James Clerk Maxwell

Elaborò la prima teoria moderna dell'elettromagnetismo unificando, mediante le cosiddette equazioni di Maxwell, precedenti osservazioni, esperimenti ed equazioni di questa branca della fisica. Dimostrò che i campi elettrico e magnetico si propagano attraverso lo spazio sotto forma di onde alla velocità della luce nel vuoto (c = ). Nel suo lavoro A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field (1865) propose che il campo elettromagnetico, così come descritto dalle sue equazioni, fosse la causa dei fenomeni elettrici, magnetici e ottici. Il suo modello unificato per l'elettromagnetismo è considerato uno dei più grandi risultati della fisica del XIX secolo: «la seconda grande unificazione della fisica»,Nahin, P.J., Spectrum, IEEE, Volume 29, Issue 3, p. 45, 1992. dopo quella operata da Isaac Newton.

Tuttavia egli rimase legato alla teoria della propagazione della luce attraverso l'etere luminifero, un mezzo ineffabile e sfuggente ad ogni misurazione sperimentale, che avrebbe permeato tutto lo spazio vuoto. Solo con la teoria della relatività ristretta di Albert Einstein (1905) si avrà l'abbandono del concetto di etere. Maxwell diede anche un importante contributo alla teoria cinetica dei gas con la distribuzione di Maxwell-Boltzmann e alla termodinamica con le relazioni di Maxwell.

Biografia

Infanzia e giovinezza James Clerk Maxwell nacque il 13 giugno 1831 a Edimburgo da John Clerk Maxwell e Frances Cay. La famiglia si chiamava originariamente "Clerk"; aggiunsero il secondo cognome "Maxwell" quando ereditarono le sostanze di una famiglia Maxwell.

La famiglia si trasferì, quando egli era ancora giovane, a Glenlair, nella tenuta del padre nei pressi di Corsock, 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 marcato 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.

Studente, ricercatore e docente universitario

All'età di 16 anni lasciò l'Accademia e si iscrisse 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.

Dopo la laurea, 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 ammalò e Maxwell decise di trascorrere più tempo con lui. Cercò pertanto di ottenere un posto in Scozia; si recò a Edimburgo durante le vacanze pasquali del 1856 per stare con il padre e, poi, i due andarono insieme a Glenlair. Il 3 aprile il padre morì e poco dopo Maxwell fece ritorno a Cambridge. Prima della fine di aprile gli giunse la notizia dell'assegnazione di una cattedra al Marischal College.

Nel 1859 vinse il premio Adams per il saggio (Sulla stabilità degli anelli di Saturno) in cui dimostrava che la stabilità degli anelli poteva essere spiegata solo se sono formati da rocce 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.

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 lo abbandonò nel 1865 per motivi ancora oggi misteriosi, ritirandosi nella sua tenuta di Glenlair, in Scozia. 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.

Trattati e manuali universitari Maxwell scrisse un manuale di termodinamica (La teoria del calore, 1871) ed un trattato elementare di meccanica (Materia e moto, 1876). Fu il primo autore a fare uso esplicito, già nel 1871, dell'analisi dimensionale. Nel giugno 1868 Maxwell «si mise a scrivere un libro di testo su elettricità e magnetismo per i candidati al Tripos. La stesura del libro lo tenne impegnato dal 1868 al 1872 e quel che alla fine ne risultò non fu esattamente un manuale universitario, bensì un monumentale trattato in cui lo scienziato scozzese aveva riversato tutto il sapere da lui appreso e prodotto in quasi vent’anni di studi e ricerche sui temi in oggetto. L’opera, non a caso intitolata "A Treatise on Electricity and Magnetism" (Trattato di elettricità e magnetismo), uscì in due volumi nel marzo del 1873 e oggi è considerata una pietra miliare nella storia della scienza, paragonabile in campo fisico ai Principia di Newton. Nessun testo precedente sull’elettricità e il magnetismo aveva anche solo lontanamente sfiorato un simile grado di completezza, che lo rendeva potenzialmente utile a una platea molto variegata di lettori, dagli studenti del Tripos agli ingegneri della nascente industria elettrotecnica.»Fabio Toscano, Una forza della natura. La scoperta dell'elettromagnetismo e delle sue leggi nell'Ottocento romantico, Sironi Editore, 2017, p. 406. Come sottolineava l’autore nella prefazione:

Ultimi anni

Maxwell e sua moglie Katherine non ebbero figli.

Nell'estate del 1879 Maxwell soggiornò con la moglie, malata, a Glenlair, ma pure la sua stessa salute continuava a peggiorare. Fece ritorno con la moglie a Cambridge l'8 ottobre e lì morì il 5 novembre 1879, all'età di 48 anni, per un tumore addominale. 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, in 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 del loro credo.

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 le infinite potenza e saggezza di Dio nella sua irraggiungibile ed eterna verità. Maxwell giustificava la conoscibilità della natura ed il successo della scienza sostenendo che Dio avesse creato una corrispondenza tra la mente umana e la natura.

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.:Gin a body meet a body Flyin' through the air. Gin a body hit a body, Will it fly? And where? [...] Si tratta della parodia della nota canzone "Comin' Through the Rye" del poeta scozzese Robert Burns, famosa per essere connessa al titolo inglese del romanzo Il giovane Holden di Salinger. 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 detto di una funzione religiosa alle sei del mattino, Maxwell si tormentò la barba e rispose, con la sua cadenza scozzese: «Va bene, penso di poter stare sveglio fino a quell'ora».

Contributi scientifici

Termodinamica e teoria cinetica dei gas

Le relazioni di Maxwell della termodinamica sono delle equazioni differenziali alle derivate parziali che legano tra loro le variabili di stato e sono ricavabili attraverso la trasformata di Legendre.

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 un enorme sviluppo dai contributi 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 in un dato volume di gas, a una certa 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 proporre l'esperimento mentale del diavoletto di Maxwell.

Dal punto di vista epistemologico, Maxwell sostenne l'atomismo matematico ovvero l'idea che, benché sia impossibile osservare gli atomi come particelle libere (non aggregate in molecole), si possa tuttavia trattarli matematicamente come entità osservabili.Charis Charalampous, The Confined Atom: James Clerk Maxwell on the Fundamental Particles and the Limits of Scientific Knowledge, in "Perspectives on Science", vol. 29, n. 2, pp. 189–214, 2021, doi: https://doi.org/10.1162/posc_a_00365

Elettromagnetismo

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 in una serie di 20 equazioni differenziali scalari. Esse descrivono il campo elettrico, quello magnetico oltre alle loro interazioni con la materia e furono presentate alla Royal Society nel 1864. Il testo della conferenza, A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, fu pubblicato sulle Philosophical Transactions of the Royal Society of London nel giugno 1865.