William Gilbert: pionero del magnetismo
En 1600 fue publicado De magnete, el primer estudio encargado de estudiar el fenómeno del magnetismo y que sería el antecedente de los estudios de Kepler sobre las órbitas planetarias y de la posterior teoría de las placas tectónicas
POR RAÚL ROJAS
La gravedad fue la primera fuerza natural con la que los humanos se confrontaron. Todas las cosas caen, siempre hacia el centro de la Tierra, así que no es tan obvio que sea la materia de nuestro planeta la que las atrae, o que alguna dirección espacial privilegiada provoque el efecto, como creía Aristóteles. Con los magnetos no es así: podemos menearlos de un lado a otro y los objetos que contienen hierro los persiguen. Por eso, el magnetismo fue la primera fuerza a distancia que pudimos explotar, ya fuese para atraer metales o para construir brújulas. A un metal con fuerza de atracción los franceses lo llamaron aimant, es decir, se trata de un metal que atrae a otro como a un amante. En español la florida palabra francesa se convirtió simplemente en “imán”.
Los magnetos naturales son conocidos desde la antigüedad clásica. Normalmente se trata de algún compuesto de hierro, como la magnetita, con una estructura cristalina orientada de tal manera que sus átomos funcionan como minimagnetos que actúan como grupo. Hay diversas teorías que tratan de explicar ese reacomodo de los átomos que deja a los cristales de los imanes naturales “congelados” en una cierta orientación: una propuesta es que los rayos de las tormentas, al caer, producen un intenso campo magnético que deja magnetizada a la magnetita. Otra es que el efecto se produce en la costra terrestre al hacer pasar el metal por una sucesión de altas temperaturas. Como quiera que sea, el magnetismo es una fuerza natural que ha fascinado a los filósofos y científicos durante siglos.
El libro de William Gilbert con el largo título Sobre los magnetos, los cuerpos magnéticos y el gran magneto terrestre, que a veces se abrevia con el título del original en latín, De Magnete, fue el primer intento serio de discutir el fenómeno del magnetismo y su relación con el magnetismo de nuestro planeta. Se ha dicho también que sería el primer libro en el cual se le aplica consecuentemente el método científico a un problema concreto, aun antes de que Francis Bacon hubiera escrito su Novum Organum. De Magnete fue publicado en 1600, exactamente en el parteaguas entre el Renacimiento y la Ilustración, inaugurando así la época durante la cual los llamados “filósofos naturales” ingleses asumirán el liderazgo científico en Europa. El libro resume 20 años de experimentos con magnetos.
William Gilbert (1544-1603) era un médico educado en Cambridge. En aquella época un filósofo aún podía aspirar a dominar diferentes disciplinas. Es el caso de Gilbert, quien combinó su práctica de la medicina con la física, especulaciones astronómicas y el estudio de los magnetos. Fue el primero en hablar de una “fuerza magnética” y distinguirla de la atracción producida por la electrostática. Logró explicar que la brújula funciona porque la tierra se comporta como un gran magneto, pero se equivocó al tratar de explicar el movimiento de los planetas como debido a una atracción del mismo tipo. Aún así, la mera idea de que los planetas experimentan fuerzas a distancia estimuló las investigaciones de Kepler de las órbitas planetarias.
Lo primero que hace Gilbert en De Magnete es lamentar lo poco que se estudiaron a fondo los magnetos en el pasado. Ni siquiera el origen de la palabra griega es seguro: Plinio le atribuía al legendario pastor Magnes el haber sido el primero en descubrir magnetos, de ahí el nombre. Pero hay quien sugiere que el nombre viene de la provincia griega Magnesia, que podía haber exportado imanes en el pasado. Los egipcios llamaban a los magnetos “el hueso de Horus” y en algunas comarcas griegas se les llamaba “Heracleus”, por su fuerza hercúlea. En eso no yerran los filósofos de la antigüedad: el magnetismo nos permite levantar, con un pequeño imán, un trozo de hierro atraído gravitacionalmente por toda la tierra. Un imán es asombroso.
En el tercer capítulo Gilbert hace algo que, para la época, es revolucionario, es decir, construye un espécimen de laboratorio. Lo que hizo el inglés fue manufacturar una “terrella”, es decir, una mini-tierra, una esfera esculpida de un trozo de material magnético. Con su esferita Gilbert quiere demostrar experimentalmente que nuestro planeta actúa como un enorme magneto y que por eso es capaz de atraer la aguja de una brújula.
En todo magneto, dice Gilbert, hay dos tipos de “polo”, que los antiguos llamaban masculino y femenino, pero que él denomina “polo norte” y “polo sur”, en referencia a la misma situación en la tierra. Gilbert muestra, con ejemplos bien conocidos, que cualquier magneto tiene siempre esos dos polos. Además, si se divide una barra magnética por la mitad, cada nueva mitad adquiere los mismos dos polos. Es posible también magnetizar una pieza de hierro temporalmente, sometiéndola al campo magnético de un imán.
Fue hasta el siglo XX que los físicos pudieron entender cómo es que se forman los imanes. El secreto reside en los electrones que contienen los átomos. Cada electrón tiene una propiedad llamada “spin”, que lo convierte, si podemos expresarlo así, en un pequeño imán, con solo dos orientaciones posibles. En los átomos, normalmente las dos orientaciones se contrarrestan y por eso no se comportan como imanes. Sin embargo, hay ciertos compuestos y aleaciones donde puede haber un exceso de electrones con una orientación por encima de la orientación contraria. Entonces el átomo en su conjunto se transforma en un magneto. Todos esos átomos se pueden apiñar en los cristales de un compuesto y los átomos vecinos se alinean en la misma dirección, para crear así regiones macroscópicas con la misma orientación magnética. Si las “islas” magnéticas producidas son suficientemente grandes (y para eso se requiere aplicarle un campo magnético externo al objeto), se crea un orden interno que transforma al material en los magnetos que conocemos. Es la unión y cooperación de todos esos minimagnetos lo que hace la fuerza.
Pero de esto Gilbert no sabía nada. Para descubrir el electrón faltan aún 300 años y 321 para que alguien proponga estudiar el spin de las partículas elementales. Ni siquiera se sabía con certeza de los átomos. Para la teoría atómica de Dalton faltan 200 años. Y para poder explicar el magnetismo terrestre falta un avance fundamental, que es la teoría de las placas tectónicas.
Sin embargo, Gilbert demuestra en su libro que su terrella puede desplazar una aguja de brújula de la misma manera que la tierra lo hace. Colocando la aguja en diferentes meridianos y paralelos del modelo se puede ver que la orientación de la brújula corresponde a la experiencia. Un efecto descubierto apenas en 1544 es la llamada “inclinación magnética”. La punta de una aguja de brújula bien balanceada se inclina hacia abajo, indicando que la atracción magnética atraviesa el globo terráqueo. Para que la aguja de la brújula se mantenga horizontal (en el hemisferio norte) hay que agregarle un pequeño lastre en su polo sur, pero el peso depende de la latitud.
Observando los magníficos diagramas de Gilbert notamos de inmediato que las pequeñas agujas magnetizadas que utiliza como brújulas proporcionan un mapa en tres dimensiones de lo que ahora se llama el “campo magnético” alrededor de la terrella. Al alinearse la aguja con la dirección de las llamadas líneas de fuerza, se hace visible el campo magnético. El lector contemporáneo puede comparar los diagramas de Gilbert con ilustraciones modernas del campo magnético de una esfera. Es precisamente ese campo alrededor de la tierra el que deflacta las partículas cósmicas que la bombardean continuamente, impidiendo que afecten a la vida en nuestro planeta y a la misma atmósfera. Sin el campo magnético terrestre, la vida en la tierra no sería posible.
A veces Gilbert extrapola incorrectamente. Comete un error, por ejemplo, al suponer que la inclinación del eje de la tierra, respecto al plano de su órbita relativo al sol, es un fenómeno magnético. Este ángulo en realidad proviene de la prehistoria misma de la tierra, su formación y geología, algo que hasta la fecha no ha podido ser explicado completamente.
Ya el hecho de que Gilbert se interese por este problema muestra la conexión que quiere establecer con problemas cosmológicos. En el libro seis, con el que concluye la obra, Gilbert toma partido por el sistema copernicano, con el sol en el centro del sistema solar. Hace una estimación de la velocidad a la que tendrían que rotar las estrellas alrededor de la tierra, si ésta fuera el centro del universo, y las velocidades
que obtiene resultan más inverosímiles que una tierra girando alrededor de su eje y alrededor del sol. Su intento de dar una explicación basada en “energía magnética” no tiene ningún fundamento, pero apunta, sin embargo, a ir más allá de la pura descripción fenomenológica, como la de Copérnico, para avanzar a una explicación causal del sistema solar. Pero eso sólo lo van a lograr Kepler, con sus tres leyes, y Newton con la publicación, en 1687, de Principia Mathematica.
Decía arriba que la teoría de las placas tectónicas aún estaba por ser formulada. La tierra es un planeta geológicamente “vivo”. Su interior hierve a altas temperaturas y los continentes se desplazan sobre un mar de magma. La circulación de ese magma, debida a la rotación de la tierra alrededor de su eje, la convierte en una especie de dínamo que crea su propio campo magnético. En eso tenía razón Gilbert: hay una conexión entre la rotación de la tierra y su magnetismo, pero no en la forma en la que él se imaginaba. Aún faltaban 312 años para que Alfred Wegener propusiera su teoría de las placas tectónicas, las que flotan “como icebergs” en un océano de basalto fundido.
Aunque Gilbert no contribuyó nada notable a las teorías de la electricidad y magnetismo, y aunque a veces se le llame el padre de ambas, lo importante de su obra es haber llamado la atención, a través de experimentos, a los dos tipos de fuerzas, la atracción electrostática, que llamó “fuerza eléctrica”, y la fuerza producida por un magneto. Su decidida toma de partido por el modelo copernicano es valerosa. Giordano Bruno fue ejecutado por la Inquisición el mismo año que apareció De Magnete. En cuestiones cosmológicas la Iglesia no era nada neutral. La investigación de Gilbert sobre la acción a distancia de los magnetos llevaría eventualmente a Newton a postular otra fuerza universal que regula el cosmos actuando también a distancia, es decir, la fuerza gravitacional.
De Magnete nos muestra que a veces los autores que trascienden, como Gilbert, son aquellos que aun errando con las respuestas plantean las preguntas correctas.
FOTO: El filósofo natural tuvo influencias de su contemporáneo Giordano Bruno, quien fue condenado a la hoguera por sus ideas cosmológicas y teológicas /Crédito de foto: Especial
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