El mundo después de la Revolución

La física de la segunda mitad del siglo XX

Sánchez Ron, José Manuel

• Editorial: Pasado y Presente
• Año: 2021
• ISBN:
  9788494313905
• Categoría: History
• Categoría: Science History

Este libro intenta describir la física de la segunda mitad del siglo XX, una ciencia que produjo una nueva visión del universo, al igual que del mundo subatómico, y que, como se argumenta en el último capítulo, cambió el mundo, nuestro mundo, el de todos, no solo el de los científicos.

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REVOLUCIONES EN LA FÍSICA

(PRIMERA MITAD DEL SIGLO XX)

La primera mitad del siglo XX fue un periodo particularmente rico y novedoso para la física. Se produjeron entonces dos grandes revoluciones: la relativista y la cuántica, asociadas a la formulación de las teorías especial y general de la relatividad, y a la mecánica cuántica. Tras ofrecer, en la primera parte del presente capítulo, un resumen de ambas revoluciones, me adentraré en lo que podríamos denominar «pequeñas revoluciones dentro de las revoluciones»; esto es, productos tempranos y en buena medida inevitables de esas revoluciones, como la cosmología relativista, el descubrimiento de la antimateria y la electrodinámica cuántica; y también en la extensión de la revolución cuántica a otros dominios, como el de la química, que también se produjeron durante la primera mitad del siglo XX.

EL GERMEN DE UNA REVOLUCIÓN: DE MAXWELL A LORENTZ

La relatividad especial, la primera de las dos formulaciones que comparten la denominación de relatividad, surgió como respuesta a la «falta de entendimiento» que crecientemente se percibía entre la mecánica newtoniana y la electrodinámica de James Clerk Maxwell (1831-1879). Esta electrodinámica fue el resultado de una línea de investigación que se abrió en 1820, y constituyó uno de los grandes momentos de la ciencia del siglo XIX, hasta el punto de que algunas de sus consecuencias, o aplicaciones —como, por ejemplo, la existencia de ondas electromagnéticas—, cambiaron el mundo.

El camino que condujo a la electrodinámica maxwelliana comenzó en 1820, cuando un catedrático de Física de la Universidad de Copenhague, Hans Christian Oersted, realizó un, en principio, sencillo experimento que demostraba que la electricidad —fuese esta lo que fuese— afectaba al magnetismo, una idea que era rechazada por «científicos más distinguidos», como André-Marie Ampère, quien sostenía que «los fenómenos eléctricos y magnéticos son debidos a dos fluidos diferentes que actúan de manera independiente entre ellos». Lo que hizo Oersted fue colocar un hilo metálico (esto es, un conductor) horizontalmente, en la dirección del meridiano magnético, justo por encima de una aguja magnética. Cuando no circulaba corriente por el hilo, este y la aguja se mantenían paralelos, pero cuando se conectaba el hilo a una batería de Volta —ideada por este físico italiano en 1800 y capaz de suministrar corriente continua— la aguja se desviaba, tanto más cuanto mayor fuese la intensidad de la corriente. Y cuando se cambiaba el sentido de la corriente (alterando el orden de la conexión a los polos de la batería), la aguja se desviaba en sentido contrario. Magnetismo y electricidad, hasta entonces distintos e independientes se revelaron sensibles a la proximidad.

En 1821, poco después de saber de los trabajos de Oersted, uno de los grandes nombres no solo de la historia del electromagnetismo, sino de toda la historia de la ciencia (de la física y la química en particular), Michael Faraday (1791-1867) dio un nuevo paso en el estudio de las relaciones entre electricidad y magnetismo demostrando que un hilo por el que pasa una corriente eléctrica puede girar de manera continua alrededor de un imán (y viceversa), con lo que se vio que era posible obtener efectos mecánicos (movimiento) de una corriente que interacciona con un imán. Sin pretenderlo, había sentado el principio del motor eléctrico. Pero en su trabajo de 1821 aún no había demostrado el efecto recíproco al obtenido en 1820 por Oersted; esto es, que la variación del magnetismo puede afectar a la electricidad. Esto es algo que conseguiría una década después, en 1831, prácticamente al mismo tiempo que lo hacía el físico estadounidense Joseph Henry, aunque este se demoró en hacer públicos sus resultados.

Básicamente, lo que hizo Faraday fue demostrar que cuando sobre un anillo de hierro, con dos devanados separados, se hacía pasar corriente por uno de los devanados, en el otro devanado se producía una corriente transitoria eléctrica «inducida». En otro golpe de genio, efectuó otro experimento: tomó un disco de cobre con un muelle de contacto con un extremo presionando contra el eje del disco y el otro extremo contra su perímetro, estando los dos conectados a un galvanómetro (un aparato para detectar corrientes eléctricas), e hizo que el disco girase a velocidad constante, alrededor de su eje, en un campo magnético cuyas líneas de fuerza eran perpendiculares al plano del disco, y comprobó que, mientras el disco giraba, se creaba una corriente eléctrica constante que circulaba a través del galvanómetro. De esta manera nació la primera dinamo rudimentaria, o máquina para generar corrientes eléctricas, solo con el movimiento de un conductor de cobre en un campo magnético. Si la máquina de vapor había proporcionado la energía necesaria para extraer el agua de las minas y aumentar la producción de carbón que alimentó las distintas máquinas que transformaron el proceso de producción, afectando de esta manera profundamente a la sociedad (la Revolución Industrial), la producción de corriente eléctrica en grandes cantidades, que permitió la invención por Faraday de la dinamo, terminó produciendo efectos similares.

Aunque poseían un profundo trasfondo conceptual, los trabajos de Faraday eran de índole experimental. Carente de formación matemática, él era incapaz de producir un sistema teórico que englobase los fenómenos eléctricos y magnéticos. Esa fue la tarea que asumió, y logró, Maxwell. Expresado de manera sintética, la teoría que estableció Maxwell en la década de 1860 estaba constituida por un conjunto de doce ecuaciones en derivadas parciales (cuatro grupos de tres ecuaciones vectoriales) donde las incógnitas a determinar son una serie de funciones que definen una «estructura continua» que transmite la fuerza —la interacción— electromagnética. Esa «estructura continua» es lo que denominamos «campo electromagnético». Al contrario de lo que sucedía con la dinámica que había propuesto Newton en sus Principia, en donde la interacción se transmite a distancia, sin ningún tipo de soporte, la explicación de Maxwell se basaba en un medio continuo, el campo electromagnético. Este modelo, el de las teorías de campos, que no violenta nuestras capacidades cognitivas, fue el que se impondría en la física del futuro.

En uno de los artículos («Sobre las líneas físicas de fuerza», Philosophical Magazine; Maxwell 1861-1862) en los que Maxwell presentó su teoría, dio a conocer un resultado de extraordinaria importancia: la unificación de la óptica con el electromagnetismo, puesto que al calcular la velocidad de las ondas electromagnéticas transversales a partir del cociente entre el campo eléctrico y el magnético, encontró el valor conocido para la velocidad de la luz. Siglo y medio después de que fuesen escritas esas palabras, todavía se puede apreciar la excitación que sentía Maxwell (1861-1862; Niven, ed., 1965: vol. I, 500) cuando escribió: «Difícilmente podemos evitar la inferencia de que la luz consiste en ondulaciones transversales del mismo medio que es la causa de los fenómenos eléctricos y magnéticos». En esa escueta frase subyacían desarrollos que iban a cambiar el mundo: gracias a las ondas, a las señales electromagnéticas, a la radio— o como al principio se denominó, a la «telegrafía sin hilos»— el mundo se interconectaría.

La teoría elaborada por Maxwell describía la dinámica del campo electromagnético, esto es cómo variaba el vehículo de la interacción electromagnética, pero no cómo interaccionaban las «cargas» eléctricas con ese campo. Uno de los problemas era que todavía se ignoraba cuál era la naturaleza de esas «cargas»; el «electrón», la unidad discreta de carga eléctrica, no sería descubierto hasta 1897 por Joseph John Thomson, aunque es cierto que mucho antes existían indicaciones a favor de «cargas eléctricas discretas» a través de experimentos en electrolisis. Fue el físico holandés Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) quien asumió la tarea de describir teóricamente la interacción entre cargas eléctricas puntuales y el campo eléctrico, en lo que denominó «teoría del electrón».

Un punto muy importante es que para Lorentz existía algo así como un valor absoluto para la velocidad de la luz: el que esta tenía en un sistema en reposo con respecto al éter-campo electromagnético. Para él, el campo desempeñaba, más o menos, el mismo papel que el espacio absoluto newtoniano, y los movimientos de todos los cuerpos (incluyendo las fuentes de luz) se efectuaban sobre él. Además, Lorentz recurría a las transformaciones de Galileo cuando quería describir, por ejemplo, la dinámica del campo electromagnético asociado a una carga que se movía con respecto a ese éter electromagnético absoluto. Y cuando aplicaba esas transformaciones a las ecuaciones del campo estas variaban de forma, lo que significaba que la velocidad de la luz (que en lo sucesivo denotaremos con la letra c) en el nuevo sistema de referencia inercial asociado a la carga en movimiento era diferente a la de la luz en el vacío, definido por el éter electromagnético de referencia.

Sin embargo, resultados experimentales plantearon problemas. La principal manifestación de esos problemas procedió de un artículo que apareció en el número de diciembre de 1887 de la revista inglesa Philosophical Magazine. Sus autores eran dos físicos estadounidenses, Albert Michelson y Edward W. Morley (1887). Realizaron su experimento empleando un interferómetro; esto es, un aparato que utiliza las propiedades ondulatorias de la luz de la siguiente manera: cuando un haz de luz, que procede de una fuente, se divide en dos haces que se vuelven a unir posteriormente, el haz resultante mostrará zonas de interferencia visibles si la trayectoria de uno de los haces sufre algún cambio antes de volver a reunirse con el otro haz. Como las ondas de luz (su longitud de onda) que generan las interferencias son muy pequeñas, una variación minúscula en la longitud de la trayectoria o en el índice de refracción del medio que recorre uno de los haces producirá un efecto que se puede medir. La cuestión era que si la Tierra se movía sobre el campo electromagnético «primordial» que Lorentz suponía en reposo, el tiempo que tardaría un rayo de luz emitido en la superficie terrestre en recorrer una cierta distancia debería ser diferente según que este se desplazase en el sentido de movimiento de la Tierra con respecto al éter, o en sentido opuesto. Michelson y Morley no encontraron ninguna diferencia; parecía que el éter no afectaba al movimiento de la luz.

El experimento generó una crisis en la física. Además de Lorentz, a quien volveré enseguida, un irlandés, George Francis FitzGerald, se distinguió con una propuesta que hizo en 1889, cuando sugirió, de forma ad hoc, que el efecto se debía a que el movimiento con respecto al éter absoluto maxwelliano producía un acortamiento del brazo del interferómetro que seguía la dirección del movimiento (que no se observaba en la dirección perpendicular al movimiento); esto es, que se producía una «contracción de longitudes».

Lorentz también utilizó esta hipótesis, pero dentro de su propio programa de investigación. Manteniéndose fiel tanto a la dinámica newtoniana como a la electrodinámica maxwelliana, y progresando a lo largo de diferentes artículos (el último de 1904: Lorentz 1904), fue capaz de explicar el experimento de Michelson y Morley introduciendo un cambio en las ecuaciones que, en la mecánica de Newton tradicional, relacionan posiciones y tiempo en dos sistemas de referencia inerciales (aquellos que se mueven entre sí con velocidad constante, v). El cambio suponía una contracción de la longitud de un cuerpo en movimiento y una dilatación del tiempo. Como homenaje a su contribución todavía hoy se denomina a tales ecuaciones, que mantienen su validez en la teoría de la relatividad especial, «transformaciones de Lorentz».

Desde un punto de vista formal, matemático, con estas transformaciones las ecuaciones del campo electromagnético no varían de forma cuando se las describe en sistemas de referencia inerciales diferen...

Índice

• Portada
• Índice
• Dedicatoria
• INTRODUCCIÓN
• 1. REVOLUCIONES EN LA FÍSICA
• 2. GRAVITACIÓN Y UNIVERSO
• 3. EL MUNDO CUÁNTICO
• 4. Y LA FÍSICA CAMBIÓ EL MUNDO
• BIBLIOGRAFÍA
• ÁLBUM FOTOGRÁFICO
• NOTAS
• CRÉDITOS