James Clerk Maxwell

Rozbalit box

Obsah boxu

James Clerk Maxwell (13. června 1831, Edinburgh – 5. listopadu 1879, Cambridge) byl skotský teoretický fyzik a matematik. Je považován za jednoho z nejvýznamnějších fyziků v historii, často stavěného na úroveň Isaaca Newtona a Alberta Einsteina. Sám Einstein o Maxwellově práci prohlásil, že je to „nejdůmyslnější a nejplodnější, co fyzika zažila od Newtonových čias“.

Jeho nejvýznamnějším přínosem je formulace soustavy čtyř diferenciálních rovnic, známých jako Maxwellovy rovnice, které popsaly veškeré tehdejší znalosti o elektřině a magnetismu. Tímto sjednotil do té doby oddělené obory do jediné ucelené teorie elektromagnetismu. Z těchto rovnic odvodil, že světlo je elektromagnetické vlnění a že se musí šířit konstantní rychlostí, kterou i vypočítal. Tato teorie předpověděla existenci dalších forem elektromagnetického záření, jako jsou například rádiové vlny, jejichž existence byla experimentálně potvrzena Heinrichem Hertzem až po Maxwellově smrti.

Maxwell také významně přispěl k rozvoji kinetické teorie plynů, kde formuloval Maxwellovo–Boltzmannovo rozdělení, statistický zákon popisující rozdělení rychlostí molekul v plynu. V roce 1861 vytvořil první barevnou fotografii na principu aditivního míchání barev, čímž demonstroval svou teorii barevného vidění. Zabýval se také astronomií, kde matematicky dokázal, že prstence Saturnu musí být složeny z velkého množství malých, samostatných tělísek.

🎓 Život a vzdělání

James Clerk Maxwell se narodil 13. června 1831 v Edinburghu ve Skotsku do vážené rodiny. Jeho otec, John Clerk Maxwell, byl právník. Velkou část dětství prožil na rodinném statku Glenlair v jižním Skotsku. Již od mládí projevoval velkou zvídavost a intelektuální nadání. Jeho matka zemřela na rakovinu, když mu bylo osm let, stejná nemoc se později stala osudnou i jemu.

V deseti letech nastoupil na Edinburgh Academy. Svou první vědeckou práci, která se zabývala mechanickým kreslením oválných křivek, publikoval již ve 14 letech. V roce 1847, v 16 letech, začal studovat na Univerzitě v Edinburghu. O tři roky později přestoupil na Univerzitu v Cambridgi, nejprve na kolej Peterhouse a poté na Trinity College. Studium zakončil v roce 1854 s vynikajícími výsledky a získal Smithovu cenu za matematiku.

Po absolutoriu zůstal na Trinity College jako vědecký pracovník. V roce 1856 se stal profesorem na Marischal College v Aberdeenu. Zde se v roce 1858 oženil s Katherine Mary Dewarovou. V letech 1860 až 1865 působil jako profesor na King's College London. Poté se na několik let stáhl do ústraní na svůj statek Glenlair, kde se věnoval psaní svého klíčového díla Pojednání o elektřině a magnetismu. V roce 1871 přijal místo prvního profesora experimentální fyziky na Univerzitě v Cambridgi a stal se ředitelem nově založené Cavendishovy laboratoře.

James Clerk Maxwell zemřel na rakovina žaludku 5. listopadu 1879 v Cambridgi ve věku pouhých 48 let.

🔬 Vědecká práce

Maxwellův vědecký přínos je mimořádně rozsáhlý a zasahuje do mnoha oblastí fyziky.

⚡ Elektromagnetismus a Maxwellovy rovnice

Největším Maxwellovým úspěchem bylo sjednocení zákonů elektřiny a magnetismu. Na základě práce Michaela Faradaye a dalších formuloval v 60. letech 19. století soustavu čtyř rovnic, které popisují chování elektrického a magnetického pole.

Tyto rovnice, dnes známé jako Maxwellovy rovnice, ukázaly, že elektřina a magnetismus jsou jen dva projevy jediného jevu – elektromagnetického pole. Z rovnic vyplývalo, že časově proměnné magnetické pole vytváří pole elektrické a naopak. Tento vzájemně se udržující proces se může šířit prostorem jako elektromagnetické vlnění. Maxwell vypočítal rychlost tohoto vlnění a zjistil, že se shoduje s tehdy známou rychlostí světla. To ho vedlo k revolučnímu závěru, že světlo samotné je druh elektromagnetického vlnění. Jeho teorie tak sjednotila nejen elektřinu a magnetismus, ale i optiku. Své poznatky shrnul v monumentálním díle A Treatise on Electricity and Magnetism (Pojednání o elektřině a magnetismu), vydaném v roce 1873.

💨 Kinetická teorie plynů

Maxwell významně přispěl k pochopení povahy tepla a chování plynů. Společně s Ludwigem Boltzmannem je považován za zakladatele kinetické teorie plynů, která vysvětluje makroskopické vlastnosti plynů (jako tlak a teplota) pohybem jednotlivých molekul.

Odvodil statistický zákon, známý jako Maxwellovo–Boltzmannovo rozdělení, který popisuje, jak jsou rychlosti molekul v plynu při dané teplotě rozděleny – od velmi pomalých po velmi rychlé. Tento přístup, využívající pravděpodobnost a statistiku k popisu chování velkého souboru částic, byl pro tehdejší fyziku zcela nový a položil základy pro statistickou fyziku a později i kvantovou mechaniku.

🎨 Barevné vidění a fotografie

Maxwell se hluboce zajímal o optiku a vnímání barev. Na základě práce Thomase Younga rozvinul teorii, podle níž lidské oko vnímá barvy pomocí tří typů receptorů citlivých na základní barvy světla – červenou, zelenou a modrou (RGB).

Aby tuto teorii dokázal, provedl v roce 1861 přelomový experiment. Nechal pořídit tři samostatné černobílé fotografie tartanové stuhy, každou přes jiný barevný filtr (červený, zelený a modrý). Následným promítnutím těchto tří snímků přes filtry stejných barev na jedno plátno složil výsledný obraz, který byl barevný. Tímto vytvořil první trvanlivou barevnou fotografii a prakticky demonstroval princip aditivního míchání barev, který je dodnes základem barevných displejů a obrazovek.

🪐 Prstence Saturnu

Již v roce 1857, dlouho před přímým pozorováním kosmickými sondami, Maxwell matematicky analyzoval stabilitu prstenců Saturnu. Dokázal, že prstence nemohou být ani pevným tělesem, ani kapalné, protože v obou případech by byly gravitačními silami planety roztrhány. Správně dospěl k závěru, že musí být složeny z obrovského množství malých, nezávisle obíhajících částic. Tuto teorii potvrdila až o více než sto let později pozorování sondy Voyager.

💡 Pro laiky: Maxwellovy rovnice jednoduše

Představte si elektřinu a magnetismus jako dva nerozlučné tanečníky. Před Maxwellem si lidé mysleli, že tančí každý sám za sebe. Maxwell ale zjistil, že jejich tanec je dokonale propojený. Jeho čtyři slavné rovnice jsou v podstatě choreografií tohoto tance.

• První rovnice říká, že elektrický tanečník (elektrické pole) začíná svůj pohyb u elektrických nábojů (jako když tanečník startuje z určitého bodu na parketu).
• Druhá rovnice popisuje magnetického tanečníka (magnetické pole) a říká, že on nemá žádný startovací bod. Jeho taneční kroky vedou vždy do kruhu, nikdy nezačíná ani nekončí na jednom místě (neexistují "magnetické náboje").
• Třetí a čtvrtá rovnice jsou nejdůležitější. Říkají, že když se jeden tanečník začne hýbat (měnit), donutí toho druhého tančit také. Když se magnetický tanečník zavlní, rozvlní i elektrického. A když se elektrický tanečník pohne, rozhýbe zase toho magnetického.

Tento neustálý tanec, kde jeden roztáčí druhého, se šíří prostorem jako vlna. Maxwell spočítal, jak rychle tato vlna cestuje, a vyšlo mu, že přesně rychlostí světla. Došlo mu, že světlo, rádiové vlny nebo Wi-Fi signál jsou ve skutečnosti jen tento elegantní tanec elektrických a magnetických polí, který se řítí vesmírem.

🏛️ Odkaz a uznání

Maxwellův přínos vědě je fundamentální a jeho práce položila základy pro většinu moderní fyziky a technologie.

• Teorie relativity: Jeho rovnice byly v rozporu s klasickou Newtonovou mechanikou, což vedlo k jedné z největších krizí ve fyzice. Vyřešení tohoto konfliktu vedlo Alberta Einsteina k formulaci speciální teorie relativity. Einstein sám stál na Maxwellových ramenou.
• Moderní technologie: Celá moderní komunikační technologie – rádio, televize, radar, mobilní telefony, Wi-Fi – je praktickou aplikací Maxwellovy teorie elektromagnetického vlnění.
• Kvantová mechanika: Jeho statistický přístup v kinetické teorii plynů byl předzvěstí pravděpodobnostní povahy kvantové mechaniky.

Po Maxwellovi jsou pojmenovány nejen jeho rovnice, ale i jednotka magnetického toku v soustavě CGS (maxwell), horský masiv na Venuši (Maxwell Montes), mezera v Saturnových prstencích a velký submilimetrový Teleskop Jamese Clerka Maxwella na Havaji.

✨ Zajímavosti

• Maxwell byl známý svou přátelskou povahou, skromností a hlubokou křesťanskou vírou.
• Kromě vědecké práce psal také poezii.
• V rámci své práce na kinetické teorii plynů formuloval myšlenkový experiment známý jako Maxwellův démon, který zpochybňoval absolutní platnost druhého termodynamického zákona.
• Jeho sousedé si při jeho experimentech s "barevnou krabicí" v podkroví mysleli, že se zbláznil, když trávil hodiny zíráním do zařízení připomínajícího rakev.

Zdroje

Britannica Famous Scientists Wikipedia (CZ) Wikipedia (EN) James Clerk Maxwell Foundation Encyklopedie fyziky MEF Eduportál Techmania Velikáni.cz