Física y sus personajes II

Y, el electromagnetismo…

La parte primera finalizó así:

Faraday

Albert Einstein tenía en la pared de su estudio un retrato de Michael Faraday (1791-1867), y ningún otro hubiera podido ser más apropiado, pues Faraday fue el pionero y el profeta de la gran revisión que hizo posible la obra de Einstein. El mundo ya no sería un escenario newtoniano de “fuerzas a distancias”, objetos mutuamente atraídos por la fuerza de la Gravedad inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que hay entre ellos. El mundo material se convertiría en una tentadora escena de sutiles y omnipresentes “campos de fuerzas”. Esta idea era tan radical como la revolución newtoniana, e incluso más difícil de comprender para los legos en la materia.

Tal como la revolución copernicana en la astronomía, la revolución “del campo”  en la física sería un desafío al sentido común y conduciría una vez más a los científicos pioneros a “las brumas de la paradoja”. Si Michael Faraday hubiese tenido una sólida formación matemática quizá no hubiera estado tan dispuesto a realizar su sorprendente revisión. Hijo de un herrero pobre de las afueras de Londres, Faraday tuvo que ganarse la vida desde muy niño, y se dice que en tiempos de guerra, cuando los precios eran muy altos, pasaba una semana entera con una barra de pan. Sus padres pertenecían a una reducida secta protestante escocesa fundamentalista y practicante del ascetismo que, como los cuáqueros, creía en un clero laico y se oponía a la acumulación de bienes materiales. Faraday asistía regularmente a las reuniones dominicales y fue uno de los dirigentes de la congregación hasta el final de su vida. Los pasajes más marcados de su muy leída Biblia se hallaban en el libro de Job. Faraday prácticamente no tuvo una educación formal -“poco más que los rudimentos de lectura, escritura y aritmética que se enseñan en una escuela corriente”- pero a los trece años entró afortunadamente a trabajar en el taller de un amistoso impresor y encuadernador francés emigrado, un tal monsieur Riebau. Al principio Faraday repartía los periódicos que Riebau prestaba, y los recogía posteriormente para llevarlos a otros clientes.

Faraday at work in his bottle-lined laboratory in the
basement of the Royal Institution in London.
Painting by Harriet Moore

Entre los libros que llegaron al taller de Riebau para ser encuadernados estaba The improvement of the Mind (“La perfección de la mente”), del escritor de himnos Isaac Watts, cuyo sistema para el perfeccionamiento de sí mismo siguió Faraday. Llevando un diario que luego se convertiría en su famoso cuaderno de laboratorio. Un día Faraday recibió en el taller para su encuadernación un tomo de la Enciclopedia Británica (3.ª ed., 1797) que contenía un artículo de 127 páginas a doble columna sobre la electricidad de un fluido y de dos fluidos, y proponía que la electricidad no era un flujo material sino un tipo de vibración, semejante a la luz y el calor. Esta atractiva sugerencia marcó el comienzo de la carrera científica de Faraday.

En 1810 Faraday comenzó a asistir a las conferencias públicas de la Sociedad Filosófica de la Ciudad, y luego a las que daba Humphry Davy en la institución Real. En diciembre de 1811 Faraday causó una favorable impresión en Davy cuando le envió las notas, escritas con una hermosa letra y cuidadosamente encuadernadas, que había tomado en las conferencias del primero, acompañadas de una solicitud para que le contratara como auxiliar. Davy había quedado temporalmente ciego en octubre de ese mismo año a causa de una explosión que había acontecido en su laboratorio y necesitaba un amanuense. Contrató a Faraday por una guinea a la semana y el uso de dos habitaciones en el último piso de la institución, con combustible, velas y batas de laboratorio incluidos, además de la libertad para utilizar los aparatos. A los veinte años, Faraday se hallaba en el laboratorio de uno de los mayores químicos de la época, y podía experimentar allí a sus anchas. ¡ Un sueño hecho realidad !.Sir  Humphry y lady Davy completaron la educación de Faraday llevándolo con ellos en una gira por el continente europeo en 1813-1814. Visitaron Francia e Italia, conocieron a científicos y Faraday compartió las esperanzas y las dudas del parlanchín Davy.

Cuando regresaron a Inglaterra en abril de 1815, Davy había inmunizado a Faraday contra las generalizaciones fáciles y había renovado su pasión por el experimento. De regreso en el laboratorio, Faraday experimentó con combustibles para calefacción y alumbrado, y finalmente descubrió el benceno. Elaboró los primeros compuestos de cloro y carbono, de los que salió el etileno, resultado de la primera reacción de sustitución conocida. Faraday también fue un pionero de la química de las aleaciones de acero. Con el tiempo se sabría que uno de los hechos cruciales de su vida fue el encargo, por parte de la Royal Society, que lo llevó a elaborar un nuevo cristal óptico ” grueso” con un alto índice de refracción especialmente útil para los experimentos con luz polarizada.

El temperamento optimista de Faraday se vio reforzado por un feliz matrimonio con la hermana de un individuo que había conocido en la Sociedad Filosófica de la Ciudad. Sarah Bernard nunca compartió los intereses científicos que hacían pasar a Faraday las noches en vela, pero decía que se sentía feliz de ser la “almohada de su mente”.

En ese mundo nuevo en que la prioridad era recompensada, los tempranos éxitos de Faraday despertaron la envidia de su famoso mentor. En 1824, cuando Faraday fue propuesto para ingresar en la Royal Society por haber logrado la licuefacción del cloro, Davy se opuso a su candidatura y afirmó que el mérito era suyo. A pesar de todo, Faraday fue elegido.

Humphry Davy se había sentido intrigado por los recientes esfuerzos teóricos para adaptar las ideas de Newton a las necesidades que experimentaba el químico en el laboratorio. El más atractivo de estos esfuerzos era la teoría del “punto central” de Boscovich, que describía el átomo no como una diminuta bola de billar de materia impenetrable, sino como un centro de fuerzas. Si las “partículas últimas” de materia tenían esta característica, se explicaría así la interacción de los elementos químicos, sus “afinidades” y los modos de formar compuestos estables.

Boscovich había limitado su atrevida sugerencia a los elementos químicos. Faraday, cuando por casualidad enfocó su pasión por el experimento sobre el poco explorado reino de la electricidad, sintió un renovado interés por la teoría de Boscovich. En 1821 un amigo solicitó a Faraday que escribiera un artículo extenso para el Philosophical Magazine explicando el electromagnetismo al público lego en la materia. En aquel momento había un gran interés por el tema, desde que el verano anterior el físico danés Hans Christian Oersted (1777-1851) había probado, durante una demostración realizada en una conferencia nocturna, que un alambre que condujera corriente eléctrica podía desviar una aguja magnética.

Siguiendo las ideas sugeridas por Oersted, Faraday inventó un sencillo aparato formado por dos cubetas que contenían mercurio, un alambre conductor de corriente y dos barras imantadas cilíndricas. Con esto él demostraba elegantemente la rotación electromagnética, probando que el alambre conductor rotaba alrededor del polo de un imán, y el polo de un imán hacía lo mismo en torno a un alambre conductor.

Quizá Faraday empezaba a sospechar que alrededor de un alambre conductor había líneas circulares de fuerza, y que tal vez las fuerzas del magnetismo y de la electricidad fueran convertibles. En este punto fue una suerte que Faraday no fuese un matemático refinado, pues si lo hubiese sido probablemente habría seguido el camino convencional, como el que tomó el prestigioso matemático francés André Marie Ampère (1775-1836), y hubiese tratado de explicar el electromagnetismo simplemente mediante una formulación matemática de los centros de fuerza newtonianos. Pero la ingenua mirada de Faraday percibió otra cosa.

Para generar la corriente a partir del giro se acopla al motor o eje que se va a medir, una espira situada dentro de un campo magnético fijo ( creado por los dos imanes). Al girar el motor, la espira girará en el interior del campo magnético, lo que provocará una corriente eléctrica.

Sin proponérselo,  Faraday ya había realizado la primera conversión de energía mecánica en energía eléctrica de que tenemos noticia. Este fue, naturalmente, el paso crucial hacia el motor eléctrico y el generador eléctrico con todas sus transformaciones de la vida cotidiana. Una vez más, una revolución científica dependía de un desafío al sentido común. Por sorprendente que pudiera parecer, la potencia de un imán, a diferencia de la fuerza de gravitación de Newton, no estaba concentrada en un objeto macizo del que emanaban líneas rectas de fuerza a la distancia. Faraday comenzó a vislumbrar en los numerosos experimentos realizados después del año 1821 un extraño fenómeno, y también la posibilidad de que el imán y la corriente eléctrica crearan, de manera todavía desconocida, un “campo de fuerza”.

A faraday, que había sido bendecido con la ingenua clarividencia de los aficionados, no le seducían las reverenciadas fórmulas matemáticas de Newton. Los experimentos que realizó en los veinticinco años siguientes -desde sus primeros alambres de imanes que giraban en cubetas de mercurio hasta los proféticos bosquejos de la moderna teoría de los campos- abrirían el camino hacia una nueva perspectiva del Universo. Y la fe de Faraday en la unidad y la coherencia de la creación de la Naturaleza le servirían siempre de inspiración.

            Joseph Henry

En 1831, Faraday se enteró de que Joseph Henry, de Albano, Nueva York, había invertido la polaridad de los electroimanes cambiando la dirección de la corriente eléctrica, y comenzó a realizar sus propios experimentos. Pretendía demostrar que un imán en movimiento podía generar una corriente eléctrica. Mediante un experimento de sorprendente sencillez, en el cual pasaba una descarga electrostática a través de una cuerda húmeda, Faraday consiguió probar que la electricidad estática no difería en esencia de los demás tipos de electricidad y, por consiguiente, que todas las clases conocidas de electricidad eran idénticas.

A continuación demostró con sus experimentos en electroquímica que la potencia de descomposición de la electricidad era directamente proporcional a la cantidad de electricidad en solución, y por ello, la electricidad debía ser la fuerza de afinidad química. Utilizando un trozo de papel secante empapado en yoduro de potasio, Faraday efectuó una descarga electromagnética en el aire, deshaciéndose así de la teoría basada en Newton que sostenía que la electricidad, como la gravitación, era una fuerza ejercida de un “polo” a otro. Todos estos eran indicios de la existencia de partículas y campos eléctricos, puertas abiertas hacia los campos de fuerza, insinuaciones sobre la convertibilidad de las fuerzas y la unidad de todos los fenómenos.

En 1838, Faraday ya tenía las bases para una nueva teoría de la electricidad. Ideó un vocabulario completo y original compuesto por términos como “electrodo”, “cátodo” y “electrólisis”. Tal vez, aventuró Faraday, las fuerzas eléctricas eran intermoleculares y la electricidad transmitía energía  sin transferir materia. Faraday, que no deseaba utilizar el término “corriente” a causa de sus connotaciones mecánicas, describió esta transferencia como un proceso en el cual unas partículas diminutas eran sometidas a una presión que era entonces conducida de una partícula a otra.

Después de un difícil intervalo de cinco años durante los cuales su mente aparentaba estar irremediablemente fatigada a raíz de los años anteriores de continua experimentación, Faraday retornó a la primera línea para dar un crucial paso al frente en su cadena de experimentos. Por aquel entonces el joven William Thomson (1824-1907), famoso después como lord Kelvin, estaba intrigado por la naturaleza de la electricidad y la dificultad que entrañaba su incorporación al esquema de Newton. En agosto de 1845, Thomson escribió a Faraday comunicándole que había logrado formular matemáticamente el concepto de líneas de fuerza de Faraday y sugiriéndole más experimentos. Faraday no había convencido a ninguno de los físicos eminentes de la época.

                             William Thomson

Pero Thomson, que por entonces sólo contaba veintiún años, estaba abierto a posibilidades aún más atrevidas. Si realmente existían líneas y campos de fuerza, ¿no sería posible demostrar mediante experimentos que había una relación entre la electricidad y la luz? Faraday decidió seguir esta extravagante sugerencia. Al principio las dificultades parecían insuperables. “Sólo la muy firme convicción de que la luz, el magnetismo y la electricidad tenían que estar relacionados…me llevó a retomar el tema y a perseverar”.

El 13 de Noviembre de 1845 Faraday intentó hacer pasar un rayo a través de un trozo de “cristal grueso” con un alto índice de refracción que había fabricado quince años antes, y en el campo de un potente electroimán. “Se produjo un efecto en el rayo polarizado y así quedó demostrado que la fuerza magnética y la luz están relacionadas. Es probable que este hecho demuestre ser sumamente fértil”, escribió con satisfacción. Faraday se sintió aún más seguro cuando descubrió que el ángulo de rotación del rayo de luz era directamente proporcional a la potencia de la fuerza electromagnética.

A partir de ese momento Faraday consideró que su anterior metáfora de la “presión” entre partículas era inadecuada, y sugirió en su lugar un “flujo de energía”; el electroimán sería una “habitación de líneas de fuerza”. Al comparar la acción de diferentes sustancias en el paso de la fuerza magnética, Faraday contrastó las sustancias “paramagnéticas”, que conducían bien la fuerza, con las “diamagnéticas”, que la conducían mal. A continuación demostró que sus “líneas de fuerza” no eran polares (dirigidas al polo más próximo) como hubieran sugeridos las antiguas teorías newtonianas, sino curvas continuas. Su conclusión fundamental, el axioma de la moderna teoría “del campo” en la física, fue que la energía del imán no se encontraba en el imán propiamente dicho sino en el campo magnético.

El trabajo de investigación de Faraday, posibilitó que hoy nosotros, sepamos del campo magnético de las estrellas de neutrones y de las galaxias, o, del mismo Planeta Tierra.

Faraday había esbozado las líneas maestras de un sorprendente mundo nuevo e invisible. Entre estos infinitesimales campos de fuerzas ejercidas por entidades misteriosas y diminutas, los físicos encontrarían sus “nuevos mundos” y sus “continentes oscuros”, donde habría secretos relativos a una entidad todavía más amplia y fenómenos misteriosos. En 1845, Faraday escribía a la Real Society: “Hace mucho tiempo que soy de la opinión, que casi es una convicción compartida con muchos otros amantes del conocimiento natural, de que las distintas formas bajo las que se manifiestan las fuerzas de la materia tienen un origen común o, en otras palabras, están relacionadas tan directamente y son tan mutuamente dependientes que son convertibles la una en la otra, y poseen fuerzas equivalentes en su acción. En la época moderna se han multiplicado las pruebas de su convertibilidad, y se ha iniciado la determinación de sus fuerzas equivalentes”.

La serie de pruebas que Faraday había profetizado se sucedieron con vertiginosa velocidad durante el siglo siguiente. La comunicación entre científicos era más constante y los éxitos eran, más  que nunca, producto de la colaboración. En algunas ocasiones era cuestión de suerte quién se atribuía (o le era atribuido) el mérito de haber dado un paso adelante.

            James Clerk Maxwell

Los descubrimientos de Faraday habían sido el producto de una mente ajena a las matemáticas, pero la verosimilitud y la convicción de la teoría del campo dependerían de su formulación matemática. Esto fue llevado a cabo por un admirador de Faraday, James Clerk Maxwell (1831-1879), que tradujo sus “líneas” o “tubos” de fuerza de Faraday a una descripción matemática de un campo continuo. Del mismo modo que Newton había dado forma matemática a las intuiciones de Galileo, las ecuaciones de Maxwell, como observó Einstein, desempeñaron una función similar para los descubrimientos de Faraday.

Einstein y su colaborador Leopold Infeld afirmaron que “la formulación de estas ecuaciones” es “el acontecimiento más importante de la física desde la época de Newton”, no sólo a causa de la riqueza de su contenido, sino también porque constituyen un modelo para un nuevo tipo de ley”. Las principales características de esas ecuaciones aparecerían “en todas las demás ecuaciones de la física moderna”.

La teoría de Einstein sobre la relatividad se basaría también en las ecuaciones de Maxwell. El paso siguiente, después de Faraday, en la revisión de la física newtoniana y la disolución del átomo “indestructible” se vio con el descubrimiento de los rayos catódicos, los rayos X y la radiactividad. J.J. Thomson (1856-1940) siguió la pista del electrón y descubrió diminutas partículas invisibles de masa uniforme, mil ochocientas veces más pequeñas que el átomo de hidrógeno, que era hasta entonces el objeto conocido de menor peso. Ernest Rutherford (1871-1937) descubrió en 1911 un núcleo atómico (1/100.000 del átomo) que sería explorado por la siguiente generación de físicos, del mismo modo que sus predecesores habían explorado el electrón. Estos nuevos físicos fueron ya, el mismo Einstein y Planck, Heisenberg y Schrödinger, Feynman, y muchos otros.

Los misterios del átomo se multiplicaban con cada descubrimiento. Los límites de las matemáticas se revelaban con mayor claridad. En la mente de Einstein la unidad de los fenómenos -la búsqueda de Dalton y Faraday- planteó problemas “científicos” y paradojas que estaban más allá de todo conocimiento anterior, excepto quizás el de los filósofos. Así como los físicos explicaban el átomo mediante los sistemas planetarios y celestes, lo infinitesimal ofrecía indicios que apuntaban al infinito. El tiempo y el espacio se unieron en un torturante y único acertijo, que llevó a Einstein a concluir que “el misterio eterno del mundo es su comprensibilidad”.

Ahora, después de todo aquellos primeros pasos, estamos mucho más adelantados ya en el conocimiento de la materia y, sin embargo, seguimos persiguiendo ese secreto que encierra y guarda mucho más profundamente que el habitad de los quarks, y, que algunos dicen que son, infinitesimales y vibrantes cuerdas que nos hablarán, en otras dimensiones más altas que, de momento, ni podemos ver ni comprender, de todo aquello que, con desesperada e incansable curiosidad buscamos…la última frontera de la materia que, finalmente, resultará ser…¡LA LUZ! la pura energía de lo que todo el Universo está hecho.

emilio silvera

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