James Clerk Maxwell, «the man who changed the world forever», was born on this day in 1831

James Clerk Maxwell

Maxwell is considered as one of the most important scientists of all time and one of the greats in the history of physics, along with Newton and Einstein. Undoubtedly, his more important scientific contribution is the theory of the electromagnetic field, fundamental not only for the comprehension of natural phenomena, but also for its technical application, in particular in the today ever-present field of telecommunications. He was born in Edinburgh, Scotland, on 13 June 1831 to a well-established family. Two years later, the family moved to a small country estate in Middlebie, Galloway, about 90 miles southwest of Edinburg. His father had been inherited his estate and there he enthusiastically began to supervise the construction of a new house, which he called “Glenlair.” In Glenlair James Clerk Maxwell not only spent long periods of times but also he wrote some of his more important scientific contributions. After receiving private education in Glenlair, James was sent to Edinburgh Academy, where he spent five years. In 1847 he enrolled at Edinburgh University and, three years later, he went up to the University of Cambridge, the most influential center of physics at the time, where he graduated as Second Wrangler in the Mathematical Tripos of 1854 and he won the Smith Prize the same year. In the Smith’s Prize examination, question 8 was on Stokes’ Theorem. Some years later Maxwell would use this theorem in his work on the electromagnetic field.

Statute James Clerk Maxwell with his dog Toby at his feet and holding his colour wheel, Edinburgh (Scotland). Credit: A. Beléndez.

Statute James Clerk Maxwell with his dog Toby at his feet and holding his colour wheel, Edinburgh (Scotland). Credit: A. Beléndez.

In 1856, Maxwell got the Chair of Natural Philosophy at Marischal College, one of the two universities in Aberdeen at that time, where he spent four years. There he began his researches on colour theory and married Katherine Mary Dewar, daughter of the College Principal. Perhaps is less known that Maxwell was awarded the Adams Prize with an essay titled On the stability of the motion of Saturn’s rings which was published in 1859 and where he concluded that «the only system of rings which can exist is one composed of an indefinite number of unconnected particles, revolving around the planet with different velocities according to their respective distances.» Maxwell’s work about the Saturn’s rings was defined by George Airy, the Astronomer Royal, as «one of the most remarkable applications of mathematics to physics that I have ever seen.» In 1895, sixteen years after Maxwell’s death, the spectroscopic study made by the American astronomer James Keeler confirmed the theory of Maxwell that Saturn’s rings are made up of countless small objects.

A young James Clerk Maxwell holding his color wheel (Trinity College Library, Cambridge University). Credit: AIP Emilio Segre Visual Archives.

A young James Clerk Maxwell holding his color wheel (Trinity College Library, Cambridge University). Credit: AIP Emilio Segre Visual Archives.

In 1860, he left Aberdeen to occupy another professorship in King’s College, London. The five years Maxwell spent in London were probably the most creative in his life: colour vision and gas kinetic theories as well as the dynamical theory of the electromagnetic field. There he also produced the world’s first colour photography, which was projected onto a screen at the Royal Institution in May of 1861. Maxwell was elected to the Royal Society three weeks later.

Maxwell is also one of the founders of statistical physics. In 1860 he published Illustrations of the dynamical theory of gases in which he needed only one page to obtain the distribution law of molecular speeds that bears his name. Maxwell was the first to formulate a statistical law that governs a physical phenomenon. Again, and as happened with his hypothesis of Saturn’s rings, this law also was proven experimentally in this case by the German physicist Otto Stern in 1920 using the molecular ray method.

Maxwell resigned his King’s professorship voluntarily in 1865, mid session, and went back to his Scottish estate in Glenlair. He wrote his magnus opus there, A Treatise on Electricity and Magnetism, published in 1873, two volumes of more than 500 pages each, peak of nineteenth century physics and comparable to Newton’s Principia, published almost two centuries before. In his Treatise Maxwell manages to unify all known phenomena at the moment regarding electricity and magnetism.

In 1871, Maxwell was appointed to take up the newly created Professorship of Experimental Physics at the University of Cambridge, and he became the first director of a new research centre, the Cavendish Laboratory, and became the first Cavendish Professor of Physics. Other directors who succeeded him were Lord Rayleigh, J. J. Thomson and Rutherford. To date 29 Nobel Prize winners have worked in the Cavendish Laboratory. He supervised every detail of the construction of the Laboratory. In 1877, Maxwell’s health started to fail. He passed away due to an abdominal cancer on 5 November 1879. He was 48. Before dying, one of the things that most concerned to Maxwell was the future of his wife Katherine, whom he so loved.

Old Cavendish Laboratory, University of Cambridge: Credit: AIP Emilio Segré Visual Archives.

Old Cavendish Laboratory, University of Cambridge: Credit: AIP Emilio Segré Visual Archives.

A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field

Maxwell left us contributions to colour theory, optics, Saturn’s rings, statics, dynamics, solids, instruments and statistical physics. However, his most important contributions were to electromagnetism. In 1856, he published On Faraday’s lines of force; in 1861, On physical lines of force. In these two articles he provided a mathematical explanation for Faraday’s ideas on electrical and magnetic phenomena depending on the distribution of lines of force in space, definitively abandoning the classical doctrine of electrical and magnetic forces as actions at a distance. His mathematical theory included the aether, that «most subtle spirit», as Newton described it. He studied electromagnetic interactions quite naturally in the context of an omnipresent aether. Maxwell stood firm that the aether was not a hypothetical entity, but a real one and, in fact, for physicists in the nineteenth century, aether was as real as the rocks supporting the Cavendish Laboratory.

As has been mentioned at the beginning, in 1865 –when Maxwell was 33– he published A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field –probably his most important paper–, where he presented a complete electromagnetic theory and which included twenty equations he called «General Equations of the Electromagnetic Field.» He links them to twenty variables governing the behaviour of electromagnetic interaction. The article is 53 pages long, divided in seven parts. His general equations, which summarised the experimental laws of electromagnetism, provide a complete theoretical basis for the treatment of classical electromagnetic phenomena. In 1884, Oliver Heaviside rewrote the twenty equations of the electromagnetic field using vectors into the today’s modern notation: the four equations of electromagnetic field. Since then, these equations were known as Hertz-Heaviside’s equations or Maxwell-Hertz’s equations, until 1940 when Albert Einstein coined the term «Maxwell’s equations» that we use today. The Austrian physicist Ludwig Boltzmann considered them such beautiful equations in their simplicity and elegance that, with a quote from Goethe’s Faust, he asked himself: «War es ein Gott, der diese Zeichen schrieb?» (Was it a god who wrote these signs?).

In the sixth part of his 1865 paper, «Electromagnetic Theory of Light», in which he refers to the paper titled Thoughts on Ray-vibrations published by Faraday in 1846, saying «… the electromagnetic theory of light as proposed by him, is the same in substance as that which I have begun to develop in this paper, except that in 1846 there were no data to calculate the velocity of propagation.» Maxwell also concludes that «light and magnetism are affections of the same substance, and that light is an electromagnetic disturbance propagated through the field according to electromagnetic laws.» As Arthur Zajonc pointed out in his book Catching the Light, «In this single sentence, Maxwell proposed a profound change in our image of light, one is which light, electricity, and magnetism would now, and forever after, be entwined. Two arenas of physics, which to all outward appearances have nothing in common, were to be united.» When he wrote «affections of the same substance», that substance was the ether. Although Maxwell’s mathematical formulation did not require the ether, it was still omnipresent. He proved that the equations of the electromagnetic field could combine into a wave equation and suggested the existence of electromagnetic waves. Calculating the speed of propagation of these waves, he obtained the value of the speed of light, and concluded that it was an electromagnetic wave. Einstein referred to that crucial moment of Maxwell by pointing out: «Imagine [Maxwell’s] feelings when the differential equations he had formulated proved to him that electromagnetic fields spread in the form of polarised waves, and at the speed of light! To few men in the world has such an experience been vouchsafed» Maxwell deduced that electromagnetic waves are transverse waves and he got what is now known as «Maxwell relation» between the refractive index of a medium and the square root of its dielectric constant.

In 1888, nine years after Maxwell’s death, Heinrich Hertz probed experimentally the existence of electromagnetics waves. This meant not only the confirmation of Maxwell’s theory but also a win over telegraph engineers as William Preece, Engineer-in-Chief of the British General Post Office, which denied the applicability of Maxwellian physics to engineering. If Maxwell had lived in 1901 when the Italian engineer and Nobel Prize in Physics in 1909 Guglielmo Marconi made the first transatlantic radio communication across the Atlantic ocean, from Cornwall (England) to St. John’s, in Newfoundland (Canada) –using the electromagnetic waves whose existence Maxwell had predicted in 1865– perhaps Maxwell’s fame would be far greater today.

The significance of Maxwell’s concept of electromagnetic waves, as subsequent history has shown, goes far beyond its application to light. Gamma rays, X rays, ultraviolet radiation, visible light, infrared radiation, microwaves and radio and television waves constitute the spectrum of electromagnetic waves, whose existence was predicted by Maxwell 150 years ago.

Electromagnetic spectrum with visible light highlighted (Wikipedia. Author: Philip Ronan).

With his work, Maxwell unified electricity, magnetism and light, which are known as «Maxwell’s synthesis.» Such a synthesis set a milestone in the history of the unification of forces that were so powerful that many nineteenth-century physicists thought the physical laws were already sufficiently comprehended. This led physicist and Nobel Prize in Physics in 1907 Albert Michelson to write in his book Light and Their Uses published in 1903: «The more important fundamental laws and facts in physical sciences have all been discovered, and these are now so firmly established that the possibility of their ever being supplanted in consequence of new discoveries is exceedingly remote … Our future discoveries must be looked for in the sixth place of decimals.» Nothing could be further from the truth. In the first years of the twentieth century there were two Kuhnian paradigm shifts in physics: Planck’s quantum theory (1900) and Einstein’s theory of special relativity (1905), both consequences of Maxwell’s electromagnetic theory and related to light, which laid the groundwork for these two revolutionary ideas. It is clear that Maxwell opened the doors for twentieth century physics.

Maxwell’s Legacy

Although Maxwell’s work on electromagnetism was essential, it had got some limitations, like trying to reconcile Newtonian mechanics and maxwellian electromagnetism. This problem was finally solved in 1905 when Einstein published his theory of special relativity. After Einstein’s works, the luminiferous aether –the focus of nineteenth century physics– was dead and buried. Even Albert Einstein recognised that his «the special theory of relativity owes its origins to Maxwell’s equations.» In 1931, at the centenary of Maxwell’s birth, in an article titled Maxwell’s influence on the development of the conception of physical reality, Einstein claimed that «one scientific epoch ended and another began with James Clerk Maxwell» and «the work of James Clerk Maxwell changed the world forever.»

Richard Feynman, Nobel Prize in Physics in 1965 for his work in quantum electrodynamics (QED), the quantum theory of the electromagnetic field, pointed out: «From a long view of the history of mankind, seen from, say, ten thousand years from now, there can be little doubt that the most significant event of the 19th century will be judged as Maxwell’s discovery of the laws of electrodynamics.»

MORE INFORMATION:

Augisto Beléndez, “Electromagnetic Unification: 150th Anniversary of Maxwell’s Equations”, Mètode Nº 84, Winter 2014/15.

J. C. Maxwell, “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field”, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 155: 459-512 (1865).

L. Campbell and W. Garnett, The life of James Clerk Maxwell (MacMillan and co., Londres 1882).

N. Forbes and B. Mahon, Faraday, Maxwell, and the Electromagnetic Field: How two men revolutionized Physics (Prometheus Books, New York 2014).

R. Flood, M. McCartney and A. Whitaker (eds.), James Clerk Maxwell. Perspectives on his Life and Work (Oxford University Press, Oxford 2014).

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James Clerk Maxwell, «el hombre que cambió el mundo para siempre», nació un 13 de junio

“Si he logrado ver más lejos es porque he subido a hombros de gigantes” escribió Isaac Newton a su rival Robert Hooke en 1676. Doscientos cincuenta años después, durante una de las visitas que Albert Einstein realizó a Cambridge (Inglaterra), alguien le señaló que él había llegado tan lejos porque se había subido a hombros de Newton.

Einstein le replicó tajante:

Eso no es cierto, estoy subido a hombros de Maxwell               

Albert Einstein (1879-1955) / Créditos: Wikimedia Commons

Albert Einstein (1879-1955) / Créditos: Wikimedia Commons

En 1865 Maxwell publicó el artículo titulado A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field (Una teoría dinámica del campo electromagnético), del que previamente había enviado un breve resumen del mismo a la Royal Society el 27 de octubre de 1864. Una primera versión del trabajo fue leída por Maxwell ante esta sociedad el 8 de diciembre de ese año, evidentemente ni con la extensión ni con el contenido que luego tendría el artículo definitivo. Una vez Maxwell concluyó el artículo, lo remitió el 23 de marzo de 1865 a George Stokes, Secretario de Ciencias Físicas de la Royal Society, y tras varias revisiones fue aceptado el 15 de junio de 1865 para su publicación en Philosophical Transactions of the Royal Society y enviado el 16 de junio de 1865 a la imprenta de Taylor & Francis. Este artículo se ha convertido por méritos propios en uno de los más importante de la historia de la física al contener las ecuaciones del campo electromagnético (conocidas como “ecuaciones de Maxwell”) y la teoría electromagnética de la luz. Pero eso no era todo, en una de las hazañas más grandes del pensamiento humano, Maxwell predijo la existencia de las ondas electromagnéticas propagándose a la velocidad de la luz y además concluyó que la luz era una onda electromagnética. En el propio artículo Maxwell con la modestia que le caracterizaba afirmaba:

“… parece que tenemos razones de peso para concluir que la propia luz (incluyendo el calor radiante y otras radiaciones si las hay) es una perturbación electromagnética en forma de ondas que se propagan según las leyes del electromagnetismo.”

No estaba equivocado.

Estatua de James Clerk Maxwell en Edimburgo en la que puede verse sujetando uno de sus discos de color y acompañado de su perro Toby

Estatua de James Clerk Maxwell en Edimburgo en la que puede verse sujetando uno de sus discos de color y acompañado de su perro Toby / Créditos: A. Beléndez

James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell es uno de los científicos más importantes de la historia de la ciencia. José Manuel Sánchez Ron, catedrático de Historia de la Ciencia y académico de la lengua, en la nota preliminar de su edición y traducción del libro de Maxwell Materia y Movimiento señala que no es posible comprender el siglo XIX ⎯una centuria esencial para nosotros⎯ sin tener en cuenta a figuras como Darwin, Lyell, Pasteur o Faraday, pero mucho menos aún sin recordar a Maxwell, que nos dejó la teoría del campo electromagnético, una de las creaciones científicas más originales e importantes que se han hecho jamás. Maxwell es además uno de los grandes de la historia de la física, junto con Newton y Einstein, quizás los dos únicos que le precederían si se hiciera una escala de excelencia científica.

Maxwell nació el 13 de junio de 1831 en Edimburgo en el seno de una familia acomodada. Su vida transcurrió durante la consolidación de la revolución industrial en Gran Bretaña, en la era victoriana, en pleno auge del Imperio Británico. Antes de seguir me gustaría hacer un breve inciso. Al leer James Clerk Maxwell probablemente pensamos que su nombre es compuesto, James Clerk, y su apellido es Maxwell. Sin embargo, realmente su primer apellido no era Maxwell, sino Clerk y además el apellido de su madre era Cay. Lo que sucede es que su bisabuelo George Clerk se casó con una prima suya, Dorothea, cuya madre se llamaba Agnes Maxwell, y al heredar las fincas de la familia Maxwell, y por temas legales, añadió Maxwell a su primer apellido Clerk, quedando su apellido desde entonces como Clerk Maxwell. En conclusión, resulta que las ecuaciones del electromagnetismo llevan el nombre del primer apellido de una tatarabuela de Maxwell.

Su padre, John Clerk, era abogado de formación, pero estaba muy interesado en la tecnología y es a su madre, Frances Cay, a la que debe sus primeras enseñanzas hasta sus ocho años de edad, momento en el que ella fallece a causa del cáncer. Tras tres años más recibiendo educación privada en la finca familiar de Glenlair, con 11 años fue enviado a la Academia de Edimburgo. Cuando en tercer curso empezaron las lecciones de matemáticas, Maxwell pronto asombró a todos por su gran maestría con la geometría. En esa época también empezó a escribir versos de cualquier tema y además con impecable ritmo y métrica. Maxwell siguió escribiendo poemas hasta su muerte e incluso llegó a plantear problemas de física en verso. En 1847 entró en la Universidad de Edimburgo en la que fue autorizado a utilizar algunos aparatos de laboratorio en sus horas libres. En 1846, y con tan solo 15 años, Maxwell presenta su primer trabajo científico en 1846, Sobre la descripción de los óvalos y las curvas con multiplicidad de focos en la Royal Society de Edimburgo que fue leído por su profesor y tutor James Forbes porque “no se consideraba propio que un muchacho en blusa subiera a la tribuna”.

Maxwell fue gran amigo de los también físicos William Thomson (1824-1907), posteriormente Lord Kelvin, y Peter Tait (1831-1901). Maxwell y Tait se hicieron amigos en la Academia de Edimburgo cuando eran unos adolescentes. Los tres mantuvieron frecuentes intercambios epistolares sobre sus investigaciones. Thomson y Tait firmaban a veces sus cartas como T y T’ y Maxwell como dp/dt, pues en uno de los libros de Tait una expresión de la segunda ley de la termodinámica era dp/dt = JCM, precisamente las iniciales de James Clerk Maxwell. Tenían otros muchos códigos, como H para William Hamilton (1788-1856), profesor de Maxwell y Tait en Edimburgo (y que no debe confundirse con físico y matemático irlandés Willian Rowan Hamilton), o H2 para el físico alemán Hermann Helmholtz (1821-1894). Otro símbolo que utilizaban a menudo en sus cartas era T” para referirse al físico irlandés John Tyndall (1820-1893). Tait, que despreciaba a Tyndall, explicó que T” realmente designaba una “cantidad de segundo orden”, alguien insignificante. En la siguiente imagen podemos ver los primeros versos del poema A Lecture of Thomson’s Galvanometer escrito por Maxwell el 16 de mayo de 1872 y que firma como dp/dt.

A Lecture on Thomson's Galvanometer

Poema de Maxwell que firma como dp/dt / Créditos: National Library of Scotland

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Tras estudiar tres cursos de una carrera de cuatro, dejó Edimburgo para marchar a la Universidad de Cambridge, el centro más influyente de la Física en aquella época. En Cambridge Maxwell fue admitido en el Trinity College, uno de los más prestigiosos. Para los estudiantes con inclinaciones científicas y gran habilidad con las matemáticas, la Universidad de Cambridge poseía el atractivo de un sistema de exámenes muy duro introducido en 1730 y conocido desde 1824 como Tripos Matemático. Se llamaba Tripos por el taburete de tres patas en el que originariamente se sentaban los estudiantes para examinarse. Los exámenes del Tripos tenían lugar en enero, tras tres años y un trimestre de formación, en un majestuoso edificio barroco con grandes ventanales y sin calefacción conocido como la casa del senado. Podemos imaginar el frío y la humedad que pasarían los examinandos. En el Tripos predominaban las preguntas de matemática aplicada y física teórica. En 1854, año en el que se examinó Maxwell del Tripos, éste consistió en 16 exámenes distribuidos en 8 días, con una duración de 44 horas y media y un total de 211 preguntas. Los problemas que se planteaban no eran desde luego nada triviales y en ocasiones los profesores proponían problemas que no siempre sabían resolver a la espera de que algún alumno brillante lo consiguiera. El estudiante que obtenía la mayor calificación en el Tripos era el senior wrangler, el segundo second wrangler y así sucesivamente. Llegar a senior wrangler era un honor nacional. Sin embargo, y a pesar de su gran capacidad para la física y las matemáticas, Maxwell no consiguió el primer puesto del Tripos cuando se examinó en 1854, sino que fue second wrangler, detrás de Edward Routh (1831-1907). Los mejores wranglers del Tripos de cada año se examinaban de nuevo en el mes de febrero para optar al Premio Smith. Esta vez los puestos se intercambiaron, en la convocatoria del Premio Smith de 1854 fue primero James Clerk Maxwell y segundo Edward Routh. El examen de ese año lo puso Georges Stokes que ya ocupaba por aquel entonces la Cátedra Lucasiana de Matemáticas de la Universidad de Cambridge (cátedra que, por cierto, también han ocupado Isaac NewtonPaul Dirac y Stephen Hawking, entre otros). La pregunta Nº 8 del examen era la demostración del Teorema de Stokes. También se preguntaba la explicación de diversas formas de determinar la masa de la Luna.

Maxwell en su época de profesor en Londres / Créditos: James Clerk Maxwell Foundation

En la Universidad de Cambridge tan prestigioso como ganar en el Tripos, era alzarse con el Premio Adams. Este Premio, que todavía hoy existe, se creó en 1848 y debe su nombre al astrónomo John Couch Adams (1819-1892) que predijo la existencia del planeta Neptuno basándose sólo en cálculos matemáticos. El premio se concede cada dos años al mejor trabajo sobre un tema propuesto por un comité. El del año 1857 tenía por título El movimiento de los anillos de Saturno. Maxwell se presentó a dicho premio y tras dos años de trabajo lo ganó en 1859 con el trabajo titulado Sobre la estabilidad del movimiento de los anillos de Saturno en el que demostró matemáticamente que la única estructura que puede explicar dicha estabilidad era que estuviesen constituidos por un enjambre de partículas desconectadas. El trabajo de Maxwell no sólo ganó el Premio Adams sino también el elogio de toda la comunidad científica. George Airy (1801-1892), Astrónomo de la Casa Real Británica, lo calificó como “una aplicación notabilísima de las matemáticas”.

Tras graduarse en Cambridge, e influenciado por su antiguo profesor James Forbes (1809-1868), sus primeras investigaciones fueron sobre temas relacionados con la luz, en particular con la teoría del color. Para llevarlas a cabo utilizó un disco giratorio con sectores de distintos colores, que él mismo iba modificando. Maxwell eligió como colores primarios: rojo, verde y azul e introdujo los triángulos de Maxwell para caracterizar el color situando estos tres colores primarios en los vértices del triángulo. Así funcionan los sistemas RGB de síntesis aditiva de colores, cuyo padre fue Maxwell.

En 1856, y tras pasar un par de años más en Cambridge, Maxwell ganó la cátedra de filosofía natural del Marischal College de Aberdeen en Escocia. Allí contrajo matrimonio en 1858 con Katherine Mary Devar, hija del principal del college. No tuvieron hijos. En 1860 dejó su cátedra de Aberdeen para ocupar otra en el King’s College de Londres, donde estuvo cinco años. En 1860 ganó la Medalla Rumford de la Royal Society “for his researches on the composition of colours, and other optical papers” (por sus investigaciones sobre la composición de los colores, y otros artículos de óptica), por lo que en mayo de 1861 fue invitado a dar una conferencia en esta sociedad para explicar dichos trabajos. En la charla fue el primero en proyectar una fotografía en color, otra de las contribuciones de Maxwell a la ciencia de la luz. Para ello proyectó las imágenes formadas con luces de los tres colores primarios rojo, verde y azul y sobre la pantalla apareció una imagen en color de una cinta de tartán. Tres semanas después es elegido fellow de la Royal Society. Acababa de cumplir 30 años.

Proyección de una fotografía en color. Ilustración basada en una idea del Dr. Victor Minachin / Colección de Mark Jacobs

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En 1865 renunció a su cátedra londinense por voluntad propia para volver a su finca escocesa de Glenlair y estando ya allí, en una carta que escribió en febrero de 1866, señaló:

“Ahora por fin tengo mi tiempo completamente ocupado con experimentos y especulaciones de tipo físico, algo que no podía emprender mientras tenía deberes públicos.”

Parece que hace 150 años los deberes públicos de un profesor universitario no era tan diferentes de los que tenemos hoy en día. En Glenlair escribió su gran obra, publicada en 1873, A Treatise on Electricity and Magnetism (Tratado de Electricidad y Magnetismo), dos volúmenes de más de 500 páginas cada uno y, sin lugar a dudas, texto cumbre de la física del siglo XIX. En su Treatise se unifican todos los fenómenos conocidos hasta el momento sobre electricidad y magnetismo, siendo además un claro producto del modo de hacer ciencia de un alumno del Tripos como prueba su uso de los métodos del análisis matemático y su confianza en el poder de los modelos mecánicos para explicar todos los fenómenos naturales. No en vano, su amigo Lord Kelvin acostumbraba a decir que para saber si se había comprendido un fenómeno había que preguntarse: “¿Podemos hacer un modelo mecánico del mismo?”.

Maxwell, Katherine y su perro Toby en Glenlair en 1869 / Créditos: James Clerk Maxwell Foundation

En 1871 Maxwell fue designado para ocupar la recién creada cátedra de Física Experimental de la Universidad de Cambridge y se le dotó de un nuevo laboratorio, el Laboratorio Cavendish, inaugurado en 1874 y construido gracias a la generosidad de William Cavendish (1808-1891), canciller de la Universidad, séptimo duque de Devonshire y descendiente de Henry Cavendish (1731-1810). Maxwell fue el primer director de dicho laboratorio y otros directores que le sucedieron fueron Lord Rayleigh (1842-1919), J. J. Thomson (1856-1940),  Ernest Rutherford (1871-1937) o Lawrence Bragg (1890-1971). Desde entonces veintinueve galardonados con el Premio Nobel han trabajado en el Laboratorio Cavendish. Allí se ocupó de supervisar la construcción, adquisición del equipamiento y puesta en marcha del laboratorio y siempre que inspeccionaba como marchaban las obras iba siempre acompañado de su fiel perro Toby.

A principios de 1879 la salud de Maxwell empezó a resentirse por lo que decidió pasar las vacaciones de verano en su finca de Glenlair. Sin embargo, en vez de mejorar, cada vez estaba peor. Aún así, en octubre decidió regresar a Cambridge a pesar de que apenas podía mantenerse en pie y desde luego no podía impartir clase. Maxwell fallecía de cáncer de estómago a los 48 años de edad el 5 de noviembre de 1879, justo el mismo año en el que había nacido Einstein, como si le pasara el testigo. Antes de morir, una de las cosas que más le preocupaba era el futuro de su esposa Katherine, a la que tanto amaba.

Placa memorial de James Clerk Maxwell en la Abadía de Westminster / Créditos: Abadía de Westminster

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La teoría electromagnética de la luz

Maxwell nos dejó contribuciones en teoría del color, óptica, la estructura de los anillos de Saturno, estática, dinámica, sólidos, instrumentación y física estadística. Sin embargo, sin lugar a dudas sus contribuciones más importantes fueron en electromagnetismo. Maxwell llevó a cabo la formulación matemática de las ideas intuitivas de Michael Faraday (1791-1867) sobre los campos eléctricos y magnéticos. Estando todavía en Cambridge en 1856 publica Sobre las líneas de fuerza de Faraday y ya en Londres en 1861 Sobre las líneas físicas de fuerza. En estos artículos proporcionó una explicación matemática sobre los fenómenos eléctricos y magnéticos en función de la distribución de líneas de fuerza en el espacio. Para ello Maxwell creó un complejo modelo mecánico de vórtices moleculares y ruedas intermedias aplicada a los fenómenos eléctricos y magnéticos. Su teoría incluía el éter y estudiaba las interacciones electromagnéticas con toda naturalidad en el marco de un éter omnipresente. Maxwell se mantuvo firme en que la energía electromagnética y el éter no eran entidades hipotéticas, sino reales. De hecho, para los físicos británicos del siglo XIX el éter era tan real como las piedras que formaban el Laboratorio Cavendish y algunos de ellos entendieron que el objetivo principal de la física era desentrañar las propiedades físicas y matemáticas del éter, hasta tal punto que llegaron a pensar que o existía el éter o la física se vendría abajo.

Como se he señalado al principio, hace ahora 150 años y cuando Maxwell acababa de cumplir 34 años, se publica su trabajo titulado Una teoría dinámica del campo electromagnético. Mientras redactaba el artículo y con la modestia que siempre le caracterizó, escribió la víspera del día de Reyes de 1865 una carta a su primo Charles Cay diciéndole:

“… tengo un artículo a flote, con una teoría electromagnética de la luz que, salvo que me convenza de lo contrario, considero de gran valor”

En este artículo Maxwell propuso veinte ecuaciones que denominó “ecuaciones generales del campo electromagnético” y que relacionan veinte variables que rigen el comportamiento de la interacción electromagnética. El artículo consta de 53 páginas y contiene siete partes distintas. Sus veinte ecuaciones generales del campo electromagnético, que expresan y resumen las leyes experimentales del electromagnetismo, proporcionan una base teórica completa para el tratamiento de los fenómenos electromagnéticos clásicos.

No fue hasta 1884 cuando Oliver Heaviside (1850-1925), utilizando el Análisis Vectorial, sintetizó las 20 ecuaciones del campo electromagnético en las cuatro ecuaciones en forma vectorial que conocemos hoy en día: La ley de Gauss del campo eléctrico, la ley de Gauss del campo magnético, la ley de Faraday-Henry de la inducción electromagnética y la ley de Ampére-Maxwell. Desde entonces se conocieron como ecuaciones de Hertz-Heaviside o de Maxwell-Hertz, hasta que Albert Einstein en 1940 popularizó el término Ecuaciones de Maxwell que usamos desde entonces. El físico alemán Ludwig Boltzmann (1844-1906) consideró que estas ecuaciones eran tan bellas por su simplicidad y elegancia que, como el Fausto de Goethe se preguntó:

“War es ein Gott, der diese Zeichen schrieb?”

¿Fue acaso un dios quien escribió estos signos?

Placa con las ecuaciones de Maxwell situada en uno de los lados de la base de la estatua de Edimburgo / Créditos: Wikimedia Commons

Placa con las ecuaciones de Maxwell situada en uno de los lados de la base de la estatua de Edimburgo / Créditos: Wikimedia Commons

La sexta parte de su artículo Maxwell la titula teoría electromagnética de la luz y en ella concluye:

“… la luz y el magnetismo son alteraciones de la misma sustancia, y la luz es una perturbación electromagnética que se propaga a través del campo según las leyes del electromagnetismo.”

Maxwell demostró que las ecuaciones del campo electromagnético podían combinarse para dar lugar a una ecuación de onda y propuso la existencia de las ondas electromagnéticas. Al calcular la velocidad de propagación de estas ondas obtuvo el valor de la velocidad de la luz, y concluyó que la luz era una onda electromagnética.

Einstein se refirió en 1940 a ese momento crucial de Maxwell señalando:

“¡Los sentimientos que debió experimentar [Maxwell] al comprobar que las ecuaciones diferenciales que él había formulado indicaban que los campos electromagnéticos se expandían en forma de ondas a la velocidad de la luz! A muy pocos hombres en el mundo les ha sido concedida una experiencia de esa índole.”

Antes de Maxwell, la velocidad de la luz era sólo una velocidad entre muchas.

Después de Maxwell, la velocidad de la luz se convirtió en una privilegiada, señalando el camino a Einstein y la relatividad

En 1888 el físico alemán Heinrich Hertz (1857-1894) produjo ondas electromagnéticas artificialmente en el laboratorio por primera vez lo que suponía la confirmación de la teoría de Maxwell y una victoria sobre los ingenieros telegráficos que negaban la aplicabilidad de la Física de Maxwell a cuestiones de ingeniería práctica. Desgraciadamente Maxwell había fallecido nueve años antes y no pudo ver el éxito de su predicción que es la base, entre otras, de la transmisión de información sin cables, como demostrara por primera vez en diciembre de 1901 el ingeniero italiano y Premio Nobel de Física en 1909, Guglielmo Marconi (1874-1937) al realizar una transmisión mediante ondas electromagnéticas a través del Océano Atlántico entre Cornualles (Inglaterra) y San Juan de Terranova (Canadá). Rayos gamma, rayos X, radiación ultravioleta, luz visible, radiación infrarroja, microondas y ondas de radio y televisión, todas estas radiaciones constituyen el espectro de las ondas electromagnéticas cuya existencia predijo Maxwell hace 150 años.

Maxwell con unos cuarenta años. /Créditos: Wikimedia Commons

Maxwell próximo a cumplir cuarenta años /Créditos: Wikimedia Commons

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El legado de Maxwell

Con su teoría del campo electromagnético Maxwell logró unir en un mismo marco teórico la luz, la electricidad y el magnetismo, lo que se conoce como síntesis de Maxwell. La síntesis de Maxwell marcó un hito en la historia de la unificación de las fuerzas de tal envergadura que a finales del siglo XIX muchos físicos pensaban que las leyes físicas ya estaban suficientemente comprendidas. Esta opinión condujo a la famosa afirmación del Premio Nobel de Física Albert Michelson (1852-1931) que, en la edición de 1903 de su libro “Light and their uses”, señalaba:

“Ya no se realizarán más descubrimientos fundamentales; a lo sumo se perfeccionarán las determinaciones de las constantes físicas alcanzando seis o siete cifras decimales.”

Nada más lejos de la realidad.

En los primeros años del siglo XX se produjeron dos cambios trascendentales en la física con la teoría de los cuantos de Planck (1900) y la teoría de la relatividad especial de Einstein (1905) –otra vez Einstein–, ambas consecuencia de la teoría electromagnética de Maxwell, que sentó las bases para estas dos ideas revolucionarias. Es más que evidente

Maxwell abrió las puertas a la física del siglo XX                            

Aunque la obra de Maxwell fue majestuosa y extensa tuvo ciertas limitaciones, como la conciliación de la Mecánica de Newton y el Electromagnetismo de Maxwell, problema que fue resuelto finalmente por Einstein en 1905 con su Teoría de la Relatividad Especial. Tras los trabajos de Einstein, el éter luminífero –ese espíritu sutilísimo que se había convertido en el centro de atención de la física del siglo XIX– estaba muerto y enterrado. Las ondas electromagnéticas no necesitan de ningún medio material para su propagación.

…..

Albert Einstein en 1921. Fotografía de Ferdinand Schmutzer. Créditos: Wikipedia

El propio Albert Einstein reconoció que su teoría de la relatividad especial debía sus orígenes a las ecuaciones de Maxwell del campo electromagnético y en su artículo La influencia de Maxwell en la evolución de la idea de la realidad física publicado en 1931 con motivo del centenario del nacimiento de Maxwell, señaló “una época científica acabó y otra empezó con Maxwell”“este cambio en la concepción de la realidad es el más profundo y fructífero que se ha producido en la física desde los tiempos de Newton” y finalmente Albert Einstein afirmó con rotundidad:

“El trabajo de James Clerk Maxwell cambió el mundo para siempre.”                      

.En febrero de este año tuve el honor de impartir en la Universidad de Alicante la conferencia “La ‘síntesis’ de Maxwell: 150 aniversario de la teoría electromagnética de la luz”dentro de los actos programados por la Sección de Alicante de la RSEF con motivo del “Año Internacional de la Luz 2015”. Os dejo el vídeo a continuación.

BIBLIOGRAFÍA

J. Gabàs, La naturaleza de la luz: Maxwell. (Nivola Libros y Ediciones. Madrid, 2012).

F. Everitt, “James Clerk Maxwell: A force for physics”, Physics World, pp. 32-37 (Diciembre 2006).

A. Beléndez, “La unificación electromagnética: 150 aniversario de las ecuaciones de Maxwell”, Mètode Nº 84, pp. 16-21, Invierno 2014/15.

J. M. Sánchez Ron, J. M. (ed.), J. C. Maxwell: Materia y movimiento (Crítica. Barcelona, 2006).

J. C. Maxwell, “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field”, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 155: 459-512 (1865).

L. Campbell and W. Garnett, The life of James Clerk Maxwell (MacMillan and co., Londres 1882)

N. Forbes and B. Mahon, Faraday, Maxwell, and the Electromagnetic Field: How two men revolutionized Physics (Prometheus Books, New York 2014).

R. Flood, M. McCartney and A. Whitaker (eds.), James Clerk Maxwell. Perspectives on his Life and Work (Oxford University Press, Oxford 2014).

A. Einstein, “Maxwell’s Influence on the Development of the Conception of Physical Reality”. En J. J. Thomson, J. J. et al. James Clerk Maxwell: A Commemoration Volume 1831-1931 (University Press. Cambridge, 1931).

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Tal día como hoy, 13 de junio, nacía Thomas Young, «el último hombre que lo sabía todo»

Thomas Young nació el 13 de junio de 1773 en Milverton, al sudoeste de Inglaterra, en el seno de una familia cuáquera. Era el mayor de diez hermanos y recibió una educación estricta. Fue un niño prodigio. A los dos años ya leía y a los seis había leído dos veces la Biblia de principio a fin. Conocía una docena de lenguas incluidas el latín y el griego antiguo y estudió Medicina, aunque a la larga no tuvo éxito como médico, en parte por su poca habilidad para reconfortar a los pacientes. Con veintiocho años abandonó la práctica médica para unirse a la Royal Institution de Londres. En dos años ya había impartido 91 conferencias. Fue uno de los primeros en descifrar jeroglíficos egipcios y desempeñó un papel esencial en la descodificación de la piedra de Rosetta. Fue un lingüista fenomenal, el primero en identificar similitudes entre numerosos idiomas a los que denominó indoeuropeos.

Thomas Young (1773-1829) / Créditos: Wikipedia

Llevó a cabo estudios sobre la visión y el ojo humano y propuso la teoría tricromática de la visión confirmada ciento cincuenta años después. Investigó sobre el sonido, la audición y la voz humana y fue entonces cuando se preguntó si el sonido y la luz no tendrían la misma naturaleza ondulatoria. La Enciclopedia Británica define a Young como «medico y físico inglés que estableció el principio de la interferencia de la luz resucitando la teoría ondulatoria de la luz abandonada en el siglo anterior. También fue un egiptólogo que ayudó a descifrar la Piedra de Rosetta». De hecho, Young realizó descubrimientos en prácticamente todos los campos que estudió, incluyendo física (la teoría ondulatoria de la luz), ingeniería (el módulo de elasticidad), fisiología (el mecanismo de la visión), egiptología, lingüística, etc. Para muchos Young es «el último hombre que lo sabía todo».

Su contribución fundamental al campo de la luz es el experimento de la doble rendija, considerado no sólo como «uno de los experimentos más bellos de la física», sino también «el experimento favorito con luz». Con este experimento Young desafió las teorías de Isaac Newton y demostró que la luz es una onda, que probaba que la luz sufre el fenómeno de las interferencias que es propio de las ondas. Entre 1801 y 1803 presentó una serie de conferencias en la Royal Society subrayando la teoría ondulatoria de la luz y añadiendo a la misma un nuevo concepto fundamental, el principio de interferencia. El experimento de la doble rendija es maravillosamente simple y permitió a Thomas Young demostrar de forma convincente y por primera vez la naturaleza ondulatoria de la luz. Cuando las ondas provenientes de dos rendijas estrechas se superponen sobre una pantalla colocada a cierta distancia paralela a la línea que conecta estas rendijas, aparece en la pantalla un patrón de franjas claras y oscuras espaciadas regularmente (patrón de interferencia). Esta es la primera prueba clara de que luz más luz puede dar lugar a oscuridad. En la interferencia tiene lugar una redistribución espacial de la intensidad luminosa sin que se viole la conservación de la energía. Este fenómeno se conoce como interferencia y con este experimento se corroboraron las ideas intuitivas de Huygens respecto al carácter ondulatorio de la luz. Thomas Young esperaba este resultado pues creía firmemente en la teoría ondulatoria de la luz y su juicio éste había sido el más importante de sus muchos logros científicos.

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Experimento de la doble rendija mostrando el diagrama interferencial de la luz / Créditos: Wikipedia

El 12 de noviembre 1801 presentó ante la Royal Society la Bakerian Lecture titulada “On the Theory of Light and Colours” (Sobre la Teoría de la Luz y los Colores) y el 24 de noviembre de 1803 también la Bakerian Lecture “Experiments and Calculations relative to Physical Optics” (Experimentos y cálculos relativos a la óptica física). En esta última presentaba la «demostración experimental de la ley general de la interferencia de la luz» y una «inferencia argumentativa sobre la naturaleza de la luz», concluyendo que la luz era una onda. Como todas las ondas conocidas necesitaban un medio material para su propagación, como sucede con las ondas sonoras o las ondas en el agua, Young consideró que la luz se propagaba en un medio, el éter luminífero, concluyendo que «A luminiferous Ether pervades de Universe, rare and elastic in high degree» (Un éter luminífero impregna todo el Universo, raro y elástico en alto grado) y afirmó de forma contundente que «Radiant light consists in Undulations of the luminiferous Ether» (la luz radiante consiste en ondulaciones del éter luminífero). Asimismo señaló que la sensación de los diferentes colores depende de la distinta frecuencia de las vibraciones de la luz que excita la retina.

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Diagrama interferencial observado por Young (Plate XXX, Fig. 442, A Course of Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts. Thomas Young, 1807) / Créditos: Wikipedia

Sin embargo, en el año 1803 casi nadie aceptó de forma inmediata las ideas radicales de Young sobre la naturaleza de la luz. Young publicó en 1807 su magnus opusA Course of Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts, consistente en dos volúmenes con más de mil quinientas páginas y que fue descrito por el físico Joseph Larmor (1857-1942) como «el más grande y el más original de todos los cursos publicados». En la Lección 39 se describe el experimento de la doble rendija y además el libro incluye una serie de diagramas sobre el experimento en la Lámina XXX.

Gracias a las contribuciones realizadas por Augustin Fresnel, la teoría ondulatoria de la luz –que Young demostró en su famoso experimento– fue finalmente aceptada.

Bibliografía

Robert P. Crease, El prisma y el péndulo: Los diez experimentos más bellos de la ciencia (Crítica. Barcelona, 2006).

Liesbeth Venema, Light, enchanted (of schemmes and memes, a community blog from nature.com), 1 de mayo de 2015.

Andrew Robinson, “Thomas Young: The Man Who Knew Everything”, History Today,vol. 56, pp. 53–57 (2006).

Andrew Robinson, The Last Man Who Knew Everything (Pi Press. New York, 2006).

Augusto Beléndez, “Thomas Young y la naturaleza ondulatoria de la luz”, BBVAOpenMind, 13 de junio de 2015

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Jacques Arsène D’Arsonval: Médico, físico pero sobre todo … inventor

El médico, físico e inventor francés Jacques Arsène D’Arsonval (1851-1940) nació un 8 de junio.

Médico y físico francés. Realizó sus estudios de Medicina en las universidades de Poitiers, Limoges y París. Doctorado por el Collège de France en 1876 con una tesis sobre la elasticidad pulmonar, premiada por la facultad de Medicina y que le franqueó el acceso al cuerpo docente de dicha institución, el doctor Claude Bernard abrió para él las puertas del laboratorio de física biológica en 1882. Fue nombrado ese año profesor suplente de medicina experimental, y en 1894 profesor en propiedad de dicha cátedra.

El primer galvanómetro de imán móvil tenía la desventaja de ser afectado por cualquier imán u objeto de hierro colocado en su cercanía, y la desviación de su aguja no era proporcionalmente lineal a la corriente. En 1882, Jacques-Arsène d’Arsonval desarrolló un dispositivo -el galvanómetro D’Arsonval– con un imán estático permanente y una bobina de alambre en movimiento, suspendida por resortes en espiral. El campo magnético concentrado y la delicada suspensión hacían de éste un instrumento sensible que podía ser montado en cualquier posición.

Galvanómetro D’Arsonval

Inventó el desfibrilador y un tipo de teléfono magnetoeléctrico, diseñó diversos procedimientos de fabricación industrial de aire líquido y construyó una serie de acumuladores eléctricos que se pusieron en funcionamiento en muchos medios de transporte (aeroplanos, trenes y submarinos). También fue uno de los diseñadores del equipo de telegrafía sin hilos que se instaló en la torre Eiffel.

Sus últimos trabajos los realizó en el laboratorio Ampère de París, que él mismo fundó. Fue elegido presidente de la Academia de Ciencias en 1917, institución en cuyas Memorias publicó lo más granado de sus investigaciones. Fue además miembro de la Academia de Medicina y galardonado con la Legión de Honor. Entre sus obras más importantes se encuentra Recherches théoriques et expérimentales sur le rôle de l’électricité pulmonaire y un Tratado de Física Biológica.

Bibliografía

Jacques Arsène D’Arsonval, Biografías y Vidas (La enciclopedia biográfica en línea)

Jacques Arsène D’Arsonval, Wikipedia (consultado el 7 de junio de 2016)

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Tal día como hoy, 5 de junio, pero de 1900 nacía Dennis Gabor, «padre de la holografía»

Dennis Gabor (1900-1979) nació el 5 de junio de 1900 en Budapest, Hungría, un país que entonces formaba parte de la Monarquía Dual Austro-Húngara. Aunque la física le fascinaba, decidió estudiar ingeniería. Más tarde escribió, «ser físico no era todavía una profesión en Hungría y ¿con apenas media docena de cátedras de física en todo el país, quién podría haber sido tan presuntuoso para aspirar a una de ellas?». Al cumplir los dieciocho años fue enviado al norte de Italia para servir en la artillería austro-húngara en los últimos meses de la Primera Guerra Mundial y finalizada la contienda inició estudios de ingeniería en Budapest que concluyó en la Universidad Técnica de Berlín donde obtuvo el Título de Ingeniero Eléctrico en 1924 y el de Doctor Ingeniero en 1927 con una tesis doctoral relacionada con el desarrollo de uno de los primeros oscilógrafos de rayos catódicos de alta velocidad.

Dennis Gabor (1900-1979). Nobel Museum, Stockholm. Credit: A. Beléndez

Dennis Gabor (1900-1979). Nobel Museum, Stockholm. Credit: A. Beléndez

El camino hacia la holografía

La holografía comienza a dar sus primeros pasos en 1947 en un laboratorio de una empresa de ingeniería eléctrica en el que Gabor trabajaba en la mejora del microscopio electrónico. Con este instrumento se había aumentado en cien veces el poder de resolución de los mejores microscopios ópticos y se estaba muy cerca de resolver las estructuras atómicas, pero los sistemas no eran lo bastante perfectos. Su limitación estaba relacionada con la aberración esférica de las lentes magnéticas del microscopio. Para resolver este problema Gabor se preguntó: «¿Por qué no tomar una mala imagen electrónica, pero que contenga la información ‘total’ de la misma, reconstruirla y corregirla mediante métodos ópticos?».

La contestación a esta pregunta se le ocurrió mientras esperaba para jugar un partido de tenis el Domingo de Pascua de 1947  y consistía en considerar un proceso en dos etapas. En la primera etapa, el registro, produciría el diagrama interferencial entre el haz de electrones objeto (onda objeto) y un “fondo coherente” (onda de referencia) que registraría en una placa fotográfica. A este interferograma Gabor lo llamó holograma, del griego ‘holos’, que significa ‘la totalidad’, pues contiene la información total (la amplitud y la fase) de la onda objeto. En la segunda etapa, la reconstrucción, iluminaría el holograma con luz visible, reconstruiría el frente de onda original y podría corregirlo por métodos ópticos para obtener una buena imagen. Así pues, los principios físicos de la holografía están basados en la naturaleza ondulatoria de la luz y son la interferencia (en la etapa de registro) y la difracción (en la etapa de reconstrucción). Gabor dedicó el resto del año trabajando en su ‘nuevo principio de microscopía’ (new microscopic principle).

Para conseguir franjas de contrastadas es necesario disponer de una fuente de iluminación de gran coherencia, la cual no existía en tiempos de Gabor. A pesar de ello, en 1948 realizó el primer holograma con luz proveniente de una lámpara de mercurio con un filtro para la luz verde, una de las mejores fuentes de luz coherente antes del láser. El objeto de este primer holograma era una pequeña diapositiva circular de 1.4 mm de diámetro que contenía los nombres HuygensYoung y Fresnel, tres físicos a los que Gabor consideraba importantes por haber puesto las bases de su técnica a la que denominó ‘reconstrucción del frente de onda’ (wave-front reconstruction). Estos hologramas no resultan impresionantes vistos hoy en día, pero constituyeron una demostración convincente de un nuevo e interesante principio de la óptica.

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Holografía y Universidad de Alicante

La holografía ha estado ligada a la Universidad de Alicante desde sus comienzos y es una de las líneas de investigación más antiguas de entre las que se desarrollan en la misma. Además, el origen de la holografía en España tuvo lugar en Alicante a finales de la década de 1960 con la creación del Laboratorio de Óptica de la Universidad de Alicante (entonces Colegio Universitario) en 1968. En este Laboratorio, dirigido en sus comienzos por el Profesor Justo Oliva, se llevaron a cabo las primeras investigaciones sobre holografía en España y el primer holograma de nuestro país lo realizó José Antonio Quintana en Alicante en el año 1969. En 1979 se celebra en Madrid la primera exposición de holografía de España organizada desde el Laboratorio de Óptica de la Universidad de Alicante y el Departamento de Óptica de la Universidad de Valencia, y desde entonces son varias las exposiciones en las que participa el Laboratorio de Óptica. Entre 1984 y 1989, y organizada desde el recién creado Centro de Holografía de la Universidad de Alicante, se realizó la muestra itinerante ¿Qué es holografía?, que tuve la suerte de admirar en enero de 1987 en el magnífico entorno del claustro de la Iglesia de la Asunción de Albacete. Estas exposiciones fueron un hito importante tanto en la trayectoria de este grupo de investigación de la Universidad de Alicante, como en la difusión de la holografía a lo largo y ancho de la geografía española. En 1986 comenzaron los cursos de Iniciación a la holografía que se prolongaron hasta los primeros años de la década de 1990. Con un cierto “carácter iniciático”, a ellos asistieron no sólo científicos e ingenieros sino casi la práctica totalidad de los “hológrafos” españoles.

La holografía es, por tanto, un campo de investigación al que ha contribuido y sigue contribuyendo de forma notable nuestra Universidad. En varios libros sobre holografía, algunos de ellos considerados ya como “clásicos”, se presentan resultados obtenidos en la Universidad de Alicante y en algunos además de incluir el nombre de los investigadores, aparece explícitamente el nombre de nuestra Universidad al referirse a algunas contribuciones sobre materiales de registro holográfico. Sirva también como muestra que en el número especial Progress in Holography de la revista Journal of the Optical Society of America A publicado en 1992 para celebrar el cuarenta y cinco aniversario de la invención de la holografía hay un artículo de la Universidad de Alicante junto con otros de autores como Lohmann, Denisyuk o Leith, todos ellos auténticos protagonistas en la historia del origen y posterior desarrollo de la holografía. Además, y como una prueba más de las contribuciones de nuestra Universidad en el campo de la holografía, en una publicación americana de 1996 titulada Selected Papers in Holographic Recording Materials que incluye una selección de los artículos sobre materiales de registro holográfico más representativos publicados en todo el mundo entre 1962 y 1995, cinco de los cien artículos incluidos han sido realizados en la Universidad de Alicante.

A. Beléndez, “Holografía: ciencia, arte y tecnología”. Lección inaugural curso 2007-08 (Universidad de Alicante).

N. Torralba, Holografía Artística: Holografía Creativa Española 1983-1993 (Instituto de Cultura “Juan Gil-Albert”, Alicante, 1996).

AAVV, Holografía (Centro de Holografía de Alicante, Servicio de Publicaciones de la Universidad de Alicante, 1984).

J. Oliva, Holografía. Ciencia y Arte (Ministerio de Cultura, Madrid, 1992). Texto realizado para la exposición Holografía, Ciencia y Arte realizada en Madrid de octubre a diciembre de 1992 con motivo de la capitalidad cultural europea. Organizada por el Centro de Holografía de Alicante y cuyo comisario fue Justo Oliva, reunió en el Museo Nacional de Ciencia y Tecnología más de 150 obras, algunas de ellas de grandes dimensiones.

A. Beléndez, I. Pascual y A. Fimia, “Model for analyzing the effects of processing on recording material in thick hologramas”, Journal of the Optical Society of America A, Vol. 9, 1214-1223 (1992). –Special Issue: Progress in Holography-.

H. I. Bjelkhagen, Ed., Selected Papers on Holographic Recording Materials MS 130 (SPIE Optical Engineering Press, Bellingham, 1996).

Hologramas del tesoro de Villena

Hologramas del tesoro de Villena realizados por J. A. Quintana en la Universidad de Alicante

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29 de mayo de 1919: El Sol se eclipsa en Isla del Príncipe y se confirma la Teoría de la Relatividad General

Como señala Adolfo de Azcárraga, presidente de la RSEF, en su libro En torno a Albert Einstein, su ciencia y su tiempo, la teoría einsteniana contenía una predicción espectacular: la luz también poseía ‘peso’, es decir, debía ser atraída y desviada por los cuerpos celestes». Puesto que la equivalencia entre aceleración y gravedad se extiende a los fenómenos electromagnético y la luz es una onda electromagnética, los rayos luminosos deberían curvarse en presencia de un campo gravitatorio. Einstein ya se dio cuenta de que la única forma de verificar experimentalmente su predicción teórica era durante un eclipse total de Sol que permitiría fotografiar una estrella cercana al Sol, sin la presencia de la potente luz solar. Pues bien, el 29 de mayo de 1919 habría un eclipse de Sol, total desde algunos puntos de la superficie terrestre, lo que haría posible verificar esta curvatura de los rayos de luz.

El primero en darse cuenta que el eclipse del 29 de mayo de 1919 era una oportunidad única para verificar la teoría de Einstein fue Frank Dyson (1868-1939), astrónomo real británico y director del Royal Greenwich Observatory. El astrónomo británico Arthur Eddington (1882-1944), científico de prestigio, cuáquero devoto, pacifista convencido, director del Cambridge University Observatory y uno de los pocos que en aquellos años entendía la relatividad general de Einstein, publicó en marzo de 1919 en la revista The Observatory el artículo “The total eclipse of 1919 May 29 and the influence of gravitation on light”. En este artículo afirmaba que el eclipse de Sol del 29 de mayo de 1919 sería una oportunidad excepcional para estudiar la influencia del campo gravitatorio del Sol sobre un rayo luminoso proveniente de una estrella y así verificar la predicción de la teoría de la relatividad general de Einstein publicado en noviembre de 1915. Según esta teoría los rayos luminosos rasantes a la corona solar deberían sufrir una desviación de 1.74 segundos de arco. Eddington también afirmaba que si se pudieran tomar fotografías del eclipse, éstas podrían compararse con las que ya se habían tomado con los telescopios de Greenwich y Oxford, que mostraban las mismas estrellas en sus posiciones reales, sin la posible distorsión debida al campo gravitatorio del Sol. En este artículo Eddington también señalaba que si la gravitación actúa sobre la luz, el momento lineal de un rayo luminoso cambiará gradualmente de dirección debido a la acción de la fuerza gravitatoria, del mismo modo que sucede con la trayectoria de un proyectil. Según la mecánica newtoniana la luz debería sufrir una desviación angular de 0.87 segundos de arco, es decir, la mitad de la desviación predicha por la relatividad general.

The Illustrated London News. 22 de noviembre de 1919.

Para intentar comprobar la desviación de los rayos de luz por un campo gravitatorio se llevaron a cabo dos expediciones científicas británicas que emulaban a las de Malaspina, Cook y La Pérouse del siglo XVIII, la expedición Challenger y la de Darwin a bordo del Beagle en el siglo XIX o a la expedición británica antártica –conocida como expedición Discovery– de principios del siglo XX en la que participaron figuras como Ernest Shackleton o el malogrado Robert Scott. Estas expediciones fueron organizadas por la Royal Astronomical Society.

Frank Dyson fue el responsable de organizar ambas expediciones y cada una de ellas se dirigió a un lugar próximo al Ecuador terrestre. El eclipse no era visible en Europa y aunque podía observarse como parcial desde la mayor parte de Sudamérica y África, sólo era total si se observaba desde una estrecha franja que desde el océano Pacífico, atravesaba Brasil, el océano Atlántico y el África Ecuatorial hasta el océano Índico. Una expedición encabezada por Charles Davidson, asistente de Dyson en el observatorio de Greenwich, puso rumbo a Sobral, en el estado de Ceará, en la costa noreste de Brasil, y otra encabezada por Arthur Eddington a Isla del Príncipe, entonces perteneciente a Portugal y que hoy forma parte de un pequeño país llamado Santo Tomé y Príncipe, en el Golfo de Guinea, y se estableció en una plantación de cacao en Roça Sundy. Ambas expediciones partieron en marzo de Gran Bretaña por lo que llegaron con tiempo de sobra a su destino para hacer todos los preparativos necesarios para una correcta observación del eclipse. Éste duró 6 minutos y 51 segundos, uno de los más largos del siglo XX. Durante el eclipse se tomaron un gran número de fotografías de estrellas alrededor de la corona del Sol (que normalmente no se verían a causa de su potente luz) y cuyo posterior estudio necesitó de varios meses. Eddington fue el responsable del análisis de los datos tomados en la Isla del Príncipe, mientras que Dyson lo fue de los de Sobral.

Frank Dyson (izquierda) y Arthur Eddington (derecha). Credit: AIP Emilio SegrË Visual Archives, W. F. Meggers Collection

Frank Dyson (izquierda) y Arthur Eddington (derecha). Credito: AIP Emilio Segrè Visual Archives, W. F. Meggers Collection.

Según la teoría de la relatividad general los rayos de luz que pasan cerca del Sol deben desviarse ligeramente, porque la luz se curva debido al campo gravitatorio del Sol. Este efecto se puede observar experimentalmente sólo durante los eclipses, ya que de lo contrario el brillo del Sol oscurece las estrellas afectados. Se compararon las posiciones reales y aparentes de unas trece estrellas y la conclusión fue tajante: el análisis de las medidas obtenidas de la desviación de los rayos de luz confirmaba la influencia del campo gravitatorio sobre la luz, tal y como predecía la teoría de Einstein. Se había verificado una de las predicciones teóricas más espectaculares que se haya hecho jamás y además tan sólo cuatro años después de haberse realizado. El físico, matemático y divulgador científico estadounidense Joseph P. McEvoy en su libro Eclipse publicado en 1999 señala que “una nueva teoría del universo, la creación de un judio alemán que trabajaba en Berlín, fue confirmada por un cuáquero inglés en una pequeña isla africana”. Eddington consideró que la verificación experimental de la desviación de un rayo luminoso por el campo gravitatorio del Sol, que ya vislumbró a través de un primer análisis de sus placas fotográficas cuando todavía se encontraba en la Isla del Príncipe, había sido el mejor momento de su vida.

Negative of the 1919 solar eclipse taken from the report of Arthur Eddington. Eddington highlighted the stars he used in the comparison with horizontal marks; these can be seen inside the red circle.

Negative de la fotografía del eclipse solar de 1919 tomado del informe de Eddington. Marcó las estrellas que utilizó en la comparación con marcas horizontales, que pueden verse dentro del círculo rojo.

Eddington, junto con Dyson y Davidson, publicó los resultados de las medidas tomadas en las islas Sobral y de Príncipe en enero de 1920 en un artículo titulado “A Determination of the Deflection of Light by the Sun’s Gravitational Field, from Observations Made at the Solar eclipse of May 29, 1919” –que habían enviado el 30 de octubre de 1919– y fueron la prueba concluyente que validaba la teoría de la relatividad general de Albert Einstein. El 7 de noviembre de 1919 el periódico londinense The Times anunciaba a bombo y platillo: «Revolution in science/new theory of the universe/newtonian ideas overthrown» (Revolución en la ciencia/nueva teoría del universo/las ideas newtonianas derrocadas). Tres días después, el 10 de noviembre de 1919 el New York Times publicaba «Light All Askew in the Heavens/Men of Science More or Less Agog Over Results of Eclipse Observations/Einstein Theory Triumphs» (Luces colgando en el cielo/Hombres de ciencia más o menos excitados por los resultados de las observaciones del eclipse/La teoría de Einstein triunfa).

Pero del éxito de la expedición y de sus conclusiones no sólo se hicieron eco los periódicos británicos y estadounidenses. Casi en las antípodas de la Gran Bretaña, el periódico australiano Western Argus en su página 2 publicaba también el 20 de enero de 1920 «Revolution in science/new theory of the universe».

Las expediciones a Sobral e Isla del Príncipe así como los resultados de las medidas tomadas durante el eclipse total de Sol del 29 de mayo de 1919 habían traspasado las fronteras y no sólo de los países sino también entre los científicos y el gran público convirtiendo a Einstein en un personaje de alcance planetario y catapultándolo a la fama. Había nacido una estrella gracias a la determinación experimental de la desviación de la luz de otras estrellas.

MÁS INFORMACIÓN

A. Azcárraga, En torno a Einstein, su ciencia y su tiempo (Publicaciones de la Universidad de Valencia, 2007).

A. S. Eddington, “The total eclipse of 1919 May 29 and the influence of gravitation on light”, The Observatory, Vol. 42, p. 119-122 (1919).

W. Dyson, A. S. Eddington, C. R. Davidson, “A Determination of the Deflection of Light by the Sun’s Gravitational Field, from Observations Made at the Solar eclipse of May 29, 1919”, Philosophical Transactions of the Royal Society A 220 (571-581): 291–333 (1920).

D. Kennefick, “Testing relativity from the 1919 eclipse—a question of bias”, Physics Today 62(3), 37 (2009).

R. Ellis, P. G. Ferreira, R. Massey and G. Weszkalnys, “90 years on — the 1919 eclipse expedition at Príncipe”, Astronomy & Geophysics 50 (4), pp. 4.12-4.15 (2009).

C. el Puerto, “La utilidad de lo inútil. La Relatividad General”, IAC, Vía Láctea, s/n, El Blog, 19-08-2014 (consultado el 28-05-2015).

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