¿Logras hacerte una idea de lo difícil que puede ser unificar en unas simples ecuaciones toda una disciplina científica? Y es que, para hacerlo, no solo existe la problemática de obtener unas elegantes ecuaciones que resuman cientos de siglo de conocimientos y un terreno de estudio amplísimo, sino que requiere el perfecto entendimiento de todos los detalles de esa rama de la ciencia y un dominio magnífico de las matemáticas.
Pues bien, en el siglo XIX, este desafío fue concebido por la mente brillante de James Clerk Maxwell, un físico escocés cuyo trabajo sentó las bases para una revolución en la comprensión de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. La disciplina protagonista es el electromagnetismo, modeladora del comportamiento de los campos magnéticos y eléctricos de la Tierra, y la cual Maxwell consiguió domar a través del planteamiento de una teoría coherente y cuatro elegantes ecuaciones.
DE AMPERE A GAUSS
El monumental logro de Maxwell al unificar las fuerzas del electromagnetismo fue el cúlmen del trabajo de múltiples científicos que contribuyeron al estudio de esa disciplina con diferentes observaciones y teorías. Por ejemplo, en la década de 1790, el físico francés Ampère ya había formulado las primeras leyes matemáticas que describían la interacción entre corrientes eléctricas y campos magnéticos. Fueron sus experimentos con conductores y corrientes eléctricas los que proporcionaron una base sólida sobre la que comprender la relación entre electricidad y magnetismo.
Michael Faraday, una veintena de años después, realizó descubrimientos fundamentales en el campo de la inducción electromagnética, demostrando así que un campo magnético que no fuera constante podría generar corriente eléctrica. No obstante, a pesar de estos avances, la teoría electromagnética estaba teóricamente incompleta: la ley propuesta por Faraday coexistía con la de Ampère, pero no se llegaba a integrar por completo. Por si fuera poco, las ecuaciones disponibles eran específicas para ciertos casos, pero presentaban carencias al aplicarlas a casos más generales.
EL DESAFÍO DE LA UNIFICACIÓN
Así, el avance en las tecnologías de la comunicación y la electricidad destacaba la necesidad de una teoría que pudiese explicar todos los fenómenos electromagnéticos de forma coexistente y completamente integrada. Varios físicos se concienciaron con este desafío y realizaron contribuciones muy importantes que, posteriormente allanaron el camino para Maxwell. Entre ellos destacaron Hermann Helmholtz, quien formuló la ley de conservación de la energía, y William Thomson, quien estudió a fondo la teoría del éter y las líneas de fuerza.
Sin embargo, fue Maxwell quien asumió el desafío de examinar detenidamente y de forma escrupulosa las ecuaciones existentes y aprovechar las ideas de estos científicos para unificar las leyes del electromagnetismo en cuatro ecuaciones, condensando así toda una disciplina en unas sencillas fórmulas matemáticas aplicables a casos generales y situaciones más específicas.
Para ello, Maxwell comprendió que las leyes de Ampère y Faraday eran realmente dos aspectos de un fenómeno más amplio: al introducir el concepto de campos eléctricos y magnéticos que varían con el tiempo, y formular las ecuaciones resultantes, Maxwell obtuvo una teoría unificada que, además de explicar esos fenómenos conocidos, lograba predecir la existencia de las ondas electromagnéticas, incluida la luz.
LAS CUATRO ECUACIONES
Entonces, ¿cuáles eran estas cuatro ecuaciones con las que Maxwell entrelazó la electricidad y el magnetismo? La primera de ellas es conocida como la Ley de Gauss para el Campo Eléctrico, y expresa, en grandes términos, la forma en la que las cargas eléctricas pueden llegar a generar campos eléctricos. Es decir, es una forma de expresar como la carga eléctrica interactúa con su entorno a través de la creación de campos eléctricos.
En segundo lugar, Maxwell estipuló la llamada Ley de Gauss para el Campo Magnético, la cual describe como es imposible que existan monopolos magnéticos, y que las líneas que forman un campo magnético deben ser siempre cerradas. En otras palabras, un objeto magnético debe tener siempre un polo norte, y uno sur: es imposible encontrar un imán con un único polo.
La tercera ley es la conocida como Ley de Faraday de la Inducción Electromagnética. A través de ella, Maxwell explica que siempre que haya un campo magnético en movimiento se inducirá una fuerza electromotriz, es decir, una especie de chispa eléctrica. Es como si, de alguna forma, el movimiento magnético generara electricidad.
Finalmente, en la cuarta ecuación, Maxwell nos traslada a un choque entre campos eléctricos y magnéticos. Es la Ley de Ampère-Maxwell y relaciona directamente la circulación de un campo eléctrico a lo largo de una curva cerrada con la velocidad de cambio de un campo magnético en el tiempo.
EL IMPACTO
Colectivamente, todas ellas se conocen como las ecuaciones de Maxwell y constituyen la base de toda la teoría electromagnética. La elegancia y la universalidad de las ecuaciones ha permitido explicar una gran variedad de fenómenos electromagnéticos, así como impulsar desarrollos tecnológicos que han transformado, por completo, la sociedad moderna.
En su conjunto, representan todo un triunfo. Así, no solo revolucionan la física, sino que su impacto se extiende desde la comunicación inalámbrica hasta la generación de energía y la tecnología médica, demostrando cómo la comprensión profunda del electromagnetismo y su unificación ha permitido tratar diferentes casos bajo la misma teoría, desencadenando innovaciones que han cambiado por completo el mundo que conocemos.
