મૅક્સવેલ, જેમ્સ ક્લાર્ક

મૅક્સવેલ, જેમ્સ ક્લાર્ક (જ. 13 નવેમ્બર 1831, એડિનબરો, સ્કૉટલૅન્ડ; અ. 5 નવેમ્બર 1879, કૅમ્બ્રિજ) : બ્રિટિશ ભૌતિકશાસ્ત્રી અને વિદ્યુતચુંબકીયવાદ(electromagnetism)ના પ્રણેતા. પિતાનું નામ જૉન ક્લાર્ક અને માતાનું ફ્રાન્સિસ. 9 વર્ષની ઉંમરે માતાનું કૅન્સરના કારણે મૃત્યુ. બાળપણથી ગણિત પ્રત્યે લગાવ. તેમના ગણિતીય કૌશલ્યને ક્યારેક શાળાના સહઅધ્યાયીઓ દ્વારા મૂર્ખતામાં ખપાવવામાં આવતું અને ડફી (duffy) – ડૉબો – જેવું ઉપનામ પણ આપવામાં આવતું. 15 વર્ષની વયે અંડાકાર વક્રો (oval curves) ઉપર તેમણે સ્વતંત્રપણે કાર્ય કર્યું અને રૉયલ સોસાયટી ઑવ્ એડિનબરો સમક્ષ રજૂ કર્યું. 1847–50 સુધી એડિનબરો યુનિવર્સિટીમાં અભ્યાસ કર્યો. ત્યારબાદ કેમ્બ્રિજમાં ટ્રિનિટી કૉલેજમાં જોડાયા. અહીં વર્ગમાં ગણિતના વિષયમાં બીજા ક્રમે રહ્યા. પ્રથમ ક્રમે આવનાર વિદ્યાર્થી પ્રખર ગણિતશાસ્ત્રી બન્યો, પરંતુ તે મૅક્સવેલ જેટલો ખ્યાતનામ થઈ શક્યો નહિ. 1854માં સ્નાતક થયા અને 1854–56ના સમયગાળામાં અનુસ્નાતક. 1858માં તેમનાં લગ્ન કેથેરિન મેરી ડીવાર સાથે થયાં.

અનુસ્નાતક થયા બાદ તુરત જ સ્કૉટલૅન્ડમાં એબરડીનની મેરિસ્કલ કૉલેજ(Marischal College)માં નૅચરલ ફિલૉસૉફીની ચૅરમાં પ્રોફેસર થયા અને 1856–60 સુધી કાર્ય કર્યું. 1860–65 સુધી લંડનની કિંગ્ઝ કૉલેજમાં ભૌતિકશાસ્ત્ર તથા ખગોળશાસ્ત્રના અને 1871–79 સુધી કેમ્બ્રિજ યુનિવર્સિટીમાં પ્રાયોગિક ભૌતિકશાસ્ત્રના પ્રાધ્યાપક રહ્યા અને કેન્વેડિશ લૅબોરેટરીની સ્થાપના અને વિકાસમાં પણ ફાળો આપ્યો.

તેમણે અનેક મહત્વનાં સંશોધનકાર્યો કર્યાં. ગબડીને ગતિ કરતા એક પ્રકારના વક્રો (rolling curves) માટેનો સિદ્ધાંત આપ્યો. સમતુલ્ય અવસ્થામાં રહેલા સ્થિતિસ્થાપક પદાર્થો (elastic substances) માટે સિદ્ધાંતો આપ્યા. 1857–59માં શનિનાં વલયોનો અભ્યાસ કર્યો અને સૈદ્ધાંતિક ગણતરીઓની મદદથી જણાવ્યું કે, શનિનાં વલયો ફક્ત ઘન અથવા પ્રવાહી સ્વરૂપનાં જ જો હોય તો તેમાં પરિભ્રમણને લીધે તેમના ઉપર લાગતાં ગુરુત્વાકર્ષી તેમજ યાંત્રિક બળોને કારણે તેમના ટુકડાઓ થઈ જાત, પરંતુ આમ થયું નથી અને તેથી વલયો (rings) અનેક ઘન કણોનાં બનેલ હોવાં જોઈએ, તો જ તે ગતિશાસ્ત્રની ર્દષ્ટિએ સમતોલ (stable) રહી શકે. આ વલયો લાંબા અંતરેથી જોતાં સળંગ ઘન પદાર્થનાં બનેલાં લાગે. 1860–79 દરમિયાન વાયુઓના ગતિવાદ (kinetic theory of gases) ઉપર સંશોધન કર્યું અને વાયુઓના અણુઓના વેગ-વિતરણ-(distribution)નાં સૂત્રો તારવ્યાં. લુડવિગ એડ્વર્ડ બૉલ્ટ્ઝમાન (Ludwig Boltzmann) નામના ઑસ્ટ્રિયન વૈજ્ઞાનિકની સાથે સ્વતંત્રપણે વાયુનો મૅક્સવેલ– બૉલ્ટ્ઝમાન ગતિસિદ્ધાંત આપ્યો, રંગ પ્રત્યેના અંધાપા(colour blindness)નો અભ્યાસ કર્યો અને રંગોના સિદ્ધાંત ઉપર કાર્ય કર્યું. 1855–56 દરમિયાન ફૅરેડે(Faraday)ના ચુંબકીય બળરેખાઓ(magnetic line of force)ના સિદ્ધાંતો માટે ગણિતીય સૂત્રો તારવ્યાં. આ સૂત્રોની તારવણી દરમિયાન જાણવા મળ્યું કે ચુંબકત્વ (magnetism) અને વિદ્યુત (electricity) એકબીજાનાં અભિન્ન અંગો છે, અને બંને એકલાં સંભવી શકતાં નથી. એક હોય ત્યાં અન્ય અવશ્યપણે ઉપસ્થિત હોય છે. આ મત વિદ્યુતચુંબકીય સિદ્ધાંત(electromagnetic theory) તરીકે પ્રચલિત થયો. મૅક્સવેલે વિદ્યુત- ચુંબકીય લાક્ષણિકતા ધરાવતા એક મૉડલની રચના કરી અને દર્શાવવા પ્રયાસ કર્યો કે ઈથર(એક કાલ્પનિક માધ્યમ)માં વિદ્યુત અને ચુંબકીય ક્ષેત્રની આંતરપ્રક્રિયાઓની અસર એક પ્રકારની વિકૃતિના રૂપે ગતિ કરે છે. 1861-62માં વ્યાપક લાગ્રાંજિયન(Generalized Lagrangian)ના રૂપમાં ગતિનાં સમીકરણો તારવ્યાં અને દર્શાવ્યું કે વિદ્યુતચુંબકીય કાર્ય (action) અવકાશમાં લંબગત તરંગો(transverse waves)ના રૂપમાં ગતિ કરે છે અને તેનો વેગ પ્રકાશના વેગ (velocity of light) જેટલો હોય છે. વિદ્યુતચુંબકીય તરંગોનો એક પ્રકાર શ્યમાન પ્રકાશ (visible light) છે. આ બાબતે તેમણે 1873માં તેમના પુસ્તક ‘ટ્રિટાઇઝ ઑન ઇલેક્ટ્રિસિટી ઍન્ડ મૅગ્નેટિઝમ’માં સ્પષ્ટ કરેલ છે. પાછળથી પ્રસ્થાપિત કર્યું કે વિદ્યુતચુંબકીય તરંગોને અવકાશમાં પ્રસારિત કરવા માટે ઈથર નામના કાલ્પનિક યાંત્રિક માધ્યમ(mechanical medium)ની આવશ્યકતા નથી. તેમણે પરસ્પર સંમિતિ (symmetry) ધરાવતાં ચાર સમીકરણો આપ્યાં, જે મૅક્સવેલનાં સમીકરણો (Maxwell’s equations) તરીકે પ્રસિદ્ધ થયાં છે. ખાલી અવકાશ (empty space) માટે આ સમીકરણો નીચે મુજબનાં છે :

જ્યાં, C = પ્રકાશનો વેગ,  = ચુંબકીય ક્ષેત્ર અને  = વિદ્યુત- ક્ષેત્ર છે. અહીં div  = 0 અને div  = 0 સમીકરણો વિદ્યુતક્ષેત્ર અને ચુંબકીય ક્ષેત્રનું સતતપણું (continuous nature) દર્શાવે છે અને બાકીનાં બે અન્ય સમીકરણો દર્શાવે છે કે કોઈ એક ક્ષેત્ર(field)માં ફેરફાર કરવાથી બીજા ક્ષેત્રમાં ફેરફાર ઉત્પન્ન કરી શકાય છે. આ સમીકરણો વીજ, ચુંબકત્વ, પ્રકાશ તથા રેડિયો-તરંગો વચ્ચેનો પાયાનો સંબંધ પ્રસ્થાપિત કરે છે. આ સિદ્ધાંતને વિદ્યુતચુંબકીયસિદ્ધાંત તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. તેમણે એમ પણ દર્શાવ્યું કે જ્યારે વિદ્યુતભાર આંદોલન (oscillation) કરે છે ત્યારે વિદ્યુતચુંબકીય સિદ્ધાન્ત ક્ષેત્ર ઉત્પન્ન થાય છે, જે સ્રોતથી બધી દિશાઓમાં બહાર તરફ ચોક્કસ ઝડપે ગતિ કરે છે. આ ઝડપ ચુંબકીય ઘટનાને પ્રતિપાદિત કરતા એકમો અને વિદ્યુતઘટનાને પ્રતિપાદિત કરતા ચોક્કસ એકમોના ગુણોત્તર ઉપરથી મેળવી શકાય છે, જે પ્રકાશના વેગ જેટલી એટલે કે 299792.5 km/sec છે. પ્રકાશના તરંગો પણ વિદ્યુતચુંબકીય તરંગો છે તેવું તેમણે સ્થાપિત કર્યું. તેમના આ કાર્યના વિસ્તાર રૂપે 1888માં હર્ત્ઝે (Hertz) રેડિયો-તરંગોનો આવિષ્કાર કર્યો.

સંશોધનક્ષેત્રે કરેલ કાર્ય બદલ તેમને આઇમ્સ પ્રાઇઝ તેમજ રૂમ્ફર્ડ મેડલ એનાયત થયાં. 1871માં તેમનું અન્ય પુસ્તક ‘થિયરી ઑવ્ હીટ’ પ્રકાશિત થયું હતું.

મિહિર જોશી