ÉTER, LUZ Y ELECTROMAGNETISMO

A NATURALEZA DE LA LUZ

ADEMÁS de la mecánica, la otra gran contribución de Newton a la física es la óptica, el estudio de la luz. De hecho, uno de sus primeros trabajos científicos fue analizar la luz que pasa por un prisma y descubrir que la luz blanca está compuesta, en realidad, de una mezcla de todos los colores del arco iris. Unos veinte años después de la publicación de los Principios matemáticos, Newton publicó su segundo libro: Óptica, dedicado casi exclusivamente al fenómeno de la luz. La descomposición de la luz en sus colores primarios y la trayectoria de los rayos luminosos a través de lentes transparentes fueron estudiadas exhaustivamente por Newton y sus contemporáneos. Sin embargo, quedaba pendiente de comprender la naturaleza misma de la luz.

¿Qué es la luz? El mismo Newton pensaba que la luz está constituida por partículas que se mueven en el espacio a gran velocidad, como proyectiles, rebotando o absorbiéndose en los cuerpos materiales, o penetrando en los cuerpos transparentes, como el vidrio. Otros notables físicos de esa época, como el holandés Huygens, pensaban que la luz era una onda, análoga a las olas en el agua o al sonido en el aire. Pero, si la luz es realmente una onda, es decir una vibración de algún medio, ¿cuál es el equivalente del agua o del aire?, ¿qué medio transporta a una onda luminosa? Evidentemente, ese medio debería ser el éter, esa sustancia que llena y permea todo el Universo. Una vez más era necesario invocar al éter, fenómeno físico, aunque no existiera ninguna observación directa de tan misteriosa sustancia.

La controversia sobre la naturaleza de la luz —partícula u onda— persistió aún después de Newton y Huygens, hasta que en el siglo XIX la balanza se inclinó, al parecer definitivamente, a favor de la teoría ondulatoria (victoria efímera, como veremos más adelante).

El avance más trascendental de la física del siglo pasado lo constituyó, sin duda, la comprensión de los fenómenos eléctricos y magnéticos y su relación con la luz, lo que abrió las puertas a la física moderna e hizo posible la teoría de la relatividad.

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

La gravitación no es la única fuerza que actúa a distancia. También los cuerpos cargados eléctricamente se atraen o se repelen, y asimismo los imanes interactúan entre sí o con el hierro.

En el siglo XVIII, el físico francés Coulomb demostró que dos cuerpos eléctricamente cargados ejercen una fuerza de atracción o repulsión entre sí similar a la fuerza gravitacional: proporcional a la magnitud de la carga e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. Pero, a diferencia de la fuerza gravitacional, que siempre es atractiva la fuerza eléctrica puede ser repulsiva o atractiva, si las cargas de los cuerpos son del mismo signo o de signo contrario. (Existen en la naturaleza cargas eléctricas positivas y negativas: por ejemplo, un átomo está constituido por un núcleo con carga positiva, rodeado de electrones de carga negativa; en condiciones normales, las dos cargas se compensan exactamente entre sí y la carga total de un átomo es cero.)

Aproximadamente por la misma época, Benjamin Franklin, en Estados Unidos, demostró que los rayos que se producen durante las tormentas son gigantescas chispas eléctricas que saltan entre las nubes y el suelo.

El estudio de la electricidad cobró un auge muy especial cuando se inventaron las pilas, que en un principio se consideraron botellas que contienen un misterioso "fluido eléctrico". Las pilas producen una corriente eléctrica en un cable de metal; hoy en día, sabemos que la corriente eléctrica es efectivamente un flujo de partículas llamadas electrones.

El hecho de que el magnetismo está relacionado con la electricidad se hizo evidente cuando el físico danés Hans Christian Oersted descubrió, a principios del siglo XIX, que las corrientes eléctricas producen fuerzas magnéticas que influyen sobre los imanes: una brújula tiende a alinearse perpendicularmente a un cable por donde pasa una corriente eléctrica suficientemente fuerte. Posteriormente, el científico francés Jean-Marie Ampère encontró una ley que relaciona la corriente eléctrica con la fuerza magnética que genera.

Pero el fenómeno más importante que pone de manifiesto la relación entre electricidad y magnetismo fue descubierto por el físico inglés Michael Faraday en 1831. Faraday notó que el movimiento de un imán puede inducir una corriente eléctrica en un cable, sin necesidad de pilas. En su época, este fenómeno parecía tener poca importancia, pero un siglo después el efecto de Faraday sirvió para generar y utilizar la energía eléctrica.

Tal era la situación de la electricidad y el magnetismo hasta mediados del siglo XIX: una serie de fenómenos y leyes aislados que relacionaban entre sí la electricidad y el magnetismo. Hacía falta una formulación unificada de estas leyes que permitiera una comprensión más profunda de la naturaleza de estas fuerzas. Tal obra fue realizada por Maxwell.

James Clerk Maxwell nació en 1831, en Escocia. Su primera incursión en la física fue un estudio teórico de la estabilidad de los anillos del planeta Saturno: demostró que éstos no podían ser cuerpos sólidos, ya que la fuerza gravitacional del planeta los rompería con rapidez. Posteriormente, se interesó en la teoría molecular de los gases y llegó a ser uno de los pioneros de la llamada física estadística. Pero su obra más importante consiste en la formulación matemática de las leyes del electromagnetismo, los fenómenos unificados de la electricidad y el magnetismo. Maxwell logró expresar las leyes descubiertas por Coulomb, Faraday y Ampère en un conjunto de fórmulas (ecuaciones diferenciales, en lenguaje técnico) que relacionan matemáticamente las distribuciones de cargas y corrientes con las fuerzas eléctricas y magnéticas que generan en cada punto del espacio.

Las ecuaciones de Maxwell permitieron ver en forma clara que la electricidad y el magnetismo son dos manifestaciones de un mismo fenómeno físico, el electromagnetismo. El fenómeno era similar a la gravitación, cuyas leyes fueron descubiertas por Newton; así como un cuerpo masivo produce una fuerza gravitacional sobre otro, un cuerpo eléctricamente cargado y en movimiento produce una fuerza electromagnética sobre otro cuerpo cargado. La diferencia más importante es que la magnitud y la dirección de la fuerza electromagnética dependen de la carga del cuerpo que lo produce y también de su velocidad; por esta razón, la teoría del electromagnetismo es más complicada que la teoría newtoniana de la gravitación, y las ecuaciones de Maxwell son más complejas que la fórmula de Newton para la fuerza gravitacional.

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