Un tweet que hace referencia al artículo “55th anniversary of the laser’s invention” publicado en el International Year of Light – Blog figura como tweet fijado desde el 27 de mayo en la cuenta oficial de Twitter (@IYL2015) del Comité Internacional del “Año International de la Luz y de las Tecnologías basadas en la Luz”.
Stephen Benton (1941-2003), uno de los pioneros de la holografía, señaló en más de una ocasión que “es la intersección de arte, ciencia y tecnología lo que hace la holografía tan interesante”. Lo cierto es que junto con innumerables aplicaciones científicas y tecnológicas en ámbitos muy diferentes, la holografía es uno de los pocos campos científicos que ha proporcionado un medio para el arte.
BENTON VISION 2003: Embossed hologram originated by Zebra Imaging and manufactured by Toppan Printing Co., to celebrate the life of Stephen A Benton, 1942-2003 (Johnattan Ross-Hologram collection).
La holografía permite producir imágenes tridimensionales y consta de dos etapas denominadas registro y reconstrucción. Los fundamentos físicos de la holografía se encuentran en la naturaleza ondulatoria de la luz: el fenómeno de las interferencias en la etapa de registro y el de la difracción en la reconstrucción. En la etapa de registro se almacena en un material de registro el diagrama interferencial de una onda proveniente de un objeto cuando éste es iluminado con la luz del láser con una onda de referencia proveniente del mismo láser. El medio de registro impresionado y procesado si fuera necesario, es lo que constituye el holograma, del griego “holos”, que significa “la totalidad”. En la etapa de reconstrucción se ilumina el holograma con un láser y se obtienen una imagen virtual y otra real del objeto. De esta forma, mirando a través del holograma veremos una imagen tridimensional del objeto.
Una diferencia fundamental con la fotografía es que ahora en vez de almacenar la imagen bidimensional del objeto formada por una lente o sistema de lentes, se almacena información suficiente para poder reconstruir la onda objeto misma. Puede decirse que la holografía permite “congelar” la onda procedente del objeto y posteriormente “ponerla otra vez en marcha”. Un holograma es ciertamente como una “ventana con memoria”. Como consecuencia, no se pierde el carácter tridimensional de los objetos. Se podría mover la cabeza un poco y mirar alrededor del objeto para poder ver detrás de él, de modo que los efectos de paralaje son evidentes.
La holografía fue inventada en 1947 por Dennis Gabor (1900-1979), un ingeniero húngaro afincado en Inglaterra, por la que recibió el Premio Nobel de Física en 1971. Sin embargo, la idea de Gabor no habría pasado de ser, como se dice en inglés, un “white elephant”, un “elefante blanco”, un objeto superfluo y sin utilidad, si no hubiera sido por la aparición de dos nuevos personajes en escena: Yuri Denisyuk (1927-2006) en la antigua Unión Soviética y, sobre todo, Emmett Leith (1927-2005) en los Estados Unidos.
Gracias al láser inventado en 1960 por Theodore Maiman (1927-2007) se dispuso de luz con la coherencia necesaria para el registro de hologramas de gran calidad y abrió la puerta a numerosas aplicaciones. Utilizando un láser Leith y Upatnieks realizaron en 1964 el primer holograma de un objeto tridimensional –un pequeño tren de juguete– con ayuda de una nueva técnica que ellos mismos habían inventado: el holograma fuera de eje. Combinando la luz del láser con la técnica fuera de eje habían abierto el mundo de la holografía al mundo real de los objetos tridimensionales.
Holograma del tren: primer holograma de un objeto tridimensional realizado por Leith y Upatnieks en 1964.
En las casi dos décadas transcurridas entre 1947 y 1964 la holografía era un collage construido desde distintas perspectivas. La visión excitante en 1964 del holograma tridimensional de Leith y Upatnieks reactivó de “forma explosiva” el interés por la holografía. Gracias a ese pequeño tren de juguete, cientos de investigadores empezaron a relacionar estos tres trabajos y en los años siguientes a la presentación del holograma del tren se publicaron más de mil artículos científicos sobre el registro de hologramas.
La primera exposición de holografía artística tuvo lugar en Michigan en 1968 y la segunda en Nueva York en 1970. En 1971 comenzó una escuela de holografía en San Francisco, en la que científicos, ingenieros y artistas podían aprender la nueva técnica. De este modo la holografía se convirtió en un ejemplo inusual de campo científico en el que participaron en su desarrollo grupos de personas de muy distinta procedencia.
El ya mencionado Stephen Benton, pieza clave en el desarrollo de la holografía moderna y no sólo por sus contribuciones científicas, sino que también destaca su faceta artística, señaló que “la creatividad no pertenece solamente al dominio del arte, existe en todas las áreas de nuestra existencia y uno de los aspectos más interesantes de la holografía es la relación simbiótica que se da entre las ciencias y las artes”.
En 1966 Leith y Upatnieks realizaron un holograma en colaboración con el fotógrafo y artista Fritz Goro (1901-1968) para la revista Life y en el año 1968 se publicó en la revista Leonardo el artículo “Holography: A New Scientific Technique of Possible Use to Artists” que señalaba la posibilidad de utilizar la holografía como una nueva forma de arte y enseguida algunos artistas se adentraron en la aventura holográfica. Una de las más importantes es la artista británica Margaret Benyon que empezó en la holografía ese año de 1968 y de la que algunos de sus hologramas pueden verse en la imagen. La holografía posee un innegable interés como una de las técnicas más revolucionarias de creación de imágenes tridimensionales y su capacidad de atracción-fascinación es enorme. Frente al espacio estático y constante de la pintura o la fotografía, el espacio holográfico implica el movimiento del espectador y una variación de la imagen en tanto en cuanto se producen ángulos de visión distintos en la percepción dinámica de la imagen holográfica.
Conjugal series – 1983 – Hologramas de Margaret Benyon.
El artista japonés Hiro Yamagata expuso entre 2004 y 2005 la obra titulada “Campo cuántico-X3” en el exterior del Museo Guggenheim de Bilbao. Se trataba de dos cubos cubiertos con paneles holográficos cuyo color cambiaba en función de la dirección y el ángulo en el que incidían los rayos de Sol así como dependiendo de la posición del observador.
Proyecto de instalación de Campo cuántico-X3 en el Museo Guggenheim de Bilbao de Hiro Yamagata (página Web del Museo Guggenheim).
La holografía también se utiliza en los museos para sustituir algunos objetos delicados y valiosos por hologramas de los mismos o para sustituir los objetos originales por hologramas en exposiciones itinerantes. Por ejemplo, en 1984 se realizaron en la Universidad de Alicante una serie de hologramas de reflexión sobre el tesoro de Villena y hologramas de este tipo se han utilizado en varios países para la conservación de obras de arte consideradas tesoros arqueológicos a través de un vasto programa de colaboración entre físicos y museólogos. La fidelidad en la reproducción de formas, colores y brillos es tan espectacular que es difícil decir si lo que se ve es el objeto detrás de una ventana de vidrio o una reproducción holográfica.
Hologramas del tesoro de Villena realizados en la Universidad de Alicante en 1984.
Todos sabemos quien es Salvador Dalí (1904-1989), artista surrealista y genio excéntrico que, por cierto apareció recreado en uno de los últimos capítulos de la serie de televisión “El ministerio del tiempo” cuando los protagonistas hacían su viaje temporal a la época dorada de la Residencia de Estudiantes de Madrid en la década de los veinte del siglo pasado. Pues bien, a lo mejor me equivoco, pero estoy casi seguro que una gran mayoría de no sabrá que Salvador Dalí también hizo una incursión en el mundo de la holografía. Entre 1971 y 1976 Salvador Dalí y el artista sudafricano Selwyn Lyssack colaboraron en la realización de siete hologramas titulados:
Para ello contaron con la ayuda de Conductron Engineers para producir hologramas con láseres pulsantes y con Multiplex Company para hacer esterogramas holográficos. El propio Dalí hizo una exposición en la Galería Knoedler de Nueva York en 1972 y otra en 1973 que incluía hologramas y a la que asistió el propio Gabor. En enero de 2014 la revista “SPIE Professional Magazine” publicó el artículo de Selwyn Lissack titulado “Dali in holographic space: A collaboration of art and science” en el que habla de su colaboración con Dalí.
Selwyn Lissack y Salvador Dalí.
Uno de los hologramas realizados en 1973 se titula “Brain of Alice Cooper”, y es un estereograma holográfico de Alice Cooper, cantante de hard rock y heavy metal nacido en 1948 y auténtico icono del rock.
Holograma “Brain of Alice Cooper” realizado en colaboración por Salvador Dalí y Selwyn Lissack en 1973.
Otro de los hologramas concebidos por Dalí en 1975 se titula “Melting clock”. Sin embargo, no fue realizado hasta 2003 por Selwyn Lyssack a partir del boceto original de Dalí. Pues bien, tanto el boceto de Dalí como el holograma fueron subastados el año pasado en Sotheby’s. Se estimaba vender el lote entre 100.000 y 150.000 dólares. Al final se vendió por 269.000 dólares.
“Melting clock”, holograma realizado en 2003 por Selwyn Lyssack a partir del boceto original de Dalí de 1975.
MÁS INFORMACIÓN
Esta fecha es, por tanto, muy importante no sólo para los que desarrollamos nuestra investigación en el campo de la óptica y para otros investigadores de otras áreas que también utilizan láseres en su trabajo, sino también para el público en general, el cual prácticamente todos los días está en contacto con dispositivos provistos de láseres. Los reproductores de CD, DVD y Blu-ray, las impresoras láseres, los lectores de códigos de barras utilizados en muchos comercios o los sistemas de comunicaciones por fibra óptica que conectan la red global de Internet son sólo algunos ejemplos de aplicación del láser en nuestra vida cotidiana. También el láser tiene importantes aplicaciones biomédicas, como en la eliminación de la miopía, el tratamiento de ciertos tumores y hasta para el blanqueamiento dental. Incluso el láser se utiliza los centros de belleza que continuamente nos bombardean con anuncios sobre depilación láser, tan de moda en los tiempos que corren. Sin embargo, el láser es de gran importancia, no sólo por sus múltiples aplicaciones científicas y comerciales o por ser la herramienta fundamental de diversas tecnologías punteras, sino porque fue un factor crucial en el renacer de la óptica que tuvo lugar en la segunda mitad del siglo pasado. Alrededor de 1950 muchos consideraban la óptica como una disciplina científica con un gran pasado, pero sin visos de tener un gran futuro. En aquellos años eran los artículos científicos de otras áreas de la Física los que copaban las revistas más prestigiosas. Sin embargo, el láser cambió esta percepción de forma drástica y dio lugar a un desarrollo nuevo y vigoroso de la óptica. Puede afirmarse, sin riesgo a equivocarse, que el láser fue el revulsivo que reactivó muchos campos de la óptica de forma «explosiva» y dio lugar a otros nuevos como la optoelectrónica, la óptica no lineal o las comunicaciones ópticas.
Pero, ¿qué es un láser? Se trata de un dispositivo capaz de generar un haz de luz que posee una intensidad mucho mayor que la luz emitida por cualquier otro tipo de fuente luminosa. Además presenta la propiedad de la coherencia de la que, por lo general, carecen los haces luminosos ordinarios. La dispersión angular del haz del láser es también mucho más pequeña por eso observamos la emisión del rayo láser como un delgado haz rectilíneo de luz cuando es dispersado por las partículas de polvo que nos rodean. Pero dejemos a un lado las cuestiones técnicas, más propias de otro tipo de publicaciones, y centrémonos en otros aspectos sobre la invención del láser, no por ello menos importantes, aunque seguramente más interesantes para el público en general. La palabra láser es en realidad un acrónimo formado por las iniciales de «Light Amplification by Stimulated by Emission Radiation» (amplificación de luz por emisión estimulada de radiación) y el término fue acuñado en 1957 por el físico estadounidense Gordon Gould (1920-2005), de la compañía privada Technical Research Group (TGR), el que cambió la «M» de Máser por la «L» de Láser.
El desarrollo del láser tiene sus orígenes en un artículo de Einstein sobre emisión estimulada de la radiación de 1916 («Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie», Emission and absorption of radiation in Quantum Theory). Pero fue un artículo publicado el 15 de diciembre de 1958 por dos físicos, Charles Townes (fallecido el pasado 27 de enero a los 99 años de edad) y Arthur Schawlow, y titulado Infrared and Optical Masers, el que puso las bases teóricas que permitieron a Maiman construir el primer láser en 1960 en los Hughes Research Laboratories (HRL), en Malibú, California. Maiman utilizó como medio activo un cristal cilíndrico de rubí sintético de un centímetro de largo, con sus bases espejadas, constituyendo el primer resonador óptico activo de la historia. Imagino que no será conocido el hecho de que Hughes Research Laboratories fue una compañía privada de investigación fundada en el año 1948 por el magnate Howard Hughes, excéntrico multimillonario, aviador, ingeniero autodidacta, productor de Hollywood y empresario, al que diera vida en el cine Leonardo DiCaprio en la película de 2004 El aviador dirigida por Martin Scorsese. Los ejecutivos de los Hughes Research Laboratories dieron a Maiman un plazo de nueve meses, la cantidad de 50.000 dólares y un ayudante para que consiguiera la primera emisión láser. Maiman pensó utilizar una lámpara de un equipo de proyección de cine para excitar ópticamente el medio activo, pero fue precisamente su ayudante, Irnee D’Haenes, el que tuvo la idea de iluminar el cristal de rubí con un flash fotográfico.
Una vez conseguida la primera emisión láser, Maiman envió un breve artículo a la prestigiosa revista de Física, Physical Review, pero los editores no lo aceptaron aduciendo que esta publicación había anunciado que se estaban recibiendo demasiados artículos sobre máseres –el antecesor del láser en la región de las microondas- y había decidido que en el futuro todos los artículos sobre este tema serían rechazados, al no merecer ser publicados con urgencia. Maiman entonces remitió su artículo a la prestigiosa revista británica Nature, realmente aún más selectiva que Physical Review, dónde el artículo sobre la primera emisión de la luz láser vió la luz (nunca más adecuada esta expresión que en este caso) el 6 de agosto de 1960 en la sección Letters to Nature bajo el título Stimulated Optical Radiation in Ruby, siendo Maiman su único autor.
Este artículo consta apenas de 300 palabras y ocupa poco más de una columna, por lo que quizás sea el artículo especializado más breve jamás publicado sobre un desarrollo científico de tal magnitud. En un libro editado para celebrar el centenario de la revista Nature, Townes calificó el artículo científico de Maiman como «el más importante por palabra de todos los artículos maravillosos» que la prestigiosa revista había publicado en sus cien años de historia. Con la aceptación oficial del artículo de Maiman en Nature, los laboratorios Hughes hicieron pública la noticia del funcionamiento del primer láser en su empresa convocando a los medios en una conferencia de prensa en Manhattan el 7 de julio de 1960.
Transcurrió muy poco tiempo desde que el láser pasara de ser una curiosidad sin aplicaciones a convertirse en una fuente casi inagotable de nuevos avances científicos y desarrollos tecnológicos de gran calado. De hecho, el primer láser comercial llegó al mercado apenas un año después, en 1961, año en el que también se pusieron a la venta los primeros láseres de He-Ne, probablemente los más conocidos y utilizados desde entonces. En esos primeros años entre 1960 y 1970 ninguno de los investigadores que trabajaron en el desarrollo del láser -la mayoría en laboratorios de empresas privadas como los ya mencionados de Hughes, los de IBM, General Electric o los laboratorios Bell- podía haber imaginado de qué forma los láseres transformarían en los siguientes cincuenta y seis años, no sólo la ciencia y la tecnología, sino nuestra vida cotidiana.
Vídeo de la conferencia “Holografía: arte, ciencia y tecnología con la luz” impartida el 14 de mayo de 2015 en la Sede de Alicante de la Universidad de Alicante y que se enmarca dentro del ciclo de conferencias organizadas con motivo del “Año Internacional de la Luz y de las Tecnologías basadas en la Luz” por la Sección de Alicante de la Real Sociedad Española de Física, la Sociedad Española de Óptica, la Universidad de Alicante y la Universidad Miguel Hernández de Elche.
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150th anniversary of the electromagnetic theory of light
In 1865, one hundred and fifty years ago, James Clerk Maxwell (1831-1879) published an article titled A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, which not only included the electromagnetic field equations (today known as «Maxwell’s equations»), but also predicted the existence of electromagnetic waves moving at the speed of light, and presented the electromagnetic theory of light. In this article he stated: «it seems we have strong reason to conclude that light itself (including radiant heat, and other radiations if any) is an electromagnetic disturbance in the form of waves propagated through the electromagnetic field according to electromagnetic laws». He was not wrong. Then, in 2015, we celebrate the 150th anniversary of the electromagnetic theory of light, which is one of the milestones commemorated in the International Year of Light and Light-Based Technologies (IYL 2015).
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.
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. Créditos: James Clerk Maxwell Foundation.
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.
The Old Cavendish Laboratory. © Copyright Rich Tea and licensed for reuse under this Creative Commons Licence.
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:
L. Campbell and W. Garnett, The life of James Clerk Maxwell (MacMillan and co., Londres 1882).
