Dewar, que entonces era el director de Marischal. [70] 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 registro matrimonial, Maxwell aparece como profesor de Filosofía Natural en Marischal College, Aberdeen. [71] Katherine era siete años mayor que Maxwell. Comparativamente se sabe poco de ella, aunque se sabe que ayudó en su laboratorio y trabajó en experimentos sobre viscosidad . [72] El biógrafo y amigo de Maxwell, Lewis Campbell, adoptó una reticencia poco habitual sobre el tema de Katherine, aunque describió su vida matrimonial como "una de devoción sin igual". [73]
En 1860, el Marischal College se fusionó con el vecino King's College para formar la Universidad de Aberdeen . No había espacio para dos profesores de Filosofía Natural, por lo que Maxwell, a pesar de su reputación científica, se encontró sin trabajo. No tuvo éxito en su solicitud para la cátedra que Forbes había dejado vacante recientemente en Edimburgo, y el puesto pasó a manos de Tait . En su lugar, a Maxwell se le concedió la cátedra de Filosofía Natural en el King's College de Londres . [74] Después de recuperarse de un ataque de viruela casi fatal en 1860, se mudó a Londres con su esposa. [75]
El tiempo que Maxwell pasó en King's fue probablemente el más productivo de su carrera. En 1860 recibió la medalla Rumford de la Royal Society por su trabajo sobre el color y más tarde fue elegido miembro de la Sociedad en 1861. [77] En este período de su vida exhibiría la primera fotografía en color resistente a la luz del mundo, desarrollaría aún más sus ideas sobre la viscosidad de los gases y propondría 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 podría describirse como cercana, porque Faraday era 40 años mayor que Maxwell y mostraba signos de senilidad . Sin embargo, mantenían un fuerte respeto por los talentos del otro. [78]
Esta época 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 las líneas físicas de fuerza ", que se publicó en 1861. En él, proporcionó un modelo conceptual para la inducción electromagnética , que consiste en diminutas células giratorias de flujo magnético . Más tarde se añadieron dos partes más y se publicaron en ese mismo artículo a principios de 1862. En la primera parte adicional, analizó la naturaleza de la electrostática y la corriente de desplazamiento . En la segunda parte adicional, se ocupó de la rotación del plano de polarización de la luz en un campo magnético, un fenómeno que había sido descubierto por Faraday y que ahora se conoce como el efecto Faraday . [79]
En 1865 Maxwell renunció a la cátedra en el King's College de Londres y regresó a Glenlair con Katherine. En su artículo "Sobre los reguladores" (1868) describió matemáticamente el comportamiento de los reguladores —dispositivos que controlan la velocidad de las máquinas de vapor—, estableciendo así la base teórica de la ingeniería de control. [80] En su artículo "Sobre figuras recíprocas, marcos y diagramas de fuerzas" (1870) analizó la rigidez de varios diseños de celosías. [81] [82] Escribió el libro de texto Teoría del calor (1871) y el tratado Materia y movimiento (1876). Maxwell también fue el primero en hacer un uso explícito del análisis dimensional , en 1871. [83]
En 1871 regresó a Cambridge para convertirse en el primer profesor Cavendish de Física . [84] 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. [85] 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 del agua. [86] Fue elegido miembro de la Sociedad Filosófica Americana en 1876. [87]
En abril de 1879 Maxwell comenzó a tener dificultades para tragar, el primer síntoma de su enfermedad fatal. [88]
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 del mismo tipo de cáncer. [89] El ministro que lo visitó regularmente en sus últimas semanas se sorprendió por su lucidez y el inmenso poder y alcance de su memoria, pero comenta más particularmente:
... su enfermedad le hizo aflorar todo el corazón, el alma y el espíritu: su fe firme e inquebrantable en la Encarnación y todos sus resultados; en la suficiencia plena de la Expiación; en la obra del Espíritu Santo. Había sopesado y sondeado todos los esquemas y sistemas de la filosofía, y los había encontrado completamente vacíos e insatisfactorios —"impracticables" era su propia palabra para referirse a ellos— y se volvió con fe sencilla al Evangelio del Salvador.
Cuando se acercaba la muerte, Maxwell le dijo a un colega de Cambridge: [50]
He estado pensando en la delicadeza con la 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. [90] La biografía extendida The Life of James Clerk Maxwell , por su antiguo compañero de escuela y amigo de toda la vida, el profesor Lewis Campbell , se publicó en 1882. [91] [92] Sus obras completas fueron publicadas en dos volúmenes por Cambridge University Press en 1890. [93]
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 le pasó los papeles de Maxwell a William Garnett , quien tuvo la custodia efectiva de los mismos hasta aproximadamente 1884. [94]
Hay una inscripción conmemorativa en su honor cerca del coro de la Abadía de Westminster . [95]
Como gran amante de la poesía escocesa , Maxwell memorizó poemas y escribió los suyos propios. [96] 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 [97]
Gin un cuerpo conoce un cuerpo
Volando por el aire.
Un cuerpo choca con otro cuerpo.¿Volará? ¿Y adónde?
Su amigo Lewis Campbell publicó una colección de sus poemas en 1882. [98]
Las descripciones de Maxwell destacan sus notables cualidades intelectuales, acompañadas de su torpeza social. [99]
Maxwell escribió el siguiente aforismo sobre su propia conducta como científico:
Quien quiera disfrutar de la vida y actuar con libertad, debe tener siempre ante los ojos el trabajo del día. No el trabajo de ayer, para no caer en la desesperación, ni el de mañana, para no convertirse en un visionario; ni el que termina con el día, que es un trabajo mundano, ni tampoco el que permanece para la eternidad, porque por él no puede dar forma a su acción. Feliz el hombre que puede reconocer en el trabajo de hoy una parte conexa del trabajo de la vida y una encarnación del trabajo de la eternidad. Los cimientos de su confianza son inmutables, porque ha sido hecho partícipe de la Infinitud. Trabaja con ahínco en sus empresas diarias, porque el presente le ha sido dado como posesión. [100]
Maxwell era un presbiteriano evangélico y en sus últimos años se convirtió en un anciano de la Iglesia de Escocia . [101] Las creencias religiosas de Maxwell y las actividades relacionadas con ellas han sido el foco de atención de varios artículos. [102] [103] [ 104] [105] Asistiendo a los servicios de la Iglesia de Escocia (la denominación de su padre) y de la Iglesia Episcopal (la denominación de su madre) cuando era niño, Maxwell experimentó una conversión evangélica en abril de 1853. Una faceta de esta conversión puede haberlo alineado con una posición antipositivista . [104]
Maxwell había estudiado y comentado sobre electricidad y magnetismo ya en 1855, cuando su artículo "Sobre las líneas de fuerza de Faraday" fue leído en la Sociedad Filosófica de Cambridge . [106] El artículo presentaba un modelo simplificado del trabajo de Faraday y de 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 fue publicado más tarde como " Sobre las líneas de fuerza físicas " en marzo de 1861. [107]
En 1862, mientras daba una conferencia en el King's College, Maxwell calculó que la velocidad de propagación de un campo electromagnético es aproximadamente la velocidad de la luz . Consideró que esto era más que una mera coincidencia y comentó: "Difícilmente podemos evitar la conclusión de que la luz consiste en las ondulaciones transversales del mismo medio que es la causa de los fenómenos eléctricos y magnéticos". [1]
Maxwell, trabajando más en el problema, 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). [108] 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 de acuerdo con 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. [109] La mayor parte de este trabajo fue realizado por Maxwell en Glenlair durante el período entre su puesto en Londres y su toma de posesión de la cátedra Cavendish. [1] Oliver Heaviside redujo la complejidad de la teoría de Maxwell a cuatro ecuaciones diferenciales parciales , [110] conocidas ahora colectivamente como Leyes de Maxwell o ecuaciones de Maxwell . Aunque los potenciales se volvieron mucho menos populares en el siglo XIX, [111] el uso de potenciales escalares y vectoriales es ahora estándar en la solución de las ecuaciones de Maxwell. [112]
Como describen Barrett y Grimes (1995): [113]
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 de potencial electromagnético por campos de fuerza como la pieza central de la teoría electromagnética. Según Heaviside, el campo de 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 . [114]
Maxwell también introdujo el concepto de campo electromagnético en comparación con las líneas de fuerza que Faraday describió. [115] Al comprender la propagación del electromagnetismo como un campo emitido por partículas activas, Maxwell pudo avanzar en su trabajo sobre la luz. En ese momento, Maxwell creía que la propagación de la luz requería un medio para las ondas, llamado éter luminífero . [115] Con el tiempo, la existencia de un medio de este tipo, que permeaba todo el espacio y, sin embargo, aparentemente indetectable por medios mecánicos, resultó imposible de conciliar con experimentos como el experimento de Michelson-Morley . [116] 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 del requisito de un éter luminífero estacionario. [117]
Al igual que 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 fue galardonado con la medalla Rumford por "Sobre la teoría de la visión del color". [118]
Isaac Newton había demostrado, utilizando prismas, que la luz blanca, como la luz solar , está compuesta de una serie de componentes monocromáticos que luego podrían recombinarse para formar luz blanca. [119] Newton también demostró que una pintura naranja hecha de amarillo y rojo podría verse exactamente como una luz naranja monocromática, aunque esté compuesta de dos luces amarillas y rojas monocromáticas. De ahí la paradoja que desconcertó a los físicos de la época: dos luces complejas (compuestas por más de una luz monocromática) podrían parecer iguales pero ser físicamente diferentes, llamadas metámeras . Thomas Young propuso más tarde que esta paradoja podría explicarse por los colores que se perciben a través de un número limitado de canales en los ojos, que propuso que fueran triples, [120] la teoría del color tricromático . Maxwell utilizó el álgebra lineal recientemente desarrollada para probar la teoría de Young. Cualquier luz monocromática que estimule tres receptores debería poder ser igualmente estimulada por un conjunto de tres luces monocromáticas diferentes (de hecho, por cualquier conjunto de tres luces diferentes). Demostró que esto era así, [121] inventando experimentos de comparación de colores y la 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 pudiera reproducir cualquier color perceptible, entonces podrían producirse fotografías en color con un conjunto de tres filtros de color. 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 impresiones transparentes de las imágenes en una pantalla utilizando tres proyectores equipados con filtros similares, al superponerlas en la pantalla el resultado sería percibido por el ojo humano como una reproducción completa de todos los colores de la escena. [122]
Durante una conferencia sobre la teoría del color que dio en 1861 la Royal Institution, Maxwell presentó la primera demostración del mundo de la fotografía en color mediante este principio de análisis y síntesis de tres colores. Thomas Sutton , inventor de la cámara réflex de un solo objetivo , tomó la fotografía. Fotografió una cinta de tartán tres veces, a través de filtros rojo, verde y azul, y también hizo una cuarta fotografía a través de un filtro amarillo que, según el relato de Maxwell, no se utilizó en la demostración. Como las placas fotográficas de Sutton eran insensibles al rojo y apenas sensibles al verde, los resultados de este experimento pionero distaron mucho de ser perfectos. En el relato publicado de la conferencia se comentó que "si las imágenes en rojo y verde se hubieran fotografiado tan completamente como la azul", "habría sido una imagen verdaderamente coloreada de la cinta. Al encontrar materiales fotográficos más sensibles a los rayos menos refractarios, la representación de los colores de los objetos podría mejorarse enormemente". [77] [123] [124] En 1961, los investigadores concluyeron que el éxito parcial aparentemente imposible de la exposición con filtro rojo se debía a la luz ultravioleta , que es reflejada fuertemente por algunos tintes rojos, no bloqueada completamente por el filtro rojo utilizado y dentro del rango de sensibilidad del proceso de colodión húmedo que empleó Sutton. [125]
Maxwell también investigó la teoría cinética de los gases. Originaria de Daniel Bernoulli , esta teoría fue desarrollada por los sucesivos trabajos de John Herapath , John James Waterston , James Joule y, particularmente, Rudolf Clausius , hasta tal punto que su exactitud general quedó fuera de toda duda; pero recibió un enorme desarrollo de Maxwell, quien en este campo apareció como experimentador (sobre las leyes de la fricción gaseosa) así como matemático. [126]
Entre 1859 y 1866, desarrolló la teoría de las distribuciones de velocidades en partículas de un gas, trabajo que luego fue generalizado por Ludwig Boltzmann . [127] [128] La fórmula, llamada distribución de Maxwell-Boltzmann , proporciona la fracción de moléculas de gas que se mueven a una velocidad específica a una temperatura dada. En la teoría cinética , las temperaturas y el calor involucran solo el movimiento molecular. Este enfoque generalizó las leyes previamente establecidas de la termodinámica y explicó las observaciones y experimentos existentes de una manera mejor que lo que se había logrado anteriormente. Su trabajo sobre 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. [129]
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, basándose en los artículos de termodinámica gráfica del científico estadounidense Josiah Willard Gibbs . [130] [131]
Maxwell publicó el artículo "Sobre los reguladores" en las Actas de la Royal Society , vol. 16 (1867-1868). [132] Este artículo se considera un artículo central de los primeros días de la teoría del control . [133] Aquí "reguladores" se refiere al regulador o al regulador centrífugo utilizado para regular las máquinas de vapor .
