El mundo y sus demonios (55 page)

La segunda ecuación nos dice que no se puede hacer una afirmación comparable en magnetismo, porque las «cargas» magnéticas (o «monopolos» magnéticos) de Mesmer no existen: si se sierra un imán por la mitad, no habrá un polo «norte» aislado y un polo «sur» aislado; cada pieza tiene ahora sus polos «norte» y «sur».

La tercera ecuación nos dice cómo un campo magnético cambiante induce un campo eléctrico.

La cuarta describe lo contrario: cómo un campo eléctrico cambiante (o una corriente eléctrica) induce un campo magnético.

Las cuatro ecuaciones son esencialmente una destilación de generaciones de experimentos de laboratorio, principalmente de científicos franceses y británicos. Lo que he descrito aquí vaga y cualitativamente, las ecuaciones lo describen exacta y cuantitativamente.

Maxwell se hizo entonces una extraña pregunta: ¿cómo serían estas ecuaciones en el vacío, en un lugar donde no hubiera cargas eléctricas ni corrientes eléctricas? Podríamos esperar tal vez que en el vacío no hubiera campos eléctricos ni magnéticos. En cambio, él sugirió que la forma correcta de las ecuaciones de Maxwell para el comportamiento de la electricidad y el: magnetismo el vacío es ésta

Fijó
p
igual a cero, indicando que no hay cargas eléctricas. También fijó
j
igual a cero, indicando que no hay corrientes eléctricas. Pero no descartó el último término en la cuarta ecuación,
µ
o
ε
o
É
, la débil corriente de desplazamiento en aislantes.

¿Por qué no? Como se puede ver en las ecuaciones, la intuición de Maxwell mantuvo la simetría entre los campos magnético y eléctrico. Incluso en un vacío, con ausencia total de electricidad y hasta de materia, propuso que un campo magnético cambiante provoca un campo eléctrico y viceversa. Las ecuaciones iban a representar a la naturaleza, y Maxwell creía que la naturaleza era bella y elegante. (También había otra razón, más técnica, para conservar la corriente de desplazamiento en un vacío, que aquí pasamos por alto.) Esta valoración estética por parte de un físico «bicho raro», totalmente desconocido excepto para otros científicos académicos, ha contribuido más a formar nuestra civilización que diez presidentes y primeros ministros juntos.

Brevemente, las cuatro ecuaciones de Maxwell para el vacío dicen: 1) no hay cargas eléctricas en el vacío; 2) no hay monopolos magnéticos en el vacío; 3) un campo magnético cambiante genera un campo eléctrico, y 4) viceversa.

En cuanto hubo escrito así las ecuaciones, Maxwell pudo demostrar fácilmente que E y B se propagaban por el espacio vacío como si fueran
ondas.
Lo que es más, podía calcular la velocidad de la onda. Era sólo 1 dividido por la raíz cuadrada de
ε
o
y
µ
O
. Pero
ε
o
y
µ
O
habían sido medidos en el laboratorio. Cuando se colocaban los números, se encontraba que los campos eléctricos y magnéticos en el vacío debían propagarse, asombrosamente, a la misma velocidad que se había medido antes para la luz. El acuerdo era demasiado exacto para ser accidental. De pronto, de manera desconcertante, la electricidad y el magnetismo estaban profundamente implicados en la naturaleza de la luz.

Dado que la luz ahora parecía comportarse como ondas y derivar de campos eléctricos y magnéticos, Maxwell la llamó electromagnética. Esos oscuros experimentos con baterías y cables tenían algo que ver con el brillo del sol, con la forma en que vemos, con la naturaleza de la luz. Albert Einstein, meditando años después sobre el descubrimiento de Maxwell, escribió: «A pocos hombres en el mundo les ha sido concedida una experiencia así.»

El propio Maxwell se quedó perplejo ante los resultados. El vacío parecía actuar como un dieléctrico. Dijo que puede ser «polarizado eléctricamente». Maxwell, que vivía en una sociedad mecanicista, se sintió obligado a ofrecer algún tipo de modelo mecánico para la propagación de una onda electromagnética a través de un vacío perfecto. Así, se imaginó el espacio lleno de una sustancia misteriosa que llamó éter, que sostenía y contenía los campos eléctricos y magnéticos variables en el tiempo... algo así como una gelatina palpitante pero invisible que impregnara el universo. Las vibraciones del éter eran la razón por la que la luz viajaba a través de él, igual que las ondas de agua se propagan por el agua y las ondas de sonido por el aire.

Pero este éter tenía que ser un material muy raro, muy sutil, fantasmagórico, casi incorpóreo. El Sol y la Luna, los planetas y las estrellas tenían que pasar a través de él sin disminuir su velocidad, sin notarlo. Y, sin embargo, tenía que tener la suficiente rigidez para sostener todas estas ondas propagándose a una velocidad prodigiosa.

Se sigue usando la palabra «éter» sin relación con esto, principalmente en el adjetivo etéreo, residente en el éter. Tiene algunas connotaciones parecidas al más moderno «espacioso» o «flotante». Cuando, en los primeros tiempos de la radio, decían: «en el aire», lo que tenían en mente era el éter. (La frase rusa es casi literalmente «en el éter»,
vefir.)
Pero, desde luego, la radio viaja fácilmente a través del vacío, uno de los principales descubrimientos de Maxwell. No necesita aire para propagarse. La presencia de aire, si acaso, es un impedimento.

Toda la idea de luz y materia moviéndose por el éter iba a llevar cuarenta años después a la teoría especial de la relatividad de Einstein, E=mc
2
, y mucho más. La relatividad y los experimentos que llevaron a ella demostraron de manera concluyente que no hay un éter que sostenga la propagación de ondas electromagnéticas, como escribe Einstein en el extracto del famoso trabajo que he reproducido en el capítulo 2. La onda avanza por sí sola. El campo eléctrico cambiante genera un campo magnético; el campo magnético cambiante genera un campo eléctrico. Se sostienen ambos... con sus tirantes.

Muchos físicos quedaron profundamente turbados por la desaparición del éter «luminífero». Habían necesitado algún modelo mecánico para que toda la idea de la propagación de luz en el vacío fuera razonable, plausible, comprensible. Pero era una muleta, un síntoma de nuestras dificultades para reconocer reinos en los que el sentido común no sirve. El físico Richard Feynman lo describió de este modo:

Hoy entendemos mejor que lo que cuenta son las ecuaciones en sí y no el modelo usado para conseguirlas. Sólo podemos cuestionar si las ecuaciones son verdaderas o falsas. Se contesta a eso haciendo experimentos, y un número incontable de experimentos han confirmado las ecuaciones de Maxwell. Si retiramos el andamio que utilizó para construirlo, nos encontramos con que el bello edificio de Maxwell se mantiene por sí solo.

¿Pero qué
son
esos campos eléctricos y magnéticos variables en el tiempo que impregnan todo el espacio? ¿Qué
significan
E
y
B
? Nos sentimos mucho más cómodos con la idea de cosas que se tocan y se mueven, se estiran o se empujan, que con «campos» que mueven mágicamente objetos a distancia o meras abstracciones matemáticas. Pero, como señaló Feynman, nuestra sensación de que al menos en la vida cotidiana podemos confiar en el contacto físico sólido y sensible —para explicar, por ejemplo, por qué el cuchillo de la mantequilla se acerca a uno cuando lo coge— es un concepto erróneo. ¿Qué quiere decir tener contacto físico? ¿Qué ocurre exactamente cuando uno toma un cuchillo, o empuja un columpio, o hace una onda en el agua golpeando periódicamente sobre ella? Cuando investigamos en profundidad, encontramos que no hay contacto físico. En cambio, las cargas eléctricas de la mano están influyendo en las cargas eléctricas del cuchillo, columpio o agua, y viceversa. A pesar de la experiencia y el sentido común cotidiano, incluso aquí, sólo existe la interacción de campos eléctricos. Nada toca nada.

Ningún físico se mostró impaciente con las nociones del sentido común y ansioso por reemplazarlas por alguna abstracción matemática que pudiera ser entendida sólo por extraños físicos teóricos. Empezaron, como hacemos todos, con ideas cómodas y estándar de sentido común. El problema es que la naturaleza no obedece. Si dejamos de insistir en nuestras ideas de
cómo debería
comportarse la naturaleza, y nos ponemos ante ella con una mente abierta y receptiva, encontramos que a menudo el sentido común no funciona. ¿Por qué no? Porque nuestras ideas, tanto hereditarias como aprendidas, de cómo funciona la naturaleza fueron forjadas en los millones de años que nuestros antepasados eran cazadores y recolectores. En este caso, el sentido común es una guía inexacta porque la vida de los cazadores-recolectores no dependía de entender los campos eléctricos y magnéticos de tiempo variable. No había castigos evolutivos por ignorar las ecuaciones de Maxwell. En nuestra época es diferente.

Las ecuaciones de Maxwell muestran que un campo eléctrico rápidamente variable (que haga más grande
É
) debería generar ondas electromagnéticas. En 1888, el físico alemán Heinrich Hertz realizó el experimento y encontró que había generado una nueva especie de radiación, ondas de radio. Siete años después, científicos británicos en Cambridge transmitieron señales de radio a una distancia de un kilómetro. En 1901, Guglielmo Marconi, de Italia, utilizaba ondas de radio para comunicarse con el otro lado del océano Atlántico.

La conexión económica, cultural y política del mundo moderno mediante torres emisoras, enlaces de microondas y satélites de comunicación se remonta a la idea de Maxwell de incluir la corriente de desplazamiento en sus ecuaciones de vacío. Eso hace la televisión, que nos instruye y entretiene de manera imperfecta; el radar, que quizá pueda haber sido el elemento decisivo en la batalla de Gran Bretaña y en la derrota nazi en la segunda guerra mundial (me gusta pensar que fue gracias a «Dafty», el bicho raro que se adelantó al futuro y salvó a sus descendientes de sus atormentadores); el control y navegación de aviones, barcos y naves espaciales; la radioastronomía y la búsqueda de inteligencia extraterrestre y aspectos significativos de la energía eléctrica y las industrias de microelectrónica.

Lo que es más, la idea de campos de Faraday y Maxwell ha tenido gran influencia en la comprensión del núcleo atómico, la mecánica cuántica y la estructura fina de la materia. Su unificación de electricidad, magnetismo y luz en un todo matemático coherente es la fuente de inspiración de posteriores intentos —algunos con éxito, otros todavía en estado rudimentario— de unificar todos los aspectos del mundo físico, incluyendo la gravedad y las fuerzas nucleares, en una gran teoría. Puede decirse razonablemente que Maxwell abrió la puerta de la física moderna.

Richard Feynman describe nuestra visión actual del mundo silencioso de los vectores eléctricos y magnéticos variables con estas palabras:

Intentemos imaginar cómo son los campos eléctrico y magnético ahora en el espacio de esta sala de conferencias. En primer lugar hay un campo magnético constante; procede de las corrientes del interior de la tierra, es decir, el campo magnético constante de la tierra. Luego hay algunos campos eléctricos irregulares, casi estáticos, producidos quizá por cargas eléctricas generadas por fricción cuando varias personas se mueven en sus sillas y frotan las mangas de su chaqueta con los brazos de la silla. Luego hay otros campos magnéticos producidos por corrientes oscilatorias en el cableado eléctrico... campos que varían a una frecuencia de sesenta ciclos por segundo, en sincronización con el generador de Boulder Dam. Pero son más interesantes los campos eléctrico y magnético variables con frecuencias mucho más altas. Por ejemplo, cuando la luz viaja desde la ventana hasta el suelo y las paredes, hay pequeñas sacudidas de los campos eléctrico y magnético que se mueven a trescientos mil kilómetros por segundo. Luego están también las ondas infrarrojas que viajan de las fuentes calientes a la fría pizarra. Y hemos olvidado la luz ultravioleta, los rayos X y las ondas de radio que viajan a través de la habitación.

A través de la sala vuelan ondas electromagnéticas que transportan música de una banda de jazz. Hay ondas moduladas por una serie de impulsos que representan imágenes de acontecimientos que ocurren en otras partes del mundo o de aspirinas imaginarias que se disuelven en estómagos imaginarios. Para demostrar la realidad de esas ondas, sólo es necesario encender un equipo electrónico que convierta esas ondas en imágenes y sonidos.

Si nos adentramos en más detalle para analizar incluso el menor movimiento, hay pequeñas ondas electromagnéticas que han entrado a la sala desde distancias enormes. Ahora hay pequeñas oscilaciones del campo eléctrico, cuyas crestas están separadas por una distancia de medio metro, que han venido de millones de kilómetros de distancia, transmitidas a la Tierra desde la nave espacial Mariner [2] que acaba de pasar por Venus. Sus señales llevan resúmenes de información que ha recogido sobre los planetas (obtenida a partir de ondas electromagnéticas que viajan del planeta a la nave espacial).

Hay movimientos muy pequeños de los campos eléctrico y magnético que son ondas que se originaron a miles de millones de años luz... desde las galaxias en los rincones más remotos del universo. Que esto es cierto se ha descubierto «llenando la sala de cables»... construyendo antenas tan grandes como esta sala. Esas ondas de radio han sido detectadas llegando desde lugares del espacio que están fuera del alcance de los mayores telescopios ópticos. Incluso los telescopios ópticos son simples recolectores de ondas electromagnéticas. Lo que llamamos las estrellas son sólo deducciones, deducciones derivadas de la única realidad física que hemos recibido de ellas hasta ahora, a partir de un meticuloso estudio de las ondulaciones interminablemente complejas de los campos eléctrico y magnético que nos llegan a la Tierra.