Dobromila Lebrová: James Clerk Maxwell, skotský teoretický fyzik a matematik - 130. výročí úmrtí

Rubrika: Publicistika – Co je psáno...

James Clerk Maxwell je do jisté míry završitelem všeho, co bylo do jeho doby objeveno v elektrotechnice a magnetismu. Tak jako kdysi Isaac Newton jednoduchými zákony shrnul celou mechaniku - Maxwell svými čtyřmi - Maxwellovými rovnicemi - matematicky vyjádřil, že elektřina, magnetismus, ba i světlo a tepelné záření jsou projevem elektromagnetického pole a vzájemně spolu souvisí. - Bylo to v době, kdy panoval názor, že celá fyzika se dá popsat právě pouze Newtonovými zákony.
Ovšem ale z pohledu Maxwellovy přesné matematické syntézy je téměř překvapivé číst jeho vyznání o Bohu: „Bůh je věčný a nekonečný, všemohoucí a vševědoucí.“
James Clerk Maxwell se narodil 13. července 1831 v Edinburku v India Street č. 14 Johnu Clerkovi Maxwellovi a jeho manželce Frances, rozené Cay. Pocházel ze šlechtického rodu, jeho strýc byl baronetem z Clerku a Penicuiku; otec sám se narodil jako John Clerk a další jméno Maxwell připojil až když zdědil pozemky v Middlebie. Maxwellovi rodiče se brali dost pozdě, před jeho narozením Jamese měli ještě dcerušku, která zemřela. Jedinému synovi dali jméno po dědečkovi a ještě dalších předcích.
Rodina se přestěhovala za raného Maxwellova dětství do Glenairu na pozemcích v Middelbie. Ve viktoriánské době se o výchovu malých dětí staraly většinou matky, tedy i paní Frances se o svého syna po této stránce starala, bohužel ale v době, kdy bylo Jamesovi osm let, zemřela v prosinci 1839 na rakovinu. Po smrti maminky se jeho výchovy ujala jeho teta Jane, švagrová jeho otce a otec sám. Nejdříve mu najali velmi mladého vychovatele, ale vůči němu byl James velmi svéhlavý, takže za necelé dva roky - v listopadu 1841 byl vychovatel propuštěn a James byl poslán na výběrovou Edinburskou akademii. Během školy bydlel James u tety Isabelly a zde se projevilo jeho nadšení pro kreslení, které sdílel se svou starší sestřenicí Jemimou Wedderburn (1823 - 1909), která se později po provdání jmenovala Blackburn a byla známou skotskou malířkou ptactva.
Jednoduché to ale Maxwell ve škole neměl; měl jiný přízvuk, poprvé přišel do školy v domácky vyrobených střevících a tunice zvláštního střihu. Vysloužil si přízvisko „Daftie“ - něco jako „Ňouma“. Sice s tím nesouhlasil, ale neprotestoval. Jeho osamocení ve škole skončilo, když do školy nastoupili jeho vrstevníci Angličan Lewis Cambell (1830 - 1908), pozdější klasický filolog a filozof a Skot Peter Guthrie Tait (1831 - 1901), který se stal matematikem a fyzikem. Všichni tři zůstali přáteli po celý život.
Maxwella okouzlila geometrie, zajímaly ho pravidelné mnohostěny, ale první zaznamenané úspěchy ve škole měl ve věku třinácti let, kdy obdržel medaili za matematiku a první cenu za anglickou poezii.
První vědeckou práci napsal, když mu bylo čtrnáct let; napsal pojednání o mechanickém zařízení pro kreslení matematických křivek pomocí provázku a o vlastnostech elips a křivek s větším počtem ohnisek než dvě. Jeho práci „Oval Curves“ (Oválné křivky) předložil Královské společnosti v Edinburku pofesor fyziky na edinburské univerzitě James David Forbes (1809 - 1868); Maxwell byl považován za příliš mladého, aby řešení na vědecké půdě obhajoval. Práce byla zcela originální; v sedmnáctém století se sice vlastnostmi víceohniskových křivek zabýval slavný francouzský učenec René Descartés (1596 - 1650), ale Maxwellovy konstrukce byly jednodušší.
V r. 1847 ukončil ve věku šestnácti let Maxwell své studium na Edinburské akademii a začal studovat na edinburské univerzitě. Sice hned po prvním semestru dostal příležitost ke studiu v Cambridgi, ale rozhodl se setrvat ještě v Edinburku, obzvláště proto, že zrovna v té době učili na edinburské univerzitě výborní profesoři. Učil tam přírodovědu již zmíněný James Forbes, dále Sir William Hamilton (1788 - 1856), skotský filozof a metafyzik, který vyučoval logice a metafyzice. Matematiku vyučoval profesor Philipp Kelland (1808 - 1879), který velmi výrazně ovlivnil způsob vzdělávání ve Skotsku. Maxwell měl schopnost velkého soustředění a silné vůle, takže byl schopen se ponořit do studia a studoval i při svých pobytech doma v Glenlairu.
Tehdy se zaměřil na studium chemických a elektrotechnických přístrojů, ale nejvíce ho zaujaly vlastnosti polarizovaného světla. Ze želatiny si vyrobil různé bloky, různě je stlačoval a zkoumal pomocí polarizačních hranolů, které získal od samotného Williama Nicola (1770 - 1851), vynálezce tohoto hranolu - nikolu. Tím Maxwell objevil fotoelasticitu, tj. způsob znázornění namáhání ve fyzikálních strukturách.
Když mu bylo osmnáct let, přispěl dvěma pojednáními do významného skotského vědeckého časopisu „Transactions of the Royal Society of Edinburgh“ (Protokoly Královské společnosti v Edinburku). První byla „On the equilibrium of elastic solids“ (K rovnovážnému stavu pružných látek), což byl základ k jeho určitému pozdějšímu objevu o souvislosti vlastností dielektrické konstanty nějaké látky s indexem lomu světla této látky. Druhou prací byly „Roling Curves“ (Valivé křivky). Ovšem pro osobní představení problematiky byl Maxwell opět příliš mlád a práci obhajoval jeho profesor Kelland.
V říjnu 1850 už jako hotový matematik odešel Maxwell ze Skotska a nastoupil na cambridgeské univerzitě. Nejdříve studoval na Peterhouse, ale hned na konci prvního semestru přešel na významnou Trinity College, kde bylo snazší dosáhnout jakéhosi stipendia i podpory pro další studium po absolutoriu.
Na Cambridgi byl vybrán do prestižní tajné společnosti, nazývané „Cambridge Apostles“ (Cambridgeští apoštolové), podle počtu dvanácti zakládajících členů. Společnost byla diskusním klubem, kde studenti přednášeli ostatním různá témata. Obecně se tvrdilo, že členství v podobných studentských kroužcích bylo pro všechny členy velmi silným přátelským poutem pro celý život.
Na podzim r. 1851 začal studovat pod vedením matematika Williama Hopkinse (1793 - 1866) a v podstatě položil základy svým pozdějším slavným rovnicím.
V r. 1854 získal Maxwell vědeckou hodnost v matematice a získal univerzitní Smithovu cenu, která byla a je udílena dvěma nejlepším studentům v matematice a teoretické fyzice. Bezprostředně po absolutoriu přednesl Maxwell své pojednání „On the Transformation of Surfaces by Bending“ (O změně povrchu zakřivením). V důsledku stipendia mohl zůstat na univerzitě další dva roky a studovat dle svého vlastního uvážení.
Jeho zájem byl v té době obrácen k povaze a vnímání barev, s čím se zabýval už v Edinburku pod vedením profesora Forbesa. Použil Forbesovy myšlenky a pomocí hračky „vlček“ byl schopen dokázat, že při otáčení splynou červená, zelená a modrá barva v bílou. Uvedl to ve spise „Experiments on colour“ (Pokusy s barvou), který přednesl Královské společnosti v březnu 1855.
Na přelomu let 1855 a 1856 se Maxwell zabýval závěry teorie elektromagnetického pole dalšího britského fyzika Michaela Faradaye (1791 - 1867) z r. 1831.
V říjnu 1855 byl vyzván, aby si připravil na Trinity přednášky o hydrostatice a optice. Ale hned následující únor Maxwellovi sdělil Forbes, že se uvolnilo místo profesora na Marischall College v Aberdeenu ve Skotsku. Otec Maxwellův pomáhal synovi sehnat patřičná doporučení, ale pohužel se jeho přijetí už nedočkal, zemřel 2. dubna 1856. James Clerk Maxwell se stal profesorem přírodních věd v Aberdeenu v listopadu 1856.
Pětadvacetiletý profesor Maxwell byl v Aberdeenu nejmladším profesorem, ale začal se pilně připravovat na přednášky. Přednášel patnáct hodin týdně a k tomu ještě bezplatně pro místní faktultu pro dělníky. O prázdninách pobýval v Glenlairu, který zdědil po svém otci.
Tehdy se zabýval Saturnovým prstencem, což bylo téma, které vyhlásila St. John College v Cambridgi pro získání Adamsovy ceny. John Couch Adams (1819 - 1892) byl cambridgeský matematik a astronom, který předpověděl existenci planety Neptun. - Vědce už po staletí trápila otázka, jaké jsou prstence povahy, že se nerozlomí. Po dvouletém studiu Maxwell předložil svoji úvahu „On the Stability of Saturn´s Rings“ (Ke stabilitě Saturnových prstenců), že se prstence skládají z malých pevných částic. Pojmenoval je „brick-bats“ (kousky cihly) Důkaz jeho pojednání podala až kosmická sonda Voyager 1 v r. 1980. Tehdejší slavný britský astronom a matematik George Biddel Airy (1801 - 1892) měl prohlásit, že to byla jedna z nejpozoruhodnějších prací v matematice, se kterou se kdy setkal. V r. 1857 napsal Maxwell k tomuto tématu ještě pojednání „The Motion of Saturn Rings“ (Pohyb Saturnových prstenců).

V r. 1857 se Maxwell spřátelil s děkanem marischalské koleje, reverendem Danielem Dewarem a ten ho seznámil se svou dcerou Katherine Mary Dewar. Zasnoubili se v únoru 1858 a svatba byla v Aberdeenu 2. června 1859. Katherine byla sice o sedm let starší, ale Maxwellovi životopisci tvrdili, že jejich společný život představoval bezpříkladné vzájemné oddání se. Podle některých pramenů mu manželka při některých pokusech pomáhala. - Manželé ale neměli děti.
V Marischalu se Maxwell velice zabýval kinetickou energií plynů. Navazoval na bádání německého fyzika Rudolfa Clausia (1822 - 1888) o srážkách molekul plynů v uzavřeném prostoru a stanovil tzv. Maxwellovo, později Boltzmann-Maxwelovo rozdělení, což je statistické rozdělení molekul, počítající pravděpodobnost rychlosti molekul plynu jakožto funkce teploty systému. Rakouský fyzik Ludwig Boltzmann jeho teorii doplnil v r. 1868.
V r. 1860 se marischalská kolej spojila se sousední King´s College a pro dva profesory přírodních věd už nebylo místo. Maxwell se pokoušel o místo v Edinburku, ale zároveň se na toto místo hlásilo i několik Maxwellových přátel, z nichž uspěl jeho přítel Tait; Maxwell nakonec získal katedru přírodních věd na King´s College v Londýně. V létě 1860 se zotavil z těžkého útoku černých neštovic a na podzim již bydlel s manželkou v Londýně.

Jeho londýnské období patřilo k nejplodnějším. Už v r. 1860 byl odměněn od Královské společnosti za své práce o barvách Rumfordovou medailí a v r. 1861 byl zvolen členem této společnosti.
V r. 1861 předvedl v Royal Institution of Great Britain (v Královském institutu Velké Británie) první barevnou fotografii, kdy pomocí barevných filtrů, modrého, zeleného a červeného, nechal udělat tři dílčí snímky barevné stuhy. Použil jednoduché širokoúhlé kamery vynálezce Thomase Suttona (1819 - 1879). Tyto předchůdce diapozitivů promítal ze tří projektorů, při čemž před každým z projektorů byl patřičný barevný filtr, který byl použit při tvorbě diapozitivu. Smíšený obraz z těchto tří projektorů odpovídal skutečným barvám stuhy. Tehdy použité fotografické desky jsou nyní vystaveny v malém muzeu, které je v jeho rodném domě v Edinburku v India Street 14. - Sice to nebyla fotografie v tom smyslu, v jakém ji chápeme dnes, ale byla to naznačená cesta, kudy se pak barevná fotografie ubírala.
V Londýně se Maxwell seznámil s o čtyřicet let starším Michelem Faradayem a oba se často stýkali a měli se ve velké úctě. Faradayovy teoretické závěry popsal Maxwell v pojednání „On Faraday´s Lines of Force“ (O Faradayových magnetických siločárách). Podařílo se mu celé vědění o elektromagnetismu vyjádřit diferenciálními rovnicemi. Později bylo jeho dílo vydáno v březnu 1861 pod názvem „On Physical Lines of Force“ (O fyzikálních siločárách).
Maxwel dokazoval, že elektrické a magnetické pole jsou vlnového charakteru, a totéž dokázal i o světle, včetně poznání, že se všechny tyto energie šíří rychlostí světla. Ve svém spisu „A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field“ (Dynamická teorie elektromagnetického pole) z r. 1864 předvedl sjednocený model elektromagnetismu, který doplnil v r. 1868 pojednáním o světle v „Note on the electromagnetic theory of light” (Poznámka o elektromagnetické teorii světla).
Ve svých pracích navrhl základní pojmy - intenzita magnetického pole, vodivý proud, posuvný proud, magnetický indukční tok a elektrický indukční tok a vzájemné vztahy mezi těmito veličinami. Tyto vztahy popisují čtyři základní Maxwelovy rovnice, které byly později souhrnně představeny v r. 1873 v jeho díle „Electricity and Magnetism“ (Elektřina a magnetismus).
V r. 1865 opustil své místo vedoucího katedry na King´s College, podle některých pramenů ze zdravotních důvodů, a odstěhoval se manželkou do Glenlairu.

Je docela zajímavé, že v r. 1868 napsal pojednání o odstředivém regulátoru „On governors“ (O regulátorech), kde vysvětloval základy automatizace a zpětné vazby. - Pro srovnání uvádím, že podobný regulátor si James Watt (1736 - 1819) nechal patentovat o tři čtvrti století dříve - v r. 1782.
V Glenlairu napsal Maxwell v r. 1871 učebnici „Theory of Heat“ (Teorie tepla) a základní pojednání na téma hmoty a pohybu „Matter and Motion“ (Hmota a pohyb).
V r. 1873 napsal učebnici, ve které shrnul své poznatky o elektřině a magnetismu „A Treatise on Electricity and Magnetism“ (Pojednání o elektřině a magnetismu).
Na základě dotace od jednoho z příbuzných významného anglického fyzika a chemika Henryho Cavendishe (1731 - 1810) se v r. 1871 univerzita v Cambridgi rozhodla zřídit na škole centrum experimentální fyziky se studijní a experimentální laboratoří, která byla nazvána Cavendishovou laboratoří. Maxwell velice studoval spisy tohoto vědce a objevil, že pro svoji nesmírně stydlivou povahu nikdy neopublikoval fyzikální objevy, které uveřejnili jiní badatelé - byl to například Ohmův zákon, Daltonův zákon parciálních tlaků nebo Richterův zákon násobných poměrů slučovacích v chemii.
Vedení této laboratoře bylo nabídnuto hned při jejím založení Jamesu Maxwellovi. Staral se velmi pečlivě o výběr přístrojů pro tuto laboratoř a z laboratoře vybudoval učiliště světového významu. Laboratoř do současnosti vychovala množství špičkových světových fyziků. - Po Maxwellově smrti byl vedoucím laboratoře lord Rayleigh, o němž byl článek v Pozitivních novinách letos na přelomu jara a léta.
Jedním z Maxwllových velkých příspěvků vědě bylo právě zveřejnění Cavendishových prací - např. o hustotě Země a vlastnostech vody apod.

Málo se ví, že tento velký fyzik byl nadšený obdivovatel britské poezie, dokonce sám i básně skládal. Je dokázáno, že zpíval písně skotského básníka Roberta Burnse (1759 - 1796) a sám se doprovázel na kytaru. Jeho přítel Lewis Campbell zveřejnil Maxwellův životopis i Maxwellovy básně v r. 1882.
Své náboženské smýšlení Maxwell v životě změnil. Jako dítě byl presbyterián, ale v r. 1853 se stal evangelíkem.
V r. 1879 se mu začalo zhoršovat zdraví, doufal, že se mu v Glenlairu zlepší. Krátce před smrtí odjel zpět do Cambridge, kde 5. listopadu 1879 zemřel na rakovinu ve věku čtyřiceti osmi let. Pochován byl na hřbitově Parton Kirku nedaleko zámku Douglas v Galloway ve Skotsku.
Lewis Campbell zveřejnil po jeho smrti i jeho jednotlivé články, týkající se vlastností látek jako „Atom“, „Attraction“ (Přitažlivost), „Capillary Action“ (Vzlínavost), „Diffusion“ (Rozptyl). „Ether“ (Éter), které vyšly ve dvou svazcích v Cambridge University Press v r. 1890.
V naší zemi není žádné místo po tomto fyzikovi pojmenované. V Cambridgi je nedaleko Cavendishovy laboratoře James Clerk Maxwell Road, dále je po něm pojmenována ulice v Aberdeenu. Nedávno byla vztyčena Maxwellova socha v jeho rodišti v Edinburku v George Street od současného skotského sochaře Alexandera Stoddarta (*1959). Jsou po něm pojmenovány různé budovy škol a univerzit - v Edinburku, Londýně a Salfordu. Při používání měrné soustavy CGS byla měřicí jednotkou magnetického toku jednotka maxwell (Mw). Pro měření kapacity nebo indukčnosti se používá Maxwellova můstku, složeného z odporů, kondenzátoru a indukční cívky.
Na Havaji je na hvězdárně Mauna Kea dalekohled pojmenovaný po Maxwellovi. Na Venuší je horský masív nazvaný Maxwell Montes a mezi Saturnovými prstenci je Maxwellova mezera.
Při pročítání životopisů dávných učenců pouze žasneme, kolik objevů každý z nich učinil, že často současní adepti těchto věd těžko stačí pochopit pouze základy těchto objevů, natož celou podstatu. 

Tento článek byl v Pozitivních novinách poprvé publikován 05. 11. 2009.

Pozitivní noviny jsou neziskové internetové médium, které v letech 2004–2012 připravovala ve svém volném čase skupina nadšenců pod vedením Pavla Loužeckého. Všichni autoři a dopisovatelé do Pozitivních novin přispívali bezplatně, ze své vlastní svobodné vůle. Ačkoli od roku 2012 nové články nevychází, Pozitivní noviny i nadále fungují jako skutečná oáza pohody a optimismu na síti pro všechny čtenáře, kteří potřebují pravidelný zdroj k čerpání životní energie, inspirace, nápadů, zábavy, moudrých myšlenek a informací všeho druhu.