James Clerk Maxwell - Définition et Explications

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Introduction

James Clerk Maxwell
James Clerk Maxwell
Naissance 13 juin 1831
Édimbourg, Écosse (Royaume-Uni)
Décès 5 novembre 1879
Cambridge, Angleterre (L’Angleterre (England en anglais) est l'une des quatre nations constitutives du Royaume-Uni....) (Royaume-Uni)
Nationalité écossaise
Champs Mathématiques, Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...)
Célèbre pour Équations de Maxwell
Distribution de Maxwell
Démon de Maxwell (Le démon de Maxwell est un personnage imaginé originalement par James Clerk Maxwell pour mettre...)
Distinctions Médaille Rumford
Prix Adams
a eu pour directeur de thèse (Un chercheur qui supervise le travail d'un doctorant est appelé directeur de thèse (au féminin,...) William Hopkins

James Clerk Maxwell (13 juin 1831 à Édimbourg, en Écosse - 5 novembre 1879) est un physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la...) et mathématicien (Un mathématicien est au sens restreint un chercheur en mathématiques, par extension toute...) écossais. Il est principalement connu pour avoir unifié en un seul ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) d'équations, les équations de Maxwell (Les équations de Maxwell, aussi appelées équations de Maxwell-Lorentz, sont des lois...), l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...), le magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces...) et l'induction, en incluant une importante modification du théorème (Un théorème est une proposition qui peut être mathématiquement démontrée, c'est-à-dire une...) d'Ampère (Ampère peut désigner :). Ce fut à l'époque le modèle le plus unifié de l'électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude...). 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 (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) 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 (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) et à la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour...).

Ces deux découvertes permirent d'importants travaux ultérieurs notamment en relativité restreinte (La relativité restreinte est la théorie formelle élaborée par Albert Einstein...) et en mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de...).

Il a également développé la distribution de Maxwell, une méthode statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....) de description de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...).

Maxwell est considéré par de nombreux physiciens comme le scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) du XIXe siècle ayant eu le plus d'influence au XXe siècle. Ses contributions à la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...) sont considérées par certains comme aussi importantes que celles d'Isaac Newton (Isaac Newton (4 janvier 1643 G – 31 mars 1727 G, ou 25 décembre...) ou d'Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le...). 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 (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) de Newton ».

Il est également connu pour avoir réalisé la première photographie en vraie couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...) 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 (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo...) 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 (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés...) 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 (Une maison est un bâtiment de taille moyenne destiné à l'habitation d'une famille,...) 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 (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) ce qui bougeait, brillait ou faisait du bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....) 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 (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps...) 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 (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) 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 (Le cancer est une maladie caractérisée par une prolifération cellulaire anormalement...) 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 (La vie est le nom donné :) 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 (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités...) 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 (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...) 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 (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) 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 (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace...), redécouvrant les polyèdres réguliers avant d'avoir reçu un quelconque enseignement (L'enseignement (du latin "insignis", remarquable, marqué d'un signe, distingué) est une...) 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 (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) 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 XVIIe siècle, même si Maxwell a simplifié leur construction.

Université d'Édimbourg 1847 - 1850

L'Université d'Édimbourg

Maxwell quitte l'académie (Une académie est une assemblée de gens de lettres, de savants et/ou d'artistes reconnus par leurs...) 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 (La logique (du grec logikê, dérivé de logos (λόγος),...) 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 (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) et d'électromagnétisme improvisés, mais sa préoccupation principale concerne les propriétés de la lumière polarisée. Il met en forme des blocs de gélatine (La gélatine est une substance solide translucide, transparente ou légèrement jaune,...), 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 (Les fondations d'un ouvrage assurent la transmission et la répartition des charges (poids propre...) d'une importante découverte qu'il réalisera plus tard : la biréfringence (La biréfringence est la propriété physique d'un matériau dans lequel la...) temporaire dans un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) 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 (La main est l’organe préhensile effecteur situé à...) une de ses roues (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par...) à couleurs

En octobre 1850, déjà devenu un mathématicien accompli, Maxwell quitte l'Écosse pour l'Université de Cambridge (L'université de Cambridge est une université britannique connue dans le monde entier.). 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 (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide...) 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 (Le diplôme (grec ancien :δίπλωµα, diploma...), Maxwell lit à la Cambridge Philosophical Society un mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir...) 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 (L'envergure est la distance entre les extrémités des ailes. Le terme est valable pour...) 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 (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) de lumières rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...), 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 (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un...) et il lui est demandé de donner des cours en optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) 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 (L'heure est une unité de mesure  :) par semaine à donner des cours incluant un cours hebdomadaire pro bono au collège (Un collège peut désigner un groupe de personnes partageant une même...) 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 (Les anneaux de Saturne sont les anneaux planétaires les plus importants du système...). 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 (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) serait forcé par des ondes mécaniques à se scinder en bulles. Sans aucune observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...) Maxwell conclut que les anneaux doivent être formés de nombreuses petites particules qu'il appelle « brick-bats », orbitant chacune indépendamment autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) 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 (Voyager 1 et 2 sont des sondes d'exploration spatiale lancées en 1977. Elles ont depuis...) 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 (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le...) s'est formé par condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui...) progressive d'une nébuleuse (Une nébuleuse (du latin nebula, « nuage ») désigne, en astronomie, un...) 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 (La taille humaine ou stature, est la hauteur d'un être humain. En général, si on la...) 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 (Londres (en anglais : London - /?l?nd?n/) est la capitale ainsi que la plus grande ville...). Durant l'été 1860, après s'être remis d'un grave accès de variole (La variole ou petite vérole est une maladie infectieuse d'origine virale, très...), 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 (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la...) des quantités physiques appelé analyse dimensionnelle (L'analyse dimensionnelle est le domaine (restreint) de la physique qui concerne les unités des...). 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 (La réciproque est une relation d'implication.) 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 (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) du champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...). Deux autres parties de l'article sont publiées au début de 1862 : dans la première il discute de la nature de l'électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre...) et des courants de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...). La dernière partie traite de la rotation de plans de polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments...) de la lumière sous l'effet d'un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique, un phénomène découvert par Faraday et connu sous le nom d'effet Faraday.

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