James Clerk Maxwell

Figlio di un avvocato di una famiglia della nobiltà terriera scozzese, i Clerk di Edimburgo, che si era imparentata varie volte per matrimonio con i Maxwell di Middleby, i quali, a loro volta, discendevano da un figlio illegittimo dell’ottavo Lord di Maxwell. Il padre di James aveva cambiato il proprio nome da John Clerk in John Clerk Maxwell per poter ereditare una certa proprietà che i Clerk non potevano acquistare a causa di cavilli legali.

Crebbe in campagna, rivelando precocità di interessi e un’eccezionale abilità nel costruire e usare piccole apparecchiature. Secondo i progetti dei genitori, avrebbe dovuto essere istruito a casa fino all’Università, ma la morte della madre quando aveva otto anni sconvolse questi piani e quindi entrò all’Accademia di Edimburgo, dove incontrò il quasi coetaneo Peter Guthrie Tait, amico di scuola e di tutta la vita.

Così Tait descrive gli anni scolastici di Maxwell: agli inizi era molto timido e veniva considerato ottuso, non aveva amicizie e passava le vacanze leggendo vecchie ballate, disegnando curiosi diagrammi e costruendo modelli meccanici. Queste occupazioni incomprensibili ai suoi compagni, allora completamente ignoranti in matematica, gli procurarono il soprannome di ‘Dafty’ (sciocco). In seguito stupì i suoi compagni diventando uno dei più brillanti, vincendo premi, e anche primi premi, per matematica e poesia…

A quattordici anni scrisse un saggio sul tracciamento delle curve ovali, dove generalizza l’ellisse e tratta di curve con più di due fuochi, che venne parzialmente pubblicato negli atti della Royal Society di Edimburgo. Non era del tutto originale, in quanto già Cartesio aveva trattato l’argomento, ma sempre notevole per un ragazzo di quell’età. Un altro grande amico dei tempi di scuola fu Lewis Campbell, poi professore di greco alla St. Andrew’s University, che scriverà interessanti biografie di Maxwell, ricche di ricordi personali.

Nel 1847 entra all’Università di Edimburgo, dove studia matematica, filosofia naturale (cioè fisica, con Forbes), logica, chimica e filosofia (con William Hamilton, logico che influenzò molto la formazione del giovane Maxwell, da non confondere coll’omonimo matematico che incontrò più tardi a Cambridge). Nel 1850, senza avere conseguito il diploma, passa a Cambridge, dove allaccia rapporti destinati a durare a lungo con William Thomson, il futuro Lord Kelvin. Portava a Cambridge una mole immensa di conoscenze per un giovane studente, ma sembra alquanto disordinate. Il suo tutore fu William Hopkins, uno dei migliori insegnanti di matematica di Cambridge, già insegnante di George Stokes che ora teneva i corsi di idrodinamica assiduamente seguiti da Maxwell e Thomson.

Fu eletto membro del “club degli Apostoli”, club intellettuale che riunisce i dodici (da cui il nome) migliori studenti del Trinity College. I saggi scritti per i seminari al Club testimoniano la sua riflessione epistemologica sulla scienza, ma anche sull’arte e sulla morale. Thomson descrive così gli anni di Università: gli studenti pranzavano insieme alla stessa tavola e Maxwell discuteva con i migliori, impressionando, nonostante la sua timidezza e qualche eccentricità, per la sua personalità più che per i contenuti dei suoi discorsi, che i più non erano in grado di seguire, anche per i frequenti salti da un argomento ad un altro…

Maxwell si diplomò al Trinity College nel 1854 e vi rimase fino al 1856; in questo periodo estese e formulò matematicamente le teorie di Faraday sulle linee di forza del campo elettrico e magnetico. Il suo lavoro On Faraday’s lines of force fu letto alla Cambridge Philosophical Society in due parti nel 1855 e 1856.

Nel 1856 il padre si ammalò e Maxwell, per poter passare più tempo con lui, fece domanda per insegnare al Marischal College di Aberdeen, ma il padre morì in aprile. Ottenne tuttavia il posto e iniziò ad insegnare in novembre.

Il tema proposto per il Premio Adams del 1857 sul sistema degli anelli di Saturno lo interessò immediatamente perché aveva trattato l’argomento da studente ad Edimburgo. Decise di partecipare e nel suo trattato mostrò che la stabilità degli anelli poteva essere ottenuta solo se essi erano costituiti da numerose particelle solide, una ipotesi poi confermata dalla sonda Voyager. Il suo saggio gli valse l’assegnazione del premio e lo rivelò come uno dei maggiori fisici-matematici del suo tempo. Scrisse Airy: It is one of the most remarkable applications of mathematics to physics that I have ever seen.

Nel 1859 sposò Katherine Mary Dewar, figlia del direttore del College. Quando il Marischal College si fuse con il King’s College per formare l’Università di Aberdeen non c’era posto per due professori di Filosofia Naturale e, nonostante la sua buona reputazione, perse il posto. Fece domanda per ottenere la cattedra di Filosofia Naturale all’Università di Edimburgo, resa vacante dal trasferimento del suo vecchio insegnante Forbes. Sembrava che la fortuna sorridesse a Maxwell che poteva così tornare alla città natale e per questo chiese a Faraday una lettera di presentazione, ma nonostante gli straordinari risultati scientifici già raggiunti, tra i quali la teoria dei colori primari, il posto fu assegnato all’amico Tait.

Le motivazioni della mancata nomina non sono chiare, ma sembrano essere legate alla legittima richiesta di saper insegnare anche nella ipotesi di una conoscenza imperfetta o di una totale ignoranza da parte degli allievi. Maxwell non era però certamente un cattivo insegnante, scrive infatti Stokes nel 1854: …fui colpito dalla esposizione singolarmente lucida – e anche Fleming: Maxwell sapeva troppo ed era troppo originale per dare il meglio nell’insegnamento elementare, ma per quelli che lo potevano seguire era una delizia.

Dal 1860 al 1865 fu docente al King’s College di Londra e in questi anni effettuò il suo maggior lavoro sperimentale. Le mansioni di Professore richiedevano nove mesi di lezioni all’anno e anche lezioni serali per artigiani, operai e per il popolo.

Nel 1861 viene eletto membro della Royal Society, dalla quale aveva ricevuto la Medaglia Rumford nel 1860 per i suoi studi sul colore. Infatti dal 1855 al 1872 pubblicò una serie di ricerche sulla percezione e teoria dei colori.

Propose anche la realizzazione della fotografia a colori, riprendendo una immagine attraverso filtri rossi, verdi e blu e proiettando le lastre simultaneamente su di uno schermo usando luci con filtri degli stessi colori. Durante una conferenza alla Royal Society fece fotografare tre volte un tartan scozzese mettendo sopra l’obiettivo tre filtri dei diversi colori. Le tre immagini furono poi sviluppate e proiettate su uno schermo con tre proiettori differenti. Una volta messe a fuoco sullo stesso punto, ne scaturì l’immagine a colori, la prima nella storia anche se alquanto deludente per la scarsa sensibilità delle lastre usate al verde e la quasi totale insensibilità al rosso. Nel resoconto Maxwell scrisse: trovando materiali fotografici più sensibili ai raggi meno rifrangibili la rappresentazione dei colori sarebbe grandemente migliorata.

Spicca in quegli anni a Londra la sua costante frequentazione con Michael Faraday, di 40 anni più vecchio.

Nello stesso periodo calcolò la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche da lui ipotizzate. Misure della velocità delle correnti elettriche erano state effettuate alcuni anni prima dai tedeschi Weber e Kohlrausch. Usando i valori da essi pubblicati, Maxwell calcolò che la velocità delle ipotetiche onde elettromagnetiche doveva essere circa 311.000.000 m/s. Egli fu immediatamente colpito dal fatto che questo numero era molto vicino a quello ottenuto nella misura di una velocità molto nota in fisica. Infatti nel 1849 Fizeau aveva misurato la velocità della luce ottenendo un valore di circa 315.000.000 m/s. Questa somiglianza poteva essere puramente casuale, ma Maxwell pensò che dovessero esistere ragioni più profonde perché questi due numeri fossero quasi gli stessi. Si rese conto immediatamente che si trattava di una scoperta fondamentale e scrisse: la velocità delle onde trasversali nel nostro ipotetico mezzo, calcolata dagli esperimenti dei signori Kohlrausch e Weber, si accorda così bene con il calcolo della velocità della luce fatto sulla base degli esperimenti ottici del signor Fizeau, che non possiamo fare a meno di dedurre che la luce consiste di onde trasversali di quello stesso mezzo che è la causa dei fenomeni elettrici e magnetici.

Costretto ad abbandonare l’insegnamento, ufficialmente per ragioni di salute, si ritirò nella sua villa di Glenlair, dalla quale si allontanò solo per compiere alcuni viaggi, tra i quali uno in Italia. In tale occasione imparò anche l’italiano per potere conversare con Carlo Matteucci, noto fisico di Pisa, già ministro della Pubblica Istruzione.

Fu durante il soggiorno a Glenlair che completò la sua teoria cinetica dei gas (Theory of Heat, 1871) e scrisse il Trattato sull’elettricità e il magnetismo (1873), che contiene completamente sviluppata la teoria della luce e del campo elettromagnetico e le equazioni ora note come “equazioni di Maxwell”. Questi due trattati sono considerati i massimi traguardi della fisica “classica” ottocentesca.

Nel 1871 gli venne offerta la prima cattedra di fisica sperimentale all’Università di Cambridge e la direzione del nuovo Cavendish Laboratory, che accettò, anche se inizialmente era riluttante. Uno degli impegni che lo occuparono in questo periodo fu la redazione dell’edizione delle opere di Henry Cavendish, pubblicata nel 1879 (The Electrical Researches of the Honourable Henry Cavendish) che costituisce uno dei più importanti capitoli della storia dell’elettricità. Si occupò anche della spiegazione del funzionamento del radiometro di Crookes, ultimo suo lavoro pubblicato in vita.

Dal 1873 divenne curatore scientifico della Enciclopedia Britannica, per la quale scrisse numerose voci dimostrando il suo interesse e impegno per la divulgazione della cultura scientifica. Ottenne in questi anni numerosi riconoscimenti fuori dalla Gran Bretagna, tra queste la medaglia Volta e la laurea honoris causa dall’Università di Pavia, e venne eletto membro di numerose istituzioni ed accademie scientifiche.

Continuò ad insegnare per tutto il trimestre del 1879 anche se le sue condizioni di salute peggioravano e in estate tornò, insieme alla moglie pure ammalata, a Glenlair. Tornò a Cambridge e morì il 5 novembre, a 48 anni, di tumore intestinale.

Unanimemente riconosciuto come uno dei giganti della fisica di tutti i tempi, al pari di Galileo, Newton, Einstein, non è tuttavia così noto al grande pubblico, forse perché la sua biografia è racchiusa tutta nel suo lavoro scientifico, con poche digressioni nell’aneddottica o in campi diversi, e pur lasciando importanti contributi in tutti i settori della fisica, questi sono spesso troppo specialistici per potere essere facilmente letti e compresi.

I suoi principali lavori sono: Matter and Motion (1876, traduzione italiana nel 1881 di Giovanni Cantoni, professore di fisica a Pavia, Materia e moto ristampato dall’Università di Pavia nel 1993); A Dynamical Theory of the Electromagnetic field (1865, Una teoria dinamica del campo elettromagnetico, Ed. Teknos, Roma 1996); Treatise of Electricity and Magnetism (1874, Trattato di Elettricità e Magnetismo, UTET, Torino 1973); Theory of Heat (1871).

Grande amante della poesia scozzese, compose anche alcune liriche pubblicate da Lewis Campbell nel 1882 (Maxwell, James Clerk. Poesie (1844-1878), collana "Supernovae", Archivio Dedalus edizioni, Milano 2013)