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James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell (Edimburgo, 3 giugno 1831 – Cambridge, 5 novembre 1879) è stato un matematico e fisico scozzese.

Firma di Maxwell

Elaborò la prima teoria moderna dell'elettromagnetismo, raggruppando in una teoria tutte le precedenti osservazioni, esperimenti ed equazioni non correlate di questa branca della fisica unificandole con le note equazioni di Maxwell. Diede anche un importante contributo alla teoria cinetica dei gas come fisico-statistico e alla termodinamica statistica con le relazioni di Maxwell.

Le equazioni di Maxwell dimostrano che l'elettricità, il magnetismo e la luce sono manifestazioni del medesimo fenomeno: il campo elettromagnetico. Da questo momento le altre leggi ed equazioni classiche di queste discipline verranno ricondotte a casi semplificati delle quattro equazioni fondamentali. Il lavoro di Maxwell è stato definito la «seconda grande unificazione della fisica»,^[1] dopo quella operata da Isaac Newton.

Maxwell dimostrò che il campo elettrico e magnetico si propagano attraverso lo spazio sotto forma di onde alla velocità costante della luce. Nel 1864 scrisse "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field" dove per la prima volta propose che la natura ondulatoria della luce fosse la causa dei fenomeni elettrici e magnetici. Il suo lavoro nella redazione di un modello unificato per l'elettromagnetismo è considerato uno dei più grandi risultati della fisica del XIX secolo. Tuttavia, egli rimase ancora legato alla teoria classica – ora abbandonata – della propagazione della luce attraverso l'etere luminifero, un mezzo ineffabile e sfuggente ad ogni misurazione sperimentale che avrebbe permeato lo spazio vuoto.

Le principali linee guida del pensiero di Maxwell sono identificabili in:

1. ricerca dell'unità (unificazione);


2. rifiuto di ipotesi microscopiche;


3. enfasi sui risultati sperimentali.

Come metodo di indagine teorica, Maxwell premia l'analogia perché, secondo lui, in grado di gettar luce sui campi della scienza meno noti, partendo dalle leggi che governano fenomeni meglio conosciuti. Ma questo metodo, sebbene efficace, dev'essere usato, per Maxwell, con consapevolezza per non vanificare gli sforzi e trasformare «utili aiuti in fuochi fatui» («useful helps into Wills of the Wisp», da Essay for the Apostles on Analogies in Nature)^[2].

Biografia |

Il giovane Maxwell durante il periodo universitario al Trinity College

James Clerk Maxwell nacque il 3 giugno 1831 a Edimburgo da John Clerk Maxwell e Frances Cay. A quel tempo Michael Faraday stava completando i suoi studi sull'induzione magnetica, un fenomeno che lui avrebbe contribuito a spiegare. Il giovane Maxwell crebbe nella tenuta del padre nella campagna scozzese.

Tutti gli indizi suggeriscono che Maxwell avesse un'instancabile curiosità fin da bambino. Sua madre Frances – rendendosi conto delle sue potenzialità – ebbe un ruolo influente nella sua educazione giovanile, ma sfortunatamente morì (probabilmente di cancro) nel 1839 quando Maxwell aveva solo otto anni. Dopo la morte della madre, il padre assunse un insegnante privato che impartisse a James le prime lezioni. Di questo giovane tutore è noto solo che i suoi metodi erano severissimi e non risparmiava punizioni corporali al ragazzo. James non reagì bene e il padre decise di mandarlo nel 1841 all'Accademia di Edimburgo. In quel luogo, Maxwell si trovò ben presto isolato per via della sua riservatezza e dei suoi modi strani oltre che per il suo accento scozzese. Fu soprannominato dai compagni di corso, "Daftie", che significa «sciocco».

Maxwell comprendeva la geometria già in tenera età e riscoprì, ancora bambino, alcuni poliedri regolari. Nel 1846, a 14 anni, scrisse un articolo sulle ellissi dove generalizza la definizione di un'ellisse come il luogo dei punti dove la somma di m volte la distanza da un punto fissato più n volte la distanza da un secondo punto fissato è costante. Se m=n=1 la curva è un'ellisse. Maxwell definisce anche le curve dove ci sono più di due fuochi ("On the Description of Oval Curves, and those having a plurality of Foci", 1846). Questo è l'inizio del suo primo lavoro sulla descrizione di curve ovali e quelle aventi molteplici fuochi, che verrà letto dalla Royal Society di Edimburgo il 6 aprile 1846. Queste idee non erano interamente nuove dal momento che Cartesio le aveva definite curve già prima, ma il lavoro è comunque molto notevole se si considera che Maxwell era solo un quattordicenne.

A 16 anni, lasciò l'Accademia e si scrisse all'università di Edimburgo dove si distinse per le sue capacità. Poco tempo dopo, senza aver ancora ottenuto la laurea si spostò al Trinity College di Cambridge dove conobbe William Thomson, il futuro Lord Kelvin. Divenne membro del "Club degli Apostoli", il gruppo che riunisce i dodici migliori studenti del Trinity. Si laureò nel 1854 e rimase al college come insegnante fino al 1856. In questo periodo pubblicò due articoli che rivelarono le sue capacità: "Sulle linee di forza di Faraday" e "Sull'equilibrio dei solidi elastici".

Dal 1855 al 1872 pubblicò una serie di articoli connessi alla percezione del colore che gli valsero, nel 1860, la medaglia Rumford. Per queste ricerche, Maxwell inventò anche molti strumenti come il disco di Maxwell. All'inizio del 1856 il padre si ammala e Maxwell decide di trascorrere più tempo con lui. Cerca pertanto di ottenere un posto in Scozia; si reca a Edimburgo durante le vacanze pasquali del 1856 per stare con suo padre, poi i due vanno insieme a Glenlair. Il 3 aprile il padre muore e poco dopo Maxwell fa ritorno a Cambridge. Prima della fine di aprile gli arriva la notizia dell'assegnazione di una cattedra al Marischal College.

James e Katherine Maxwell nel 1869

Nel 1859 vinse il premio Adams per un originale saggio ("Sulla stabilità degli anelli di Saturno") in cui dimostrava che la stabilità degli anelli poteva essere ottenuta solo se essi erano composti da pezzi di roccia orbitanti intorno al pianeta. Questo avvalorava la teoria secondo la quale il sistema solare si era formato da una nebulosa che aveva iniziato a ruotare su se stessa.

Statua di Maxwell a Edimburgo

Nel 1859 sposò Katherine Mary Deward, figlia del rettore del college, ma questo non gli impedì di perdere il posto quando il Marischal College si fuse con il King's College di Aberdeen per costituire l'Università di Aberdeen. Fece domanda per avere una cattedra ad Edimburgo ma gli fu preferito l'amico Peter Tait. Riuscì, comunque, ad ottenere un posto al King's College di Londra, ma,
nel 1865, l'abbandonò, per motivi ancora oggi misteriosi, per ritirarsi nella sua tenuta di Glenlair, in Scozia.

Scrisse un manuale di termodinamica ("La teoria del calore" del 1871), ed un trattato elementare di meccanica ("Materia e moto" 1876). Maxwell fu il primo autore a fare uso esplicito dell'analisi dimensionale già nel 1871.

Nel 1871 Maxwell divenne il primo Cavendish Professor di Fisica, all'università di Cambridge: era incaricato di promuovere lo sviluppo del Cavendish Laboratory. Uno degli ultimi contributi di Maxwell alla scienza fu la pubblicazione degli appunti di Henry Cavendish.

Maxwell e sua moglie Katherine non ebbero figli.
Nell'estate del 1879 Maxwell tornò con la moglie, malata, a Glenlair. Anche la sua salute continuava a peggiorare. Fece ritorno con la moglie a Cambridge il giorno 8 ottobre e lì morì il 5 novembre 1879, a 48 anni, per un tumore all'addome. Il suo medico, il dottor Paget,
disse: "Nessun uomo che io abbia mai incontrato morì più calmo". Fu sepolto nella chiesa di Parton nel Galloway (Scozia).

Personalità |

Fin dall'infanzia la religione condizionò molti aspetti della vita di Maxwell. Entrambi i genitori erano cristiani devoti, aderenti alla Chiesa episcopale scozzese, e lo educarono secondo i principi fondamentali di questa religione.

La fede di Maxwell si manifestò anche nell'approccio all'attività scientifica. Si dichiarava un "lettore del libro della natura". Secondo Maxwell tale libro si mostra agli occhi dello scienziato come ordinato e armonioso, rivelando l'infinita potenza e saggezza di Dio nella sua irraggiungibile ed eterna verità.
Maxwell giustificava la conoscibilità della natura e il successo della scienza, cioè la capacità dell'uomo di elaborare una scienza che sapesse predicare alcune verità sulla natura, attraverso un atto di fede. Infatti sosteneva che Dio avesse creato mente umana e natura in corrispondenza.

Maxwell amava la poesia britannica e memorizzò molte ballate e poesie inglesi. Scrisse anche alcuni poemetti, il più conosciuto dei quali è probabilmente «Rigid Body Sings»^[3]:

Gin a body meet a body

Flyin' through the air.

Gin a body hit a body,

Will it fly? And where?

[...]

Una raccolta delle sue poesie fu pubblicata dal suo amico Lewis Campbell nel 1882.

Aveva un carattere ironico: nel suo epistolario si trovano lettere ad amici e colleghi firmate in "forma differenziale" con la sigla dp/dt. La funzione termodinamica dp/dt = JCM ha, infatti, come risultato le iniziali del suo nome.
Al suo arrivo all'Università di Cambridge - quando gli fu spiegata l'esistenza di una funzione religiosa alle 6 del mattino - Maxwell si tormentò la barba e rispose lentamente, nella sua cadenza scozzese: «Va bene, penso di poter stare sveglio fino a quell'ora».

Contributi alla scienza |

Teoria cinetica |

Uno dei risultati più significativi di Maxwell fu l'elaborazione di un modello fisico-statistico per la teoria cinetica dei gas. Proposta per la prima volta da Daniel Bernoulli, questa teoria era stata successivamente sviluppata da vari scienziati tra cui John Herapath, John James Waterston, James Prescott Joule e, soprattutto, Rudolf Clausius, ma ricevette uno sviluppo enorme dall'intuizione di Maxwell.

Nel 1866, il fisico scozzese formulò – indipendentemente da Ludwig Boltzmann – la distribuzione di Maxwell-Boltzmann, una distribuzione di probabilità che può essere utilizzata per descrivere la distribuzione di velocità delle molecole di un dato volume di gas a una data temperatura. Questo approccio permise a Maxwell di generalizzare le leggi della termodinamica precedentemente stabilite e fornire una migliore spiegazione alle osservazioni sperimentali. Tale lavoro lo portò, in seguito, a condurre l'esperimento mentale del diavoletto di Maxwell.

Elettromagnetismo |

Lo stesso argomento in dettaglio: Equazioni di Maxwell.

Uno scritto di Maxwell per Peter Tait

Il più importante lavoro di Maxwell è certamente quello legato all'elettromagnetismo. Il fisico scozzese unificò i lavori sull'elettricità e il magnetismo di Michael Faraday, André-Marie Ampère e di molti altri^[4] in una serie di quattro equazioni differenziali (originariamente erano venti, ma furono poi ridotte a quattro). Note come equazioni di Maxwell, tali equazioni furono presentate alla Royal Society nel 1864, e insieme descrivono il campo elettrico e quello magnetico, e le loro interazioni con la materia.

Le equazioni prevedono l'esistenza di onde elettromagnetiche, ossia di oscillazioni del campo elettromagnetico. Maxwell cercò – sulla base dei dati disponibili all'epoca – di calcolare teoricamente la velocità di queste onde, ottenendo il risultato di 310.740.000 m/s. Nel 1865 scriveva:

Maxwell era nel giusto e la successiva scoperta sperimentale delle onde elettromagnetiche per opera di Heinrich Rudolf Hertz fu uno dei trionfi assoluti della fisica ottocentesca.

Teoria dei colori |

La prima fotografia a colori scattata da Maxwell nel 1861

Anche i contributi di Maxwell all'ottica e alla percezione del colore furono rilevanti. Maxwell scoprì che la fotografia a colori poteva essere realizzata sovrapponendo filtri rossi, verdi e blu. Nel 1861 fece fotografare da Thomas Sutton tre volte un tartan scozzese mettendo sopra l'obiettivo tre filtri di diverso colore. Le tre immagini furono poi sviluppate e proiettate su uno schermo con tre proiettori differenti. Una volta messe a fuoco sullo stesso punto ne scaturì l'immagine a colori, la prima nella storia.

Scienza dei materiali |

A Maxwell è fatta risalire la prima formulazione del criterio di von Mises («criterio della massima energia di distorsione»), da lui proposto sulla base di considerazioni puramente matematico-formali nel 1856.
Il criterio di von Mises è un criterio di resistenza relativo a materiali duttili, isotropi, con uguale resistenza a trazione e a compressione.

Onorificenze |

• I Maxwell Montes, una catena montuosa sul pianeta Venere, sono stati battezzati in suo onore.


• Il James Clerk Maxwell Telescope è stato intitolato in suo onore.

Riconoscimenti |

	Membro della Royal Society

Opere di Maxwell e traduzioni |

• Maxwell James Clerk, Trattato di elettricità e magnetismo: elettrostatica ed elettrodinamica, vol I, nella collana “Classici della scienza”, Torino Utet, prima edizione 1973


• Maxwell James Clerk, Trattato di elettricità e magnetismo: elettromagnetismo, vol II, nella collana “Classici della scienza”, Torino Utet, prima edizione 1983


• Maxwell James Clerk, Poesie (1844-1878), nella collana "Supernovae", Archivio Dedalus edizioni, Milano, 2013.

Note |

Bibliografia |

• Basil Mahon. The Man Who Changed Everything: The Life of James Clerk Maxwell. John Wiley and Sons Ltd, 2003. ISBN 0-470-86088-X
  


• anno l, n. 5 novembre 1998 di Giulio Peruzzi i grandi della scienza Maxwell dai campi elettromagnetici ai costituenti ultimi della materia 9 771126 545003

Voci correlate |

• Diavoletto di Maxwell


• Equazioni di Maxwell


• Elettrodinamica classica


• Elettrone


• Moto perpetuo


• Relazioni di Maxwell

Altri progetti |

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