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MAXWELL, James Clerk

MAXWELL, James Clerk

MAXWELL, James Clerk

 

Né le 13 juin 1831 à Edimbourg
Décédé le 5 novembre 1879 à Cambridge

Physicien anglais

 

 

 

 


Extrait de l’article MAXWELL (James Clerk), par Maurice Daumas, Dictionnaire des biographies, PUF, 1958

« Né à Édimbourg le 13 juin 1831, il a marqué le mouvement scientifique de son puissant génie ; non seulement il sut donner à des notions, encore confuses au moment où il commença à travailler, l’expression définitive que lui suggéra l’observation et le raisonnement mathématique, mais encore il pressentit avec une sensibilité particulière certaines voies que l’avenir allait ouvrir à la science. Nul esprit de son temps ne domina avec autant d’aisance que lui l’ensemble des problèmes difficiles que la physique posait alors aux savants.
Au cours même de ses premières études, il présenta à l’âge de 15 ans à la Royal Society d’Édimbourg une communication sur une manière de tracer un ovale de son invention. Il commença des recherches sur les corps gélatineux, puis sur la polarisation de la lumière ; il appliqua ces observations à l’étude des changements de couleur de la lumière dans des milieux soumis à l’action d’une pression élevée ; il les prolongea par l’étude mathématique du comportement des solides élastiques. Il n’avait encore que 19 ans, et s’en alla à Cambridge achever ses études.
Celles-ci achevées il commença un travail sur les « lignes de force » de Faraday, sujet qui devait le retenir longtemps et qui devait être plus tard le point de départ de sa théorie mathématique du champ électromagnétique. Tout en poursuivant ce travail, il publia en 1855 un mémoire sur la perception des couleurs. Il n’existait alors aucune théorie générale des phénomènes electro-magnétiques ; il lut et médita profondément les travaux de Faraday sur le champ électromagnétique et discuta longuement la représentation qu'en proposait le grand savant ; dans l'interprétation qu'il donna des lignes de forces du champ, Maxwell s"écarta délibérément des conceptions généralement admises alors sur l'action à distance. pour répondre aux objections de l'astronome Airy, il entreprit de démontrer qu'un phénomène comme l'anneau de Saturne pouvait s'expliquer à partir des lois connues de la gravitation et il arriva à cette conclusion que l'anneau était formé d'une poussière de particules, conclusion qui devait être confirmée plus tard par l'observation. Le mémoire de Maxwell eut un grand retentissement. Il enseignait à cette époque (1856-1859) à Aberdeen.
En 1860 il occupa une chaire au King's College de Londres qu'il conserva jusqu'en 1865. L'essentiel de son œuvre fut accompli pendant cette période. La lecture du mémoire de Clausius sur la vitesse de propagation des gaz, publié en 1859, incita Maxwell à s'occuper de la théorie cinétique des gaz ; il entreprit de résoudre le problème de la vitesse des molécules gazeuses qui faisait alors l'objet des travaux de plusieurs mathématiciens. Ses observations de l'anneau de Saturne lui suggérèrent que la solution ne pourrait être approchée que par l'emploi des lois statistiques. Il fut ainsi le premier à faire entrer les calculs probabilistes dans la mécanique physique. Son mémoire donnait les grandeurs longtemps cherchées relatives aux molécules gazeuses ainsi qu'une analyse théorique de la viscosité et de la pression des gaz qu'il confirma par l'expérimentation. Ce mémoire attira l'attention de Boltzmann et détermina les travaux de ce savant sur la mécanique statistique.
Maxwell reprit ensuite le problème des lignes physiques de forces et mit à jour la pièce maîtresse de son œuvre, la théorie électromagnétique de la lumière. Il entreprit cette nouvelle série de recherches vers 1861. Dans une première étape il chercha à se représenter le mécanisme de fonctionnement des lignes de forces au moyen de tourbillons mis en rotation par la passage du courant. Mais dans sa conception finale il abandonna le schéma de représentation mécanique ; il décrivit les propriétés du champ électromagnétique en une série de  vingt équations générales desquelles découle la théorie électromagnétique de la lumière. Son célèbre mémoire sur la théorie dynamique du champ électromagnétique fut présenté à la Royal Society en 1864.
Après cette période de travail, Maxwell se retira dans sa propriété écossaise de Glenlair qu'il n"accepta de quitter qu'en 1871 pour prendre la direction du laboratoire Cavendish qu'on était en train d'édifier. Les dernières années de son existence furent occupées par l'installation de la direction du laboratoire, l'enseignement qu'il y donna et la publication des travaux inédits en électricité de Henry Cavendish. Le laboratoire de Cambridge avait été fondé par la duc de Devonshire, descendant du célèbre savant du XVIIIe siècle.
Maxwell mourut prématurément à l'âge de 48 ans le 5 novembre 1879. »







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Au moment où les expériences de Fresnel forçaient tous les savants à admettre que la lumière est due aux vibrations d'un fluide très subtil, remplissant les espaces interplanétaires, les travaux d'Ampère faisaient connaître les lois des actions mutuelles des courants et fondaient l'Électrodynamique.
On n'avait qu'un pas à faire pour supposer que ce même fluide, l'éther, qui est la cause des phénomènes lumineux, est en même temps le véhicule des actions électriques : ce pas, l'imagination d'Ampère le fit ; mais l'illustre physicien, en énonçant cette séduisante hypothèse, ne prévoyait sans doute pas qu'elle dut si vite prendre une forme plus précise et recevoir un commencement de confirmation.
Ce ne fut là pourtant qu'un rêve sans consistance jusqu'au jour où les mesures électriques mirent en évidence un fait inattendu.
Le rapport de « l'unité absolue électrostatique » à « l'unité absolue électrodynamique » est mesuré par une vitesse. Maxwell imagina plusieurs méthodes pour obtenir la valeur de cette vitesse. Les résultats auxquels il parvint, oscillèrent autour de 300.000 km par seconde, c'est à dire la vitesse même de la lumière.
Les observations devinrent bientôt assez précises pour qu'on ne pût songer à attribuer cette concordance au hasard. On ne pouvait donc douter qu'il y eût certains rapports intimes entre les phénomènes optiques et les phénomènes électriques. Mais la nature de ces rapports nous échapperaient peut-être encore si le génie de Maxwell ne l'avait devinée.
Cette coïncidence inattendue pouvait s'interpréter de la façon suivante. Le long d'un fil, conducteur parfait, une perturbation électrique se propage avec la vitesse de la lumière. Les calculs de Kirchhoff, fondés sur l'ancienne Électrodynamique conduisaient à ce résultat.
Mais ce n'est pas le long d'un fil métallique que la lumière se propage, c'est à travers les corps transparents, à travers l'air, à travers le vide. Une pareille propagation n'était nullement prévue par l'ancienne Électrodynamique.
Pour pouvoir tirer l'Optique des théories électrodynamiques alors en faveur, il fallait modifier profondément ces dernières, sans qu'elles cessent de rendre compte de tous les faits connus. C'est ce qu'a fait Maxwell.
Henri POINCARÉ, La théorie de Maxwell et les oscillations hertziennes, 3e éd., 1907

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Le « démon de Maxwell »

Un des faits les mieux établis en thermodynamique, c'est qu'il est impossible, sans dépenser du travail, de produire une inégalité de température dans un système contenu dans une enveloppe qui ne permet ni changement de volume ni transmission de chaleur, et dans lequel la température et la pression sont partout les mêmes. C'est la seconde loi de la thermodynamique, et elle est absolument vraie, tant que nous ne pouvons agir que sur les corps pris en masse, et que nous n'avons pas la faculté de percevoir ou la possibilité de manier les molécules séparées dont ils sont constitués. Mais si nous concevons un être dont les facultés (sens) soient assez développées pour qu'il puisse suivre chaque molécule dans sa course, cet être dont les attributs seraient cependant finis comme les nôtres, deviendrait capable de faire ce que nous ne pouvons faire actuellement. Car nous avons vu que les molécules de l'air renfermé dans un récipient et à température uniforme se meuvent cependant avec des vitesses qui sont loin d'être les mêmes, bien que la vitesse moyenne d'un grand nombre d'entre elles, arbitrairement choisies, reste toujours à peu près exactement la même.
Supposons maintenant que le récipient soit divisé en deux portions A et B, par une cloison dans laquelle il y ait une petite ouverture, et qu'un être qui puisse discerner par la vue les molécules individuelles, ouvre et ferme cette ouverture, de manière à ne permettre l'introduction de A vers B que des molécules les plus rapidement agitées, et de B vers A, l'introduction des molécules dont le mouvement est lent. Il aura ainsi, sans dépense de travail, élevé la température de B et abaissé celle de A, malgré la seconde loi de la thermodynamique.
C'est seulement là un des exemples où les conclusions tirées de notre expérience des corps en tant que constitués d'un nombre immense de molécules, peuvent ne pas s'appliquer à ces observations et expériences plus délicates, que nous pouvons supposer faites par un être qui percevrait et manierait séparément les molécules que nous-mêmes ne pouvons traiter qu'en masse.
Dans les questions relatives à la matière prise en masse, nous sommes forcés, ne pouvant discerner chaque molécule en particulier, d'avoir recours à ce que j'ai décrit sous le nom de méthode statistique de calcul, et d'abandonner la véritable méthode exacte consistant à traiter par le calcul le mouvement de chaque molécule en particulier.
Il serait cependant intéressant de rechercher jusqu'où l'on peut poursuivre l'application des méthodes exactes, dans l'étude des phénomènes concrets, phénomènes que nous ne connaissons encore que par des voies statistiques. Personne en effet, jusqu'à présent, n'a découvert une méthode pratique permettant de suivre la trajectoire d'une molécule, et de l'identifier à des moments quelconques.
James Clerk MAXWELL, Chapitre XXII

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