James Clerk Maxwell

L'ignorance consciemment reconnue est le prélude de tout vrai progrès scientifique.

James Clerk Maxwell était un scientifique écossais dans le domaine de la physique mathématique. Son accomplissement le plus notable a été de formuler la théorie classique du rayonnement électromagnétique, réunissant pour la première fois l'électricité, le magnétisme et la lumière comme différentes manifestations d'un même phénomène. Les équations de Maxwell pour l'électromagnétisme ont été appelées la « deuxième grande unification en physique », la première ayant été réalisée par Isaac Newton.

Avec la publication de « A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field » en 1865, Maxwell a démontré que les champs électriques et magnétiques se propagent dans l'espace sous forme d'ondes se déplaçant à la vitesse de la lumière. Il a proposé que la lumière soit une ondulation dans le même milieu qui est à l'origine des phénomènes électriques et magnétiques. L'unification de la lumière et des phénomènes électriques a conduit à sa prédiction de l'existence des ondes radio. Maxwell est également considéré comme un fondateur du domaine moderne du génie électrique.

Il a contribué au développement de la distribution de Maxwell–Boltzmann, un moyen statistique de décrire les aspects de la théorie cinétique des gaz. Il est aussi connu pour avoir présenté la première photographie en couleur durable en 1861 et pour ses travaux fondamentaux sur l'analyse de la rigidité des structures de treillis articulés comme ceux que l'on trouve dans de nombreux ponts.

Ses découvertes ont aidé à inaugurer l'ère de la physique moderne, jetant les bases de domaines tels que la relativité restreinte et la mécanique quantique. De nombreux physiciens considèrent Maxwell comme le scientifique du XIXe siècle ayant eu la plus grande influence sur la physique du XXe siècle. Ses contributions à la science sont considérées par beaucoup comme ayant la même importance que celles d'Isaac Newton et d'Albert Einstein. Dans le sondage du millénaire — une enquête sur les 100 physiciens les plus éminents — Maxwell a été voté comme le troisième plus grand physicien de tous les temps, derrière seulement Newton et Einstein. À l'occasion du centenaire de l'anniversaire de Maxwell, Einstein a décrit les travaux de Maxwell comme « les plus profonds et les plus féconds que la physique ait connus depuis l'époque de Newton ». Einstein, lorsqu'il a visité l'Université de Cambridge en 1922, s'est vu dire par son hôte qu'il avait accompli de grandes choses parce qu'il s'était tenu sur les épaules de Newton ; Einstein a répondu : « Non, ce n'est pas le cas. Je me tiens sur les épaules de Maxwell. »

Vie

Jeunesse, 1831–1839

James Clerk Maxwell est né le 13 juin 1831 au 14 India Street, Edinburgh, de John Clerk Maxwell de Middlebie, avocat, et de Frances Cay, fille de Robert Hodshon Cay et sœur de John Cay. Son lieu de naissance abrite maintenant un musée exploité par la James Clerk Maxwell Foundation. Son père était un homme de moyens confortables de la famille Clerk de Penicuik, titulaires de la baronnie de Clerk of Penicuik. Le frère de son père était le 6e Baronnet. Il était né « John Clerk » et avait ajouté Maxwell à son nom après avoir hérité en tant que nourrisson en 1793 de la propriété de Middlebie, une propriété Maxwell dans le Dumfriesshire. James était le cousin germain à la fois de l'artiste Jemima Blackburn, fille de la sœur de son père, et de l'ingénieur civil William Dyce Cay, fils du frère de sa mère. Cay et Maxwell étaient des amis proches et Cay a agi comme témoin lors du mariage de Maxwell.

Les parents de Maxwell se sont rencontrés et mariés alors qu'ils étaient bien dans la trentaine ; sa mère avait presque 40 ans quand il est né. Ils avaient eu un enfant antérieur, une fille nommée Elizabeth, qui est morte en bas âge.

Quand Maxwell était jeune, sa famille a déménagé à Glenlair, dans le Kirkcudbrightshire, où ses parents avaient construit sur la propriété qui comprenait 1 500 acres (610 ha). Tous les indices suggèrent que Maxwell avait maintenu une curiosité inépuisable dès le plus jeune âge. À l'âge de trois ans, tout ce qui se mouvait, brillait ou faisait du bruit soulevait la question : « what's the go o' that? » (comment ça marche ?). Dans un passage ajouté à une lettre de son père à sa belle-sœur Jane Cay en 1834, sa mère décrit ce sens inné d'inquisition :

Il est un homme très heureux et s'est beaucoup amélioré depuis que le temps s'est modéré ; il travaille beaucoup avec les portes, les serrures, les clés, etc., et « montre-moi comment ça marche » ne sort jamais de sa bouche. Il enquête aussi sur le cours caché des ruisseaux et des fils de sonnette, la façon dont l'eau va de l'étang à travers le mur ....

Éducation, 1839–1847

Reconnaissant le potentiel du garçon, sa mère Frances a pris la responsabilité de son éducation précoce, qui à l'époque victorienne était largement du ressort de la femme du foyer. À huit ans, il pouvait réciter de longs passages de Milton et la totalité du 119e psaume (176 versets). En effet, sa connaissance des Écritures était déjà détaillée ; il pouvait donner le chapitre et le verset de presque n'importe quelle citation des psaumes. Sa mère a été atteinte d'un cancer de l'abdomen et, après une opération infructueuse, est morte en décembre 1839 quand il avait huit ans. Son éducation a ensuite été supervisée par son père et la belle-sœur de son père, Jane, qui ont tous deux joué un rôle crucial dans sa vie. Sa scolarité formelle a commencé sans succès sous la direction d'un tuteur embauché âgé de 16 ans. On sait peu de chose du jeune homme embauché pour instruire Maxwell, sauf qu'il traitait le jeune garçon durement, le réprimandant pour être lent et fantasque. Le tuteur a été congédié en novembre 1841. Le père de James l'a amené à la démonstration de Robert Davidson sur la propulsion électrique et la force magnétique le 12 février 1842, une expérience aux implications profondes pour le garçon.

Maxwell a été envoyé à la prestigieuse Edinburgh Academy. Il a logé pendant les périodes de cours à la maison de sa tante Isabella. Pendant ce temps, sa passion pour le dessin a été encouragée par sa cousine aînée Jemima. Le jeune Maxwell de 10 ans, ayant été élevé isolé sur la propriété campagnarde de son père, ne s'adaptait pas bien à l'école. La première année avait été chargée, l'obligeant à rejoindre la deuxième année avec des camarades d'un an plus âgés. Ses manières et son accent de Galloway ont frappé les autres garçons comme rustiques. Arrivant son premier jour d'école vêtu d'une paire de chaussures faites maison et d'une tunique, il a reçu le surnom peu aimable de « Daftie ». Il ne semblait jamais en vouloir à ce surnom, le portant sans plainte pendant de nombreuses années. L'isolement social à l'Académie a pris fin lorsqu'il a rencontré Lewis Campbell et Peter Guthrie Tait, deux garçons d'âge similaire qui deviendraient des savants notables plus tard dans la vie. Ils sont restés des amis pour la vie.

Maxwell était fasciné par la géométrie dès le plus jeune âge, redécouvrant les polyèdres réguliers avant de recevoir une formation formelle. Malgré ses succès au prix de biographie biblique de l'école en deuxième année, son travail académique est resté inaperçu jusqu'à ce que, à l'âge de 13 ans, il remporte la médaille de mathématiques de l'école et le premier prix en anglais et en poésie.

Les intérêts de Maxwell allaient bien au-delà du programme scolaire et il n'accordait pas une attention particulière aux performances aux examens. Il a écrit son premier article scientifique à l'âge de 14 ans. Dans celui-ci, il décrivait un moyen mécanique de tracer des courbes mathématiques avec une ficelle, et les propriétés des ellipses, des ovales cartésiens et des courbes associées ayant plus de deux foyers. Le travail, de 1846, « On the description of oval curves and those having a plurality of foci » a été présenté à la Royal Society of Edinburgh par James Forbes, professeur de philosophie naturelle à l'Université d'Edinburgh, parce que Maxwell était jugé trop jeune pour présenter le travail lui-même. Le travail n'était pas entièrement original, car René Descartes avait également examiné les propriétés de telles ellipses multifocales au XVIIe siècle, mais Maxwell en avait simplifié la construction.

Université d'Edinburgh, 1847–1850

Maxwell a quitté l'Académie en 1847 à l'âge de 16 ans et a commencé à suivre des cours à l'Université d'Edinburgh. Il avait l'occasion d'assister à l'Université de Cambridge, mais a décidé, après son premier trimestre, de terminer le cours complet de ses études de premier cycle à Edinburgh. Le personnel académique de l'Université comprenait des noms très respectés ; ses tuteurs de première année comprenaient Sir William Hamilton, qui lui a enseigné la logique et la métaphysique, Philip Kelland sur les mathématiques, et James Forbes sur la philosophie naturelle. Il ne trouvait pas ses cours à l'Université exigeants, et a donc pu se plonger dans l'étude privée pendant le temps libre à l'Université et particulièrement quand il était de retour à Glenlair. Là, il expérimenterait avec des appareils chimiques, électriques et magnétiques improvisés, cependant ses préoccupations principales concernaient les propriétés de la lumière polarisée. Il a construit des blocs de gélatine façonnée, les a soumis à diverses contraintes, et avec une paire de prismes polarisants qui lui avaient été donnés par William Nicol, observé les franges colorées qui s'étaient développées dans la gélatine. Par cette pratique, il a découvert la photoélasticité, qui est un moyen de déterminer la distribution des contraintes dans les structures physiques.

À l'âge de 18 ans, Maxwell a contribué deux articles pour les Transactions de la Royal Society of Edinburgh. L'un de ceux-ci, « On the Equilibrium of Elastic Solids », a posé les fondations pour une découverte importante plus tard dans sa vie, qui était la double réfraction temporaire produite dans les liquides visqueux par la contrainte de cisaillement. Son autre article était « Rolling Curves » et, tout comme l'article « Oval Curves » qu'il avait écrit à l'Edinburgh Academy, il a été à nouveau considéré comme trop jeune pour se tenir à la tribune pour le présenter lui-même. L'article a été livré à la Royal Society par son tuteur Kelland à la place.

Université de Cambridge, 1850–1856

En octobre 1850, déjà un mathématicien accompli, Maxwell a quitté l'Écosse pour l'Université de Cambridge. Il a d'abord fréquenté Peterhouse, mais avant la fin de son premier trimestre, il a transféré à Trinity, où il pensait qu'il serait plus facile d'obtenir une bourse. À Trinity, il a été élu à la société secrète d'élite connue sous le nom d'Apostles de Cambridge. La compréhension intellectuelle de Maxwell de sa foi chrétienne et de la science s'est développée rapidement pendant ses années à Cambridge. Il a rejoint les « Apostles », une société de débat exclusive de l'élite intellectuelle, où à travers ses essais, il cherchait à développer cette compréhension.

Maintenant mon grand plan, qui a été conçu autrefois, ... est de ne laisser volontairement rien sans examen. Rien n'est une terre sainte consacrée à la Foi stationnaire, qu'elle soit positive ou négative. Toute terre en jachère doit être labourée et un système régulier de rotation suivi. ... Ne jamais rien cacher, qu'il soit mauvaise herbe ou non, ni sembler vouloir le cacher. ... Encore une fois, j'affirme le Droit de Passage sur n'importe quel terrain sacré qu'un homme a mis de côté. ... Maintenant je suis convaincu que nul sauf un chrétien ne peut réellement purifier sa terre de ces lieux saints. ... Je ne dis pas qu'aucun chrétiens n'ont enfermé de tels endroits. Beaucoup l'ont fait considérablement, et chacun en a quelques-uns. Mais il y a des terres étendues et importantes dans le territoire du Moqueur, du Panthéiste, du Quiétiste, du Formaliste, du Dogmatiste, du Sensualiste, et du reste, qui sont ouvertement et solennellement Tabous. ...

Le Christianisme — c'est-à-dire la religion de la Bible — est le seul plan ou forme de croyance qui désavoue toute possession sur une telle tenure. Ici seulement, tout est libre. Vous pouvez voler aux confins du monde et ne trouver aucun Dieu sauf l'Auteur du Salut. Vous pouvez fouiller les Écritures et ne pas trouver un texte pour vous arrêter dans vos explorations. ...

L'Ancien Testament et la Loi mosaïque et le Judaïsme sont communément supposés être « Tabous » par les orthodoxes. Les sceptiques prétendent les avoir lus et y ont trouvé certaines objections spirituelles ... que trop de nombreux orthodoxes non lus admettent, et ferment le sujet comme hanté. Mais une Chandelle arrive pour chasser tous les Fantômes et les Bugaboos. Suivons la lumière.

La mesure dans laquelle Maxwell a « labouré » ses croyances chrétiennes et les a soumises à l'épreuve intellectuelle ne peut être jugée qu'incomplètement à partir de ses écrits. Mais il y a beaucoup de preuves, notamment de ses jours de premier cycle, qu'il a profondément examiné sa foi. Certes, sa connaissance de la Bible était remarquable, donc sa confiance dans les Écritures n'était pas fondée sur l'ignorance.

Au cours de l'été de sa troisième année, Maxwell a passé du temps à la maison de Suffolk du Rév C.B. Tayler, l'oncle d'un camarade de classe, G.W.H. Tayler. L'amour de Dieu montré par la famille a impressionné Maxwell, particulièrement après qu'il ait été soigné de sa mauvaise santé par le ministre et sa femme.

À son retour à Cambridge, Maxwell écrit à son récent hôte une lettre bavarde et affectueuse incluant le témoignage suivant,

... J'ai la capacité d'être plus méchant que n'importe quel exemple que l'homme pourrait me donner, et ... si j'échappe, ce n'est que par la grâce de Dieu m'aidant à me débarrasser de moi-même, partiellement en science, plus complètement en société, — mais non pas parfaitement sauf en me confiant à Dieu ...

En novembre 1851, Maxwell a étudié sous la direction de William Hopkins, dont le succès dans l'éducation a nurt