La unificació electromagnètica

Quan utilitzem els telèfons mòbils, escoltem la ràdio, usem el comandament a distància, veiem la televisió o escalfem els aliments en el microones és probable que no sapiguem que James Clerk Maxwell és el responsable que aquesta tecnologia siga possible. L’any 1865 Maxwell va publicar un article titulat «Una teoria dinàmica del camp electromagnètic» en el qual afirmava: «sembla que tenim raons de pes per a concloure que la mateixa llum (incloent-hi la calor radiant i altres radiacions si n’hi ha) és una pertorbació electromagnètica en forma d’ones que es propaguen segons les lleis de l’electromagnetisme» (Maxwell, 1865). Aquest any 2015 se celebra el 150è aniversari de les equacions de Maxwell i de la teoria electromagnètica de la llum, esdeveniments que es commemoren en l’«Any internacio­nal de la llum i de les tecnologies basades en la llum», declarat com a tal per l’ONU. 

Les equacions de Maxwell

Maxwell ens va deixar contribucions en la teoria del color, el coneixement de l’estructura dels anells de Saturn i la física estadística, però sobretot en electromagnetisme. El 1856 va publicar ‘Sobre les línies de força de Faraday’ i el 1861 ‘Sobre les línies físiques de força’. En aquests dos articles va proporcionar una explicació matemàtica de les idees de Faraday sobre els fenòmens elèctrics i magnètics en funció de la distribució de línies de força en l’espai, abandonant definitivament la doctrina clàssica de les forces elèctriques i magnètiques com a ac­cions a distància. La seua teoria matemàtica incloïa l’èter, aquell «esperit subtilíssim» com el va descriure Newton. Les interaccions electromagnètiques les estudiava amb tota naturalitat en el marc d’un èter omnipresent. Maxwell es va mantenir ferm en la convicció que l’èter no era una entitat hipotètica sinó real i, de fet, per als físics del segle XIX l’èter era tan real com les pedres que formaven el Laboratori Cavendish.

Amb 33 anys va publicar «Una teoria dinàmica del camp electromagnètic». En aquest article Maxwell inclou vint equacions que va denominar «equacions generals del camp electromagnètic» i que relaciona amb vint variables que regeixen el comportament de la interacció electromagnètica. L’article consta de 53 pàgines i conté set parts distintes. Les seues vint equa­cions generals del camp electromagnètic, que expressen i resumeixen les lleis experimentals de l’electromagnetisme, proporcionen una base teòrica completa per al tractament dels fenòmens electromagnètics clàssics. Maxwell hi va mostrar que electricitat i magnetisme no són sinó manifestacions diferents d’un mateix substrat físic, electromagnètic (Sánchez Ron, 2006). 

El 1884 Oliver Heaviside i, posteriorment i de manera independent, Heinrich Hertz, utilitzant la notació vectorial, van sintetitzar les vint equacions del camp electromagnètic en les quatre equacions de Maxwell que coneixem avui dia: la llei de Gauss del camp elèctric, la llei de Gauss del camp magnètic, la llei de Faraday-Henry de la inducció electromagnètica i la llei d’Ampère-Maxwell. Des de llavors les equacions de l’electromagnetisme es van conèixer com a equacions d’Hertz-Heaviside o de Maxwell-Hertz, fins que el 1940 Einstein va popularitzar el terme «equacions de Maxwell» (Turnbull, 2013). El físic d’origen austríac Ludwig Boltzmann va considerar que aquestes equacions eren tan belles per la seua simplicitat i elegància que, amb una cita del ‘Faust’ de Goethe, es va preguntar: «Va ser potser un déu el qui va escriure aquests signes?» (Darrigolp, 2002).

En la sisena part del seu article de 1865, titulada «Teoria electromagnètica de la llum», Maxwell conclou: «difícilment podem evitar la inferència que la llum no és una altra cosa que ondulacions transversals del mateix mitjà que és la causa dels fenòmens elèctrics i magnètics». Maxwell va demostrar que les equacions del camp electromagnètic podien combinar-se per a donar lloc a una equació d’ona i va proposar l’existència de les ones electromagnètiques. En calcular la velocitat de propagació d’aquestes ones va obtenir el valor de la velocitat de la llum, va concloure que la llum era una ona electromagnètica. 

Einstein es va referir a aquest moment crucial de Maxwell assenyalant: «Quants sentiments degué experimentar en comprovar que les equacions diferencials que ell havia formulat indicaven que els camps electromagnètics s’expandien en forma d’ones a la velocitat de la llum! A molt pocs homes en el món els ha estat concedida una experiència d’aquesta índole» (Einstein, 1940). Abans de Maxwell, la velocitat de la llum era només una velocitat entre moltes. Després d’ell, la velocitat de la llum es va convertir en una privilegiada que va assenyalar el camí a Einstein i la relativitat.

Les ones electromagnètiques van ser produïdes per Heinrich Hertz en un laboratori el 1888, la qual cosa va confirmar la teoria de Maxwell. El 1901 l’enginyer italià Guillermo Marconi va realitzar una transmissió mitjançant ones electromagnètiques a través de l’oceà Atlàntic, entre Cornualla (Anglaterra) i Sant Joan de Terranova (Canadà). Marconi va rebre el premi Nobel de Física el 1909 per les seues contribucions al desenvolupament de la telegrafia sense fils. 

Raigs gamma, raigs X, radiació ultraviolada, llum visible, radiació infraroja, microones, i ones de ràdio i televisió, totes aquestes radiacions constitueixen l’espectre de les ones electromagnètiques, ones l’existència de les quals va predir Maxwell fa 150 anys. La síntesi de Maxwell va marcar una fita en la història de la unificació de les forces de tal envergadura que a les acaballes del segle XIX molts físics pensaven que les lleis físiques ja estaven prou compreses. Això va conduir el físic nord-americà Albert Michelson a escriure: «les lleis fonamentals de la física ja han estat descobertes i estan establides tan fermament que la possibilitat que es realitzen més descobriments fonamentals és extremadament remota; a tot estirar es perfeccionaran les determinacions de les constants físiques aconseguint sis o set xifres decimals» (Michelson, 1903). Res més lluny de la realitat. En els primers anys del segle XX es van produir dos canvis transcendentals en la física amb la teoria dels quants de Planck (1900) i la teoria de la relativitat especial d’Einstein (1905), ambdues conseqüència de la teoria electromagnètica de Maxwell, que va establir les bases per a aquestes dues idees revolu­cionàries. És evident que Maxwell va obrir les portes a la física del segle XX (Gabàs, 2012).

Llig l’article sencer en la web de Mètode.

Augusto Beléndez Vázquez. Catedràtic de Física Aplicada i director de l’Institut Universitari de Física Aplicada a les Ciències i les Tecnologies. Universitat d’Alacant.

Enllaços
Array