MAXWELL (J. C.)

MAXWELL (J. C.)
MAXWELL (J. C.)

L’œuvre du savant britannique Maxwell a été capitale pour la théorie physique. Elle a permis d’obtenir une connaissance unifiée des phénomènes lumineux et électromagnétiques, ce qui est d’autant plus remarquable que cette unification se situe moins d’un demi-siècle après l’ensemble des découvertes relatives à l’électromagnétisme.

Si Maxwell a su tirer sans retard la leçon de ces découvertes, c’est incontestablement parce qu’il a été dès le début de ses recherches conduit par une saine philosophie de la science, refusant de multiplier les hypothèses pour satisfaire les besoins d’explication de chaque phénomène nouveau et s’attachant à définir préalablement le modèle mathématique qui représente le mieux les propriétés acquises dans le domaine considéré.

C’est en raison de cette philosophie que Maxwell a joint la réflexion sur la notion de champ de force aux travaux menés indépendamment sur la lumière et sur l’électromagnétisme et qu’il a légué, à l’aube de la révolution relativiste, le cadre nécessaire à des découvertes nouvelles.

Le chercheur

Né à Édimbourg, d’un père avocat, James Clerk Maxwell passa son enfance dans une ambiance campagnarde, à Glenlair (Kirkcudbright) et manifesta de bonne heure le goût de l’observation et de l’expérimentation. Il n’avait que neuf ans lorsqu’il perdit sa mère. L’année suivante, il entra, pour sa première formation scolaire, à l’académie d’Édimbourg où ses débuts furent médiocres. Les succès vinrent de manière soudaine et, en 1846, il publia son premier article, sur le tracé géométrique des ovales.

Étudiant à l’université d’Édimbourg en 1847, à Cambridge en1850, il ne cesse de s’affirmer. Il est élu fellow de Trinity College en 1855 et y sera diplômé (graduate ). De 1856 à 1859, il enseigne la «philosophie naturelle» au collège Marischal d’Aberdeen et se marie en 1858. En 1860, il est appelé à Londres au King’s College et reçoit de la Royal Society la médaille Rumford pour ses travaux sur les couleurs. Il est élu fellow l’année suivante. Mais, à partir de 1865, il fait sa demeure habituelle de la maison que lui avait laissée son père (mort en 1856), se limitant à des visites occasionnelles à Londres et dans d’autres villes.

En 1871, il est rappelé de sa retraite partielle pour occuper la chaire nouvellement fondée de physique expérimentale à Cambridge, chargé principalement de créer un laboratoire, grâce à des fonds accordés par le septième duc de Devonshire, qui était apparenté à Henry Cavendish. C’est sous le nom de ce dernier que le laboratoire fut officiellement offert à l’Université et inauguré en juin 1874. Maxwell n’y accomplit lui-même que peu de recherches expérimentales, mais il y institua le climat psychologique et le style de travail qui en feront l’un des principaux foyers mondiaux de la recherche scientifique. Sa santé était gravement atteinte en 1879; il mourut à Cambridge le 5 novembre.

Premiers travaux

Dès 1855, Maxwell rédige un mémoire important qui prolonge l’application de la notion de champ de force récemment donnée par Faraday et pose le problème de l’éther, support des phénomènes électromagnétiques, auquel on doit reconnaître un état mécanique tout en lui refusant la qualité de substance vibrante. Mais le premier travail mûri de Maxwell est l’essai qui lui vaut, en 1857, le prix Adams de l’université de Cambridge. Dans ce texte consacré au mouvement des anneaux de Saturne (On the Stability of the Motion of Saturn’s Rings ), Maxwell valide l’une des trois hypothèses proposées sur la nature des anneaux: leur stabilité implique qu’ils sont constitués de particules indépendantes, et non pas de fluides ou de disques solides. Cette rencontre avec une structure discontinue est importante pour Maxwell comme pour l’histoire de la physique.

Parallèlement aux travaux précédents, Maxwell fait des expériences sur le mélange des couleurs. Newton avait suggéré que toute lumière complexe, y compris la blanche, pouvait être produite par un mélange des «sept» couleurs, ou seulement de certaines, qu’il distinguait dans le spectre solaire. Thomas Young avait, par la suite, déduit de l’étude de disques colorés en rotation que la lumière excite dans l’œil des stimulations correspondant à trois couleurs primaires, la qualité chromatique perçue dépendant de l’intensité relative des composants; il avait retenu pour couleurs primaires le rouge, le vert et le violet. David Brewster, en revanche, avait proposé le rouge, le jaune et le bleu; puis Hermann von Helmholtz avait distingué entre mélanges pigmentaires (Brewster) et mélanges de radiations (Young). Maxwell coordonne toutes les observations précédentes; il les enrichit en introduisant des considérations quantitatives obtenues grâce à une amélioration de la technique expérimentale. Il peut conclure que la perception chromatique est assurée par le jeu de trois couleurs primaires, le rouge, le vert et le bleu. Réalisant la première photographie en trichromie (par projection des radiations primaires à travers trois plaques en noir et blanc), il pose les bases théoriques de la reproduction des couleurs.

Théorie cinétique

Dans les années 1860-1865, Maxwell contribue notablement aux travaux sur la théorie cinétique des gaz. Son attention à cet égard avait été apparemment éveillée par l’œuvre de Rudolf Clausius. Les premières théories sur la structure moléculaire des gaz ne prenaient pas clairement en compte le mouvement des molécules, dont on mettait même l’existence en doute; cependant, à la suite des travaux de George-Louis Lesage, John Herapath, James Prescott Joule et Henri Victor Regnault notamment, s’était fait jour une théorie sur ce mouvement et les vitesses caractéristiques des molécules de gaz. Les valeurs calculées pour celles-ci étaient toutefois bien supérieures à celles que l’on pouvait induire de l’observation des phénomènes de diffusion. D’où, en 1859, l’introduction par Clausius du concept de libre parcours moyen, qui pouvait justifier qu’une molécule se déplaçât avec sa vitesse théorique durant un bref laps de temps avant une collision.

La plupart des conceptions (excepté celles du méconnu John James Waterston) assignaient à toutes les molécules gazeuses se mouvant dans une enceinte la même vitesse, tributaire de la température. Maxwell, sous l’inspiration de sa lecture de Clausius, pose que toute investigation en ce domaine doit prendre en compte une distribution des vitesses moléculaires. La formulation qu’il propose marque virtuellement la fondation de l’analyse statistique, du moins dans ses applications physiques. Soumettant au calcul les vitesses, les libres parcours moyens et les fréquences de collision dans un gaz à une température donnée, Maxwell donne une justification de l’hypothèse d’Avogadro et d’Ampère.

En 1866, dans une étude sur la viscosité et le frottement interne de l’air et d’autres gaz (On the Viscosity of Internal Friction of Air and Other Gases ), il montre, expérimentalement et théoriquement, que la viscosité d’un gaz est indépendante de sa densité et qu’elle varie en raison directe de sa température absolue; proposition surprenante pour le sens commun, mais parfaitement en accord avec ses déductions mathématiques. Tandis que ses conceptions sont développées en Allemagne par Ludwig Boltzmann, Maxwell établit que la seconde loi de la thermodynamique (William Thomson) n’a qu’une validité statistique. Cette «loi» expose l’impossibilité d’obtenir du travail d’une quantité de matière ayant une température inférieure à celle du milieu ambiant; elle ne serait pas fondée si les molécules étaient séparées individuellement par l’intervention d’un hypothétique agent conscient (démon de Maxwell).

Théorie électromagnétique

Maxwell participe au programme de la British Association, en vue de déterminer une unité absolue de résistance électrique (1863) et entre, à cette occasion, en étroits rapports avec William Thomson (lord Kelvin). C’est dans le domaine de l’électromagnétisme qu’il donne la pleine mesure de son génie et produit les travaux qui auront le plus de portée. Il compose une théorie fondamentale, inspirée des modèles dynamiques de Faraday, à laquelle il impose une forme mathématique pertinente. Conservant le modèle des tubes de force dû à Faraday, Maxwell suppose que les particules les séparant (dont il faut postuler l’existence pour que soit possible la rotation des tubes dans le même sens) sont des corpuscules d’électricité. Toute modification de la vitesse de rotation déplace les particules; ou encore, une variation du champ magnétique crée un courant. Réciproquement, un déplacement des corpuscules entre les tubes statiques provoque leur rotation, c’est-à-dire qu’un courant électrique produit un champ magnétique. En se fondant sur cette notion de l’interdépendance des forces électrique et magnétique, Maxwell est en mesure de construire une théorie générale où les modèles physiques prennent une distance par rapport à la vieille préoccupation de réalisme.

Les équations de Maxwell pour la perturbation électromagnétique impliquent une vitesse de propagation qui est une grandeur finie, dépendant de deux propriétés du milieu: la constante diélectrique et la perméabilité magnétique. La vitesse de propagation est donnée par le rapport des grandeurs qui caractérisent la même charge électrique, quand on l’exprime en unités électromagnétiques et électrostatiques.

Maxwell participe à la détermination expérimentale de ce rapport qui se trouve être égal à la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide dont la mesure était encore récente. Ce résultat donne irrésistiblement à penser que la lumière est une espèce de mouvement ondulatoire électromagnétique. Les ondes impliquées par les équations de Maxwell possèdent nombre de propriétés ordinaires de la lumière; en outre, elles permettent d’interpréter maints phénomènes optiques jusqu’alors inexpliqués (propriétés ondulatoires transversales, polarisation, reflexion métallique, etc.). Mais il fallut attendre les travaux de Heinrich Hertz (1887) pour obtenir une confirmation expérimentale directe de la nature ondulatoire des ébranlements électromagnétiques.

L’homme cultivé

Maxwell fut tout le contraire d’un savant replié sur lui-même. Il s’intéressa évidemment surtout au progrès de la science et sut s’informer des travaux du passé. C’est à lui que l’on doit la mise au jour des textes inédits de Cavendish, et cette publication révéla l’ampleur du génie de celui dont le nom avait été choisi pour le laboratoire de physique expérimentale de Cambridge.

Mais durant toute sa vie, Maxwell professa aussi le plus vif intérêt pour les questions philosophiques et religieuses sans toutefois y apporter de contribution originale. On lui doit aussi une grande quantité de vers médiocres, dont on peut seulement dire qu’ils sont parfois divertissants. À beaucoup d’égards, Maxwell compose les traits du savant victorien, érudit, à la curiosité ouverte et accueillante, amateur en dehors de son domaine propre et pratiquant l’éclectisme avec mesure et modestie. Son œuvre considérable continue à exercer une immense influence.

Encyclopédie Universelle. 2012.

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