Física para tod@s

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.

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.

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.

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.

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'”.

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.