Maxwell, James Clerk

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Présentation

Maxwell, James Clerk (1831-1879), physicien écossais, grand théoricien et habile expérimentateur, connu essentiellement pour avoir établi les équations de l'électromagnétisme, contribution qui fait de lui l'un des hommes scientifiques les plus importants du XIX^e siècle.

Un grand nombre des travaux de Maxwell portent également sur le domaine de la thermodynamique où celui-ci a développé la théorie cinétique des gaz et a été l’un des premiers à énoncer le principe ergodique. Enfin, Maxwell a conduit aussi des recherches en astronomie et sur la vision des couleurs.

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Biographie

Né à Édimbourg, Maxwell descend d’une famille de nobles écossais. Il fait ses études à Édimbourg, puis à Cambridge (Trinity College) où il étudie sous la direction des meilleurs professeurs de l’époque. Il occupe ensuite des chaires de professeur de physique, d’abord à Aberdeen (1856-1860), puis à Londres (1860-1865). Il se marie en 1858 avec Katherine Mary Dewar, union dont il n’aura pas d’enfants. En 1865, Maxwell abandonne la vie académique et se retire durant six ans sur ses terres écossaises, à la fois pour en assurer la mise en valeur et pour rédiger son fameux traité d’électromagnétisme. De retour à l’Université en 1871, il est nommé professeur de physique expérimentale à Cambridge, où il conçoit et développe le Cavendish Laboratory.

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Les équations du champ électromagnétique

Maxwell s’inspire des travaux de Michael Faraday sur les champs électromagnétiques. À l’aide d’un formalisme mathématique abstrait et très puissant, il établit la relation mathématique qui décrit les propriétés physiques communes aux champs électrique et magnétique. Son œuvre principale : le Traité d'électricité et de magnétisme (Treatise on Electricity and Magnetism, 1873) fait apparaître pour la première fois les quatre équations différentielles qui décrivent l’évolution mutuellement dépendante des champs électrique et magnétique dans l'espace et dans le temps (on les appelle depuis les équations de Maxwell). Cette approche de l’électromagnétisme est très nouvelle, car elle oppose à l’idée d’une force s’exerçant à distance (comme la force de gravitation de Newton) entre deux points discrets, celle d’une interaction due à la propagation d’ondes dans un espace continu. Maxwell déduit de cette nouvelle théorie que la lumière correspond à un cas particulier de la propagation d'ondes électromagnétiques (1864). Cependant, la théorie de Maxwell ne tranche pas encore entre deux points de vue opposés sur la nature de ce que représente le « champ électromagnétique » dans l’espace : propagation d’ondes de forces dans le vide ou modification d’un éther continu.

Les travaux de Maxwell ont ouvert la voie aux recherches d'Heinrich Rudolf Hertz, qui réalisa les expériences confirmant ses théories électromagnétiques. Mais au-delà de ce prolongement immédiat, l’œuvre de Maxwell, en électrodynamique et en thermodynamique, a été reprise par les physiciens théoriciens allemands, et a conduit (au début du XX^e siècle) aux révolutions quantique et relativiste.

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La « distribution de Maxwell-Boltzmann »

Une autre contribution majeure de Maxwell, en thermodynamique cette fois, concerne l’étude cinétique des gaz. À partir des travaux de Rudolf Clausius, il propose une description statistique de la distribution de vitesses des particules d’un gaz : il introduit ainsi la « distribution de Maxwell-Boltzmann », et ouvre la voie au développement de la physique statistique. Parmi les ouvrages écrits par Maxwell méritent d’être cités : Théorie de la chaleur (Theory of Heat,1877) et Matière et mouvement (Matter and Motion, 1876).