137 שנים למותו של ג'יימס מקסוול, מגדולי הפיזיקאים של המאה ה-19

"עידן מדעי אחד הסתיים, ואחד חדש החל עם ג'יימס קלרק מקסוול (Maxwell)", אמר בזמנו אלברט איינשטיין, שאף החזיק תמונה של מקסוול בחדר העבודה שלו. ואכן מקסוול היה מדען דגול. תחומי המחקר שלו היו מגוונים, החל מאסטרונומיה וחשמל וכלה באופטיקה ותרמודינמיקה. תגליותיו היו פורצות דרך ולעתים קרובות הוא הקדים את זמנו. עבודתו שימשה בסיס לתורת היחסות הפרטית ולמכניקת הקוונטים, ובקהילת הפיזיקה הוא נחשב לאחד משלושת הפיזיקאים החשובים ביותר בהיסטוריה, לצד איינשטיין ואייזק ניוטון.

מקסוול נולד ב-21 ביוני 1831 למשפחה אמידה באדינבורו. הוא היה ילד סקרן ופיקח, אך בגיל 8 חווה טרגדיה כשאמו, שהייתה אמונה על חינוכו, מתה ממחלת הסרטן. אביו, שהתקשה למצוא עבורו מורים פרטיים החליט לשלוח את בנו לאקדמיית אדינבורו היוקרתית. מקסוול התקשה להסתגל לסביבה החברתית החדשה: התלמידים האחרים נהגו ללעוג לו על בגדיו ומבטאו והוא חווה בידוד חברתי.

למרות הקשיים החברתיים, מקסוול הצעיר הצטיין בלימודיו. בגיל 13 הוא זכה במדליה במתמטיקה ובפרסים בלשון ובספרות. בגיל 14 כבר כתב את מאמרו המדעי הראשון ותיאר בו דרכים מכניות לשרטוט עקומות מתמטיות כמו אליפסות, או עקומות בעלות יותר משני מוקדים. לצערו, בגלל גילו הצעיר המאמר לא פורסם.

בגיל 16 עזב מקסוול את בית הספר לאוניברסיטת אדינבורו. הלימודים לא היו תובעניים עבורו והוא ערך במקביל להם ניסויים בכימיה, חשמל ומגנטיות בביתו. בגיל 18 כתב שני מאמרים שהתפרסמו בדוחות החברה המלכותית של אדינבורו. הראשון, "על שיווי משקל של מוצקים אלסטיים", הניח את היסודות לתגליות חשובות בהמשך חייו בנוגע לאור וצבע. המאמר השני, בנושא עקומות, התפרסם תחת שמו של אחד מהמנחים שלו, לאור גילו הצעיר של מקסוול.

בגיל 19 כבר היה מקסוול מתמטיקאי עם הישגים מוכחים, ועזב את סקוטלנד כדי ללמוד באוניברסיטת קיימברידג' שבאנגליה, בקולג' טריניטי. כעבור ארבע שנים השלים תואר במתמטיקה וזכה בפרס סמית' היוקרתי על הישגיו. בזכות ההערכה שזכה לה הוא קיבל תוך שנה בלבד מעמד של חבר בקולג'. בעצת עמיתיו מאדינבורו הוא הגיש את מועמדותו לתפקיד ראש המחלקה למדעים מדויקים בקולג' מרישאל (Marischal) בסקוטלנד. אביו עזר לו בהכנת המסמכים הדרושים, אך הלך לעולמו בטרם הספיק מקסוול להודיע לו שקיבל את המשרה.

מחקרים ראשונים

מקסוול למד על חשמל ואלקטרומגנטיות, וב-1855 כתב מאמר שבו הציג מודל מפושט של עבודתו של מייקל פאראדיי בנושאים הללו. כמו כן הוא איחד את כל הידע שהיה קיים באותה תקופה ל-20 משוואות דיפרנציאליות ששינו את עולם הפיזיקה. עבודתו פורסמה לראשונה ב-1861 והציגה את רעיון הקרינה האלקטרומגנטית. מקסוול הראה שאפשר לנתח אור, חשמל ומגנטיות באותם כלים, ושלמעשה מדובר במצג שונה של אותה תופעה: קרינה.

באותן שנים החל מקסוול לחקור גם ראיית צבע, וב-1855 כתב מאמר שבו טען שאפשר לייצר כל צבע באמצעות הצבעים אדום, ירוק וכחול בלבד – מודל שבו משתמשים עד היום במחשבים ובמערכות הקרנה מודרניות. עד 1872 כבר פרסם סדרת מאמרים שבהם תיאר תפיסת צבע, עיוורון צבעים ואת תיאוריית הצבע.

ב-1856, בגיל 25, היה מקסוול לפרופסור הצעיר ביותר בקולג', בפער של כ-15 שנים לפחות מעמיתיו. הוא היה נחוש בדעתו למלא את תפקידו על הצד הטוב ביותר: הוא פיתח קורסים חדשים, הקפיד להרצות לפחות 15 שעות בשבוע, ואף התנדב להעביר שיעורים מחוץ לאוניברסיטה, בקולג' למקצועות טכניים לגברים.

ב-1857 עלה נושא המבנה וההרכב של הטבעות המקיפות את כוכב הלכת שבתאי למוקד המחקר העולמי. מקסוול נכנס גם הוא לעובי הקורה, למד את הבעיה במשך שנתיים, וקבע שהטבעות מורכבות מחלקיקים קטנים שמקיפים את שבתאי באופן עצמאי, ולא מחומר מוצק או נוזלי כפי ששיערו באותה תקופה. ב-1859 הוא זכה על מאמרו בפרס אדמס מטעם אוניברסיטת קיימברידג', בסך 130 ליש"ט.

האסטרונום המוביל בבריטניה בימים ההם, סר ג'ורג' בידל איירי (Airy), אמר שעבודתו של מקסוול הייתה אחד היישומים המבריקים שראה מימיו של מתמטיקה בתחום הפיזיקה. במשך יותר ממאה שנה לא חלה התפתחות משמעותית בידע שלנו על טבעות שבתאי, עד שב-1980 הגיעו לשם גשושיות וויאג'ר ואישרו את תחזיותיו של מקסוול.


תובנות שאוששו רק כשחלליות צילמו את כוכב הלכת וטבעותיו. כוכב הלכת שבתאי | צילום: נאס"א

שיא הקריירה

ב-1858 נישא מקסוול לקת'רין מרי דיואר, בתו של כומר מקולג' מרישאל שעמו התיידד. היא הייתה מבוגרת ממנו בשבע שנים וסייעה לו רבות בעבודות המעבדה. נישואיהם תוארו כאות ומופת למסירות רבה.

בשנים 1866-1859 עסק מקסוול גם בתרמודינמיקה, וחקר את ההשפעה של טמפרטורה על תנועת חלקיקים. הוא פיתח תיאוריה בנוגע להתפלגות המהירות של חלקיקים בגז, עבודה שפותחה בהמשך על ידי הפיזיקאי האוסטרי לודוויג בולצמן (Boltzmann). התפלגות מקסוול-בולצמן מתארת את המהירויות של חלקיקים בגז אידיאלי, שבו החלקיקים נעים בלי לקיים אינטראקציה זה עם זה, פרט להתנגשויות קצרות שבהן הם מחליפים זה עם זה אנרגיה ותנע.

ב-1860, לאחר שהחלים מאבעבועות שחורות, עברו מקסוול ורעייתו ללונדון, שם הוא התמנה לפרופסור בקינג קולג'. באותה שנה הוא זכה במדליית רמפורד מהחברה המלכותית על עבודתו בחקר צבע. היו אלה שנים פוריות במיוחד בקריירה שלו: הוא חקר את תכונותיהם של גזים צמיגיים והציע לראשונה מערכת להגדרה של גדלים פיזיקליים בהתבסס על סוג יחידות המידה שלהם, שידועה כיום כאנליזה ממדית.

במהלך ההרצאות שנהג לשמוע במכון המלכותי הכיר מקסוול את פאראדיי, שהיה מבוגר ממנו ב-40 שנים וחקר חשמל ואלקטרומגנטיות. מקסוול הושפע מעבודתו של פאראדיי, וב-1861 פרסם מאמר בשני חלקים על שדות חשמליים ומגנטיים. במאמר הוא תיאר את רעיון ההשראה האלקטרומגנטית והאלקטרוסטטיקה. בנוסף הוא תיאר את תופעת קיטוב האור בשדה מגנטי, תופעה שגילה פאראדיי, וידועה כיום כ"אפקט פאראדיי".

באותה שנה, בהרצאה שהעביר בחברה המלכותית בנושא תיאוריית הצבע, הציג מקסוול את ההדגמה התיאורטית הראשונה של צילום בצבע באמצעות עיקרון הפירוק וההרכבה, שעל פיו אפשר ליצור כל צבע באמצעות שילוב של הצבעים אדום, ירוק וכחול (RGB). בעזרת תומס סאטון (Sutton), ממציא מצלמת הרפלקס, הוא צילם שלוש פעמים סרט משבצות סקוטי, כל פעם דרך מסנן באחד משלושת צבעי היסוד. לאחר מכן הוא הקרין את שלוש התמונות זו על גבי זו. התמונה הסופית שהתקבלה הייתה צבעונית. בגלל בעיות במסנן האדום והפרעות נוספות בתנאי הצילום התוצאה לא הייתה מושלמת, אך נחשבה בכל זאת להצלחה.

ב-1865 עזב מקסוול את משרתו בקינג קולג' ושב לסקוטלנד. בתקופה זו הוא כתב את ספרו "מסה על חשמל ואלקטרומגנטיות", שהתפרסם ב-1873. ב-1871 מונה להקים ולנהל את מעבדת קוונדיש המפורסמת לפיזיקה באוניברסיטת קיימברידג'.


צילום הצבע הראשון שייצר מקסוול ב-1861. טכניקה שנמצאת בשימוש עד היום | מקור: ויקיפדיה

מוות בטרם עת

ב-1879, בגיל 48 בלבד, כשהיה בשיא הקריירה, מת מקסוול מסרטן בחלל הבטן – אותה מחלה שהביאה למותה של אמו, ובאותו גיל. הוא נקבר בפרטון קירק שבסקוטלנד, ליד המקום שבו גדל.

שנתיים לאחר מותו פישט אוליבר הביסייד (Heaviside) את עשרים המשוואות הדיפרנציאליות של מקסוול לארבע משוואות בלבד, הידועות כיום כמשוואות מקסוול. איינשטיין אמר שהמשוואות הללו העניקו לו את ההשראה לפיתוח תורת היחסות הפרטית, ובקהילת הפיזיקה מתייחסים למשוואות מקסוול כפעולת האיחוד הגדולה ביותר בפיזיקה מאז שלושת חוקי התנועה של ניוטון.

נוסף על עניינו במדע, מקסוול אהב במיוחד שירה סקוטית; הוא ידע בעל פה שירים רבים, ואף כתב שירים בעצמו. גם הדת הנוצרית מילאה תפקיד מרכזי בחייו. אמונתו ופעילותו הדתית אף מצאו ביטוי במאמריו.

זכרו של מקסוול מונצח בכל רחבי העולם ומערכת השמש: מרכזים, אולמות וכיתות הוקדשו להנצחתו באוניברסיטת קיימברידג', קינגס קולג' ואדינבורו. פסלו מוצב באדינבורו ויחידת המידה לשטף מגנטי נקראת מקסוול, על שמו. הטלסקופ התת-מילימטרי הגדול בעולם נקרא ״טלסקופ ג'יימס קלרק מקסוול", רכס הרים בכוכב הלכת נוגה קרוי על שמו, וכך גם המרווח בין טבעות שבתאי – רווח מקסוול.