En el siglo XVII, René Descartes argumentó ingeniosamente que el magnetismo fue causado por un flujo de pequeñas partículas con forma de sacacorchos. Los sacacorchos pueden ser zurdos o diestros, y al enroscarse y retorcerse, pueden atraer o repeler. Aquí hay una ilustración de esto de los Principia Philosophiae de Descartes de 1644:
Isaac Newton leyó cuidadosamente a Descartes, pero finalmente rechazó este tipo de explicación como un “producto”. Hay dos problemas clave con esto. El primero es que no está respaldado por ninguna observación directa de los sacacorchos. La otra es que se basa en el atractivo pero falaz principio de que todas las interacciones de la materia deben ser “mecánicas”, lo que significa que resultan de las superficies de cuerpos impenetrables que se presionan entre sí. Aunque vemos que eso sucede en nuestra vida cotidiana, no tenemos buenas razones para pensar que, a nivel microscópico, un cuerpo sólido que empuje a otro cuerpo sólido realmente sea el proceso fundamental, en términos del cual todos los demás procesos deberían explicarse. De hecho, modernamente explicamos un empuje sólido sobre otro sólido invocando una interacción electromagnética microscópica, en lugar de al revés (como Descartes quería).
Algunas grandes luminarias del siglo XVII, como Christiaan Huygens y Gottfried Leibniz, criticaron a Newton por ofrecer una teoría de la gravedad que no explicaba cómo la gravedad tiraba de objetos distantes a través del espacio vacío. Incluso algunos de los amigos de Newton trataron de “mejorar” su teoría al proporcionarle un modelo mecánico, en el cual la fuerza gravitacional resulta del empuje de las partículas de un viento cósmico; ver la teoría de la gravitación de Le Sage.
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Newton, sin embargo, se mantuvo firme, insistiendo en que no sabía qué era realmente la gravedad y que no le importaba “fingir hipótesis” al respecto (su famosa declaración en latín era hipótesis no fingida ). Newton explicó que solo estaba ofreciendo una ley matemática compatible con los fenómenos observados. El gran físico teórico moderno Richard Feynman elogió la modernidad del enfoque de Newton a este respecto; vea el primer capítulo de su libro El carácter de la ley física (MIT Press, 1967).
Curiosamente, esta lección se había perdido en gran medida a mediados del siglo XIX, cuando se elaboraron las leyes del electromagnetismo. El gran James Clerk Maxwell escribió sus famosas ecuaciones para los campos electromagnéticos en el contexto de un complicado modelo mecánico de un “mar de vórtices moleculares” que llena todo el espacio. Aquí está su diagrama para eso, de su artículo “Sobre líneas físicas de fuerza” de 1862. No puedo decir que entiendo lo que se suponía que estaba pasando aquí:
La tercera edición del Tratado de Electricidad y Magnetismo de Maxwell (publicado póstumamente en 1891) también incluye un modelo mecánico para la inductancia mutua de las bobinas de un transformador, en términos de un sistema de engranaje diferencial, como el que luego sería ampliamente utilizado en automóviles:
(En realidad, hasta donde he podido determinar, Maxwell ideó el engranaje diferencial en 1876, independientemente de los ingenieros).
Los modelos mecánicos para los fenómenos electromagnéticos también fueron tomados muy en serio por otros científicos del siglo XIX, como Lord Kelvin (que tenía su propia teoría mecánica de la luz, distinta de la de Maxwell), Lord Rayleigh y Ludwig Boltzmann. Sin embargo, Albert Einstein y las corroboraciones experimentales de Michelson-Morley y otros que se mueven con respecto a cualquier “éter luminífero” (el medio mecánico invisible en el que se suponía que las ondas electromagnéticas terminaban) especulaban sobre una base mecánica para los campos electromagnéticos. propagar) es indetectable.
Al recordar las contribuciones de Maxwell a la ciencia con motivo del centenario de Maxwell en 1931, Einstein escribió que:
“Antes de Maxwell, las personas concebían la realidad física, en la medida en que se suponía que representaban eventos en la naturaleza, como puntos materiales, cuyos cambios consisten exclusivamente en movimientos, que están sujetos a ecuaciones diferenciales totales. Después de Maxwell concibieron la realidad física como representada por campos continuos, no explicables mecánicamente , que están sujetos a ecuaciones diferenciales parciales. Este cambio en la concepción de la realidad es el más profundo y fructífero que ha llegado a la física desde Newton “.
Ver los comentarios de Einstein sobre James Clerk Maxwell (énfasis agregado).
Como relato fáctico de la historia de la ciencia, la interpretación de Einstein es problemática. Primero, porque fue el mismo Newton quien introdujo (en el contexto de la gravedad) la idea de que las fuerzas podrían ser comunicadas por “campos continuos, no mecánicamente explicables”. Y segundo, porque Maxwell ofreció modelos mecánicos de electromagnetismo, lo cual tomó muy en serio. Es solo que, cuando Einstein escribió eso en 1931, los físicos recordaron las hermosas ecuaciones de Maxwell (abundantemente confirmadas por experimentos), pero no sus complicadas y especulativas explicaciones mecánicas para ellas.
Taylor y Wheeler dicen en su libro Spacetime Physics (WH Freeman, 1992), que lo que la teoría especial de la relatividad de Einstein significa es que “el espacio vacío realmente está vacío”. (Aunque esa afirmación se vuelve un poco más complicada una vez que intentas combinar la relatividad con la mecánica cuántica).
Modernamente no intentamos explicar los campos en términos de ningún modelo mecánico subyacente. En realidad, en las teorías matemáticas con las que trabajamos, los campos son los componentes fundamentales de la naturaleza. Lo que consideramos como materia debe tenerse en cuenta en términos de esos campos. Ver, por ejemplo, “No hay partículas, solo hay campos”.
Actualización (26 de febrero de 2015) : esta edición corrige imprecisiones anteriores con respecto a las fuentes de las dos ilustraciones de Maxwell.