Théoricien de génie, Maxwell est un des plus grands physiciens du XIXème siècle. Il occupe une place à part dans l’histoire des sciences puisque ses travaux clôturent la physique classique et les trois directions que celle-ci avait pris, celle de Newton,  à savoir la chaleur et les gaz, la lumière et l’électricité, et donnent naissance à la physique moderne, celle du XXème siècle : la physique statistique. Cette réputation de rôle charnière dans l’histoire de la physique lui a été décernée par Einstein lui-même. Newton et Maxwell ont ceci en commun d’avoir mis fin à une époque et lancé la science vers d’autres routes.



James Clerk Maxwell est né le 13 juin 1831 – année où Faraday découvre le phénomène de l’induction – à Edimbourg en Ecosse. En 1839, alors qu'il a huit ans, sa mère décède. Pris en charge par un précepteur, l'enfant entre deux années plus tard à l’académie d’Edimbourg. Il a alors dix ans et son arrivée ne passe pas inaperçue. Doté d’un fort accent écossais et de vêtements surprenant dessinés par son père, ses camarades le surnomme rapidement " l’idiot ". Mais très rapidement, il démontre ses brillantes dispositions. A l’âge de quinze ans, il obtient sa première publication, un article sur le tracé géométrique des ovales auprès de la Royal Society d’Edimbourg. A partir de ce moment, son professeur de physique laisse à sa disposition le matériel du laboratoire. Il commence alors ses premières expériences, sur la vision des couleurs notamment, sujet sur lequel il travaillera sa vie durant.

En 1850, Maxwell entre à l’université de Cambridge où enseigne William Thomson (futur Lord Kelvin). Celui-ci sera pour le savant écossais une sorte de parrain tout au long de sa carrière. A Cambridge, lors d’un concours de fin d'études, il démontre le théorème de Stockes (qui est alors un de ses professeurs) sur une propriété des champs de vecteurs, théorème dont il se resservira pour les fameuses " équations de Maxwell ". Lors de la même période, notre savant étudie les anneaux de Saturne (pour un concours également) et démontre qu’ils sont constitués de petits blocs solides indépendants.

Au terme de ses études à Camdbridge, lui est attribuée la chaire de " philosophie naturelle " à Aberdeen en Ecosse. Le 11 décembre 1865, Maxwell publie son premier article important à propos de l'électricité, " On Faraday’s lines of Force ". Les travaux de Faraday furent pour lui une grande source d’inspiration. Il va réussir là où son prédécesseur avait échoué (certainement par manque de formation universitaire) : uniformiser et mathématiser l’électromagnétisme à travers les lois qui portent son nom. Il ne cessera jamais de rendre hommage à l’importance des travaux de Faraday sur son œuvre. Einstein comparait d’ailleurs le rôle joué par Faraday vis-à-vis de Maxwell à celui joué au XVIIème siècle par Galilée vis-à-vis de Newton.

Chose importante, cet article préfigure la manière de travailler de Maxwell. Celui-ci cherche des analogies avec un domaine déjà connu. Ici, il va s’appuyer sur une analogie entre l’électromagnétisme et l’hydrodynamique (étude des écoulements d’eau). Cela va lui permettre ensuite d’exprimer les lois de l’électromagnétisme en langage mathématique. Il invente pour cela la notion de  « potentiel-vecteur » qui est lié par le temps au champ électrique et par l’espace au champ magnétique. Le champ électromagnétique est donc une onde, une oscillation qui varie dans le temps et se propage dans l’espace. C’est un changement qui dépasse la mathématisation. Pour la première fois, on ré-exprime les connaissances de l’époque (les effets de l’électromagnétisme) non pas comme une action à distance de l’effet - de type Newtonien (comme la gravitation par exemple) - mais comme la transmission de l’effet dans l’espace qui nous entoure. Quelque part, c’est l’espace qui est agissant. Sans lui, la propagation n’est pas possible, ce qui n’est pas le cas avec la gravitation

En 1861, Maxwell publie un second article sur l’électricité " On physical lines of force ", dans lequel il pousse encore plus loin ses analogies. Cela va lui permettre de mathématiser sous forme différentielle la loi de l’induction de Faraday. Le phycisien réussi à faire entrer le facteur temporel dans cette mathématisation. Dans cet article, il imagine l’espace qui nous entoure comme étant un milieu doté de propriétés élastiques (" l’éther "). Ce milieu permet donc la transmission des oscillations électromagnétiques dans l’espace. Cet éther n’est qu’une hypothèse de travail pour Maxwell. Or, à cette époque, deux physiciens allemands (Kohlrausch et Weber) ont démontré que la vitesse de propagation de ces ondes électromagnétiques était identique à celle de la lumière. Il existe donc bien un phénomène de déplacement. Pour l'expliquer, Maxwell a alors le génie d’imaginer que la lumière est de nature électromagnétique. A noter qu’à cette époque, notre savant est obligé de partir travailler au King’s College de Londres, le College d’Aberdeen ayant fusionné avec un autre a supprimé du personnel pour éviter les doublons de professeurs…

Le 27 Octobre 1864, il présente devant la Royal Society un mémoire intitulé A Dynamical Theory of the Electromagnetic Fields. Maxwell n’y fait plus référence à l’éther et se concentre sur le champ électromagnétique qu’il décrit à l’aide de 4 équations (les célèbres équations de Maxwell). Celles-ci permettent alors de décrire et d’expliquer tout ce que le monde scientifique connaît alors sur les phénomènes électrostatiques et électromagnétiques. Précisons cependant que la vérification expérimentale de la nature ondulatoire des perturbation électromagnétismes ne sera apporté que 23 ans plus tard, en 1887, par l’allemand Heinrich Hertz. Maxwell ne connaîtra jamais cette vérification, il mourra neuf ans auparavant.



En 1865, Maxwell quitte Londres et regagne sa région natale, à Glenlair, pour des raisons de santé. Il entreprend la rédaction de son Traité sur l’électricité et le magnétisme, où sont regroupés toutes les connaissances de l’époque sur ce domaine. Ce traité ne sera publié qu’en 1873. Dès cette époque, le savant écossais se lance sur un autre terrain de recherche, la physique statistique, un domaine qui touche le mathématisation de la physique. Il travaille donc toujours à la fondation d’une physique plus moderne. Aidé par sa femme pour ses expériences, il se penche principalement sur la viscosité des gaz. Citons pour mémoire la conférence " Baker " en 1865 ou la publication d’un article résumant ses travaux l'année suivante.

D’une manière générale, Maxwell s’intéresse aux gaz depuis la lecture des mémoire de Rudolf Clausius en 1859 dans lesquels celui-ci introduit la notion de libre parcours moyen (qui est le déplacement d’une molécule de gaz entre 2 chocs). Il est en effet admis à l’époque que les gaz sont constitués de molécules en mouvement, ce qui entraîne inévitablement des chocs de celles-ci entre elles ou contre les parois. C’est ce phénomène qui est responsable de la pression d’un gaz. Pour Clausius, les molécules, entre 2 chocs, se meuvent toutes à une même vitesse dépendant de la température. Cette hypothèse ne convainc pas Maxwell puisque la présence de ces chocs modifie nécessairement la vitesse des molécules. Il faut donc savoir exprimer mathématiquement la vitesse d’une molécule quelconque à un instant t de sa trajectoire. C’est avec cette étude que Maxwell quitte la physique classique. Il y a trop de molécules dans un gaz et il est impossible de connaître toutes les vitesses de toutes les molécules. De là découle la notion de physique statistique. A travers deux publications, en 1860 dans Illustrations of the Dynamical Theory of Gases, puis surtout dans On the Dynamical Theory of Gases en 1867, Maxwell énonce la loi de distribution des vitesses dans un gaz en équilibre qui est une formule statistique. L’expression et l’interprétation d’un phénomène physique réel par une démonstration statistique est une première : La physique moderne est lancée ! Dorénavant, beaucoup de scientifiques vont revoir les principes fondamentaux à travers le prisme de la physique statistique ce qui ne sera pas sans poser de problèmes philosophiques (les notions de hasard et d’indétermination dans les sciences).

En 1870, le duc de Devonshire, chancelier de Cambridge, décide de créer au sein de l’université de Cambridge un laboratoire de physique et une chaire portant le nom de Cavendish (qui est un de ses lointains parents) en l’honneur de ce grand scientifique. Ce « laboratoire Cavendish » deviendra un des plus prestigieux au monde et les plus grands scientifiques anglais de la fin du XIXème et du XXème siècle auront l’honneur de le diriger. Maxwell sera le premier titulaire de la chaire Cavendish à partir de 1871 et supervisera donc les travaux de construction du laboratoire. Pourtant, il n’était pas le premier pressenti pour ce poste. Seulement, Lord Kelvin (pour rester à Glasgow) puis Helmholtz (pour rester à Berlin) ont, avant lui, refusé le poste. En 1874, le laboratoire est terminé. Avec ce poste, notre savant hérite de toutes les archives de Cavendish. Il y découvre des trésors, des découvertes jamais révélées ou antérieurs à d’autre scientifiques. Maxwell deviendra donc éditeur de Cavendish, activité qui lui plait beaucoup. Très bon vulgarisateur, il publie nombres d’articles dans l’Encyclopedia Britannica. 



Le 5 novembre 1879, James Clerk Maxwell décède prématurément, à l’âge de quarante-huit ans, des suites d’un cancer.