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Les dejo la entrada del Blog de Browniana 'El sabio que vio las líneas invisibles' (Alexandra De Castro, escritora de Browniana, es Doctora en Física de la Universidad Simón Bolívar, Caracas, Venezuela, clase de 2001. Con más de 15 años de experiencia como investigadora científica en las áreas de física teórica de altas energías y físico química. Ha trabajado en diferentes instituciones académicas como el Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas, el Instituto de Física Teórica de la Universidad de Hannover, Alemania y la Universidad de Sydney, Australia. Experta en divulgación y comunicación de la ciencia y de la tecnología, Universidad de Oviedo, 2014)

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'El sabio que vio las líneas invisibles'

El espíritu eléctrico de la época

Una mezcla de olores a madera y solventes, polvo acumulado, libros, frascos, desorden, le dan vida a un pequeño laboratorio de principios del siglo XIX. Dentro, un hombre fija la mirada curiosa sobre un hilo de alambre enrollado. En una mano posee un trozo de imán, con el que se dispone a revelar secretos de la naturaleza. Corrían los tiempos de la fascinación por los fenómenos eléctricos y magnéticos; hasta hacía muy poco, estos fenómenos eran casi tan misteriosos como hoy la materia oscura y la energía oscura. Las brisas del Romanticismo recorrían Europa, Felix Mendelsohn dirigía sus primeras sinfonías, Mary Wollstonecraft Shelley acababa de asombrar al mundo con Frankenstein, la primera obra moderna de ciencia ficción, y filósofos intentaban comprender a Georg Wilhelm Hegel.

Pocos años antes, el científico danés Hans Christian Ørsted había demostrado que acercar una brújula a un circuito por el cual pasa una corriente eléctrica, es capaz de mover la aguja. Esa fue la primera observación rigurosamente registrada de la relación entre electricidad y magnetismo. Aparecían las primeras luces hacia el entendimiento de que ambas son manifestaciones del mismo fenómeno. Michael Faraday lucubró que, entonces, tal vez podría ocurrir lo contrario: acercar un imán a un circuito generaría electricidad. Conectó el alambre a un medidor de corriente; era un circuito desprovisto de baterías. Hizo pasar el imán dentro del alambre enrollado y, efectivamente, se registró una corriente. Faraday había descubierto la inducción magnética.

Faraday era un filósofo natural completo. Hizo estudios sobre el sistema nervioso en animales, intentó entender relaciones entre la gravitación y electromagnetismo, observó una relación entre la luz y el electromagnetismo, que derivó en el entendimiento de la naturaleza electromagnética de la luz. Es el padre de un sin número de descubrimientos e inventos como el diamagnetismo, el motor eléctrico, la jaula que lleva su nombre, entre muchas otras revelaciones de fenómenos químicos y físicos. No obstante, su legado más importante es una idea, una idea trascendental.

Trazos en el aire

Un barco de papel delicadamente colocado sobre un río es arrastrado sinuosamente. Vemos, como espectadores, que recorre un trayecto sobre el agua. De igual manera, si movemos un imán en la vecindad de un trocito de hierro, lo veremos hacer piruetas al “son” del imán, sin que lleguen a tocarse. En el caso del barco se nos hace evidente que el río lo empuja. Pero, en el caso del trocito de hierro: ¿qué hay en el imán o en el hierro o en ambos que produce ese movimiento? ¿cómo? ¿qué mecanismo hay detrás de la acción a distancia?

Científicos de la época como Ampère y Weber abogaban por una explicación en términos de fuerzas que obran de manera instantánea, al estilo Newtoniano. Concepción muy poderosa, que funciona muy bien tanto para la interacción gravitacional como en el electromagnetismo y nos permite hacer descripciones muy precisas del movimiento de los cuerpos.

Sin embargo, Faraday, con su imaginación prodigiosa, no podía dejar pasar sus observaciones sobre la interacción materia con electricidad y magnetismo. Tras analizar cuidadosamente la reacción de pequeños fragmentos de hierro regados en la vecindad de imanes y circuitos eléctricos; en una de las epifanías más importantes en la historia de la física, vio al río invisible que arrastra al trocito de hierro. Lo completó en su cabeza, entre las limaduras de hierro, y lo llamó: líneas de fuerza o líneas de campo. Más aún, en su visión, estas líneas no eran un artificio descriptivo, eran la manifestación de una realidad subyacente. Michael Faraday había concebido al campo electromagnético.

El espacio está rebosante de líneas de campos eléctricos y magnéticos emanados de fuentes cargadas, corrientes e imanes. Hoy reconocemos que los planetas, las estrellas y las galaxias poseen su propio campo magnético definitorio de una zona de influencia.

Representación de las líneas de campo magnetico del Sol sobre una foto del Observatorio de Dinámica Solar de la NASA.

Las líneas de Faraday recreadas en las matemáticas

La agudísima observación de Faraday abrió las puertas a una extraordinaria descripción matemática de los fenómenos de acción a distancia. El criterio de líneas de campo se hizo fácilmente extensible a los fenómenos gravitacionales, de donde surgió la idea del campo gravitacional. La descripción rigurosa de los campos eléctricos y magnéticos de Faraday floreció en la pluma de James Clerk Maxwell, quien se apoyó en grandes matemáticos como Lagrange, Stokes y Green entre otros, y le dio vida a una teoría completa unificada muy exitosa. La elaboración matemática de Maxwell engloba las relaciones entre los campos, su evolución en el tiempo, su propagación en el espacio y su interacción con la materia. Quedaría claro que los campos eléctricos y magnéticos no tienen existencia independiente, que solo tiene sentido el campo electromagnético; y que la interacción a distancia no es instantánea sino un fenómeno que se propaga. Más aún, se asentarían los pilares que jugarían un papel crucial en los fundamentos de la Relatividad Especial de Einstein: el electromagnetismo es relativista en su esencia. Efectivamente, un cambio de sistema de referencia bastará para ver la aparición de un campo magnético aparentemente inexistente en otro sistema de referencia, en el cual solo se observa campo eléctrico.

De origen desafortunado, nacido entre el hambre y la estrechez, privado de los medios para hacerse de una buena educación, como todo niño pobre, Faraday tuvo que trabajar desde la pubertad. Destino que no suprimió su apetito insaciable por el conocimiento. Llegó a lucir los laureles del reconocimiento: fue nombrado profesor del Instituto Real Británico (Royal Institution, UK), la Universidad Oxford le otorgó un doctorado honoris causa y academias de ciencias del mundo como la francesa y la sueca le dieron membrecía.

Su más reciente distinción fue anunciada este verano por el Instituto Real Británico. La colección completa de los cuadernos de laboratorio originales de Faraday en los cuales registró algunos de los descubrimientos más importantes en física y química hechos durante el siglo XIX han recibido el reconocimiento de la UNESCO-UK como “Registro de la memoria del mundo”.