Paul Sutter es astrofísico de la Universidad Estatal de Ohio y científico jefe del centro científico COSI. Sutter es también presentador de Ask a Spaceman y Space Radio, y dirige AstroTours por todo el mundo. Sutter contribuyó con este artículo a las Voces de los Expertos de Space.com: Op-Ed & Insights.
Los imanes y la fuerza magnética son omnipresentes en nuestra vida cotidiana, ya que nos ayudan a guiarnos en territorio desconocido y a fijar las obras de arte de nuestros hijos a la nevera. Pero aparte de estos ejemplos comunes, los campos magnéticos siempre parecen jugar un papel secundario en la sinfonía de fuerzas del universo. Claro que, de vez en cuando, pueden llevar la voz cantante -como en los entornos extremadamente peligrosos de un magnetar o en los entornos extremadamente útiles de un escáner de RMN-, pero en su mayor parte simplemente existen, siendo empujados por sus primos más poderosos.
Pero a pesar de su relativa insignificancia, guardan algunos secretos.
Los imanes sólo funcionan en movimiento
Una sola partícula con carga eléctrica, sentada sola, sin hacer nada interesante, generará un campo eléctrico. Este campo rodea a la partícula por todos los lados y da instrucciones a otras partículas cargadas para que se muevan en respuesta. Si una partícula con carga similar está cerca, será empujada. Si una partícula con carga opuesta está lejos, será empujada suavemente para que se acerque.
Pero si se pone en movimiento esa carga eléctrica, ocurre algo sorprendente: ¡Aparece un nuevo campo! Este extraño y exótico campo se comporta de una manera extraña: En lugar de apuntar directamente hacia la carga o alejarse de ella, se retuerce a su alrededor, siempre perpendicular a la dirección del movimiento. Es más, una partícula cargada cercana sólo sentirá este nuevo campo si esa partícula también está en movimiento, y la fuerza que siente es de nuevo perpendicular a la dirección de su movimiento.
Este campo, que por comodidad llamaremos campo magnético, está causado por cargas en movimiento y sólo afecta a cargas en movimiento. Pero el imán de la nevera no se mueve, así que ¿qué pasa?
El imán en sí no se mueve, pero el material del que está hecho sí. Todos y cada uno de los átomos de ese imán tienen capas y capas de electrones, y los electrones son partículas cargadas con una propiedad incorporada conocida como espín. El espín es una propiedad fundamentalmente esotérica y cuántica (y el tema de otro artículo), y aunque no es técnicamente correcto pensar en los electrones como pequeñas bolas de metal que giran… a efectos del magnetismo, podemos pensar en los electrones como pequeñas bolas de metal que giran.
Estos electrones son cargas en movimiento, y cada electrón genera su propio campo magnético minúsculo. En la mayoría de los materiales, las diferentes orientaciones de los electrones anulan cualquier campo macroscópico, pero los imanes son exactamente ese tipo de materiales en los que un montón de electrones se alinean todos ordenados, creando un campo magnético lo suficientemente grande como para pegar algo a tu nevera.
Los monopolos podrían existir
Debido a que todos los campos magnéticos que vemos en el universo son generados por cargas en movimiento, nunca se puede aislar un polo magnético norte y otro sur (un «monopolo») entre sí. Siempre vienen en pares. Si coges un imán y lo cortas por la mitad, acabas teniendo dos imanes más pequeños y débiles: sus electrones internos siguen girando, igual que siempre.
Esta propiedad de los imanes era (y es) tan conocida que James Clerk Maxwell -el tipo que descubrió que la electricidad y el magnetismo están fundamentalmente conectados- simplemente incluyó en sus ecuaciones la afirmación de que «no existe un monopolo magnético» y lo dejó así. Y durante décadas, no tuvimos ninguna razón para sospechar lo contrario, así que lo dejamos estar.
Pero cuando nuestros ojos empezaron a contemplar el extraño y maravilloso mundo subatómico, nuestra creciente comprensión de la mecánica cuántica puso algunas arrugas nuevas en esa idea. Y Paul Dirac, un pionero del reino cuántico, se dio cuenta de algo curioso que se escondía en las matemáticas profundas de esta nueva física.
Si, como experimento mental, existiera un monopolo magnético, y si lo emparejáramos con una simple y aburrida carga eléctrica familiar, entonces los dos comenzarían a girar. Esta rotación es en realidad independiente de la distancia; no importa lo lejos que estén esas dos partículas. Pero Dirac sabía que el momento angular (el momento que va en círculo, como en este par en rotación) está cuantizado: el momento angular en nuestro universo viene en valores discretos. Esto es cierto para todas las cosas, incluyendo nuestro peculiar par.
Así que aquí está el truco: Usando este razonamiento, Dirac se dio cuenta de que si el momento angular está cuantizado, entonces las cargas de esas partículas deben estar cuantizadas también. Y como este efecto es independiente de la distancia, si existiera un único monopolo magnético en todo el universo, entonces eso llevaría directamente a la cuantización de la carga, algo que habíamos tomado como un hecho experimental sin justificación teórica… hasta entonces.
Los imanes son la clave de la relatividad especial
La conexión entre la electricidad y el magnetismo descubierta por James Clerk Maxwell no era sólo superficial. Se dio cuenta de que eran dos caras de la misma moneda: el electromagnetismo. Un campo eléctrico cambiante puede crear un campo magnético, y viceversa. Es más, el fenómeno conocido como luz no es más que lo que ocurre cuando la electricidad y el magnetismo empiezan a contonearse.
Albert Einstein, gran admirador del trabajo de Maxwell, dio un paso más. Se dio cuenta de que había una conexión entre la electricidad, el magnetismo y el movimiento. Empieza de nuevo con la misma carga eléctrica solitaria con su aburrido campo eléctrico. ¿Qué pasa si empiezas a correr junto a ella?
Bueno, desde tu perspectiva, la carga sería la que parecería moverse. ¿Y qué hacen las cargas en movimiento? Así es, crean campos magnéticos. Así que no sólo los campos eléctricos y magnéticos son dos caras de la misma moneda, sino que puedes transformar uno en otro por el simple hecho de moverte. Y eso también significa que diferentes observadores no estarán de acuerdo con lo que ven: Un observador fijo podría ver un campo eléctrico, mientras que un observador más móvil vería exactamente la misma fuente generando un campo magnético.
Fue esta línea de pensamiento la que llevó a Einstein por el camino de lo que ahora llamamos relatividad especial, una base de la ciencia moderna. Y tenemos que agradecérselo al humilde campo magnético.
Aprenda más escuchando el episodio «¿Cómo funcionan los imanes?» en el podcast Ask A Spaceman, disponible en iTunes y en la web en http://www.askaspaceman.com. Gracias a Dan H., David H. y @BrendaHattisbur por las preguntas que dieron lugar a este artículo. Haz tu propia pregunta en Twitter usando #AskASpaceman o siguiendo a Paul@PaulMattSutter y facebook.com/PaulMattSutter. Síganos en Twitter @Spacedotcom y en Facebook. Artículo original en Space.com.