James Clerk Maxwell, physicien et mathématicien.

James Clerk Maxwell (13 juin 1831 à Édimbourg en Écosse – 5 novembre 1879 à Cambridge en Angleterre) est un physicien et mathématicien écossais. Il est principalement connu pour avoir unifié en un seul ensemble d’équations, les équations de Maxwell, l’électricité, le magnétisme et l’induction, en incluant une importante modification du théorème d’Ampère. Ce fut à l’époque le modèle le plus unifié de l’électromagnétisme. Il est également célèbre pour avoir interprété, dans un article scientifique, la lumière 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 et à la vitesse de la lumière.

Ces deux découvertes permirent d’importants travaux ultérieurs  notamment en relativité restreinte et en mécanique quantique.

Il a également développé la distribution de Maxwell, une méthode statistique de description de la théorie cinétique des gaz.

Maxwell est considéré par de nombreux physiciens comme le scientifique du XIXe siècle ayant eu le plus d’influence au XXe siècle. Ses contributions à la science sont considérées par certains comme aussi importantes que celles d’Isaac Newton ou d’Albert Einstein. En 1931, pour le centenaire de la naissance de Maxwell, Einstein décrivait les travaux de Maxwell comme les « plus profonds et fructueux que la physique ait connus depuis le temps de Newton ».

Il est également connu pour avoir réalisé le 17 mai 1861 la première photographie en vraie couleur devant les membres de la Royal Institution de Londres.


En octobre 1850, déjà devenu un mathématicien accompli, Maxwell quitte l’Écosse pour l’Université de Cambridge. Il est d’abord admis à Peterhouse, qui attire alors de nombreux mathématiciens talentueux, et où il retrouve son ami Peter Guthrie Tait. Mais avant la fin du premier trimestre il part pour Trinity College, où il pense qu’il est plus facile d’obtenir une bourse d’étude, et où il peut être en contact avec de brillants universitaires, tant dans les sciences que dans d’autres matières, ce qui est très stimulant pour un esprit aussi ouvert que le sien. Un an environ après son entrée à Cambridge, il est invité à rejoindre un groupe d’élite de douze étudiants, connus sous le nom de Cambridge Apostles.

Pour les étudiants brillants en mathématiques, comme Maxwell, Cambridge possédait un atout supplémentaire : le « tripos », nom officiel pour désigner l’ensemble des examens de fin d’études dans cette université. En novembre 1851, Maxwell étudie avec William Hopkins, dont les capacités à favoriser le développement du talent mathématique lui ont valu le surnom de « faiseur de senior wrangler », en jargon. Une part importante de la mise en équations par Maxwell de l’électromagnétisme est réalisée pendant cette période.

En 1854, Maxwell se présente au « tripos » et est diplômé du Trinity College 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, Maxwell lit à la Cambridge Philosophical Society un mémoire inédit, On the Transformation of Surfaces by Bending, sur la déformation des surfaces, qui est un des quelques articles purement mathématiques qu’il publiera et qui démontre son envergure grandissante en tant que mathématicien. En 1856, il publie On Faraday’s Lines of Force, qui traite du concept des lignes de champ de Faraday et constitue le début de son voyage dans l’univers de l’électricité et du magnétisme. Contrairement à Faraday, Maxwell a une excellente formation en mathématiques, grâce à laquelle il essaie de donner un contenu formel à ses idées.

Maxwell décide de rester à Trinty et demande à devenir « fellow » une procédure qui dure normalement plusieurs années.

Il est fasciné par la nature de la couleur depuis sa plus tendre enfance. À l’Université d’Édimbourg, son intérêt pour la lumière et l’optique s’éveille à nouveau lorsqu’il visite le laboratoire de William Nicol. Son professeur Forbes l’invite alors à participer à une étude sur la vision de la couleur. Maxwell, en utilisant des toupies colorées inventées par Forbes, est capable de montrer que la lumière blanche résulte d’un mélange de lumières rouge, 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 185547. Cette fois, il le présente lui-même.

Maxwell est fait fellow de Trinity en octobre 1855, plus rapidement que la norme47 et il lui est demandé de donner des cours en optique 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 1856 à Glenlair avant de connaître les résultats de la candidature. Maxwell accepte le poste à Aberdeen et quitte Cambridge en novembre 1856.

Maxwell a alors vingt-cinq ans et est le plus jeune du corps enseignant, dont la moyenne d’âge avoisine les cinquante-cinq ans. Enseigner à Aberdeen offre des avantages indéniables, il y dispose d’une liberté totale pour concevoir le programme de ses cours, qu’il agrémente d’une série de démonstrations expérimentales, avec le matériel obtenu par son prédécesseur. Il passe 15 heures par semaine à donner des cours incluant un cours hebdomadaire pro bono au collège des travailleurs, une tradition du Marischal College qu’il est enchanté de poursuivre. Il habite Aberdeen durant les six mois de l’année universitaire et passe l’été à Glenlair, dans la maison qu’il a héritée de son père.

Il s’est particulièrement investi dans une énigme qui a passionné les scientifiques depuis deux cents ans : la nature des anneaux de Saturne. 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 serait forcé par des ondes mécaniques à se scinder en bulles. Sans aucune observation expérimentale, Maxwell conclut que les anneaux doivent être formés de nombreuses petites particules qu’il appelle « brick-bats », orbitant chacune indépendamment autour 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 »53. Il faut attendre le programme Voyager 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 s’est formé par condensation progressive d’une nébuleuse purement gazeuse) en introduisant dans la théorie la prise en compte dans le modèle d’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. Ils se fiancent en février 1858 et se marient à Aberdeen le 2 juin de la même année.

En 1859, Maxwell lit les ouvrages des Rudolf Clausius et ses idées l’intéressent considérablement. À partir d’hypothèses et de raisonnements simples, il parvient à calculer la fraction de molécules dont le module de la vitesse est compris entre {\displaystyle v}  et une valeur très proche {\displaystyle v+dv} . La déduction utilisée par Maxwell se limite aux molécules monoatomiques sans structure interne ni interaction entre elles. La distribution des vitesses de Maxwell et l’identification des vitesses apparaissent pour la première fois dans l’article « Illustrations of the Dynamical Theory of Gases », publié en 1860.

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 place pour deux professeurs de philosophie naturelle et Maxwell, malgré sa stature scientifique, se retrouve alors congédié. Sa candidature au poste de Forbes à Édimbourg échoue, mais il obtient, à la place, la chaire de philosophie naturelle au King’s College de Londres. Durant l’été 1860, après s’être remis d’un grave accès de variole, Maxwell part pour Londres avec sa femme Katherine.

À l’automne 1860, le jeune couple loue une maison dans le quartier de Kensington, à six kilomètres environ du King’s College de Londres. La maison dispose d’un grenier où il installe son laboratoire personnel. Maxwell a pleinement conscience que les connaissances acquises sur les phénomènes électriques et magnétiques sont encore très fragmentées, mais il ne se consacre pas uniquement à l’électromagnétisme. Il perfectionne sa théorie sur la vision de la couleur, avec l’aide de Katherine Mary. Le couple effectue également des mesures de viscosité des gaz en vue de confirmer certaines conjectures formulées dans son article « Illustrations of the Dynamical Theory of Gases ». Il propose aussi un système de définition des quantités physiques appelé analyse dimensionnelle. À Londres, il a l’occasion d’assister à des conférences de la Royal Society et de la Royal Institution, au sein de laquelle il illustre sa théorie de la couleur en projetant sur un écran la première image en couleurs. Il y rencontre le physicien et chimiste britannique Michael Faraday, alors âgé de 70 ans, avec qui il entretiendra une relation épistolaire. Ses travaux 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 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 du champ magnétique. Deux autres parties de l’article sont publiées au début de 1862 : dans la première il discute de la nature de l’électrostatique et des courants de déplacement. La dernière partie traite de la rotation de plans de polarisation de la lumière sous l’effet d’un champ magnétique, un phénomène découvert par Faraday et connu sous le nom d’effet Faraday. Dans sa plus célèbre étude, Maxwell indique de façon explicite que sa théorie électromagnétique de la lumière est inspirée des idées publiées en 1846 par Faraday dans l’article intitulé « Thoughts on Ray Vibrations ».

Les deux années suivantes sont consacrées à la gestation d’un article que beaucoup considèrent comme la plus importante contribution de Maxwell à l’histoire de la science. Publié en 1865, il s’intitule « A dynamical Theory of the Electromagnetic Field ». Dans ses travaux antérieurs, il ouvrait les différentes parties qui les composaient par des épigraphes contenant des termes tels que « lignes de force », « fluide » ou « vortex moléculaires ». Le protagoniste est cette fois le champ électromagnétique : « La théorie que je propose peut s’appeler théorie du champ électromagnétique car elle est liée à l’espace qui entoure les corps électriques ou magnétiques ».

Au printemps 1865, Katherine Mary et James décident d’aller vivre à Glenlair. En dépit de ses fructueuses années passées à Londres, Maxwell veut consacrer davantage de temps à une longue liste de sujets en attente : compilation de ses connaissances sur l’électricité et le magnétisme, réalisation de quelques améliorations dans la maison et la propriété. Pour l’ensemble de ces raisons, il renonce à son poste de professeur au King’s College de Londres. Au cours du printemps et de l’été 1867, Katherine et James décident de faire leur Grand Tour d’Italie, pendant les travaux d’agrandissement de la maison. À Florence, ils ont l’occasion de rencontrer Lewis Campbell et son épouse pour apprécier ensemble l’architecture et la musique italiennes. Ce n’est pas le seul voyage de Katherine et James, chaque printemps ils passent quelques semaines à Londres et se rendent dans les lieux où sont organisées des conférences. Chaque année il va, en outre, à Cambridge où l’université lui a demandé d’être examinateur du tripos.

Maxwell sait profiter des six années qu’il passe à Glenlair. C’est à cette période qu’il écrit le livre Theory of Heat et seize articles sur des sujets très divers, tous avec des contenus originaux. Dans son article On Governors (1868), il décrit mathématiquement le comportement des régulateurs, ces dispositifs qui contrôlent la vitesse des moteurs à vapeur, établissant ainsi les bases théoriques de l’ingénierie de contrôle. Dans son article Sur les figures, cadres et diagrammes de forces réciproques (1870), il discute de la rigidité de diverses conceptions de réseau. Maxwell est également le premier en 1871 à utiliser explicitement l’analyse dimensionnelle. Cependant, il se consacre davantage à son livre A treatise on Electricity and Magnetism, qui sera publié en 1873. La taille de l’ouvrage est considérable : deux volumes de presque cinq cents pages chacun, bien qu’il ne contienne rien d’essentiellement nouveau, à part de petits détails.

En 1871, Maxwell retourne à Cambridge, il est en effet chargé de concevoir et superviser la construction du nouveau laboratoire de physique expérimentale voulu et financé par William Cavendish duc de Devonshire et chancelier de l’université. Pour se faire une idée plus précise de la conception du bâtiment et de l’équipement nécessaire, il visite les laboratoires de William Thomson à Glasgow et d’un collègue à Oxford. Les travaux commencent en 1872 et se prolongent jusqu’au printemps 1874 et, au début de l’été, le bâtiment est déjà en fonctionnement. Il devient le premier professeur de la chaire Cavendish de physique expérimentale.

La vie du couple Maxwell à Cambridge est différente de celle de Londres, ils ne réalisent plus les expériences chez eux car le laboratoire Cavendish est très proche. Néanmoins, ce qui assombrit probablement le plus cette dernière étape de leur vie est l’état de santé de Katherine, qui s’est considérablement dégradé ; elle se sent très faible et nécessite fréquemment des soins. Lorsque son épouse va mal, il la veille mais parvient à rédiger ses travaux et organiser les expériences du personnel de laboratoire. Il cesse cependant d’assister aux conférences et réunions scientifiques. L’une des dernières grandes contributions de Maxwell à la science est la rédaction (avec de nombreuses notes originales) des recherches de Henry Cavendish, qui révèlent que ce dernier avait notamment effectué des recherches sur des questions telles que la densité de la Terre et la composition de l’eau.

Au printemps de 1877, Maxwell commence à avoir des maux d’estomac dont il se soulage en ingurgitant du bicarbonate de sodium. Les crises de douleur aiguë étant de plus en plus fréquentes, il consulte un médecin d’Édimbourg, qui lui diagnostique un cancer de l’estomac le 2 octobre 1879. James Clerk Maxwell meurt à Cambridge le 5 novembre 1879 à l’âge de quarante-huit ans. Sa mère était morte au même âge du même type de cancer. Il est enterré à Parton Kirk, proche de Castle Douglas à Galloway, près de l’endroit où il a grandi. Son ancien camarade de classe et ami de longue date, le professeur Lewis Campbell, publie sa biographie détaillée en 1882. Huit ans plus tard, en 1890, la Cambridge University Press publie l’ensemble de ses travaux réunis en deux ouvrages.

Ses cours sont, dit-on, relativement difficiles à suivre. Les idées qui jaillissent continuellement de son esprit interfèrent avec le plan de son discours explicatif. Au tableau, il n’est pas non plus très à l’aise, il se trompe parfois dans ses calculs, et il lui faut revenir en arrière pour les corriger. Sa tendance à ne jamais rester longtemps au même endroit contribue aussi à sa mauvaise réputation en tant que pédagogue, ainsi il ne restera que quatre ans à Aberdeen, tandis que son prédécesseur en avait passé trente-cinq. Néanmoins, Maxwell n’a jamais quitté un poste à cause de problèmes avec des étudiants ou des collègues. Son enthousiasme, son intérêt pour les matières qu’il enseigne, son autorité, ses idées brillantes, son respect et même son affection pour ses élèves, en auraient fait un excellent professeur s’il était resté suffisamment longtemps à l’un de ses postes. Un étudiant raconte qu’il reste volontiers dans la classe après le cours, passant plusieurs heures avec tous les élèves qui souhaitent l’interroger sur le thème du jour , ou sur tout autre sujet de leur choix. Il leur montre les instruments qu’il invente et avec lesquels il conduit ses expériences du moment.

Après la mort de Maxwell, ses admirateurs s’attèlent à une entreprise ardue : comprendre, perfectionner, étendre et diffuser son œuvre. Une quarantaine d’entre eux, dont certains sont historiens, forment un groupe baptisé « les maxwelliens ». Beaucoup sont Britanniques et appartiennent au monde universitaire, il compte aussi des gens sans formation universitaire, comme Oliver Heaviside, ou d’autres qui, dans un premier temps, ont participé à cette tâche de façon indépendante, comme Heinrich Hertz.

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Sources : Wikipédia, YouTube.

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