MAXWELL, James Clerk (1831-1879)
İskoç matematik ve fizik bilgini. Elektrik ve manyetizma yasalarını matematiksel bir yapıya kavuşturmuş, ışığın elektromanyetik kuramını kurmuştur.
13 Haziran 1831’de Edinburgh’da doğdu, 5 Kasım 1879’da Cambridge’de öldü. Babası John Clerk, Edinburgh’un tanınmış bir ailesindendi. Güneybatı İskoçya’daki Galloway’de, Glenlair adlı büyük bir malikânenin soylu Maxwell ailesinden kendisine miras kalması üzerine hukuksal nedenlerle Maxwell soyadını almıştı. Kızkardeşi çok küçükken öldüğü için ailenin tek çocuğu olarak büyüyen Maxwell, sekiz yaşındayken annesini yitirdi. Babasına aşırı bağlı, utangaç, okumaya ve öğrenmeye meraklı, içine kapanık bir çocuktu. Galloway’de, kent yaşamından uzakta geçen çocukluk yıllarından sonra, 1841-1847 arası Edinburgh Academy’de okudu. 1846’da, henüz on beş yaşındayken, Edinburgh Royal Society’ye ilk makalesini sundu. Oval eğrilerin tanımına ilişkin bu bildiri, on beş yaşında bir çocuğun toplantıya katılması derneğin geleneklerine uygun düşmediğinden, bir başka üye tarafından okunmuştu. 1847’de Edinburgh Üniversitesi’nde öğrenime başlayan Maxwell, üç yıl sonra Cambridge Üniversitesi’ne geçti. 1854’te de, bu üniversiteye bağlı Trinity College’dan matematik dalında sınıf İkincisi olarak lisans diplomasını aldı. Bu arada, 1850’de yayımlanan ve esnek cisimlerin denge durumunu konu alan makalesiyle genel esneklik (elastisite) kuramının aksiyomatik temellerini atmış, 1853’te yayımladığı geometrik optik alanındaki kısa bir makalesiyle de ileride “balık gözü” merceğin bulunmasına yol açacak ilkeleri ortaya koymuştu.
1855’te Trinity College’da öğretim üyesi olan Maxwell, ertesi yıl, babasının hastalanması üzerine ona yakın olmak amacıyla İskoçya’nın Aberdeen kentindeki Marischal College’da doğa felsefesi profesörlüğünü kabul etti. Birkaç ay sonra da babasını yitirdi. 1858’de, Marischal College’ın yönetmeninin kızı Katherine Mary Dewar ile yaptığı evlilik mutlu bir beraberlikti ve karısı deneysel çalışmalarında da Maxwell’in en büyük yardımcısı oldu. 1860’ta, Marischal College ile gene Aberdeen’deki King’s Colle-ge’ın birleştirilerek Aberdeen Universitesi’ne dönüştürülmesi sırasında kendisine profesörlük kadrosu kalmadığı için görevinden ayrılmak zorunda kalan Maxwell, Edinburgh Üniversitesi’ne başvurdu. Bu başvurudan sonuç alamayınca ister istemez İskoçya’ dan ayrıldı ve 1860 yazında Londra’daki King’s College’da doğa felsefesi ve astronomi profesörlüğüne getirildi. Londra’da birçok bilim adamıyla tanışmak, dostluk kurmak olanağını elde etmişti. O zamana değin yalnızca mektuplaşmış olduğu Faraday ile tanışması da bu yıllara rastlar. King’s College’da gündüz derslerine ek olarak akşam kursları düzenlemek, ayrıca birçok idari görevi üstlenmek zorunda kalan Maxwell, araştırmaları için kendisine hiç boş zaman bırakmayan bu görevden 1865’te ayrılıp Glen-lair malikânesine çekildi ve bilimsel araştırmalarına ağırlık verdi.
Altı yıl süren bu dönemde de Cambridge Üniversitesi ile ilişkisini tümüyle kesmemiş, özellikle matematik sınavlarına ilişkin reformlarda öncü rol oynamıştı. 1871’de, Cambridge Üniversitesi’nde yeni kurulan Deneysel Fizik Kürsüsü profesörlüğünü ve aynı üniversitede kurulması tasarlanan Cavendish Laboratuvarı’nın yöneticiliğini üstlenerek öğretim görevine döndü. Sonraki yıllarda büyük ün kazanacak, özellikle atom ve çekirdek fiziği alanında çok önemli rol oynayacak olan Cavendish Laboratuvarı’ nın tasarımı, hazırlıkları ve kurulması tümüyle Max-well’in eseridir. Yaşamının son yıllarında, 18.yy’ın ünlü fizikçisi Henry Cavendish’in bilimsel çalışmalarını derleyip, önemli notlarla yayıma hazırlayan Maxwell’in bu uğraşısı, araştırmalarının ancak pek azını yayımladığı için yeterince değerlendirilemeyen Cavendish’in, fiziğin birçok konusunda öncü çalışmalar yaptığını ortaya çıkarmıştır.
Maxwell, kuramsal alandaki temel katkılarıyla 19.yy fiziğinin en büyük adlarından biri olduğu kadar, denel fizikte de başarılı sonuçlara ulaşmıştır. Maxwell’e bilim tarihindeki önemli yerini, gazların kinetik kuramına ve özellikle elektromanyetizma kuramına ilişkin çalışmaları kazandırmıştır. Bunların yanı sıra renk kuramı, gözün renk algılama özellikleri, geometrik optik, fotoelastisite, termodinamik, servomekanizma kuramı, viskoelastisite alanlarında da fiziğe önemli katkıları olmuştur. Ayrıca T.H.Hux-ley ile birlikte Encyclopaedia Britannica’nm ünlü dokuzuncu baskısının bilim editörlüğünü yapmış ve bu baskıdaki birçok maddeyi kaleme almıştır. Yazılarında bilim tarihi ve bilim felsefesi alanında da görüşler ileri süren Maxwell’in tutucu, dindar ve mistisizme eğilimli bir kişiliği vardı; 1860’larda doruk noktasına çıkan evrim tartışmalarında da genellikle din adamlarının görüşlerinin yanında olmuştur.
Renk kuramı
Maxwell, 1849’da Edinburgh Üniversitesi’nde öğrenciyken başladığı, renklerin karışımı üzerindeki ; deneylerini 1854’ten sonra Cambridge’de sürdürdü. Young’m 1802’de ortaya attığı, gözde üç temel rengi algılayan üç ayrı tür renk algılayıcısı olduğuna ilişkin kuramını, Helmholtz ile hemen hemen aynı zamanda, yeniden gündeme getirdi. Önceleri bu alandaki deneylerini, üzerine çeşitli renklerde kâğıtlar yapıştırılmış dönen bir tekerlekle yapıyordu. Sonra “renk kutusu” adını verdiği bir aygıt geliştirdi ve renkli ışıkların üst üste düşürülmesine dayanan“toplama” ya da boyaların karıştırılmasına dayanan “çıkarma” yöntemiyle, üç temel renkten, kırmızı, yeşil ve maviden tüm renklerin elde edilebileceğini gösterdi. 1861’de, bir cismin kırmızı, yeşil ve mavi filtrelerle çekilmiş üç ayrı görüntüsünü gene aynı renkten ışıklarla bir ekrana düşürerek, üç renk temeline dayanan (trikromatik) ilk renkli fotoğrafı elde etti. Herhangi bir rengin tam olarak belirlenmesinde, ton (rengi oluşturan ışığın tayftaki yeri, yani başat dalgaboyu), doygunluk (rengi oluşturan ışıktaki beyaz ışık miktarı) ve parlaklık (ışığın şiddeti) olmak üzere üç değişkenin rol oynadığını saptadı. Maxwell’in bu çalışmaları sonucunda nicel renkölçümü (kolorimetri) doğmuş oluyordu. Maxwell ayrıca renk körlüğü üzerinde de çalışmıştır.
Satürn halkaları
Maxwell’in 1855-1859 arasında ilgi duyduğu bir araştırma alanı da Satürn’ün halkaları konusuydu. Neptün gezegeninin varlığını saptamış olan J.C.Adams’ın onuruna Cambridge Üniversitesi’nce konulmuş olan Adams Ödülü’nün 1855’teki yarışma konusu, “Satürn halkalarının yapısı” olarak ilan edilmişti. Konuyu 1787’de Fransız matematikçi Laplace’ın bıraktığı yerden ele alan Maxwell, 68 sayfalık bir tez hazırladı. Bu tezde tümüyle kuramsal hesaplarla Satürn’ün halkalarının katı ya da sıvı olamayacağı, çünkü o durumda halkaları etkileyecek olan çekim kuvvetinin ve mekanik kuvvetlerin halkaların parçalanıp dağılması sonucunu doğuracağı gösteriliyordu. Satürn’ün halkalarının dinamik olarak kararlı olabilmesi, ancak halkaların sayısız küçük parçacıklardan oluşması durumunda olanaklıydı. Maxwell bu çalışmasıyla Adams Ödülü’nü aldı. O günden bu yana elde edilen bulgular Maxwell’in görüşlerini doğrulamış, spektroskopik incelemeler Satürn’ün halkalarının buz kristallerinden oluştuğunu göstermiştir.
Gazların kinetik kuramı
Maxwell’in gazların kinetik kuramı üzerindeki çalışmaları, fiziğe en önemli katkılarından birini oluşturur. Bu konudaki araştırmaları, yüz yıl kadar önce isviçreli matematikçi D.Bernoulli başlatmıştı. Gazların değişik doğrultularda hızla devinen moleküllerden oluştuğu görüşünden kaynaklanan bu kuram, Bemoulli dönemindeki matematik bilgisinin sınırlamaları içinde ancak belli bir düzeye erişebilmişti. Alman fizikçi Clausius ve Maxwell, gaz moleküllerinin her doğrultuda ve olası her hızda devinebildikle-rini, birbirleriyle ve gazın içinde bulunduğu kabın duvarıyla tam esnek çarpıştıklarını kabul eden yeni bir kuram geliştirdiler. Bu, Bernoulli’nin bütün moleküllerin aynı hızda devindikleri varsayımına göre önemli bir gelişmeyi simgeliyordu. Maxwell, bir gazdaki moleküllerin hız dağılımını, yani hızları sıfırdan maksimuma kadar belirli hız aralıklarına düşen moleküllerin sayısını saptama sorununu 1860’ta çözdü. AvusturyalI fizikçi Boltzmann, Max-well’in bu çözümde kullandığı kimi sınırlayıcı varsayımları kaldırarak kuramı 18 71’de daha da genelleştirdi. Böylece bugün “Maxwell-Boltzmann istatistiği” adıyla bilinen ve gaz moleküllerinin istatistiksel enerji dağılımını veren yasa son biçimini almış oluyordu. Yalın istatistik yöntemleriyle elde edilebilen bu yasanın, kuvantum mekaniği etkilerinin önemli olmadığı bütün sistemler için geçerli olduğu saptanmıştır. MaxweIPin geliştirdiği ve gazların sıcaklık, entropi, basınç ve hacimlerine bağlı olarak termodinamik fonksiyonlarını ifade eden dört eşitlik de bugün “Maxwell bağıntıları” adıyla anılmaktadır.
Elektromanyetizma kuramı
Maxwell’in adını ölümsüzleştiren ve kuvantum öncesi fiziğin doruğuna yerleştiren en önemli çalışması elektromanyetizma konusundadır. Maxwell, o güne değin bulunmuş olan elektrik ve manyetizma
yasalarını sistemli bir bütünlük içinde matematiksel bir yapıya kavuşturmuş, değişken elektrik ve manyetik alanların birbirlerinden ayrı olarak var olamayacağını göstermiş, elektromanyetik alan ve dalga kavramlarını ortaya koymuş, en önemlisi ışığın da bir elektromanyetik dalga olduğunu belirleyerek elektrik, manyetizma ve optiği tek bir temele oturtmuştur. CGS (santimetre, gram, saniye) birimler sisteminde manyetik akı birimi, onun anısına “maxwell” olarak adlandırılmıştır.
Fransız fizikçi Coulomb, 1785’te, elektrik yüklerinin birbirlerini aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılı olarak çektiklerini (ya da ittiklerini) bulmuştu. Manyetik kutuplar arasında oluşan çekme ya da itme kuvvetinin de uzaklığın karesiyle ters orantılı olduğu aynı yıllarda gözlemlendi. Elektrik ve manyetizma arasında ilk ilişkiyi kuran Oersted oldu. Oers-ted 1820’de, bir telden geçen akımın, yakınındaki bir pusula ibresini saptırdığını gözlemledi. Bu olguyu inceleyen Ampere, hareket eden bir elektrik yükünün (yani elektrik akımının), çevresinde, hareket doğrultusuna dik doğrultuda bir manyetik alan oluşturduğunu gösterdi. 1831’de Faraday, bir galvanometreye bağlı bir elektrik devresine bir mıknatısın yaklaştırılması ya da uzaklaştırılması sırasında devrede elektrik akımı oluştuğunu gözlemledi. Böylece, “var olan bir manyetik alandaki değişme,bu alan içindeki bir elektrik devresinde elektrik akımının oluşmasına yol açar” biçiminde özetlenebilecek olan elektromanyetik indükleme bulunmuş oluyordu.
Bütün bu bulguların, kesin ve nicel bir matematiksel yapıya kavuşturulmasını Maxwell gerçekleştirdi. Maxwell, tüm elektrik ve manyetik olayları ve bunlar arasındaki ilişkiyi bugün “Maxwell denklemleri” adıyla bilinen ve dört yalın denklemden oluşan bir denklem takımıyla ortaya koydu. Bu denklemler, sırasıyla Coulomb yasasına, manyetik kutup yasasına, Ampere yasasına ve Faraday’ın elektromanyetik indükleme yasasına karşılık gelmektedir. Son iki denklem, Ampere ve Faraday yasalarının durağan (statik) değil, dinamik karakterini yansıtır. Buna göre, durağan olmayıp hareket eden bir elektrik yükü bir manyetik alan oluşturur; manyetik alanın varlığı değil, “değişiyor” olması bir elektrik akımına yol açar. Demek ki manyetizma hareket eden elektriğe, elektrik de hareket eden manyetizmaya denktir. Maxwell, bu iki olgunun, değişen manyetik alan ile değişen elektrik alanının, birbirlerinden ayrı var olamayacağını, birinin her zaman ötekine eşlik edeceğini gösterdi. Böylece elektromanyetik alan kavramı ortaya çıkıyordu. Elektromanyetik alanı oluşturan elektrik ve manyetik alanlar birbirlerine dik doğrultudadır. Maxwell’in bu konuya en önemli katkısı, değişen bir elektromanyetik alanın bir dalga hareketi biçiminde, kendisini oluşturan elektrik ve manyetik alanların içinde bulunduğu düzleme dik doğrultuda ve ışık hızıyla hareket etmesi gerektiğini göstermesidir. Böylece elektromanyetik dalga kavramı ortaya atılmış oluyor, ışığın da bir elektromanyetik dalga olduğu belirleniyor ve o zamana kadar birbiriyle ilgisiz olduğu sanılan, elektromanyetizma ve optik gibi iki fizik dalı birleştirilmiş oluyordu.
Maxwell, ünlü denklemlerini yayımlarken, Ampere yasasındaki önemli bir eksikliğe dikkati çekmişti. Yalnızca bir iletkenden akan elektrik yüklerinin (elektrik akımının) değil, yalıtkan bir ortamda var olması gereken elektrik yüklerinin ileri-geri hareketinin de bir manyetik alan oluşturması gerekiyordu. İşte, MaxwelPin “yerdeğiştirme (deplasman) akımı” adını vererek üçüncü denklemine ek bir terim olarak kattığı ve boşlukta titreşen elektrik yüklerini gösteren bu akım, elektromanyetik dalgaların varlığını olanaklı kılıyordu.
Maxwell’in varlığını matematiksel olarak kanıtladığı elektromanyetik dalgalar, ancak onun ölümünden dokuz yıl sonra, 1888’de, Alman fizikçi H.Hert tarafından deneysel olarak elde edildi. Işığa ek olarak, daha önceden bilinen kızılaltı ve morötesi ışınımların da, sonraları bulunacak olan X ışınlarının, gamma ışınlarının, mikrodalgaların ve evren (kozmik) ışınlarının da elektromanyetik dalgalar olduğu saptandı. Maxwell’in 1873’te kuramsal olarak kanıtladığı, bir elektromanyetik dalganın çarptığı yüzeyde bir basınç oluşturacağı gerçeği de 1900’de Rus fizikçi Lebedev tarafından deneysel olarak doğrulandı. Maxwell denklemleri art arda kuşaklardan fizikçilerce defalarca sınanıp doğrulanmış, daha da önemlisi Einstein’ın görelilik kuramı hemen hemen bütün klasik fiziği temelinden sarsarken Maxwell denklemleri geçerliğini tümüyle korumayı başarmıştır.
• YAPITLAR (başlıca): Theory of Heat, 1870, (“Isı Kuramı”); Treatise on Electricity ana Magnetism, 2 cilt, 1873, (“Elektrik ve Manyetizma Üzerine İnceleme”); Matter and Motion, 1877, (“Madde ve Hareket”); Elementary Treatise on Electricity, (ö.s.), 1881, (“Elektrik Üzerine Temel İnceleme”); The Scientific Papers of James Clerk Maxwell ,(ö.s.), 2 cilt, 1890, (“James Clerk Maxwell’in Bilimsel Makaleleri”).
• KAYNAKLAR: L.Campbell ve W.Garnett, The Life of James Clerk Maxwell, 1882; C.Domb, Clerk Maxwefland Modem Science, 1963; R.A.R.Tricker, The Contributions of Faraday and Maxwell to Electrical Science, 1966.
Türk ve Dünya Ünlüleri Ansiklopedisi