James Clerk Maxwell ( – ) foi um físico e matemático escocês. Sua teoria clássica da radiação eletromagnética reuniu eletricidade, magnetismo e luz como manifestações de um mesmo fenômeno. As equações de Maxwell realizaram a chamada segunda grande unificação da física, depois da unificação da mecânica terrestre e celeste por Isaac Newton. Maxwell também participou da criação da mecânica estatística.
Formado pelo Trinity College, em Cambridge, em 1854, destacou-se em matemática e recebeu o Prêmio Smith. Permaneceu por algum tempo na universidade, publicando trabalhos matemáticos e estudos de óptica sobre a combinação das cores e o daltonismo. Mais tarde, como professor de filosofia natural do Marischal College, em Aberdeen, concluiu que os anéis de Saturno eram constituídos por partículas pequenas, trabalho pelo qual recebeu o Prêmio Adams em 1857. Nessa época, casou-se com Katherine Mary Dewar, que o auxiliou no laboratório. Entre 1860 e 1865, lecionou no King's College de Londres e desenvolveu sua teoria dos campos eletromagnéticos. No artigo A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, de 1865, mostrou que os campos elétrico e magnético se propagam pelo espaço na forma de ondas à velocidade da luz. Propôs que a luz era uma ondulação do mesmo meio responsável pelos fenômenos elétricos e magnéticos, e previu a existência de ondas de rádio. O artigo acompanhou uma apresentação à Royal Society em 8 de dezembro de 1864; a passagem citada aparece na p. 499.
Maxwell foi o primeiro a deduzir a distribuição de Maxwell-Boltzmann, uma descrição estatística do movimento das moléculas na teoria cinética dos gases, tema ao qual voltou ao longo da carreira. Em 1861, apresentou uma das primeiras demonstrações de fotografia colorida, baseada na mistura de luzes vermelha, verde e azul, princípio empregado na televisão em cores. Estudou a rigidez de estruturas articuladas, como as treliças de pontes, desenvolveu a análise dimensional moderna e colaborou para o estabelecimento do sistema CGS de unidades. Reconheceu a dependência sensível das condições iniciais em sistemas dinâmicos, mais tarde chamada de efeito borboleta. Seu artigo On Governors fundamentou estudos posteriores de teoria de controle e cibernética e constituiu uma das primeiras análises matemáticas de sistemas de controle.Mahon (2003), pp. 2–3, 140. Em 1867, formulou o experimento mental do demônio de Maxwell, sobre informação e entropia, e publicou On the Dynamical Theory of Gases, trabalho associado ao modelo de Maxwell para materiais viscoelásticos e à equação de Maxwell–Cattaneo para a condução de calor.
Em 1871, tornou-se o primeiro professor Cavendish de Física Experimental na Universidade de Cambridge, onde supervisionou a construção do Laboratório Cavendish, inaugurado em 1874. Seu trabalho é uma das origens da engenharia elétrica e forneceu bases para a teoria da relatividade e a mecânica quântica.Mahon (2003), p. 2.
Vida Primeiros anos, 1831–1839 esquerda|miniatura|upright=0.9|alt=Fachada de pedra com janelas e porta na India Street, em Edimburgo.|A casa natal em Edimburgo abriga hoje uma fundação dedicada à memória e à obra de Maxwell. James Clerk Maxwell nasceu em , no número 14 da India Street, em Edimburgo. Era filho do advogado John Clerk Maxwell of Middlebie e de Frances Cay, filha de Robert Hodshon Cay e irmã de John Cay.Harman (2004), p. 506.Waterston e Macmillan Shearer (2006), p. 633. Sua casa natal abriga um museu mantido pela James Clerk Maxwell Foundation. O pai dispunha de uma situação financeira confortável e pertencia à família Clerk de Penicuik, detentora do baronetato de Clerk de Penicuik; seu irmão, George Clerk, era o sexto titular. Nascido John Clerk, acrescentou Maxwell ao sobrenome ao herdar, ainda bebê, em 1793, a propriedade de Middlebie, da família Maxwell, em Dumfriesshire. James era primo da artista Jemima Blackburn, filha de uma irmã de seu pai, e do engenheiro civil William Dyce Cay, filho de um irmão de sua mãe. Cay tornou-se seu amigo próximo e foi padrinho em seu casamento.
Os pais de Maxwell se conheceram e se casaram quando já tinham mais de trinta anos. Frances tinha quase quarenta quando James nasceu. Uma filha mais velha, Elizabeth, morrera ainda bebê.Campbell e Garnett (1882), p. 1.
Na infância de James, a família mudou-se para Glenlair, em Kirkcudbrightshire, numa propriedade rural de cerca de 607 hectares onde seus pais haviam construído a casa.Mahon (2003), pp. 186–187. Sua curiosidade se manifestou cedo.Tolstoy (1982), p. 13. Aos três anos, tudo o que se movia, brilhava ou fazia barulho o levava a perguntar, em dialeto local, algo como "como isso funciona?".Mahon (2003), p. 3. Numa carta que o pai enviou a Jane Cay em 1834, Frances escreveu: Ele é um menino muito feliz e melhorou bastante desde que o tempo ficou mais ameno. Anda muito ocupado com portas, fechaduras, chaves e coisas do gênero, e "mostre como funciona" não sai de sua boca. Também investiga o curso escondido dos riachos e dos fios das campainhas, o caminho que a água faz do lago através da parede...Campbell e Garnett (1882), p. 27.
Educação, 1839–1847 direita|miniatura|upright=1.05|alt=Fachada de pedra da Edinburgh Academy, com colunas na entrada principal.|Maxwell frequentou a Edinburgh Academy dos dez aos dezesseis anos e ali escreveu o primeiro trabalho científico. Frances assumiu a educação inicial do filho, tarefa que na era vitoriana cabia em geral à mulher da casa.Tolstoy (1982), pp. 15–16. Aos oito anos, Maxwell sabia recitar longos trechos de John Milton e os 176 versículos do Salmo 119. Conhecia as Escrituras a ponto de indicar capítulo e versículo de quase qualquer passagem dos salmos. Frances adoeceu de câncer abdominal e morreu em dezembro de 1839, após uma operação sem sucesso. O pai e Jane, cunhada dele, passaram a cuidar da educação do menino. Sua escolarização formal começou mal com um tutor contratado de dezesseis anos, que o tratava com dureza e o repreendia por considerá-lo lento e indisciplinado. O tutor foi dispensado em novembro de 1841. Em , o pai levou James a uma demonstração de propulsão elétrica e força magnética realizada por Robert Davidson, experiência que impressionou o menino.Anderson, Anthony F. "Forces of Inspiration". New Scientist, 11 de junho de 1981, pp. 712–713.
Em 1841, aos dez anos, Maxwell ingressou na Edinburgh Academy e passou a morar com a tia Isabella durante o período letivo.Campbell e Garnett (1882), pp. 19–21. Sua prima mais velha Jemima incentivava seu interesse pelo desenho.Mahon (2003), pp. 12–14. Criado longe de outras crianças na propriedade do pai, custou a se adaptar à escola. Como as vagas da primeira série estavam preenchidas, entrou numa turma com colegas um ano mais velhos.Mahon (2003), p. 10. Seu sotaque de Galloway e seus modos pareciam rústicos aos outros alunos. No primeiro dia, usando sapatos feitos em casa e uma túnica, recebeu o apelido pouco gentil de "Daftie", algo como "bobão". Por muitos anos aceitou o apelido sem reclamar.Mahon (2003), p. 4.Campbell e Garnett (1882), pp. 23–24. Fez amizade com Lewis Campbell e Peter Guthrie Tait, meninos da mesma idade que também seguiram a carreira acadêmica. A amizade durou a vida inteira.
Desde cedo, Maxwell se interessava por geometria e redescobriu os poliedros regulares antes de estudá-los na escola. No segundo ano, ganhou um prêmio por conhecimentos de biografias bíblicas, mas seu desempenho acadêmico só chamou atenção aos treze anos, quando recebeu a medalha de matemática e os primeiros prêmios de inglês e poesia.Campbell e Garnett (1882), p. 43.
Seus interesses iam além do programa escolar e ele não dava atenção especial aos exames. Aos catorze anos, escreveu o primeiro artigo científico, sobre um método de traçar curvas matemáticas com um barbante e sobre as propriedades de elipses, ovais cartesianas e curvas com mais de dois focos.Gardner (2007), pp. 46–49. O trabalho de 1846, On the Description of Oval Curves and Those Having a Plurality of Foci, foi apresentado à Sociedade Real de Edimburgo pelo professor James David Forbes, da Universidade de Edimburgo, porque Maxwell era considerado jovem demais para fazê-lo pessoalmente.Mahon (2003), p. 16. René Descartes já havia estudado essas elipses de vários focos no século XVII, mas Maxwell simplificou sua construção.
Universidade de Edimburgo, 1847–1850 esquerda|miniatura|upright=1.1|alt=Vista histórica do edifício Old College, da Universidade de Edimburgo.|Durante os estudos em Edimburgo, Maxwell começou a investigar a luz polarizada e a distribuição de tensões em materiais. Maxwell deixou a academia em 1847, aos dezesseis anos, e começou a frequentar a Universidade de Edimburgo.Harman (2004), verbete "Maxwell, James Clerk". Poderia ter ido diretamente para Cambridge, mas permaneceu por mais algum tempo em Edimburgo; transferiu-se para Cambridge em 1850, onde concluiu a graduação. No primeiro ano, estudou lógica e metafísica com William Hamilton, matemática com Philip Kelland e filosofia natural com James David Forbes. Como não achava as aulas difíceis, tinha tempo para estudar por conta própria na universidade e em Glenlair.Tolstoy (1982), p. 46.Campbell e Garnett (1882), p. 64. Improvisou equipamentos para experiências de química, eletricidade e magnetismo, mas concentrava-se nas propriedades da luz polarizada.Mahon (2003), pp. 30–31. Moldou blocos de gelatina, submeteu-os a diferentes tensões e observou as faixas coloridas que apareciam no material com prismas polarizadores de Nicol, recebidos de William Nicol.Timoshenko (1983), p. 58. Assim, descobriu a fotoelasticidade, método para determinar a distribuição de tensões numa estrutura.Russo (1996), p. 73.
Aos dezoito anos, Maxwell enviou dois trabalhos à Transactions of the Royal Society of Edinburgh. Um deles, On the Equilibrium of Elastic Solids, preparou uma descoberta posterior: a birrefringência temporária produzida em líquidos viscosos por tensão de cisalhamento.Timoshenko (1983), pp. 268–278. O outro, Rolling Curves, foi apresentado à sociedade por Kelland, pois Maxwell novamente era considerado jovem demais para falar na tribuna.Glazebrook (1896), p. 23.
Universidade de Cambridge, 1850–1856 direita|miniatura|upright=0.9|alt=Retrato de Maxwell jovem segurando um disco circular de cores.|Em Cambridge, Maxwell usou discos de cores em suas experiências sobre a percepção e a mistura de luzes. Em outubro de 1850, Maxwell deixou a Escócia para estudar na Universidade de Cambridge. Entrou primeiro no Peterhouse, mas transferiu-se para o Trinity College antes do fim do primeiro período, por acreditar que ali teria mais facilidade para obter uma bolsa de pesquisador.Glazebrook (1896), p. 28. Foi eleito para a sociedade de debates Apóstolos de Cambridge.Glazebrook (1896), p. 30. Em Cambridge, passou a pensar com mais profundidade em sua fé cristã e na relação dela com a ciência. Nos ensaios que escrevia para os Apostles, buscava compreender essa relação: Meu grande plano, concebido há muito tempo, [...] é não deixar nada deliberadamente sem exame. Nenhum terreno deve ser sagrado e consagrado à fé imóvel, seja ela afirmativa ou negativa. Toda terra em pousio deve ser arada e submetida a uma rotação regular. [...] Nunca esconda nada, seja erva daninha ou não, nem dê a entender que deseja escondê-lo. [...] Reafirmo o direito de entrar em qualquer terreno sagrado que alguém tenha reservado. [...] Estou convencido de que somente um cristão pode realmente limpar sua terra desses lugares sagrados. [...] Não digo que nenhum cristão tenha cercado terrenos assim. Muitos cercaram grandes áreas, e todos cercaram alguma. Mas há extensas regiões no território do escarnecedor, do panteísta, do quietista, do formalista, do dogmático, do sensualista e dos demais que são aberta e solenemente interditadas. [...]