James Clerk Maxwell: Hayatı ve Keşifleri

Modern matematiksel fiziğin tarihinde üç kilit isim vardır: Isaac Newton, Albert Einstein ve James Clerk Maxwell. Edinburgh'da doğan Maxwell'in doğa felsefesi, İskoç Aydınlanması'ndan, Sanayi Devrimi, Alman felsefesi ve romantizmden, Cambridge Üniversitesi matematiksel fiziğinden ve Viktoryen imparatorluk kültüründen etkilenmiştir. Üstelik Maxwell'in doğa felsefesi birçok farklı inceleme alanlarının bileşkesiydi: Matematik, deneysel fizik, metafizik, mantık, dil felsefesi, teorik ve bilişsel psikoloji, estetik, dekoratif tasarım, doğa teolojisi ve kişisel teoloji, elektrik ve makine mühendisliği, siyasi ekonomi, görme ve hareketin fizyolojisi.

James Clerk Maxwell Kimdir?

Maxwell'in fiziğe katkıları renk teorisi ve optik, elastik katıların ve akışkanların mekaniği, gökbilimi, gazların moleküler fiziği ve en önemlisi elektromanyetizmadır. Bu katkıları matematiksel ustalığı, dilin ve yöntemlerin bilinçli kullanımı, birlik ruhu, doğal görüngüleri ve soyut matematik teorilerini kavramada hayal gücünün ölçülü kullanımının bileşimiyle nitelenirler. Arkadaşı ve biyografi yazarı Lewis Campbell'e göre, Maxwell bilimsel sanayi, felsefi kavrayış, şiirsel his ve hayal gücü ve çoşkulu mizahın "harika bir bileşimi" idi.

James Clerk Maxwell İskoçya, Midlothian kırsal bölgesindeki Penicuikli hatırı sayılır bir Clerk ailesinin oğluydu; Maxwell soyadının Clerk'e eklenmesi, Maxwell adlı aileye ait arazinin babasına miras kalmasından sonra kanunen gerçekleşti. Büyük-büyük babası Hollandalı fizikçi Hermann Boerhaave nezaretinde tıp okumuştu; hocasıyla da besteler yapmıştı. Newton yorumcusu İskoçyalı matematikçi Colin Maclaurin ile ortaklaşa çalışmış, titiz bir sanat eksperi ve gayretli bir koleksiyoncu olmuştu.

Hamilik yaptığı İskoçyalı mimar ve farmason William Adam ile Palladio tarzı en görkemli evlerden birini tasarladı ve yenilikçi bir tarzda mimarlık ve yeraltı mimarisi bakışıyla madencilik üzerine yazdı. Büyük-büyük amcası özellikle peyzaj ve mimaride uzmanlaşmış teknik ressam ve oymacıydı; mineraloji, jeoloji ve madencilikte, James Hutton'ın Theory of the Earth (Yerküre Teorisi) adlı eserinin diyagramları ve illüstrasyonları dahil, onun jeolojik çalışmalarına katkıda bulunmuş bir uzmandı.

Amcası imparatorluk ağırlık ve ölçü standartlarını hazırlayan heyetin başındaydı. Babası arazi sahibiydi, teknolojik ve bilimsel gelişmelerle ilgilenen bir avukattı, yeni bir baskı makinesi tasarlamıştı. Oğlunu Edinburgh Kraliyet Cemiyeti ve İskoç Kraliyet Sanat Cemiyeti'ndeki toplantılara götürdü.

Annesinin o henüz çok küçükken 1839 yılında gerçekleşen ölümünden sonra yanlarında yaşadığı kuzeni Jemima Wedderburn, William Thomson'ın (daha sonra Lord Kelvin) Glasgowlu meslektaşı matematikçi Hugh Blackburn ile evlenmişti. Suluboya resimleri ve Viktoryen çizimleri ile başarılı bir ressam olan kuzeni Jemima Ruskin, Millais ve Landseer gibi ressam tanıdıkları tarafından takdir edilirdi.

Böylece Maxwell henüz erken yaşta zengin sosyal, kültürel ve entelektüel bir çevrenin parçası olmuştu. Din de önemliydi. Maxwell hem babasının İskoç Presbiteryen inancını, hem de halası Jane Cay'in Episkopalyan inancını deneyimledi. Bunlar Yaratıcıyı eseri aracılığıyla tanımak ve yüceltmek için doğayı araştırma ve anlamada yeniliklerin kullanımını destekleyerek dünya hakkında bilgi sahibi olmanın değerini vurguluyordu. Bu da bilhassa hayali ve maddi modellerin ve aletlerin tasarımını, yapımını ve kimyasal maddelerin ve nesnelerin deneysel manipülasyonunu temel alıyordu.

James Clerk Maxwell'in Eğitim Hayatı

10 ve 16 yaşları arasında Maxwell saygın Edinburgh Akademisi'ne devam etti; burada çizim ve şiir yeteneği hemen ortaya çıkmış, yetkin bir geometri uzmanı olmuş ve amatör bilimsel çalışmalar yapmaya başlamıştı. Bilimsel modellere duyduğu sevginin izleri çocukluğundaki oyunlar ve oyuncaklarına kadar sürülebilir. 1847 yılında Edinburgh Üniversitesi'ne girdi, edebiyat okumak için kayıt oldu ve sonra Britanya Bilimsel İlerleme Derneği'nin kurucularından biri olan akrabası doğa felsefecisi James Forbes himayesinde üç yıl doğa felsefesi eğitimi aldı. Kimya, Cambridge tarzı matematik, retorik, Aristoteles ve Kant mantığı ve metafiziği öğrendi.

Daha sonra Cambridge'e geçti, burada çokyönlü bilim insanı, Trinity College hocası, idealist bir tarihçi ve bilim felsefecisi, mimarlik tarihçisi, şair, ahlak kuramcısı ve eğitimci William Whewell'den etkilendi. Maxwell Alman romantizminin metafizik kültürünü, klasikleri, teoloji, entelektüel ve duygusal bağlanmayı Trinity'den öğrendi. Cambridge Apostles adıyla bilinen gizli tartışma derneğine üye olmuş ve teolog F. D. Maurice yönetimindeki, Hristiyan sosyalistlerden ilhamla açılmış Working Men's College'da ders vermişti.

Maxwell 1854 yılında mezun olduğunda, babasının ölümüyle, kendisine miras kalan İskoçya'daki arazilerin başına geçti. 1856 yılında, Aberdeen'deki Marischal College'da görev aldı. İşçilere ders vermeye devam etti ve müdürün kızı Katherine Dewar ile evlendi. 1860'ta görev iptal edilince Maxwell Londra'daki King's College'a geçti. Burada İngiliz Bilim Derneği'nin Thomson (Kelvin) önderliğindeki, İngiltere'de yeni elektrik standartları kurma girişimine katıldı. Thomson bilimsel hayatını geniş kullanım alanı olan ama dar çerçevede planlanmış matematiksel, deneysel ve teknolojik uygulamalara adamıştı. Görüşüne göre, yeni Viktoryen ekonomiyi anlama, öngörme ve yönetmedeki zorlu görev mümkün olduğunca çok ölçüm yapmakta yatıyordu.

Maxwell'in Renk Teorisi Keşfi

Maxwell de aynı düşünceyi üretimden ziyade, doğal döngülere uygulamak istedi – bunların da ölçümü mevcut kabullere dayanan türdeşlik, genellik ve kesinlik dili gerektiriyordu. Bu gelenek Thomson'ın Glasgow laboratuvarını ayakta tutan yeni telgraf kablo ağı, hassas ölçüm aletleri üretimi ve hatta İngiliz İmparatorluğu için elzemdi. 1871 yılında Maxwell Cambridge'e deneysel fizik profesörü ve Cavendish Laboratuvarı'na müdür atandı. Elektrik birimlerinin kısmi standardizasyonunu devam ettirecek bu laboratuvar, içine elektro-teknik atölyesini de katan Maxwell'in tasarımıyla özel olarak kurulmuştu. Annesi gibi erken yaşta mide kanserinden öldüğü 1879 yılında halen bu laboratuvarda çalışıyordu.

Renk teorisi alanına ise öğrenciliğinde Edinburgh'ta sık görülen renk körlüğünü araştırarak girmişti. Ana renkleri – sıklıkla kırmızı, mavi ve sarı – karıştırarak renklerin yaratılmasına dair o eski sanatsal sorunu araştırırken 'coğrafi bir yöntem' tesis etmişti. Bu yöntem onu öznel bir görüngünün genel ve kesin nesnel temsiline götürdü: Yani her rengi, renk üçgeninde işaretleyen bir koordinat sistemi (harita) ve her renk için üç yeni ana rengin yani kırmızı, yeşil ve morun miktarları üzerinden bir denklem. Maxwell'in teorisi deneysel sonuçlara dayanıyordu.

Cambridge'de lisans eğitimi esnasında (kendisi de renkler arasındaki matematiksel oranları savundu) renklerin niceliksel karışımını David Hay'in sağladığı standartlarla incelemek için dönen renk diskleri ve de farklı renklerin spektral ayrışmasını analiz etmek içinse oyun evlerine benzer renk kutuları tasarlamıştı. Alman fizyoloji literatüründeki görüş alanı fikrinden yola çıkarak "renk alanı" fikrini ileri sürdü. Böylece Thomas Young'ın 1802 tarihli renk görüşündeki üç-reseptör teorisi önerisini kanıtlıyordu. Maxwell, Kraliyet Enstitüsü'nün 1861 tarihli konferansında Young'ın teorisini örneklemek için ilk renkli fotoğrafı yansıtmayı başardı.

Elektromanyetik Dalgalar Buluşu

Bilime yaptığı en ünlü katkısında mekanik ve optiği birleştirmiştir. Matematiksel elektromanyetizma teorisini, kuvvet ve enerjinin elektrik ve manyetik alanları üzerinden açıklamıştır. Maxwell, Michael Faraday'in deneysel sonuçlarını benimsedi. Onun elektrik ile manyetizma arasındaki ilişkiye ve manyetizmanın rotasyonel doğasına dair tanımlarını ve elektrik ve manyetik kuvvetlerin polar karşıt durumların gerilimindeki kuvvet eğrileri boyunca art arda etki ettiği fikrini benimsedi. Maxwell (ve Thomson) bitişik hareketin fiziğini matematiksel olarak ifade edebilmek için, Newton'ın belli bir mesafeden etki modelinin tersine, nedensel bitişik etkinin bir temsili olarak diferansiyel denklemleri kullandı.

Böylece Maxwell iş yapma kapasitesine göre ölçülen enerjiyi saklayan, iletişimi sağlayan ve görünmez bir kas gibi uzaya yayılan mekanik esirin mevcudiyeti fikrine dayanarak, uzaydaki her noktada geçerli olan ve kuvvet ve enerji alanlarına dayanan birleşik elektromanyetizma teorisini formüle etti. Elektromanyetizma ve esir anlayışına akışkan debi tüpleri biçiminde hayali mekanik gerilim ve enerji modelleri üzerinden yaklaştı.

1861 yılında yuvarlanma temâsındaki dönen mikroskobik girdaplar ile elektromanyetik esirin moleküler modelini sundu. Teori, elektromanyetik dalgaların mevcudiyetini ve ışığın deneysel hızına çok yakın olan yayılma hızının değerini öngörüyordu. Maxwell bu eşitlikten yola çıkarak, ışığın elektromanyetik bir dalga olması gerektiğini ve böylece optiğin elektromanyetizmaya indirgenebileceğini buldu. Bu nedenle Maxwell sıklıkla kendi çağının en önemli bilim insanı –ve Newton ve Einstein'dan sonra gelmiş geçmiş en büyük fizikçi– diye anılır.

Zamanla Maxwell tamamlanmamış elektromanyetik etkinin iletiminin mekanik moleküler temsili yerine daha güvenli şekilde genel ilkelerden gelen genel açıklamalara bağlı kalmayı tercih etti. Fikirleri 1873 yılında en büyük eseri A Treatise on Electricity and Magnetism (Elektrik ve Manyetizma Üzerine İnceleme) adlı eserinde derlendi. Moleküler fizik uygulamaları gökbiliminden mikroskobik moleküllere kadar uzanıyordu.

Maxwell, Albert Einstein'ın Yolunu Açıyor

Satürn'ün halkalarının sabitliğinin gezegenin çevresinde farklı uzaklıklarda dolanan sınırsız sayıdaki küçük bağımsız taneciklerin hızı üzerinden açıklayabilmişti. Bu döner model gazların dinamik teorisindeki sıcaklık, basınç ve akışmazlık gibi makroskobik özelliklerinin istatiksel moleküler incelemelerine olan ilgisini artırdı. Termodinamik davranışla ilgili çalışması esirdeki bitişik elektromanyetik mekanik iletimin döner moleküler modeline esin kaynağı oldu.

Her ne kadar bu yeni moleküler modeller sonunda kısmen başarısız olduysa da –20. yüzyılda kuantum mekaniğinin gelişine kadar– özdeş molekül popülasyonunun grup özelliklerini ve büyük sistemlerin davranışlarını tanımlayan olasılık teorisine dayanan istatiksel yöntemin kullanımını perçinledi; zira şimdiye kadar kullanılan "tarihi yöntemi", dinamik yöntemin aksine sadece mikroskobik seviyedeki bireysel moleküllerin özelliklerini ve evrimini tanımlıyordu.

Maxwell fiziğe dair bu yaklaşımını tanımlarken "istatistiksel" mekanik terimini ilk kez kullanmasıyla bilinir. (Thomson'un verdiği isimle) Maxwell'in Cini (ya da Maxwell'in Şeytanı) moleküler boyutun kurgusal varlığıydı, moleküler düzeyde ısının sıcaktan soğuğa akışını tersine çevirmenin mümkün olduğunu gösteren bu düşünce deneyiyle yarattığı, Alice'in bilimsel haliydi. Thomson'ın termodinamiğin ikinci yasasında tanımladığı tersinmez makroskobik sürecin sadece istatiksel kesinliği olabileceğini ortaya koydu.

Bu nedenle Maxwell'in sürekli kuvvetler teorisi ve ayrık madde teorisi üzerinden fiziğe yaptığı katkıları, mekanik dünya görüşünün ve doğa felsefesi geleneğinin büyük zirvelerini temsil eder. Bunlar 20. yüzyılın başında Albert Einstein'ın görelilik teorisi ve kuantum fiziğine giden yolu açmıştır.

James Clerk Maxwell Sözleri

1. "Tümüyle bilinçli cehalet, bilimdeki her gerçek ilerlemenin başlangıcıdır."
2. "Herhangi bir konunun öğrencisinin, o konudaki orijinal anıları okuması büyük bir avantajdır, çünkü bilim henüz gelişme aşamasındayken daima tamamen asimile olmuş haldedir…"
3. "İnsanı kendi görüntüsünde yaratan ve onu seni arayacak ve canlılarının üzerinde egemen olacak yaşayan bir ruh haline getiren Yüce Tanrı, bize senin ellerinin eserlerini incelemeyi öğret, böylece dünyayı ihtiyaçlarımıza boyun eğdirebiliriz ve sana hizmet etmenin nedenini güçlendirebiliriz;"
4. "Artık çok azımız, büyük Descartes gibi filozofların bile Newton'ın cisimlerin hareketinin gerçek yasalarını açıklamasından önceki günlerde bulunduğu zihinsel duruma yerleştirebiliriz."

James Clerk Maxwell Hakkında Sık Sorulanlar