¿Quién fue James Maxwell?

 James Maxwell
Siendo muy joven, con menos de 30 años de edad el escocés James Clerk Maxwell, se ganó una sólida reputación como hombre de ciencia. Acababa de encontrar la causa del daltonismo y de mostrar que los anillos de Saturno están formados por gran número de rocas de todos los tamaños.

Trató por entonces de comprender, mediante una analogía mecánica, el significado de las líneas de fuerza que había introducido Faraday para justificar la simetría entre los campos eléctricos y magnéticos. Imaginó el espacio lleno de unos engranajes que se mueven unos a otros, los torbellinos moleculares, cuyos ejes de rotación son las líneas de fuerza de Faraday. Estas consideraciones meramente mecánicas le permitieron explicar todos los fenómenos eléctricos y magnéticos conocidos. Reduciendo a un punto la dimensión de sus torbellinos, dio las ecuaciones del campo electromagnético tal y como se las emplea en la actualidad, con lo que operó la primera unificación en la historia de la física.

El campo electromagnético así definido se caracteriza por ondas que se propagan a velocidad finita: a unos 300.000 km/s, que coincidía justamente con la velocidad de la luz que acababa de medir Léon Foucault. De ahí dedujo Maxwell que el «éter» introducido en óptica por A. Fresnel era de la misma naturaleza que aquel en el que se propagaban sus ondas electromagnéticas. A los contemporáneos de Maxwell esta notable síntesis les pareció de lo más delirante; pero en 1887, ocho años después de su muerte, fue verificada experimentalmente gracias a los trabajos de Heinrich Hertz.

Físico escocés. Nació en el seno de una familia perteneciente a la nobleza. Su padre practicaba la abogacía, se ocupaba de la explotación de sus tierras y, en suma, era un hombre activo que le ayudó en su formación muy poderosamente. Estudió en la Academia de Edimburgo obteniendo éxitos en Matemáticas y Literatura.

A la edad de quince anos presentó -a través de las amistades de su progenitor-, en la Real Sociedad de Edimburgo, una nueva solución al problema del óvalo perfecto, que fue aceptada como la más simplificada de las hasta entonces existentes.

A los diecisiete años inicia un estudio sobre las refracciones de la luz y el comportamiento de los sólidos elásticos, que concluye en menos de tres años con expresiones matemáticas de los resultados obtenidos. Ingresa en la Universidad de Cambrigde y comienza a escribir ensayos literarios y filosóficos. Acabada su carrera publica un estudio sobre los colores que consolida su fama anterior como científico. Como personalidad peculiar e incluso extravagante, su paso por la Universidad supuso en él cierta moderación.

Profundiza en los estudios iniciados por Faraday y universaliza sus principios mediante su aprehensión matemática. Con respecto a la “propagación de ondas” en el espacio razonaba así:

El cambio del campo eléctrico, razonó Maxwell, engendra en proximidad un campo magnético, e inversamente cada y acción del campo magnético origina uno eléctrico. Dado que, acciones eléctricas se propagan con velocidad finita de punto a punto, se podrán concebir los cambios periódicos —cambios-dirección e intensidad— de un campo eléctrico como una propagación de ondas. Tales ondas eléctricas están necesariamente acompañadas por ondas magnéticas indisolublemente liga ellas.

Los dos campos, eléctrico y magnético, periódicamente variables, están constantemente perpendiculares entre sí y dirección común de su propagación. Son, pues, ondas transversales semejantes a las de la luz. Por otra parte, las ondas electromagnéticas se transmiten, como se puede deducir de investigaciones de Weber y Kohlraush, con la misma ve dad que la luz. De esta doble analogía y con genial Maxwell concluye su identidad: la luz, afirma, consiste en una perturbación electromagnética que se propaga en el éter. Ondas eléctricas y ondas luminosas son fenómenos idénticos.

A la construcción teórica erigida por Maxwell, Heinrich Hertz (1857-1894) brindó la base de la comprobación experimental. En 1888 logró producir ondas por medios exclusivamente eléctricos y demostrar que estas ondas poseen todas las características de la luz visible, con la única diferencia de que sus longitudes de onda son enormemente mayores. Hertz pone en evidencia que las ondas eléctricas se dejan refractar, reflexionar, polarizar, y que su velocidad de propagación es igual a la luz. La predicción de Maxwell se había realizado: la existencia de las ondas electromagnéticas era una realidad tangible

Maxwell es aceptado en círculos científicos y adquiere reconocimiento, pero no obtiene grandes honores, ni ocupa puestos importantes. Maxwell es y no es un revolucionario. Pero es un genio indiscutible. En él se halla el desarrollo de las teorías de Faraday y en él la base de las de Planck.

Durante un breve tiempo trabaja en la Universidad de Aberdeen y posteriormente en el Colegio Real de Londres, hasta 1865. A este tiempo corresponde la fundamentación matemática de las leyes físicas de Faraday sobre la dinámica del campo electromagnético. Abandona el Colegio y se retira a la finca de su patrimonio familiar. Desde allí hace viajes a Cambridge para algunas labores académicas. Fundó el laboratorio Cavendish y lleva su dirección realizando la síntesis del estudio teórico-práctico de la Física. Esta institución supuso una evolución al prestigio teórico de Cambridge. Posteriormente fueron sus directores Rayleigh, Rutherford.

Una vez establecida la posibilidad de transmitir oscilaciones eléctricas sin conductor, el paso decisivo estaba dado para constituir la telegrafía inalámbrica, cuyo primer esbozo se escondía en los experimentos de Hertz y que había sido desarrollada por el francés Edourdad Branly, el inglés Oliver Lodge, el ruso George Popoff y el italiano Guglielmo Marconi. En 1899 las ondas hertzianas lograron cruzar el Canal de la Mancha y años después el océano Atlántico.

Tan grande como su utilidad práctica fue la inmediata consecuencia teórica de las investigaciones de Maxwell y de Hertz. Todas las radiaciones se revelaron de la misma índole física, diferenciándose solamente por las longitudes de onda. Su escala comienza con las largas ondas hertzianas y, pasando por la luz visible, terminó en los días de Hertz con los rayos ultravioletas, a los que pronto debían agregarse los rayos X, los rayos radiactivos y los rayos cósmicos.

Las ecuaciones de Maxwell

Maxwell ideó las ecuaciones que llevan su nombre. Éstas se definen como las relaciones fundamentales entre las perturbaciones eléctricas y magnéticas, que simultáneamente permiten describir la propagación de las ondas electromagnéticas, las cuales, de acuerdo con su teoría, tienen el mismo carácter que las ondas lumínicas.

Las ecuaciones de Maxwell son un conjunto de varias ecuaciones que aparecieron de manera separada en el año 1861 en el ensayo Sobre las líneas de fuerza físicas.

Aplicación del modelo de vórtices Cabe decir que originalmente Maxwell concibió diversas ecuaciones, pero no fue hasta el año 1884 cuando Oliver Heaviside, junto con Willard Gibbs, agrupó esas ecuaciones (la mayoría de las cuales no eran originales sino recuperadas por Maxwell mediante el uso de su modelo de vórtices de las líneas de fuerza de Faraday) y las reformuló con la notación vectorial actual.

Así, se pasó de las ecuaciones de Maxwell a las que actualmente son conocidas como las «ecuaciones de Maxwell».