Los campos eléctrico y magnético se interrelacionan mutuamente

Quisiera detenerme en la comprensión a la que nos abocan los resultados obtenidos por Maxwell, para ver qué supone respecto a la nueva comprensión de la luz en tanto que fenómeno electromagnético. Creo que es interesante, porque ello contribuirá a comprender, a su vez, todo el proceso de conocimiento que se fue dando a través de distintos autores, para que finalmente Einstein pudiera dar con su teoría de la relatividad especial.

No quisiera comenzar sin comentar un aspecto de toda esta fascinante historia que no puede dejar de llamarnos la atención, a saber: el hecho de que, para que se pueda dar cualquier avance en la ciencia (y, por extensión, en cualquier otra rama del conocimiento), es necesario ir avanzando ‘a tientas’, incluso ‘dando palos de ciego’ ―si se me permite la expresión―, en el sentido de que, por lo general, los distintos científicos van avanzando sin saber muy bien hacia dónde se dirigen, o piensan que la dirección a la cual apuntan sus descubrimientos es la que toca (de hecho, así plantean ellos su trabajo), de modo que se necesita el poso de los años para que sus futuros colegas los comprendan, interpreten y sitúen mejor que ellos mismos. Se produce así una retroalimentación, un círculo virtuoso gracias al cual la ciencia puede ir avanzando: por un lado, estos futuros colegas no podrían realizar esa comprensión sin los trabajos de sus antecesores; por el otro, estos últimos no son capaces de comprender del todo el alcance de sus descubrimientos, necesitando las colaboraciones de sus colegas que, por lo general, están por venir. Esto lo expresó felizmente Newton con una famosa frase (aunque parece que la expresión fue publicada por primera vez en el Metalogicon de Juan de Salisbury, quien la tomó de su maestro Bernardo de Chartres durante el siglo XI), de que cada uno hace lo que hace porque está subido a hombros de gigantes, es decir, de todos aquellos que le precedieron en esta gran empresa colectiva que es el conocimiento. Esto sin duda ocurre con el tema que nos ocupa.

Para comenzar, estimo necesario que nos hagamos eco del gran paso que supuso la aportación de James Clerk Maxwell quien, con su artículo “Una teoría dinámica del campo electrodinámico” publicado en 1864, se puede decir que dio entrada a la física verdaderamente moderna. Maxwell se apoyó para ello en un texto anterior, “Sobre las líneas de fuerza de Faraday”, escrito en 1856, que no fue sino una investigación sobre los trabajos de Faraday; con este texto a sus espaldas, partiendo de los fenómenos básicos y de la lectura de Faraday, lo que trató de alcanzar fue un sistema de ecuaciones básicas. Con sus famosas ecuaciones, el espacio dejó de ser considerado un mero receptáculo para convertirse en un ‘medio material’, un gran medio material de dimensiones cósmicas, como dice Wilczek; conversión que, muy resumidamente, tiene que ver con la interrelación ―a cuyo conocimiento y esclarecimiento contribuyó― entre dos campos sobre los que se estaba investigando mucho: el eléctrico y el magnético.

Gracias a las experiencias de otros investigadores (Oersted, Ampere, Faraday; sin olvidar su apoyo en Gauss) se puso de manifiesto que no eran dos campos independientes, sino que estaban relacionados entre sí. Relación que quedó claramente puesta de manifiesto por sus famosas ecuaciones, ofreciendo una comprensión completamente nueva de la luz. Maxwell fue un gran matemático, que no dudó en aplicar sus conocimientos a los distintos problemas de la física, haciendo grandes aportes a la investigación sobre el calor y, especialmente, a las ideas físicas sobre la naturaleza del electromagnetismo, al hilo sobre todo de la reflexión de Faraday. El resultado fue la que sigue siendo hasta nuestros días la mejor descripción fundamental de los fenómenos electromagnéticos y, entre ellos, de la luz. Vaya por delante que este post es un poco farragoso, pero lo estimo oportuno para poder comprender en su meollo este tránsito.

Si nos fijamos en estas famosas cuatro ecuaciones (que ya dijimos aquí que este resultado final se lo debemos a Heaviside), vemos que los cuatro términos de la izquierda indican la existencia de estos campos (el eléctrico ‘E’ y el magnético ‘B’); es decir, tienen que ver con el hecho de que esos campos nacen (antes no existían y ahora sí) o varían (creciendo o decreciendo); y que, los cuatro términos de la derecha, indican precisamente las fuentes a partir de las cuales dichos campos son originados y los pueden modificar (eso es lo que significan los símbolos que ahí aparecen, que no pasamos a describir, para no complicar las cosas). Brevemente se puede decir que estas fuentes son las siguientes: la existencia de cargas eléctricas estáticas, la existencia de cargas eléctricas en movimiento, la variación del campo magnético, y la variación del campo eléctrico. No todas las fuentes influyen indistintamente en ambos campos, sino que, en el campo eléctrico, influyen las cargas eléctricas estáticas y la variación del campo magnético (ecuaciones 1ª y 3ª); y, en el campo magnético, influyen las cargas eléctricas en movimiento y la variación del campo eléctrico (ecuaciones 2ª y 4ª).

Lo curioso del caso es que, si nos fijamos en la 3ª y 4ª ecuaciones, la aparición del campo eléctrico está relacionado con las variaciones del campo magnético, y la aparición del campo magnético, está relacionado con las variaciones del campo eléctrico, independientemente de la presencia o no de cargas eléctricas (estáticas o en movimiento). Y esto es algo sumamente interesante, pues pone de manifiesto la idea que comentábamos: que ambos campos están íntimamente interrelacionados, de modo que uno influye en el otro y el otro influye en el uno.

Efectivamente, las variaciones en el tiempo del campo magnético B influye en el campo eléctrico E, y las variaciones en el tiempo del campo eléctrico E influye en el campo magnético B. Hay una interrelación entre ambos, retroalimentándose mutuamente, lo que genera una situación poco menos que curiosa, tal y como veremos en el siguiente post,  y que contribuirá a una concepción totalmente novedosa del fenómeno de la luz.