I. ASPECTOS HIST�RICOS: OR�GENES Y DESARROLLO DE LA TEOR�A DEL MAGNETISMO
LA ANTIGUA CIENCIA DEL MAGNETISMO
ELECTRICIDAD y magnetismo son aspectos diferentes de un mismo
fen�meno. Cuando el cient�fico medita sobre las propiedades y el movimiento
de las cargas el�ctricas, ambos fen�menos aparecen en forma conjunta. Sin embargo,
la �ntima relaci�n entre electricidad y magnetismo s�lo se comenz� a estudiar
en forma sistem�tica a partir del siglo pasado, y a�n ahora el lego en la materia
piensa que estos fen�menos no tienen nada que ver entre s�, a pesar de que vive
rodeado de aparatos que muestran esta interrelaci�n. Esto explica el desarrollo
del magnetismo como ciencia, ya que en la Antig�edad y hasta el siglo XVIII
se estudiaba el magnetismo de manera independiente, es decir, sin tomar en cuenta
a la electricidad.
Fueron probablemente los griegos quienes primero reflexionaron sobre las maravillosas propiedades de la magnetita, un mineral de hierro que incluso en estado natural posee una profunda atracci�n por el hierro. De hecho, Tales de Mileto alrededor del 600 a.C. ya habla del im�n en forma detallada. Esto no excluye que �ste ya se conociese en el resto del mundo. Por otra parte, Plat�n (428-348 a.C.) en su di�logo I�n hace decir a S�crates que la magnetita no s�lo atrae anillos de hierro, sino que les imparte un poder similar para atraer a otros anillos. De esta manera se forman cadenas de anillos colgados unos con respecto a otros. Estos son los llamados anillos de Samotracia, isla griega donde los mineros hab�an descubierto este fen�meno que en la actualidad llamamos magnetizaci�n por inducci�n. Diversas leyendas envuelven los or�genes del descubrimiento del magnetismo. De acuerdo con una de ellas, el pastor Magnes (de all� magnetismo) se qued� pegado a la tierra, ya que los clavos de sus zapatos fueron atra�dos por la magnetita. Seg�n otra versi�n, el nombre magnetismo viene de Magnesia, regi�n de Grecia donde abunda el mineral. Otras leyendas nos hablan de estatuas de hierro suspendidas en el aire debido a su colocaci�n en domos magn�ticos.
Siendo los griegos un pueblo que se interesaba por la Naturaleza, no es de extra�ar que surgieran teor�as para explicar las maravillas del magnetismo. Sin embargo, no debe pensarse que el verbo explicar ten�a el mismo sentido para ellos que para nosotros. Para los griegos explicar significaba encuadrar los fen�menos naturales dentro de un esquema filos�fico preconcebido y no investigarlos para crear una teor�a con poder predictivo.
De esta manera era l�gico que surgieran diversas escuelas tales como los animistas, los mecanicistas y otras, entre las que destacaban las que sosten�an que el magnetismo se deb�a a emanaciones o "efluvios". De hecho, uno de los pasajes sobre el magnetismo m�s extenso que se encuentra en la literatura grecorromana es el de Lucrecio Caro, que en el sexto libro de De Rerum Natura (55a.C.) un vasto poema �pico, describe las maravillas del im�n con base en las teor�as de Epicuro y Dem�crito.
Puesto que �stos eran los fundadores de la teor�a at�mica, era de esperarse que el magnetismo se atribuyera a que el im�n exhala part�culas que penetran a trav�s de los poros del hierro y que, al crearse el vac�o, hacen que el hierro se sienta atra�do al im�n. Lucrecio consigue adem�s dar una explicaci�n ingeniosa de por qu� al poner un objeto de bronce entre el hierro y el im�n ocurre una repulsi�n. Por supuesto, las "explicaciones" de Lucrecio no son tales a la luz de la ciencia actual. Sin embargo, demuestran el poder especulativo de un mundo precient�fico y est�n sorprendentemente libres de supersticiones tan en boga entonces (�y ahora!).
El uso de la "piedra magn�tica" como br�jula se adscribe a los chinos. De acuerdo con ciertas leyendas, Hoang-ti, personaje m�tico, construy� una "carroza del sur" (v�ase figura.1)
Se dice que los chinos utilizaban una especie de br�jula en el siglo XII
a.C., pero hasta el final del siglo XII d. C. no se tiene una clara
referencia a un comp�s mar�timo.
Figura 1. La leyenda dice que Hoang-ti , fundador del
Imperio chino, persegu�a con sus tropas a un pr�ncipe rebelde y se perdi� en
la niebla. Para orientarse construy� esta br�jula en la cual la figura de una
mujer siempre apuntaba al sur. As� atrap� a los rebeldes.
Figura 2. La atracci�n magn�tica se concentra en los extremos del im�n.
Para ese entonces los europeos hab�an ya desarrollado una br�jula, pues ya
en 1200 d.C., Neckam of St. Albans muestra agujas pivotadas que marcan la ruta
en su libro De Utensilibus. Aproximadamente en la misma �poca, Guyot
de Provoins, un trovador de la corte de Barbarroja, se refiere en la llamada
Bible Guyot al empleo de una piedra que se utiliza para tocar a una aguja
(v�ase figura 2). �sta se montaba sobre una paja que flotaba y pod�a
girar libremente. El uso de esta br�jula de flotaci�n era ya com�n en el siglo
XIII d. C.
El primer tratado europeo importante sobre el magnetismo se debe a Pedro Peregrino de Maricourt, quien el "8 de agosto del a�o del Se�or 1269" escribi� su celebrada Ep�stola a Sygerius de Foucaucort, soldado. Éste es el primer informe cient�fico (en el sentido moderno de la palabra) del que poseemos noticias. La carta es notable, ya que el relato de los experimentos es l�cido y sucinto. Peregrino distingue claramente los polos de un im�n permanente; observa que el norte y el sur se atraen y que polos iguales, norte por ejemplo, se repelen (v�ase figura 3); describe c�mo, si se fragmenta un im�n, se crean otros polos, y discute sobre la aguja pivotada. Asevera adem�s que es de los polos magn�ticos de la Tierra de donde los polos del im�n reciben su virtud.
Figura 3. Polos opuestos se atraen y polos iguales se repelen.
Despu�s de Peregrino, varios estudiosos como Baptista Porta o Thomas Browne realizaron experimentos que, aunque alejados de la f�sica moderna, coadyuvaron a depurar de supercher�as los conocimientos que poco a poco se iban acumulando sobre los fen�menos magn�ticos. Entre �stos sobresale la variaci�n de la declinaci�n de la br�jula con la latitud y la inclinaci�n de la aguja imantada, la cual fue observada por Hartmann von Nürnberg en 1544 y descrita por Robert Norman, un fabricante de agujas para br�jula.
LA REVOLUCI�N CIENT�FICA EN EL MAGNETISMO
Lo que podr�amos llamar la etapa precient�fica del magnetismo termina y culmina con la aparici�n de la imponente figura de William Gilbert de Colchester (1544-1603), quien fue el verdadero fundador de la ciencia del magnetismo. Su Magnete Magnetiasque Corporibus et de Magno Magnete Tellure Physiologia Nova, usualmente y por fortuna conocido como De Magnete, fue publicado en 1600 y puede considerarse como uno de los trabajos claves de la revoluci�n cient�fica que se llevaba a cabo por esas �pocas. Gilbert estudi� en Cambridge y, despu�s de viajar por el continente, practic� como m�dico en la corte de la reina Isabel I.
Gilbert fue de los primeros "fil�sofos naturales" que hizo hincapi� en el m�todo
experimental y que lo utiliz� para ahondar en el conocimiento del magnetismo.
En los seis libros de que consta De Magnete, Gilbert describe m�ltiples
fen�menos, entre los cuales destaca el c�mo la atracci�n entre el hierro y la
magnetita imantada puede ser aumentada "armando" la magnetita, esto es, poniendo
casquetes de hierro en las juntas de la piedra, tal y como se muestra en la
figura 4. Esto hace que el peso que puede ser levantado aumente en un factor
de cinco. Observ� adem�s que la atracci�n se concentra en los extremos de la
magnetita. As�, Gilbert detalla c�mo se pueden hacer imanes por medio de tres
m�todos: tocando objetos imantados; por deformaci�n pl�stica; y fabricando barras
de hierro, calent�ndolas y dej�ndolas enfriar. De hecho, estos m�todos fueron
los que se usaron hasta 1820. Observ� tambi�n que el calor destruye el magnetismo.
Figura 4. Imanes permanentes y c�rculo inclinado como se presentan en De Magnete de Gilbert.
Como puede colegirse de la anterior exposici�n, Gilbert era un gran experimentalista poco afecto a la especulaci�n. Sin embargo, en el �ltimo libro de De Magnete presenta sus teor�as y trata de encuadrar el magnetismo en el sistema de Cop�rnico. Uno de sus �xitos fue el de deducir las propiedades de atracci�n de polos opuestos y otro el de que la Tierra se comporta como si tuviera un im�n enterrado en ella (Figura 5).
Figura 5. La Tierra se comporta como si tuviera un gran im�n enterrado.
En el otro extremo se encuentra el gran fil�sofo y matem�tico franc�s Ren� Descartes (1596-1659), quien no toma muy en cuenta los experimentos pero introduce de lleno el racionalismo en la ciencia. La primera teor�a del magnetismo se presenta en la cuarta parte de sus Principia y considera que el ferromagnetismo, esto es, la existencia de imanes permanentes, deriva del magnetismo terrestre. Su teor�a de v�rtices, que no es m�s que una nueva versi�n de los efluvios del mundo cl�sico, no resiste una comparaci�n con los experimentos de Gilbert, pero ejerci� una influencia considerable en su �poca. Descartes marca aparentemente el fin de la influencia metaf�sica en la ciencia. Por un periodo su idea de que la f�sica puede ser deducida de primeros principios incomprobables parecer� completamente muerta. En cierto sentido, su mecanicismo es parecido al de los griegos. Los mecanicistas que lo siguieron tomaron un punto de vista emp�rico y descriptivo que no deseaba penetrar en la esencia del objeto estudiado. Sin embargo, el paso clave ocurre cuando la nueva ciencia adopta a las matem�ticas como su lenguaje. Este conjunto de primeros principios, si as� pueden llamarse, remplaza a la metaf�sica en la descripci�n del universo. Galileo ya lo hab�a dicho en 1590: "La filosof�a est� escrita en un gran libro siempre abierto ante nuestros ojos, pero uno no puede entenderlo sin entender su lenguaje y conocer los caracteres en que est� escrito, esto es, el lenguaje matem�tico."
Este nuevo punto de vista estimula a que los cient�ficos cuantifiquen sus observaciones. En magnetismo, el monje Marsenne, un amigo de Descartes, cuantific� las observaciones de Gilbert. Hacia 1750 John Michell invent� la balanza de torsi�n y pudo constatar que "la atracci�n o repulsi�n de los imanes decrece cuando los cuadrados de la distancia entre los respectivos polos aumenta". Estas conclusiones, que no concordaban con la teor�a de v�rtices, dieron origen a nuevas teor�as del magnetismo, algunas basadas en el tema de fluidos. La teor�a de un fluido propuesta por Gray y Franklin para explicar el flujo de carga el�ctrica de un cuerpo a otro fue aplicada al magnetismo por Franz Mar�a Aepinus en 1759. Su libro Tentamen Theoria Electricitates et Magnetismi publicado en San Petersburgo dio el golpe de gracia a las teor�as basadas en el concepto de efluvio. El descubrimiento por Du Fay en 1733 de que hab�a dos tipos de electricidad hizo que tambi�n se propusiera una teor�a de dos fluidos para el magnetismo en 1778 por el sueco Wilche y el holand�s Brugmans.
El m�ximo representante de la teor�a en esta �poca fue Charles Coulomb (1736-1806) , quien realiz� experimentos cruciales con la balanza de torsi�n para probar la ley de interacci�n entre cargas y modific� la teor�a de dos fluidos. Coulomb hizo la clara distinci�n entre cargas el�ctricas y cargas magn�ticas, pues estas �ltimas, como ya se mencion�, nunca aparec�an desligadas, sino en pares de polos magn�ticos. Simon Denis Poisson (1781-1840), un brillante matem�tico, introdujo el concepto de potencial y desarroll� la teor�a de la magnetost�tica. Tanto Poisson como Coulomb rechazaron cualquier intento de especulaci�n acerca de la naturaleza de los fluidos el�ctrico y magn�tico. Esta actitud positivista prevaleci� en forma determinante en la ciencia francesa y, como veremos posteriormente, fue una de las causas por las que los f�sicos ingleses, y no los franceses, realizaron una s�ntesis de los fen�menos electromagn�ticos.
En resumen, al final del siglo XVIII las caracter�sticas principales
de los fen�menos magnetost�ticos hab�an sido descubiertas y se interpretaban
con base en la teor�a de dos fluidos, combinados con el concepto de acci�n a
distancia impl�cito en la ley del inverso del cuadrado de la distancia. Es claro
que tanto la fuerza el�ctrica como la magn�tica y la gravitatoria se distinguen
de las llamadas fuerzas de contacto, como lo son la fricci�n o un simple empuj�n,
en el hecho de que act�an aun cuando los cuerpos no se toquen. De esta manera
se empez� hablando de la mencionada acci�n a distancia, pero el lenguaje moderno
se frasea en t�rminos de los llamados "campos", concepto en el que profundizaremos
m�s adelante. Matem�ticamente se hab�a avanzado considerablemente con las investigaciones
de Poisson, quien, entre otras cosas, discuti� la inducci�n magn�tica. La construcci�n
de imanes permanentes hab�a alcanzado un alto grado de refinamiento en Inglaterra
(Figura 6).
Figura 6. Diferentes tipos de imanes permanentes.
As� pues, el escenario estaba preparado para la irrupci�n de conocimientos
sobre el electromagnetismo que el naciente siglo XIX estaba por
traer.
LA UNI�N DEL MAGNETISMO Y LA ELECTRICIDAD
Por una feliz coincidencia, el punto culminante en el desarrollo del magnetismo
como una ciencia separada fue alcanzado justamente cuando se hac�an los primeros
descubrimientos que lo conectaban con la electricidad. Por supuesto, desde hac�a
tiempo se hab�a notado que la br�jula cambiaba de direcci�n cuando los rayos
en una tormenta ca�an cerca de un barco. Sin embargo, fue solamente a principios
del siglo XIX cuando se empez� a investigar la influencia que ten�a
la electricidad sobre una aguja magn�tica. Estos experimentos fueron estimulados
por la invenci�n de la pila voltaica alrededor de 1800 y, ya desde 1801, el
f�sico dan�s Hans Christian Oersted (1777-1851) estaba buscando la interrelaci�n
entre una corriente el�ctrica y una aguja magn�tica. No fue sino hasta 1819,
y por accidente, cuando not� que la aguja magn�tica se mov�a cuando pasaba corriente
por un alambre paralelo a la misma. Esto era algo sorprendente, pues
nunca se hab�a esperado una fuerza transversal. Oersted public� una memoria
sobre sus experimentos que caus� gran sensaci�n. Dichos experimentos fueron
reproducidos por Arago ante la academia francesa. Siete d�as despu�s del reporte
de Arago (el 18 de septiembre de 1820), Andr� Marie Ampeère (1755-1836)
sugiri� que el ferromagnetismo era originado por corrientes el�ctricas internas
y que �stas flu�an perpendicularmente al eje del im�n.
Los f�sicos ingleses les iban pisando los talones a sus colegas franceses, pues ya el 16 de noviembre Sir Humphry Davy reportaba resultados similares a los de Arago. De esta manera se inici� una especie de competencia entre ambos lados del Canal de la Mancha para establecer la prioridad de los resultados.
En 1813, Michael Faraday (1791-1867), contando entonces con 23 a�os y siendo
aprendiz de encuadernador, fue contratado por Davy como su ayudante en la Royal
Institution. Faraday, sin lugar a dudas uno de los grandes genios de la f�sica,
ten�a un tremendo poder de visualizaci�n, el cual, al combinarse con su gran
paciencia y habilidad observacional, lo llev� a una vida de descubrimientos
casi sin paralelo en la historia de la ciencia. As�, en 1831 descubri� la inducci�n
electromagn�tica. Indudablemente fue su capacidad de ver las l�neas de fuerza
que sal�an del im�n lo que le permiti� observar este fen�meno en diez d�as de
febril investigaci�n. En sus propias palabras: ".. . se describieron y definieron
ciertas l�neas alrededor de una barra im�n [aquellas que se visualizan esparciendo
limaduras de hierro en la vecindad de �ste, como se muestra en la figura 7]
y se reconocieron como descripci�n precisa de la naturaleza, condici�n, direcci�n
e intensidad de la fuerza en cualquier regi�n dada, dentro y fuera de la barra.
Esta vez las l�neas se consideraron en abstracto. Sin apartarse en nada de lo
dicho, ahora emprenderemos la investigaci�n de la posible y probable existencia
f�sica de tales l�neas..." y concluye diciendo: "la cantidad de electricidad
que se vuelve corriente es proporcional al n�mero de l�neas de fuerza interceptadas."
Figura 7. Limadura de hierro espolvoreado sobre un papel, el cual se encuentra sobre un im�n
Faraday estableci� claramente que las sustancias magn�ticas interact�an unas
con otras mediante las l�neas de fuerza, hoy llamadas l�neas de campo, y no
mediante una "acci�n a distancia". Sin embargo, supon�a que el espacio libre
era un medio que soportaba las fuerzas y deformaciones que permit�an la interacci�n
magn�tica y el�ctrica.
Figura 8. M. Faraday y J. C. Maxwell.
El genio culminante de la f�sica del siglo XIX , James Clerk Maxwell
(1831-1879), tradujo estas ideas a un lenguaje matem�tico preciso, y en su monumental
tratado aparecido en 1873 public� las ideas de Faraday, sus propias ecuaciones
y todo lo hasta entonces conocido en la materia. Maxwell deriv� cuatro ecuaciones
que resumen todas las investigaciones hechas por sus predecesores y que han
servido como base a todo el desarrollo tecnol�gico en este campo.
Las soluciones de las ecuaciones de Maxwell mostraron que una onda electromagn�tica se propaga a la velocidad de la luz. Heinrich Hertz, en 1888, mostr� que estas ondas eran precisamente ondas de luz, lo que signific� un paso gigantesco al mundo moderno. Esto lo discutiremos en detalle en el pr�ximo cap�tulo. Ahora s�lo queremos mencionar que una de las influencias impredecibles de estas ecuaciones se hizo patente al crear Einstein la teor�a de la relatividad como un intento de dar a las fuentes que produc�an los campos las propiedades de invariancia que Maxwell hab�a encontrado para los campos magn�tico y el�ctrico.
APARICI�N DE LOS CONCEPTOS MOLECULARES. TIPOS DE MAGNETISMO
En forma complementaria a los grandes descubrimientos y explicaciones fundamentales
delineados en los p�rrafos anteriores, que tratan sobre todo de la interacci�n
entre imanes y corrientes, el estudio de los imanes y materiales magnetizados
se desarrollaba r�pidamente. En 1733 y 1755 se observ� que el cobalto y el n�quel,
respectivamente, ten�an tambi�n propiedades magn�ticas. Tanto estos metales
como el hierro se quedaban magnetizados aun cuando el campo magn�tico producido
por un im�n o corriente se retirase, pero no fue sino hasta 1845 cuando, con
el uso de imanes electromagn�ticos (el primero fue introducido por Sturgeon
en 1825), Faraday demostr� sin lugar a dudas que el magnetismo no estaba confinado
s�lo al hierro. Éste utiliz� los nuevos imanes para estudiar la relaci�n
entre luz y magnetismo, descubriendo el efecto que lleva su nombre. Adem�s,
mostr� que todas las sustancias son magn�ticas en cierto grado, pero que unas,
las paramagn�ticas, son atra�das por el campo externo y que otras, las diamagn�ticas,
se colocan paralelas al mismo y son repelidas por un im�n. De la misma manera,
el hierro y otras sustancias pueden ser consideradas como pertenecientes a otra
clase, los ferromagnetos (imanes permanentes). La distinci�n entre materiales
paramagn�ticos y diamagn�ticos tuvo una extraordinaria importancia te�rica.
Ampère, con gran clarividencia, sugiri� en una carta a Fresnel en 1821 que
el origen de las corrientes ferromagn�ticas se encontraba en las mol�culas que
actuaban como peque�os imanes que se orientan cuando se aplica un campo. W.
Weber desarroll� esta teor�a y elabor� un modelo de corrientes moleculares magn�ticas
que producen el magnetismo, explicando as� el diamagnetismo, el paramagnetismo
y el ferromagnetismo. A finales del siglo XIX, Ewing (1890) dise��
algunos experimentos que explicaron satisfactoriamente algunos fen�menos, pero
que condujeron a un callej�n sin salida que s�lo la moderna mec�nica cu�ntica
pudo resolver. En efecto, las caracter�sticas fundamentales de los ferromagnetos
no se entendieron hasta que en 1929 Dirac y Heisenberg aplicaron los conceptos
de la nueva f�sica a tan fascinante problema.
La existencia de los electrones, o sea cargas elementales discretas, fue una predicci�n te�rica. Faraday, Maxwell y muchos otros hab�an ya notado la posibilidad de que la carga estuviera dada en unidades discretas, pero esto no tuvo una repercusi�n inmediata en la qu�mica. La primera sugerencia concreta fue hecha por G. Johnstone Stoney en 1874, que fue quien le dio el nombre al electr�n en 1891. De hecho, Stoney se bas� en las leyes de la electr�lisis de Faraday, a las que interpret� a la luz de la teor�a at�mica, para llegar a tal conclusi�n. Fue, sin embargo, el gran f�sico holand�s Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) quien cre� la primera teor�a del electr�n en forma plenamente coherente y consistente. La teor�a del electr�n fue aplicada primero a fen�menos �pticos. Recordemos, con todo, que hab�a una conexi�n entre magnetismo y luz ya puesta en evidencia por Faraday. �l mismo hab�a intuido que hab�a una modificaci�n de la frecuencia de la luz (esto es, de su color) en presencia de un campo magn�tico. Sin embargo, con los medios a su disposici�n no pudo detectar ning�n efecto, y no fue sino hasta 1896 que Zeeman pudo observar este fen�meno.
Algunos de sus resultados se pod�an explicar mediante la teor�a de Lorentz, pero nuevamente la soluci�n final esperaba el arribo de una teor�a m�s completa.
A pesar de ello, la teor�a sirvi� para explicar los resultados de Pierre Curie (1859-1906) , esposo de la famosa Madame Curie. En 1895, Curie midi� la susceptibilidad magn�tica de varias sustancias, que no es otra cosa que la raz�n entre la magnetizaci�n y el campo aplicado cuando �ste es muy peque�o. Curie not� que en los paramagnetos la susceptibilidad depend�a del inverso de la temperatura. En 1905 Langevin tom� las ideas de Ampère y Weber y consider� que las corrientes propuestas por ellos eran debidas a electrones circulando en las mol�culas. Con estos conceptos pudo explicar la ley de Curie y relacionar el diamagnetismo con el efecto Zeeman. Un avance fundamental tanto en el magnetismo como en su repercusi�n en la f�sica fue hecho en 1907 cuando P. Weiss introdujo el concepto de campos moleculares intr�nsecos y cre� de golpe la primera teor�a moderna del magnetismo.
El campo intr�nseco de Weiss es proporcional a la magnetizaci�n, y la generalizaci�n que resulta de la teor�a de Langevin permite predecir el comportamiento de muchos paramagnetos que no se ajustaban a la ley de Curie, adem�s de permitir que el ferromagnetismo tuviera una explicaci�n molecular. Sin embargo, la teor�a de Weiss dejaba abierta la interrogante acerca de qu� era realmente el campo intr�nseco, el cual por otra parte era tremendamente grande.
El punto final a lo que podr�amos llamar la teor�a cl�sica del magnetismo fue puesto por el gran Niels Bohr (1885-1962) en su tesis doctoral de 1911. Como estos documentos en general permanecen ocultos en los archivos, la f�sica J.H. Van Leeuween sac� a relucir el punto nuevamente, ocho a�os despu�s de la tesis de Bohr. El as� llamado teorema de Bohr-Van Leeuween conduce al siguiente resultado basado en la f�sica cl�sica: "A cualquier temperatura finita y para todo campo electromagn�tico aplicado que sea finito, la magnetizaci�n neta de un conjunto de electrones es cero." Este sorprendente resultado marca el final de un mundo y el comienzo del reino de la mec�nica cu�ntica y los fen�menos cooperativos.
LA MEC�NICA CU�NTICA Y EL MAGNETISMO
Aunque la teor�a del electr�n hab�a sido aplicada al magnetismo con cierto �xito, hab�a ciertas inconsistencias en el tratamiento de varios problemas, tal y como mencionamos anteriormente. En 1900, Planck sugiri� su revolucionaria idea de que la materia (que �l supon�a consist�a en resonadores) pose�a y emit�a energ�a en forma discreta. M�s precisamente, esta energ�a es un m�ltiplo entero de una unidad, el cuanto, el cual es, a su vez, proporcional a la frecuencia de la radiaci�n emitida o absorbida. La constante de proporcionalidad est� dada por la famos�sima constante de Planck. En 1905, Einstein propuso que la radiaci�n misma estaba cuantizada independientemente de la materia y que, por lo tanto, la luz se propagaba como una part�cula. Una nueva etapa de la mec�nica cu�ntica fue iniciada por Niels Bohr en l9l3 quien propuso que los electrones en el �tomo giran alrededor del n�cleo sin emitir radiaci�n y que su movimiento est� relacionado con la constante de Planck. La transici�n de un electr�n de un estado a otro se acompa�a de la emisi�n o la absorci�n de radiaci�n cuantizada. El momento angular es la cantidad f�sica que describe la cantidad de movimiento que realiza una part�cula que gira respecto a un punto dado, en este caso respecto al n�cleo at�mico. Desde el punto de vista del magnetismo, el hecho de que el momento angular est� cuantizado es muy importante, ya que el momento magn�tico at�mico depende del momento angular y, por lo tanto, tambi�n est� cuantizado.
Esto fue confirmado por O. Stern y W. Gerlach en 1922 al hacer pasar un haz at�mico a trav�s de un campo magn�tico inhomog�neo, el cual se dividi� en varios haces. En 1921 Compton propuso que el electr�n pose�a una rotaci�n intr�nseca sobre su eje y un momento magn�tico propio adem�s del momento angular. En un famoso art�culo, en 1925, Uhlenbeck y Goudsmit establecieron definitivamente que el esp�n del electr�n existe y que es igual a la mitad de la constante de Planck.
Los desarrollos antes mencionados est�n asociados a la llamada mec�nica cu�ntica "antigua", donde no exist�a una din�mica subyacente que permitiera deducir las caracter�sticas cu�nticas de la radiaci�n y la materia. La segunda fase de la mec�nica cu�ntica fue iniciada por De Broglie en 1923, quien sugiri� que el fen�meno ondulatorio est� asociado con part�culas materiales. As� se tiene que la mec�nica cu�ntica atribuye propiedades de onda a las part�culas y propiedades de part�culas a la radiaci�n (ondas electromagn�ticas). En 1926, la nueva mec�nica cu�ntica florece al establecer Heisenberg y Schr�dinger sus ecuaciones din�micas, las que m�s tarde Dirac generaliz� para incluir la relatividad y el esp�n de las part�culas. El efecto de la mec�nica cu�ntica en el magnetismo ha sido impresionante: en primer lugar, ha permitido conectar los fen�menos macrosc�picos con las propiedades del �tomo y las mol�culas, y en segundo, con una influencia a�n m�s directa, ha sido posible explicar las interacciones entre los portadores elementales de momento magn�tico, tan importantes en ferromagnetismo.
Fue as� que en 1927 Heisenberg explic� el ferromagnetismo por medio de lo que se llama "fuerzas de intercambio", fuerzas que son puramente cu�nticas y de cuya existencia la f�sica cl�sica ni siquiera sospechaba. Como una lista de todas las contribuciones de la nueva mec�nica para la explicaci�n de diversos fen�menos es imposible en esta introducci�n, nos conformaremos con mencionar a cient�ficos como Heisenberg, Dirac, VanVleck, Frenkel, Slater, Peierls y otros, quienes ya para 1930 hab�an desarrollado los fundamentos del magnetismo y hab�an empezado los c�lculos, que contin�an hasta la fecha, sobre las propiedades magn�ticas de los m�s diversos materiales. Para esto, el desarrollo del magnetismo como un fen�meno cooperativo ha sido tambi�n vital.
EL MAGNETISMO COMO FEN�MENO COOPERATIVO
Al mismo tiempo que los fundamentos del magnetismo basados en la mec�nica cu�ntica se volv�an cada vez m�s firmes, surg�an nuevos experimentos que daban resultados misteriosos. Una de las preguntas principales era por qu� el hierro no es espont�neamente ferromagn�tico. Weiss propuso que en un s�lido existen dominios en varias direcciones y que por eso no existe un campo molecular en una direcci�n dada.
En 1930 tuvo lugar la Sexta Conferencia Solvay sobre magnetismo. Dos a�os despu�s apareci� el libro de Van Vleck y en 1934 el de Stoner. Estos pueden considerarse como los dos libros de mayor influencia en ese campo en aquel tiempo. Sin embargo, el magnetismo como fen�meno cooperativo recib�a poca atenci�n y parec�a que la teor�a de Weiss era la �ltima palabra.
Esto era sorprendente, pues ya en 1925 Ising hab�a propuesto su modelo para explicar el ferromagnetismo: los espines est�n alineados en intervalos regulares en una dimensi�n y cada esp�n puede tomar un valor + o - (Figura 9). Si la interacci�n es de corto alcance, la temperatura de Curie, a la que la magnetizaci�n se hace cero, es tambi�n cero.
�Significaba esto que se necesitan fuerzas de largo alcance para explicar el
magnetismo? En 1929 Dirac, tomando una idea de Pauli, propuso que la interacci�n
entre espines electr�nicos es el ingrediente esencial en la interacci�n magn�tica
y que por lo tanto las fuerzas amperianas pod�an ser despreciadas. En 1930,
Bloch y Slater hallaron las llamadas ondas de esp�n y demostraron que el modelo
de Ising fallaba por ser unidimensional y no por su origen cuant�stico "a la
antigua". En 1932 Ne�l propuso el antiferromagnetismo para explicar las propiedades
del cromo y del magnesio. Para esto, Ne�l propuso dos redes que compensan sus
interacciones. El estudio de m�ltiples fen�menos prosigue hoy en d�a con gran
fuerza y, sin lugar a dudas, el estudio microsc�pico del magnetismo puede considerarse
como una de las ramas m�s activas de la f�sica moderna. Profundizaremos en los
aspectos microsc�picos de esta teor�a en un cap�tulo posterior.
El que tratemos de introducir al lector, as� sea de manera elemental, a tan
fascinante tema tiene como prop�sito fundamental el que se sienta magnetizado,
como lo estamos nosotros, por un �rea tan activa de la ciencia como lo es �sta.
