James Maxwell

James Clerk Maxwell se narodil v Edinburgu ve Skotsku ve staré šlechtické a právnické rodině, která pocházela z roku Clerků. Teprve Jamesův otec John, vysoce vzdělaný cestovatel, přijal jméno Maxwell zděděním maxwellovského statku. James prožil celé dětství v Glenlair. Když mu bylo osm, zemřela mu matka na rakovinu a tato nemoc byla později osudná i jemu. Jeho výchovy se ujal výstřední a trochu podivínský otec, který mu pořídil první dalekohled a vzbudil u něj zájem o astronomii. Jeho otec se právnické praxi věnoval jen zřídka. Daleko častěji navštěvoval zasedání Královské společnosti v Edinburghu, kam sebou brával i malého Jamese. V deseti letech nastoupil James do druhého ročníku Edinburgh Academy. Právě diskuze o tvaru etruských pohřebních uren ho přivedla k napsání první vědecké práce. V patnácti letech předložil Maxwellův otec Edinburgské královské společnosti první práci svého syna On the theory of rolling curves (O mechanickém kreslení oválů), která byla otištěna v Transactions of the Royal Society of Edinburgh. V tomto pojednání Maxwell rozvíjel nauku o dvouohniskových útvarech, převzatou od René Descarta. Ukázal, jak technicky konstruovat křivky, které mají více pevných ohnisek. I když se tato práce z valné většiny opírala právě o učení Descartesovo, byla rozšířena o obecnou definici elipsy.

James Clerk Maxwell.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Pavel Trnka. Under Creative Commons.

Na jaře 1847 ho strýc přivedl k Williamu Nicolovi, který mu předvedl polarizaci světla, byl přijat na Edinburskou univerzitu, kde se začal pilně věnovat všem předmětům a publikoval další vědecká pojednání. Zabýval se fotoelasticitou, tedy teorií pružnosti. Práci On the qeuilibrium of elastic solids četl už na zasedání Royal Sociesty of Edinburgh v roce 1850 sám. Výsledkem jeho práce je dodnes používaná tzv. Maxwellova věta. Studium v Edinburghu ho už neuspokojovalo, proto v roce 1850 odešel do Cambridge. Zde ho dostal na starost korepetitor Hopkins, který o něm řekl: “... Byl to nejneobyčejnější muž, které jsem kdy viděl. Vrozeně byl neschopen myslet o fyzice nesprávně …“ [8]

V roce 1854 se podrobil obtížné a obávané zkoušce známé jako Tripos (název označoval původně trojnožku, na které sedala delfská věštkyně Pýthie, ve středověku na ní sedával zkoušející, který měl právo výsměchu – mohl zkoušeného zesměšňovat). Úspěšný absolvent mohl získat i Smithovu cenu. Spolu s Maxwellem se o tuto cenu ucházel i kanadský nadaný student Edward John Routh. Úlohu ke zkoušce zadal George Stokes a jejich úkolem bylo dokázat větu z vektorové analýzy (nyní Stokesovu větu). Oba si s úkolem poradili, i když Maxwell rychleji a elegantněji. Později se Stokes s Maxwellem spřátelili, jejich společnou vlastností byla mlčenlivost. Maxwel se poté začal na Trinity College připravovat na profesuru a složil učitelské zkoušky Fellowship, aby mohl učit na Trinity College.

Barvy

Maxwellův zájem o světlo začal v roce 1849. Stavěl na myšlenkách Thomase Younga a Hermanna Helmholtze a jejich experimentech s vnímáním světla lidským okem. Maxwellovy pokusy byly zaměřeny na existenci tří základních barev – červená, modrá, zelená. Potvrdil Youngovu teorii o přítomnosti tří druhů receptorů lidského oka, citlivých na tyto základní barvy a vysvětlil barvoslepost jako poruchu těchto receptorů. Vysvětlil také, jak přidávání či odebírání množství složek těchto barev produkuje všechny ostatní barvy spojitého spektra. Výpočty těchto vlastností barev byly čistě matematického rázu. Výsledky své práce předložil v roce 1855 nezávisle na Hermannu Helmholtzovi, který v témže roce přednesl v Královci přednášku o lidském vidění. V roce 1861 Maxwell vytvořil první barevnou fotografii. Pásku se vzorkem tartanu promítnul přes filtry základních barev k dosažení barevného výsledku. Tak vznikl prapředek všech barevných fotografií, barevného tisku a televize.

Saturnovy prstence

V roce 1856 nastoupil Maxwell na Marischallovu kolej v Aberdeenu, kde začal přednášet fyziku. Zde potkal dceru ředitele koleje Mary Dewarovou, se kterou se po roce oženil. V té době bylo vypsáno téma pro vědeckou práci, jejímuž řešiteli bude udělena Adamsova cena. Tímto tématem byl pohyb Saturnových prstenců a Maxwell se tomuto tématu naplno oddal. Zadaným problémem bylo matematicky vyřešit stabilitu těchto prstenců. Maxwell uvažoval nejprve spojitý prstenec pevné látky, z výpočtů mu vyšel kolaps tohoto modelu. Pro prstenec kapaliny výpočet opět selhal. Tak se Maxwell dostal k modelu prstenců, který předpokládal nespojitou strukturu. Maxwell vypočítal, že se satelity musí skládat z množství malých tělísek, které velkou rychlostí obíhají kolem planety. Správnost tohoto výpočtu byla dokázána až v druhé polovině 20. století, kdy se k Saturnu dostala sonda Voyager. Své výsledky Maxwell publikoval v článku The motion of Saturn’s rings v roce 1857 v Astronomical Society Monthly Notices.

Elektromagnetismus

Už v dopise z 20. února 1854, který psal svému o sedm let staršímu příteli Williamu Thomsonovi, ve kterém mu zdělil svou touhu „zaúčtočit na elektřinu“ a zároveň Thomsona žádal o radu v jakém pořádí má číst díla André Ampéra, Michaela Faradaye a jeho. Na univerzitě v Aberdeenu působil 3 roky. Pak se jeho kolej sloučila a on byl propuštěn z postu akademického učitele. Žádost na Edinburgskou univerzitu také nevyšla. Neměl tedy žádný ústav, kde by mohl působit. Než získal další místo, strávil v rodinném sídle v Glenlair prázdniny. Během nich nezahálel, ale věnoval se elektřině a magnetismu. Při experimentování mu prý pomáhala jeho paní a pes, kterému potichu vysvětloval pokusy, když s ním byl v laboratoři sám.

V roce 1860 začal působit jako profesor fyziky na King´s College v Londýně, kde také potkával Michaela Faradaye. Uveřejnil několik prací z fyziologické optiky, za které mu v roce 1860 londýnská Royal Society udělila Rumfordovu medaili. Na King´s College spolupracoval se známým inženýrem Flemingem Jenkinem, se kterým provedl řadu elektrických měření a zhotovil řadu etalonů elektrických jednotek, např. ohmu.

 James Clerk Maxwell: Treatise on Electrocity and Magnetism

V roce 1865 prodělal těžkou nemoc a odebral se na šestiletý odpočinek na rodinný statek ve Skotsku, kde začal psát Treatise on Electrocity and Magnetism (Pojednání o elektřině a magnetismu), ve kterých vycházel z myšlenek a pokusů Michaela Faradaye. Michael Faraday neměl matematické vzdělání, a proto publikoval pouze své experimenty. Maxwell matematicky zpracoval Faradayovy myšlenky a experimenty. V této době také přišlo povolání na nejstarší skotskou univerzitu v Saint Andrews, kde se měl stát rektorem, a které odmítl.

James Clerk Maxwell na portrétu z roku 1870.
Zdroj: National Portrait Gallery, London. Under Creative Commons.

Spis Dynamická teorie elektromagnetického pole je úplnou matematickou formulací teorie elektromagnetického pole. Z této teorie vyplynula existence elektromagnetických vln a etheru. Maxwell se svou vrozenou skromností svou teorii elektromagnetického pole nazval matematickou interpretací fyzikálních představ Michaela Faradaye. Přejal jeho myšlenku siločar a začal na tomto předpokladu budovat monumentální teorii, kterou završil svými čtyřmi diferenciálními rovnicemi, obecně popisujícími chování elektromagnetického pole bez závislosti na prostředí, ve kterém je toto pole přítomno.

I když čtenáři nevzdělanému ve vysokoškolské fyzice značky a rovnice nic neřeknou, přesto můžeme vnímat jejich jednoduchost. Rovnice jednoznačně popisují elektrické a magnetické pole vytvořené v okolí rozložených nábojů r a proudů j.

I když Maxwell předpokládal hypotetické prostředí, éter, v němž se elektromagnetické vlnění šíří, přesto byly jeho rovnice platné obecně. Ve svém pojednání On Faraday’s lines of forces, které publikoval již v roce 1856, Maxwell ukázal, že několik relativně jednoduchých rovnic může vyjádřit chování elektrického a magnetického pole a jejich vzájemný vztah. Největší význam však má matematicky vypracovaná elektromagnetická teorie světla. Maxwell ukázal, že elektromagnetické vlnění je příčné, odvodil vztah pro rychlost šíření elektromagnetických vln. Po porovnání rychlostí elektromagnetických vln s rychlostí světla došel k závěru, že shodné výsledky ukazují, že světlo a elektromagnetické vlnění jsou projevem vlastností jedné a téže substance, a že světlo je elektromagnetický rozruch šířící se prostřednictvím pole v souhlasu se zákony elektromagnetismu. Pozdější experimenty Alberta Michelsona a Edwarda Morleyho sice vyloučily existenci etheru, Maxwellovy diferenciální rovnice však zůstali obecně platné a použitelné. Teorie byla experimentálně potvrzena Heinrichem Hertzem.

V roce 1870 věnoval jeden z potomků Henry Cavendishe značnou částku k založení nové laboratoře a katedry experimentální fyziky. Cambridgeská univerzita vybrala Maxwella jako osobu odpovědnou za realizaci stavby, její vybavení i vedení. V roce 1873 vyšly dva díly Treatise on Electrocity and Magnetism (Pojednání o elektřině a magnetismu), ve kterých zevšeobecnil vše, co bylo vykonáno před ním a co vykonal sám.

Kinetická teorie plynů

Maxwell má velké zásluhy na rozvoji kinetické teorie plynů. Vše shrnul v Teorie tepla z roku 1877, kdy vycházel z práce Rudolfa Clausia. Předpokládal, že molekuly plynu se pohybují různými rychlostmi a navzájem kolidují s jinými molekulami a stěnami nádoby. Přejal od Clausia pojem střední volné dráhy a využil statistických metod k vyjádření intervalu rychlostí, kterými se molekuly plynu pohybují. Tak poopravil teorii určitosti, do té doby vžité. Maxwellovo rozdělení rychlostí je dnes jedním ze základních kamenů molekulové fyziky. Maxwell se zajímal také o tepelné vlastnosti plynů a kapalin, přisoudil částicím schopnost „skladovat“ teplo ve formě svého pohybu. Čím více tepla molekuly přijmou, tím rychleji se pohybují. S úspěchem se Maxwell také zabýval viskozitou plynů, difúzí a ostatními vlastnostmi plynů a kapalin závislými na pohybu molekul. Kinetickou teorii Maxwell tvořil nezávisle na rakouském fyzikovi Ludwigu Boltzmanovi, který později ve svých teoriích doplnil některé nedostatky Maxwellovy teorie. Maxwell se také pokoušel odhadnout velikost molekul a zabýval se principem centrifugy. Svou teorií Maxwell zrevidoval platnost druhého zákona termodynamiky a ze své statisticky zpracované teorie plynů odvodil, že je nějaká, byť nepatrná šance k přechodu tepla z chladnějšího do teplejšího prostředí. Tato hypotéza vedla k myšlenkové konstrukci hypotetického stroje, známého pod názvem Maxwellův démon. Maxwell tak druhému zákonu termodynamiky nepřisoudil absolutní platnost, jen „nejvyšší pravděpodobnost“.

V roce 1879 se začalo Maxwellovo zdraví prudce zhoršovat, Maxwell se vrátil do Glenlairu, aby se zotavil. Krátce před smrtí přijel do Cambridge, kde 5. listopadu 1879 zemřel. Byl pohřben beze všech poct na malém hřbitově v Partonu.

Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.

Použité zdroje

[1] ANDRONOV, A. A. James Clerk Maxwel (k 125. výročí narození). Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, 1956, roč. 1, č. 4, s. 451-456. ISSN 0032-2423.

[2] BOREC, T. Dobrý den, pane Ampére. 1. vydání. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1980. ISBN 14–031–81.

[3] HERNECK, F. Průkopníci atomového věku. 1. vydání. Praha: Orbis, 1974. ISSN 11–054–74.

[4] LENARD, P. Velcí přírodozpytci. Družstevní práce, Praha 1943.

[5] KREJČA, P. James Clerk Maxwell – největší teoretik na linii Newton–Einstein, seminář FJfi ČVUT.

[6] MALÍŠEK, V. James Clerk Maxwell a jeho zásluhy o rozvoj klasické fyziky. Matematika a fyzika ve škole, říjen 1979, roč. 10, č. 2, s. 135–139.

[7] PODOLSKÝ, J. J. C. Maxwell aneb cesta od elektřiny a magnetismu k teorii elektromagnetického pole. Rozhledy matematicko–fyzikální, 1999, roč. 76, č. 5, s. 222–238. ISSN 0035–9343.

[8] POLÁK, J. K 100. výročí úmrtí Jamese Clerka Maxwella. Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, 1979, roč. 24, č. 6, s. 301-312. ISSN 0032-2423.

[9] ŠTOLL, I. Historky o slavných fyzicích a matematicích. 1. vydání. Praha: Prométheus, 2005. ISBN 80–7196–309–7.