24 Ciencia

El siglo XIX fue testigo de dos importantes unificaciones entre campos de la física. La primera se dio entre electricidad y magnetismo: se encontró que las cargas en movimiento tienen efectos magnéticos, así como también que el movimiento de los imanes produce efectos eléctricos. De la línea de investigación británica surgió un concepto clave: el campo. En una segunda unificación, los éteres de la óptica y de la nueva disciplina del electromagnetismo se vieron unificados tras la obra de Maxwell, quien identificó las ondas luminosas como ondas electromagnéticas.


La promesa que constituía el éter como fundamento mecánico de los fenómenos físicos se rompió a principios del siglo XX con la teoría de la relatividad de Einstein. Subsistió sin embargo el concepto de campo. Hasta entonces nunca se había considerado la existencia de un verdadero vacío. Tras la teoría de Einstein el éter desapareció, y el vacío pasó a verse dotado de significado físico como asiento de los campos, a la par que el tiempo se integraba en el para constituir la nueva entidad que recibiría el nombre de espacio-tiempo. De este modo, podría decirse que fue Einstein el verdadero autor de la noción contemporánea de campo, según la cual energía determina la métrica del espacio.

La teoría emisionista y corpuscular de Newton predominó durante el siglo XVIII. A partir de 1801, Young defendió la teoría ondulatoria. Si dos partes de una misma luz llegan al ojo por caminos diferentes, en direcciones muy próximas entre sí, la intensidad es máxima. Si la diferencia en los caminos recorridos es múltiplo de una cierta longitud, y mínima si el valor es de la mitad de esta, dicha longitud sería diferente para luz de distintos colores. Para mostrar las interferencias diseñó un experimento. La luz de una fuente luminosa incide sobre una pantalla en la que se han practicado dos pequeños orificios próximos entre sí, que actúan como fuentes secundarias que interfieren mostrando, en una pantalla situada a cierta distancia de ellos, un patrón de franjas alternativamente iluminadas y oscuras.


Hubo de transcurrir un tiempo hasta que la teoría ondulatoria de la luz se afirmarse. En Francia, la “escuela laplaciana” estaba empeñada en un programa que, dentro de la tradición newtoniana, buscaba expresar todos los fenómenos de la física y de la química en términos de fuerzas centrales de corto alcance ejercidas entre las moléculas de la materia, así como también entre estas y las de un conjunto de fluidos imponderables cuyas partículas también interaccionarían entre sí. Estos fluidos imponderables serían los responsables de los fenómenos del calor, la luz, la electricidad y el magnetismo, y constituirán un “modelo estándar” de la física.


Partiendo de la teoría de la emisión, Laplace había estudiado la refracción atmosférica, y uno de los miembros de su círculo, Malus, abordó el estudio de la doble refracción. Esta propiedad la encontró inicialmente Bartholin en el espato de Islandia. Cuando este cristal, atravesado por la luz, produce dos imágenes, una de las cuales no sigue la ley usual de la refracción; y al girar el cristal en torno a un eje perpendicular a la faceta, una de esas imágenes permanece estacionaria, mientras la otra gira en torno a ella. Huygens encontró que los rayos de luz obtenidos al atravesar el cristal tenían una curiosa propiedad: cuando se hacía incidir a uno de ellos sobre un segundo cristal de espato de Islandia, producía un solo rayo refractado al girarse convenientemente el cristal. Newton explicó el fenómeno suponiendo que las propiedades de los rayos en direcciones perpendiculares al rayo podían variar. Malus se encontró que esta propiedad se podía adquirir también por reflexión, para un ángulo de incidencia determinado, y la denominó polarización. Desde el corpuscularismo, la explico mediante una orientación de las propiedades de los corpúsculos luminosos que era transversal a su movimiento. Poco después Biot desarrolló la teoría fundándola en una oscilación transversal de los corpúsculos.


Sea cual fuere la teoría adoptada, cabía esperar una diferencia en el ángulo de refracción según que la luz procediese de una fuente terrestre o de una estrella. Si la estrella estuviese alineada con el movimiento de la tierra y las observaciones se hiciesen con 12 horas de intervalo, cuando la velocidad de un prisma en reposo respecto de la superficie de la Tierra se sumase, y respectivamente se restrase, de las velocidad de la luz la diferencia sería del orden de V/C (la llamada constante de aberración), siendo V la velocidad de la tierra y se la velocidad de la luz en el vacío. Arago comunicó que no había podido detectar éste efecto y que la luz estelar se comportaba en todos los casos de reflexión y refracción como la proveniente de una fuente terrestre. Adoptando una idea de Young de que el índice de refracción de los cuerpos transparentes dependía de la concentración de éter en ellos, Fresnel encontró que estos resultados se explicaban si dichos cuerpos arrastraban con ellos en su movimiento un pequeño exceso de éter, proporcional al cuadrado de su índice de refracción. De este modo, la velocidad de la luz en el interior del cuerpo resultaría ser la correspondiente al reposo más una fracción de la velocidad del cuerpo en la dirección de propagación.


La introducción del coeficiente de arrastre implicaba la insensibilidad de los fenómenos de la óptica al movimiento terrestre en efectos dependientes de la primera potencia de la constante de aberración. Para detectar la velocidad de la Tierra respecto del éter habría que buscar algún fenómeno dependiente de su cuadrado.


Arago y Fresnel habían encontrado que dos haces de luz polalizados perpendicularmente entre sí no mostraban interferencias. Al conocer esto, Young lo explicó suponiendo que las vibraciones de las ondas luminosas no se realizaban en la dirección de propagación, sino perpendicularmente a ella. A diferencia de un rayo de luz normal, en el cual las vibraciones de las partes del medio se efectuarían en cada instante en cualquier dirección perpendicular al rayo, en uno polarizado se producirían todas en la misma dirección. Desde este supuesto la teoría ondulatoria de Fresnel podía dar cuenta de los diferentes fenómenos de la óptica: reflexión, refracción, interferencia y difracción. Pero el carácter transversal de las vibraciones luminosas imponía una fuerte condición sobre el éter: para que tales vibraciones fuesen posibles tenía que tener rigidez, comportándose igual que un sólido elástico. Aunque, al mismo tiempo, tenía que dejar pasar a los cuerpos a su través sin mostrar una resistencia apreciable. Esto dio lugar a la confección de modelos de éter dotados de propiedades mecánicas. Stokes lanzó la idea de que la Tierra arrastraba totalmente al éter, por lo que este se hallaba el reposo en su superficie,  esto explicaba que no se pudiese detectar el movimiento terrestre por medios ópticos. Este arrastre iría decreciendo con la distancia, de modo que a partir de la superficie de la Tierra se daba una disminución gradual de su velocidad que finalizaba con el reposo. La aberración se explicaba gracias a esa variación de velocidad, que inclinaba los frentes de onda de la luz incidente precisamente en el ángulo de aberración.


Con el triunfo de la teoría ondulatoria, el programa laplaciano perdió posiciones. Finalmente Fizeau realizó un experimento de contrastación. Según la teoría corpuscular, la luz debería viajar más rápido en los medios más densos, según la ondulatoria, debía suceder al contrario. Comprando las velocidades de la luz en el aire y en el agua, Fizeau sancionó la teoría ondulatoria.

En 1820 Orested dio conocer el resultado de un experimento que relacionaba el magnetismo con la corriente eléctrica. Se dice que el descubrimiento se realizó por casualidad durante una conferencia: al acercar una aguja magnética a un alambre por el que circulaba corriente encontró que sobre aquella se producía un pequeño defecto. Al examinar el fenómeno encontró que la aguja, desviándose de su alineación natural norte-sur, se ponía en dirección perpendicular al alambre cuando se situaba por encima o por debajo de éste, girando en un caso en sentido opuesto al otro. Pero no encontró ningún efecto, salvo una inclinación de la aguja respecto de su plano de giro, si el alambre se encontraba en dicho plano. También halló que la magnitud del efecto dependía inversamente de la distancia y directamente de la intensidad de la corriente, y que prácticamente no variaba si se interponía en distintos materiales, a menos que estos fuesen magnéticos.


Orested pensaba que la electricidad, el magnetismo, el calor y la luz eran manifestaciones del conflicto de fuerzas atractivas y repulsivas fundamentales. Creía que el enfrentamiento de estas fuerzas constituía la corriente eléctrica. Así asimilaba el comportamiento de la pila voltaica al de la botella de Leyden. Al poner en contacto los terminales de la botella se producía una súbita descarga y la aniquilación de las electricidades de signo opuesto. En la pila la sucesión de aniquilaciones y restablecimientos daba lugar a una rápida serie de descargas a través del circuito al que estaba conectada.  Para quienes sostenían la teoría de los fluidos estás descargas surgidas de los terminales crearían perturbaciones en la combinación inicialmente neutra de fluidos eléctricos del conductor, las cuales se propagarían por él a la manera de las ondas. Orested optó por expresar esta idea en términos de una oposición de fuerzas. Concluyó que dicho conflicto no se limitaba al alambre conductor, sino que se extendían círculos por el espacio circundante, formando un vórtice en torno al alambre.


Cuando el hallazgo de Oersted fue conocido en Francia, Biot y Savart determinaron la fuerza que la corriente ejercería sobre uno de los polos magnéticos, hallando que si el alambre y el polvo estuviesen sobre el plano del papel, sería perpendicular a este, y que variaba inversamente como el cuadrado de la distancia.


Si una corriente eléctrica tiene efectos magnéticos, entonces cabe suponer que dos corrientes también podrían interaccionar y exhibir fuerzas similares. Esto lo comprobó Ampere en el caso de los alambres recorridos por corrientes paralelas, las cuales se atraían si iban en el mismo sentido, y si se repelían si circulaban en sentido opuesto. Supuso que un imán se corportaba como tal gracias a una corriente cerrada que circulaba perpendicularmente a su eje. Las fuerzas electromagnéticas se transmitirían gracias a las perturbaciones introducidas en un éter neutro que estaría compuesto por los dos fluidos eléctricos, positivo y negativo. Las vibraciones de dicho éter constituirían la luz. Pero en su “Theorie” redujo al mínimo está suposiciones, limitándose a hallar la equivalencia entre magnetismo y corriente eléctrica y el carácter fenoménico de su ley de fuerzas, que la establecía como válida cualquiera que fuese la hipótesis adoptada sobre la naturaleza del magnetismo.


Ampere demostró que una superficie compuesta de elementos magnéticos resultaba equiparable a una corriente circulando por el contorno de dicha superficie, lo que pasaría conocerse como el “teorema de Ampere”.


El trabajo de Ampere generalmente no fue aceptado. Mientras tanto Faraday realizaba una exploración alternativa al margen de las limitaciones de la física matemática y del recurso a hipótesis microfísicas