James Clerk Maxwell nasceu em 13 de junho de 1831 na Rua India, 14, emEdimburgo, filho de John Clerk Maxwell, umadvogado, e Frances Maxwell[2] O pai de Maxwell era um homem com confortáveis meios financeiros, aparentado com a família Clerk de Penicuik,Midlothian, os titulares dobaronato de Clerk de Penicuik, sendo seu irmão o sexto barão.[3] Nascera John Clerk,[4] adicionando o sobrenome Maxwell ao seu próprio depois de ter herdado uma propriedade rural emMiddlebie, Kirkcudbrightshire, a partir das conexões com a família de Maxwell, eles próprios membros dopariato.[2]
Os pais de Maxwell não se conheceram e se casaram até que tivessem passado dos trinta anos, o que era incomum para a época. Sua mãe, Frances Maxwell, tinha quase 40 quando James nasceu. Eles tinham tido anteriormente uma criança, uma filha, Elizabeth, que morrera na infância. Chamaram seu único filho sobrevivente de James, um nome que tinha sido usado não só pelo seu avô, mas também por muitos outros de seus ancestrais. Seus pais John Clerk Maxwell e Frances Maxwell possuíam extensas terras no campo escocês, onde Maxwell cresceu. Sua mãe adoeceu, provavelmente com cancro, e morreu em 1839.
Aos 10 anos de idade, Maxwell foi para escola emEdimburgo. Publicou seu primeiro artigo aos quatorze anos, num trabalho incentivado pela necessidade do artista e decorador D. R. Hay de construir uma figura oval "perfeita" (artisticamente e matematicamente). Nessa época, Maxwell redescobriu asovais de Descartes. Elas já tinham sido estudadas anteriormente porDescartes,[5] mas Maxwell também as generalizou para mais de dois focos. Desconhecendo o trabalho de Descartes, a originalidade do trabalho de Maxwell foi a forma simples apresentada por ele para resolver o problema de desenhá-las, e a definição de uma classe mais geral de curvas (que agora são por vezes chamadas de "curvas de Maxwell").[6] Três dos quatro artigos seguintes foram sobre geometria.On the Theory of Rolling Curves (Sobre a teoria das curvas rolantes), de 1848, estuda ageometria diferencial de curvas geradas como acicloide, com uma figura rolando sobre outra. O artigo de 1853 foi uma curta investigação sobre óptica geométrica, e este trabalho levou à descoberta da lente "olho-de-peixe". O terceiro trabalho dessa época,Transformation of Surfaces by Bending (Transformação de superfícies por dobramento), ampliação de um trabalho iniciado porGauss. O único artigo desse período a abordar apenas física foiOn the Equilibrium of Elastic Solids (Sobre o equilíbrio de sólidos elásticos), escrito em 1850, pouco antes da ida paraCambridge.[7]
Em 1847 matriculou-se naUniversidade de Edimburgo, pensando que aí teria mais possibilidade de vir a ser cientista do que em uma universidade mais prestigiosa, como por exemplo,Cambridge, onde também fora aceito. Na Universidade de Edimburgo, graduou-se em Filosofia Natural (como era nessa época denominada aFísica),Filosofia Moral e Filosofia Mental.[1] Em 1850 foi estudar matemática na Universidade de Cambridge, mais precisamente noTrinity College. É nesta época que Maxwell inicia o seu estudo das equações doeletromagnetismo, que continuaria praticamente toda a sua vida. Em 1854 graduou-se, entre os melhores estudantes do seu ano, e imediatamente depois apresenta um brilhante artigo àSociedade Filosófica de Cambridge com o títuloOn the Transformation of Surfaces by Bending, um dos poucos artigos puramente matemáticos que escreveu.
Em 1856 Maxwell se tornou professor emAberdeen, e casa-se aos 27 anos comKatherine Clerk Maxwell, com quem nunca teve filhos. De 1855 a 1872 publicou com intervalos uma série de investigações sobre a percepção da cor e odaltonismo pela qual receberia amedalha Rumford da Royal Society no ano de 1860. Em 1859 recebeu o prémio Adams por um artigo sobre a estabilidade dosanéis de Saturno, em que demonstra que estes não podem ser completamente sólidos nem fluidos.[1] A estabilidade destes anéis implica que eles têm de ser constituídos por numerosas pequenas partículas sólidas. Do mesmo modo provou que osistema solar não podia ser formado pela condensação de uma nébula puramente gasosa, mas que esta nébula tinha que conter também pequenas partículas sólidas. Foi também nesta época que Maxwell fez os seus trabalhos mais importantes em física estatística, tendo generalizado o trabalho iniciado porClausius em que este punha a hipótese de que um gás era formado por moléculas que se movem a uma certa velocidade e que vão mudando de velocidade ao chocar entre si. Maxwell considerou que as partículas se tinham que mover a diferentes velocidades e estudou a distribuição da velocidade destas. Em 1868 a continuação deste trabalho feita porBoltzmann daria origem à chamadadistribuição de Maxwell-Boltzmann e ao campo damecânica estatística.
A primeira fotografia colorida, feita por Maxwell, em 1861
Em 1860 foi nomeado professor noKing's College deLondres e em 1861 foi eleito membro daRoyal Society. Durante este período investigou temas emelasticidade e em geometria pura, mas também prosseguiu os seus estudos em visão e óptica, tendo por exemplo demonstrado que se pode produzir uma fotografia a cores utilizando filtros vermelho, verde e azul e sobrepondo as três imagens assim obtidas (ver ao lado imagem da primeira fotografia a cores na história, obtida por este método).[8]
Após a morte de seu pai, em 1865, Maxwell se aposentou para cuidar das terras da família. Nesta época faz importantes contribuições à física experimental, realizando com a sua esposa uma série de experiências sobre a viscosidade dosgases, em que demonstraram por exemplo que aviscosidade de um gás é independente da sua densidade.
Maxwell tinha como hábito trabalhar ao mesmo tempo em vários assuntos, com intervalos longos entre artigos sucessivos no mesmo campo. Por exemplo, seis anos se passaram entre o primeiro e o segundo de seus artigos sobre eletricidade (1855, 1861), doze anos entre o segundo e o terceiro artigos mais notáveis sobre teoria cinética (1867, 1879).[9]
Em 1870 publicou o livro "A teoria do calor", que dá forma final àtermodinâmica moderna e será enormemente influente na física doséculo XX, e em 1871 inventou o conceito deDemônio de Maxwell, para demonstrar que asegunda lei da termodinâmica, que diz que a entropia nunca decresce, tem um carácter estatístico. Neste ano ainda aceita dirigir o novoLaboratório Cavendish, emCambridge.[1] Ele mesmo supervisionou a construção do edifício e a compra de todos os aparelhos científicos.Professor Cavendish de Física, de 1871 a 1879, tinha acabado de estabelecer o laboratório como centro de excelência científica quando morreu. Durante este período, Maxwell preparou zelosamente a publicação das investigações completas deHenry Cavendish, incluindo os seus estudos de eletricidade, o que viria a ser a sua última importante contribuição para a ciência.
Em 1873 Maxwell publicou oTratado sobre Eletricidade e Magnetismo, livro que continha todas as suas ideias sobre este tema e que condensa todo o trabalho que foi fazendo ao longo dos anos. Ele estava preparando uma revisão abrangente deste tratado com as suas novas descobertas neste tema quando morreu em Cambridge prematuramente de cancro do abdômen. Foi enterrado em Parton Kirk, na Escócia.[1]
Maxwell havia estudado e comentado sobre eletricidade e magnetismo já em 1855, quando seu artigo "On Faraday's lines of force" foi lido para a Cambridge Philosophical Society.[10] O artigo apresentou um modelo simplificado do trabalho de Faraday e como eletricidade e magnetismo estão relacionados. Ele reduziu todo o conhecimento atual em um conjunto vinculado deequações diferenciais com 20 equações em 20 variáveis. Este trabalho foi posteriormente publicado como "On Physical Lines of Force" em março de 1861.[11]
Por volta de 1862, enquanto lecionava no King's College, Maxwell calculou que a velocidade de propagação de um campo eletromagnético é aproximadamente a davelocidade da luz. Ele considerou isso mais do que apenas uma coincidência, comentando: "Dificilmente podemos evitar a conclusão de que a luz consiste nas ondulações transversais do mesmo meio que é a causa dos fenômenos elétricos e magnéticos.[12]
Trabalhando mais no problema, Maxwell mostrou que asequações preveem a existência de ondas decampos elétricos e magnéticos oscilantes que viajam através do espaço vazio a uma velocidade que poderia ser prevista a partir de experimentos elétricos simples; usando os dados disponíveis na época, Maxwell obteve uma velocidade de 310 740 000 metros por segundo (1,0195×109 pés/s.[13] Em seu artigo de 1865 "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field", Maxwell escreveu: "A concordância dos resultados parece mostrar que luz e magnetismo são afecções da mesma substância, e que a luz é uma perturbação eletromagnética propagada através do campo de acordo com as leis eletromagnéticas".[14]
Suas famosas vinte equações, em sua forma moderna deequações diferenciais parciais, apareceram pela primeira vez em forma totalmente desenvolvida em seu livro-textoA Treatise on Electricity and Magnetism em 1873.[15] A maior parte deste trabalho foi feita por Maxwell em Glenlair durante o período entre ocupar seu cargo em Londres e assumir a cadeira Cavendish.[16]Oliver Heaviside reduziu a complexidade da teoria de Maxwell para quatroequações diferenciais parciais,[17] conhecidas agora coletivamente como Leis de Maxwell ouEquações de Maxwell. Embora os potenciais tenham se tornado muito menos populares no século XIX,[18] o uso de potenciais escalares e vetoriais é agora padrão na solução das equações de Maxwell.[19] Seu trabalho alcançou asegunda grande unificação na física.[20]
Maxwell expressou o eletromagnetismo na álgebra dosquatérnions e fez do potencial eletromagnético a peça central de sua teoria. Em 1881, Heaviside substituiu o campo de potencial eletromagnético por campos de força como a peça central da teoria eletromagnética. De acordo com Heaviside, o campo de potencial eletromagnético era arbitrário e precisava ser "assassinado". (sic) Alguns anos depois, houve um debate entre Heaviside e[Peter Guthrie] Tate (sic) sobre os méritos relativos daanálise vetorial e dosquatérnions. O resultado foi a percepção de que não havia necessidade das maiores percepções físicas fornecidas pelosquatérnions se a teoria fosse puramente local, e a análise vetorial tornou-se comum.
Maxwell foi comprovadamente correto, e sua conexão quantitativa entre luz e eletromagnetismo é considerada uma das grandes realizações dafísica matemática do século XIX.[22]
Maxwell também introduziu o conceito docampo eletromagnético em comparação às linhas de força que Faraday descreveu.[23] Ao entender a propagação do eletromagnetismo como um campo emitido por partículas ativas, Maxwell pôde avançar seu trabalho sobre luz. Naquela época, Maxwell acreditava que a propagação da luz exigia um meio para as ondas, apelidado deéter luminífero.[23] Com o tempo, a existência de tal meio, permeando todo o espaço e aparentemente indetectável por meios mecânicos, provou-se impossível de conciliar com experimentos como oexperimento de Michelson-Morley.[24] Além disso, parecia exigir umreferencial absoluto no qual as equações fossem válidas, com o resultado desagradável de que as equações mudavam de forma para um observador em movimento. Essas dificuldades inspiraramAlbert Einstein a formular a teoria darelatividade especial; no processo, Einstein dispensou a exigência de um éter luminífero estacionário.[25]
Einstein reconheceu o trabalho inovador de Maxwell, afirmando que:[26]
Uma época científica terminou e outra começou com James Clerk Maxwell.
Ele também reconheceu a influência que seu trabalho teve em sua teoria da relatividade:[26]
A teoria especial da relatividade deve suas origens às equações de Maxwell do campo eletromagnético.
Primeira imagem fotográfica durável em cores, demonstrada por Maxwell em uma palestra de 1861
Junto com a maioria dos físicos da época, Maxwell tinha um forte interesse em psicologia. Seguindo os passos deIsaac Newton eThomas Young, ele estava particularmente interessado no estudo davisão de cores. De 1855 a 1872, Maxwell publicou em intervalos uma série de investigações sobre a percepção de cores,daltonismo e teoria das cores, e foi premiado com aMedalha Rumford por "On the Theory of Colour Vision".[27]
Isaac Newton havia demonstrado, usando prismas, que a luz branca, como aluz solar, é composta de várioscomponentes monocromáticos que poderiam então ser recombinados em luz branca.[28] Newton também mostrou que uma tinta laranja feita de amarelo e vermelho poderia parecer exatamente como uma luz laranja monocromática, embora sendo composta por duas luzes monocromáticas amarela e vermelha. Daí o paradoxo que intrigava os físicos da época: duas luzes complexas (compostas de mais de uma luz monocromática) poderiam parecer iguais, mas ser fisicamente diferentes, chamadas demetâmeras.Thomas Young posteriormente propôs que esse paradoxo poderia ser explicado pelas cores sendo percebidas através de um número limitado de canais nos olhos, que ele propôs ser triplo,[29] ateoria tricromática das cores. Maxwell usou a recém-desenvolvidaálgebra linear para provar a teoria de Young. Qualquer luz monocromática estimulando três receptores deveria ser capaz de ser igualmente estimulada por um conjunto de três luzes monocromáticas diferentes (na verdade, por qualquer conjunto de três luzes diferentes). Ele demonstrou que esse era o caso, inventando experimentos de correspondência de cores eColorimetria.[30]
Maxwell também estava interessado em aplicar sua teoria da percepção de cores, nomeadamente emfotografia colorida. Decorrendo diretamente de seu trabalho psicológico sobre percepção de cores: se uma soma de quaisquer três luzes pudesse reproduzir qualquer cor perceptível, então fotografias coloridas poderiam ser produzidas com um conjunto de três filtros coloridos. No decorrer de seu artigo de 1855, Maxwell propôs que, se três fotografias em preto e branco de uma cena fossem tiradas através defiltros vermelho, verde e azul, e cópias transparentes das imagens fossem projetadas em uma tela usando três projetores equipados com filtros similares, quando sobrepostas na tela o resultado seria percebido pelo olho humano como uma reprodução completa de todas as cores da cena.[31]
Durante uma palestra de 1861 na Royal Institution sobre teoria das cores, Maxwell apresentou a primeira demonstração mundial de fotografia colorida por este princípio de análise e síntese de três cores.Thomas Sutton, inventor dacâmera reflex de lente única, tirou a foto. Ele fotografou uma fitatartan três vezes, através de filtros vermelho, verde e azul, fazendo também uma quarta fotografia através de um filtro amarelo, que, segundo o relato de Maxwell, não foi usado na demonstração. Como aschapas fotográficas de Sutton eram insensíveis ao vermelho e quase insensíveis ao verde, os resultados deste experimento pioneiro estavam longe da perfeição. Foi observado no relato publicado da palestra que "se as imagens vermelha e verde tivessem sido tão completamente fotografadas quanto a azul", "teria sido uma imagem verdadeiramente colorida da fita. Ao encontrar materiais fotográficos mais sensíveis aos raios menos refrangíveis, a representação das cores dos objetos poderia ser muito melhorada."[32][33] Pesquisadores em 1961 concluíram que o sucesso parcial aparentemente impossível da exposição filtrada em vermelho foi devido à luzultravioleta, que é fortemente refletida por alguns corantes vermelhos, não totalmente bloqueada pelo filtro vermelho usado, e dentro da faixa de sensibilidade doprocesso de colódio úmido que Sutton empregou.[34]
Maxwell também investigou ateoria cinética dos gases. Originando-se comDaniel Bernoulli, esta teoria foi avançada pelos trabalhos sucessivos deJohn Herapath,John James Waterston,James Joule e particularmenteRudolf Clausius, a tal ponto de colocar sua precisão geral além de qualquer dúvida; mas recebeu enorme desenvolvimento de Maxwell, que neste campo apareceu como experimentador (sobre as leis da fricção gasosa) bem como matemático.[35]
Entre 1859 e 1866, ele desenvolveu a teoria das distribuições de velocidades em partículas de um gás, trabalho posteriormente generalizado porLudwig Boltzmann.[36][37] A fórmula, chamada dedistribuição de Maxwell-Boltzmann, fornece a fração de moléculas de gás movendo-se a uma velocidade especificada a qualquer temperatura dada. Nateoria cinética dos gases, temperaturas e calor envolvem apenas movimento molecular. Esta abordagem generalizou as leis da termodinâmica previamente estabelecidas e explicou observações e experimentos existentes de uma maneira melhor do que havia sido alcançado anteriormente. Seu trabalho sobretermodinâmica o levou a conceber oexperimento mental que ficou conhecido comodemônio de Maxwell, onde asegunda lei da termodinâmica é violada por um ser imaginário capaz de ordenar partículas por energia.[38]
Peter Guthrie Tait chamou Maxwell de "principal cientista molecular" de seu tempo. Outra pessoa acrescentou após a morte de Maxwell que "apenas um homem vivia que podia entender os artigos de Gibbs. Era Maxwell, e agora ele está morto."[42]
Maxwell publicou o artigo "On governors" nosProceedings of the Royal Society, vol. 16 (1867–1868).[43] Este artigo é considerado um artigo central dos primeiros dias dateoria de controle.[44] Aqui "governors" refere-se aoregulador ou oregulador centrífugo usado para regularmáquinas a vapor.
Por sempre possuir interesses na percepção de cores peloolho humano, Maxwell, usando sua invenção do filtro de cores triplo (que mais tarde resultaria no sistemaRGB), desvendou informações sobre odaltonismo, mostrando que esse problema provém da ausência de um dos três receptores de cores no nervo ótico (vermelho, verde ou azul).[45]
Apesar de não haver registros sobre pesquisas de Maxwell diretamente ligadas a fluidos corporais, seus estudos diretamente causaram impacto nareologia, majoritariamente em estudos referentes àbiofísica voltada aocorpo humano, pois seu pioneirismo em tópicos relativos àviscosidade e àelasticidade de materiais proveu grande ajuda nos estudos defluidos corporais, como osangue.[45]
Sua pesquisa sobre a natureza do espectro eletromagnético foi de fundamental importância, posteriormente, para o emprego dosraios X e daressonância magnética naMedicina.[46]
Maxwell mostrou, a partir de suas equações, que era possível encontrar uma equação da onda para descrever a propagação do campo elétrico e outra para o campo magnético. Contribuindo assim para a medicina atual, que utiliza desse conhecimento para cada vez mais se revolucionar.[46]
Maxwell é geralmente lembrado como o cientista do século XIX a ter mais influência sobre afísica do século XX e o responsável por contribuições básicas nos modelos naturais, sendo considerado uma ponte entre a matemática e a física. Poucos anos após a morte de James Clerk Maxwell, seus trabalhos científicos foram aceitos mundialmente a partir de suas explorações sobre eletromagnetismo. Em 1931, comemorando o centenário do nascimento de Maxwell, descrevendo seu trabalhoAlbert Einstein disse "o mais profundo e frutífero que a física descobriu desde Newton".
Em uma pesquisa sobre os 100 físicos mais proeminentes conduzida pelaPhysics World—Maxwell foi eleito o terceiro maior físico de todos os tempos, atrás apenas de Newton e Einstein.[47] Outra pesquisa com físicos comuns pelaPhysicsWeb o elegeu em terceiro lugar.[48]
Três das contribuições de Maxwell paraa Encyclopædia Britannica apareceram na Nona Edição (1878):Atom,Attraction, eEther; e três na décima primeira edição (1911):Capillary Action,[50]Diagram,[51] eFaraday, Michael[52]
Referências
↑abcde«James Clerk Maxwell».Enciclopédia Mirador Internacional; Oxford Dictionary of Scientists. UOL - Educação. Consultado em 4 de novembro de 2012
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