James Clerk Maxwell

1.1. Zaman Kanak-kanak dan Pendidikan Awal

James Clerk Maxwell dilahirkan pada 13 Jun 1831 di 14 India Street, Edinburgh, Scotland. Bapanya, John Clerk Maxwell of Middlebie, seorang peguam, dan ibunya, Frances Cay, datang dari keluarga yang berpendidikan dan berbakat. Keluarga Maxwell berpindah ke Glenlair House di Kirkcudbrightshire ketika James masih muda, di mana ibu bapanya membina sebuah rumah di atas tanah seluas kira-kira 610 ha. Sejak usia muda, Maxwell menunjukkan rasa ingin tahu yang mendalam; pada usia tiga tahun, beliau sering bertanya "apa gunanya itu?" apabila melihat sesuatu yang bergerak, bersinar, atau berbunyi. Ibunya menggambarkannya sebagai "lelaki yang sangat gembira, dan telah banyak bertambah baik sejak cuaca menjadi sederhana; beliau sangat sibuk dengan pintu, kunci, dan sebagainya, dan 'tunjukkan bagaimana ia berfungsi' tidak pernah lekang dari mulutnya."

Ibunya, Frances, bertanggungjawab terhadap pendidikan awal beliau. Pada usia lapan tahun, beliau sudah mampu menghafal petikan panjang dari John Milton dan keseluruhan Mazmur 119 (176 ayat), menunjukkan pengetahuan yang terperinci tentang kitab suci. Ibu Maxwell jatuh sakit akibat kanser abdomen dan meninggal dunia pada Disember 1839 ketika beliau berusia lapan tahun. Selepas kematian ibunya, pendidikannya diawasi oleh bapanya dan kakak ipar bapanya, Jane. Percubaan pendidikan formal pertamanya di bawah seorang tutor berusia 16 tahun tidak berjaya, kerana tutor tersebut memperlakukan beliau dengan kasar. Tutor itu diberhentikan pada November 1841. Pada 12 Februari 1842, bapa James membawanya ke demonstrasi Robert Davidson mengenai pendorong elektrik dan daya magnet, pengalaman yang mempunyai implikasi mendalam baginya.

Maxwell kemudian dihantar ke Edinburgh Academy yang berprestij. Beliau tinggal di rumah ibu saudaranya, Isabella, semasa waktu penggal. Di sana, minatnya dalam melukis digalakkan oleh sepupunya, Jemima. Pada mulanya, Maxwell, yang dibesarkan dalam pengasingan di ladang bapanya, tidak menyesuaikan diri dengan baik di sekolah. Beliau terpaksa menyertai tahun kedua bersama rakan sekelas yang setahun lebih tua daripadanya, dan tingkah laku serta aksen Galloway beliau menyebabkan beliau mendapat gelaran "Daftie" (bodoh). Namun, beliau tidak pernah membenci gelaran itu. Pengasingan sosial beliau berakhir apabila beliau bertemu Lewis Campbell dan Peter Guthrie Tait, yang kekal menjadi sahabat seumur hidup.

Minat Maxwell melangkaui sukatan pelajaran sekolah. Beliau terpesona dengan geometri pada usia muda, malah menemui semula polihedron sekata sebelum menerima arahan formal. Pada usia 13 tahun, beliau memenangi pingat matematik sekolah dan hadiah pertama untuk kedua-dua Bahasa Inggeris dan puisi. Pada usia 14 tahun, beliau menulis kertas saintifik pertamanya, "On the description of oval curves and those having a plurality of foci", di mana beliau menerangkan cara mekanikal melukis lengkok matematik dengan seutas tali dan sifat-sifat elips serta lengkok-lengkok berkaitan dengan lebih daripada dua fokus. Karya ini dibentangkan kepada Royal Society of Edinburgh oleh James David Forbes, seorang profesor falsafah semula jadi di Universiti Edinburgh, kerana Maxwell dianggap terlalu muda untuk membentangkan sendiri. Walaupun karyanya tidak sepenuhnya asli, kerana René Descartes juga telah mengkaji elips multifokal, Maxwell telah menyederhanakan pembinaannya.

1.2. Pengajian Universiti (Edinburgh dan Cambridge)

Pada Oktober 1847, pada usia 16 tahun, Maxwell meninggalkan Edinburgh Academy dan mula menghadiri kelas di Universiti Edinburgh. Walaupun mempunyai peluang untuk belajar di Universiti Cambridge, beliau memutuskan untuk menyelesaikan kursus penuh pengajian ijazah sarjananya di Edinburgh. Staf akademik universiti termasuk beberapa nama yang sangat dihormati, seperti Sir William Hamilton (logik dan metafizik), Philip Kelland (matematik), dan James David Forbes (falsafah semula jadi). Maxwell tidak mendapati kelasnya terlalu mencabar, yang membolehkannya menumpukan perhatian kepada kajian peribadi di universiti dan terutamanya ketika pulang ke Glenlair. Di sana, beliau bereksperimen dengan peralatan kimia, elektrik, dan magnet yang diimprovisasi, dengan minat utama terhadap sifat cahaya terpolarisasi. Melalui amalan ini, beliau menemui fotoelastisitas, satu kaedah untuk menentukan taburan tekanan dalam struktur fizikal.

Pada usia 18 tahun, Maxwell menyumbang dua kertas kerja kepada Royal Society of Edinburgh. Salah satunya, "On the Equilibrium of Elastic Solids", meletakkan asas bagi penemuan penting kemudian dalam hidupnya, iaitu pembiasan ganda sementara yang dihasilkan dalam cecair likat oleh tegasan ricih. Kertas kerjanya yang lain, "Rolling Curves", seperti kertas kerjanya "Oval Curves" yang ditulis di Edinburgh Academy, beliau dianggap terlalu muda untuk membentangkannya sendiri, jadi ia disampaikan oleh tutornya Kelland.

Pada Oktober 1850, Maxwell meninggalkan Scotland untuk ke Universiti Cambridge. Beliau pada mulanya menghadiri Peterhouse, tetapi sebelum akhir penggal pertamanya, beliau berpindah ke Trinity, di mana beliau percaya akan lebih mudah untuk mendapatkan fellowship. Di Trinity, beliau terpilih sebagai ahli sebuah persatuan rahsia elit yang dikenali sebagai Cambridge Apostles. Pemahaman intelektual Maxwell tentang kepercayaan Kristian dan sainsnya berkembang pesat semasa di Cambridge. Beliau menyertai "Apostles", sebuah persatuan debat eksklusif golongan elit intelektual, di mana melalui eseinya beliau berusaha untuk memahami pandangan ini. Beliau menulis: "Sekarang rancangan besar saya, yang telah lama diilhamkan, ... adalah untuk tidak membiarkan apa-apa yang sengaja ditinggalkan tanpa diperiksa. Tiada apa-apa yang menjadi tanah suci yang dikhususkan kepada Iman Statik, sama ada positif atau negatif. Semua tanah terbiar akan dibajak dan sistem giliran yang tetap akan diikuti." Beliau menghabiskan masa di rumah Rev. C. B. Tayler di Otley, Suffolk, yang menguatkan keimanannya.

Pada November 1851, Maxwell belajar di bawah William Hopkins, yang berjaya melahirkan genius matematik sehingga mendapat gelaran "senior wrangler-maker". Pada tahun 1854, Maxwell lulus dari Trinity dengan ijazah dalam matematik, menduduki tempat kedua tertinggi dalam peperiksaan akhir, di belakang Edward Routh, dan kemudiannya diisytiharkan setaraf dengan Routh dalam peperiksaan Smith's Prize yang lebih sukar. Sejurus selepas menerima ijazahnya, Maxwell membentangkan kertas kerjanya "On the Transformation of Surfaces by Bending" kepada Cambridge Philosophical Society, menunjukkan kedudukannya yang semakin meningkat sebagai ahli matematik. Beliau memutuskan untuk kekal di Trinity selepas tamat pengajian dan memohon fellowship, proses yang dijangka mengambil masa beberapa tahun.

Minat beliau terhadap sifat dan persepsi warna bermula di Universiti Edinburgh. Dengan gasing berwarna yang dicipta oleh Forbes, Maxwell dapat menunjukkan bahawa cahaya putih akan terhasil daripada campuran cahaya merah, hijau, dan biru. Kertas kerjanya "Experiments on Colour" membentangkan prinsip gabungan warna dan dibentangkan kepada Royal Society of Edinburgh pada Mac 1855, kali ini beliau dapat menyampaikannya sendiri. Maxwell dilantik sebagai fellow Trinity pada 10 Oktober 1855, lebih awal daripada kebiasaan, dan diminta untuk menyediakan syarahan mengenai hidrostatik dan optik serta menyediakan kertas peperiksaan. Pada Februari berikutnya, beliau didesak oleh Forbes untuk memohon jawatan profesor Falsafah Semula Jadi yang baru kosong di Marischal College, Aberdeen. Bapanya membantu beliau dalam menyediakan rujukan yang diperlukan, tetapi meninggal dunia pada 2 April di Glenlair sebelum mengetahui keputusan pencalonan Maxwell. Beliau menerima jawatan profesor di Aberdeen, meninggalkan Cambridge pada November 1856.

1.3. Kerjaya Profesor Awal (Marischal College, Aberdeen)

Pada usia 25 tahun, Maxwell mengambil alih tanggungjawab sebagai ketua jabatan di Marischal College, Aberdeen. Beliau merancang silibus dan menyediakan syarahan, mengajar 15 jam seminggu, termasuk syarahan pro bono mingguan kepada kolej pekerja tempatan. Beliau tinggal di Aberdeen bersama sepupunya, William Dyce Cay, seorang jurutera awam Scotland, semasa enam bulan tahun akademik dan menghabiskan musim panas di Glenlair, yang diwarisi daripada bapanya.

Maxwell menumpukan perhatiannya kepada masalah yang telah mengelirukan saintis selama 200 tahun: sifat cincin Zuhal. Tidak diketahui bagaimana cincin-cincin itu kekal stabil tanpa pecah, hanyut, atau jatuh ke Zuhal. Masalah ini menjadi tumpuan utama pada masa itu kerana St John's College, Cambridge telah memilihnya sebagai topik untuk Adams Prize 1857. Maxwell menghabiskan dua tahun mengkaji masalah itu, membuktikan bahawa cincin pepejal biasa tidak stabil, manakala cincin cecair akan dipaksa oleh tindakan gelombang untuk pecah menjadi gumpalan. Oleh kerana tiada satu pun daripada ini diperhatikan, beliau menyimpulkan bahawa cincin-cincin itu mesti terdiri daripada banyak zarah kecil yang beliau panggil "brick-bats", setiap satu mengorbit Zuhal secara bebas. Maxwell dianugerahkan Adams Prize 130 GBP pada tahun 1859 untuk eseinya "On the stability of the motion of Saturn's rings". Karyanya begitu terperinci dan meyakinkan sehingga George Biddell Airy mengulas, "Ini adalah salah satu aplikasi matematik yang paling luar biasa kepada fizik yang pernah saya lihat." Ini dianggap sebagai kata terakhir mengenai isu itu sehingga pemerhatian langsung oleh kapal angkasa Voyager pada tahun 1980-an mengesahkan ramalan Maxwell bahawa cincin-cincin itu terdiri daripada zarah. Walau bagaimanapun, kini difahamkan bahawa zarah-zarah cincin itu tidak sepenuhnya stabil, ditarik oleh graviti ke Zuhal dan dijangka akan lenyap sepenuhnya dalam tempoh 300 juta tahun akan datang.

Pada tahun 1857, Maxwell berkawan dengan Reverend Daniel Dewar, yang pada masa itu adalah Pengetua Marischal College. Melalui beliau, Maxwell bertemu anak perempuan Dewar, Katherine Mary Dewar. Mereka bertunang pada Februari 1858 dan berkahwin di Aberdeen pada 2 Jun 1858. Katherine tujuh tahun lebih tua daripada Maxwell. Sedikit yang diketahui tentangnya, namun beliau membantu Maxwell di makmalnya dan melakukan eksperimen dalam kelikatan. Biografer dan sahabat Maxwell, Lewis Campbell, menggambarkan kehidupan perkahwinan mereka sebagai "salah satu pengabdian yang tidak pernah terjadi sebelumnya".

Pada tahun 1860, Marischal College bergabung dengan King's College yang berdekatan untuk membentuk Universiti Aberdeen. Oleh kerana tiada ruang untuk dua profesor Falsafah Semula Jadi, Maxwell diberhentikan. Beliau tidak berjaya dalam permohonannya untuk jawatan profesor Forbes yang baru dikosongkan di Edinburgh, jawatan itu diberikan kepada Tait. Sebaliknya, Maxwell diberikan jawatan Profesor Falsafah Semula Jadi di King's College London. Selepas pulih daripada penyakit cacar yang hampir membawa maut pada tahun 1860, beliau berpindah ke London bersama isterinya.

1.4. Tempoh Profesor di King's College, London

Tempoh Maxwell di King's College, London, mungkin merupakan yang paling produktif dalam kerjayanya. Beliau dianugerahkan Rumford Medal oleh Royal Society pada tahun 1860 untuk karyanya mengenai warna dan kemudiannya dilantik menjadi ahli Persatuan itu pada tahun 1861. Tempoh ini menyaksikan beliau mempamerkan fotografi berwarna tahan cahaya pertama di dunia, mengembangkan lagi idea-ideasnya mengenai kelikatan gas, dan mencadangkan sistem untuk mendefinisikan kuantiti fizikal-yang kini dikenali sebagai analisis dimensi.

Maxwell sering menghadiri syarahan di Royal Institution, di mana beliau sering berhubung dengan Michael Faraday. Walaupun Faraday 40 tahun lebih tua daripada Maxwell dan menunjukkan tanda-tanda seniliti, kedua-dua saintis ini mempunyai rasa hormat yang mendalam terhadap bakat masing-masing.

Tempoh ini juga penting kerana kemajuan yang dicapai Maxwell dalam bidang elektrik dan magnetisme. Beliau mengkaji sifat medan elektrik dan magnet dalam kertas kerja dua bahagiannya, "On physical lines of force", yang diterbitkan pada tahun 1861. Di dalamnya, beliau menyediakan model konseptual untuk aruhan elektromagnetik, yang terdiri daripada sel-sel berputar kecil fluks magnet. Dua bahagian lagi kemudiannya ditambahkan dan diterbitkan dalam kertas kerja yang sama pada awal 1862. Bahagian pertama tambahan membincangkan sifat elektrostatik dan arus anjakan. Bahagian kedua tambahan membincangkan putaran satah polarisasi cahaya dalam medan magnet, fenomena yang telah ditemui oleh Faraday dan kini dikenali sebagai Kesan Faraday.

1.5. Penubuhan Makmal Cavendish dan Aktiviti Kemudian

Pada tahun 1865, Maxwell meletak jawatan daripada King's College, London, dan kembali ke Glenlair bersama Katherine. Dalam kertas kerjanya "On governors" (1868), beliau menerangkan secara matematik tingkah laku pengawal-peranti yang mengawal kelajuan enjin stim-dengan itu mewujudkan asas teori kejuruteraan kawalan. Dalam kertas kerjanya "On reciprocal figures, frames and diagrams of forces" (1870), beliau membincangkan kekakuan pelbagai reka bentuk kekisi. Beliau menulis buku teks Theory of Heat (1871) dan risalah Matter and Motion (1876). Maxwell juga merupakan orang pertama yang secara eksplisit menggunakan analisis dimensi, pada tahun 1871.

Maxwell telah dikreditkan sebagai orang pertama yang memahami konsep teori kekacauan, kerana beliau mengakui kepentingan sistem yang menunjukkan "ketergantungan sensitif pada keadaan awal." Beliau juga orang pertama yang menekankan "kesan rama-rama" pada tahun 1870-an dalam dua perbincangan.

Pada tahun 1871, beliau kembali ke Cambridge untuk menjadi Profesor Fizik Cavendish yang pertama. Maxwell ditugaskan untuk pembangunan Makmal Cavendish, menyelia setiap langkah dalam kemajuan bangunan dan pembelian koleksi peralatan. Salah satu sumbangan besar terakhir Maxwell kepada sains ialah penyuntingan (dengan banyak nota asal) penyelidikan Henry Cavendish, dari mana didapati bahawa Cavendish meneliti, antara lain, soalan-soalan seperti ketumpatan Bumi dan komposisi air. Beliau dilantik sebagai ahli American Philosophical Society pada tahun 1876.

2.1. Elektromagnetisme

Pencapaian Maxwell yang paling terkenal ialah penyatuan elektrik dan magnetisme, yang secara asas mengubah pemahaman tentang daya ini.

2.2. Teori Kinetik Gas dan Mekanik Statistik

Maxwell juga membuat sumbangan penting kepada teori kinetik gas, yang mengkaji sifat-sifat gas berdasarkan pergerakan atom dan molekulnya. Beliau menyedari bahawa molekul gas tidak semuanya bergerak pada kelajuan yang sama, sebaliknya mempunyai taburan kelajuan. Antara tahun 1859 dan 1866, beliau membangunkan teori taburan kelajuan dalam zarah gas, yang kemudiannya digeneralisasikan oleh Ludwig Boltzmann.

Formula ini, yang dikenali sebagai taburan Maxwell-Boltzmann, memberikan pecahan molekul gas yang bergerak pada kelajuan tertentu pada sebarang suhu tertentu. Pendekatan ini menggenalisasi hukum-hukum termodinamik yang telah ditetapkan sebelumnya dan menjelaskan pemerhatian serta eksperimen yang sedia ada dengan cara yang lebih baik.

Kerja-kerjanya mengenai termodinamik membawanya untuk mereka cipta eksperimen pemikiran yang dikenali sebagai iblis Maxwell, di mana hukum kedua termodinamik nampaknya dilanggar oleh makhluk khayalan yang mampu menyusun zarah mengikut tenaga. Pada tahun 1871, beliau menetapkan hubungan termodinamik Maxwell, iaitu penyataan kesamaan antara terbitan kedua bagi potensi termodinamik dengan pemboleh ubah termodinamik yang berbeza. Pada tahun 1874, beliau membina permukaan termodinamik plaster sebagai cara untuk meneroka peralihan fasa, berdasarkan kertas kerja termodinamik grafik ahli saintis Amerika Josiah Willard Gibbs.

2.3. Teori Warna dan Fotografi Berwarna

Seperti kebanyakan ahli fizik pada zamannya, Maxwell mempunyai minat yang kuat dalam psikologi, terutamanya dalam kajian persepsi warna, mengikuti jejak Isaac Newton dan Thomas Young. Dari tahun 1855 hingga 1872, Maxwell menerbitkan siri penyelidikan mengenai persepsi warna, buta warna, dan teori warna, dan dianugerahkan Rumford Medal untuk "On the Theory of Colour Vision".

Newton telah menunjukkan, menggunakan prisma, bahawa cahaya putih, seperti cahaya matahari, terdiri daripada beberapa komponen monokromatik yang kemudiannya boleh digabungkan semula menjadi cahaya putih. Young kemudiannya mencadangkan bahawa paradoks ini boleh dijelaskan melalui persepsi warna oleh tiga saluran terhad dalam mata, yang dikenali sebagai teori warna trikromatik Young-Helmholtz. Maxwell menggunakan aljabar linear yang baru dibangunkan untuk membuktikan teori Young, mencipta eksperimen padanan warna dan kolorimetri.

Maxwell juga berminat untuk menerapkan teorinya tentang persepsi warna dalam fotografi berwarna. Berdasarkan karyanya tentang persepsi warna: jika jumlah mana-mana tiga cahaya boleh menghasilkan sebarang warna yang boleh dilihat, maka gambar berwarna boleh dihasilkan dengan set tiga penapis berwarna. Dalam kertas kerja tahun 1855, Maxwell mencadangkan bahawa jika tiga gambar hitam-putih bagi suatu pemandangan diambil melalui penapis merah, hijau, dan biru, dan cetakan lutsinar gambar-gambar itu dipancarkan ke skrin menggunakan tiga projektor yang dilengkapi dengan penapis yang serupa, hasilnya akan dilihat oleh mata manusia sebagai reproduksi lengkap semua warna dalam pemandangan.

Dalam syarahan Royal Institution pada tahun 1861 mengenai teori warna, Maxwell membuat demonstrasi pertama di dunia mengenai fotografi berwarna menggunakan prinsip analisis dan sintesis tiga warna ini. Thomas Sutton, pencipta kamera refleks lensa tunggal, mengambil gambar itu. Beliau memotretkan reben tartan tiga kali, melalui penapis merah, hijau, dan biru, dan juga membuat gambar keempat melalui penapis kuning, yang menurut Maxwell, tidak digunakan dalam demonstrasi itu. Walaupun plat fotografi Sutton tidak sensitif kepada merah dan hampir tidak sensitif kepada hijau, hasil eksperimen perintis ini masih jauh daripada sempurna. Penyelidik pada tahun 1961 menyimpulkan bahawa kejayaan separa yang tidak dijangka dari pendedahan penapis merah adalah disebabkan oleh cahaya ultraungu, yang banyak dipantulkan oleh beberapa pewarna merah, tidak sepenuhnya disekat oleh penapis merah yang digunakan, dan berada dalam julat sensitiviti proses kolodion basah yang digunakan Sutton.

2.4. Teori Kawalan

Maxwell menerbitkan kertas kerja "On governors" dalam Proceedings of the Royal Society, jilid 16 (1867-1868). Kertas kerja ini dianggap sebagai kertas kerja utama pada zaman awal teori kawalan. Dalam kertas kerja ini, "governor" merujuk kepada pengawal atau pengawal sentrifugal yang digunakan untuk mengawal kelajuan enjin stim. Beliau menggambarkan tingkah laku pengawal secara matematik, dengan itu mewujudkan asas teori kejuruteraan kawalan.

5.1. Penilaian Akademik dan Impak

Dalam tinjauan 100 ahli fizik paling terkemuka yang dijalankan oleh Physics World, Maxwell telah diundi sebagai ahli fizik ketiga terbesar sepanjang zaman, di belakang hanya Isaac Newton dan Albert Einstein. Satu lagi tinjauan ahli fizik biasa oleh PhysicsWeb turut meletakkan beliau di tempat ketiga.

Einstein mengakui kerja perintis Maxwell, menyatakan bahawa "satu zaman saintifik berakhir dan satu lagi bermula dengan James Clerk Maxwell." Beliau juga mengakui pengaruh karyanya terhadap teori kerelatifan: "Teori kerelatifan khas berhutang asal usulnya kepada persamaan medan elektromagnetik Maxwell." Apabila Einstein melawat Universiti Cambridge pada tahun 1922, beliau diberitahu oleh hosnya bahawa beliau telah melakukan perkara-perkara hebat kerana beliau berdiri di atas bahu Newton; Einstein menjawab: "Tidak saya tidak. Saya berdiri di atas bahu Maxwell." Tom Siegfried menggambarkan Maxwell sebagai "salah seorang genius sekali dalam seabad yang melihat dunia fizikal dengan deria yang lebih tajam daripada orang di sekelilingnya."

Sumbangannya kepada sains dianggap oleh ramai pihak setanding dengan sumbangan Isaac Newton dan Albert Einstein. Teori beliau, terutamanya persamaan elektromagnetisme, membentuk dasar bagi teori kerelatifan dan mekanik kuantum, serta kejuruteraan elektrik moden.

5.2. Penghormatan dan Peringatan

Pelbagai penghormatan dan peringatan telah diberikan kepada James Clerk Maxwell, termasuk:

• Unit maxwell (Mx), unit terbitan dalam sistem CGS yang mengukur fluks magnet.
• IEEE Maxwell Award
• Maxwell Montes, banjaran gunung di Zuhrah.
• Maxwell Gap di cincin Zuhal.
• Teleskop James Clerk Maxwell, sebuah teleskop sub-milimeter berdiameter 15 m.
• Bangunan James Clerk Maxwell di Universiti Edinburgh, yang menempatkan fakulti matematik, fizik, dan meteorologi.
• Bangunan James Clerk Maxwell di kampus Waterloo King's College London, jawatan profesor dalam bidang fizik, dan persatuan pelajar fizik di universiti itu.
• Pusat James Clerk Maxwell di Edinburgh Academy.
• Pusat Maxwell di Universiti Cambridge, untuk kerjasama antara perniagaan dan saintis dalam bidang Teknologi dan sains Fizikal.
• Sebuah patung yang didirikan di George Street, Edinburgh.
• Pengeluar GPU Nvidia menamakan seni bina siri cip pemproses grafik GeForce 900 sempena nama beliau.
• Perisian ANSYS untuk analisis elektromagnetik, dinamakan Maxwell.