Grandes Ideas de la CienciaIsaac Asimov

Título original: Great Ideas of ScienceTraducción:  Miguel Paredes©1 969 Isaac Asimov©1 987 Alianza Editorial S.A.Primera edición en "El Libro de Bolsillo": 1983 Segunda reimpresión en "El Libro de Bolsillo": 1987Printed in Spain

Capítulo 8Faraday y los CamposImaginemos una barra de hierro, de pie sobre uno desus extremos, con una cuerda atada cerca del bordesuperior. ¿Podemos tumbarla?

     Por supuesto que sí. Basta con empujarla con undedo o agarrar la cuerda y tirar. El tirón o el empujónes una fuerza. En casi todos los casos la fuerza sóloactúa cuando los dos objetos se tocan.

     Al empujar  la barra, el dedo la toca. Al tirar, losdedos tocan la cuerda y ésta toca la barra. Alguienpodría decir que si soplamos con fuerza en direccióna  la barra,   la  podemos tumbar sin  tocarla.  Pero  loque hacemos es empujar moléculas de aire, que sonlas que tocan y empujan la barra.

     Las   tres   leyes   newtonianas   del   movimientoexplicaban   el   comportamiento   de   estas   fuerzas(véase el capítulo 7) y servían también para explicarlos principios en que se basaban máquinas en  lasque   las   palancas,   las   poleas   y   los   engranajesactuaban   tirando   y   empujando.   En   este   tipo   demáquinas   los  objetos  ejercían   fuerzas   sobre  otrosobjetos por contacto.

Un universo «mecánico»     Los   científicos   de   principios   del   siglo   XVIIIpensaban que el universo entero funcionaba a basede estas  fuerzas de contacto:  era  lo  que se  llamauna visión mecanicista del universo.

     ¿Podían existir   fuerzas  sin  contacto?  Sin duda:una de ellas era la fuerza de gravitación explicadapor el propio Newton. La Tierra tiraba de la Luna y lamantenía   en   su   órbita,   pero   no   la   tocaba   enabsoluto.   Entre   ambos   cuerpos   no   mediabaabsolutamente nada, ni siquiera aire;  pero aun así,ambas   estaban   ligadas   por   la   gran   fuerzagravitatoria.

     Otra clase de fuerza sin contacto cabe observarlasi   volvemos   por   un   momento   a   nuestra   barra   dehierro colocada de pie. Lo único que necesitamos esun pequeño imán. Lo acercamos a la punta superiorde la barra y ésta se inclina hacia el imán y cae. Elimán   no   necesita   tocar   para   nada   la   barra,   nitampoco es el aire el causante del fenómeno, porqueexactamente lo mismo ocurre en el vacío.

     Si  dejamos  que  un   imán  largo y   fino  oscile  encualquier   dirección,   acabará   por   apuntar   hacia   elNorte y el  Sur.  O dicho de otro  modo,  el   imán seconvierte  en brújula,  en  una  brújula  como  las queutilizaron los navegantes europeos para explorar losocéanos   desde   mediados   del   siglo   XIVaproximadamente.

     El extremo del imán que apunta al Norte se llamapolo norte; el otro es el polo sur. Si se acerca el polonorte de un imán al polo sur de otro, se estableceuna   fuerte  atracción  entre  ambos,  que   tenderán aunirse. Y si se hace lo mismo con polos iguales —norte   y   norte   o   sur   y   sur—,   ambos   se   repelen   yseparan.

   Este tipo de fuerza sin contacto se llama «acción adistancia» y trajo de cabeza a los científicos desde elprincipio.  Incluso Tales (véase el capítulo 1) quedóatónito cuando observó  por  primera vez que ciertomineral negro atraía al hierro a distancia, y exclamó:«¡Este mineral tiene que tener vida!».

     No había  tal,  claro;  se  trataba  simplemente  delmineral magnetita. ¿Pero cómo iban a explicar si nolos científicos la misteriosa fuerza de un imán, unafuerza que era capaz de atraer y tumbar una barrade hierro sin tocarla? La acción de una brújula eraaún   más   misteriosa.   La   aguja   apuntaba   siemprehacia el Norte y hacia el Sur porque era atraída porlas  lejanas regiones polares de  la Tierra.  ¡He aquíuna   acción   a   distancias   realmente   grandes!   ¡Unafuerza que podía encontrar una aguja magnética enun pajar!

     El   científico   inglés  Michael  Faraday  abordó   en1831 el problema de esa misteriosa fuerza. Colocódos imanes sobre una mesa de madera, con el polonorte de uno mirando hacia el polo sur del otro. Losimanes   estaban   suficientemente   cerca   como   paraatraerse, pero no tanto como para llegar a juntarse;la  atracción a esa distancia  no  era  suficiente  parasuperar el rozamiento con la mesa. Faraday sabía,sin   embargo,   que   la   fuerza  estaba  ahí,   porque   sidejaba   caer   limaduras   de   hierro   entre   los   dosimanes,   aquéllas   se  movían   hacia   los   polos   y   sequedaban pegadas a ellos.

     Faraday modificó luego el experimento: colocó untrozo de papel recio sobre los dos imanes y esparciópor   encima   las   limaduras.   El   rozamiento   de   laslimaduras contra el papel las retenía e impedía quemigraran hacia los imanes.

«Alineamiento» magnético   Faraday dio luego un ligero golpecito al papel paraque las limaduras se movieran un poco, y al puntogiraron   como   diminutas   agujas   magnéticas   yquedaron señalando hacia uno u otro imán.

   Las limaduras parecían alinearse realmente segúncurvas que  iban del  polo  de uno de  los  imanes alpolo del otro. Faraday lo estudió detenidamente. Laslíneas situadas exactamente entre los dos polos eranrectas.   A   orillas   del   vano   entre   los   dos   imanesseguían   alineándose   las   limaduras,   pero   ahoratrazaban una curva. Cuanto más fuera estaban laslimaduras, más curvada era la línea que dibujaban.

     Faraday cayó en la cuenta. ¡Ya lo tenía! Entre elpolo norte de un imán y su propio polo sur o el deotro  imán corrían  líneas magnéticas de fuerza quellegaban muy lejos de los polos.

     Quiere decirse que el imán no actuaba ni muchomenos   por   acción   a   distancia,   sino   que   atraía   oempujaba a un objeto cuando sus líneas de fuerzase  aproximaban  a  él.   Las   líneas  de   fuerza  de  unimán o tocaban el objeto, o se acercaban a las líneasde fuerza que salían de éste.

     Los   científicos   pensaron   más   tarde   queprobablemente era lo mismo que sucedía con otrostipos de acción a distancia. Alrededor de la Tierra yde   la   Luna,   por   ejemplo,   tenía   que   haber   líneasgravitatorias   de   fuerza,   cuyo   contacto   es   el   quepermite que se atraigan los dos cuerpos. Y, por otrolado,   los cuerpos  eléctricamente cargados  tambiénrepelían y atraían a otros objetos,  de manera queexistían asimismo líneas eléctricas de fuerza.

Nuevos generadores   Faraday no tardó en demostrar que cuando ciertosobjetos   (no   cualesquiera)   se   mueven   a   través   delíneas   magnéticas   de   fuerza   se   establece   unacorriente eléctrica en ellos.

   Hasta entonces la corriente eléctrica sólo se podíaobtener con baterías,  que son recipientes cerradosen   cuyo   interior   reaccionan   ciertas   sustanciasquímicas. La electricidad generada con baterías erabastante cara. El nuevo descubrimiento de Faradaypermitía generarla  con una máquina de vapor  quemoviera   ciertos   objetos   a   través   de   líneasmagnéticas de fuerza. La electricidad obtenida conestos generadores de vapor era muy barata y podíaproducirse en grandes cantidades. Cabe decir, pues,que fueron las líneas magnéticas de fuerza las queelectrificaron el mundo en el siglo XX.

Faraday   era   un   genio   autodidacta.   Sólo   cursóestudios  primarios  y  no  sabía  matemáticas,  por   locual   no   pudo   describir   cuantitativamente   ladistribución de las líneas de fuerza alrededor de unimán.   Tuvo   que   limitarse   a   reproducirla   conlimaduras de hierro.

   Sin embargo, el problema lo abordó hacia 1860 unmatemático  escocés   que   se   llamaba   James  ClerkMaxwell. Maxwell obtuvo un conjunto de ecuacionesmatemáticas que describían cómo la intensidad de lafuerza variaba al alejarse cada vez más del imán encualquier dirección.

     La   fuerza   que   rodea   un   imán   se   denomina«campo».   El   campo   de   cualquier   imán   llena   eluniverso   entero;   lo   que   ocurre   es   que   se   debilitarápidamente con  la distancia,  de manera que  sólopuede medirse muy cerca del imán. A Maxwell se leocurrió   trazar   una   línea  que  pasara  por   todas   laspartes   del   campo   que   tenían   una   determinadaintensidad. El resultado eran las líneas de fuerza delas que había hablado Faraday. Las ecuaciones deMaxwell permitieron, pues, manejar con precisión laslíneas de fuerza de Faraday.

     Maxwell   demostró   también   que   los   campos

magnéticos y los eléctricos coexistían siempre y quehabía   que   hablar,   por   tanto,   de   un   campoelectromagnético.   En   ciertas   condiciones   podíapropagarse  desde  el   centro  de  este   campo,   y   entodas  direcciones,  un conjunto  de «ondas».  Era  laradiación   electromagnética.   Según   los   cálculosmatemáticos   de   Maxwell,   esa   radiación   tenía   queviajar a la velocidad de la luz. Parecía, pues, que lapropia luz era una radiación electromagnética.

     Años después de morir Maxwell se demostró quesus teorías eran correctas y se descubrieron nuevostipos de radiación electromagnética, como las ondasde radio y  los rayos X. Maxwell   lo había predicho,pero no llegó a verlo confirmado experimentalmente.

En  1905,  el   científico  suizo­alemán Albert  Einsteincomenzó   a   remodelar   la   imagen   del   universo:abandonó la visión mecanicista nacida con las leyesdel   movimiento   de   Newton,   y   explicó   el   universosobre la base de la idea de campo.

     Los dos campos que se conocían por entonceseran  el  gravitatorio   y   el   electromagnético.  Einsteintrató   de   hallar   un   único   conjunto   de   ecuacionesmatemáticas  que  describiera  ambos  campos;   perofracasó.   Desde   entonces   se   han   descubierto   dosnuevos   campos   que   tienen   que   ver   con   lasminúsculas partículas  que componen el  núcleo delátomo.   Son   lo   que   se   conoce   por   «camposnucleares».

La acció n electromagnética     Todo  lo que antes solía tenerse por  fuerzas de«tirar   y   empujar»   se   considera   ahora   como   lainteracción de campos.

     El   contorno   de   un   átomo   está   ocupado   porelectrones. Cuando dos átomos se aproximan entresí, los campos electromagnéticos que rodean a estoselectrones   se   empujan   mutuamente.   Los   átomospropiamente dichos se separan sin haber llegado atocarse.

   Así pues, cuando empujamos una barca o tiramos

de una cuerda no tocamos en realidad nada sólido.Lo único que hacemos es aprovecharnos de estosdiminutos  campos electromagnéticos.  La Luna  giraalrededor de la Tierra y ésta alrededor del Sol debidoa   los   campos   gravitatorios   que   rodean   a   estoscuerpos.   Y   las   bombas   atómicas   explosionan   acausa  de  procesos  que  se  operan  en   los  camposnucleares.

     La nueva imagen del universo, la imagen basadaen los campos, ha permitido a los científicos haceravances que habrían sido imposibles en tiempos dela visión mecanicista. Y lo cierto es que esta nuevavisión tiene su origen en la idea de Faraday de quelas líneas magnéticas de fuerza pueden empujar unobjeto o tirar de él.