James Clerk Maxwell

Bewusste Unwissenheit ist die Voraussetzung für jeden echten Fortschritt in der Wissenschaft.

James Clerk Maxwell war ein schottischer Wissenschaftler auf dem Gebiet der mathematischen Physik. Seine bedeutendste Leistung war die Formulierung der klassischen Theorie der elektromagnetischen Strahlung, die erstmals Elektrizität, Magnetismus und Licht als verschiedene Manifestationen desselben Phänomens zusammenbrachte. Maxwells Gleichungen des Elektromagnetismus werden die „zweite große Vereinheitlichung in der Physik" genannt, wobei die erste von Isaac Newton erreicht worden war.

Mit der Veröffentlichung von „A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field" im Jahr 1865 zeigte Maxwell, dass sich elektrische und magnetische Felder als Wellen durch den Raum ausbreiten und sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Er schlug vor, dass Licht eine Undulation in demselben Medium ist, das die Ursache für elektrische und magnetische Phänomene darstellt. Die Vereinheitlichung von Licht und elektrischen Phänomenen führte zu seiner Vorhersage der Existenz von Radiowellen. Maxwell wird auch als Begründer des modernen Feldes der Elektrotechnik angesehen.

Er trug zur Entwicklung der Maxwell-Boltzmann-Verteilung bei, einem statistischen Mittel zur Beschreibung von Aspekten der kinetischen Gastheorie. Er ist auch bekannt für die Präsentation des ersten haltbaren Farbfotos im Jahr 1861 und für seine grundlegenden Arbeiten zur Analyse der Steifigkeit von Stab- und Gelenk-Fachwerken wie denen in vielen Brücken.

Seine Entdeckungen trugen dazu bei, das Zeitalter der modernen Physik einzuleiten und legten den Grundstein für Bereiche wie spezielle Relativitätstheorie und Quantenmechanik. Viele Physiker sehen Maxwell als den Wissenschaftler des 19. Jahrhunderts mit dem größten Einfluss auf die Physik des 20. Jahrhunderts. Seine Beiträge zur Wissenschaft werden von vielen als von gleicher Größenordnung wie die von Isaac Newton und Albert Einstein angesehen. Bei der Jahrtausendumfrage – einer Befragung der 100 prominentesten Physiker – wurde Maxwell zum drittgrößten Physiker aller Zeiten gewählt, hinter nur Newton und Einstein. Zum hundertsten Jahrestag von Maxwells Geburtstag beschrieb Einstein Maxwells Werk als das „tiefste und fruchtbarste, das die Physik seit der Zeit Newtons erfahren hat". Einstein, als er 1922 die University of Cambridge besuchte, wurde von seinem Gastgeber gesagt, dass er große Dinge geleistet habe, weil er auf Newtons Schultern gestanden habe; Einstein erwiderte: „Nein, das tue ich nicht. Ich stehe auf den Schultern von Maxwell."

Leben

Frühleben, 1831–1839

James Clerk Maxwell wurde am 13. Juni 1831 in der 14 India Street, Edinburgh, geboren, Sohn von John Clerk Maxwell von Middlebie, einem Anwalt, und Frances Cay, Tochter von Robert Hodshon Cay und Schwester von John Cay. Sein Geburtsort beherbergt nun ein Museum, das von der James Clerk Maxwell Foundation betrieben wird. Sein Vater war ein wohlhabender Mann der Clerk-Familie von Penicuik, Inhaber der Baronetcy von Clerk of Penicuik. Der Bruder seines Vaters war der 6. Baronet. Er war als „John Clerk" geboren und fügte Maxwell hinzu, nachdem er als Säugling 1793 das Anwesen Middlebie erbte, ein Maxwell-Eigentum in Dumfriesshire. James war Cousin ersten Grades sowohl der Künstlerin Jemima Blackburn, Tochter der Schwester seines Vaters, als auch des Ingenieurs William Dyce Cay, Sohn des Bruders seiner Mutter. Cay und Maxwell waren enge Freunde, und Cay fungierte als sein Trauzeuge, als Maxwell heiratete.

Maxwells Eltern lernten sich kennen und heirateten, als sie bereits in ihren Dreißigern waren; seine Mutter war fast 40, als er geboren wurde. Sie hatten ein früheres Kind, eine Tochter namens Elizabeth, die im Säuglingsalter starb.

Als Maxwell jung war, zog seine Familie nach Glenlair in Kirkcudbrightshire, das seine Eltern auf dem Anwesen errichtet hatten, das 1.500 Hektar 610 ha umfasste. Alle Hinweise deuten darauf hin, dass Maxwell von frühem Alter an eine unstillbare Neugier bewahrt hatte. Mit drei Jahren zog alles, was sich bewegte, leuchtete oder Lärm machte, die Frage nach sich: „what's the go o' that?" In einem Absatz, der einem Brief seines Vaters an seine Schwägerin Jane Cay im Jahr 1834 hinzugefügt wurde, beschrieb seine Mutter diesen angeborenen Sinn für Neugier:

Er ist ein sehr glücklicher Mensch und hat sich viel verbessert, seit das Wetter gemäßigt wurde; er arbeitet hart mit Türen, Schlössern, Schlüsseln usw., und „show me how it doos" kommt ihm nie aus dem Mund. Er untersucht auch den verborgenen Lauf von Bächen und Glockendrähten, wie das Wasser aus dem Teich durch die Wand kommt ....

Ausbildung, 1839–1847

Maxwells Mutter Frances erkannte das Potenzial des Jungen und übernahm die Verantwortung für seine frühe Ausbildung, die in der viktorianischen Ära weitgehend die Aufgabe der Hausherrin war. Mit acht Jahren konnte er lange Passagen von Milton und den ganzen 119. Psalm mit 176 Versen aufsagen. Sein Wissen über die Heilige Schrift war bereits detailliert; er konnte fast jede Anführung aus den Psalmen mit Kapitel und Vers angeben. Seine Mutter erkrankte an Bauchkrebs und starb nach einer erfolglosen Operation im Dezember 1839, als er acht Jahre alt war. Seine Ausbildung wurde dann von seinem Vater und seiner Tante Jane, der Schwägerin seines Vaters, überwacht, die beide eine zentrale Rolle in seinem Leben spielten. Sein formaler Unterricht begann erfolglos unter der Leitung eines 16-jährigen angestellten Tutors. Es ist wenig über den jungen Mann bekannt, der eingestellt wurde, um Maxwell zu unterrichten, außer dass er den jüngeren Jungen hart behandelte und ihn für langsam und widerspenstig tadelte. Der Tutor wurde im November 1841 entlassen. James' Vater nahm ihn am 12. Februar 1842 zu Robert Davidsons Demonstration der elektrischen Antriebskraft und der Magnetkraft mit, eine Erfahrung mit tiefgreifenden Auswirkungen für den Jungen.

Maxwell wurde zur renommierten Edinburgh Academy geschickt. Während der Unterrichtszeit wohnte er im Haus seiner Tante Isabella. Während dieser Zeit wurde seine Leidenschaft für das Zeichnen von seinem älteren Cousin Jemima ermutigt. Der zehnjährige Maxwell, der in Isolation auf dem Landgut seines Vaters aufgewachsen war, passte sich nicht gut in die Schule ein. Das erste Jahr war voll, sodass er sich der zweiten Klasse mit Klassenkameraden ein Jahr älter anschließen musste. Seine Manieren und sein Galloway-Akzent wirkten auf die anderen Jungen rustikal. Am ersten Schultag in selbstgemachten Schuhen und einer Tunika angekommen, verdiente er sich den gemeinen Spitznamen „Daftie". Er schien das Epitheton nie zu ressentieren und trug es viele Jahre lang ohne Beschwerde. Die soziale Isolation in der Academy endete, als er Lewis Campbell und Peter Guthrie Tait traf, zwei Jungen in ähnlichem Alter, die später bemerkenswerte Gelehrte wurden. Sie blieben zeitlebens Freunde.

Maxwell war schon in jungen Jahren fasziniert von Geometrie und entdeckte die regulären Polyeder neu, bevor er eine formale Anleitung erhielt. Trotz seines Gewinns des Schrifttum-Biographie-Preises der Schule in seinem zweiten Jahr, blieb seine akademische Arbeit unbemerkt, bis er im Alter von 13 Jahren die mathematische Medaille der Schule gewann und den ersten Preis sowohl für Englisch als auch für Dichtung.

Maxwells Interessen reichten weit über den Schulplan hinaus und er achtete nicht besonders auf die Prüfungsleistung. Mit 14 Jahren schrieb er sein erstes wissenschaftliches Papier. Darin beschrieb er ein mechanisches Mittel zum Zeichnen mathematischer Kurven mit einem Stück Schnur und die Eigenschaften von Ellipsen, kartesischen Ovals und verwandten Kurven mit mehr als zwei Brennpunkten. Die Arbeit von 1846, „On the description of oval curves and those having a plurality of foci", wurde der Royal Society of Edinburgh von James Forbes, einem Professor für Naturphilosophie an der University of Edinburgh, vorgelegt, weil Maxwell als zu jung angesehen wurde, um die Arbeit selbst vorzutragen. Die Arbeit war nicht völlig original, da René Descartes die Eigenschaften solcher multifokalen Ellipsen im 17. Jahrhundert ebenfalls untersucht hatte, aber Maxwell hatte ihre Konstruktion vereinfacht.

University of Edinburgh, 1847–1850

Maxwell verließ die Academy 1847 im Alter von 16 Jahren und begann, Vorlesungen an der University of Edinburgh zu besuchen. Er hatte die Gelegenheit, die University of Cambridge zu besuchen, beschloss aber nach seinem ersten Trimester, sein volles Grundstudium in Edinburgh zu absolvieren. Das akademische Personal der Universität umfasste einige hochgeachtete Namen; seine Tutoren des ersten Jahres waren Sir William Hamilton, der ihn in Logik und Metaphysik unterrichtete, Philip Kelland in Mathematik und James Forbes in Naturphilosophie. Er fand seine Kurse an der Universität nicht anspruchsvoll und konnte sich daher während seiner freien Zeit an der Universität und besonders wenn er wieder zu Hause in Glenlair war, in private Studien vertiefen. Dort experimentierte er mit improvisierten chemischen, elektrischen und magnetischen Geräten, aber seine wichtigsten Anliegen betrafen die Eigenschaften von polarisiertem Licht. Er konstruierte geformte Gelatine-Blöcke, setzte sie verschiedenen Spannungen aus und beobachtete mit einem Paar von William Nicol erhaltener Polarisationsprismen die farbigen Fransen, die sich in der Gelatine entwickelt hatten. Durch diese Praxis entdeckte er die Photoelastizität, die ein Mittel zur Bestimmung der Spannungsverteilung in physischen Strukturen ist.

Mit 18 Jahren trug Maxwell zwei Papiere zu den Transactions of the Royal Society of Edinburgh bei. Eines davon, „On the Equilibrium of Elastic Solids", legte den Grundstein für eine wichtige Entdeckung später in seinem Leben, nämlich die vorübergehende Doppelbrechung, die in viskosen Flüssigkeiten durch Scherung erzeugt wird. Sein anderes Papier war „Rolling Curves" und genau wie bei dem Papier „Oval Curves", das er in der Edinburgh Academy geschrieben hatte, wurde er wieder als zu jung angesehen, um selbst am Rednerpult zu stehen. Das Papier wurde der Royal Society von seinem Tutor Kelland statt seiner vorgelegt.

University of Cambridge, 1850–1856

Im Oktober 1850 verließ Maxwell, bereits ein versierter Mathematiker, Schottland für die University of Cambridge. Er besuchte zunächst Peterhouse, wechselte aber vor Ende seines ersten Trimesters zu Trinity, wo er glaubte, dass es leichter wäre, eine Stipendium zu erhalten. Bei Trinity wurde er in die elitäre Geheimgesellschaft der Cambridge Apostles gewählt. Maxwells intellektuales Verständnis seines christlichen Glaubens und der Wissenschaft wuchs während seiner Cambridge-Jahre schnell. Er trat den „Apostles" bei, einer exklusiven Debattengesellschaft der intellektuellen Elite, wo er durch seine Essays versuchte, dieses Verständnis auszuarbeiten.

Nun mein großer Plan, der lange konzipiert wurde, ... ist es, absichtlich nichts ungeprüft zu lassen. Nichts soll heiliges Land sein, das dem stationären Glauben geweiht ist, weder positiv noch negativ. Alles Brachland soll gepflügt werden und ein regelmäßiges Rotationssystem befolgt werden. ... Verberge niemals etwas, sei es Unkraut oder nicht, und scheint auch nicht, es verbergen zu wollen. ... Wieder behaupte ich das Recht auf Betreten auf jedem heiligen Boden, den irgendein Mann sich selbst reserviert hat. ... Jetzt bin ich überzeugt, dass nur ein Christ sein Land wirklich von diesen heiligen Flecken reinigen kann. ... Ich sage nicht, dass kein Christ solche umschlossenen Orte gehabt hat. Viele haben viel, und jeder hat einige. Aber es gibt umfangreiche und wichtige Trakte im Territorium des Spottes, des Pantheisten, des Quietisten, des Formalisten, des Dogmatisten, des Sensualisten und der übrigen, die offen und feierlich Tabuisiert sind. ...„

Das Christentum – das heißt, die Religion der Bibel – ist das einzige Schema oder die einzige Form des Glaubens, das jegliches Eigentum auf solche Bedingungen ablehnt. Hier allein ist alles frei. Sie können an die Enden der Welt fliegen und keinen Gott finden außer dem Autor der Erlösung. Sie können die Heilige Schrift durchsuchen und keinen Text finden, der Sie bei Ihren Erkundungen stoppt. ...

Das Alte Testament und das mosaische Gesetz und das Judentum werden allgemein angenommen, dass sie von den Orthodoxen „Tabuisiert" sind. Skeptiker geben vor, sie gelesen zu haben und haben bestimmte witzige Einwände gefunden ... die zu viele der ungebildeten Orthodoxen eingestehen und das Thema als heimgesucht schließen. Aber eine Kerze kommt, um alle Geister und Schreckgespenster auszutreiben. Folgen wir dem Licht.

Das Ausmaß, in dem Maxwell seinen christlichen Glauben „pflügte" und ihn einer intellektuellen Prüfung unterzog, kann nur unvollständig anhand seiner Schriften beurteilt werden. Aber es gibt viele Beweise, besonders aus seinen Studentenzeiten, dass er seinen Glauben tiefgründig prüfte. Sicherlich war sein Wissen über die Bibel bemerkenswert, daher basierte sein Vertrauen in die Heilige Schrift nicht auf Unwissenheit.

Im Sommer seines dritten Jahres verbrachte Maxwell einige Zeit im Suffolk-Haus des Reverend C.B. Tayler, dem Onkel eines Klassenkameraden, G.W.H. Tayler. Die Liebe Gottes, die die Familie zeigte, beeindruckte Maxwell, besonders nachdem er von der Krankheit durch den Minister und seine Frau wieder gepflegt wurde.

Nach seiner Rückkehr nach Cambridge schreibt Maxwell seinem jüngsten Gastgeber einen plaudernden und zärtlichen Brief mit folgendem Zeugnis,

... Ich habe die Fähigkeit, böser zu sein als jedes Beispiel, das der Mensch mir zeigen könnte, und ... wenn ich entkommen, ist es nur durch Gottes Gnade, die mir hilft, mich selbst zu befreien, teilweise in der Wissenschaft, vollständiger in der Gesellschaft, – aber nicht vollkommen außer durch die Hingabe an Gott ...

Im November 1851 studierte Maxwell unter William Hopkins, dessen Erfolg bei der Pflege