Дже́ймс Клерк Ма́ксвелл (, 13 червня 1831, Единбург, Шотландія — 5 листопада 1879, Кембридж, Англія) — шотландський вчений, який створив теорію електромагнітного поля і на підставі її зробив висновок, що змінні електричне і магнітне поля тісно пов'язані одне з одним, утворюючи єдине електромагнітне поле, яке поширюється у вигляді електромагнітних хвиль зі швидкістю світла. Ґрунтуючись на зв'язку електричних, магнітних та світлових явищ, Максвелл розробив теорію світла і тим об'єднав в одне ціле раніше розрізнені галузі електрики, магнетизму і оптики. Крім цього, Максвеллу належать великі відкриття і в інших галузях фізики, зокрема молекулярної кінетичної теорії газів.

Походження і ранні роки Джеймс Клерк Максвелл належав до старовинного шотландського роду Клерків з Пенік'юїка. Його батько, Джон Клерк Максвелл, був власником фамільного маєтку Міддлбі в Південній Шотландії (друге прізвище Максвелл відображає саме цей факт). Він закінчив Единбурзький університет і був членом адвокатської колегії, але не плекав любові до юриспруденції, захоплюючись у вільний час наукою і технікою (він навіть опублікував кілька статей прикладного характеру) і регулярно відвідуючи як глядач засідання Единбурзького королівського товариства. У 1826 році він одружився з Френсіс Кей (Frances Cay), донькою судді Адміралтейського суду, яка через п'ять років народила сина.

Незабаром після народження сина сім'я переїхала з Единбурга у свій покинутий маєток Міддлбі, де був побудований новий будинок, що отримав назву («барліг у вузькій лощині»). Тут Джеймс Клерк Максвелл провів свої дитячі роки, затьмарені ранньою смертю матері від раку. Життя на природі зробило його витривалим і цікавим. З раннього дитинства він виявляв інтерес до навколишнього світу, був оточений різними «науковими іграшками» (наприклад, «магічним диском» — попередником кінематографа У 1861 році Максвелл створив вдосконалений варіант цього пристрою, який зберігається в Кавендішській лабораторії., моделлю небесної сфери, дзиґою-«дияволом» та ін), багато почерпнув зі спілкування зі своїм батьком, захоплювався поезією і зробив перші власні поетичні досліди. Лише в десятирічному віці у нього з'явився спеціально найнятий домашній учитель, проте таке навчання виявилося неефективним, і в листопаді 1841 року Максвелл переїхав до своєї тітки Ізабелли, сестри батька, в Единбург. Тут він вступив в нову школу — так звану , що робила наголос на класичну освіту — вивчення латини, грецької і англійської мов, римської літератури і Святого Письма.

Спочатку навчання не приваблювало Максвелла, проте поступово він відчув до нього смак і став найкращим учнем класу. У цей час він захопився геометрією, робив з картону багатогранники. Його розуміння краси геометричних образів зросло після лекції художника Девіда Рамзая Хея про мистецтво етрусків. Роздуми над цією темою привели Максвелла до винаходу способу малювання овалів. Цей метод, висхідний до робіт Рене Декарта, полягав у використанні шпильок-фокусів, ниток і олівця, що дозволяло будувати кола (один фокус), еліпси (два фокуси) і більш складні овальні фігури (більшу кількість фокусів). Ці результати були повідомлені професором Джеймсом Форбсом на засіданні Единбурзького королівського товариства і потім опубліковані в його «Працях». За час навчання в академії Максвелл близько зійшовся з однокласником Льюїсом Кемпбеллом, згодом відомим філологом-класицистом і біографом Максвелла, і майбутнім відомим математиком Пітером Ґатрі Тейтом, що навчалися класом нижче.

Единбурзький університет. Фотопружність (1847—1850)

У 1847 році термін навчання в академії закінчився, і в листопаді Максвелл вступив до Единбурзького університету, де слухав лекції фізика Форбса, математика Філіпа Келланда (), філософа Вільяма Гамільтона (); вивчав численні праці з математики, фізики, філософії, ставив досліди з оптики, хімії, магнетизму. За час навчання Максвелл підготував статтю про кривих кочення, однак основну увагу він приділяв вивченню механічних властивостей матеріалів за допомогою поляризованого світла. Ідея цього дослідження перегукується з його знайомством навесні 1847 року з відомим шотландським фізиком Вільямом Ніколем, який подарував йому два поляризаційних прилади своєї конструкції (призми Ніколя). Максвелл зрозумів, що поляризоване випромінювання можна використовувати для визначення внутрішніх напруг навантажених твердих тіл.

Він виготовляв моделі тіл різних форм з желатину і, піддаючи їх деформації, спостерігав у поляризованому світлі кольорові картини, що відповідали кривим напрямків стиснення і розтягування. Порівнюючи результати своїх дослідів з теоретичними розрахунками, Максвелл перевірив багато старих і вивів нові закономірності теорії пружності, в тому числі в тих випадках, які були занадто складні для розрахунку. Всього він вирішив 14 завдань про напруження всередині порожнистих циліндрів, стрижнів, круглих дисків, порожніх сфер, плоских трикутників, зробивши, таким чином, істотний внесок у розвиток методу фотопружності. Ці результати також представляли значний інтерес для будівельної механіки. Максвелл доповів їх у 1850 році на одному із засідань Единбурзького королівського товариства, що стало свідченням першого серйозного визнання його праць.

Максвелл закінчив Академію в одному з перших випусків. На прощання він склав гімн Единбурзької академії. І тепер перед ним постало питання про перспективу його подальшого навчання в Кембриджі. Найстарший коледж Кембриджу був заснований у 1284 році — коледж св. Петра (Пітерхауз), а найзнаменитіший — коледж св. Трійці (Триніті-коледж), заснований в 1546 році. Славу цього коледжу створив його знаменитий вихованець Ісаак Ньютон. Пітерхауз і Триніті-коледж і були послідовно місцем перебування молодого Максвелла в Кембриджі.

Кембридж (1850—1856)

У 1850 році, незважаючи на бажання батька залишити сина ближче до себе, було вирішено, що Максвелл вирушить до Кембридзького університету (усі його друзі вже покинули Шотландію, щоб здобути престижнішу освіту). Восени він прибув до Кембриджа, де вступив у найдешевший коледж Пітерхауз, отримавши кімнату в будівлі самого коледжу. Однак він не був задоволений навчальною програмою Пітерхауса, до того ж не було практично ніяких шансів залишитися в коледжі після закінчення навчання. Багато його родичів і знайомих, у тому числі професори Джеймс Форбс і Вільям Томсон (майбутній лорд Кельвін), радили йому перейти в Триніті-коледж; тут же вчилися деякі його шотландські друзі. У результаті після першого семестру в Пітерхаусі Джеймс переконав батька в необхідності переведення в Триніті.

Обсяг знань Максвелла, міць його інтелекту і самостійність мислення дозволили йому досягти високого місця у своєму випуску. Він посів друге місце. Молодий бакалавр був залишений в Триніті-коледжі як викладач. Але його хвилювали наукові проблеми. Під час перебування членом ради Триніті-коледжу з 1852 року Максвелл займався експериментами з теорії кольорів, виступаючи як продовжувач теорії Юнга і теорії трьох основних кольорів Гельмгольца. У експериментах зі змішування кольорів Максвел застосував особливу дзиґу, диск якої був розділений на сектори, забарвлені в різні кольори (диск Максвелла). При швидкому обертанні дзиґи кольори зливалися: якщо диск був зафарбований так, як розташовані кольори спектра, він здавався білим; якщо одну його половину зафарбовували червоним, а іншу — жовтим, він здавався помаранчевим; змішування синього і жовтого створювало враження зеленого.

У 1852 році Максвелл став стипендіатом коледжу і одержав кімнату безпосередньо в його будинку. У цей час він мало займався науковою діяльністю, проте багато читав, відвідував лекції Джорджа Стокса та семінари Вільяма Гопкінса, який готував його до складання іспитів, обзаводився новими друзями, писав заради забави вірші (багато з них були згодом опубліковані Льюїсом Кемпбеллом). Максвелл брав активну участь в інтелектуальному житті університету. Він був обраний до «клубу апостолів», що об'єднував дванадцять чоловік з найоригінальнішими і глибокими ідеями. Там він виступав з доповідями на різноманітні теми. Спілкування з новими людьми дозволило йому компенсувати сором'язливість і стриманість, які виробилися в нього за роки спокійного життя на батьківщині. Розпорядок дня Джеймса також представлявся багатьом незвичайним: з сьомої ранку до п'ятої вечора він працював, потім лягав спати, вставав о пів на десяту і брався за читання, з другої до пів на третю ночі, в якості занять фізичною культурою, бігав коридорами гуртожитку, після чого знову спав, вже до самого ранку.

До того часу остаточно сформувалися його філософські та релігійні погляди. Останні характеризувалися значною еклектичністю, що мало коріння з дитячих років, коли він відвідував як пресвітеріанську церкву батька, так і єпископальну церкву тітки Ізабелли. У Кембриджі Максвелл став прихильником теорії християнського соціалізму, що розвивається теологом Фредеріком Денісон Морісом (), ідеологом «широкої церкви» (broad church) і одним із засновників Робочого коледжу (Working Men's College). Вважаючи головним способом удосконалення суспільства освіту й розвиток культури, Джеймс брав участь в роботі цієї установи, читав там вечорами популярні лекції. Разом з тим, незважаючи на безумовну віру в Бога, він не був занадто релігійний, неодноразово отримуючи попередження за пропуски церковних служб.

У 1860 році за роботи зі сприйняття кольору й оптики Максвелл був нагороджений медаллю Румфорда. Крім його старого захоплення геометрією і проблемою кольорів, Максвелл зацікавився електрикою.

Теорія кольорів

Після здачі іспиту Максвелл вирішив залишитися в Кембриджі для підготовки до професорського звання. Він займався з учнями, приймав іспити в Челтенхем-коледжі, заводив нових друзів, продовжував співпрацювати з Робочим коледжем, за пропозицією редактора Макміллана почав писати книгу з оптики (вона так і не була закінчена), а у вільний час відвідував в Гленлер батька, здоров'я якого різко погіршилося. До цього ж часу відноситься жартівливе експериментальне дослідження з «котовертіння», яке увійшло в кембриджський фольклор: його метою було визначення мінімальної висоти, падаючи з якого, кішка стає на чотири лапи.

Проте головним науковим інтересом Максвелла в цей час була робота з теорії кольорів. Вона бере початок у творчості Ісаака Ньютона, який дотримувався ідеї про сім основних кольорів. Максвелл виступив як продовжувач теорії Томаса Юнга, який висунув ідею трьох основних кольорів і зв'язав їх з фізіологічними процесами в організмі людини. Важливу інформацію містили свідоцтва хворих колірною сліпотою, або на дальтонізм. У експериментах зі змішування кольорів, багато в чому незалежно повторювали досліди Германа Гельмгольца, Максвелл застосував «кольорову дзиґу», диск якої був розділений на пофарбовані в різні кольори сектори, а також «кольорову скриньку», розроблену ним самим оптичну систему, яка дозволяла змішувати еталонні кольори. Подібні пристрої використовувалися і раніше, проте лише Максвелл почав отримувати з їхньою допомогою кількісні результати і досить точно передбачати кольори, що виникають у результаті змішування. Так, він продемонстрував, що змішування синього і жовтого кольорів дає не зелений, як часто вважали, а рожевий відтінок. Досліди Максвелла показали, що білий колір не може бути отриманий шляхом змішування синього, червоного та жовтого, як вважали Девід Брюстер і деякі інші вчені, а основними кольорами є червоний, зелений і синій. Для графічного представлення кольорів Максвелл, слідуючи за Юнгом, використовував трикутник, точки всередині якого означають результат змішання основних кольорів, розміщених у вершинах фігури.

Початок наукової діяльності