James Clerk Maxwell
Physicien britannique (Édimbourg 1831-Cambridge 1879).
Pionnier de la physique statistique et fondateur de la théorie de l'électromagnétisme, il a ouvert la voie aux bouleversements qui ont marqué la physique au début du xxe siècle.
Des mathématiques à la physique
Fils d'un avocat, James Clerk Maxwell n'a que 8 ans lorsqu'il perd sa mère. Son père confie son éducation à un précepteur puis, faute d'une bonne entente entre le maître et son élève, l'envoie à l'académie d'Edimbourg où s'affirme son intérêt pour la géométrie (il publie à 14 ans un mémoire sur les propriétés et les méthodes de construction de courbes ovales). Introverti, sensible, solitaire, féru de lecture et de dessin, le jeune James poursuit de 1850 à 1854 des études de mathématiques à l'université de Cambridge et se destine à l'enseignement. À 25 ans, il obtient une chaire de philosophie naturelle à Aberdeen, puis, en 1860, est nommé professeur au King's College de Londres. Cinq ans plus tard, il décide de se retirer dans sa propriété de Glenlair en Écosse, pour se consacrer à l'étude et à la réflexion. En 1871, le duc de Devonshire, qui vient de fonder le laboratoire Cavendish, à Cambridge, l'appelle à la direction de ce nouvel établissement. Jusqu'à sa mort, Maxwell n'aura de cesse de le développer pour en faire un centre de formation scientifique très réputé.
Au début de sa carrière, Maxwell procède à des expériences d'optique et s'intéresse à la théorie de la vision des couleurs. Il envisage le principe de la trichromie. Entre 1855 et 1859, il s'efforce d'élucider le problème de la nature des anneaux de Saturne : il parvient à démontrer mathématiquement que ceux-ci ne forment pas un disque solide mais sont constitués d'un assemblage de blocs distincts gravitant autour de la planète comme autant de petits satellites. C'est sans doute cette étude qui l'oriente vers la théorie cinétique des gaz, à laquelle il apporte une importante contribution. Il étudie la répartition des vitesses des molécules gazeuses, conforme à la loi de Gauss, et montre, en 1860, qu'à une même température l'énergie cinétique moyenne de ces molécules ne dépend pas de leur nature. Ses mesures sur la viscosité des gaz lui permettent de calculer la valeur du libre parcours moyen des molécules.
Le théoricien de l'électromagnétisme
L'œuvre majeure de Maxwell est la création de la théorie de l'électromagnétisme. Reprenant la conception des lignes de force, électrique ou magnétique, due à Michael Faraday, il introduit la notion de champ et crée en 1862 le concept de « courant de déplacement », apparaissant dans les diélectriques soumis à un champ électrique variable. Puis il montre que, de même que la variation d'un champ magnétique provoque l'apparition d'un champ électrique (phénomène d'induction découvert par Faraday), on doit admettre, symétriquement, qu'un champ magnétique est créé par la variation d'un champ électrique. Maxwell est ainsi amené à formuler les célèbres équations aux dérivées partielles qui portent son nom, condensant toutes les lois connues de l'électromagnétisme : il les expose dans son Treatise on Electricity and Magnetism (2 vol., 1873), dont la deuxième édition sera traduite en français (1885-1887). L'une des conséquences les plus frappantes de ces équations est que les champs électriques et magnétiques peuvent être simultanément soumis à des mouvements ondulatoires, ayant une vitesse de propagation définie. Cette vitesse n'est autre que celle de la lumière, et, en 1865, Maxwell suggère que les ondes lumineuses sont de nature électromagnétique. En 1868 et 1869, il vérifie, au moyen d'expériences précises, que le rapport des unités électriques dans les deux systèmes d'unités absolus est égal à la vitesse de la lumière. Ces ondes électromagnétiques dont il avait prévu l'existence ne seront mises en évidence, par Heinrich Hertz, qu'en 1887.
Marié à 27 ans, Maxwell meurt à 48, sans postérité, d'un cancer de l'estomac. Très croyant, il aura été toute sa vie un fervent chrétien. Grand amateur de poésie, il écrivait lui-même des poèmes, dont un recueil a été publié en 1882.
Le démon de Maxwell
Dans son Traité de la chaleur, publié en 1871, Maxwell imagine un gaz enfermé dans une enceinte divisée en deux compartiments par une paroi percée d'une petite ouverture munie d'une porte. Un être fictif, que William Thomson (lord Kelvin) appellera le « démon intelligent de Maxwell » commande l'ouverture ou la fermeture de la porte au passage des molécules de gaz, pour les répartir entre les deux compartiments selon leur vitesse, donc leur température. Ce « démon » serait ainsi théoriquement capable de transgresser la deuxième loi de la thermodynamique, en refroidissant le compartiment où la température est la plus basse et en réchauffant celui où elle est la plus élevée, sans dépenser d'énergie.
Ce paradoxe a été levé vers 1950 par le physicien Léon Brillouin : le démon, pour décider de laisser passer ou non une molécule, doit l'observer et utiliser l'information qu'il a recueillie. La quantité d'information correspondante équivaut à une dépense d'énergie. Celle-ci est minime à l'échelle moléculaire, mais importante à l'échelle macroscopique, et rend finalement l'opération impossible.
