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ジェームズ・クラーク・マクスウェル | |
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 40代のマクスウェルの写真 | |
| 生まれる | 1831年6月13日 エディンバラ、スコットランド |
| 死亡 | 1879年11月5日（48歳） ケンブリッジ、イギリス |
| 休憩所 | パートン、ダンフリース・アンド・ガロウェー 55°00′24″N 4°02′21″W / 55.006693°N 4.039210°W / 55.006693; -4.039210 |
| 母校 | |
| 知られている | リストを見る
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| 配偶者 | |
| 受賞歴 | |
| 科学者としてのキャリア | |
| フィールド | 物理学 数学 |
| 機関 | |
| 学術アドバイザー | ウィリアム・ホプキンス |
| 著名な学生 | |
| 初代キャベンディッシュ物理学教授 | |
| 在任期間 1871–1879 | |
| 後継者 | レイリー卿 |
| サイン | |
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ジェームズ・クラーク ・ マクスウェル（1831年6月13日 - 1879年11月5日）は、幅広い興味を持ったスコットランドの物理学者[1] [2]であり、電気、磁気、光を同じ現象の異なる現れとして説明した最初の理論である電磁放射の古典理論を考案しました。マクスウェルの電磁気学の方程式は「物理学における第二の偉大な統一」と呼ばれています[3] 。最初の統一はアイザック・ニュートンによって実現されました。
1865年に「電磁場の力学理論」を発表し、マクスウェルは電場と磁場が光速で移動する波として空間を伝わることを実証した。彼は光が電気現象と磁気現象の原因である同じ媒体内の波動であると提唱した。[4]光と電気現象の統合は、彼の電波の存在の予測につながった。マクスウェルは現代の電気工学分野の創始者ともみなされている。[5]
マクスウェルは、気体の運動論の側面を記述する統計的手段であるマクスウェル・ボルツマン分布を初めて導き出した人物であり、生涯を通じて散発的にこの研究に取り組んでいた。[6]また、1861年に世界初の耐久性のあるカラー写真を発表したことや、多くの橋梁で見られるようなロッドとジョイントのフレームワーク（トラス）の剛性を解析する基礎研究でも知られている。現代の次元解析の責任者でもある。[7] [8]マクスウェルは、カオス理論の基礎を築いたことでも知られている。[9] [10]
彼の発見は現代物理学の時代の到来を告げ、特殊相対性理論や量子力学などの分野の基礎を築いた。多くの物理学者は、マクスウェルを20世紀の物理学に最も大きな影響を与えた19世紀の科学者とみなしている。科学に対する彼の貢献は、アイザック・ニュートンやアルバート・アインシュタインの貢献と同程度であると多くの人に考えられている。[11]ミレニアム投票（最も著名な物理学者100人を対象とした調査）で、マクスウェルはニュートンとアインシュタインに次いで史上3番目に偉大な物理学者に選ばれた。[12]マクスウェルの生誕100周年に、アインシュタインはマクスウェルの研究を「ニュートンの時代以来、物理学が経験した最も深遠で最も実り多いもの」と評した。[13]アインシュタインは1922年にケンブリッジ大学を訪問した際、主催者から、ニュートンの肩の上に立っていたから偉大なことを成し遂げたと言われた。アインシュタインはこう答えた。「いいえ、私はそうは思いません。私はマクスウェルの肩の上に立っているのです。」[14]トム・ジークフリートはマクスウェルを「周囲の人々よりも鋭い感覚で物理世界を知覚した、100年に一度の天才の一人」と評した。[15]
人生
幼少期、1831年～1839年
ジェームズ・クラーク・マクスウェルは1831年6月13日[16] 、エディンバラのインディア通り14番地で、弁護士のジョン・クラーク・マクスウェル・オブ・ミドルビーと、ロバート・ホッソン・ケイの娘でジョン・ケイの妹のフランシス・ケイ[17] [ 18]の息子として生まれた。(彼の生家には現在、ジェームズ・クラーク・マクスウェル財団が運営する博物館がある。) 彼の父親はペニキュイクのクラーク家の裕福な人物[19]で、ペニキュイクのクラーク準男爵の位を保持していた。彼の父親の兄弟は第6代準男爵であった。[20]彼は「ジョン・クラーク」として生まれたが、1793年に幼児としてダムフリースシャーにあるマクスウェル家の所有地であるミドルビーの地所を相続した後、自分の名前に「マクスウェル」を加えた。[17]ジェームズは芸術家のジェミマ・ブラックバーン[21]（父の妹の娘）と土木技師のウィリアム・ダイス・ケイ（母の兄弟の息子）の従妹であった。ケイとマクスウェルは親しい友人であり、マクスウェルが結婚したときケイは彼のベストマンを務めた。[22]
マクスウェルの両親は30代後半に出会って結婚した。[23]マクスウェルが生まれたとき、母親は40歳近くだった。彼らにはエリザベスという名の娘がいたが、幼少期に亡くなった。[24]
マクスウェルが幼少の頃、家族はカークブライトシャーのグレンレアに引っ越した。両親が1,500エーカー（610ヘクタール）の土地を築いた場所だ。[25]マクスウェルは幼い頃から飽くなき好奇心を持っていたことが、あらゆる証拠から窺える。[26] 3歳になるまでには、動くもの、光るもの、音を立てるものすべてに「あれは何なの？」という疑問が湧いていた。[27] 1834年に父親から義理の妹ジェーン・ケイに宛てた手紙に付け加えられた一節で、母親はこの生来の探究心について次のように述べている。
彼はとても幸せな人で、天候が穏やかになってからずっと上達しました。ドア、錠前、鍵などの仕事が得意で、「どうやってやるのか見せてくれ」という言葉が彼の口から出ることは一度もありません。また、隠れた小川やベルワイヤーの経路、池から壁を通って水が流れてくる経路も調べます... [28]
教育、1839-1847
マクスウェルの母フランシスは、少年の才能を認め、ヴィクトリア朝時代は主に主婦の仕事だった早期教育の責任を引き受けた。[29] 8歳にして、ジョン・ミルトンの長い一節と詩篇第119篇(176節)を暗唱することができた。実際、彼の聖書の知識はすでに詳細で、詩篇からの引用のほとんどすべてについて、章と節を述べることができた。彼の母親は腹部癌で病に倒れ、手術が失敗に終わった後、彼が8歳だった1839年12月に亡くなった。その後、彼の教育は父親と義理の妹ジェーンによって監督され、2人とも彼の人生で極めて重要な役割を果たした。[29]彼の正式な学校教育は、16歳の雇われた家庭教師の指導の下で始まったが、うまくいかなかった。マクスウェルの指導に雇われた若者については、彼がマクスウェルを厳しく扱い、動きが鈍く、わがままだと叱責したこと以外ほとんど知られていない。[29]家庭教師は1841年11月に解雇された。ジェームズの父親は1842年2月12日にロバート・デイビッドソンの電気推進と磁力のデモンストレーションに連れて行ったが、これは少年にとって深い意味を持つ経験となった。[30]
マクスウェルは名門のエディンバラ・アカデミーに入学した。[31]彼は学期中、叔母イザベラの家に下宿した。この間、絵を描くことへの情熱は年上の従妹ジェミマによって奨励された。[32] 10歳のマクスウェルは、父親の田舎の土地で孤立して育ったため、学校にうまく馴染めなかった。[33] 1年目は満員だったため、1年上のクラスメイトたちと一緒に2年生になった。[33]彼の癖やギャロウェイ訛りは、他の少年たちに田舎者と思われた。学校の初日に手作りの靴とチュニックを着て登校した彼は、「ダフティ」という意地悪なあだ名を付けられた。 [34]彼はそのあだ名を決して嫌がらなかったようで、何年も文句を言わずに耐えていた。[35]アカデミーでの社会的孤立は、ルイス・キャンベルとピーター・ガスリー・テイトという、後に著名な学者となる同年代の少年と出会ったことで終わり、彼らは生涯の友人となった。[17]
マクスウェルは幼い頃から幾何学に魅了され、正式な教育を受ける前に正多面体を再発見しました。 [32] 2年生の時に学校の聖書伝記賞を受賞したにもかかわらず、彼の学業は注目されませんでした。[32] 13歳の時に学校の数学メダルと英語と詩の両方で一等賞を受賞しました。[36]
マクスウェルの興味は学校のカリキュラムをはるかに超えており、試験の成績には特に注意を払っていなかった。[36]彼は14歳の時に最初の科学論文を書いた。その中で、彼は一本の糸で数学的な曲線を描く機械的な方法と、楕円、直交楕円、および2つ以上の焦点を持つ関連曲線の特性について説明した。1846年の論文[17] [37]「楕円曲線および複数の焦点を持つ曲線の記述について」[38]は、エディンバラ大学の自然哲学教授であるジェームズ・フォーブスによってエディンバラ王立協会に提出されたが、[17] [37]マクスウェルは自分で論文を提出するには若すぎると判断された。[39]ルネ・デカルトも17世紀にそのような多焦点楕円の特性を調べていたため、この研究は完全にオリジナルというわけではなかったが、マクスウェルはその構築を簡略化していた。[39]
エディンバラ大学、1847-1850年
マクスウェルは1847年、16歳でアカデミーを去り、エディンバラ大学に通い始めた。[40]彼はケンブリッジ大学に通う機会もあったが、最初の学期を終えた後、学部課程をエディンバラで全課程修了することに決めた。大学の教員には著名な人物が何人か含まれており、1年目の指導教員には、論理学と形而上学を講義したサー・ウィリアム・ハミルトン、数学を講義したフィリップ・ケランド、自然哲学を講義したジェームズ・フォーブスなどがいた。[17]彼は授業が厳しいとは思わなかったため、[41]大学での自由時間、特に故郷のグレンレアにいるときは、個人研究に没頭することができた。[42]そこで彼は即席の化学、電気、磁気装置で実験を行ったが、彼の主な関心は偏光の特性に関するものであった。[43]彼はゼラチンの塊を作り、様々な応力を加え、ウィリアム・ニコルから与えられた一対の偏光プリズムを使って、ゼリーの中に生じた色の縞模様を観察しました。[44]この実践を通して、彼は光弾性を発見しました。これは、物理的構造内の応力分布を決定する手段です。[45]
18歳のとき、マクスウェルはエディンバラ王立協会紀要に2本の論文を寄稿した。そのうちの1本「弾性固体の平衡について」は、後に彼が重要な発見をする基礎となった。それは、せん断応力によって粘性液体に生じる一時的な複屈折である。[46]彼のもう1本の論文は「回転曲線」であり、エディンバラアカデミーで書いた「楕円曲線」の論文と同様に、彼は演壇に立って発表するには若すぎると判断された。代わりに、彼の家庭教師ケランドが王立協会に論文を提出した。[47]
ケンブリッジ大学、1850-1856
1850年10月、すでに優れた数学者となっていたマクスウェルは、スコットランドを離れてケンブリッジ大学に進学した。彼は最初ピーターハウスに通ったが、最初の学期が終わる前にトリニティに転校した。そこではフェローシップを得やすいと考えたからである。[48]トリニティでは、ケンブリッジ使徒と呼ばれるエリート秘密結社に選出された。[49]マクスウェルのキリスト教信仰と科学に対する知的理解は、ケンブリッジ時代に急速に深まった。彼は知識エリートの排他的な討論会である「使徒」に参加し、エッセイを通じてこの理解を深めようとした。
さて、昔から考え出された私の偉大な計画は、... 何も故意に調査しないままにしないことです。肯定的であろうと否定的であろうと、不動の信仰に捧げられた聖地は何も残さないことです。休耕地はすべて耕し、定期的な輪作システムに従います。... 雑草であろうとなかろうと、何も隠さないこと、また隠したいと思わないこと。... もう一度、誰かが聖地として分けた区画への侵入権を主張します。... キリスト教徒以外は、実際に自分の土地からこれらの聖地を一掃することはできないと私は確信しています。... キリスト教徒にはこのような囲い地がないとは言いません。多くの人がたくさん持っていますし、誰もがいくらか持っています。しかし、嘲笑者、汎神論者、静穏主義者、形式主義者、教条主義者、官能主義者、その他の人々の領域には、公然と厳粛にタブーとされている広大で重要な地域があります。..."
キリスト教、つまり聖書の宗教は、そのような所有物に関するいかなる所有も否定する唯一の体系または信仰形態です。ここだけはすべてが自由です。世界の果てまで飛んで行っても、救いの創造主以外に神は見つかりません。聖書を調べても、探求を妨げるような文章は見つかりません。...
旧約聖書、モーセの律法、ユダヤ教は、正統派では「タブー」とされていると一般に考えられています。懐疑論者は、それらを読んだふりをして、気の利いた反論をいくつか見つけました...正統派のあまりに多くの未読の人々がそれを認め、その主題は呪われたものとして黙らせています。しかし、ろうそくがすべての幽霊とバグベアを追い払うためにやって来ます。その光を追いましょう。[50]
3年生の夏、マクスウェルはクラスメイトのGWHテイラーの叔父であるサフォークのCBテイラー牧師の家でしばらく過ごした。マクスウェルは、牧師とその妻に病気から看病されて回復した後、家族が示した神の愛に感銘を受けた。[51]
ケンブリッジに戻ると、マクスウェルは最近のホストに次のような証言を含むおしゃべりで愛情のこもった手紙を書いた。[50]
... 私は、人間が示せるどんな例よりも邪悪になる能力を持っています。そして...もし私が逃れることができれば、それは神の恩寵によってのみ可能であり、科学においては部分的に、社会においてはより完全に、私自身から逃れることができますが、神に身を委ねることなしには、完全に逃れることはできません...
1851年11月、マクスウェルはウィリアム・ホプキンスに師事した。ホプキンスは数学の天才を育てることに成功し、マクスウェルに「シニア・ラングラー・メーカー」というあだ名をつけていた。 [52]
1854年、マクスウェルはトリニティ大学で数学の学位を取得して卒業した。最終試験ではエドワード・ラウスに次ぐ2番目の成績を収め、セカンド・ラングラーの称号を得た。後に彼は、より厳しいスミス賞試験でラウスと同等と認定された。[53]学位取得直後、マクスウェルはケンブリッジ哲学協会で論文「曲げによる表面の変形について」を発表した。[54]これは彼が書いた数少ない純粋に数学的な論文の1つであり、数学者としての彼の地位が高まっていることを示している。[55]マクスウェルは卒業後もトリニティ大学に残ることを決め、フェローシップを申請したが、そのプロセスには数年かかると予想された。[56]研究生としての成功に支えられ、彼は、指導や試験の義務を除けば、自分の好きなときに科学的な興味を追求する自由を得た。[56]
色彩の性質と知覚は、彼がエディンバラ大学でフォーブスに師事していたころに始めた興味の一つであった。[57]フォーブスが発明した色つきのこまを使って、マクスウェルは白色光が赤、緑、青の光を混ぜると生じることを実証することができた。[57]彼の論文「色彩の実験」は色彩の組み合わせの原理を述べ、1855年3月にエディンバラ王立協会に提出された。[58]今回はマクスウェル自身が発表することができた。[58]
マクスウェルは1855年10月10日、通常よりも早くトリニティのフェローに任命され、[58]流体静力学と光学に関する講義の準備と試験問題の採点を依頼された。[59]翌年2月、フォーブスから、アバディーンのマリシャル・カレッジで新たに空席となった自然哲学の教授職に応募するよう促された。[60] [61]父親は必要な参考文献の準備に協力したが、マクスウェルの立候補の結果を知る前に4月2日にグレンレアで亡くなった。[61]彼はアバディーンの教授職を受け入れ、1856年11月にケンブリッジを去った。[59]
マリシャル大学、アバディーン、1856 ～ 1860 年
25歳のマクスウェルは、マリシャルの他の教授よりも15歳ほど若かった。彼は学部長としての新しい責任に熱心に取り組み、シラバスを考案し、講義を準備した。[62]彼は、地元の労働者大学への毎週の無償講義を含め、週に15時間の講義に取り組んだ。 [62]彼は、学年の6か月間、スコットランドの土木技師である従兄弟のウィリアム・ダイス・ケイと一緒にアバディーン市に住み、夏は父親から受け継いだグレンレアで過ごした。[20]
後に、彼の元教え子はマクスウェルについて次のように述べた。
1850 年代後半、冬の朝 9 時少し前、若いジェームズ・クラーク・マクスウェルを見かけたことがあるかもしれません。20 代半ばから後半で、中背、がっしりとした体格、歩き方に弾力と伸縮性があり、上品さよりも楽な服装をしていました。顔には聡明さと上機嫌さが同時に表れていましたが、その上には深い思慮深さが重なっていました。目鼻立ちは大胆で、好感が持て、目は黒く輝いていました。髪とあごひげは真っ黒で、顔色の青白さと強いコントラストをなしていました。[63]
彼は、200年間も科学者の頭を悩ませてきた問題、すなわち土星の環の性質に注目した。環が崩壊したり、漂流したり、土星に衝突したりすることなく、どのように安定を保つことができるのかは不明であった。[64]この問題は、当時、ケンブリッジのセント・ジョンズ・カレッジが1857年のアダムズ賞のテーマとしてこの問題を選んだため、特に注目を集めた。[65]マクスウェルは2年間この問題を研究し、規則的な固体の環は安定できないが、流体の環は波の作用によって塊に崩壊せざるを得ないことを証明した。どちらも観測されなかったため、彼は環が「ブリックバット」と名付けた多数の小さな粒子で構成され、それぞれが独立して土星を周回しているに違いないと結論付けた。[65]マクスウェルは、1859年に「土星の環の運動の安定性について」という論文で130ポンドのアダムズ賞を受賞した。[66]彼は、応募できるほどの進歩を遂げた唯一の応募者であった。[67]彼の研究は非常に詳細かつ説得力があったため、ジョージ・ビデル・エアリーはそれを読んだとき、「これは私が今まで見た中で最も注目すべき数学の物理学への応用の一つだ」とコメントした。[1] 1980年代のボイジャーのフライバイによる直接観測により、リングは粒子で構成されているというマクスウェルの予測が確認されるまで、これはこの問題に関する最終的な結論と考えられていた。 [68] しかし、リングの粒子は完全に安定しているわけではなく、重力によって土星に引き寄せられていることが現在ではわかっている。リングは今後3億年で完全に消滅すると予想されている。[69]
1857年、マクスウェルは当時マリシャル校長だったダニエル・デュワー牧師と親しくなった。[70]マクスウェルは彼を通じてデュワーの娘、キャサリン・メアリー・デュワーと知り合った。彼らは1858年2月に婚約し、1858年6月2日にアバディーンにて結婚した。結婚記録には、マクスウェルはアバディーンのマリシャル・カレッジの自然哲学教授として記載されている。[71]キャサリンはマクスウェルより7歳年上だった。彼女についてはあまり知られていないが、彼女が彼の研究室を手伝い、粘性に関する実験に取り組んだことは知られている。[72]マクスウェルの伝記作家で友人のルイス・キャンベルは、キャサリンの件については彼らしくないほど控えめだったが、彼らの結婚生活を「比類のない献身」と表現した。[73]
1860年、マリシャル・カレッジは隣接するキングス・カレッジと合併してアバディーン大学が設立された。自然哲学の教授を2人置く余地はなく、マクスウェルは科学者としての評判にもかかわらず解雇された。彼はフォーブスが空席にしたエディンバラ大学の教授職に応募したが不合格となり、そのポストはテイトに渡った。マクスウェルは代わりにロンドンのキングス・カレッジの自然哲学教授職に就いた。[74] 1860年に致命的な天然痘から回復した後、彼は妻とともにロンドンに移った。[75]
キングス・カレッジ、ロンドン、1860-1865
キングス校在学中は、おそらくマクスウェルのキャリアの中で最も生産的な時期だった。色彩に関する研究で1860年に王立協会の ラムフォード賞を受賞し、後に1861年に協会会員に選出された。 [77]この時期に、マクスウェルは世界初の耐光性カラー写真の展示、気体の粘性に関するアイデアのさらなる発展、現在では次元解析として知られる物理量の定義システム提案を行った。マクスウェルは王立研究所での講義に頻繁に出席し、マイケル・ファラデーと頻繁に接触していた。ファラデーはマクスウェルより40歳年上で、老齢の兆候も見られたため、2人の関係は親密とは言えなかった。それでも、お互いの才能を強く尊敬し合っていた。[78]
この時期は、マクスウェルが電気と磁気の分野で成し遂げた進歩で特に注目に値する。彼は1861年に発表された2部構成の論文「物理的な力線について」で、電場と磁場の両方の性質を検討した。その中で彼は、磁束の小さな回転細胞からなる電磁誘導の概念モデルを提示した。後にさらに2部が追加され、1862年初頭に同じ論文で発表された。最初の追加部分では、静電気と変位電流の性質について論じた。2番目の追加部分では、磁場内での光の偏光面の回転を扱った。これはファラデーによって発見され、現在ではファラデー効果として知られている現象である。[79]
後年、1865年～1879年
1865年、マクスウェルはロンドンのキングス・カレッジの教授職を辞し、キャサリンとともにグレンレアに戻った。彼は論文「調速機について」（1868年）で調速機（蒸気機関の速度を制御する装置）の挙動を数学的に記述し、制御工学の理論的基礎を確立した。[80]彼の論文「力の逆数、フレーム、図について」（1870年）では、さまざまな格子設計の剛性について論じた。[81] [82]彼は教科書「熱論」（1871年）と論文「物質と運動」 （1876年）を執筆した。マクスウェルはまた、 1871年に次元解析を明示的に使用した最初の人物でもあった。[83]
1871年に彼はケンブリッジに戻り、最初のキャベンディッシュ物理学教授となった。[84]マクスウェルはキャベンディッシュ研究所の発展の責任者となり、建物の建設の進捗と機器コレクションの購入のすべての段階を監督した。[85]マクスウェルの科学に対する最後の偉大な貢献の1つは、ヘンリー・キャベンディッシュの研究を（大量のオリジナルノートとともに）編集したことであり、それによると、キャベンディッシュは地球の密度や水の組成などの問題を研究していたことが明らかになった。 [86]彼は1876年にアメリカ哲学協会の会員に選出された。[87]
死
1879年4月、マクスウェルは嚥下困難に陥り、これが彼の致命的な病気の最初の症状となった。[88]
マクスウェルは1879年11月5日、腹部癌のため48歳でケンブリッジで亡くなった。[40]彼の母親も同じ年齢で同じ種類の癌で亡くなった。[89]彼の最後の数週間に定期的に彼を訪ねた牧師は、彼の明晰さと記憶力の驚異的な力と範囲に驚いたが、より具体的には次のように述べている。
... 彼の病気は、彼の心と魂と精神のすべてを引き出した。受肉とそのすべての結果、贖罪の完全な充足、聖霊の働きに対する彼の堅固で疑いのない信仰。彼は哲学のあらゆる計画と体系を測り、理解し、それらがまったく空虚で不満足なものであることを知った。「実行不可能」というのが彼自身の言葉だった。そして、彼は単純な信仰をもって救い主の福音に目を向けた。
死期が近づくと、マクスウェルはケンブリッジの同僚にこう語った。[50]
私は、自分がこれまでずっととても優しく扱われてきたことを考えてきました。これまでの人生で、乱暴に突き飛ばされたことは一度もありません。私が持つことのできる唯一の望みは、ダビデのように、神の意志に従って自分の世代に仕え、そして眠りにつくことです。
マクスウェルは、育った場所に近いギャロウェイのキャッスル・ダグラス近くのパートン教会に埋葬されている。[ 90 ]マクスウェルの元同級生で生涯の友人であるルイス・キャンベル教授による長編伝記『ジェームズ・クラーク・マクスウェルの生涯』は1882年に出版された。[91] [92]マクスウェルの全集は1890年にケンブリッジ大学出版局から2巻本で出版された。[93]
マクスウェルの遺産の執行者は、医師のジョージ・エドワード・パジェット、GGストークス、そしてマクスウェルの従兄弟のコリン・マッケンジーであった。仕事が多忙だったストークスはマクスウェルの書類をウィリアム・ガーネットに渡し、ガーネットは1884年頃まで書類の実質的な管理人であった。[94]
ウェストミンスター寺院の聖歌隊スクリーンの近くに彼を記念する碑文がある。[95]
私生活
スコットランドの詩をこよなく愛したマクスウェルは、詩を暗記し、自らも詩を書いた。[96]最もよく知られているのは『リジッド・ボディ・シングス』で、ロバート・バーンズの『ライ麦畑で』をベースとしており、ギターを弾きながら歌っていたらしい。冒頭の詩は次の通りである。[97]
ジン、ボディ、ボディが出会う
空を飛んで、
体をぶつけ、
飛ぶのでしょうか？そしてどこに？
彼の詩集は1882年に友人のルイス・キャンベルによって出版された。 [98]
マクスウェルの描写では、彼の驚くべき知的資質と社交的なぎこちなさが一致していたことが指摘されている。[99]
マクスウェルは科学者としての自身の行動について次のような格言を残しました。
人生を楽しみ、自由に行動したい人は、常にその日の仕事を目の前に持っていなければなりません。昨日の仕事ではだめです。絶望に陥らないように。明日の仕事ではだめです。夢想家にならないように。その日で終わるもの、つまり世俗的な仕事ではだめです。永遠に残るものでもだめです。それだけでは行動を形作ることができません。今日の仕事の中に人生の仕事のつながりのある部分、そして永遠の仕事の具体化を見出せる人は幸せです。彼の自信の基盤は不変です。なぜなら彼は無限の分け前にあずかっているからです。彼は日々の事業を精力的にこなします。なぜなら現在が彼に所有物として与えられているからです。[100]
マクスウェルは福音派長老派信者で、晩年にはスコットランド国教会の長老となった。[101]マクスウェルの宗教的信念とそれに関連する活動は、多くの論文の焦点となっている。[102] [103 ] [104] [105]子供の頃、スコットランド国教会（父親の宗派）と聖公会（母親の宗派）の両方の礼拝に出席していたマクスウェルは、1853年4月に福音派に改宗した。この改宗の一面は、彼を反実証主義の立場に導いた可能性がある。[104]
科学遺産
電磁気
マクスウェルは、1855年にケンブリッジ哲学協会で「ファラデーの力線について」という論文を発表した際に、電気と磁気について研究し、コメントしていました。[106]この論文では、ファラデーの研究と電気と磁気の関係を簡略化したモデルが提示されました。彼は、当時の知識のすべてを、20の変数を持つ20の方程式を持つ一連の微分方程式にまとめました。この研究は、後に1861年3月に「物理的な力線について」として出版されました。[107]
1862年頃、キングス・カレッジで講義していたマクスウェルは、電磁場の伝播速度が光速とほぼ等しいと計算した。彼はこれを単なる偶然以上のものだと考え、「光は電気現象と磁気現象の原因である同じ媒体の横波動から成り立っているという結論を避けることはほとんどできない」とコメントした。[1]
マクスウェルは、この問題をさらに研究し、方程式は、単純な電気実験から予測できる速度で空の空間を移動する振動する電場と磁場の波の存在を予測することを示しました。当時入手可能なデータを使用して、マクスウェルは毎秒310,740,000メートル（1.0195 × 10 9 フィート/秒）の速度を得ました。[108] 1865年の論文「電磁場の動的理論」で、マクスウェルは「結果の一致は、光と磁気が同じ物質の影響であり、光は電磁気法則に従って場を伝播する電磁気的擾乱であることを示しているようです」と書いています。[4]
彼の有名な20の方程式は、偏微分方程式の現代的な形で、 1873年に彼の教科書「電気と磁気の論文」で初めて完全に発展した形で登場しました。 [109]この研究のほとんどは、ロンドンでの職に就いてからキャベンディッシュの教授職に就くまでの期間に、グレンレアでマクスウェルによって行われました。[1] オリバー・ヘヴィサイドは、マクスウェルの理論の複雑さを4つの偏微分方程式にまで減らしました。[110]これらは現在、総称してマクスウェルの法則またはマクスウェル方程式として知られています。ポテンシャルは19世紀にはあまり人気がなくなりましたが、[111]スカラーポテンシャルとベクトルポテンシャルの使用は現在、マクスウェル方程式の解法の標準となっています。[112]
バレットとグライムズ（1995）は次のように述べている。[113]
マクスウェルは電磁気学を四元数の代数で表現し、電磁ポテンシャルを理論の中心に据えた。1881年、ヘヴィサイドは電磁ポテンシャル場を力場に置き換えて電磁理論の中心に据えた。ヘヴィサイドによれば、電磁ポテンシャル場は恣意的であり、「暗殺」する必要があった。(原文ママ) 数年後、ヘヴィサイドと[ピーター・ガスリー]テイト(原文ママ)の間でベクトル解析と四元数の相対的な利点について議論があった。その結果、理論が純粋に局所的であれば四元数によってもたらされるより深い物理的洞察は必要ないという認識に至り、ベクトル解析が一般的になった。
マクスウェルの考えは正しいことが証明され、光と電磁気学の定量的な関係は19世紀の数理物理学の偉大な業績の一つと考えられている。[114]
マクスウェルはまた、ファラデーが説明した力線と比較して、電磁場の概念を導入した。 [115]電磁気の伝播を活性粒子によって放出される場として理解することにより、マクスウェルは光に関する研究を前進させることができた。当時、マクスウェルは光の伝播には光波の媒体が必要であると考えており、これを光伝導エーテルと名付けた。[115]時が経つにつれ、全空間に浸透しながらも機械的手段では明らかに検出できないような媒体の存在は、マイケルソン・モーリーの実験などの実験と調和させることが不可能であることが判明した。[116]さらに、方程式が有効な絶対的な基準フレームが必要であるように思われ、移動する観測者に対して方程式の形が変わるという不快な結果となった。これらの困難は、アルバート・アインシュタインに特殊相対性理論を定式化するきっかけを与え、その過程で、アインシュタインは静止した光伝導エーテルの必要性を省いた。[117]
色覚
当時の物理学者の多くと同様、マクスウェルは心理学に強い関心を持っていた。アイザック・ニュートンやトーマス・ヤングに倣い、特に色覚の研究に関心を持っていた。1855年から1872年にかけて、マクスウェルは色の知覚、色盲、色彩理論に関する一連の研究を定期的に発表し、 「色覚理論について」でランフォード賞を受賞した。 [118]
アイザック・ニュートンはプリズムを使って、太陽光などの白色光は多数の単色成分から構成されていて、それらを再結合すると白色光になることを実証した。[119]ニュートンはまた、黄色と赤で作ったオレンジ色の塗料は、2つの黄色と赤の単色光でできているにもかかわらず、単色のオレンジ色の光とまったく同じように見えることを示した。これが当時の物理学者を困惑させたパラドックスである。2つの複合光（複数の単色光で構成）は、見た目は似ているが物理的には異なることがあり、これをメタメアと呼ぶ。トーマス・ヤングは後に、このパラドックスは色が目の限られた数のチャネルを通じて知覚されることで説明できると提唱し、その数は3つであると提唱した[120]三色色理論。マクスウェルは当時開発された線型代数を使ってヤングの理論を証明した。3つの受容体を刺激する単色光はどれも、3つの異なる単色光のセット（実際には、3つの異なる光のセットであればどれでも）によって等しく刺激されるはずである。彼はそれが事実であることを実証し、[121]色合わせ実験と色彩測定法を発明した。
マクスウェルは色覚の理論を応用することにも興味を持っていた。それはカラー写真である。色覚に関する心理学的研究から直接派生したものである。3つの光の合計が知覚可能な色を再現できるのであれば、3色のフィルターのセットでカラー写真が作れる。1855年の論文の中で、マクスウェルは、ある風景の白黒写真3枚を赤、緑、青の フィルターを通して撮影し、同様のフィルターを備えた3台のプロジェクターで画像の透明プリントをスクリーンに投影すると、人間の目には画面上で重ね合わせたときに、その風景のすべての色が完全に再現されたものとして知覚されるだろうと提案した。[122]
1861 年に王立研究所で行われた色彩理論に関する講義で、マクスウェルは、この 3 色分析と合成の原理によるカラー写真の実演を世界で初めて行いました。写真を撮影したのは、一眼レフカメラの発明者であるトーマス サットンです。彼はタータンリボンを赤、緑、青のフィルターを通して 3 回撮影し、さらに黄色のフィルターを通して 4 枚目の写真を撮影しました。マクスウェルの説明によると、黄色のフィルターは実演には使用されませんでした。サットンの写真乾板は赤には感度がなく、緑にはほとんど感度がなかったため、この先駆的な実験の結果は完璧とはほど遠いものでした。この講義の公開された説明では、「赤と緑の画像が青と同じように完全に撮影されていたら」と述べられており、「リボンの真に色付けされた画像になっていただろう。屈折しにくい光線に対してより感度の高い写真材料を見つけることで、物体の色の表現が大幅に改善される可能性がある」とされています。[77] [123] [124] 1961年の研究者らは、赤色フィルターを使った露光が部分的にしか成功しなかったのは、一部の赤色染料によって強く反射される紫外線が赤色フィルターによって完全に遮断されず、サットンが採用した湿式コロジオン法の感度範囲内にあったためだと結論付けた。[125]
運動論と熱力学
マクスウェルは気体の運動論も研究した。ダニエル・ベルヌーイに端を発するこの理論は、ジョン・ヘラパス、ジョン・ジェームズ・ウォーターストン、ジェームズ・ジュール、そして特にルドルフ・クラウジウスの連続的な研究によって、その一般的な正確さに疑いの余地がないほどにまで発展したが、この分野では数学者であると同時に実験家（気体の摩擦の法則）としても登場したマクスウェルによって、この理論は大きく発展した。[126]
1859年から1866年にかけて、彼は気体粒子の速度分布の理論を考案し、この研究は後にルートヴィヒ・ボルツマンによって一般化された。[127] [128]マクスウェル・ボルツマン分布と呼ばれるこの式は、任意の温度で特定の速度で運動する気体分子の割合を与える。運動論では、温度と熱は分子運動のみに関係する。このアプローチは、以前に確立された熱力学の法則を一般化し、既存の観察と実験をこれまでよりも優れた方法で説明した。彼の熱力学に関する研究は、マクスウェルの悪魔として知られるようになった思考実験を考案することにつながった。これは、粒子をエネルギーによって分類できる架空の存在によって熱力学の第二法則が破られるというものである。 [129]
1871年に彼はマクスウェルの熱力学関係式を確立した。これは、異なる熱力学的変数に関する熱力学的ポテンシャルの2次導関数間の等式を述べたものである。1874年に彼は、アメリカの科学者ジョサイア・ウィラード・ギブスのグラフィカル熱力学論文に基づいて、相転移を調査する方法として石膏熱力学可視化を構築した。[130] [131]
制御理論
マクスウェルは、王立協会紀要第16巻（1867-1868年）に「調速機について」という論文を発表しました。 [132]この論文は、制御理論の初期の中心的な論文と考えられています。[133]ここで「調速機」とは、蒸気機関を制御するために使用される調速機または遠心調速機を指します。
栄誉
出版物
- マクスウェル、ジェームズ・クラーク（1873）『電気と磁気に関する論文第1巻』オックスフォード：クラレンドン・プレス
- マクスウェル、ジェームズ・クラーク（1873）『電気と磁気に関する論文第2巻』オックスフォード：クラレンドン・プレス
- マクスウェル、ジェームズ・クラーク（1876年）、「Matter and Motion」、ロンドンおよびニューヨーク：キリスト教知識促進協会およびポット、ヤング＆カンパニー。
- マクスウェル、ジェームズ・クラーク（1881）、電気に関する初等論文、オックスフォード：クラレンドン・プレス
- マクスウェル、ジェームズ・クラーク（1890）、ジェームズ・クラーク・マクスウェルの科学論文第1巻、ドーバー出版
- マクスウェル、ジェームズ・クラーク（1890）、ジェームズ・クラーク・マクスウェルの科学論文第2巻、ケンブリッジ大学出版局
- マクスウェル、ジェームズ・クラーク（1908）、熱理論、ロングマンズ・グリーン社。[134]
- マクスウェルのブリタニカ百科事典への寄稿のうち3つは第9版（1878年）に掲載されました：原子[135] 、引力[136]、エーテル[ 137] 、そして第11版（1911年）に掲載されました：毛細管現象[138] 、図[139]、マイケル・ファラデー[140]
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、ジェームズ・クラーク・マクスウェルに関連するメディアがあります。
Wikiquote にジェームズ・クラーク・マクスウェルに関する引用があります。
ウィキソースには、ジェームズ・クラーク・マクスウェルに関する原著作品があります。
- ロンドンのナショナル ポートレート ギャラリーにあるジェームズ クラーク マクスウェルの肖像画
- プロジェクト・グーテンベルクのジェームズ・クラーク・マクスウェルの作品
- インターネット アーカイブにある James Clerk Maxwell の著作または James Clerk Maxwell に関する著作
- LibriVoxの James Clerk Maxwell の作品(パブリック ドメイン オーディオブック)
- オコナー、ジョン J.、ロバートソン、エドマンド F.、「ジェームズ・クラーク・マクスウェル」、マクチューター数学史アーカイブ、セント・アンドリュース大学
- 「ジェームズ・クラーク・マクスウェル（1831-1879）の系図と紋章」。Numericana。
- 「ジェームズ・クラーク・マクスウェル財団」。
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- 「ジェームズ・クラーク・マクスウェルの出版された科学論文と書籍」(PDF)。クラーク・マクスウェル財団。
- 「参考文献」（PDF）。クラーク・マクスウェル財団。
- ジェームズ・クラーク・マクスウェル、「目で知覚される色に関する実験、および色盲に関する考察」。エディンバラ王立協会紀要、第 3 巻、第 45 号、299 ～ 301 ページ。(リンダ ホール図書館からのデジタル複製)
- マクスウェル、BBCラジオ4でのサイモン・シェーファー、ピーター・ハーマン、ジョアンナ・ヘイとの討論（In Our Time、2003年10月2日）
- スコットランドのアインシュタイン：ジェームズ・クラーク・マクスウェル - 世界を変えた男、BBC Two ドキュメンタリー 2015 年。