मॅक्सवेल, जेम्स क्लार्क : (१३ नोव्हेंबर १८३१–५ नोव्हेबर १८७९). स्कॉटिश भौतिकीविज्ञ. विद्युत् चुंबकीय क्षेत्र सिद्धांत व ⇨ द्रव्याचा गत्यात्मक सिद्धांत या विषयांतील त्यांच्या कार्यामुळे भौतिकीच्या इतिहासात त्यांना अत्यंत महत्त्वाचे असे स्थान प्राप्त झाले आहे.
मॅक्सवेल यांचा जन्म एडिंबरो येथे झाला. १८४७ मध्ये ते एडिंबरो विद्यापीठात दाखल झाले. वयाच्या केवळ पंधराव्या वर्षी त्यांनी विशिष्ट अंडाकृती वक्र काढण्याची एक रीत शोधून काढली व तीवरील त्यांचा शोधनिबंध एडिंबरोच्या रॉयल सोसायटीने प्रसिद्ध केला. १८५० साली त्यांनी केंब्रिज विद्यापीठात प्रवेश केला आणि १८५४ मध्ये ते द्वितीय रॅंगलर म्हणून उत्तीर्ण झाले व पहिल्या स्मिथ परितोषिकाचे ई. जे. राउथ यांच्यासह मानकरी ठरले. १८५५ मध्ये ते ट्रिनिटी कॉलेजाचे फेलो झाले. पुढील वर्षी ॲबर्डींन येथील मारिशाल कॉलेजात भौतिक विज्ञानाच्या अध्यासनावर त्यांची नेमणूक झाली. त्याच कॉलेजाचे प्राचार्य ड्यूअर यांची कन्या कॅथरिन हिच्याशी जून १८५८ मध्ये त्यांनी विवाह केला. त्यांच्या पत्नीने त्यांना वर्णदृष्टी व वायूची श्यानता (दाटपणा) यांवरील प्रयोगशालीय संशोधनात पुष्कळ मदत केली. १८६० मध्ये ते लंडन येथील किंग्ज कॉलेजात ज्योतिषशास्त्र व भौतिकीचे प्राध्यापक झाले. पुढे १८६५ मध्ये ग्लेनलेअर येथील आपल्या वडिलोपार्जित इस्टेटीकडे लक्ष देण्यासाठी ते शिक्षण क्षेत्रातून निवृत्त झाले. तेथेच त्यांनी विद्युत् व चुंबकत्वावरील आपला प्रख्यात विवेचक ग्रंथ ट्रिटाइज ऑन इलक्ट्रिसिटी अँड मॅग्नेटिझम लिहिला व तो १८७३ मध्ये प्रसिद्ध झाला. १८७१ मध्ये केंब्रिज येथे प्रायोगिक भौतिकीचे पहिले प्राध्यापक म्हणून त्यांची नेमणूक झाली. तेथेच त्यांनी कॅव्हेंडिश प्रयोगशाळेची योजना तयार करून ती उभारण्याचे आणि तिचा विकास करण्याचे महत्कार्य केले. १८७४ पासून मृत्यूपावेतो त्यांनी या प्रयोगशाळेचे संचालक म्हणून काम केले.
मॅक्सवेल यांनी मायकेल फॅराडे यांच्या भौतिकीय संकल्पनांना गणितीय स्वरूप दिले व त्यामुळे त्या मान्यता पावण्यास मदत झाली. मॅक्सवेल यांनी विद्युत् व चुंबकीय आविष्कारांसंबंधीच्या ‘दूरवर्ती क्रिये’ च्या (अवकाशातील एकमेकांपासून दूर अंतरावर असणाऱ्या वस्तूंमध्ये मध्यस्थ यंत्रणेशिवाय होणाऱ्या परस्परक्रियेच्या) संकल्पनेला विरोध करून हे आविष्कार माध्यमातील क्रियेद्वारे घडून येतात, या फॅराडे यांच्या दृष्टिकोनाचा पाठपुरावा केला.
दूरवर्ती क्रियेची संकल्पना टाळण्यासाठी त्यांनी विद्युत् व चुंबकीय आविष्कारांतील परस्परसंबंधाच्या स्पष्टीकरणाकरिता ईथर [⟶ ईथर-२ ] कल्पित माध्यमाच्या संकल्पनेचा पुरस्कार केला. या संकल्पनेला सैद्धांतिक गणितीय स्वरूप मॅक्सवेल यांनी आपल्या चार प्रमाणबद्ध अशा समीकरणांच्या द्वारे दिले [⟶ मॅक्सवेल विद्युत् चुंबकीय समीकरणे]. यांपैकी शेवटची दोन समीकरणे विद्युत् व चुंबकीय क्षेत्राचे सातत्य दाखवितात आणि उरलेली दोन समीकरणे विद्युत् व चुंबकीय यांपैकी कोणत्याही एका क्षेत्रामध्ये कालानुसार बदल झाला, तर त्यामुळे दुसऱ्या प्रकारच्या क्षेत्राची जी निर्मिती होते त्या दोन क्षेत्रांमधील परस्परसंबंध स्पष्ट करतात. आधुनिक भौतिकीमधील ⇨ पुंज सिद्धांत इ. घडामोडीमुळे रूढ भौतिकीपैकी बरेच भाग व मीमांसा कालबाह्य ठरल्या आहेत. मॅक्सवेल विद्युत् चुंबकीय समीकरणेच फक्त भौतिकीमधील आपले महत्त्वाचे स्थान तसेच टिकवून ठेवताना आढळतात ही एक नमूद करण्याजोगती गोष्ट आहे, असे म्हटले पाहिजे.
मॅक्सवेल यांना १८६५ मध्ये असे आढळले की, ज्या क्षोभांमुळे विद्युत् चुंबकीय प्रवर्तन निर्माण होते (चुंबकीय क्षेत्राच्या तीव्रतेत बदल केल्यास विद्युत् चालक प्रेरणा म्हणजे विद्युत् मंडलात प्रवाह वाहण्यास कारणीभूत होणारी प्रेरणा उत्पन्न होते) तो क्षोभ माध्यमामधून तरंगाच्या स्वरूपात व प्रकाशवेगाने प्रसारित होतो. या दोहोंचा विचार करून त्यांनी प्रकाश म्हणजे माध्यमातून प्रसारित होणारे विद्युत् चुंबकीय अवतरंग (माध्यमातील कणांचे कंपन तरंग प्रसारणाच्या दिशेशी लंबदिशेत होणारे तरंग) आहेत, असा क्रांतिकारी निष्कर्ष मांडला [⟶ विद्युत् चुंबकीय प्रारण]. १८८७ मध्ये हाइन्रिख हर्ट्झ या जर्मन भौतिकीविज्ञांनी मॅक्सवेल यांचे विधान सत्य असल्याचे प्रायोगिक रीत्या दाखवून दिले आणि याचबरोबर रेडिओविज्ञान व अभियांत्रिकी यांचा पाया घातला. प्रारण (तरंगरूपी ऊर्जा) जर एखाद्या वस्तूच्या पृष्ठभागावर पडले, तर यामुळे पृष्ठभागावर दाब निर्माण होईल, हा मॅक्सवेल यांचा निष्कर्षही सत्य असल्याचे पुढील काळात पी. एन्. ल्येब्येड्येव्ह या रशियन शास्त्रज्ञांनी १९०० साली तर ई. एफ्. निकल्स व जी. एफ्. हल या अमेरिकन वैज्ञानिकांनी जास्त सुविकसित उपकरण योजना वापरून १९०३ मध्ये दाखविले.
मॅक्सवेल यांनी विद्युत् चुंबकीय तरंगांच्या प्रसारणासाठी ईथराच्या आधाराची आवश्यकता प्रतिपादन केली होती आणि पुढे आपला विद्युत् चुंबकीय सिद्धांत विकसित केल्यावर ‘ईथर विस्थापना’ चा किंवा प्रकाश उद्‌गमाच्या गतीमुळे प्रकाशवेगात किती बदल होईल या प्रश्नाविषयीही सखोल विचार केला होता. पृथ्वीवर याकरिता प्रयोग केल्यास त्यामध्ये प्रकाशाच्या जाण्याचा व येण्याचा काळ मोजणे आवश्यक असते. या परिस्थितीमध्ये वरील परिणाम v²/ c² (v–उद्‌गमाचा वेग व c–प्रकाशाचा वेग) या कोटीचा असल्यामुळे तो मोजण्याच्या दृष्टीने अत्यल्प ठरेल, असे त्यांना दिसून आले. तथापि आपल्या आयुष्याच्या शेवटच्या वर्षी त्यांनी डी. पी. टॉड या ज्योतिर्विदांना पृथ्वीसापेक्ष गुरू ग्रहाचे स्थान बदलते तेव्हा त्याच्या उपग्रहांच्या आवर्तकालात (ग्रहाभोवती एक प्रदक्षिणा करण्यास लागणाऱ्या कालात) होणाऱ्या फरकाचे या परिणामाचे मापन करण्याकरिता निरीक्षण करावे, असे पत्राद्वारे सूचविले होते. या सूचनेमुळे पुढे आइन्स्टाइन यांच्या ⇨ सापेक्षता सिद्धांताकरिता महत्त्वपूर्ण ठरलेल्या मायकेलसन-मॉर्ली प्रयोगास [⟶ प्रकाशवेग] चालना मिळाली.
मॅक्सवेल यांचे वर्णदृष्टीवरील कार्य ते एडिंबरो येथे पदवीपूर्व विद्यार्थिदशेत असल्यापासूनच सुरू झाले व नंतर ते कित्येक वर्षे चालू होते. त्यांनी तांबडा, हिरवा व निळा हे प्राथमिक रंग म्हणून निवडले. एका भोवऱ्याच्या पृष्ठभागावर विविध तीव्रतेच्या रंगछटांचे कागद लावून भोवरा फिरवून या रंगाचे मिश्रण करण्याची रीत त्यांनी वापरात आणली. अशा प्रकारे कोणत्याही एका रंगाचे भोवऱ्याच्या साहाय्याने विश्लेषण करण्याची पद्धती त्यांनी उपयोगात आणली व ‘परिमाणात्मक वर्णमापना’ चा पाया घातला [⟶ वर्ण व वर्णमापन]. जर एखाद्या रंगातील प्राथमिक रंगाचा ऋण तसेच धन अंश (वाटा) लक्षात घेतला, तरच ⇨ टॉमस यंग यांनी प्रतिपादिलेले गृहीतक लागू पडते, असे मॅक्सवेल यांनी निरीक्षणांद्वारे दाखविले रंगांधत्व हे डोळ्यातील तांबड्या वर्णग्राहकाचा अभाव दर्शविते असे त्यांनी सुचविले आणि रंगांध व्यक्तीला तांबडा व हिरवा हे रंग वेगवेगळे ओळखता यावेत म्हणून एक चष्माही तयार केला. निरनिराळ्या रंगाच्या प्रकाशशलाका एकमेकींत वेगवेगळ्या प्रमाणात मिसळून दिलेल्या रंगछटेशी जुळती अशी रंगछटा मिळविता येईल, अशी एक पेटी त्यांनी तयार केली. या पेटीच्या साहाय्याने निरनिराळ्या व्यक्तींच्या रंगसंवेदानांचा तक्ता तयार करण्यासाठी त्यांनी केलेल्या प्रयोगात पुष्कळच अचूकता आली आणि त्यावरून प्राकृतिक (सर्वसाधारण) माणसाची रंगभेदनक्षमता खूपच चांगल्या प्रतीची असल्याचे त्यांनी दाखवून दिले.
वरील त्रिवेणी सिद्धांतावरून मॅक्सवेल यांनी असा निष्कर्ष काढला की, तीन निरनिराळ्या रंगाच्या प्रकाश गाळण्यांतून छायाचित्रण करून मग त्या प्रतिमांचे पुन्हा एकत्रीकरण केल्यास रंगीत छायाचित्र मिळविता येईल [⟶ छायाचित्रण]. यांचे प्रात्याक्षिकही त्यांनी १७६१ मध्ये रॉयल इन्स्टिट्यूशनमध्ये एका व्याख्यानात एका टार्टन फितीचे (निरनिराळ्या रंगांच्या पट्ट्या असलेल्या लोकरी कापडाच्या फितीचे) छायाचित्रण करून दाखविले.
ॲबर्डीन येथील वास्तव्यात त्यांनी चार वर्षे परिश्रम करून शनीच्या कड्यांसंबंधी लिहिलेल्या निबंधाला ॲडम्स पारितोषिक मिळाले. कड्यांच्या स्थैर्याचे गणितीय विश्लेषण करून ही कडी पृथक् कणांची बनलेली आहेत, असा निष्कर्ष त्यांनी काढला. या संशोधनामुळे वायूंच्या गत्यात्मक सिद्धांताविषयी त्यांनी नंतर केलेल्या कार्याचा पाया घातला गेला.
मॅक्सवेल यांनी १८५९ मध्ये असे प्रतिपादन केले की, वायूतील रेणूंचे वेग एखाद्या सांख्यिकीय वितरणानुसार [वंटनानुसार ⟶ वंटन सिद्धांत] असले पाहिजेत. त्यापूर्वी या सर्व रेणूंचे वेग सारखेच आहेत असे मानण्यात येत होते. ठराविक तापमानाच्या वायूकरिता मॅक्सवेल यांनी या वितरणाचे सूत्र सिद्ध केले आणि हे वितरण ‘मॅक्सवेल वेगवितरण’ या नावाने ओळखण्यात येते [⟶ द्रव्याचा गत्यात्मक सिद्धांत]. त्यांच्या गणितीय सिद्धतेत काही विवाद्य गृहीतांचा समावेश आहे, असा आक्षेप घेतला जातो. तरीही त्यांचे अंतिम सूत्र ग्राह्य असून सांख्यिकीय यामिकीत [⟶ सांख्यिकीय भौतिकी] व्यापक प्रमाणात वापरण्यात येणाऱ्या सूत्रांपैकी ते एक आहे. त्यामुळे वायूच्या गत्यात्मक सिद्धांतात सांख्यिकीय पद्धतीचा वापर मोठ्या प्रमाणात होऊ लागला. त्यानंतर त्यांनी वायूची श्यानता, ऊष्मीय संवाहकता व विसरण (रेणू एकमेकांत मिसळणे) या वायू परिवहन आविष्कारांवर महत्त्वाचे संशोधन केले. वायूची श्यानता दाबावर अवलंबून नसते व ती द्रवाप्रमाणे वाढत्या तापमानाबरोबर कमी न होता वाढत जाते, असे सैद्धांतिक दृष्ट्या व प्रयोगाद्वारे पण त्यांनी सिद्ध केले. आयुष्यातील शेवटच्या महत्त्वाच्या निबंधात त्यांनी विरल वायूंच्या गतिकी सिद्धांताचा पाया घातला.
मॅक्सवेल यांची कल्पनाशक्ती अतिशय तीव्र होती. ⇨ ऊष्मागतिकीच्या दुसऱ्या सिद्धांताचे सांख्यिकीय स्वरूप स्पष्ट करण्याकरिता त्यांनी ‘मॅक्सवेल यांचे भूत’ ही विलक्षण कल्पना पुढे मांडली. हे भूत आपल्या बुद्धीचा उपयोग करून या सिद्धांताच्या विरुद्ध प्रक्रिया सिद्ध करू शकत होते. या विरोधाभासाचे उत्तर अनेक वर्षेपर्यंत मोठमोठ्या वैज्ञानिकांस सापडले नाही. आधुनिक काळात ब्रीय्वँ यांनी अवगमाशी ऋण एंट्रॉपी [⟶ एंट्रॉपी] निगडित असते, असे दाखवून या भूताला अखेरीस गाडून टाकले.
मॅक्सवेल यांनी १८६८ मध्ये ⇨गतिनियंता या प्रयुक्तींचे (गतिदायक शक्ती किंवा रोध यात बदल झाला तरी यंत्राची गती स्थिर राखण्यास मदत करणाऱ्या प्रयुक्तींचे) गणितीय विश्लेषण पद्धतीने प्रथमच विवरण केले. अशा प्रकारच्या प्रयुक्ती जेम्स वॉट (वाफ एंजिनाच्या नियंत्रणासाठी), सी. डब्ल्यू. सीमेन्स, एम्. फूको इत्यादींनी वापरलेल्या होत्या. मॅक्सवेल यांनी गतिनियंत्याच्या गतीकरिता ⇨ अवकल समीकरणे शोधून काढली व त्यांत एका अतिरिक्त पदाचा समावेश केला. ज्याला नंतर ऋण पुनःप्रदाय अशी संज्ञा मिळाली [⟶ नियंत्रण प्रणाली]. त्यांनी या समीकरणाद्वारे गती स्थिर राहून गतिनियंता कार्यरत राहण्यासाठी आवश्यक असणाऱ्या अटी निर्धारित केल्या. अशा प्रकारे या त्यांच्या कार्याद्वारे नियंत्रण सिद्धांताचा पाया घातला गेला. पारस्परिक विचलनाचे प्रमेय मांडून व प्रभाव गुणांक पद्धतीचा शोध लावून त्यांनी बांधकाम संरचना विश्लेषण सिद्धांताचाही पाया घातला [⟶ बांधकाम संरचना : सिद्धांत व अभिकल्प]. माशाच्या डोळ्यातील स्फटिकीय भिंगाच्या संरचनेच्या संदर्भात त्यांनी भूमितीय प्रकाशकीचा अभ्यास करण्यास १८५३ मध्ये प्रारंभ केला. एका बिंदूतून निघणारे सर्व किरण भिंगातून पलीकडे गेले असता दुसऱ्या बिंदूत अचूकपणे मिळतील असे परिपूर्ण केंद्रीकरण देणारे माध्यम त्यांना पाहिजे होते आणि अशा माध्यमाचे गणितीय विनिर्देश त्यांनी दिले. यावरूनच पुढे छायाचित्रणात वापरण्यात येणाऱ्या सुपरिचित ‘मत्स्यनेत्र’ भिंगाचा शोध लागला.
रॉयल सोसायटीचे सदस्य म्हणून १८६१ मध्ये त्यांची निवड झाली व सोसायटीच्या रम्फर्ड पदकाचा बहुमान त्यांना मिळाला (१८६०). टिट्राइज ऑन इलेक्ट्रिसिटी अँड मॅग्नेवटिझम या प्रसिद्ध ग्रंथाखेरीज थिअरी ऑफ हिट (१९७१) व मॅटर अँड मोशन हे त्यांचे ग्रंथही प्रसिद्ध आहेत. त्यांचे शास्त्रीय कार्य एकत्रितपणे केंब्रिज विद्यापीठातर्फे १८९० मध्ये प्रसिद्ध करण्यात आले. मॅक्सवेल यांनी हेन्री कॅव्हेंडिश यांच्या विद्युत् शास्त्रावरील अप्रकाशित संशोधनाचे उत्तम प्रकारे संपादन करून ते १८७९ मध्ये प्रसिद्ध केले. त्यातील काही महत्त्वाचे प्रयोग त्यांनी स्वतः करून पडताळले, एन्सायक्लोनपीडिया ब्रिटानिकाच्या विख्यात नवव्या आवृत्तीकरिता त्यांनी टी. एच्. हक्‌सली यांच्या समवेत वैज्ञानिक संपादक म्हणून काम केले व अनेक लेखही लिहिले. यांखेरीज ते विनोदी कवितांकरिताही प्रसिद्ध होते. वयाच्या केवळ अठ्ठेचाळीसाव्या वर्षी ते कर्करोगाने केंब्रिज येथे मृत्यू पावले.
संदर्भ : Domb, C. Ed., Clerk Maxwell and Modern Physics, London, 1963.
भदे, व. ग.
“