James Clerk Maxwell
James Clerk Maxwell var en britisk (skotsk) fysiker, ophavsmand til den elektromagnetiske lysteori, dele af den statistiske mekanik og grundlægger af den moderne teori for farveblanding og farvesyn. Maxwell regnes for den største fysiker fra perioden mellem Isaac Newton og Albert Einstein.
Maxwell studerede først ved universitetet i Edinburgh og siden i Cambridge, hvor han i 1854 blev fellow ved Trinity College. I 1856 blev han professor i fysik ved Marischal College i Aberdeen og i 1860 ved King's College i London. Han forlod denne stilling i 1865 og tilbragte nogle år på familiegodset Glenlair i Skotland, hvor han bl.a. skrev sit monumentale værk Treatise on Electricity and Magnetism, der udkom i 1873. I 1871 blev han udnævnt til den første professor i eksperimentalfysik ved Cambridge University, hvor han planlagde og udviklede det nye Cavendish Laboratory og grundlagde universitetets uddannelse i eksperimentalfysik.
Maxwells interesse for elektricitet og magnetisme begyndte i 1854, og få år senere publicerede han en stor artikel, hvor han udnyttede en analogi mellem elektriske og magnetiske feltlinjer og strømlinjer i en ideal væske til at udvikle en matematisk feltteori for elektro- og magnetostatik. Endvidere udviklede han en matematisk elektromagnetisk teori byggende på en ny størrelse, vektorpotentialet, og viste som den første, at Faradays induktionslov kan udtrykkes ved, at det inducerede elektriske felt er lig minus den tidsafledede af vektorpotentialet.
1861-62 offentliggjorde Maxwell endnu en stor artikel om elektromagnetisme, hvor han anlagde det synspunkt, at de elektriske og magnetiske feltlinjer repræsenterede mekaniske tilstande i æteren. Han udviklede en mekanisk model, i hvilken æteren var opbygget af små hvirvelceller, hvis rotationshastighed repræsenterede magnetisk feltstyrke. Hvirvlerne var adskilt af et lag af partikler, hvis bevægelse repræsenterede elektrisk strøm. Mekanikkens love førte nu til relationer mellem fx partiklernes hastighed og cellernes rotationshastighed, der svarede til kendte elektromagnetiske ligninger.
Modellen førte imidlertid også til nye relationer. For at gøre rede for dielektrisk polarisation måtte Maxwell tilskrive cellerne elasticitet. Herved blev cellemediet i stand til at forplante elastiske bølger med en hastighed, der var bestemt af mediets elasticitetskoefficient og massetæthed, størrelser, der igen kunne beregnes ud fra kendte elektromagnetiske måleresultater. Maxwells beregninger viste, at talværdien af denne bølgehastighed var lig med forholdet mellem den elektrostatiske og den elektromagnetiske ladningsenhed og lå meget tæt på den kendte værdi af lysets hastighed. Han var dermed nået frem til den første version af den elektromagnetiske lysteori: At lys er elastiske bølger i det samme medium, som er ansvarligt for elektromagnetiske fænomener. Han videreudviklede sin elektromagnetiske teori og opgav den detaljerede hvirvelmodel, men fastholdt sin opfattelse af æteren som et mekanisk system.
I England blev Maxwells teori hurtigt accepteret, men i Tyskland blev feltbegrebet mødt med skepsis, og teorien slog først igennem, efter at Heinrich Hertz i 1888 påviste eksistensen af elektromagnetiske bølger med samme hastighed som lysets. Det var også Hertz og O. Heaviside, der uafhængigt af hinanden forenklede Maxwells grundligninger for det elektromagnetiske felt til de fire ligninger, som siden er betegnet Maxwell-ligningerne.
Maxwells berømmelse hviler også på hans arbejder inden for statistisk mekanik og termodynamik. Inspireret af en artikel af Rudolph Clausius om varmebevægelser gennemførte han i 1860 den første konsekvent statistiske beskrivelse af molekylers bevægelse og udledte Maxwell-fordelingen for molekylernes hastigheder. Han anvendte teorien til beregning af koefficienter for varmeledning, viskositet og diffusion i gasser; resultaterne stemte godt overens med målinger af diffusion og gassers viskositet. De bekræftede bl.a. det overraskende teoretiske resultat, at viskositeten er uafhængig af trykket i gassen. Maxwell udledte et specielt tilfælde af ligefordelingsloven, som senere blev vist i fuld almindelighed af Ludwig Boltzmann. I 1867 forbedrede Maxwell beviset for Maxwell-fordelingen og udviklede en teori for viskoelasticitet, hvori han indførte det vigtige begreb relaksationstid, som senere fik udstrakt anvendelse i mange grene af fysikken.
I en lærebog om varmeteori fra 1870 indførte Maxwell en ordnet samling af relationer mellem de fundamentale termodynamiske størrelser og deres partielle afledede, senere betegnet Maxwell-relationerne (se termodynamik), fra hvilke praktisk nyttige formler let udledes. I den samme bog optrådte også et fantasivæsen, af Lord Kelvin døbt Maxwells dæmon, som ved at åbne og lukke et hul i en skillevæg mellem to luftmasser med forskellig temperatur kunne føre varme fra den kolde til den varme side i strid med termodynamikkens anden hovedsætning. Dæmonen var et led i Maxwells argumentation for, at anden hovedsætning ikke kan have absolut, men kun statistisk gyldighed.
Allerede i studietiden i Edinburgh havde Maxwell deltaget i eksperimenter med farveblandinger. 1854-1860 genoptog han dette emne og grundlagde sammen med Hermann von Helmholtz den moderne farveteori, ifølge hvilken enhver farve kan bestemmes som en blanding af tre primære spektralfarver, rød, blå og grøn. Han opfandt et nyt instrument, kaldet "farvekassen", hvor han ved hjælp af tre spalter med variable bredder kunne blande de tre primærfarver i vilkårlige forhold. Hans eksperimenter resulterede i en matematisk repræsentation, hvor en vilkårlig farve repræsenteredes ved tre parametre. Han genoplivede Thomas Youngs teori om tre slags receptorer i øjet og forklarede farveblindhed ved mangel på receptorer for en eller flere af de tre primærfarver.