XI. MAXWELL, UN GENIO SINTÉTICO

ANTES de introducirnos a los terrenos de la mecánica cuántica y así poder entender la idea que Dirac tuvo al proponer el monopolo magnético, es conveniente relatar lo que el gran físico escocés, James Clerk Maxwell, logró al sintetizar en una sola teoría todo lo que se sabía a mediados del siglo XIX sobre la electricidad y el magnetismo. De la síntesis maxwelliana surgen nuevos conceptos, como las ondas electromagnéticas, ubicuas en nuestra sociedad tecnológica moderna.

Figura 14. James C. Maxwell (1831-1879)

Como Newton antes que él y Dirac 70 años más tarde, Maxwell fue educado en Cambridge. Y como ellos, Maxwell también hizo muchas contribuciones notables a la ciencia, desde explicar la estructura de los anillos de Saturno hasta sentar las bases de la teoría cinética de los gases. Sin embargo, su logro fundamental fue la teoría electromagnética, cuyas cuatro leyes —magistralmente expresadas en otras tantas ecuaciones de belleza y simplicidad impresionantes— forman junto con las tres leyes de Newton y las leyes de la termodinámica la esencia de la física clásica. Para ese entonces ya Maxwell había dejado la Universidad de Aberdeen y aceptado, con todos los peros del caso, una cátedra como profesor de física experimental en Cambridge. Allí organizó el Laboratorio Cavendish, el cual dirigió hasta su muerte acaecida a causa del cáncer a los 48 años de edad.

En lo que hemos expuesto hasta aquí, ya hemos tropezado con tres de las cuatro leyes de Maxwell. Tenemos, por un lado, la ley de Coulomb (o, en su forma modificada, la ley de Gauss) que relaciona al campo eléctrico con su fuente, la carga o monopolo eléctrico. Conocemos, por el otro, la ley de Ampñre, que resume una buena cantidad de experimentos al decir que las cargas en movimiento generan un campo magnético. Y, finalmente, sabemos ya que el análogo magnético de la carga eléctrica no se ha encontrado: el monopolo magnético hasta hoy se nos ha escondido.

Las tres leyes anteriores, la de Gauss, la de Ampere y la que postula la inexistencia del monopolo magnético, tienen algo en común: en ellas el tiempo interviene de una manera muy particular, sólo a través del concepto de corriente eléctrica. Así, una carga estacionaria genera un campo eléctrico, una carga que se mueve de manera uniforme produce un campo magnético, pero ¿qué ocurre con un campo magnético que varía en el tiempo? La respuesta a esta pregunta la dio otro científico inglés, tal vez el físico y químico experimental más hábil de la historia: Michael Faraday.

En un abrir y cerrar de ojos, Faraday pasó de encuadernador a ayudante de laboratorio en la Royal Institution de Londres. Luego de dedicarse a la electroquímica y de enunciar en 1832 las que hoy se conocen como las leyes de Faraday para la electrólisis, el físico y químico inglés inventó el motor eléctrico y el transformador; al colocar limaduras de fierro cerca de un imán, mostró vívidamente las líneas de fuerza magnética, con lo cual concibió por primera vez la idea de campo, que tantas veces hemos mencionado y que sigue vigente hoy en día. Una de sus labores favoritas era impartir conferencias de ciencia para el público en general. En una de estas pláticas encontró, para él mismo y para el público, el que habría de ser su descubrimiento fundamental: insertó un imán en una bobina de alambre que había conectado a un galvanómetro; cuando movía el imán, el aparato indicaba que una corriente fluía por la bobina. Faraday descubrió así la inducción eléctrica y con ella el eslabón que faltaba para que Maxwell emprendiera su síntesis.

Tenemos, pues, que un campo magnético variable en el tiempo genera un campo eléctrico, que a su vez engendra la corriente en un circuito. Maxwell postuló que lo recíproco también es cierto: un campo eléctrico que cambia temporalmente crea un campo magnético, y agregó esta causa como origen del campo, además de la ya encontrada por Ampère. Por su analogía con la corriente eléctrica que aparece en la ley según Ampère la formuló, Maxwell bautizó al nuevo término como la corriente de desplazamiento, y así se le conoce hasta el presente.

Figura 15. Por el solo placer de mostrar una belleza fría como la de las matemáticas, he aquí las cuatro ecuaciones de Maxwell.

Estaba ya todo preparado para la gran síntesis, que no se hizo esperar. El clímax de la teoría electromagnética habría de llegar con la publicación del trabajo Dynamical Theory of the Electromagnetic Fleid por James C. Maxwell. Desde que los chinos descubrieron la brújula y los griegos frotaron el ámbar, los fenómenos eléctricos y magnéticos preocuparon al hombre. Estos fenómenos habían sido muchas veces considerados sobrenaturales, manifestación de la ira divina. Tenía que llegar el Siglo de las Luces para que un puñado de brillantes científicos ingleses y franceses establecieran las leyes, válidas aún hoy, de la electricidad y del magnetismo.

Repetimos: Charles Coulomb descubrió la fuerza eléctrica; André Marie Ampère, otro físico y matemático francés, encontró que una corriente eléctrica produce un campo magnético. Michael Faraday, inglés, descubrió la inducción electromagnética, por la que se genera una corriente eléctrica en un circuito cuando se le sujeta a un campo magnético variable. Así, como una vez el mismo Faraday dijo, "se convertía al magnetismo en electricidad, se cerraba un ciclo y se unían los fenómenos eléctricos con los magnéticos". Las leyes que los rigen muestran una sola asimetría: no existe el monopolo magnético, pues al partir un imán con dos polos obtenemos siempre otros de la misma naturaleza.

Tan sólo cuatro décadas después del descubrimiento de Faraday, Maxwell hace suya la idea del campo también propuesta por Faraday, e introduce la corriente de desplazamiento. Postula que en todo punto del espacio que rodea a cargas e imanes existen dos campos, el eléctrico y el magnético; al cambiar uno cualquiera de ellos en el tiempo, se generan cambios en el otro. Esto permite un proceso que puede mantenerse por sí solo, sin que sea necesaria la presencia cercana de cargas, de corrientes o de imanes: un campo magnético variable da origen a uno eléctrico; cuando éste último varía, se origina otro magnético, y así sucesivamente. Tenemos, pues, un proceso autosostenido que puede propagarse aun en la ausencia de cargas es decir, en el vacío. Estas son las ondas electromagnéticas que Maxwell predijo y que Hertz descubrió.