James Maxwell, el gran unificador

James Clerk Maxwell
(D.P. vía Wikimedia Commons)

Uno de los físicos más importantes de la historia es poco conocido por lo complejo de sus aportaciones, sin las cuales, sin embargo, la física del siglo XIX habría sido mucho menos fructífera.

James Clerk Maxwell está considerado como el tercer físico más importante de la historia, superado sólo por Newton y Einstein. Sin embargo, en la percepción popular, la historia de la electricidad y el magnetismo está dominada por personajes como Michael Faraday, Luigi Galvani o Benjamin Franklin.

Esta mala fortuna se debe en gran medida al nivel altamente teórico del trabajo de Maxwell, sobre todo si lo comparamos con los espectaculares experimentos de Galvani, electrizando animales muertos cuyos músculos se contraían para sobrecogimiento de los espectadores, las dinamos y aparatosas chispas de Faraday (quien por su parte no hizo matemáticas, todos sus descubrimientos son resultado de sus geniales experimentos), y la figura colosal de Franklin que además de su cometa y su suerte al sobrevivir a su imprudente experimento con la cometa (varios de sus émulos dejaron la vida en el intento) destacó en la política, la diplomacia, la literatura y la filosofía.

Sin embargo, la importancia de Maxwell se puede evaluar considerando que Einstein tenía en su mesa de trabajo dos retratos, el de Newton y el de Maxwell, y llegó a decir sobre el trabajo del modesto, metódico escocés, que era "lo más profundo y más fructífero que había experimentado la física desde tiempos de Newton”. En otro momento, Einstein explicó que “la teoría de la relatividad especial debe sus orígenes a las ecuaciones de Maxwell del campo electromagnético”.

Este barbado revolucionario del siglo XIX nació en 1831 en Edimburgo, Escocia, donde asistió a la academia de los 10 a los 16 años. Su amigo desde entonces Peter Guthrie Tait recuerda que el chico era considerado rústico, tímido y aburrido, y pasaba su tiempo libre leyendo baladas, haciendo diagramas y preparando modelos mecánicos burdos. Como suele ocurrir, tales actividades resultaban incomprensibles para sus compañeros de clase, pero pronto se mostró como el más brillante, y frecuente ganador de premios en matemáticas y poesía inglesa.

Su primer trabajo matemático conocido fue un artículo sobre medios mecánicos para dibujar curvas matemáticas, y las propiedades de las elipses y otras curvas con varios focos, fue presentado a la Real Sociedad de Edimburgo en 1846, que quedó impresionada con el joven.

En 1847, a los 16 años de edad, Maxwell entró a la Universidad de Edimburgo, que le resultó poco exigente y le dejó tiempo para seguir sus estudios independientemente, ocupándose de estudios relacionados con la óptica. Ese mismo año escribió dos artículos sobre teoría de curvas y uno sobre la refracción de la luz en distintos sólidos elásticos.

El mundo para Maxwell era ya un acertijo que sólo podía resolverse mediante las matemáticas. Como diría después: “Todas las ciencias matemáticas están fundadas entre leyes físicas y las leyes de los números, de modo que el objetivo de la ciencia exacta es reducir los problemas de la naturaleza a la determinación de cantidades mediante operaciones con números”.

De Edimburgo marchó a Cambridge en 1850 para realizar sus estudios de postgrado, y allí permanecería hasta 1856 y donde empezó a ocuparse del magnetismo y la electricidad. En 1855 presentó un modelo simplificado del trabajo de Faraday y de la forma en que se relacionaban estos dos fenómenos. Todo el conocimiento que existía en ese momento fue reducido por Maxwell a 20 ecuaciones en 20 variables.

En 1861, su artículo Sobre las líneas físicas de fuerza presenta las ecuaciones que, con ligeras variaciones, son conocidas hoy en día como las “Ecuaciones de Maxwell”. En ellas describía matemáticamente cómo el flujo eléctrico generaba campos magnéticos y cómo el movimiento de un campo magnético puede generar electricidad. También establecía el concepto de la “corriente de desplazamiento”, una forma de la corriente eléctrica en la que el campo magnético no está generado por el movimiento de la corriente en sí, sino por su variación en el tiempo.

Habiendo determinado que la propagación de las ondas electromagnéticas en el vacío ocurría a una velocidad similar a la de la luz, propuso que ésta era una perturbación electromagnética que se propagaba de acuerdo con las leyes electromagnéticas. La idea de que la luz podía ser una expresión de los fenómenos que en esos tiempos capturaban la atención del mundo conforme se entendía la electricidad y sus posibilidades era totalmente revolucionaria.

En 1865, en el artículo Una teoría dinámica del campo electromagnético, Maxwell reúne finalmente la electricidad, el magnetismo y la óptica en una sola teoría unificada mediante la ecuación de la onda electromagnética.

Más aún, la teoría electromagnética de la luz de Maxwell sugería la posibilidad de que las ondas eléctricas existieran en el espacio libre. No fue sino hasta 1887, ocho años después de la prematura muerte de Maxwell en 1879, que Heinrich Hertz, el físico alemán que da su nombre al “hertzio” como unidad de frecuencia, demostró experimentalmente la existencia de tales ondas eléctricas en el espacio, las ondas que hoy utilizamos para la comunicación por radio, televisión, telefonía móvil y otros sistemas que emplean ondas electromagnéticas.

La aportación de Maxwell, sin embargo, no se limitó a ese singular logro de unificación. Dejó importantes logros en la óptica y la percepción del color, descubriendo que se pueden crear fotografías a color con filtros rojo, azul y verde, y tomó la primera fotografía permanente a color en 1861. Se ocupó de la teoría cinética de los gases, es decir, del movimiento de las moléculas en los gases a distintas temperaturas, y también consiguió importantes avances en la termodinámica. Con todo esto, tuvo tiempo para ordenar y editar los papeles de Henry Cavendish, el físico británico descubridor del hidrógeno, y diseñar e instalar el laboratorio Cavendish en Cambridge. Una enorme labor para una vida que sólo duró 48 años.

Las unificaciones y revoluciones en la física Con frecuencia se afirma que “la ciencia” se “equivoca” en muchas ocasiones y cambia de posición con cierta frecuencia. Quienes así hablan sueñan con que eventualmente la ciencia acepte algunas propuestas descabelladas. Pero la afirmación no es válida. Es aventurado hablar de ciencia en sentido estricto antes del Renacimiento, y después los genios como Einstein y Maxwell ampliaron, afinaron y unificaron los conocimientos ya existentes, no los eliminaron. Maxwell no borró lo que se sabía sobre magnetismo y electricidad, simplemente lo unificó coherentemente y le dio sentido. La ciencia no funciona cambiando de rumbo caprichosamente, sino por la acumulación de conocimientos e ideas.