El concepto de luz según la teoría electromagnética de Maxwell

Veíamos en este post cómo, de las ecuaciones de Maxwell, se advertía que los campos eléctrico y magnético se encontraban interrelacionados, de modo que las variaciones de uno originaban el otro, y las variaciones del otro originaban a su vez el uno. Sin embargo, el modo en que cada uno origina al otro es un poco diferente; si nos fijamos, no influyen exactamente igual, pues en un caso hay un signo positivo y en el otro un signo negativo. ¿Qué quiere decir esto? El signo positivo indica que la variación de un campo en un sentido implica la variación del otro en el mismo sentido; y el signo negativo, pues lo contrario: que la variación de un campo en un sentido implica la variación del otro en el sentido opuesto (teniendo en cuenta que estamos hablando de productos vectoriales, no escalares). Quizá esto sea un poco lioso, pero es fundamental para comprender la conclusión de Maxwell. El motivo es el siguiente.

A la luz de la tercera ecuación, vemos que, la variación de un campo magnético genera, ortogonalmente a él (pues es un producto vectorial), un campo eléctrico en sentido contrario; y, a la luz de la cuarta ecuación, vemos que, la aparición de éste mismo campo eléctrico, genera, ortogonalmente a él, un campo magnético en el mismo sentido. Si lo pensamos, este campo magnético generado a partir del campo eléctrico (el cual había sido generado por el campo magnético inicial), es paralelo al campo magnético inicial (ortogonal al ortogonal), pero de sentido contrario. Hace falta cierta imaginación espacial para poder verlo bien. El campo magnético genera un campo eléctrico ortogonal a él de sentido contrario; y el campo eléctrico genera un campo magnético ortogonal a él (y, por lo tanto, paralelo al primero) del mismo sentido, por lo que será de sentido opuesto al campo magnético inicial. Esto quiere decir una cosa muy importante, como es que, resultado de este proceso, se está generando un campo magnético opuesto al inicial. El resultado de ello es que le va restando intensidad al campo magnético inicial, propiciando que su intensidad vaya disminuyendo poco a poco, hasta anularse, e incluso haciéndolo crecer en sentido opuesto, y comenzar ahora el mismo proceso, pero al revés, para dar comienzo el mismo proceso, pero ahora inversamente, de modo que su comportamiento sería un poco tipo ‘muelle’. Por su parte, lo propio cabe decir del eléctrico, cuyo comportamiento, acoplado al comportamiento del magnético, aunque ortogonalmente a él, es similar.

De esta manera, se produce como un vaivén entre ambos campos, un crecimiento y decrecimiento oscilantes, debido a la interacción entre ambos, como digo, como dos muelles ortogonales entre sí expandiéndose y contrayéndose rítmicamente. Así, «una excitación de los campos eléctrico y magnético puede adquirir vida propia, con los campos bailando como una pareja, cada uno inspirando al otro», dice Wilczek. Podemos decir que ambos campos están oscilando, cada uno perpendicularmente al otro, acompasadamente, como una sinfonía de energías que se va extendiendo a los distintos puntos del espacio. Es decir, que los campos eléctrico y magnético no sólo están anclados o adheridos a los cuerpos imantados o electrificados, sino que también pueden propagarse por el espacio de modo oscilante. Como dice Gamow, «mediante sus ecuaciones, Maxwell pudo probar que el campo electromagnético oscilante (…) se propaga a través del espacio que circunda al oscilador en la forma de ondas que transportan energía». Así lo explica él mismo: «¿Qué es, entonces, la luz según la teoría electromagnética? Consiste en perturbaciones magnéticas transversales alternas y opuestas de período rápido, acompañadas de desplazamientos eléctricos, estando estos desplazamientos eléctricos en ángulo recto a la perturbación magnética, y ambas en ángulo recto a la dirección del rayo».

Para analizar este fenómeno doble (el campo magnético generado por un campo eléctrico, el cual ha sido generado por un campo magnético), lo que hizo Maxwell fue combinarlos entre sí para tratar de ajustarlo matemáticamente. Lo que obtuvo fue un modo de expresar esta interacción para cada uno de los campos protagonistas, cuyo esquema era del tipo correspondiente a una ecuación de onda, en las que aparece la generación de los campos eléctrico y magnético, así como sus variaciones a lo largo del tiempo, y su velocidad.

Todo ello no dejó de ofrecer aportaciones sorprendentes. Llegado a este punto, Maxwell obtuvo dos grandes conclusiones, una acertada, y la otra no. ¿Cuál fue la acertada? Maxwell recuperó un dato que obtuvieron otros investigadores, pero que en su día no le dieron mayor importancia; pero Maxwell sí. En la ecuación de onda hay un término relacionado con la velocidad de la onda (1/v2). Pues bien, comparando la ecuación de onda tipo, con la ecuación resultante de sus trabajos, se dio cuenta de que el término equivalente a dicha velocidad era el producto de dos constantes, una magnética y otra eléctrica, que eran bien conocidas en la época (el producto µ_o·ɛ_o). Igualando ambos términos observó que la velocidad de la onda resultante de estas interacciones entre los campos magnético y eléctrico era nada más y nada menos que la velocidad de la luz, que ya Fizeau había calculado experimentalmente mucho antes de que Maxwell hubiera nacido. ¿Era esto una casualidad? Para Maxwell no, para quien eso debía significar que las ondas luminosas eran ondas de naturaleza electromagnética. Así lo explicó: «la velocidad de las ondulaciones transversales en nuestro medio hipotético… concuerda tan exactamente con la velocidad de la luz… que apenas podemos eludir la inferencia de que la luz consiste en las ondulaciones transversales del mismo medio que es la causa de los fenómenos eléctricos y magnéticos». Concluyó así que la luz no era sino un fenómeno ondulatorio propiciado por la interacción de ambos campos: la luz era una onda electromagnética, tal y como publicó en 1864. La variación de un campo eléctrico produce uno magnético, el cual afecta al primero, produciendo una pulsión oscilatoria que se propaga por el medio (el éter), estando ambos campos estrechamente vinculados; propagación que se da a una velocidad que coincide con la que experimentalmente se obtuvo para la de la luz. Genial.

La otra conclusión que, a la postre se mostró que no fue acertada, tiene que ver con la consideración de sobre qué medio se desplazaba dicha onda lumínica. Hasta la fecha se entendía que toda onda se debía propagar en un medio, y Maxwell se adhería a la opinión de la existencia del éter, medio sobre el que se propagaba la luz. ¿Cómo podía desplazarse la onda lumínica, cómo podía llegar la luz de un sitio a otro, del Sol a la Tierra, por ejemplo? Pues a través de ese medio que era el éter. El éter era un medio absoluto, fijo, que servía de referencia para situar los fenómenos físicos, y respecto al cual la luz se desplazaba a 300.000 km/seg. Pero ya comentamos en otro sitio (aquí) que esta idea daba no pocos problemas y que, al final, fue desestimada, en beneficio de la opinión de que las oscilaciones se daban en el seno del propio campo electromagnético. Lo cual abrió el asunto de si esta referencia (la velocidad de la luz) era tan absoluta como estimaba Maxwell o no, asunto del que se ocupó Einstein con su teoría especial de la relatividad.

En cualquier caso, el trabajo de Maxwell supuso un salto que, si bien nos puede parecer trivial, lo cierto es que supone un modo de enfocar la física radicalmente distinto. Lo que nos viene a decir es que estamos inmersos en un continuum electromagnético, que está en continuo movimiento, en continuo dinamismo, en continua oscilación, dando lugar a un sinfín de fenómenos, entre los cuales está la luz. ¿Cómo puede ser esto? Maxwell fue un científico creyente, tomándose su fe muy en serio; seguramente su sensación al echar su vista atrás sería muy similar a la que en su día tuvo, por ejemplo, Kepler. Así lo explica él: «Las vastas regiones interplanetarias e interestelares ya no se verán como espacios malgastados del universo, a los que el Creador no ha considerado dignos de llenar con los símbolos del orden múltiple de Su reino. Ahora veremos que ya están llenos de este medio maravilloso; tan llenos que ningún poder humano podrá retirarlo ni de la más ínfima porción de espacio, ni producir el menor error de su continuidad infinita».

A la muerte de Maxwell, en 1879, lo cierto es que la teoría de campos electromagnéticos, si bien se consideraba interesante, no había acabado de fraguar en el imaginario científico de la época. Todavía seguía vigente la concepción de los fenómenos eléctricos y magnéticos como fuerzas ejercidas a distancia, porque lo cierto es que hasta la fecha no había sido demostrado que los campos eléctricos y magnéticos podían adquirir ‘vida propia’ y propagarse como ondas. Eso le correspondió hacerlo a Heinrich Hertz quien, un par de décadas más tarde (en torno a 1886), fue capaz de generar de modo experimental ondas electromagnéticas de frecuencias distintas a las correspondientes al espectro visible de la luz, mediante el fenómeno de la inducción electromagnética; logró comprobar a su vez que estas ondas respondían a los mismos fenómenos de refracción y reflexión que la propia la luz, lo que contribuyó a consolidar la idea de que la luz era efectivamente una onda electromagnética. Además de este espaldarazo a la teoría de Maxwell, sus investigaciones tuvieron dos consecuencias muy importantes. Una, que dio con el efecto fotoeléctrico, lo que dio pie a que Einstein postulara la existencia de ‘partículas de luz’, es decir, de fotones. Dos, la invención de los primeros transmisores de radio, cuya importancia está fuera de toda duda: «La capacidad (aparentemente) mágica de comunicarse entre grandes distancias, por el espacio vacío, mediante la radio, nació de la visión de que el espacio vacío no está vacío», dice Wilczek.

A la  luz de todo ello, se abrieron dos importantes interrogantes. El primero fue determinar el origen de este campo, el cual no es otro que las cargas eléctricas, tanto las estáticas (campos eléctricos) como las dinámicas (campos magnéticos). A este descubrimiento se encaminó el trabajo de Lorentz. Y el segundo: si esto es así, ¿cómo puede ser que los electrones, que cuando se mueven generan la onda electromagnética la cual va ‘chupando’ la energía de aquéllos, no se quedan sin energía? La solución de este problema se fue consiguiendo de la mano de la física cuántica. Pero esto ya es otra historia.