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Maxwell (1831-1879) (IV) 3 marzo 2014

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En 1871 fue designado para ocupar la recién creada cátedra de Física Experimental de la Universidad de Cambridge en la que su deber principal era enseñar las leyes del calor, la electricidad y el magnetismo y dedicarse al avance del conocimiento de tales temas, deber que cumplió con creces. En 1873 se le dotó de un nuevo laboratorio, el Laboratorio Cavendish, construido gracias a la generosidad de William Cavendish, séptimo duque de Devonshire y descendiente de Henry Cavendish. Fue el primer director de dicho laboratorio. Desde entonces 29 Premios Nobel han trabajado en el Laboratorio Cavendish, incluidos Watson y Crack, los descubridores de las estructura del ADN. Una de las misiones de Maxwell era poner en orden y editar los veinte paquetes de documentos sobre electricidad de Henry Cavendish, los cuales fueron publicados en 1879. A principios de 1879 la salud de Maxwell empezó a resentirse y decidió pasar las vacaciones de verano en su finca escocesa de Glenair. Pero en vez de mejorar, cada vez estaba peor. De todos modos en octubre decidió regresar a Cambridge, a pesar de que apenas podía mantenerse en pie y, ciertamente, no podía impartir clase. Maxwell falleció el 5 de noviembre de 1879, a los 48 de edad años.

Son dos las grandes aportaciones a la física realizadas por Maxwell y que pueden englobarse en dos campos: el electromagnetismo y la física estadística. Por lo que se refiere al electromagnetismo, realizó la formulación matemática de las ideas de Faraday, al que admiraba profundamente. Para ello aceptó las ideas intuitivas de Faraday sobre la existencia de campos eléctricos y magnéticos y su concepto de líneas de fuerza, abandonando definitivamente la doctrina clásica mantenida hasta entonces de las fuerzas eléctricas y magnéticas como acciones a distancia. Maxwell propuso veinte ecuaciones que relacionan las variables de los campos eléctricos y magnéticos y que rigen el comportamiento de la interacción electromagnética. En 1884 Oliver Heaviside (1850-1925), con la ayuda de Williard Gibbs (1839-1903), sintetizó estas ecuaciones en las cuatro ecuaciones de Maxwell tal y como se conocen hoy en día.

Estas ecuaciones son 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, en la que la contribución de Maxwell fue fundamental al incluir el término que él denominó “corriente de desplazamiento” y que permite concluir que un campo eléctrico variable con el tiempo puede dar lugar a un campo magnético. Estas ecuaciones resumen las leyes experimentales del electromagnetismo y con ellas Maxwell mostró como electricidad y magnetismo no son sino manifestaciones diferentes de un mismo sustrato físico, electromagnético, como poco menos de medio siglo después mostraría con más claridad Einstein al formular su Teoría Especial de la Relatividad. Las ecuaciones de Maxwell desempeñan en el electromagnetismo clásico un papel análogo a las leyes de Newton en la mecánica clásica y proporcionan una base teórica completa para el tratamiento de los fenómenos electromagnéticos clásicos. Boltzmann consideró que estas ecuaciones eran tan bellas por su simplicidad y elegancia que, como Goethe, preguntó , “¿Fue un dios quien escribió estas líneas …?”.

J. M. Sánchez Ron (editor y traductor). Materia y Movimiento (J. C. Maxwell). Editorial Crítica. Barcelona, 2006.

J. A. Díaz-Hellín, El gran cambio de la Física. Faraday. Nivola libros y ediciones. Madrid, 2001.

Maxwell (1831-1879) (III) 1 marzo 2014

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Cuando terminó sus estudios en Cambridge, en 1856 Maxwell ganó la cátedra de filosofía natural del Mariscal College de Aberdeen, donde estuvo cuatro años. Sus siguientes investigaciones fueron sobre la teoría de los colores y en 1860 abandonó su cátedra de Aberdeen para ocupar otra en el King College de Londres, donde estuvo cinco años (1860-1865), siendo elegido fellow de laRoyal Society en el año 1861. En 1865 abandonó su cátedra de Londres para volver a su finca escocesa de Glenlair donde escribió dos libros, “Teoría del Calor”, y el otro su gran obra, publicada en 1873, “Tratado de Electricidad y Magnetismo”, texto cumbre de la física del siglo XIX y comparable al libro escrito por Newton titulado “Principios matemáticos de filosofía natural” y publicado casi dos siglos antes, en 1687. En esta obra Maxwell consigue unificar todos los fenómenos conocidos hasta el momento sobre electricidad y magnetismo. Sus ecuaciones se presentan de un modo elegante y brillante, a la vez que deduce consecuencias sorprendentes como la existencia de ondas electromagnéticas y que la luz es un tipo de estas ondas. Igual que Thomson y Tait, Maxwell intentaba crear los cimientos de una nueva ciencia integral basada en el concepto de la energía y se mantuvo firme en que la energía electromagnética y el éter no eran entidades hipotéticas, sino tan reales como cualquier otra cosa del universo. De este modo, para los físicos británicos del siglo XIX, el éter se convirtió rápidamente en la encarnación de la energía y muchos de ellos llegaron a considerar que la física de la energía equivalía prácticamente a la física del éter y algunos de ellos entendieron que el objetivo principal de su disciplina era desentrañar las propiedades físicas y matemáticas del éter.

El “Tratado” de Maxwell consiguió establecer los principios básicos, eternos, inviolables y absolutos de al ciencia electromagnética y ésta pasó desde entonces a formar parte del conjunto de las ciencias adultas. El trabajo de los científicos debía consistir en deducir el máximo número de consecuencias posible y a éste se dedicaron todo un ejercito de “maxwellianos”. Asimismo, el “Tratado de Electricidad y Magnetismo” de Maxwell es un claro producto del modo de hacer ciencia propio de un alumno del Tripos Matemático de Cambridge. Su uso de los métodos del análisis matemático y su confianza en el poder de los modelos mecánicos para explicar todos los fenómenos naturales son prueba de ello. De hecho, en las últimas décadas del siglo XIX este libro de Maxwell se convirtió en el gran libro de texto de los alumnos de Cambridge, cuya formación les permitía entender los métodos utilizados, mientras que físicos de renombre formados en otras universidades tenían dificultad en seguir sus razonamientos.

J. M. Sánchez Ron (editor y traductor). Materia y Movimiento (J. C. Maxwell). Editorial Crítica. Barcelona, 2006.

Maxwell (1831-1879) (II) 27 febrero 2014

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En la Universidad de Edimburgo estudió los tres primeros cursos de una carrera de cuatro cursos, momento en el que dejó Edimburgo para marchar a la Universidad de Cambridge, el centro más influyente de la física en aquella época, que no admitía estudiantes que ya tuvieran un título por otra universidad. En Cambridge, Maxwell fue admitido en uno de los centros académicos más prestigiosos: el Trinity Collage, el antiguo Collage de Newton. Para aquellos estudiantes con inclinaciones científicas, Cambridge poseía un atractivo añadido el Tripos Matemático, el sistema de exámenes en el que predominaban las preguntas de matemáticas y física teórica.

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. Su formación en Cambridge, al igual que la de todos los estudiantes del Tripos Matemático, había sido totalmente teórica. El ideal del Tripos era la perfección, la permanencia, lo absoluto, lo constante. Asimismo, la exigencia del Tripos era muy grande y las largas horas de estudio, el estrés de la permanente competición académica y la tensión de los exámenes desembocaban muchas veces en enfermedades de sus alumnos. Maxwell cayó enfermo en 1853 y tuvo que ausentarse por unos meses durante sus estudios.

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En Cambridge era tan importante ganar en el Tripos como ganar el Premio Adams, que todavía hoy existe, y que se creó en 1848 dirigido a los graduados de la Universidad de Cambridge. Su nombre se debe al astrónomo John Couch Adams que predijo la existencia del planeta Neptuno basándose sólo en cálculos matemáticos. Esta premio era concedido cada dos años al mejor trabajo sobre un tema propuesto por un comité. El concurso para el año 1856 tenía el siguiente título: “El movimiento de los anillos de Saturno”. En aquella época se pensaba que dichos anillos eran un material fluido, aunque realmente el tema no estaba claro. Maxwell se presentó a dicho premio y lo ganó en 1857, aunque compartido con Routh. El trabajo de Maxwell llevaba por título “Sobre la estabilidad del movimiento de los anillos de Saturno” y en él concluyó 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 que también ganó el elogio de toda la comunidad científica. George Airy, astrónomo de la Casa Real Británica, lo calificó como una aplicación notabilísima de las matemáticas. Dicha estructura fue confirmada en 1895 por el astrónomo estadounidense Keeler.

J. M. Sánchez Ron (editor y traductor). Materia y Movimiento (J. C. Maxwell). Editorial Crítica. Barcelona, 2006.

J. Navarro, El padre del electrón. J. J. Thomson. Nivola libros y ediciones. Madrid, 2006.

Maxwell (1831-1879) (I) 25 febrero 2014

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Como señala José Manuel Sánchez Ron en la introducción de su edición del libro de Maxwell “Materia y movimiento” (del que se ha extraído la mayor parte de la información sobre la biografía de este físico británico), James Clerk Maxwell (1831-1879) es uno de los científicos más importantes de toda la historia de la ciencia. No se puede comprender el siglo XIX, una centuria esencial para nosotro sin tener en cuenta a figuras como Darwin, Lyell, Pasteur, Faraday o Helmholtz, pero mucho menos aún sin recordar a Maxwell, que nos dejó aportaciones científicas como la teoría del campo electromagnético, una de las creaciones científicas más originales e importantes que se han hecho jamás, tanto desde el punto de vista de la comprensión de los fenómenos naturales como en lo que se refiere a su aplicación al mundo de la técnica, y en particular al, hoy omnipresente universo de las telecomunicaciones. Maxwell es uno de los ‘grandes’ de la historia de la física, junto con Newton y Einstein, que quizás son los únicos que le preceden claramente en un hipotética escala de ‘excelencia’”.

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Maxwell nació en Edimburgo en el año 1831 el seno de una familia acomodada. Debe a su madre sus primeras enseñanzas hasta sus ocho años de vida. Tras tres años más recibiendo educación privada en la finca familiar de Glenlair, cuando Maxwell tenía once años fue enviado a la Academia Edimburgo, en la que permaneció cinco años. En este centro docente aprendió francés, alemán, lógica, filosofía, química y matemáticas. En 1847 Maxwell entró en la Universidad de Edimburgo. Dedicó muchas tardes experimentando y aprendiendo en el laboratorio de física, incluso en sus vacaciones, al que fue autorizado a asistir en sus ratos libres. Montó un laboratorio experimental “encima de la lavandería”, y usaba como mesa de laboratorio “una puerta vieja sobre dos barriles”. Maxwell mantuvo una gran amistad con los también físicos Peter Tait (1831-1901) y William Thomson, Lord Kelvin desde 1892 (1824-1907). Los tres se enviaron entre sí numerosas cartas sobre sus investigaciones. Su amistad con Tait, escocés como Maxwell, venía de sus años de estudiantes en la Academia Edimburgo. Thomson y Tait (en broma se autodenominaban T y T’) escribieron un libro titulado Tratado de filosofía natural para poner de manifiesto las posibilidades de la nueva ciencia de la energética. Thomson fue el primero en utilizar el término “energía” en un sentido matemático nuevo y preciso y confiaba en que la energía iría mucho más allá de la termodinámica, sino que serviría para unificar la física (entonces denominada “filosofía natural”) y pensaba que la electricidad, el magnetismo y la luz podían considerarse energía.

J. M. Sánchez Ron (editor y traductor). Materia y Movimiento (J. C. Maxwell). Editorial Crítica. Barcelona, 2006.

Oersted (1777-1851) 21 febrero 2014

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Hans Christian Oersted (1777-1851) estudió filosofía natural en la Universidad de Copenhague donde desde 1806, y durante cincuenta años, fue Catedrático de Física y Química. La invención en 1800 de la pila eléctrica por el italiano Alessandro Volta (1745-1827) hizo entrar en ebullición al mundo científico al hacer posible trabajar con fuentes permanentes de “fluido eléctrico”. Oersted se interesó desde el primer momento por el “galvanismo” y su relación con la química y ya en el año 1801 empezó a realizar experimentos con una pila voltaica. Su contribución más importante al electromagnetismo fue su descubrimiento en 1820 de que el paso de una corriente eléctrica desviaba una aguja imantada situada en su cercanía. Había descubierto que una corriente eléctrica produce efectos magnéticos. La inspiración original de sus experimentos fue la convicción metafísica de la unidad de todas las fuerza de la Naturaleza, que él deducía de los “filósofos de la Naturaleza” alemanes, en particular de Friedrich Scheilling. Partiendo de esta perspectiva, Oersted estaba convencido de que en la naturaleza debía existir un vínculo entre electricidad y magnetismo; sólo era cuestión de encontrarlo.

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Su famoso experimento es muy sencillo. Situó una aguja imantada libremente de modo que ésta se orientaba en la dirección norte-sur. A continuación colocó un cable eléctrico sobre la aguja y, por tanto, en la misma dirección. Este cable lo conectó a una pila eléctrica y al cerrar el circuito comprobó que la aguja de la brújula se desviaba de su dirección original situándose perpendicular al cable, es decir, en la dirección este-oeste. Si la corriente eléctrica era capaz de hacer girar la aguja de la brújula, Oersted concluyó que dicha corriente produce efectos magnéticos, que la electricidad y el magnetismo no son fenómenos independientes, sino que están relacionados y acuñó el término electromagnetismo para designar a la parte de la física que englobaría desde entonces a ambos fenómenos. Los resultados aparecieron publicados en un breve artículo fechado el 21 de julio de 1820, en latín, que envió a las principales revistas científicas europeas. A lo largo de los años se ha propagado la historia de que su descubrimiento se había producido de forma fortuita, casi por azar, cuando realizaba experiencias con una corriente eléctrica en clase con sus alumnos y vio que dicha corriente hacía girar la aguja de una brújula que tenía en la misma mesa. Esta versión tiene su origen en una carta que envió uno de sus discípulos a Faraday casi cuarenta años después del descubrimiento de Oersted. En cualquier caso, la observación realizada en 1820 era el resultado de una larga reflexión sobre las fuerzas eléctricas y magnéticas y, como señala Lagrange a propósito de Newton, “tales accidentes ocurren sólo a quienes los provocan”.

Mª Carmen Pérez y Paloma Varela, Orígenes del electromagnetismo. Oersted y Ampère. Nivola libros y ediciones. Madrid, 2003.

José Antonio Díaz-Hellín, El gran cambio de la Física. Faraday. Nivola libros y ediciones. Madrid, 2001.

Se puede visualizar un vídeo en el que se recrea la experiencia de Oersted de la web de “Experiencias de Física”.

Las distintas partes de la Física 10 febrero 2014

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La Física, al igual que, naturalmente, muchas otras disciplinas, abarca diferentes campos o especialidades. Es muy difícil preparar una tabla que incluya todas las ramas de la Física. Más que difícil, es imposible, si se aspira a una clasificación definida y no problemática. Esto es así porque algunas “especialidades” en que se podría pensar se superponen en mayor o menor medida, como ocurre, por ejemplo, con la Física del Estado Sólido y la Física de los Materiales; la Astrofísica y la Relatividad General tienen asimismo muchos puntos en común; la Optoelectrónica es parte tanto de la Óptica como de la Electrónica; la Física Aplicada puede ser muchas cosas al mismo tiempo. Para evitar algunos de estos problemas, me voy a limitar a mencionar las principales, y más básicas, áreas de la Física, considerando, las denominadas por muchos ramas clásicas y ramas modernas.

El hombre, poseedor de una mente investigadora, ha tenido siempre una gran curiosidad respecto a cómo funciona la Naturaleza. Al principio sus únicas fuentes de información fueron sus sentidos y por ello clasificó los fenómenos observados de acuerdo a la manera en que los percibía. La “luz” fue relacionada con la visión y la Óptica se desarrolló como una Ciencia más o menos independiente asociada a aquélla. El “sonido” fue relacionado con la audición y la Acústica se desarrolló como una Ciencia relativa a este sentido. El “calor” fue relacionado a otra clase de sensación física, y por muchos años el estudio del calor (denominado Termodinámica) fue otra parte autónoma de la Física. El “movimiento”, evidentemente, es el más común de todos los fenómenos observados directamente, y la Ciencia del movimiento, la Mecánica, se desarrolló más temprano que cualquier otra rama de la Física. El movimiento de los planetas causado por sus interacciones gravitatorias, así como la caída libre de los cuerpos, fue satisfactoriamente explicado haciendo uso de la leyes de la Mecánica; por ello, la Gravitación se consideró tradicionalmente como una parte de la Mecánica. El Electromagnetismo, no estando relacionado directamente con ninguna experiencia sensorial –a pesar de ser responsable de la mayoría de ellas–, no apareció como una rama organizada de la Física sino hasta el siglo XIX.

De esta manera en el siglo XIX la Física aparecía dividida en una serie de ramas (llamadas clásicas): Mecánica, Acústica, Termodinámica, Electromagnetismo y Óptica, con muy poca o ninguna conexión entre ellas, aunque la Mecánica fue, con toda propiedad, el principio guía para todas ellas. De este modo se ha venido enseñando la Física y los cursos de Física General suelen abordar, con mayor o menor profundidad, cuestiones relacionadas con estas ramas. La razón de esto es que las ramas “clásicas” de la Física son, y seguirán siendo, campos muy importantes de especialización y actividad profesional. Incluso estos son los contenidos de la materias de “Fundamentos Físicos” que aparecen en las Directrices Generales Propias de las Nuevos Planes de Estudio de las Titulaciones Técnicas aprobadas por el Consejo de Universidades.

A finales del siglo XIX, los científicos creían haber descubierto y analizado casi todo lo que había que saber de Física. Sin embargo, a principios del siglo XX, se produjo una verdadera revolución que conmocionó al mundo de la Física. En el año 1900 Planck introdujo las ideas básicas que llevaron a la formulación de la teoría cuántica, y en 1905 Einstein formuló su teoría especial de la Relatividad. Estas dos teorías tuvieron un efecto profundo en el entendimiento de la Naturaleza y han dado lugar a nuevos descubrimientos y teorías en los campos de la Física Atómica, la Física Nuclear y de Partículas Elementales, la Física del Estado Sólido, así como de la Gravitación y la Cosmología. Todas ellas forman parte de lo que muchos denominan “Física Moderna”, y que cubre, aproximadamente, los desarrollos de la Física durante el siglo XX.

Sin embargo, es importante tener en cuenta hoy en día que existe una relación entre los fenómenos incluidos en las ramas “clásicas” y en las ramas “modernas”. Esta relación ha dado lugar a una nueva tendencia en el pensamiento, que mira a los fenómenos físicos desde un punto de vista unificado y, hasta cierto punto, más lógico. Ésta es, quizás, una de las grandes proezas de la Física del siglo XX. Así, por ejemplo, existen aspectos cuánticos dentro de la Óptica, en lo que se conoce como Óptica Cuántica, un ejemplo de ello es el láser. Algo similar ocurre con el Electromagnetismo, pues también existe una Electrodinámica Cuántica. Incluso en la Termodinámica existen efectos cuánticos, como el comportamiento del helio a bajas temperaturas y su superfluidez, o teorías cuánticas como las de los calores específicos.

M. Alonso y E. J. Finn, Física. Vol. I: Mecánica. Addison-Wesley Iberoamericana. México (1986).

R. Feynman, R. B. Leighton y M. Sands, Física. Vol. I: Mecánica, Radiación y Calor. Addison-Wesley. México (1987).

G. Holton y S. G. Brush, Introducción a los conceptos y teorías de las Ciencias Físicas. Reverté. Barcelona (1988).

J. M. Sánchez Ron, Profesiones con futuro: Físico. Grijalbo. Barcelona (1994).

Profesiones: La Física. Hablando con Juan Rojo. Acento Editorial. Madrid (1994).