James Clerk Maxwell
James Clerk Maxwell foi um físico e matemático escocês. Sua teoria clássica da radiação eletromagnética reuniu eletricidade, magnetismo e luz como manifestações de um mesmo fenômeno. As equações de Maxwell realizaram a chamada segunda grande unificação da física, depois da unificação da mecânica terrestre e celeste por Isaac Newton. Maxwell também participou da criação da mecânica estatística.
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Em 1865, Maxwell deixou o King's College e voltou a Glenlair com Katherine. No artigo On Governors, publicado em 1868, descreveu matematicamente os reguladores que controlavam a velocidade das máquinas a vapor, estabelecendo uma base teórica para a engenharia de controle. Em On Reciprocal Figures, Frames and Diagrams of Forces, de 1870, estudou a rigidez de diferentes estruturas reticuladas. Escreveu Theory of Heat (1871) e Matter and Motion (1876). Em 1871, empregou explicitamente a análise dimensional e colaborou para a consolidação do sistema CGS de unidades. Maxwell chamou atenção para casos em que pequenas diferenças nas condições iniciais resultam em evoluções muito distintas, ideia que depois seria central na teoria do caos. Em Matter and Motion (1876), descreveu esse comportamento e deu o exemplo da colisão entre duas esferas. Em 1871, voltou a Cambridge como primeiro professor Cavendish de Física Experimental, cargo no qual seria sucedido por Lord Rayleigh. Supervisionou a construção do Laboratório Cavendish, inaugurado em 1874, e a compra de seus equipamentos. Entre seus últimos trabalhos, editou as pesquisas de Henry Cavendish e lhes acrescentou muitas notas originais. Os documentos abrangiam, entre outros temas, a densidade da Terra e a composição da água. Em 1875, foi eleito membro da Sociedade Filosófica Americana.
Primeiros anos, 1831–1839
James Clerk Maxwell nasceu em 13 de junho de 1831, no número 14 da India Street, em Edimburgo. Era filho do advogado John Clerk Maxwell of Middlebie e de Frances Cay, filha de Robert Hodshon Cay e irmã de John Cay. Sua casa natal abriga um museu mantido pela James Clerk Maxwell Foundation. O pai dispunha de uma situação financeira confortável e pertencia à família Clerk de Penicuik, detentora do baronetato de Clerk de Penicuik; seu irmão, George Clerk, era o sexto titular. Nascido John Clerk, acrescentou Maxwell ao sobrenome ao herdar, ainda bebê, em 1793, a propriedade de Middlebie, da família Maxwell, em Dumfriesshire. James era primo da artista Jemima Blackburn, filha de uma irmã de seu pai, e do engenheiro civil William Dyce Cay, filho de um irmão de sua mãe. Cay tornou-se seu amigo próximo e foi padrinho em seu casamento.
Educação, 1839–1847
Frances assumiu a educação inicial do filho, tarefa que na era vitoriana cabia em geral à mulher da casa. Aos oito anos, Maxwell sabia recitar longos trechos de John Milton e os 176 versículos do Salmo 119. Conhecia as Escrituras a ponto de indicar capítulo e versículo de quase qualquer passagem dos salmos. Frances adoeceu de câncer abdominal e morreu em dezembro de 1839, após uma operação sem sucesso. O pai e Jane, cunhada dele, passaram a cuidar da educação do menino. Sua escolarização formal começou mal com um tutor contratado de dezesseis anos, que o tratava com dureza e o repreendia por considerá-lo lento e indisciplinado. O tutor foi dispensado em novembro de 1841. Em 12 de fevereiro de 1842, o pai levou James a uma demonstração de propulsão elétrica e força magnética realizada por Robert Davidson, experiência que impressionou o menino.
Universidade de Edimburgo, 1847–1850
Maxwell deixou a academia em 1847, aos dezesseis anos, e começou a frequentar a Universidade de Edimburgo. Poderia ter ido diretamente para Cambridge, mas permaneceu por mais algum tempo em Edimburgo; transferiu-se para Cambridge em 1850, onde concluiu a graduação. No primeiro ano, estudou lógica e metafísica com William Hamilton, matemática com Philip Kelland e filosofia natural com James David Forbes. Como não achava as aulas difíceis, tinha tempo para estudar por conta própria na universidade e em Glenlair. Improvisou equipamentos para experiências de química, eletricidade e magnetismo, mas concentrava-se nas propriedades da luz polarizada. Moldou blocos de gelatina, submeteu-os a diferentes tensões e observou as faixas coloridas que apareciam no material com prismas polarizadores de Nicol, recebidos de William Nicol. Assim, descobriu a fotoelasticidade, método para determinar a distribuição de tensões numa estrutura.
Universidade de Cambridge, 1850–1856
Em outubro de 1850, Maxwell deixou a Escócia para estudar na Universidade de Cambridge. Entrou primeiro no Peterhouse, mas transferiu-se para o Trinity College antes do fim do primeiro período, por acreditar que ali teria mais facilidade para obter uma bolsa de pesquisador. Foi eleito para a sociedade de debates Apóstolos de Cambridge. Em Cambridge, passou a pensar com mais profundidade em sua fé cristã e na relação dela com a ciência. Nos ensaios que escrevia para os Apostles, buscava compreender essa relação: Meu grande plano, concebido há muito tempo, [...] é não deixar nada deliberadamente sem exame. Nenhum terreno deve ser sagrado e consagrado à fé imóvel, seja ela afirmativa ou negativa. Toda terra em pousio deve ser arada e submetida a uma rotação regular. [...] Nunca esconda nada, seja erva daninha ou não, nem dê a entender que deseja escondê-lo. [...] Reafirmo o direito de entrar em qualquer terreno sagrado que alguém tenha reservado. [...] Estou convencido de que somente um cristão pode realmente limpar sua terra desses lugares sagrados. [...] Não digo que nenhum cristão tenha cercado terrenos assim. Muitos cercaram grandes áreas, e todos cercaram alguma. Mas há extensas regiões no território do escarnecedor, do panteísta, do quietista, do formalista, do dogmático, do sensualista e dos demais que são aberta e solenemente interditadas. [...] O cristianismo, isto é, a religião da Bíblia, é a única forma de crença que renuncia a qualquer posse mantida nesses termos. Aqui, tudo é livre. Você pode voar até os confins do mundo e não encontrar outro Deus senão o Autor da Salvação. Pode examinar as Escrituras e não encontrar um texto que o impeça de prosseguir em suas investigações. [...] O Antigo Testamento, a Lei mosaica e o judaísmo são em geral tidos como interditados pelos ortodoxos. Os céticos fingem tê-los lido e encontrado objeções engenhosas [...] que muitos ortodoxos, sem os terem lido, admitem, encerrando o assunto como se fosse assombrado. Mas uma vela está chegando para expulsar fantasmas e espantalhos. Sigamos a luz.
Marischal College, Aberdeen, 1856–1860
Aos 25 anos, Maxwell era quinze anos mais novo do que qualquer outro professor do Marischal College. Organizou o currículo, preparou as aulas e assumiu quinze horas semanais de ensino, entre elas uma aula gratuita para trabalhadores da cidade. Durante os seis meses do ano letivo, morava em Aberdeen com o primo e engenheiro civil William Dyce Cay. Passava os verões em Glenlair, propriedade herdada do pai. Um antigo aluno deixou este retrato dele: Numa manhã de inverno do fim da década de 1850, pouco antes das nove, era bem possível ver o jovem James Clerk Maxwell, então com vinte e poucos anos: de estatura mediana e corpo forte, com certo vigor e elasticidade no andar; vestido para o conforto, sem preocupação com a elegância; o rosto ao mesmo tempo perspicaz e bem-humorado, mas com uma expressão pensativa; feições fortes e agradáveis; olhos escuros e vivos; cabelos e barba inteiramente negros, em contraste com a palidez da pele.
King's College London, 1860–1865
O período no King's College esteve entre os mais produtivos da carreira de Maxwell. Em 1860, recebeu a Medalha Rumford da Royal Society por suas pesquisas sobre as cores e, no ano seguinte, foi eleito membro da instituição. Apresentou uma das primeiras fotografias coloridas duradouras, aprofundou suas ideias sobre a viscosidade dos gases e propôs um sistema para definir grandezas físicas, hoje chamado análise dimensional. Frequentava as palestras da Royal Institution, onde encontrava Michael Faraday. Os dois mantinham respeito mútuo, embora não tivessem uma relação próxima: Faraday era quarenta anos mais velho e já apresentava sinais de declínio mental.
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Reconhecimento
Numa consulta da revista Physics World a cem físicos, Maxwell ficou em terceiro lugar entre os maiores físicos de todos os tempos, atrás de Isaac Newton e Albert Einstein. Outra enquete da PhysicsWeb com físicos também o colocou em terceiro. Há físicos que atribuem a Maxwell a maior influência de um cientista do século XIX sobre a física do século XX e comparam a dimensão de suas descobertas às de Newton e Einstein. No centenário de seu nascimento, Einstein descreveu a mudança na concepção da realidade física associada à teoria de Maxwell como "a mais profunda e a mais fecunda que a física experimentou desde Newton". Segundo um relato sobre uma visita de Einstein a Cambridge na década de 1920, ao ouvir de seu anfitrião que realizara grandes feitos por estar sobre os ombros de Newton, teria respondido: "Não. Estou sobre os ombros de Maxwell". O escritor Tom Siegfried o chamou de "um daqueles gênios que aparecem uma vez por século e percebem o mundo físico com mais nitidez que as pessoas ao redor".
Eletromagnetismo
Maxwell já estudava eletricidade e magnetismo em 1855, quando seu artigo On Faraday's Lines of Force foi apresentado à Cambridge Philosophical Society. O trabalho propunha um modelo simplificado para as pesquisas de Michael Faraday e para a relação entre os fenômenos elétricos e magnéticos. Desenvolveu a descrição matemática dos trabalhos de Faraday, que prosseguiria em On Physical Lines of Force, publicado a partir de 1861. Por volta de 1862, enquanto lecionava no King's College, calculou que a velocidade de propagação do campo eletromagnético era aproximadamente igual à velocidade da luz. Para ele, a coincidência apontava para a conclusão de que "a luz consiste nas ondulações transversais do mesmo meio que é a causa dos fenômenos elétricos e magnéticos". Prosseguindo com o problema, mostrou que as equações previam ondas de campos elétricos e magnéticos oscilantes, capazes de atravessar o espaço vazio. Sua velocidade podia ser comparada à razão entre unidades eletrostáticas e eletromagnéticas medida por Wilhelm Weber e Rudolf Kohlrausch, cujo valor era 310.740.000 m/s. Maxwell concluiu que essa razão deveria corresponder à velocidade da luz no ar ou no vácuo. Em A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, de 1865, escreveu que a concordância dos resultados parecia mostrar que "a luz e o magnetismo são afecções da mesma substância" e que a luz é uma perturbação eletromagnética propagada pelo campo segundo leis eletromagnéticas.
Visão das cores
Como outros físicos de seu tempo, Maxwell se interessava por psicologia e, seguindo Isaac Newton e Thomas Young, estudou a visão das cores. Entre 1855 e 1872, publicou uma sequência de pesquisas sobre percepção das cores, daltonismo e teoria das cores. Recebeu a Medalha Rumford pelo trabalho On the Theory of Colour Vision. Newton mostrara com prismas que a luz branca, como a luz solar, contém componentes de diferentes cores espectrais que podem ser reunidas novamente em luz branca. Mostrara também que uma tinta alaranjada obtida com amarelo e vermelho podia ter a mesma aparência de uma luz monocromática alaranjada, apesar da composição física distinta. Duas luzes diferentes, portanto, podiam parecer iguais: é o metamerismo. Young propôs que a percepção passava por um número limitado de canais no olho, provavelmente três, base da teoria tricromática. Maxwell aplicou métodos matemáticos à teoria tricromática e comparou experimentalmente misturas de três cores com outras cores percebidas pelo olho. A partir dessas comparações, desenvolveu métodos de igualação e medição das cores empregados na colorimetria.
Teoria cinética e termodinâmica
Maxwell estudou a teoria cinética dos gases e participou da criação da mecânica estatística. A teoria, iniciada por Daniel Bernoulli, foi desenvolvida por John Herapath, John James Waterston, James Prescott Joule, sobretudo Rudolf Clausius, e ganhou com Maxwell novas formulações matemáticas e experiências sobre a viscosidade dos gases. Entre 1859 e 1866, Maxwell desenvolveu a teoria da distribuição das velocidades das partículas de um gás, depois generalizada por Ludwig Boltzmann. A distribuição de Maxwell-Boltzmann permite calcular a fração de moléculas que se movem a determinada velocidade para uma dada temperatura. Na teoria cinética, a temperatura e o calor são relacionados ao movimento molecular. Essa abordagem estendeu as leis da termodinâmica e explicou observações e experiências anteriores. O estudo da termodinâmica levou Maxwell a imaginar o demônio de Maxwell, um ser capaz de separar partículas conforme sua energia e, aparentemente, contrariar a segunda lei da termodinâmica.
Teoria de controle
Maxwell publicou On Governors no volume 16 de Proceedings of the Royal Society (1867–1868). O artigo figura entre os primeiros trabalhos da teoria de controle. O termo governors designa os reguladores, em particular os centrífugos, usados para controlar a velocidade de máquinas a vapor.
Outros trabalhos e conceitos
Entre os resultados, métodos e dispositivos relacionados ao trabalho de Maxwell estão as relações de Maxwell, o teorema de Maxwell-Betti, a difusão de Maxwell-Stefan, a estatística de Maxwell–Boltzmann, a construção de Maxwell, o acoplamento cinemático, a distribuição de velocidades de Maxwell, as funções de tensão de Maxwell, o teorema de Maxwell e o teorema geométrico de Maxwell. A lista também abrange o material de Maxwell, a teoria de Maxwell–Huber–Hencky–von Mises, relacionada ao critério de falha de von Mises, a polarização de Maxwell-Wagner-Sillars, a ponte de Maxwell, a bobina de Maxwell, a lente olho de peixe de Maxwell, o ponto de Maxwell na fóvea central e o disco de cores de Maxwell. Seus estudos trataram ainda da superfície termodinâmica, dos discos de Maxwell, dos anéis de Saturno, da teoria de controle, dos sistemas coerentes de unidades, da teoria do caos, da análise dimensional, das cônicas generalizadas, das singularidades em sistemas de controle e da rigidez estrutural.
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O nome de Maxwell foi atribuído a diversos conceitos e objetos científicos, reunidos na lista de homenagens a James Clerk Maxwell.
