¿Eso es todo lo que quieres saber? ¿Qué son la luz y la electricidad y cómo lo sabemos? ¿Cómo encuentran las brújulas el norte? ¿Cómo brilla el fuego? ¿Cuáles son todos los colores en un arcoiris doble? ¿Qué tiene que ver el protón con un fotón? ¿O en qué se diferencia un fluorescente de un incandescente? ¿Qué pasó con el éter luminífero? ¿La relatividad realmente une a E&M? ¿Cuándo debo usar una transformación de indicador? Álgebras cuaterniónicas? Integrales de ruta? Notación tensorial? Estas son preguntas de completa ubicuidad. El electromagnetismo y la luz son todo lo que verás.
Me encantaría escribir una respuesta larga que detalle la increíble historia de nuestro conocimiento aquí. Seguir la historia del electromagnetismo es seguir la historia de toda la física. Es importante destacar que la historia del electromagnetismo es de unificación. Una y otra vez, las diferentes ideas sobre cómo funcionan las cosas se incluyeron en el mismo marco teórico. Esto comenzó en la época de Faraday, quien introdujo la idea clave, el concepto de campo, y continuó a través de Maxwell, Einstein, los fundadores de la mecánica cuántica, Dirac, Feynman / Schwinger / Tomonaga, Salam / Glashow / Weinberg, y continúa hoy.
Eso es mucho material, y la mayor parte todavía necesito entenderlo mucho mejor. No tengo tiempo libre en este momento para hacerle justicia, pero aquí hay una breve versión:
El electromagnetismo es un ejemplo de teoría de campo, el objeto central de estudio en física teórica. Un “campo” significa que en cualquier punto en el espacio y el tiempo, hay un vector eléctrico y magnético allí. Estos campos impregnan todo el espacio: están en la habitación que te rodea en este momento, y en el espacio exterior, y en tu ano, etc.
No tenemos una imagen mecánica de lo que es el campo, o por qué es de cierta manera. No es como las olas en el agua ni nada de eso. Simplemente existe, y tenemos reglas matemáticas que dicen cómo funciona. (Hasta cierto punto, puede argumentar que tenemos una idea de por qué las reglas son lo que argumentan si tratamos de distinguirlas de los principios que se consideran más fundamentales, pero lo dejaré solo, alegando ignorancia). Básicamente tenemos dos tipos de estas reglas: clásica y cuántica.
Las reglas clásicas se llaman ecuaciones de Maxwell. Michael Faraday investigó cosas como la forma en que un cable que transporta corriente eléctrica desvía una aguja de la brújula. Su mayor logro fue descubrir que los campos magnéticos cambiantes crean campos eléctricos, un fenómeno llamado inducción. Maxwell miró todo eso, se sentó con bolígrafo y papeles, y describió matemáticamente los resultados de Faraday en un complicado conjunto de ecuaciones diferenciales, incluida la idea de que cambiar los campos eléctricos crearía campos magnéticos, completando la simetría entre los dos. (Hoy, tenemos herramientas matemáticas más poderosas que Maxwell. Muestran que las ecuaciones no son realmente tan complicadas como parecían originalmente. Creo que Maxwell las escribió como dieciséis ecuaciones. Lo hemos reducido a una).
Cuando Maxwell terminó su teoría, descubrió que permitía que las ondas de electromagnetismo volaran a gran velocidad, y cuando calculó la velocidad, resultó ser la velocidad de la luz. Los experimentos con ondas de radio pronto verificaron que la luz no era más que una forma especial de electricidad y magnetismo. Puedes pensarlo como si hubiéramos estado estudiando la forma en que funcionan los globos aerostáticos y los aviones y las cosas, y por eso estuviéramos pensando en la dinámica del aire. En el proceso, desarrollamos ecuaciones para el aire y descubrimos que el sonido son solo ondas que se mueven a través del aire. La teoría del sonido y la teoría de los aviones son en realidad la misma teoría, a pesar de que no parecen muy similares. Eso es más o menos lo que sucedió con la luz, excepto que, a diferencia del sonido, nadie lo esperaba. (O al menos no era obvio de antemano).
La teoría de Maxwell fue completada por Einstein, quien inventó la relatividad especial para explicar algunas peculiaridades que él (y otros) habían notado en cómo funciona el electromagnetismo. Einstein nos trajo el entendimiento de que la velocidad de la luz no solo es constante, sino invariante. Todos ven que toda la luz se mueve a la misma velocidad. Incluso si huyes de un rayo de luz a la mitad de la velocidad de la luz, sigue aumentando la velocidad de la luz cuando te atrapa. En realidad, esta no era una nueva comprensión de la luz o el electromagnetismo. Fue una nueva comprensión de la forma en que funcionan el espacio y el tiempo, pero como el electromagnetismo se desarrolla en el contexto del espacio-tiempo, cambió nuestra comprensión del electromagnetismo como consecuencia. Específicamente, aprendimos que aunque las ecuaciones de Maxwell son las mismas para todos, los campos eléctricos y magnéticos cambian de observador a observador dependiendo de su movimiento. Sin embargo, podemos juntar los campos eléctrico y magnético en un solo objeto llamado tensor de campo electromagnético y expresar las ecuaciones de Maxwell en términos de este nuevo objeto combinado. Esto es lo que queremos decir cuando decimos que la electricidad y el magnetismo son dos aspectos de la misma cosa.
Las ecuaciones de Maxwell describen cómo funcionan los campos eléctricos y magnéticos, pero esos campos también necesitan interactuar con la materia de alguna manera. Eso sucede a través de la carga. La carga es solo una propiedad innata de la materia, pero en la época de Maxwell no se entendía muy bien. De hecho, los físicos ni siquiera estaban seguros de que los átomos existieran en ese entonces (aunque el propio Maxwell hizo un trabajo importante al desarrollar la teoría de cómo funcionan los átomos en masa). En la teoría clásica, la luz es una solución de las ecuaciones de Maxwell, pero la fuente de luz es, en última instancia, una especie de carga acelerada. Además, una vez que la luz se crea por carga, se retroalimenta y afecta la carga. Las ecuaciones de Maxwell vienen con reglas para la carga, por ejemplo, puedes ver en ellas que la carga se conserva. Podíamos ver la carga chapoteando, pero la comprensión fue un poco descuidada. El funcionamiento preciso de una batería química, por ejemplo, todavía estaba más allá de nosotros. Esta vieja comprensión de la carga no era muy diferente de la teoría calórica (incorrecta) del calor. Aún así, fue lo suficientemente bueno como para permitirnos diseñar antenas y radares y cosas así. (El radar no apareció hasta más tarde, pero la teoría clásica lo describe bien).
A principios del siglo XX, finalmente llegamos a la mecánica cuántica. Descubrimos electrones, protones y neutrones, y la física de cómo funcionan. Aquí es donde comenzamos a entender la carga. La materia está hecha de partículas. La carga es simplemente una propiedad innata de las partículas. Los electrones, por ejemplo, tienen carga incorporada. Así es como funcionan. Sin embargo, no hay nada muy especial en electrones y protones. Cualquier partícula con carga interactuará a través del electromagnetismo y creará luz. Sin embargo, la mayoría de las cosas que nos rodean están hechas de electrones, protones y neutrones. Eso significa que los electrones y los protones son los principales responsables de la física electromagnética que vemos, incluida la luz. Los neutrones quedan fuera porque no tienen carga neta.
Incorporamos luz a esta teoría cuántica, usándola para comprender cosas como la radiación del cuerpo negro y los espectros de los átomos. Sin embargo, las soluciones fueron algo ad-hoc. Teníamos teorías semiclásicas donde la luz se describía a través de la vieja comprensión clásica y las partículas cargadas descritas por la mecánica cuántica. Teníamos la idea de un fotón, pero no una imagen clara de la física de los fotones. La mecánica cuántica aún no era relativista, y sabíamos que, en última instancia, debería serlo. Nuestra física ahora era lo suficientemente buena como para pasar a cosas como los transistores, que es una física bastante buena, pero los verdaderos misterios de la forma en que interactúan el electromagnetismo y la materia aún eran turbios.
Dirac (y otros) avanzaron en una teoría cuántica relativista del electromagnetismo que comenzó a fines de los años veinte, y después de una pausa (cuando nos detuvimos para inventar bombas atómicas), Feynman, Schwinger y Tomonaga lograron el gran avance de forma simultánea y superaron de manera independiente Dificultades matemáticas en la teoría. Su trabajo condujo a la electrodinámica cuántica, una teoría totalmente cuántica y totalmente relativista de cómo interactúan el electromagnetismo, la luz y la materia. Todavía no he estudiado matemáticas aquí, así que no diré mucho más. Esta teoría es fantásticamente precisa para casi todos los fenómenos que conocemos.
La historia continúa, sin embargo. En los años setenta aprendimos a unificar el electromagnetismo con la débil fuerza nuclear, y hoy el trabajo continúa.
para entender lo que se conoce como el modelo estándar de física de partículas, que unifica casi todo lo que sabemos sobre física. La gravedad sigue siendo esquiva, y en este punto no estamos seguros de cómo encaja con el electromagnetismo y las otras fuerzas.
Para saber cómo funciona la luz del propio Feynman, vea una serie de conferencias que dio sobre electrodinámica cuántica dirigidas a una audiencia general:
http://vega.org.uk/video/subseri …