James Clerk Maxwell: biografía, aportaciones, libros, y más

James Clerk Maxwell fue un físico matemático escocés cuyo mayor aporte a la historia fue la formación teoría de la radiación electromagnética, la cual conglomeró por primera vez la luz, el magnetismo y la electricidad como manifestaciones distintas de un mismo fenómeno.

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James Clerk Maxwell

Los descubrimientos de Maxwell significaron el inicio de la física moderna, éstos sirvieron como basamentos para campos de la física tales como la relatividad espacial y la mecánica cuántica. Es considerado como el científico del siglo XIX con mayor influencia en el siglo XX. Ha sido comparado con colegas de la talla de Isaac Newton o Albert Einstein. Alcanzó el tercer lugar en la Votación del Milenio, la cual se trataba de una encuesta acerca de los 100 físicos de la época.

Biografía

James Clerk Maxwell nació en la capital de Escoocia, Edimburgo, en el número 14 de la calle India 13 de junio de 1831. Su padre era el abogado John Clerk Maxwell de Middlebie, y su madre Frances Cay. John creció en el seno de una familia pudiente, era el sexto barón Clerk de Penicuik, al momento de nacer sólo contaba con el nombre de John Clerk, se le fue añadido el Maxwell luego de heredar la hacienda de Middlebie debido a las conexiones que tenía con la propia familia Maxwell. (ver artículo: Albert Einstein)

El matrimonio se conoció y posteriormente contrajo nupcias cuando ambos se encontraban en la treintena de edad. James era el segundo hijo del matrimonio, contaba con una hermana a la cual nombraron Eli.

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Hogar de nacimiento de Maxwell, número 14 de la calle India

La familia construyó una casa en las 610 hectáreas de terreno que poseía la hacienda Middlebie, fue bautizada como la casa Glenlair; decidieron mudarse a ésta cuando Maxwell era aún joven. Este desde muy temprano edad mostraba un increíble interés en el funcionamiento y utilidad de cualquier cosa que se le cruzase por su camino. Esto se evidencia en un fragmento que escribió su madre en una carta que tenía por destinatario a John Clerk, el padre del niño:

“Es un hombrecito muy feliz, y su condición ha mejorado mucho desde que se moderó el tiempo; se interesa mucho por puertas, llaves y cerraduras, y el “enséñame cómo funciona” nunca sale de su boca. También investiga las partes ocultas del cableado, la forma en la que el agua llega de la pared al estanque…”.

Al notar el indudable potencial del niño, su madre Frances se dedicó a la educación de éste al instruirlo desde su  hogar, lo que era algo totalmente discordante para la época, ya que se acostumbraba a dejar recaer esta responsabilidad en las figuras masculinas. Para la edad de ocho años, Maxwell era capaz de recitar de memoria los largos textos del poeta inglés John Milton. Desarrolló un conocimiento extenso en las Sagradas Escrituras llegando a citar prácticamente cualquier cita y verso de todos los salmos que comprendían a éstas.

Frances Cay fue diagnosticada de cáncer abdominal. Fue operada, aunque sin éxito, pues falleció en diciembre de 1839 cuando Maxwell tenía apenas ocho años. A partir de este acontecimiento la educación del niño recayó en su padre y su tía Jane, los cuales se tornaron en figuras clave de su vida. Su escolarización tomó un giro formal, aunque de forma improductivo, bajo la orientación de un muchacho de dieciséis años. Éste veía a James como un joven caprichoso y lento, por lo que lo trataba con rudeza. Fue despedido por el padre de James en noviembre de 1841.

Decidió enviar a James a la prestigiosa Academia de Edimburgo. Durante su curso, se hospedó en la casa de su tía Isabela, fue allí donde desarrolló un particular gusto por el dibujo, siendo apoyado por su prima Jemima. A pesar de sus increíbles conocimientos y habilidades, el James Clerk Maxwell de diez años de edad no encajó en su colegio.

Maxwell se vio obligado a compartir aula con jóvenes mayores a el, ya que debido a falta de plaza en el primer año, se le promovió al segundo año. Los modales y el acento propio del campo, resultó un tanto rústico para los demás jóvenes. Se le otorgó el apodo de Daftie -palabra inglesa que significa manso, dócil- desde el primer día de clases debido a su vestimenta campestre, Maxwell nunca demostró disgusto por el sobrenombre, en cambio, dejó que se le llamara de esta manera por varios años.

Al momento de conocer a Lewis Campbell y a Peter Guthrie Tait culminó su etapa de retraimiento social, éstos se convertirían en prestigiosos ilustrados, con quien mantendría una relación de amistad a través de sus años de vida.

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Peter Guthrie Tait

Maxwell, desde muy corta edad encontró fascinación por la geometría y redescubrió los poliedros regulares antes de siquiera recibir ningún tipo de instrucción formal acerca de éstos. Su trabajo académico pasó desapercibido hasta la edad de 13 años, cuando ganó la medalla escolar de matemáticas, y a su vez, obtuvo el primer lugar tanto en inglés como en poesía.

El joven Maxwell nunca demostró demasiado interés en sus calificaciones, ya que no se interesaba en las materias escolares básicas que se le impartían. Para la edad de 14 años ya había escrito su primer trabajo científico donde se dedicó a describir métodos mecánicos para dibujar, usando un trozo de hilo, curvas matemáticas, las propiedades de las elipses y los óvalos cartesianos con sus curvas relacionadas con más de dos focos.

Este trabajo llevó por nombre Oval Curves, y fue presentado ante la Royal Society de Edimburgo por el profesor de filosofía natural de la Universidad de Edimburgo, James Forbes, ya que a Maxwell se le consideraba muy joven como para poder presentarlo él mismo. Maxwell logró mejorar el método de construcción las propiedades de las elipses multifocales expuestas en el siglo XVII por René Descartes.

A los 16 años de edad Maxwell abandona la Academia y comienza a asistir a clases en la Universidad de Edimburgo en 1847. Se le presentó la oportunidad de asistir a la Universidad de Cambridge, pero en su primer trimestre, decidió culminar sus estudios de pregado en la Universidad de Edimburgo. Esta casa de estudio contaba con nombres de gran prestigio; entre sus tutores de primer año se encontraban sir William Hamilton quien le impartió clases de lógica y metafíscia, Philip Kedall de matemáticas, y como se mencionó anteriormente, James Forbes de filosofía natural.

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Universidad de Edimburgo

Para el joven, las clases en la Universidad no le parecieron difíciles, por lo que le permitía dedicarse al ámbito privado durante el tiempo libre en la universidad, y cuando llegaba el momento de regresar a su casa campestre en Glenlair se dedicaba a improvisar materiales químicos, eléctricos y magnéticos, para luego experimentar con ellos, su particular preocupación se inclinaba hacia la luz polarizada.

Descubrió la fotoelasticidad -manera de determinar la distribución de la tensión de las estructuras físicas- mediante experimentos que involucraban bloques de gelatina que sometía a varias tensiones, para posteriormente, con la ayuda de prismas polarizantes, pudiese observar los bordes de colores que se habían formado dentro de esta.

A los 18 años contribuyó con dos ensayos para la Real Society de Edimburgo; el primero On the Equilibrium of Elastic Solids, establecía los principios para la doble refracción temporal producida en líquidos viscosos mediante tensión, el cual sería, en un futuro, un notable hallazgo de su vida científica. El segundo ensayo llevaba por nombre Rolling Curves, pero al igual que con el anterior ensayo Oval Curves, tuvo que ser entregado a la Real Society mediante un tutor por la temprana edad de Maxwell.

A los 25 años se desempeñaba como profesor en la Escuela del Mariscal, siendo hasta 15 años menor que el resto de los educadores del plantel. Allí se le adjudican nuevas responsabilidades, ya que trazaba los programas y preparaba las clases.

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Escuela Mariscal

Trabajaba 15 horas a la semana, adicional a esto impartía una clase pro bono semanal para los trabajadores de la escuela. Se asentó en la ciudad costera Aberdeen durante 6 meses, que era la duración del curso académico ya mencionado; pasaba los veranos en Glenlair, luego del fallecimiento de su padre, Maxwell heredó la casa campestre donde pasó su infancia y adolescencia.

Enfocó su atención hacia los anillos de Saturno, un tópico que había sido ignorado durante 200 años por los científicos. La permanencia de éstos estables sin romperse, irse a la deriva o chocar contra el planeta resultaba un incógnita muy ingente. Maxwell dedicó dos años de su vida para el estudio del problema, atestiguó que un anillo sólido normal no tiene la capacidad de ser estable, mientras que, un anillo líquido se vería obligado por la acción de la ola a romperse en una masa amorfa.

Casa GlenlairDebido a que ningún anillo pudo ser observado, Maxwell concluyó que los anillos estaban compuestos por diversas partículas a las cuales les otorgó el nombre de “brick-bats”,las cuales orbitaban individualmente alrededor de Saturno. Al científico se le concedió, en 1857, el premio Adams -otorgado anualmente por Facultad de Matemáticas de la Universidad de Cambridge y Saint John’s College- por su ensayo “On the stability of the motion of Saturn’s rings”, obtuvo 130£ como recompensa. Fue el único capaz de realizar un avance en el tema. Fue considerado lo último en el tema hasta la llegada de las observaciones del Voyager, que validaron las predicciones de James Clerk Maxwell.

En 1857 Maxwell se hizo amigo del reverendo Daniel Dewar, quien se convertiría posteriormente en el director de la Escuela Mariscal. Fue a través de él que conoció a su hija Katherine Mary Dewar. En febrero de 1858 se comprometieron y el 2 de junio contrajeron nupcias en la ciudad de Aberdeen. Muy poco se sabe de Katherine Mary, se cree que ayudaba en el laboratorio y trabajaba con experimentos de viscosidad. Los biografos relatan la unión matrimonial de ambos como “una de devoción sin precedentes”.

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En 1860 James Clerk Maxwell quedó desempleado luego de la fusión de la Escuela Mariscal con el aledaño King’s College, convirtiéndose en la Universidad de Aberdeen; en dicho lugar no había lugar para dos profesores de filosofía natural, por lo que Maxwell, luego de un episodio de viruela que por poco le quita la vida, se mudó a Londres para ejercer en el King’s College de dicha ciudad.

El tiempo considerado como el más productivo de su carrera se desarrolló en el King’s College. Obtuvo la Medalla Rumford, otorgada anualmente por la Royal Society a las investigaciones científicas enfocadas en el campo de las propiedades térmicas u ópticas de la materia, en 1860 por su trabajo sobre el color; en 1861 pasó a ser integrante de la Sociedad. Fue en este período de su vida donde presentó la primera fotografía a color a la velocidad de la luz del mundo, desarrolló sus ideas en cuanto a la viscosidad de los gases y propuso un mecanismo para delimitar cantidades físicas. Maxwell a menudo asistía a conferencias en la Royal Institution of Great Britain.

En este período realizó avances significativos para los campos de la electricidad y el magnetismo. Desarrolló un ensayo de dos partes llamado “On physical lines of force” donde estudió la naturaleza de los campos eléctricos y magnéticos, suministró un arquetipo conceptual para la inducción electromagnética, el cual estaba compuesto por pequeñas células giratorias de flujo electromagnético; éste fue publicado en 1861. Luego le anexó dos partes más, en la primera se dedica a desembrollar la naturaleza de la electroestática y la corriente de desplazamiento; en la segunda analizó la rotación del plano de la polarización de la luz en un campo magnético. Fueron publicadas en 1862.

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James Clerk Maxwell junto a su esposa Katherine Mary Dewar

En 1865, James Clerk Maxwell abandona King’s College se devuelve a su hogar natal en compañía de su esposa Katherine. Para 1870 publica su ensayo “On reciprocal figures, frames and diagrams of forces” donde estudió la rigidez de varios diseños de entramado. Escribió en 1871 el libro Theory of Heat; fue el primero en hacer uso explícito del análisis dimensional -herramienta que permite facilitar el estudio de cualquier fenómeno con magnitudes físicas-; y en 1876 el Tratado Matter and Motion.

Para 1871 se convierte en el primer Profesor Cavendish de Física en Cambridge. Ocupaba el cargo de supervisor del desarrollo del Laboratorio Cavendish del Departamento de Física de dicha institución, supervisaba el  progreso en la construcción del edificio, como también de la compra del material de laboratorio.

James Clerk Maxwell fallece en Cambridge el 5 de noviembre de 1879 debido a cáncer abdominal, tenía sólo 48 años de edad. La madre del científico habría muerto a causa del mismo tip de cáncer, a la misma edad que su hijo. En sus últimas semanas de vida Maxwell se encontraba sorprendentemente lúcido y consciente de su entorno.

Fue enterrado cerca de la ciudad donde se crió, específicamente en Parton Kirk, cerca de Castle Douglas en Galloway.

Las reseñas de Maxwell observando sus distinguidas cualidades intelectuales, acarreaban una dificultad social. El científico era un evangélico presbiteriano, por lo que en sus últimos años de vida se convirtió en un anciano de la Iglesia de Escocia. Debido a sus creencias religiosas y las actividades ligadas a éstas, Maxwell esbozó un gran número de ensayos. Cuando era niño asistió a la Iglesia de Escocia y Episcopal, pero posteriormente, en abril de 1853, sufre una conversión evangélica.

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Tumba de James Clerk Maxwell

Aportaciones

James Clerk Maxwell fue un gran Ilustrado que aportó conocimientos a diversas disciplinas, muchos pensarán que fue sólo un físico de renombre y contribuyó a esta ciencia, pero en realidad poseía diversas facetas e intereses distintos al área científica, como por ejemplo: la poesía.

Maxwell era gran amante de la poesía escocesa, al grado que memorizó, casi en su totalidad los versos de los poetas de renombre, e inclusive escribió unos cuantos propios. El más conocido es “Rigid Body Sings” el cual guarda similitudes al poema del mundialmente reconocido y galardonado escocés Robert Burns “Comin’ Through the Rye”, el estilo de éste se caracterizaba por los cantos acompañados por el sonar de la guitarra. Una recopilación de sus poemas fue publicada de forma póstuma por su amigo Lewis Campbell en 1882.

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Fragmento del poema de Maxwell “Rigid Body Sings”

Aportaciones a la Física

James Clerk Maxwell realizó numerosos aportes al campo de la física, llegando a ser considerado el científico del siglo XIX con más influencia en la física del siglo XX. La contribución de éste es comparada en ocasiones con aquellas realizadas por científicos de la talla de Einstein y Newton. Entre estos aportes se destacan: la Teoría del Control, la Teoría Electromagnética, la percepción del color y la Teoría Cinética y Termodinámica.

Teoría del Control

Maxwell estableció con su ensayo “On governors” los principios de la actual del control. En dicho ensayo el autor se dedicó a discutir y opinar acerca de ciertos aspectos de los reguladores centrífugos -sensor de una cadena de retroalimentación el cual proporciona parámetros para la función de la velocidad angular- que estaban siendo usados en la época para las máquinas de vapor. El ensayo fue publicado por The Proceeding of the Royal Society. 

Teoría Cinética y Termodinámica

James Clerk Maxwell también labró acerca de la teoría cinética de los gases, la cual estaba fundamentada en los trabajos del matemático y físico neerlandés-suizo Daniel Bernoulli, su hipótesis avanzó, con ayuda de diversos científicos, de tal manera que se consideraba sin margen alguno de error. Esto no le impidió a Maxwell poder desarrollar enormemente, a pesar de estar en un campo fuera de su rango de investigación, ya que, era un experimentador con las leyes de fricción de los gases y matemático.

Entre los años de 1859 y 1866 se dedicó a desarrollar una teoría acerca de la distribución de las velocidades dentro de una partícula de un gas. Luego, fue generalizada por Ludwig Boltzmann. Su fórmula lleva por nombre distribución de Maxwell-Boltzmann, la cual dispone la fracción de partículas sobre el total del gas las cuales se mueven a una determinada velocidad para cualquier temperatura dada. (vea también: John Nash)

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Distribución de Maxwell-Boltzmann

En la teoría cinética, las temperaturas, en especial el calor, son causantes sólo del movimiento molecular. Este planteamiento generalizó las ya establecidas leyes de la termodinámica, explicó algunos experimentos y observaciones de manera más pulcra que con las otras herramientas con las que se venía trabajando. El trabajo de Maxwell con respecto a la termodinámica lo impulsó a crear el experimento mental denominado el demonio de Maxwell, en el que la segunda ley de la termodinámica es violada por la existencia de un ser capaz de separar las partículas de acuerdo a su nivel energético.

En 1871 estableció las llamadas relaciones termodinámicas de Maxwell, que son las igualdades entre las derivadas segundas de los potenciales termodinámicos y distintas variables propias de la termodinámica. Para 1874 construyó un modelo en yeso para observar los cambios de fase desde un punto de vista termodinámico.

Primera Fotografía a Color

La fotografía a color fue objeto de estudio a lo largo del siglo XIX. A pesar de esto los estudios no pudieron evitar el desvanecimiento del color.

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Tartan Ribbon, primera fotografía a color

James Clerk Maxwell fue el primero en tomar una fotografía a color permanente en 1861. Expuso su técnica de aditivo de color en Londres, con el propósito de probar que cualquier color podría derivarse de la combinación de los tres colores primarios: rojo, verde y azul, en distintas proporciones. Esta teoría la probó pasand luz a través de filtros coloreados combinados, y luego proyectó el resultado obtenido en una pantalla. Este fue el primer sistema aditivo que fue aplicado a la fotografía a color; recibió el nombre de tricromía.

Esta fotografía realizada por Maxwell fue realizada a partir de tres fotografías consecutivas cada vez con la lente bajo tres filtros de diferentes colores: rojo, verde y azul. Cada una de las tres imágenes se proyectaba sobre la misma pantalla con la luz del color que había sido utilizado para tomarla. Se le otorgó el nombre de Tartan Ribbon, esta está en la actualidad en exposición en la Universidad de Cambridge. Este experimento resultó por pura coincidencia, ya que la emulsión que utilizó poseía una sensibilidad cromática insuficiente.

James Clerk Maxwell y el Electromagnetismo

En 1855 Maxwell se adentra al estudio de la electricidad y el magnetismo, escribió el ensayo “On Faraday’s lines of force”, el cual fue presentado ante la Sociedad Filosófica de Cambridge. En este escrito se expone un modelo abreviado del trabajo del físico británico Michael Faraday, y también algunos comentarios acerca de la relación entre la electricidad y el magnetismo. Maxwell sintetizó el conocimiento referente a la materia que para ese momento se tenía a un conjunto de veinte ecuaciones diferenciales, con veinte variables. Este trabajo fue publicado en marzo de 1861 bajo el nombre de “On Physical Lines of Force”. 

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James Clerk Maxwell a la edad de 23 años

Para 1862, Maxwell logró calcular la difusión de un campo electromagnético, descubriendo que era un tanto semejante a la de la luz. Reflexionó que esto se trataba de algo más allá que una simple coincidencia; comenta que:

Difícilmente podemos evadir la conclusión de que la luz consiste en ondulaciones transversales del mismo medio que es causa de los fenómenos eléctricos y magnéticos.

Buscando escrudiñar el problema, Maxwell logró demostrar que sus ecuaciones vaticinaban la base de experimentos eléctricos simples; ayudándose de los medios y datos disponibles para la época, el físico obtuvo una velocidad de 310,740,000 metros por segundo. Redactó, en 1865 “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field”, donde declara lo siguiente:

Este acuerdo de resultados parece mostrarnos que la luz y el magnetismo son efectos de la misma sustancia, y que la luz es una perturbación electromagnética propagada a través de un campo de acuerdo con las leyes electromagnéticas.

Sus afamadas veinte ecuaciones aparecieron en el libro de 1873  A Treatise on Electricity and Magnetism. La mayoritaria parte de este escrito fue realizado durante su estadía en Glenlair, mientras se encontraba en el proceso de mantener su puesto como profesor en Londres, y conseguir una cátedra en Cavendish. Los trabajos de Maxwell acerca de electromagnetismo estuvieron basados en tensores, y con el potencial electromagnético como centro de la teoría. Para 1881, Oliver Heaviside reemplazó el campo de potencial electromagnético de Maxwell por denominados “campos de fuerza”, produciendo la reducción de la compleja teoría de Maxwell a cuatro ecuaciones, actualmente conocidas como Ecuaciones de Maxwell. Para Heaviside, el campo de potencial electromagnético debía ser asesinado.  En la actualidad, para resolver las mencionadas ecuaciones se necesitan emplear las potenciales.

Años después Heaviside y Peter Guthrie Tait debatieron acerca de los métodos relativos del análisis vectorial y de los tensores. Como resultado, se llegó al mutuo acuerdo de que no había necesidad de tener datos o conocimientos profundos provenientes de los tensores si la teoría era netamente local, produciendo que el análisis vectorial se volviera lo común. A su vez, se probó que Maxwell estaba en lo correcto y la conexión cuantitativa entre luz y electromagnetismo que realizó se considera uno de los mayores logros de la física matemática del siglo XIX. (vea también: Von Neumann)

Ecuaciones de James Clerk Maxwell

Las cuatro ecuaciones de James Clerk Maxwell pueden resumirse de la siguiente manera:

Ley de Gauss

Ley de Gauss para el campo magnético

Ley de Faraday

https://www.youtube.com/watch?v=MIUFifvBrW0

Ley de Ampère

Frases

“Podemos encontrar ejemplos de las más elevadas doctrinas de la ciencia en los juegos y la gimnasia, en los viajes por tierra y por agua, en las tormentas del cielo y del mar, y dondequiera que haya materia en movimiento”

“La ciencia del color debe ser considerada, en esencia, como una ciencia de la mente”

“Los gases se distinguen de otras formas de la materia, no sólo por su poder de expansión indefinida así como por llenar cualquier recipiente, por grande que sea, y porque el calor tiene un gran efecto en su dilatación, sino por la uniformidad y la simplicidad de las leyes que regulan estos cambios”

“El color que percibimos es una función de tres variables independientes, por lo menos son tres las que yo creo suficientes, pero el tiempo dirá si prosperan”

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