Veliki znanstvenici stvaranja: James Clerk Maxwell

napisao Ann Lamont
preveo Zlatko Madzar

Public Domain via Commons

Što bi se više moglo razlikovati od magnetizma, eletriciteta, i svjetlosti? Ipak, u 19. stoljeću, James Clerk Maxwell pokazao je kako su ovi fenomeni samo različita očitovanja istih temeljnih zakona. Sve ih je opisao, kao i radio-valove, radar, i toplinu zračenja, jedinstvenim i elegantnim sustavom jednadžbi.¹

James Clerk Maxwell rođen je u Edinburghu, Škotska, 13. lipnja 1831. Bio je jedino dijete Johna Clerka, edinburškoga pravnika. Nedugo nakon Jamesova rođenja, John Clerk preselio se sa svojom obitelji na seosko imanje u Glenlair, blizu Edinburgha, što je naslijedio od predaka s Maxwellove strane obitelji. U to je vrijeme, John Clerk usvojio dodatno prezime Maxwell. Obitelj je živjela udobnim, životom srednje klase.

Jamesu je njegovo rano obrazovanje dala majka, predana kršćanka, i uključila u to i proučavanje Biblije. Jamesova izuzetna sposobnost pamćenja postala je očita u to vrijeme kada je zapamtio cijeli Psalam 119. S 8 godina Jamesu njegove igračke više nisu bile zanimljive. Više je volio usmjeriti svoju veliku znatiželju prema jednostavnim znanstvenim istraživanjima. Na primjer, upotrebljavao je limenu pločicu za reflektiranje sunčeve svjetlosti, i promatrao životni ciklus žabe.

Njegova ga je majka podučavala vidjeti znanstveni genij Boga i milosrdnu ruku u ljepotama prirode. Ovo uvjerenje o postojanju potpunoga sklada između znanstvenoga istraživanja i Božjega nauka u Bibliji imalo je veliki utjecaj na Jamesov život i djelo. Nažalost, majka mu je umrla kada je imao tek 8 godina. Njegov se otac tada angažirao kao tutor svojega sina.

Godine 1841., James je započeo formalno školovanje na Edinburgh Academy (Edinburškoj Akademiji). Zbog lošega je zdravlja često izbivao s nastave, ali je njegov akademski napredak bio izvrstan. Njegov prvi znanstveni rad—matematička analiza što je uključivala elipse— bio je izdan kada je imao tek 15 godina.

Nagrada za istraživanje

Godina 1847., James je ušao na sveučilište u Edinburghu i uskoro objavio još dva znanstvena rada. Godine 1850., upisao je sveučilište Cambridge, diplomirajući četiri godine kasnije s najboljim ocjenama iz matematike u svojoj generaciji. Isto je tako bio nagrađen prestižnom nagradom za originalno istraživanje u matematičkome analiziranju stabilnosti prstena oko Saturna. Maxwell je zaključio kako Saturnovi prsteni ne mogu biti u potpunosti čvrsti ni tekući. Umjesto toga oni se moraju sastojati od malih ali odvojenih čvrstih dijelova—“zaključak što je potvrdila tek više od 100 godina kasnije prva svemirska sonda Voyager koja je stigla do Saturna”.²

Nakon završetka studija, Maxwell se pridružio osoblju sveučilišta Cambridge, predajući optiku i hidrostatiku uz istovremena istraživanja u tim područjima.

Godine 1856., napustio je Cambridge te se vratio u Škotsku kako bi bio blizu svoga oca kojeg je zdravlje počelo napuštati. Njegov je otac umro prije no što je James počeo raditi kao profesor fizike na Marischal College (Fakultetu Marischal) u Aberdeenu. Dvije godine kasnije, Maxwell je oženio Katherine Mary Dewar, čiji je otac bio ravnatelj fakulteta Marischal. Brak Jamesa i Katherine Maxwell bio je sretan, ali bez djece.

Kada se Marischal College spojio s King’s College (Kraljevskim fakultetom) u Aberdeenu, kako bi postali University of Aberdeen (Sveučilište Aberdeen), Maxwell se neuspješno prijavio za prazno radno mjesto University of Edinburgh (Sveučilištu u Edinburghu). Uspješni tražitelj toga radnoga mjesta bio je Percy Guthrie Tait, Maxwellov negdanji školski prijatelj. Tait, također predani kršćanin, imao je isto tako značajnih uspjeha u matematici i fizici.

Godine 1860., Maxwell je postao predavač fizike i astronomije na King’s College u Londonu. Tu je nadgledao izmjere i standardizaciju električnih mjernih jedinica za British Association for the Advancement of Science [Britansko društvo za napredak znanosti] 1863. godine.

Godine 1865., napustio je London te se preselio na imanje u Škotskoj koje je naslijedio od oca. Ovdje se posvetio svojem istraživanju i pisanju o elektricitetu i magnetizmu. U godini Maxwellova rođenja (1831.), slavni je engleski fizičar Michael Faraday izumio električni generator, koji je uz pomoć gibajućega magneta proizvodio električnu struju. On je isto tako demonstrirao kako električna struja proizvodi magnetizam. Faraday je bio uvjeren kako se ove elektromagnetne sile šire prostorom oko vodiča, ali nije mogao dovršiti svoj rad u tome području. Ipak, Faradayeva zamisao u polju sila u neposrednoj blizini pomogla je uzdizanju šire generalizacije poznate kao teorija polja.

Uz rame Newtonu

Maxwellov glavni cilj u njegovim istraživanjima elektriciteta i magnetizma bio je izvesti matematičku okosnicu poznatih Faradayevih rezultata eksperimenata i njegovih ideja u teoriji polja. Četiri matematičke jednadžbe što je Maxwell napisao ocijenjene su ravnima zakonima gibanja Sir Isaaca Newtona i teoriji relativnosti Alberta Einsteina kao najtemeljniji doprinosi fizici.

Public Domain via Commons

Kad je Maxwell izračunao brzinu elektromagnetskih valova, otkrio je kako je njihova brzina gotovo ista brzini svjetlosti. Zaključio je kako je svjetlost jedna vrsta elektromagnetskoga vala. Maxwell je predložio vjerojatno postojanje elektromagnetskih valova i s drukčijim valnim duljinama. Kad je njemački fizičar Heinrich Hertz proizveo prve ljudskom rukom napravljene radio-valove 1887. godine (osam godina nakon Maxwellove smrti), Maxwellova je elektromagnetska teorija u potpunosti potvrđena. (Radio-valovi imaju dulju valnu duljinu od vidljive svjetlosti.)

Kasnija otkrića X-zraka bila su daljnja potvrda Maxwellovih predviđanja. (X-zrake su oblik elektromagnetskoga zračenja s ultra-kratkim valnim duljinama.) Komunikacijska tehnologija dvadesetoga stoljeća potječe većinom iz Maxwellovih radova. Radio, televizija, radar i satelitska komunikacija imaju svoje korijene u njegovoj elektromagnetnoj teoriji.

U 1850-tima, istaknuti matematički fizičar William Thomson prikazivao je opći matematički sustav temeljen na eksperimentalnim rezultatima u različitim područjima fizike kao što su toplina, mehanika, mehanika fluida (plinovitih ili tekućih), elektricitet i magnetizam. To je uključivalo značajne teorijske nadogradnje radova prethodnih znanstvenika. Maxwellova elektromagnetna teorija što je povezivala elektromagnetizam sa svjetlošću i kasnije radio-valovima bila je veliki doprinos ovome procesu ujedinjavanja teorijskih sustava u fizici.

Maxwell je s mnogo zahvalnosti priznao svoje dugovanje Thomsonu koji mu je bio mentor. (Thomson je kasnije bio poznat kao Lord Kelvin.)

Maxwell je naširoko priznat kao znanstvenik iz devetnaestoga stoljeća čija su djela imala najveći utjecaj na fiziku dvadesetoga stoljeća. Njegova teorija elektromagnetizma i jednadžbe srodnih područja “utrle su put za Einsteinovu posebnu teoriju relativnosti, koja je ustanovila ekvivalenciju mase i energije. Maxwellove su ideje također uvele značajnu inovaciju fizike 20. stoljeća, kvantnu teoriju”.³

Godine 1840., engleski fizičar James Joule utvrdio je odnos između topline i mehaničkoga gibanja. Ovo je načelo pomoglo uzdizanju znanstvene discipline pod nazivom termodinamika, što uključuje proučavanje gibanja molekula plina.

Otkrića brzine

Godine 1848., Joule je postao prvi znanstvenik koji je procijenio brzinu (gibanja) molekula plina. Ipak, Joule je tretirao sve molekule kao da se gibaju istom brzinom. U stvarnosti, brzine gibanja molekula nisu jednake. One primjetno variraju kao posljedica sudara s ostalim molekulama. Primjenom metoda vjerojatnosti i statistike, Maxwell je izradio najvjerojatniju distribuciju brzine molekula. Ta je distribucija danas poznata kao ‘Maxwellova distribucija brzina’.

Kao posljedica njegove primjene statistike, termodinamika je proširena na novo polje statističke termodinamike. Maxwellovo predstavljanje ideje vjerojatnosti u fizici bilo je najvjerojatnije njegov najznačajniji doprinos fizici uz njegove radove na elektromagnetizmu.

Maxwell je isto tako zabilježio značajan napredak na području optike viđenja boja. Njegovo istraživanje sljepoće boja bilo je priznato kad mu je Royal Society of London [Londonsko kraljevsko društvo] dodijelilo medalju Rumford. Maxwell je jedan od prvih znanstvenika koji pokazuje fotografiju u boji. Također je vršio istraživanja povezana s elastičnim krutinama i čistom geometrijom.

Maxwell je primljen u Royal Society 1861. godine, prestižno udruženje znanstvenika, zbog svojih ranih radova na elektromagnetizmu. Godine 1871., postao je predavač eksperimentalne fizike sveučilišta Cambridge. Ovdje, on nadgleda planiranje i izradu laboratorija Cavendish, koji je postao središte poznato po značajnim naprecima u fizici.

Odbacuje evolucijsko razmišljanje

Maxwell se snažno suprotstavljao Darwinovoj teoriji evolucije, koja je tada postajala popularna. Vjerovao je kako su nagađanja što evolucijsko razmišljanje uključuje u suprotivosti sa znanstvenim dokazima. U radu što je predstavio pred British Association for the Advancement of Science [Britansko društvo za napredak u znanosti] 1873. godine, govori:

“Nijedna teorija evolucije ne može biti uobličena na temelju sličnosti molekula, jer evolucija neizbježno podrazumijeva neprekidnu promjenu…. Precizna jednakost svake molekule spram drugih iste vrste daje joj… esencijalno svojstvo proizvedene čestice, i isključuje ideju da je vječna i samo-postojeća.”⁴

Maxwell je bio u mogućnosti odbaciti evolucijsko razmišljanje na još jedan važan način. Matematički je pobio nebularnu hipotezu koju je francuski ateist Laplace predložio 1796. godine. Laplace je predložio da je Sunčev sustav započeo kao oblak plina što se skupljao kroz milijune godina kako bi proizveo planete itd. Laplace je tvrdio da stoga nema potrebe za Stvoriteljem. Ova je filozofija bila srdačno prihvaćena od strane protivnika kršćanstva.

Svejedno, Maxwell je pokazao dvije velike pogrješke Laplaceove teorije, i matematički dokazao nemogućnost postojanja takvoga procesa. Laplaceova je teorija s vremenom odbačena.

Maxwell je bio uvjeren kako su znanstveno istraživanje i učenje Biblije ne samo kompatibilni već moraju biti i povezani. To je vidljivo i iz molitve pronađene među njegovim bilješkama: “Svemogući Bože, koji si stvorio čovjeka na Svoju sliku, i učinio ga živom dušom kako bi mogao slijediti Tvoj put, i imati vlast nad Tvojim stvorenjima, nauči nas proučavati djela Tvojih ruku, kako bismo mogli podvrgnuti Zemlju svojoj uporabi, i ojačati razlog za služenje Tebi; tako da primimo Tvoju blagoslovljenu Riječ, kako bismo mogli vjerovati Onome Kojeg si nam Ti poslao, da nam dadne spoznaju spasenja i iskupljenja naših grijeha. Sve Te to molimo u ime toga istog Isusa Krista, našeg Gospodina.”⁵

Vjerovanje u Knjigu Postanka i Evanđelje

U ovoj molitvi, Maxwell je potvrdio svoje vjerovanje u učenja pronađena u Knjizi Postanka—Bog je Stvoritelj, koji je stvorio čovjeka na Svoju sliku, i dao čovjeku nadzor i odgovornost nad životinjama. Drugi dio molitve sadrži poruku iz Evanđelja—kako je Isus Krist bio poslan od Boga da nas spasi od naših grijeha.

Maxwell je posjedovao iscrpno znanje Biblije, i bio je starješina crkve koju je pomogao osnovati u blizini svoga doma u Glenlairu. Njegova je kršćanska posvećenost bila i veoma praktična. Velikodušno je poklanjao i svoje vrijeme i svoj novac. Često je posjećivao bolesne i one ograničene u svojim domovima, čitao im je i zajedno s njima molio. Bio je skroman i pokazivao savršeni integritet.

Njegovi stavovi suosjećanja i požrtvovnosti bili su jasno vidljivi, kao što J.G. Crowther piše u biografiji Maxwella:

“Tijekom posljednjih godina njegova života, njegova je žena postala invalidom. Osobno ju je njegovao s najdubljom brigom…. Kada su raniji simptomi njegove vlastite smrtonosne bolesti postali i njemu vidljivi, još dugo vremena nije nikome o tome rekao ni riječi. Nije se žalio kad mu je postajalo sve lošije i kada je trpio jake bolove, osim kad više nije bio u mogućnosti voditi brigu o svojoj bolesnoj supruzi.”⁶

Maxwell je umro od abdominalnoga raka u Cambridgeu 5. studenog 1879., u dobi od 48 godina. Bio je uvelike poštivan od onih koje je poznavao i s kojima je radio. Jedan od njegovih bliskih kolega je napisao:

“Mi njegovi suvremenici na fakultetu, vidjeli smo u njemu veliku snagu uma i ogroman kapacitet i originalna stajališta, sjedinjeno s dubokom poniznošću pred njegovim Bogom smjerno se pokoravajući Njegovoj volji, i iskreno vjerovanje u ljubav i izmirenje Božanskoga Spasitelja Koji je bio njegova hrana i tješitelj u nevolji i bolesti.”⁷