James Clerk Maxwell - Définition

Introduction

James Clerk Maxwell
Naissance	13 juin 1831 Édimbourg, Écosse (Royaume-Uni)
Décès	5 novembre 1879 Cambridge, Angleterre (Royaume-Uni)
Nationalité	écossaise
Champs	Mathématiques, Physique
Célèbre pour	Équations de Maxwell Distribution de Maxwell Démon de Maxwell
Distinctions	Médaille Rumford Prix Adams
a eu pour directeur de thèse William Hopkins
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James Clerk Maxwell (13 juin 1831 à Édimbourg, en Écosse - 5 novembre 1879) est un physicien et mathématicien écossais. Il est principalement connu pour avoir unifié en un seul ensemble d'équations, les équations de Maxwell, l'électricité, le magnétisme et l'induction, en incluant une importante modification du théorème d'Ampère. Ce fut à l'époque le modèle le plus unifié de l'électromagnétisme. Il est également célèbre pour avoir interprété, dans un article en quatre parties publié dans Philosophical Magazine intitulé On Physical Lines of Force, la lumière comme étant un phénomène électromagnétique en s'appuyant sur les travaux de Michael Faraday. Il a notamment démontré que les champs électriques et magnétiques se propagent dans l'espace sous la forme d'une onde et à la vitesse de la lumière.

Ces deux découvertes permirent d'importants travaux ultérieurs notamment en relativité restreinte et en mécanique quantique.

Il a également développé la distribution de Maxwell, une méthode statistique de description de la théorie cinétique des gaz.

Maxwell est considéré par de nombreux physiciens comme le scientifique du XIX^e siècle ayant eu le plus d'influence au XX^e siècle. Ses contributions à la science sont considérées par certains comme aussi importantes que celles d'Isaac Newton ou d'Albert Einstein. En 1931, pour le centenaire de la naissance de Maxwell, Einstein lui-même décrivait les travaux de Maxwell comme les « plus profonds et fructueux que la physique ait connu depuis le temps de Newton ».

Il est également connu pour avoir réalisé la première photographie en vraie couleur en 1861.

Biographie

Enfance 1831 - 1839

James Clerk Maxwell est né le 13 juin 1831 au 14 India Street à Édimbourg, de John Clerk Maxwell, avocat et de Frances Maxwell (née Cay). Le père de Maxwell était un homme aisé apparenté à la famille Clerk de Penicuik (Midlothian), détenteurs de la baronnie de Clerk de Penicuik ; son frère en était le sixième baron. Il est né John Clerkajoutant lui-même le surnom Maxwell après avoir hérité d'une propriété de campagne à Middlebie (Kirkcudbrightshire) par une connexion avec la famille Maxwell, elle-même membre de la pairie. Les parents de Maxwell ne se sont pas rencontrés ni mariés avant d'être entrés dans la trentaine, ce qui était rare à l'époque, et sa mère avait près de quarante ans quand il est né. Ils avaient précédemment eu une fille morte en bas âge. Ses parents appellent leur unique enfant survivant James, un prénom non seulement porté par son grand-père mais aussi par beaucoup de ses aïeux.

Quand Maxwell est encore jeune, la famille déménage à Glenlair, une maison de ses parents construite sur la propriété de 1 500 acres (6,1 km²) de Middlebie. Toutes les indications concordent pour dire que Maxwell avait une curiosité inextinguible dès le plus jeune âge. À trois ans, tout ce qui bougeait, brillait ou faisait du bruit amenait la question : « À quoi ça sert ? ». Dans une lettre à sa belle-sœur Jane Cay en 1834, son père décrivait sa curiosité intellectuelle innée : « C'est un garçon heureux et il se porte beaucoup mieux depuis que le temps est meilleur ; il est très occupé avec les portes, serrures, clés etc. et « montre moi comment ça marche » ne quitte jamais sa bouche ».

Éducation 1839 - 1847

L'Edinburgh Academy où Maxwell a été scolarisé.

Reconnaissant le potentiel du jeune homme sa mère prend en charge son éducation primaire, ce qui à l'époque victorienne était très souvent le rôle de la femme au foyer. Elle meurt cependant d'un cancer abdominal en 1839 alors que Maxwell n'a que huit ans. L'éducation de James est alors supervisée par John Clerk et sa belle-sœur Jane, les deux jouant un rôle pivot dans la vie de Maxwell. Sa véritable scolarité débute difficilement sous la direction d'un précepteur âgé de seize ans. Peu de choses sont connues à propos du jeune homme que John Clerk engagea pour instruire son fils, mis à part qu'il le traitait durement, se moquant de lui pour être lent et entêté. John Maxwell renvoie le tuteur en novembre 1841 et après longue réflexion envoie son fils dans la prestigieuse Edinburgh Academy. Il habite pendant les classes chez sa tante Isabella où sa passion pour le dessin est encouragée par sa cousine Jemima, elle-même une artiste talentueuse.

Âgé de dix ans Maxwell, élevé dans l'isolement de la propriété de son père, ne se sent pas bien à l'école. La classe de première année étant pleine, il est scolarisé en deuxième année avec des élèves âgés d'un an de plus que lui. Ses manières et son accent heurté Galloway sonnent rustique pour les autres garçons et le fait d'arriver le premier jour avec des chaussures et une tunique faites à la maison lui valent le surnom peu gentil d'« idiot ». Maxwell semble cependant ne pas s'offusquer du qualificatif, le portant sans se plaindre pendant des années. Son isolement social prend fin quand il rencontre Lewis Campbell et Peter Guthrie Tait, deux garçons du même âge, appelés à devenir eux aussi de brillants élèves. Ils resteront amis toute leur vie.

Maxwell était fasciné par la géométrie, redécouvrant les polyèdres réguliers avant d'avoir reçu un quelconque enseignement formel. Néanmoins l'essentiel de ses talents restent inconnus, et bien qu'il gagne un prix en biographie religieuse en deuxième année, son travail scolaire reste anodin jusqu'à ce que, à l'âge de treize ans, il gagne la médaille de mathématiques de l'école et le premier prix en anglais et en poésie.

Pour son premier travail scientifique, à l'âge de quatorze ans, Maxwell écrit un article sur les moyens mécaniques de tracer des courbes mathématiques avec un morceau de ficelle ainsi que les propriétés des ellipses et des courbes à plus de deux foyers. Son travail, Oval Curves, est présenté à la Royal Society of Edinburgh par James Forbes, professeur de philosophie naturelle à l'Université d'Édimbourg, Maxwell étant jugé trop jeune pour le faire lui-même. Le travail n'était pas entièrement original, Descartes ayant examiné les propriétés de telles courbes multifocales au XVII^e siècle, même si Maxwell a simplifié leur construction.

Université d'Édimbourg 1847 - 1850

L'Université d'Édimbourg

Maxwell quitte l'académie en 1847 à l'âge de seize ans et suit des cours à l'Université d'Édimbourg. Ayant la possibilité de rentrer à Cambridge après son premier trimestre, Maxwell décide néanmoins de terminer ses trois trimestres d'études à Édimbourg. La principale raison est l'éloignement entre Cambridge et chez lui, qui impliquerait de ne voir son père que deux fois par an. L'autre raison est l'inquiétude pour la suite de sa carrière : il veut devenir scientifique, mais les emplois dans le domaine étant rares à l'époque et il aurait été beaucoup plus difficile d'obtenir un poste dans une université aussi prestigieuse que celle de Cambridge.

L'Université d'Édimbourg accueille dans son équipe enseignante des personnalités reconnues. En première année Maxwell a pour professeurs William Hamilton en logique et métaphysique, Philip Kelland en mathématiques et James Forbes en philosophie naturelle. Maxwell ne trouve pas cependant ses cours à Édimbourg particulièrement exigeants aussi il trouve le temps de se plonger dans ses propres études personnelles durant son temps libre, particulièrement lors de ses retours à Glenlair. Il peut alors faire des expériences avec des appareils de chimie et d'électromagnétisme improvisés, mais sa préoccupation principale concerne les propriétés de la lumière polarisée. Il met en forme des blocs de gélatine, les soumet à diverses contraintes puis, à l'aide de deux prismes polarisants que lui a offerts William Nicol, il observe les couleurs développées dans la gelée. Maxwell vient de découvrir la photoélasticité, une méthode de détermination de la distribution des contraintes à l'intérieur d'une structure physique.

Dans sa dix-huitième année Maxwell contribue à deux articles pour les Transactions of the Royal Society of Edinburgh, dont l'un des deux, On the Equilibrium of Elastic Solids, pose les fondations d'une importante découverte qu'il réalisera plus tard : la biréfringence temporaire dans un liquide visqueux par une contrainte de cisaillement. L'autre article s'intitule Rolling Curves. Comme pour son premier article d'écolier, Oval Curves, Maxwell est considéré trop jeune pour monter à la tribune et le présenter lui-même. De ce fait, il est lu à la Royal Society par son professeur Kelland.

Cambridge 1850 - 1856

Maxwell jeune au Trinity College à Cambridge. Il tient à la main une de ses roues à couleurs

En octobre 1850, déjà devenu un mathématicien accompli, Maxwell quitte l'Écosse pour l'Université de Cambridge. Il est d'abord à Peterhouse, mais avant la fin du premier trimestre il rentre au Trinity College, où il pense qu'il est plus facile d'obtenir une bourse d'étude. Au Trinity College, il est élu à la société secrète connue sous le nom de Cambridge Apostles. En novembre 1851, Maxwell étudie avec William Hopkins, dont la capacité à favoriser le développement du talent mathématique lui ont valu le surnom de « faiseur de senior wrangler ». Une part importante de la traduction de ces équations électromagnétiques est réalisée au Trinity College.

En 1854, Maxwell est diplômé de Trinity en mathématiques. Il obtient la deuxième note la plus élevée à l'examen final, arrivant derrière Edward Routh, et gagnant ainsi le titre de second wrangler, mais est déclaré ex-aequo avec Routh dans l'épreuve la plus exigeante de l'examen du Prix Smith. Immédiatement après avoir reçu son diplôme, Maxwell lit à la Cambridge Philosophical Society un mémoire inédit, On the Transformation of Surfaces by Bending. Il s'agit d'un des quelques articles purement mathématiques qu'il publiera et qui démontre l'envergure grandissante de Maxwell en tant que mathématicien. Maxwell décide de rester à Trinty et demande à devenir « fellow » une procédure qui dure normalement plusieurs années.

La nature de la perception des couleurs était un de ses intérêts particuliers depuis l'époque où il était étudiant de Forbes à l'Unversité d'Édimbourg. Maxwell, en utilisant des toupies colorées inventées par Forbes, est capable de montrer que la lumière blanche résulte d'un mélange de lumières rouge, verte et bleue. Son article Experiments on Colour, qui pose les principes des combinaisons de couleurs, est lu à la Royal Society d'Édimbourg en mars 1855. Cette fois Maxwell le présente lui-même.

Maxwell est fait fellow de Trinity en octobre 1855, plus rapidement que la norme et il lui est demandé de donner des cours en optique et en hydrostatique ainsi que de rédiger des textes d'examen. En février de l'année suivante, il est informé par Forbes qu'une chaire de philosophie naturelle au Marischal College à Aberdeen est vacante. Il s'empresse de postuler. Son père l'aide à préparer son dossier et ses références mais meurt le 2 avril à Glenlair avant de connaître les résultats de la candidature. Maxwell accepte le poste à Aberdeen et quitte Cambridge en novembre 1856.

Aberdeen 1856 - 1860

Maxwell a alors vingt-cinq ans et est plus jeune de quinze ans que la majorité des professeurs de Marischal, ce qui ne l'empêche de s'engager dans de nouvelles responsabilités en devenant chef de département, établissant un programme et préparant les cours. Il passe 15 heures par semaine à donner des cours incluant un cours hebdomadaire pro bono au collège des travailleurs. Il habite Aberdeen durant les six mois de l'année universitaire et passe l'été à Glenlair, dans la maison qu'il a hérité de son père.

Il est particulièrement investi dans une énigme qui a passionné les scientifiques depuis deux cents ans  : la nature des anneaux de Saturne. La raison pour laquelle ils restaient stables sans se désagréger, se disperser ou s'écraser sur Saturne était inconnue. Le problème prend alors une importance particulière car le St John's College le choisit comme thème du Prix Adams en 1857. Il passe deux ans à étudier le problème, prouvant qu'un anneau solide ne pouvait être stable et qu'un anneau fluide serait forcé par des ondes mécaniques à se scinder en bulles. Sans aucune observation expérimentale Maxwell conclut que les anneaux doivent être formés de nombreuses petites particules qu'il appelle « brick-bats », orbitant chacune indépendamment autour de Saturne. Il reçoit les 130 livres du prix Adams en 1859 pour son essai On the Stability of Saturn's Rings ; il est le seul candidat à avoir produit suffisamment d'avancées pour pouvoir être retenu. Son travail inspire à George Biddell Airy ce commentaire : « C'est une des plus remarquables applications des mathématiques à la physique que j'ai jamais vue ». Il faut attendre le programme Voyager dans les années 1980 pour avoir une confirmation expérimentale de cette théorie. Maxwell invalide aussi mathématiquement l'hypothèse nébulaire (qui affirme que le système solaire s'est formé par condensation progressive d'une nébuleuse purement gazeuse) en introduisant dans la théorie la prise en compte dans le modèle une partie additionnelle formée de petites particules solides.

En 1857, Maxwell se lie d'amitié avec le principal de Marischal, le Révérend Daniel Dewar et rencontre la fille de ce dernier, Katherine Mary Dewar. Il se fiancent en février 1858 et se marient à Aberdeen le 2 juin de la même année.

En 1860, le Marischal College fusionne avec son voisin le King's College pour former l'Université d'Aberdeen. Il n'y a pas de chambres disponibles pour deux professeurs de philosophie naturelle et Maxwell, malgré sa stature scientifique, se retrouve alors congédié. Sa candidature au poste de Forbe à Édimbourg échoue, mais il obtient, à la place, la chaire de philosophie naturelle au King's College de Londres. Durant l'été 1860, après s'être remis d'un grave accès de variole, Maxwell part pour Londres avec sa femme Katherine.

King's College de Londres 1860 - 1865

Les travaux de Maxwell au King's College sont peut-être les plus productifs de sa carrière. Il est récompensé de la médaille Rumford de la Royal Society en 1860 pour ses travaux sur la couleur et élu à la Society elle-même en 1861. Cette période de sa vie le voit réaliser la première photographie en couleur, développer ses idées sur la viscosité des gaz et proposer un système de définition des quantités physiques appelé analyse dimensionnelle. Maxwell suit également souvent les conférences de la Royal Institution, où il est en contact régulier avec Michael Faraday. Les deux hommes ne sont pas extrêmement proches car Faraday a 40 ans de plus que Maxwell et commence à montrer des signes de sénilité, mais leur relation est empreinte d'un respect réciproque pour leurs compétences.

Cette période est essentiellement connue pour être celle des avancées de Maxwell en électromagnétisme. Il examine en 1861 la nature des champs électromagnétiques dans son article en deux parties On Physical Lines of Force, dans lequel il fournit un modèle conceptuel de l'induction électromagnétique consistant en de petites cellules tournantes de flux du champ magnétique. Deux autres parties de l'article sont publiées au début de 1862 : dans la première il discute de la nature de l'électrostatique et des courants de déplacement. La dernière partie traite de la rotation de plans de polarisation de la lumière sous l'effet d'un champ magnétique, un phénomène découvert par Faraday et connu sous le nom d'effet Faraday.