Ya llevamos unas dos terceras partes del bloque de Mecánica Clásica I en el que intentamos establecer la base conceptual necesaria para entender la mecánica newtoniana. Tras la introducción, en los tres primeros artículos estudiamos posición, velocidad y aceleración. En los tres siguientes aprendimos sobre los tres principios de Newton que describen las fuerzas: el principio de inercia, el principio fundamental de la dinámica y el principio de acción y reacción. Como espero que recuerdes, además, en los dos últimos capítulos introdujimos el concepto de cantidad de movimiento y vimos cómo la tercera ley de Newton es realmente un principio de conservación cuando se expresa en términos de esa magnitud.

Y con esa idea quiero empezar hoy, si recuerdas todo aquel razonamiento: es posible realizar formulaciones alternativas de principios físicos, empleando conceptos distintos aunque en último término equivalentes. ¿Por qué hacerlo? Como vimos al hablar de la conservación de la cantidad de movimiento del Universo o de distintos sistemas físicos, la razón es que a veces resulta utilísimo mirar un sistema de un modo diferente. Dicho de otra manera, y disculpa si me repito pues lo he dicho otras veces – en el Universo no hay fuerzas, no hay cantidad de movimiento, no hay nada de eso. Son herramientas conceptuales, que están en nuestra cabeza y nos sirven para predecir el comportamiento de las cosas. Por lo tanto, es posible utilizar unas herramientas u otras, dependiendo de cuál sea el objetivo que estemos persiguiendo en ese momento.

¿Por qué todo este sermón? Porque hoy vamos a mezclar dos conceptos que ya hemos visto en el bloque para crear algunas de estas “herramientas alternativas” que, aunque parezcan redundantes con las que ya tenemos, resultan maravillosas para estudiar multitud de sistemas físicos. En este artículo empezaremos a ver algunas de ellas, para introducir finalmente conceptos utilísimos como el de energía.

Las malas noticias, si se les puede llamar así, son las siguientes: como en este artículo y posteriores nos dedicaremos a “remezclar” magnitudes vistas anteriormente y a expresar principios físicos ya estudiados en términos de esas nuevas magnitudes, es absolutamente imposible seguir estos artículos sin una buena comprensión de los anteriores y sin recordar los conceptos allí estudiados. De hecho, mi recomendación es que le des una lectura al resto del bloque antes de seguir o según te encuentras con menciones a cantidad de movimiento, principio fundamental de la dinámica y cosas parecidas, hasta que la palabrería no te confunda y esos conceptos sean ya viejos conocidos en quienes piensas casi con cariño.

Dicho esto, empecemos a remezclar conceptos newtonianos.

Ya está salido del horno el número de febrero de 2012. Desgraciadamente, es un número con tan sólo tres artículos, y no sé si marzo será parecido, porque voy fatal de tiempo y no consigo recuperar lo que perdí en Italia. En cualquier caso, mecenas y colaboradores ya deberíais tenerla en la bandeja de correo.

Como siempre, en formatos PDF de pantalla e impresión, EPUB, FB2, MOBI (estos tres gracias a johansolo, para variar) y HTML. En el número de febrero:

• Las ecuaciones de Maxwell - La inspiración de la relatividad
• Premios Nobel - Física 1910 (Johannes Diderik van der Waals)
• [Mecánica Clásica I] Trabajo mecánico (aún sin publicar)

Que lo disfrutéis y, si es en buena compañía y con sana discusión, mejor.

Como sabéis los viejos del lugar, en la serie sobre los Premios Nobel vamos recorriendo, pasito a pasito, la historia de estos galardones en sus vertientes de Física y Química desde sus comienzos en 1901. En la última entrega de la serie hablamos sobre el Premio Nobel de Química de 1909, otorgado a Wilhelm Ostwald por su trabajo sobre la velocidad de reacción y los catalizadores. Hoy llegamos a 1910 y el premio de Física correspondiente, otorgado al holandés Johannes Diderik van der Waals, en palabras de la Real Academia Sueca de las Ciencias,

Por su trabajo en la ecuación de estado para gases y líquidos.

Como suele suceder, esta breve descripción no basta para comprender el alcance de las investigaciones de van der Waals, de modo que tengo que hacer lo de siempre: pedirte paciencia para retroceder en el tiempo antes de llegar al héroe del artículo de hoy. Se trata, por cierto, de un héroe inusual; lo habitual en Física es que los descubrimientos teóricos suelan ser realizados por científicos jóvenes, y que una vez pasada cierta edad los avances del científico (si los hay) sean de carácter experimental. No es el caso de hoy, pero tiempo al tiempo…

La serie está disponible como libro en tapa dura y como libro electrónico.

Hoy terminamos de completar la miniserie sobre las ecuaciones de Maxwell con el tercer y último anexo, dedicado al relato de cómo los problemas teóricos y experimentales derivados del carácter absoluto de la velocidad en las ecuaciones de Maxwell inspiró el desarrollo de la Teoría Especial de la Relatividad de Albert Einstein y nos permitió comprender algo realmente profundo acerca de las ecuaciones: el hecho de que, más allá de lo que hubiera sospechado el propio Maxwell, los campos eléctrico y magnético no son más que dos aspectos del mismo fenómeno y que no tiene sentido hablar de ellos por separado, ya que constituyen un único campo electromagnético.

En este anexo, por cierto, vamos a centrarnos en los aspectos directamente relacionados con las cuatro ecuaciones de Maxwell y la ley de Lorentz, y no dar una visión completa de la historia de la relatividad especial. Tampoco vamos a continuar con la propia teoría einsteniana, entre otras cosas porque ya tenemos una serie completa dedicada a ella. Para comprender la segunda parte de este anexo es esencial haber entendido algunos conceptos de relatividad, como la contracción de la longitud, de modo que si no has leído aquella serie te recomiendo que lo hagas antes de seguir aquí.

Lo que sí podemos hacer es ir más allá de lo que lo hicimos en el preludio a Relatividad sin fórmulas. Allí hablamos –como lo haremos brevemente hoy– del experimento de Michelson-Morley para detectar la velocidad de la Tierra respecto al éter, pero no de la otra cara de la moneda, la teórica: la inspiración de Einstein en las ecuaciones de Maxwell y su invariancia para desarrollar su teoría. No lo hicimos porque era imposible sin conocer las ecuaciones de Maxwell, pero ahora la cosa es diferente.

No voy a repetir en detalle los avisos del anexo anterior, porque son los mismos: aunque he hecho lo posible por explicar esto con razonamientos lo más claros posibles, esto no es fácil de entender, es abstracto, confuso y endiabladamente complicado. Así que ya puedes engrasar las neuronas y la paciencia si quieres seguir; por otro lado, si sabes de esto, deja de leer, bébete un batido, pasea al perro o haz algo más útil con tu vida que leer mis simplificaciones abyectas.

¿Listos? Pues vamos con ello.

La serie está disponible como libro en tapa dura y como libro electrónico.

En el primer anexo a la miniserie sobre las ecuaciones de Maxwell hablamos acerca de la fuerza de Lorentz, la contrapartida en cierto sentido a las ecuaciones del buen James: el efecto de los campos sobre la materia en vez de al revés. Esa quinta ley enlaza las ecuaciones de Maxwell con la materia que vemos y espero que, tras leer sobre ella, valores aún más las cuatro de Maxwell. Sin embargo, como recordarás de las cuatro ecuaciones, incluso en ausencia de cargas eléctricas era posible que aparecieran los campos eléctrico y magnético a consecuencia uno del otro –si no lo recuerdas no te preocupes porque lo recordaré en un momento con más detalle–.

Maxwell podría haber considerado este hecho como una simple curiosidad de los campos eléctrico y magnético, pero reflexionando sobre ello se dio cuenta de dos cosas: por un lado, que ambos campos estaban entrelazados de un modo que los convertía en un auténtico campo electromagnético; por otro, de que las ecuaciones que regían su comportamiento y que el propio Maxwell había obtenido predecían que la interacción entre ambos campos generaría ondas en el espacio. Manipulando sus ecuaciones, el escocés obtuvo el tesoro de la entrada de hoy: la ecuación de onda electromagnética.

James Clerk Maxwell (1831-1879) (dominio público).

A diferencia del primer anexo, el de hoy tiene un único héroe: el propio James Clerk, que obtuvo uno de las predicciones teóricas más sorprendentes realizadas hasta entonces utilizando simplemente un papel, un lápiz y su cerebro. Mi objetivo hoy, por lo tanto, es intentar explicar cómo es posible predecir la existencia de ondas electromagnéticas a partir de las cuatro ecuaciones de Maxwell, y luego hablar sobre algunas de las consecuencias de este hecho. ¿Conseguiré hacerlo sin extenderme más de la cuenta? No, seguramente no.