Siglo XIX o cuando la electricidad y el magnetismo se encontraron.

barco_en_la_tormenta_-_Miguel_Hernandez

La tormenta les sorprendió en mitad de la noche y lejos de la costa. El viento hacía tambalearse el barco con tal furia que el pobre capitán Elkano pensó que esta vez llegaba su hora. Las olas se estrellaban contra el casco del barco, estallando como un volcán de espuma y agua, y barriendo la cubierta de babor a estribor.  Elkano, apenas pudiendo sostenerse de pie, volvió a mirar aquella brújula, única referencia fiable, única esperanza de salir con vida de aquella tormenta y llegar a puerto.  Levantó la vista hacia el cielo, y vió como un rayo iluminaba la noche, arañando el cielo con sus múltiples ramificaciones. Pensó que si alguno de esos rayos impactaba contra el mástil principal, sería el final de su viaje en esta vida. Se estremeció con este pensamiento, y volvió a mirar fijamente aquella brújula, con la esperanza de que el rumbo señalado fuera el correcto. De repente, alguien gritó “Tierra!!!”…y una sonrisa se dibujó en su rostro. Brújula y rayos, magnetismo y electricidad, poco podía sospechar Elkano que en realidad los dos fenómenos eran las dos caras de una misma moneda.. como la vida que había conquistado y la muerte que había dejado atrás.

Pero empecemos por el principio. Las fuerzas eléctricas y magnéticas son conocidas por la humanidad desde tiempos inmemoriales. Desde muy antiguo, el ser humano se dió cuenta de que había objetos que al frotar  atraían a otros, y de que ciertos materiales como la magnetita tenían  propiedades atractivas y repulsivas. De hecho, el adjetivo latino eléctrico tiene su origen en la palabra griega elektron que hace referencia al ámbar, una piedra hecha de resina vegetal fosilizada que al frotarse adquiere la propiedad de atraer ciertos objetos. A partir del siglo XVI, eléctrico pasó a ser un adjetivo que indicaba precisamente la propiedad de un material de ejercer esas fuerzas atractivas.

El análisis científico de los procesos eléctricos y magnéticos despega en el siglo XVII. En 1785, Coulomb logró cuantificar la fuerza eléctrica con la que se atraían o repelían dos cuerpos cargados. Resultó que la fuerza dependía de la carga de los cuerpos y del inverso del cuadrado de su distancia, es decir, una dependencia con la distancia análoga a la fuerzas gravitacionales newtonianas. Había sin embargo una diferencia fundamental,  las fuerzas eléctricas podían ser no sólo atractivas, como las gravitacionales, sino repulsivas. Para tener en cuenta estas dos posibilidades, hubo que añadir el atributo de signo a la cantidad de carga eléctrica de un determinado objeto: cargas eléctricas del mismo signo se repelían, mientras que cargas eléctricas de signo diferente se atraían.

El año 1800 fue testigo del nacimiento de la pila a cargo de Volta, lo que permitió tener circuitos de corriente eléctrica continua. Esto fue muy importante, ya que permitió la realización de experimentos cada vez más precisos y rigurosos, los cuales revelaron la naturaleza común de los procesos eléctricos y magnéticos. Así, se comprobó que en presencia de un cable conductor de electricidad, una brújula se desviaba y tendía a ponerse perpendicular a él. Es decir, la corriente eléctrica generaba una fuerza magnética, la cual era proporcional a la intensidad de corriente circulante.  Más tarde, Faraday comprobó que lo contrario también era posible, se podía generar corriente eléctrica a través de una fuerza magnética en movimiento. Electricidad y magnetismo eran por lo tanto dos fenómenos íntimamente relacionados, dos caras de una misma moneda.

Mientras se hacían estos descubrimientos, distintos científicos empezaron a introducir el concepto de campo para explicar las interacciones entre cuerpos. Un campo representa la distribución espacial de una magnitud física. Tomemos por ejemplo el diagrama inferior izquierdo, en el que se representa el campo gravitacional generado por una masa M. Las líneas de campo, las flechas que ves en el diagrama,  indican la fuerza gravitacional que siente una unidad de masa en un determinado punto. Más sencillo, imagina que tenemos el planeta tierra de masa M,  si nos colocamos en un punto del espacio, ¿Qué fuerza ejercería la tierra sobre nosotros? Pues eso es lo que te indican las flechas, es decir, la tierra te atraería hacia sí misma. Se pueden trazar líneas de campo similares para las fuerzas eléctricas, obteniendo unos diagramas análogos a los gravitacionales, si bien tenemos ahora dos posibilidades. Las flechas pueden apuntar al exterior o al interior, dependiendo de si la carga central es positiva o negativa, y por lo tanto, si la carga central repele o atrae a una unidad de carga eléctrica positiva.

lineas_M_Q+_Q-

El magnetismo se comporta de forma diferente. Esto queda patente al analizar, como hizo Faraday, el patrón que forman las limaduras de hierro bajo efecto de un imán. Como puedes ver en el diagrama inferior izquierdo, las limaduras de hierro forman un patrón diferente a los diagramas superiores, las líneas de campo salen de un extremo del imán y van a parar al otro extremo. Estos extremos forman lo que se conoce como polo norte y polo sur del imán. Las líneas de campo magnético son siempre curvas cerradas, e indican la imposibilidad de aislar uno de los polos. Es decir, si cortas un imán por la mitad, y separas las partes, no obtienes dos polos magnéticos separados, sino que vuelves a tener dos polos magnéticos en cada una de las partes.  El campo magnético de la Tierra es análogo al de estos imanes, como puedes observar en el diagrama inferior derecho.


FisikaArloak

iman_campo

lineas_campo_magnetico_terrestre

La idea de campo fue al principio utilizada simplemente como un formalismo matemático útil. A partir de  Faraday, los campos empezaron a ser concebidos como elementos de realidad física, describiendo éstos el estado que producían los objetos en el espacio a su alrededor. Y así las cosas, entró en escena el gran físico James Clerk Maxwell, que revolucionaría el electromagnetismo, a través de lo que se conoce como las ecuaciones de Maxwell. Las ecuaciones de Maxwell implican la unificación definitiva de los campos eléctricos y magnéticos. A partir de entonces, hablamos de campos electromagnéticos. Estas ecuaciones describen las leyes fundamentales que siguen estos campos, a través de cuatro leyes de una elegancia y capacidad predictiva tal que no es de extrañar que se consideren como otro de los hitos de la física, a la misma altura que las ecuaciones de Newton.

iman_campo

Una vez más la aparente complejidad de la naturaleza revelada en unas pocas leyes físicas simples. Sin embargo, desde un punto de vista filosófico, las ecuaciones de Maxwell habían introducido un matiz importante con respecto a la física newtoniana. Para el desarrollo de sus ecuaciones, Maxwell partió de los trabajos de Thompson, el cual había encontrado una analogía entre el flujo de calor a través de un sólido y los patrones formados por las fuerzas eléctricas. En el camino de desarrollo de sus ecuaciones, Maxwell generó un modelo un tanto extraño, en el que las fuerzas eléctricas y magnéticas eran transmitidas por vórtices o remolinos en un fluido que llenaba todo el espacio. Lo extraño del modelo no echó para atrás a Maxwell, que en el fondo daba más importancia a las ecuaciones resultantes que al modelo en sí mismo. Para Maxwell, el modelo era una herramienta útil para deducir una serie de ecuaciones, pero no le otorgaba una categoría mayor de realidad que a las ecuaciones en sí. En sus propias palabras:

For the sake of persons of different types of mind, scientific truth should be presented in different forms and should be regarded as equally scientific whether it appears in the robust form and vivid colouring of a physical illustration or in the tenuity and paleness of a symbolic expression.

Esto era un cambio conceptual muy importante. La física Newtoniana nos ofrecía un modelo de la Realidad en términos de partículas localizadas e interacciones entre ellas. Un modelo que nuestra mente podía aprehender con facilidad, que hasta cierto punto no le resultaba extraño, y que por lo tanto, era fácil e intuitivo asignar la realidad al modelo en sí.   Sin embargo con Maxwell, los físicos empezaron a tomar los modelos no como la esencia de la realidad, sino como representaciones útiles para llegar a las fórmulas que nos permiten describir los fenómenos sensoriales. Los modelos eran tan sólo una “muleta” en la que apoyar nuestra imaginación, un andamiaje necesario para levantar el edificio del formalismo matemático, pero que una vez levantado, era tan poco necesario como un andamio al finalizar una construcción. Desde entonces, y cada vez con una tendencia mayor en física, los científicos empezarían a hablar de los modelos con frases de tipo “la realidad es como si…” , y no “la realidad es…”. Dicho de otra manera, los elementos de realidad para los físicos fueron desplazándose poco a poco del modelo en sí, a las ecuaciones que se deducían del modelo. Y esto era un cambio profundo de perspectiva, que en mi opinión es una de las causas por las que la divulgación de la física  es tan difícil.  En pocas palabras, los físicos tienden a asignar la verdad científica a las ecuaciones matemáticas y miran con cierto recelo al modelo, mientras que el público no-físico espera una explicación basada en un modelo y cuanto más visual mejor, pero evitando cualquier atisbo de matemáticas.  Y claro, así la comunicación y la divulgación científica es muy difícil.

Aparte de filosofías varias sobre modelos, ecuaciones y elementos de la realidad, las ecuaciones de Maxwell junto con la teoría de la gravitación universal de Newton conformaron el edificio de lo que hoy en día conocemos como Física Clásica:  unas pocas ecuaciones sencillas capaces de explicar todos los experimentos gravitacionales y electromagnéticos conocidos en la época.  Y cuando digo todos… quiero decir … todos. Nada parecía quedar fuera de su ámbito, y todo fenómeno podía ser explicado por la Física Clásica. Por un lado, esto era un gran éxito, pero por otro, como dice el dicho “tambien se puede morir de éxito”. Una sensación de “final de la historia” se instaló en la física al acabar el siglo XIX.  En palabras de Lord Kelvin: “There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement.” Ciertamente, una perspectiva no muy alentadora para convencer a alguien para que investigara en física en aquella época. El tiempo se encargaría de demostrar lo desacertado de esta afirmación. Lord Kelvin, aparte de ser un gran físico y matemático, era conocido por su gran seguridad en sí mismo, lo que al parecer le llevaba a afirmaciones tan categóricas como faltas de capacidad predictiva. De hecho, otra de sus célebres frases es la siguiente: “heavier-than-air flying machines are impossible”. En el siglo XX, la Física iba a demostrar que Lord Kelvin estaba equivocado, y que todavía esta ciencia tenía la capacidad de hacer volar nuestra imaginación para comprender un Universo mucho más extraño de lo que Lord Kelvin podía imaginar.

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  1. #1 por Giusseppe Domínguez el febrero 5, 2013 - 11:34 am

    Cada día me gusta más el fantástico blog de mi amigo Xabi, sobre Química Cuántica. En esta ocasión, ha realizado una entrada sobre el surgimiento de las teorías de campos de Maxwell y la concepción unificada de los fenómenos eléctricos y magnéticos en la Teoría de Campos Electromagnéticos.

    Ha sabido destacar, de ello, de ese pedacito de historia de la ciencia, lo más notable, que es, como bien dice, la concepción del modelo de la realidad como mero útil, utensilio y no visión o representación de la realidad.

    Por alusiones, lo vinculo con la idea de separar la re-presentación de la presentación que se lleva a cabo en el arte conceptual, especialmente en el arte de acción, pero también con la “gestualidad” de un Marcel Duchamp presentando un urinario y no re-presentándolo. Trayendo la realidad al arte, y no simplemente una aproximación más o menos subjetiva de la misma. Este cambio de paradigma tenía que ver, obviamente, con la irrupción de la fotografía, también en el SXIX, que trastocaría la idea de aproximación a la realidad a base de representaciones intencionadamente fidedignas. Pero esta cuestión la dejo para otro día… o remito a Walter Benjamin (La obra de arte en la época de su reproductibilidad técnica) o, más adelante, al maravilloso ensayo de Roland Barthes, (que dejo aquí para posteriores consultas), titulado La Cámara Lúcida.

    Un interesantísimo párrafo es el de:

    Sin embargo con Maxwell, los físicos empezaron a tomar los modelos no como la esencia de la realidad, sino como representaciones utiles para llegar a las fórmulas que nos permiten describir los fenómenos sensoriales. Los modelos eran tan sólo una “muleta” en la que apoyar nuestra imaginación, un andamiaje necesario para levantar el edificio del formalismo matemático, pero que una vez levantado, era tan poco necesario como un andamio al finalizar una construcción. Desde entonces, y cada vez con una tendencia mayor en física, los científicos empezarían a hablar de los modelos con frases de tipo “la realidad es como si…” , y no “la realidad es…”.

    En el que, como bien apunta Xabi, se habla de una realidad que deja de ser, por primera vez, aprehensible, es decir, no puede capturarse, no puede obligarse a ser de una manera. Es, de una manera más o menos misteriosa, y tan solo nos quedarán aproximaciones más o menos acertadas, visualmente acertadas. En el fondo, es como si la poesía hubiera ganado la guerra contra la prosa: la metáfora es la mejor representación posible para describir la prosaica realidad, inapresable, mistérica, utópica.

    Ya se anticipaba algo cuando Hume defendía el experimento, el fenómeno, en tanto manifestación de la realidad, no como realidad misma, pero esto va más allá, unos cuantos pasos más allá, afirmando la ciencia que no tiene capacidad para hablar de La Realidad, sino de los modelos que la describen. Y, al fin, esa realidad vuelve a la metafísica, al lugar que Aristóteles le tenía reservado más allá de sus textos de física. Cerca, ya, de la teología.

    Efectivamente, otra cuestión importante, es la de la lejanía entre el lenguaje metafórico que todo el mundo puede acercarse a comprender y el lenguaje matemático, riguroso, que exige del lector un conocimiento iniciático, pitagórico, creando una especie de desfase entre los que saben y los que no saben cómo funciona el universo. Correctamente, ninguno lo sabe, pero unos saben que no lo saben, otros creen que saben porque pueden visualizarlo… pero no es el universo lo que visualizan, pero les vale… y ese divorcio lleva asociada la dificultad de enseñar en estos tiempos abstractos, rigurosos, matemáticos, en los que, por ende, se ha renunciado a que esa enseñanza lleve asociada, en última instancia, un verdadero conocimiento de La Realidad, sino de un modelo vigente y cuestinable (en que pueda ser puesto en cuestión radica una de las bondades del método científico) de la realidad observable… que no ha de coincidir con La Realidad, si es que esta puede afirmarse que existe y es única.

    Pero que este rigor sea despreciado porque ha reconocido su impotencia (ya lo hará aún más Heisemberg y su Principio de Incertidumbre), no debería lanzar a la gente a respuestas fáciles que pretenden superar esa impotencia, como todas aquellas más o menos místicas y antirracionales que, no solo no responden más que con suposiciones inverificables, sino que ponen en tela de juicio nuestra metodología de razonamiento. Y queda tan poco sin esa metodología para que seamos supersticiosos neanthertales…

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