Lambert (1728-1777)

Johann Heinrich Lambert fue un matemático, físico, astrónomo y filósofo suizo. Lambert nació el 26 de agosto de 1728 y falleció el 25 de septiembre de 1777. En su libro Photogrammetria, seu de mensura et gradibus luminis colorum et umbras, publicado en 1760, estableció la doctrina de la medición de la intensidad luminosa como Ciencia. Descubrió en 1760 la ley fotométrica conocida Ley de Beer-Lambert, que relaciona la absorción de luz con las propiedades del material atravesado por un haz de luz. También formuló la primera y segunda leyes de Lambert o leyes del cuadrado de la distancia y del coseno, respectivamente.

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En el campo de las matemáticas demostró que el número π es irracional y que tanto el número π como el número e son números trascendentes. En Astronomía también realizó diversas aportaciones, entre ellas algunas sobre trigonometría esférica.

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Faraday y la teoría electromagnética de la luz

Todos conocemos a Faraday por su descubrimiento de la inducción electromagnética, sus aportaciones en electrotecnia y electroquímica o la introducción del concepto de campo para describir las fuerzas electromagnéticas. Sin embargo, no es tan conocido el hecho de que hizo contribuciones fundamentales a la teoría electromagnética de la luz. En 1845 Faraday descubrió que un campo magnético influye sobre un haz de luz polarizada, fenómeno conocido como efecto Faraday o efecto magneto-óptico. En concreto, encontró que el plano de vibración de la luz polarizada linealmente que incide en un trozo de cristal giraba cuando se aplicaba un campo magnético en la dirección de propagación. Se trata de una de las primeras indicaciones de la interrelación entre el electromagnetismo y la luz. Al año siguiente, en el mes de mayo de 1846, Faraday publica el artículo “Thoughts on Ray Vibrations” (Consideraciones sobre las vibraciones de los rayos). Una profética publicación en la que especulaba que la luz es un tipo de vibración de las líneas de fuerza eléctricas y magnéticas.

Thoughts on ray-vibrations

El caso de Faraday no es frecuente en la historia de la física: su formación era muy elemental; sin embargo, las leyes de la electricidad y el magnetismo son debidas mucho más a los descubrimientos experimentales de Faraday que a los de cualquier otra persona. Él descubrió la inducción electromagnética, la cual le llevó a la invención de la dinamo, precursora del generador eléctrico, explicó la electrolisis en términos de fuerzas eléctricas e introdujo conceptos, como “campo” y “líneas de fuerza”, fundamentales en la comprensión de las interacciones eléctricas y magnéticas y piezas básicas en el desarrolló posterior de la física.

Michael Faraday nació el 22 de septiembre de 1791 al sur de Londres, en Newington, en el seno de una familia humilde, y falleció en Londres el 25 de agosto de 1867. La única educación formal que recibió de pequeño fue en lectura, escritura y aritmética. Abandonó la escuela a los 13 años para trabajar en un taller de encuadernación, donde desarrolló un insaciable apetito por la lectura. Su pasión por la ciencia despertó tras la lectura de la voz “electricidad” de la “Enciclopedia Británica” cuando la estaba encuadernando, tras lo cual comenzó a hacer experimentos en un laboratorio improvisado. En 1813 fue contratado como ayudante de laboratorio del prestigioso químico Sir Humphrey Davy en la Royal Institution de Londres, de la que fue elegido miembro en 1824 y donde trabajó hasta su muerte en 1867. Faraday causó tal impresión a Davy que éste, al ser preguntado por cuál había sido su mayor descubrimiento científico respondió: “Mi gran descubrimiento ha sido Michael Faraday”. Faraday fue también un gran divulgador de la ciencia y en 1826 inició en la Royal Institution las “Charlas vespertinas de los viernes”, que aun perduran y son un canal de comunicación entre científicos y profanos, y al año siguiente las “Conferencias juveniles de Navidad” (Christmas lectures).

faraday

Realizó su primer descubrimiento sobre electromagnetismo en 1821. Al repetir el experimento de Oersted con una aguja imantada en diversos puntos alrededor de un hilo con corriente dedujo que el hilo estaba rodeado por una serie infinita de “líneas de fuerza” circulares y concéntricas. El conjunto de estas líneas de fuerza es el campo magnético de la corriente, término también introducido por Faraday. Partió de los trabajos de Oersted y Ampère sobre las propiedades magnéticas de las corrientes eléctricas y en 1831 consiguió producir una corriente eléctrica a partir de una acción magnética, fenómeno conocido como inducción electromagnética. Comprobó que cuando se hacía pasar una corriente eléctrica por una bobina, se generaba otra corriente de muy corta duración en otra bobina cercana. El descubrimiento de la inducción electromagnética en 1831 marcó un hito decisivo en el progreso no sólo de la ciencia sino de la sociedad y revela algo nuevo sobre los campos eléctricos y magnéticos. A diferencia de los campos electrostáticos creados por cargas eléctricas en reposo cuya circulación a lo largo de una línea cerrada es nula (campo conservativo), los campos eléctricos creados por campos magnéticos tienen una circulación a lo largo de una línea cerrada distinta de cero. Dicha circulación, que corresponde a la fuerza electromotriz inducida, es igual al ritmo de cambio del flujo del campo magnético que atraviesa la superficie delimitada por dicha línea cerrada (ley de Faraday). Faraday inventó el primer motor eléctrico, el primer transformador, el primer generador eléctrico y la primera dinamo, por lo que Faraday puede ser llamado, sin genero de dudas, el padre de la electrotecnia.

Inducción electromagnética

Experiencia de inducción electromagnética: Al acercar o alejar el imán de la bobina se genera una corriente eléctrica en esta última.

Faraday abandonó la teoría de los fluidos eléctrico y magnético e introdujo los conceptos de “campo” y “líneas de campo” para explicar la electricidad y el magnetismo, apartándose de la descripción mecanicista de los fenómenos naturales al más puro estilo newtoniano de “acciones a distancia”. Esta incorporación del concepto de campo fue calificada por Einstein como el “gran cambio en la Física”, pues suministró a la electricidad, el magnetismo y la óptica un marco común de teorías físicas. Sin embargo, hubo que esperar varios años hasta que se aceptaran definitivamente las líneas de campo de Faraday, justo hasta que Maxwell entró en escena.

Como se ha señalado al principio, otro de los efectos descubiertos por Faraday, quizás menos conocidos, es el de la influencia de un campo magnético sobre un haz de luz polarizada, fenómeno conocido como efecto Faraday o efecto magneto-óptico. En 1845 comprobó que si un haz de luz polarizado linealmente atraviesa un cierto material al que se aplica un campo magnético en la dirección de propagación de la luz, se observa un giro en el plano de polarización de la luz y que ese ángulo girado es proporcional al campo magnético aplicado y a la distancia recorrida por la luz dentro del material. Se trata, desde luego, de la primera indicación evidente de que la fuerza magnética y la luz estaban relacionadas entre sí y demostraba que el fenómeno de la luz se relacionaba con la electricidad y el magnetismo. Faraday llegó a escribir en relación a este fenómeno que “este hecho probablemente será sumamente fecundo y de gran valor en la investigación de ambas clases de fuerzas naturales”. Es evidente que lo fue. Este efecto constituye uno de los pilares fundamentales de la teoría electromagnética de la luz.

Efecto Faraday o magneto-óptico (Wikipedia, dominio público).

El ángulo de rotación β que gira el plano de vibración de la luz polarizada es proporcional al campo magnético B y a la longitud del medio atravesado d de modo que β = VBd, donde V es la constante de Verdet del material.

En 1846, Faraday publica en Philosophical Magazine el artículo titulado “Thoughts on Ray Vibrations” (Consideraciones sobre las vibraciones de los rayos) y al que Maxwell (1831-1879) en su artículo de 1865 “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field” (Una teoría dinámica del campo electromagnético) que contiene la teoría electromagnética de la luz, uno de los acontecimientos que se conmemoran en este Año de la Luz 2015. En efecto, en la página 461 de su artículo, Maxwell señala:

“Faraday descubrió que cuando un rayo de luz polarizada plana atraviesa un medio diamagnético transparente en la dirección de las líneas de fuerza magnética producida por imanes o corrientes situados en sus alrededores, el plano de polarización rota.”

Y en la página 466, y con la humildad que siempre le caracterizaba, Maxwell afirma:

“La concepción de la propagación de perturbaciones magnéticas transversales y la exclusión de las normales está claramente establecida por el Profesor Faraday en sus “Thoughts on Ray Vibrations”. La teoría electromagnética de la luz, según lo propuesto por él, es la mismo en esencia, a la que yo he comenzado a desarrollar en este trabajo, a excepción de que en 1846 no había datos para calcular la velocidad de propagación.”

BIBLIOGRAFÍA

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

Eugene Hecht, Óptica (Addison Wesley. Madrid, 1999).

Michael Faraday, “Thoughts on Ray Vibrations”, Philosophical Magazine, Series 3, Vol. 28, Nº 188, May 1846.

James Clerk Maxwell, “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field”, Phil. Trans. R. Soc. Lond. 1865 155, 459-512, published 1 January 1865.

Augusto Beléndez, “La unificación de luz, electricidad y magnetismo: la ‘síntesis electromagnética’ de Maxwell”, Revista Brasileira de Ensino de Física, Vol. 30, Nº 2, pp. 2601-1/20 (2008).

Augusto Beléndez, “La unificación electromagnética: 150 aniversario de las ecuaciones de Maxwell”, MÈTODE, Nº 84, pp. 16-21 (2015).

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

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Coulomb (1736-1806)

El ingeniero militar francés Charles Augustin de Coulomb nació el 14 de junio de 1736 y falleció el 23 de agosto de 1806. Coulomb trabajó para Napoleón y realizó importantes contribuciones en el campo de la elasticidad y la resistencia de materiales. En Física es conocido por la ley de Coulomb, aunque en el campo de la electrostática estudió las propiedades eléctricas de los conductores y demostró que si un conductor en equilibrio electrostático está cargado, su carga está en su superficie. En el año 1777 diseñó una balanza de torsión de gran sensibilidad formada por una varilla ligera que está suspendida de un largo y delgado hilo con dos esferas equilibradas a cada extremo. Con ayuda de esta balanza estableció de forma cuantitativa ocho años después la ley del inverso del cuadrado de la distancia para la interacción entre cargas eléctricas puntuales, conocida como ley de Coulomb.

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Según esta ley, la fuerza entre dos cargas puntuales es proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Esta fuerza es atractiva si las cargas son de distinto signo y repulsiva si el signo de las dos cargas es el mismo. Coulomb también estudió las fuerzas entre polos magnéticos y propuso la ecuación de la fuerza entre polos magnéticos semejante a la fuerza electrostática entre cargas eléctricas y la fuerza gravitatoria entre masas gravitatorias. La ley que rige las fuerzas de atracción y repulsión entre las cargas eléctricas y los polos magnéticos fue publicada en 1785 en un trabajo titulado “Segunda memoria sobre la electricidad y el magnetismo”. Como había hecho Gilbert casi doscientos años antes y Tales de Mileto dos mil años antes, Coulomb consideró que los fenómenos eléctricos y magnéticos eran diferentes, puesto que, a pesar de la estrecha analogía que parecía existir entre ellos, los experimentos indicaban que los polos magnéticos y las cargas eléctricas (entonces sólo en reposo) no interactuaban entre sí.

Marcelo Alonso y Edward J. Finn, Física. Addison-Wesley Iberoamericana. Wilmington, 1995.

Agustín Udías Vadiñas, Historia de la Física: De Arquímedes a Einstein. Editoríal Síntesis. Madrid, 2004.

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Hans Christian Oersted (1777-1851)

Hans Christian Oersted nació en Rudkjöbing, en la isla de Langland (Dinamarca) el 14 de agosto de 1777 y falleció el 9 de marzo de 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.

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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.

Publicó sus resultados en un breve artículo escrito en latín y titulado “Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam”, que envió a las principales revistas científicas europeas hacia julio de 1820.

ARTICULO-OERSTED-1820

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.

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«Demasiado valioso para morir»

El físico Henry Moseley (1887-1915) falleció un 10 de agosto en Galípoli

Hacía calor, hacía mucho calor … Eran las 04:30 horas del 10 de agosto de 1915 cuando el coronel de la 19ª División del Ejército del Imperio Otomano, Mustafa Kemal Atatürk –quien años después sería el «padre» y primer presidente de la República de Turquía–, daba la señal alzando la mano y ordenaba a sus tropas atacar con la bayoneta calada en las escarpadas alturas de la colina de Chunuk Bair. Apenas había transcurrido un año desde el inicio de la Primera Guerra Mundial. Las tropas de Kemal estaban destacadas en la Península de Galípoli, en la parte europea de Turquía, frente al estrecho de los Dardanelos, una región en la que siguiendo un plan de Winston Churchill, Primer Lord del Almirantazgo, habían desembarcado tropas aliadas: británicas, francesas, australianas y neozelandesas (estos dos últimos conocidos como los ANZAC, acrónimo de Australian and New Zealand Army Corps). Quizás más de uno de los lectores recordará al actor Mel Gibson, protagonista de la película australiana Gallipoli de 1981, subiendo por las playas con el sombrero característico de las tropas australianas.

Ese 10 de agosto, el ala derecha de las tropas de Kamal llegaba hasta una pequeña meseta conocida como «la granja», donde entabló combate cuerpo a cuerpo con las tropas británicas allí desatacadas y que habían sido desembarcadas pocos días antes, eran los hombres de la 38ª Brigada. El teniente británico Henry Moseley estaba en medio de esta cruenta refriega con menos de treinta soldados. Moseley intentó desesperadamente pedir refuerzos telegrafiando al cuartel general. Mientras lo hacía una bala disparada por un francotirador turco impactaba en su cabeza, muriendo instantáneamente. Tenía 27 años. Cuando más de la mitad de los soldados británicos habían muerto o estaban heridos, los supervivientes retrocedieron. Según un informe del 13 de agosto de 1915, tras los ataques turcos de Chunuk Bair del 10 de agosto los hospitales militares británicos de Egipto y Malta estaban totalmente llenos. Tras la campaña de Galípoli, Winston Churchill tuvo que dimitir como Primer Lord del Almirantazgo, mientras que Mustafa Kemal era ascendido a general y se convirtió en héroe nacional, recibiendo el título de Paşa (comandante).

Henry Gwyn Jeffreys Moseley había nacido en 23 de noviembre de 1887 en el seno de una familia acomodada. Tras graduarse en Física por la Universidad de Oxford, marchó en 1910 a la de Manchester para trabajar como investigador en el Laboratorio de Ernst Rutherford, Premio Nobel de Química dos años antes. Nueve de los discípulos de Rutherford fueron galardonados con el Premio Nobel y es muy probable que Moseley también lo habría sido. En la Universidad de Manchester, Moseley se interesó por la naturaleza de los rayos X y su relación con la estructura atómica, publicando su primer artículo científico en julio de 1913. Trabajó sobre el espectro de la radiación electromagnética y las transiciones de rayos X y su mayor contribución a la ciencia es la ley que lleva su nombre, la Ley de Moseley, en la que logró la justificación cuantitativa del concepto de número atómico. En sus tan sólo 40 meses de investigación científica, Moseley publicó ocho trabajos, algunos de los cuales dieron lugar a grandes avances en Física y Química. Muchos de los colegas de Moseley, familiarizados con su obra extraordinaria, declararon que él era un científico excepcional y que de no haber fallecido aquel aciago 10 de agosto de 1915, Henry Moseley habría sido galardonado con el Premio Nobel en pocos años, de hecho, estaba nominado para ese año de 1915.

La muerte de Moseley causó un gran impacto no sólo al director de su laboratorio, Ernst Rutherford, quién publicó varios artículos sobre su lamentable pérdida (incluido uno en la revista Nature el 9 de septiembre de 1915), sino en toda la sociedad británica. Tras su muerte, los titulares de los periódicos señalaban «sacrificio de un genio» y «demasiado valioso para morir». Tal fue el impacto que causó su desaparición, que se ha especulado que fue su muerte la que hizo que el gobierno británico tomara la decisión de no enviar al frente en época de guerra a sus científicos e ingenieros brillantes, con la idea de que podrían servir mejor a su país en la retaguardia.

Conferencia (Royal Society, 11/10/2013): ‘Sacrifice of a genius’: Henry Moseley’s role as a Signals Officer in World War One

La guerra es un auténtico asesinato en masa, nunca se puede ganar una guerra, siempre se sale perdiendo. El escritor Ernest Hemingway, reflexionando sobre la guerra, dejó la siguiente reflexión:

Jamás penséis que una guerra, por necesaria o justificada que parezca, deja de ser un crimen.

Publicado por A. Beléndez y E. Arribas (La Verdad de Alicante, 10/08/2015)

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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.

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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

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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).

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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).

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