James Clerk Maxwell
(13 de junio de 1831, Edimburgo, Escocia - 05 de noviembre de 1879, Cambridge, Inglaterra)
Por: Emperatriz Guerrero.
Asociación Larense de Astronomía, ALDA.
James Clerk Maxwell fue un matemático escocés especializado en electromagnetismo y termodinámica, quien formuló la teoría clásica de la radiación electromagnética, la cual unifica electricidad, magnetismo y luz como partes integrales de este fenómeno. El valor de las llamadas Ecuaciones de Maxwell que la conforman, ha sido reconocido al punto de considerarlas “la segunda gran unificación de la Física”.
Maxwell nació en Edimburgo, capital de Escocia, en la casa N° 14 de la calle India, la cual aún se conserva. Su padre, John Clerk Maxwell era un abogado proveniente de la nobleza de terratenientes escoceses, y su madre, Frances Hodshon Cay, era hija del juez almirante Robert Hodshon Cay. Tuvo una hermana mayor, Eli.
Siendo muy pequeño, la familia se muda a la casa Glenlair en la hacienda Middlebie heredada por su padre. Ateniéndonos a un comentario escrito por su madre, a los tres años ya Maxwell era muy curioso y preguntaba por el funcionamiento de la cosas. A esto se suma el interés de su padre por la ciencia y por transmitírselo a su hijo, al punto de regalarle un fenaquisticopio (1).
Tutelado por su madre, quien se encargó de su educación inicial, Maxwell leyó a Milton y las Sagradas Escrituras. Sin embargo, en diciembre de 1839, a la temprana edad de ocho años y tras una fallida cirugía, pierde a su madre a consecuencia de un cáncer abdominal.
Su educación formal comenzó con un profesor quien no fue capaz de motivar la atención del joven Maxwell, al punto de ser despedido en 1841. Sin embargo, como desde pequeño había mostrado una excepcional agilidad mental, su padre lo inscribió en la Academia de Edimburgo. Si bien su paso por esta institución fue duro por las críticas y mofas a su acento y sus ropas, supo sobreponerse y hacer amistad con Peter Guthrie Tait, con quien mantendría a lo largo de su vida una estrecha comunicación científica. Su interés en la geometría y sus dotes escriturales lo llevaron a destacarse en matemáticas, poesía e inglés.
A los catorce años produjo su primer artículo científico, Curvas ovales, en el cual describía un método para dibujar cónicas generalizadas, propiedades de las n-elipses, óvalos cartesianos y otras curvas ovales multifocales. Aunque Maxwell no utilizó el término "cónica generalizada", consideró curvas definidas por condiciones que son generalizaciones de la condición que define una elipse. El valor de su trabajo es que simplificaba la forma presentada por René Descartes, reduciendo el número de pasos. El padre de Mawxell promovió el esfuerzo juvenil de su hijo acudiendo a James David Forbes, Profesor de Filosofía Natural de la Universidad de Edimburgo, quien le escribió el 06 de marzo de 1846, asegurándole que el trabajo de su hijo era "muy ingenioso, ciertamente muy notable para su edad" (Harman, 2001). Luego de consultarlo con Philip Kelland, Profesor de Matemática en la misma universidad, el artículo fue leído por Forbes el 06 de abril de 1846 ante la Sociedad Real de Edimburgo, porque Maxwell era muy joven para presentarlo por sí mismo.
Un año más tarde, el interés de Maxwell había derivado hacia la luz polarizada y sus efectos cromáticos. Su tío John Cay lo llevó junto con su amigo de la escuela y futuro biógrafo, Lewis Campbell, al laboratorio del óptico experimental William Nicol en Edimburgo. Su dedicación a esta área se mantuvo cuando en 1847 ingresó a la Universidad de Edimburgo, donde, entre otros, recibió clases de sir William Hamilton, Philip Kelland y James Forbes. En sus ratos libres escolares y cuando regresaba a Glenlair, comenzó a experimentar con la luz polarizada. Sometiendo a distintas tensiones bloques de gel y con ayuda de un par de prismas polarizantes, descubrió la fotoelasticidad.
En 1850 ingresa a la Universidad de Cambridge donde llamó la atención por su interés en buscar métodos sencillos de resolución de problemas complicados en física. Transferido al Trinity College en busca de una beca de investigación, fue admitido en 1852 a una selecta agrupación universitaria dedicada al debate de temas académicos e intelectuales de vanguardia conocida como los Apóstoles de Cambridge por la docena de sus fundadores, o Cambridge Conversazione Society.
En 1854, tras graduarse en la Universidad de Cambridge con un grado en Matemáticas, continuó experimentando con el color, llegando a especular que la luz blanca era producto de la mezcla de los tres colores primarios. En marzo de 1855 presentó ante la Real Sociedad de Edimburgo su trabajo Experimentos sobre el color. Ese mismo año publica su trabajo Sobre las líneas de fuerza de Faraday, en el cual no sólo simplificaba el trabajo de este científico sino que además comentaba por primera vez sus consideraciones entre electricidad y magnetismo.
Su destacada trayectoria le valió una plaza en el Trinity College el 10 de octubre de ese mismo año, la cual tuvo que rechazar para regresar a Edimburgo y dedicarse a cuidar a su padre, quien venía sufriendo una grave enfermedad, falleciendo en 1856. Tras la muerte de su padre y a instancias de Forbes, Maxwell solicitó y obtuvo ese mismo año la plaza de profesor de Filosofía Natural en el Mariscal College de Aberdeen, convirtiéndose con 25 años en su profesor más joven.
Fue aquí donde conoció a Katherine Mary Dewar, quien era hija del director, el reverendo Daniel Dewar. Su interés por la física y el participar constantemente como ayudante de laboratorio, los llevaron de lo profesional a lo personal, comprometiéndose en febrero de 1858 y casándose ese 02 de junio en Aberdeen.
En esta institución se dedicó en principio a estudiar la naturaleza de los anillos de Saturno. Tras dos años de investigación, concluyó que no podían ser sólidos ni líquidos, llegando a la conclusión que debían estar formados por partículas o brick-bats, con órbitas independientes. Su ensayo, Sobre la estabilidad del movimiento de los anillos de Saturno, le valió el Premio Adams de 1859, siendo elogiado por sus aplicaciones matemáticas a la física por George Biddell Airy, profesor de Astronomía, astrónomo real y director del observatorio de Cambridge. La precisión de sus predicciones se confirmó con las fotografías tomadas por las naves Voyager.
En 1860, la fusión del Mariscal College con el King’s College dio origen a la Universidad de Aberdeen, con lo cual Maxwell recibió la cátedra de Filosofía Natural en el King’s College de Londres. Es aquí donde desarrolló la parte más granada de su carrera. En 1860 fue galardonado con la Medalla Rumford por su investigación sobre el color, y al año siguiente fue admitido en la Real Sociedad de Londres.
Su interés en demostrar que toda la gama de colores puede generarse a partir de diferentes proporciones de los tres colores primarios, lo llevó a obtener en 1861 la primera fotografía en color permanente de la historia. Para ello hizo que el fotógrafo Thomas Sutton fotografiara tres veces un lazo de tela escocesa, colocando en cada oportunidad un filtro de color distinto frente a la lente de su cámara. La proyección simultánea de las tres imágenes originó una resultante a color. Este proceso se conoce como síntesis aditiva de color o tricromía.
La fotografía, que presentó en una conferencia, fue Tartan Ribbon, la cual se conserva en la Universidad de Cambridge. Aún hoy en día, los sistemas de fotografía digital definen los colores utilizando el sistema RGB (red, green, blue), basado en la combinación original de Maxwell.
Tartan Ribbon, primera fotografía en color permanente (1861).
La primera fotografía en color, expuesta en la Universidad de Cambridge.
Siguiendo en su trabajo sobre electricidad y magnetismo, en marzo de 1861 publicó Sobre las líneas físicas de fuerza, trabajo en el cual redujo todo lo que hasta ese momento se conocía sobre estas fuerzas fundamentales, a veinte ecuaciones diferenciales con veinte variables o Ecuaciones Generales del Campo Electromagnético. Con ellas sintetizó los aportes de Coulomb, Gauss, Ampere y Faraday, entre otros, e introdujo los conceptos de campo y corriente de desplazamiento.
Continuando con sus investigaciones, demostró que sus ecuaciones predecían la existencia de ondas de campos eléctricos/magnéticos oscilantes. Estos resultados los presentó en 1865, cuando publicó lo que se considera su mayor aporte a la Física: Una teoría dinámica del campo electromagnético, en la cual proponía que los capos eléctrico y magnético viajan en forma de ondas a la velocidad de la luz. En sus propias palabras:
(3) La teoría que propongo puede, por lo tanto, llamarse teoría del Campo Electromagnético, porque tiene que ver con el espacio en la vecindad de los cuerpos eléctricos o magnéticos, y puede llamarse Teoría Dinámica, porque supone que en ese espacio hay materia en movimiento, por la cual se producen los fenómenos electromagnéticos observados.
(4) El campo electromagnético es la parte del espacio que contiene y rodea a los cuerpos en condiciones eléctricas o magnéticas (Maxwell, 1865, p.460)
Para demostrar su teoría, Maxwell aplico las Ecuaciones Generales del Campo Electromagnético a una perturbación magnética propagada por un campo no conductor, demostrando que
(20) …las únicas perturbaciones que pueden propagarse de este modo son las transversales a la dirección de propagación, y que la velocidad de propagación es la velocidad v, hallada a partir de experimentos como los de Weber, que expresan el número de unidades electrostáticas de electricidad contenidas en una unidad electromagnética.
Esta velocidad es tan cercana a la de la luz, que al parecer tenemos fuertes razones para concluir que la luz en sí misma (incluyendo el calor radiante, y otras radiaciones si las hay) es una perturbación electromagnética en forma de ondas que se propagan a través del campo electromagnético de acuerdo con las leyes electromagnéticas. (Maxwell, 1865, pp.465-466).
Su teoría unificó el campo eléctrico y el campo magnético en un solo concepto, el campo electromagnético. La misma le permitió predecir la existencia de las ondas de radio. El genio de Maxwell lo llevó incursionar en la estadística con la función estadística de Maxwell-Boltzmann, la cual se aplica a la teoría cinética de los gases y otros sistemas físicos.
El mismo año de 1865 dejó el King’s College de Londres y regresó a Glenlair con su esposa, dedicándose a investigaciones particulares y publicaciones. Entre ellas cabe destacar Sobre los reguladores (On governors) (1868), donde sentó las bases de la actual teoría del control, distinguiendo los reguladores proporcionales y los reguladores con acción integral o governors; y Sobre figuras recíprocas, tramas y diagramas de fuerzas (1870).
En 1871 volvió a la Universidad de Cambridge como el primer Profesor Cavendish de Física, donde se encargó de la creación y supervisión del Laboratorio Cavendish. Compaginó su trabajo con la escritura del libro Teoría del calor (1871), publicando el tratado Materia y movimiento (1876), y editando valiosa información sobre los aportes de Henry Cavendish, algunos de ellos poco conocidos.
En 1873 publicó Un tratado sobre electricidad y magnetismo, obra en la cual presentó la versión moderna de sus veinte Ecuaciones Generales del Campo Electromagnético. Estas ecuaciones fueron reducidas a cuatro en 1881 por Oliver Heaviside, las actuales Leyes o Ecuaciones de Maxwell. Fueron precisamente Heaviside junto a Peter Guthrie Tait quienes comprobaron años más tarde que la conexión cuantitativa entre luz y electromagnetismo propuesta por Maxwell era correcta, con lo cual su teoría se consagró como uno de los mayores logros de la física matemática del siglo XIX.
Aquejado de cáncer abdominal, falleció en 1879 en Cambridge cuando contaba con 48 años, coincidentemente la misma enfermedad que le había arrebatado a su madre cuando ésta contaba con su misma edad. Fue sepultado en las ruinas de la Old Kirk en el cementerio de la actual iglesia parroquial de Parton, muy cerca de Glenlair. En la misma tumba se encuentran sus padres y su esposa.
Maxwell tuvo una crianza donde la fe y la religión presbiterianas estuvieron muy presentes, y ha sido fuente de debate el grado en que su contacto con la ciencia pudo haberse enfrentado a sus creencias religiosas o haberlo llevado a analizarlas o cuestionarlas. Como quiera que haya sido, no fue el primero ni el último científico que encaró este dilema, y por encima de todo lo importante fue que como estudioso respetó los hechos y las evidencias que encontró, y si indagó en los secretos de la naturaleza física, supo desentrañar sus misterios bajo los lineamientos onto-epistémicos que los mismos requerían.
Sin embargo, su espíritu sensible se manifestó en su afición a la poesía, de la cual fue un adicto lector y fecundo compositor. Uno de sus poemas más conocidos, Rigid body sings, fue recopilado en una colección publicada en 1882 por Lewis Campbell.
James Maxwell ocupó el tercer puesto en una encuesta llevada a cabo en 1999 entre 100 de los más renombrados físicos del momento, sólo superado por Albert Einstein e Isaac Newton.
Su aporte a la física matemática fue reconocido en el nombre de la unidad de flujo magnético, el maxwell (Mx), en el Premio James Clerk Maxwell de la Sociedad Americana de Física, en el Premio Maxwell del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), y en los nombres de distintos edificios en la Universidad y la Academia de Edimburgo, en el King’s College de Londres y la Universidad de Cambridge.
A otros niveles, su nombre se encuentra en el cráter lunar Maxwell, en los Montes Maxwell de Venus y en la brecha Maxwell de los anillos de Saturno, así como en el telescopio submilimétrico James Clerk Maxwell, en el Observatorio Mauna Kea, Hawái.
Telescopio James Clerk Mawxell (Observatorio Mauna Kea, Hawái).
(1) Fenaquisticopio: (del griego phénakistiscos = engaño y skopein = mirar) artilugio mecánico formado por un disco giratorio con imágenes que descomponen un movimiento en etapas. Al girar el disco y mirar a través de una ranura, se obtiene la sensación de movimiento de las imágenes.
REFERENCIAS
BBC News. (1999). Einstein el más grande. news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/541840.stm
Harnman, P. (2001). The natural philosophy of James Clerk Maxwell. https://books.google.co.ve/books/about/The_Natural_Philosophy_of_James_Clerk_Ma.html?id=qf6jtc4nZisC&redir_esc=y
James Clerk Maxwell Foundation (s/f). clerkmaxwellfoundation.org/html/
Maxwell, J. (1865). A dynamical theory of the electromagnetic field. https://archive.org/details/dynamicaltheoryo00maxw/mode/2up
Montoya, L. (2017). James Clerk Maxwell. https://historia-biografia.com/james-clerk-maxwell/
Wikipedia (s/f). Cónica generalizada. https://es.wikipedia.org/wiki/Cónica_generalizada
Wikipedia (s/f). James Clerk Maxwell. https://es.wikipedia.org/wiki/James_Clerk_Maxwell
Wikipedia (s/f). n-elipse. https://es.wikipedia.org/wiki/N-elipse
Créditos de imágenes
James Maxwell. http://t0.gstatic.com/licensed-image?q=tbn:ANd9GcShXljz0MLr_A_lOMwMMMBNCQEcOdvClw2WLKdlbY1Yej5WPXG9f_SiUelfYqyg1BsI [Descarga: 2022, marzo 25].
Tartan Ribbon, primera fotografía en color permanente. (1861): https://www.elmundo.es/baleares/2019/10/31/5dbae4cb21efa0ef7a8b45da.html
La primera fotografía en color, expuesta en la Universidad de Cambridge. https://www.blogodisea.com/cual-primera-fotografia-color.html
Telescopio James Clerk Mawxell. https://astro-canada.ca/l_observatoire_james_clerk_maxwell-the_james_clerk_maxwell_observatory-eng
