20. yüzyılın başlarında elektromanyetizma ve ışık konusundaki teorik çalışmaları, fiziğin geleceğini şekillendirmede büyük bir rol oynadı. Albert Einstein’ın ifadesiyle, James Clerk Maxwell ile bir bilimsel dönem sona erdi ve yeni bir dönem başladı.
13 Haziran 1831’de Edinburgh, İskoçya’da doğan James Clerk, daha sonra soyadına eklenen Maxwell olarak bilinen ünlü bir bilim adamıydı. Genç yaşta bir matematik dehası olarak dikkat çeken Maxwell, eğitimine Edinburgh Akademisi’nde başladı. Geometriye olan ilgisi ve matematik alanındaki yeteneği, onun bilimsel çalışmalarında büyük bir avantaj sağladı. Maxwell, 1847’de Edinburgh Üniversitesi’ne kaydoldu ve bu dönemde genç yaşına rağmen birkaç makalesi daha yayınlandı.
Maxwell, Cambridge Üniversitesi’ne transfer olduğu 1850’de örnek bir öğrenci olarak biliniyordu ve çeşitli ödüller, Smith Ödülü de dahil olmak üzere kazandı. 1854 yılında mezun olduktan sonra Trinity College bursunu kabul etti. Arkadaşlarıyla Maxwell, hayatı boyunca araştırmalarına odaklanacağı iki önemli konuyu keşfetmeye başladı: renk ve manyetizma.
Bu çalışmaları, 1855’te “Renk Körlüğü Üzerine Göz Tarafından Algılanan Renk Üzerine Deneyler” ve “Faraday’ın Güç Çizgileri Üzerine” adlı iki makalesinin yayınlanmasıyla sonuçlandı. Aynı yıl, Maxwell, Royal Society of Edinburgh üyeliğine seçildi ve bir sonraki yıl Aberdeen Üniversitesi Marischal Koleji’nde doğa felsefesi profesörü olarak atandı. Maxwell, meslektaşı aracılığıyla tanıştığı Katherine Mary Dewar ile 1858’de evlendi, ancak bu mutlulukları babasının ölümünden kısa bir süre önce gerçekleşti. Maxwell, aile mülkünü miras aldı.
Aberdeen’deki yılları boyunca Maxwell, çeşitli alanlarda araştırmalar yaptı, ancak özellikle Satürn’ün halkalarının doğasıyla ilgilendi. 1857’de Adams Ödülü için yarışmaya karar vererek, iki yılını halkaların bileşimini doğru bir şekilde belirlemenin bir yolunu bulmaya adamıştı. Matematiksel akıl yürütme kullanarak, halkaların homojen bir katıdan oluşmaları durumunda kararlı olamayacaklarını teorileştirdi ve bunun sonucunda halkaların bilinmeyen sayıda bağlantısız parçacıklardan yapılmış olması gerektiği sonucuna vardı.
Maxwell’in teorisi, bir asır sonra Voyager uzay sondaları Satürn’e gönderildiğinde nihayet kanıtlandı ve ona saygın bir ödül kazandırdı. Bu araştırma, daha genel anlamda ısı ve gazların kinetiği hakkında daha derinlemesine çalışmalara yol açtı ve 1859’da Maxwell-Boltzmann dağılım yasasının ortaya çıkmasına neden oldu.
Maxwell, 1860 yılında Londra’daki King’s College’da profesörlük görevini üstlendi. Bu beş yıl boyunca, bilimsel açıdan en verimli dönemi olarak kabul edilir. Bu süre zarfında, daha önce yaptığı renkli görme ve optik çalışmalarını fotoğraf alanına uygulayarak, dünyanın ilk renkli fotoğrafını 1861 yılında üretti.
Bunun için kırmızı, mavi ve yeşil renkli filtrelerle aynı konunun fotoğraflarını çekti ve ortaya çıkan üç görüntüyü tek bir görüntüde birleştirdiği trikromatik bir süreç geliştirdi. Maxwell, King’s College yıllarında ayrıca gazlarla ilgili çalışmalarına devam etti ve 1867’de “On the Dynamical Theory of Gases” adlı önemli teziyle çığır açan ilerlemeler kaydetti. Ayrıca elektromanyetizma alanında da büyük başarılar elde etti.
Maxwell’in en önemli katkılarından biri, elektromanyetik teorisidir ve bu teori genellikle fiziğin temel bir dönüm noktası olarak kabul edilir. Maxwell, teorisini geliştirmek için önceden Michael Faraday, William Thomson (Lord Kelvin) ve Carl Friedrich Gauss gibi birçok bilim insanının ortaya koyduğu fikirleri ödünç aldı ve genişletti. Faraday’ın deneysel bulgularını matematiksel bir dille ifade etme çabasından yola çıkarak, elektrik alanları ile manyetik alanlar arasındaki üretim ve ilişkileri ayrıntılı bir şekilde tanımlayan bir dizi denkleme ulaştı.
Bugün basitçe Maxwell denklemleri olarak bilinen bu denklemler, salınan elektrik ve manyetik alan dalgalarının uzayda belirli bir hızda hareket ettiğini tahmin edebilme yeteneğini sağladı. Maxwell yaklaşık olarak bu hızın ışık hızına eşit olduğunu hesapladı (daha sonraki daha hassas ölçümler bu eşdeğerliği doğruladı). Ayrıca Maxwell, ışığın birden çok olası elektromanyetik radyasyon türünden sadece biri olduğunu teorileştirdi. Maxwell’in denklemleri ilk olarak 1864 yılında “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field” başlıklı bir makalede yayınlandı, ancak daha kapsamlı bir şekilde ele alındığı 1873 tarihli Treatise on Electricity and Magnetism’de yer aldı.
Maxwell’in teorisi, uzaktan etki teorisine açık bir karşı duruşla, elektromanyetik dalgaların laboratuvarda üretilebileceğini ve incelenebileceğini vurguluyordu. O dönemde popüler olan uzaktan etki teorisine karşı olarak, Maxwell’in teorisi alanların önemine odaklanıyordu. Zaten görünür elektromanyetik spektrumun hemen dışında kalan kızılötesi ve ultraviyole radyasyon keşfedilmiş ve araştırılmıştı.
Ancak, radyo dalgalarının varlığı, William Heinrich Hertz’in 1887’de keşfetmesiyle görünür spektrumun ötesindeki ek elektromanyetik radyasyonun var olduğunun kanıtlandığı zaman ortaya çıktı. Maxwell’in teorisi, bu keşfi öngörmesinin yanı sıra fiziksel dünyanın anlayışını büyük ölçüde etkiledi ve Albert Einstein’ın özel görelilik teorisi ile Max Planck’ın kuantum teorisi gibi önemli gelişmelere yol açtı.
1865 yılında Maxwell, King’s College’dan istifa ederek İskoçya’da babasından miras kalan eve taşındı. Londra’daki akademik çevrelerde aktif kalmaya devam etti, ancak her bahar İngiltere’ye en az bir kez döner ve Cambridge Üniversitesi’nin matematik sınavlarına katılırdı. Evde bilimsel çalışmalarına devam etti ve İnceleme adlı eserinin çoğunu tamamladı. Bu süre zarfında gazlar, topoloji ve ısı teorisi üzerine çalışmalar yaparak önemli çalışmalar kaleme aldı.
1871 yılında Cambridge’de Cavendish Fizik Profesörü olarak atandığında, Cambridge ile daha yakın ilişkili hale geldi. Yeni görevi, Cavendish Laboratuvarı’nın kuruluşunu denetlemek ve Henry Cavendish’in araştırma makalelerini düzenlemekti. Maxwell, annesinin ölümüne neden olan aynı hastalık olan karın kanseri nöbeti geçirinceye kadar Cavendish Laboratuvarı’nda çalışmalarına devam etti. 5 Kasım’da o yıl vefat etti ve İskoçya’da doğduğu yerde toprağa verildi.