NUEVO PARADIGMA ELECTROMAGNÉTICO EN EL SIGLO XIXRolando Delgado Castillo y Francisco Arturo Ruiz Universidad de Cienfuegos.
Contexto y progresos en las Matemáticas
Ni la Santa Alianza, concertada en el Congreso de Viena (1815) luego de la derrota definitiva en Waterloo de las tropas bonapartistas, ni las monarquías “legítimas” restauradas para supuestamente lograr la estabilidad europea consiguieron detener los profundos procesos en constante aceleración del desarrollo de las relaciones capitalistas.
El último tercio del siglo XIX resulta un período relativamente pacífico de expansión capitalista que fertiliza el camino para las grandes realizaciones que sobrevendrían en la ciencia y la técnica. Las mejoras asociadas a la civilización urbana en los escenarios en que estas se viene produciendo, aunque cargadas de desigualdades y contradicciones, provocan una explosión demográfica que eleva la cifra de los habitantes del planeta por encima de los 1 600 millones de seres y hace crecer las necesidades en un amplio abanico de esferas de la vida material y espiritual de la sociedad.
Las metrópolis europeas desde la Rusia zarista hasta la Corona británica realizaron importantes contribuciones al desarrollo científico decimonónico pero pueden advertirse tres polos exponentes de la vanguardia: La Confederación Germánica, el Reino Unido, y la Tercera República francesa.
La unificación tardía de Alemania, capitaneada por la Prusia de Bismarck a partir de 1871, se traduce en un arrollador auge económico que tiene un momento brillante en los años 90 e influye en el esplendor de las instituciones germanas y en su movimiento científico.
La economía británica, luego de siglo y medio de liderazgo absoluto observó cierto declive, y las clases dominantes convinieron una nueva ronda de expansión colonial. El mercado de las zonas subordinados a la Gran Bretaña experimentó entonces un notable crecimiento: Afganistán, Egipto, Sudán, Birmania y extensos dominios de los zulues sudafricanos fueron anexados. La producción científica británica principalmente a través de sus instituciones líderes continuó su brillante desarrollo.
La III República Francesa apostó también a la dominación colonial y resultaron conquistados los territorios de Túnez, África Ecuatorial, África Occidental, Madagascar y Vietnam. La Escuela Francesa heredera de la tradición de los fundadores de esta ciencia prosiguió generando personalidades y producción científica de primera línea.
Al otro lado del Atlántico, Estados Unidos conocía de una rápida expansión económica. En breve lapso concluida la Guerra de Secesión (1861-1865), la Unión avanzaba firmemente hasta alcanzar hacia la última década del siglo un lugar cimero en la economía mundial. Paralelamente al despliegue económico de la joven y pujante nación iban desarrollándose las doctrinas políticas de dominación hemisférica. La amalgama de estos factores con la emprendedora inmigración que experimentó el país lo transformó en una Meca de la innovación.
La emancipación de América Latina, nutrida por el ideario de la Revolución Francesa y la Independencia de los Estados Unidos y sustentada por la contradicción económica entre Metrópoli y territorios dominados, no condujo a la cristalización del sueño bolivariano de un gran escenario de naciones integradas por idioma, religión y cultura comunes, sino al nacimiento de un mosaico fragmentado de países de acuerdo a estrechos intereses de las burguesías locales que en lugar de orientar a la región hacia el progreso económico la sumergió en frecuentes escenarios de conflictos, marginándola de los procesos sociales de la ciencia y la tecnología.
En tales circunstancias históricas, se suceden apenas iniciado el siglo, como en reacción en cadena, aquellas invenciones que producirían primero una revolución en el transporte marítimo y terrestre y luego un diluvio de artefactos eléctricos.
En unos treinta años desde que el ingeniero norteamericano Robert Fulton (1765 - 1815) inventara el buque accionado por el vapor, la travesía por el Atlántico para enlazar los puertos industriales de América y Europa se convertiría en un recorrido de unos catorce días. Por estos tiempos, el transporte terrestre experimenta el nacimiento y meteórico desarrollo del ferrocarril. Si en 1814 el ingeniero inglés autodidacta George Stephenson (1781 – 1848) construye la primera locomotora a vapor, hacia 1870 doscientos diez mil kilómetros de vía férrea enlazaban los principales nudos y núcleos poblacionales del mundo industrializado.
Este fantástico incremento de la actividad del transporte trajo incontables consecuencias: abarató el traslado de las materias primas hacia las fábricas y de los productos industriales hacia los mercados de venta, contribuyó al crecimiento del mercado interior y exterior, aumentó la necesidad de metal y de combustible y por tanto impulsó las industrias correspondientes y los procesos de industrialización de una serie de países.
Pero el sello de un nuevo paradigma en este siglo se asocia con la revolución en las comunicaciones y una nueva ola de invenciones en el transporte que están precedidas esta vez por los colosales descubrimientos en el área del Electromagnetismo.
A diferencia de momentos anteriores, en los que la práctica, precedía significativamente a la teoría, ahora la fuerza de los conocimientos de las nacientes ciencias impulsa y establece un complejo tejido de interacción con la tecnología. Si la máquina de vapor apareció en escena antes de la elaboración de la teoría de las máquinas térmicos, la construcción del motor eléctrico resultó posible solamente después de los avances de la teoría del electromagnetismo.
El dominio de una nueva forma de energía, la energía eléctrica inauguraba toda una época en el desarrollo de la sociedad. El tranvía eléctrico como forma de transporte público y el invento de la locomotora eléctrica, unidos a los primeros prototipos de móviles accionados por motores de combustión interna son los exponentes de la nueva oleada de equipos de transporte. El estreno del telégrafo y del teléfono y su rápida difusión, la grabación del sonido y la primera producción del fonógrafo, la instalación de las primeras plantas eléctricas y la iluminación de las ciudades con esta energía representan signos de los colosales cambios que se operan a la vista de una generación. No terminaría el siglo sin que las ondas hertzianas comunicaran a través del Canal de la Mancha a Inglaterra y Francia.
Así la faz del hábitat humano; sus medios de transporte; las vías de comunicación y de información; la producción de textiles, colorantes, explosivos, alimentos y medicinas van sufriendo a lo largo de este siglo una profunda revolución de la cual se sirve y a la cual apoya el progreso de las ciencias.
En una compleja dialéctica, al filo de la necesidad y la casualidad, siendo portadores de los progresos determinadas personalidades históricas que fueron fortaleciendo el papel de las comunidades (Sociedades Científicas), en contextos sociales principalmente dados por las naciones que encabezan el desarrollo monopolista de la época, se produce el firme progreso de las ciencias.
En el campo de las Matemáticas se realizan trascendentales aportaciones que posibilitan el asalto que se produciría el próximo siglo al mundo de las partículas subatómicas; y se desarrollan nuevas ideas y mecanismos electrónicos que incuban revolucionarios diseños de máquinas de cálculo.
El libro de Carl F. Gauss (1777-1855), Disquisitiones arithmeticae, con que nace el siglo XIX, marca el comienzo de la era moderna de la teoría de los números. Ya en su tesis doctoral planteó el teorema que aun hoy se conoce como teorema fundamental del Álgebra. En la teoría de la probabilidad, desarrolló el importante método de los mínimos cuadrados y las leyes fundamentales de la distribución de la probabilidad. El diagrama normal de la probabilidad se sigue llamando curva de Gauss. Es uno de esos científicos que pueden calificarse de físico-matemáticos pues desarrolla brillantes aplicaciones de la matemática a diversos campos de la Física, en particular, al electromagnetismo. Una unidad de inducción magnética perpetúa su nombre.
La teoría de los grupos, que resultaría muy útil más tarde en el desarrollo de la Mecánica Cuántica, fue formulada en 1830 por el matemático francés Evariste Galois (1811-1832). Sus manuscritos se publican más de una década después para alcanzar la inmortalidad. Muchas de sus construcciones, que hoy se denominan grupo de Galois, cuerpos de Galois y teoría de Galois, permanecen como conceptos fundamentales en el Álgebra moderna.
En 1854, el matemático inglés George Boole (1815-1864) al emprender la investigación sobre las leyes del pensamiento, logra relacionar la Matemática con los argumentos lógicos y da origen a la Lógica Simbólica. El Álgebra de Boole es fundamental en el estudio de las Matemáticas puras y en la programación de las modernas computadoras.
El estadounidense Herman Holleritch (1860-1929) en 1880 inventa la calculadora electrónica y luego funda la Tabulating Machine Company (1896), que está considerada como una antecesora de la IBM (International Business Machines Corporation). Alrededor de medio siglo antes el matemático e inventor británico Charles Babbage (1792-1871) había concebido una máquina que debía funcionar con tarjetas perforadas como lo hace un telar, y que fuera capaz de almacenar respuestas parciales, utilizables posteriormente en otras operaciones.
En el año 1874, apareció el primer trabajo revolucionario de Georg Cantor (1845-1918) sobre la teoría de conjuntos. El estudio de los infinitos por parte de Cantor fue considerado por Leopold Kronecker (1823 -1891), una autoridad en la materia, como una locura matemática. Por este supuesto atacó vigorosamente a Cantor que mostró fragilidad y terminó a los 39 años en un manicomio. No obstante, en sus momentos de lucidez siguió trabajando, obteniendo en este periodo sus resultados más interesantes. La teoría de Cantor, forma hoy parte de los fundamentos de las Matemáticas y de la Lógica Matemática. Nuevas aplicaciones ha encontrado su teoría en el tratamiento de sistemas fluidos turbulentos. Murió en el manicomio de Halle en 1918.
Transcurridos más de dos mil años de las ideas de Euclides sobre el espacio, en el siglo XIX el matemático ruso Nikolai Lobachevski (1793-1856) formuló la Geometría no euclidiana (Hiperbólica), suponiendo que por un punto exterior a una recta pueden pasar infinitas paralelas, y no una sola como suponía Euclides. Bernhard Riemann (1826-1866), por su parte, fundamentó la nueva geometría esférica en el supuesto que por un punto exterior a una recta no exista ninguna paralela. El impacto de estas nuevas Geometrías con sus grandes abstracciones fue decisivo para el desarrollo de la Física Teórica Moderna.
La potencia motriz del calor y los nuevos ingenios para el transporte
En el universo de la Física los estudios sobre “la potencia motriz” del calor se apuntaron en la agenda del siglo XIX con el desarrollo de nuevas leyes y principios, y una desconocida hasta entonces mirada estadística hacia los sistemas moleculares.
La Escuela Francesa de físicos – matemáticos que aplican novedosas herramientas matemáticas al desarrollo de una teoría sobre el calor cuenta entre sus más sobresalientes representantes de inicios del siglo a Joseph Fourier (1768 – 1830). Fourier empleó una nuevas series trigonométricas (series de Fourier) en su tratado “Teoría analítica del calor” publicado dos años antes de la obra clásica de Carnot. En 1824 el joven ingeniero francés Sady Carnot (1796 - 1832), el mismo año del nacimiento de Lord Kelvin, publica su famosa memoria “Reflexiones sobre la potencia motriz del calor y sobre las máquinas apropiadas para desarrollar esta potencia”, en donde se dedicó a razonar sobre la pregunta general de cómo producir trabajo mecánico (potencia motriz) a partir de fuentes que producen calor. Carnot, en momentos en que se trabaja en el perfeccionamiento de estas máquinas, demuestra que no puede concebirse una máquina térmica más eficiente operando entre dos temperaturas prescritas que la suya y anuncia una de sus proposiciones fundamentales: La fuerza motriz del calor es independiente de los agentes usados en producirla; su cantidad está determinada unívocamente por las temperaturas de los dos cuerpos entre los cuales ocurre, finalmente, el transporte del calórico.
Antes de los trabajos del ingeniero y físico francés Émile Clapeyron (1799-1864) la obra de Carnot era poco conocida en los círculos científicos. En 1834 aportó su primera contribución a la creación de la termodinámica moderna, al publicar una memoria titulada Force motrice de la chaleur (Fuerza motriz del calor). En esta publicación Clapeyron desarrolló las ideas de Carnot sobre el calor de forma analítica, con la ayuda de representaciones gráficas. Sus trabajos ejercieron una notable influencia en las ideas de Thomson y Clausius que derivaron en el segundo principio de la Termodinámica.
Paralelamente con los trabajos iniciales que pretendieron analizar la eficiencia de las máquinas térmicas, el problema de la interrelación entre trabajo y el calor fue abordado por el médico alemán Julius Robert von Mayer (1814 – 1878). Mayer estableció, en 1842, que si la energía, en sus formas de energía cinética y potencial, se transformaba en calor, este debía poder transformarse en esas dos formas de la energía sentando las bases del principio de conservación en los fenómenos biológicos y en los sistemas físicos. Mayer fue capaz de encontrar una relación cuantitativa entre el calor y el trabajo basándose en los resultados de las mediciones de las capacidades caloríficas de los gases.
Unos años más tarde el también médico alemán Hermann von Helmholtz (1821 – 1894) pretende publicar un trabajo "Sobre la conservación de la fuerza" (1847) que defiende la conservación de la energía como un principio universal de la naturaleza así como la posibilidad de conversión de la energía cinética y potencial en "formas químicas, electrostáticas, voltaicas y magnéticas". La lectura de su trabajo en la Sociedad Física de Berlín fue considerado por sus miembros más viejos como demasiado especulativo y rechazada su publicación en la Revista alemana Annalen der Physik.
En la década de los cincuenta el físico británico James P. Joule (1818-1889) desarrolla los experimentos que permiten determinar el llamado “equivalente mecánico del calor”. Joule considera el calor como movimiento y propone la estructura corpuscular de la sustancia, con lo cual inaugura la Teoría Cinético – Molecular de los gases, que intenta explicar el comportamiento de los gases ideales, teniendo como antecedentes los trabajos desarrollados por Boyle, Jacques A.C. Charles (1746 – 1823) y Joseph Gay Lussaac (1778 – 1850).
En los años siguientes Joule alcanza la confirmación experimental de las ideas de von Helmholtz. Se formula entonces la ley de conservación y transformación de la energía, que se constituyó en principio de capital importancia. Las implicaciones de esta ley en el desarrollo ulterior de los conocimientos físicos tuvieron tal alcance que algunos autores consideran al periodo que le sucedió como una segunda etapa en el desarrollo de las Ciencias Físicas, basada en la aplicación de los principios de conservación.
A treinta años del Principio de Carnot aparece la expresión del llamado 2do principio de la Termodinámica en forma de dos enunciados que se complementan. El enunciado del irlandés William Thomson, Lord Kelvin (1824 - 1907) establece que no existen las máquinas térmicas perfectas pues no es posible construir un motor térmico que operando cíclicamente convierta en trabajo todo el calor absorbido.
Por su parte, en la visión complementaria del alemán Rudolf Clausius (1822 - 1888) para un ciclo refrigerante queda establecido la imposibilidad de extraer calor a una baja temperatura para entregar a una temperatura más alta sin que se suministre una determinada cantidad de trabajo al sistema.
Las aportaciones desarrolladas por Thomson entre 1848 y 1852 a la Termodinámica le colocan entre sus fundadores. En 1848 a partir de la noción de entropía desarrollada por Clapeyron propuso una escala de temperatura absoluta, cuyo cero lo situó en –273° C. En 1852, como resultado de la colaboración con Joule descubrieron y explicaron el efecto Joule-Thomson relacionado con el enfriamiento que experimenta un gas cuando se expande lentamente a través de un tabique poroso. Este fenómeno encuentra importantes aplicaciones pues se logra obtener temperaturas muy bajas. Más de medio siglo de ejercicio de la docencia en la Universidad de Glasgow le aseguraron la difusión de su obra en diferentes ámbitos de la Física.
Hacia 1866, en forma independiente de Maxwell, Ludwig Boltzmann (1844 – 1906) había formulado las bases de la teoría cinética de los gases. Esta teoría constituyó el primer eslabón de lo que más tarde se denominó Física Estadística como rama de la Física que estudia los sistemas de muchas partículas. Para estos sistemas existe objetivamente una dificultad en los cálculos que se supera mediante la descripción estadística. Su teoría significó un cambio de un concepto de certidumbre (el calor visto como un flujo de lo caliente hacia lo frío) hacia una noción estadística del movimiento de las moléculas. Su nueva visión no rechazó los anteriores estudios de termodinámica sino explicó mejor las observaciones y experimentos.
Todos los resultados anteriores posibilitaron enunciar ya en este siglo tres de los cuatro principios que constituyen los núcleos de la disciplina llamada Termodinámica: el Principio Cero que establece la posibilidad y el método de medición de la temperatura absoluta de un sistema como parámetro del equilibrio termodinámico; el Primer Principio en esencia reflejo de la expresión más general de la ley de conservación y transformación de le energía; y el Segundo Principio, también conocido como el principio de aumento de la entropía, que expresa el carácter irreversible de los procesos naturales y las relaciones entre el orden y el desorden empleando el concepto de entropía como una medida logarítmica del número de estados accesibles del sistema.
En 1880 coinciden dos descubrimientos trascendentes: uno para la física de los gases y el otro para la física del estado sólido. Este año, el físico holandés Johannes Diderik van der Waals (1837 – 1926) produjo su segundo gran descubrimiento cuando publicó la Ley de los Estados Correspondientes. Esta ley mostraba que si la presión, el volumen y la temperatura se expresan respectivamente como una función simple de la presión crítica, el volumen crítico y la temperatura crítica, se obtiene una forma general de la ecuación de estado aplicable a todas las sustancias. Siete años antes, durante la defensa de su tesis doctoral “Sobre la continuidad entre el estado gaseoso y el líquido”, se convirtió en el primer físico en apuntar la necesidad de tener en cuenta el volumen de las moléculas y las fuerzas intermoleculares en el establecimiento de las relaciones entre la presión, el volumen y la temperatura de los gases.
La obra de van der Waals, según la opinión del premio Nobel de Física (1913), Heike Kamerlingh Onnes (1853 – 1926), fue una guía para el trabajo experimental del Laboratorio de Criogenia de Leiden donde se montó la primera planta de producción de aire líquido en 1894 y ya en el siguiente siglo se hicieron trascendentes descubrimientos sobre el comportamiento de gases y metales a temperaturas extremadamente bajas. En este camino de la licuefacción de gases un hito de fines del XIX fue la obtención del hidrógeno líquido por vez primera en 1896 en el laboratorio del físico y químico escocés James Dewar (1842 - 1923).
El otro descubrimiento, el efecto piezoeléctrico, fue reconocido en los círculos científicos de la época como un nuevo ámbito para la producción de electricidad que se distinguía de la electricidad estática generada por fricción o la piroelectricidad (originada mediante el calentamiento de cristales). No obstante, los hermanos Pierre (1859 – 1906) y Jacques Curie afirmaron que debería existir una correspondencia entre los efectos eléctricos observados por el cambio de temperatura, y por la presión ejercida sobre un cristal dado. Para ellos el hallazgo fue una confirmación de las predicciones que naturalmente derivaron de la comprensión de los orígenes microscópicos cristalográficos de la piroelectricidad (esto es a partir de ciertas asimetrías del cristal). Los hermanos sin embargo no predijeron que los cristales que exhibían el efecto piezoeléctrico directo (electricidad a partir de la presión ejercida) también podrían exhibir el efecto piezoeléctrico inverso (deformación como respuesta a un campo eléctrico aplicado). Esta propiedad fue deducida en 1881 a partir de los principios fundamentales de la termodinámica, por el físico luxemburgués Gabriel J. Lippmann (1845 - 1921), y casi inmediatamente confirmada por los Curie. Luego continuaron obteniendo pruebas cuantitativas de la reversibilidad completa de las deformaciones electro-elasto-mecánicas en cristales piezoeléctricos.
Este andamiaje teórico contribuyó a la comprensión de innumerables hechos experimentales, los mecanismos del intercambio de calor, de masa y de momentos lineales, base de los actuales esquemas de transferencia que son propios de las tecnologías químicas, y lo que es más importante, ofreció los fundamentos de los sistemas llamados máquinas térmicas y de los mecanismos de refrigeración. A diferencia de la ciencia del XVIII que se mantuvo a la zaga de los avances técnicos en el período inicial de desarrollo de la máquina de vapor ya en el XIX las leyes de la Termodinámica que se descubren y todo la plataforma conceptual que se construye sirve de apoyo a la teoría de la máquina de vapor y a toda práctica relacionada con las transformaciones energéticas.
Inglaterra, la cuna de la revolución Industrial, había construido hasta 1840 más de 40 coches y tractores propulsados a vapor. Hacia la mitad del siglo circulaban regularmente unas 9 diligencias a vapor, capaces de transportar cada una entre 10 y 20 pasajeros a unos 24 km/h. Pero esta naciente industria británica tuvo una breve vida. Los intereses de la industria de las locomotoras frenó el desarrollo alternativo del transporte por carretera y trajo como resultado que los ingenieros ingleses, líderes en la tecnología de la máquina de vapor, no contribuyeran a las grandes invenciones que precedieron la revolución que significó la industria del automóvil.
En 1860 el ingeniero belga Étienne Lenoir (1822-1900) inventó y patentó en París un motor de combustión interna alimentado con gas de alquitrán, de doble acción con ignición por chispa eléctrica. Tres años después mejoró el motor usando petróleo y un primitivo carburador y lo acopló a un vagón de tres ruedas que completó un histórico recorrido de 50 millas.
Inspirado en el motor diseñado por Lenoir, el ingeniero alemán Nicolaus A. Otto (1832-1891) junto con el técnico Eugene Langen (1833 – 1895) diseña el primer motor de gas con el cual ganan medalla de oro en La Exposición Mundial de París de 1867. En mayo de 1876 Otto construye el primer motor práctico con pistones y ciclo de cuatro tiempos. Para 1884, Otto había inventado el sistema de ignición magnético para bajo voltaje de ignición. A partir de entonces el monopolio de la innovación de los motores de combustión interna está principalmente en manos de los inventores alemanes.
En 1885, el ingeniero mecánico alemán, Karl Benz diseñó y construyó el primer automóvil práctico del mundo en ser impulsado por un motor de combustión interna: era un triciclo. Benz construyó su primer automóvil de cuatro ruedas con su marca en 1891. En 1893, el Benz Velo se volvió el primer automóvil barato, producido en masa en el mundo. La Compañía Benz, fundada por el inventor, se volvió el fabricante más grande del mundo de automóviles en 1900, llegando a producir para esa temprana fecha unos dos mil quinientos vehículos.
Un eficiente motor de combustión interna, utilizando gasoil como combustible, fue patentado en 1892 por el ingeniero alemán Rudolf Diesel (1858-1913). La eficiencia de este motor es mayor que cualquier motor de gasolina, llegando a superar el 40%. Los motores Diesel se aplicaron en instalaciones generadoras de electricidad, en sistemas de propulsión naval y en camiones y autobuses. En 1897 y luego de años de esfuerzos, Robert Bosch (1861 - 1942) consiguió desarrollar un magneto de encendido de aplicación práctica y casi simultáneamente comenzó a funcionar el motor de autoencendido de Diesel, que no requería de un sistema eléctrico de ignición.
Toda esta colosal revolución en los medios de transporte demandaba con urgencia el descubrimiento de fuentes de combustibles que convirtieran la energía química en mecánica. Por entonces no se avizoraban los peligros que entrañaría más tarde la despiadada explotación del petróleo, una reserva geológica del planeta. Sucedió entonces que en el Condado de Alberta, New Brunswick, el médico y geólogo canadiense Abraham Gesner (1797-1864) descubrió un mineral oscuro bituminoso, que al destilarse exhibe una llama excepcionalmente brillante para la época. La lámpara de keroseno, anunciada en 1846 a 34 años de la patente para la fabricación de la primera bombilla eléctrica por Thomas Alva Edison (1847 - 1931), se convertía en un poderoso estímulo para la prospección del petróleo y el desarrollo ulterior de la industria petrolera.
Mucho más allá fue el químico estadounidense Benjamín Silliman Jr. (1816 – 1885) en su "Report on Rock Oil, or Petroleum, from Venango County, Pennsylvania" publicado en 1855. En esta obra Silliman predice los usos del petróleo para los próximos 50 años y describe los métodos principales de preparación y purificación de sus productos. Silliman separó por destilación fraccionada diferentes componentes del petróleo crudo y evaluó las cualidades de cada fracción. Usando el fotómetro determinó que el petróleo destilado es mucho más brillante que los combustibles conocidos hasta el momento. También destacó el potencial uso de las fracciones menos volátiles como lubricantes y el prolongado empleo que podía dársele a este producto. El estudio de Silliman constituyó un estímulo importante para iniciar la búsqueda del petróleo no sólo para dar respuesta a la crisis del combustible para la iluminación.
Si al final del siglo XVIII, París había conocido el primer asalto del hombre a la conquista del aire, el segundo capítulo de esta conquista sería escrito a partir de la segunda mitad del siglo XIX y siguió diferentes caminos: los dirigibles -segunda generación de los globos- que aprovechaban la menor densidad de los gases ligeros para la ascensión y los mecanismos de la propulsión mecánica para enrumbar el vuelo; los planeadores, móviles alados para sostener un vuelo individual; y los aeroplanos que perseguían despegar una estructura más densa que el aire venciendo la gravitación, establecer un vuelo sostenido y guiado, y garantizar luego el aterrizaje suave. En semejante empresa se enrolaron aquellos que combinaron ideas ingeniosas y los últimos adelantos en materia de motores y otros aditamentos mecánicos, con una audacia a toda prueba.
El primer dirigible tripulado apareció en los cielos de París en 1852. Su inventor fue el ingeniero francés Henri Giffard (1825 - 1882). La nave aérea de Giffard propulsada por una hélice acoplada a un motor de vapor fue elevada utilizando un especie de balón en forma de tabaco de casi 40 metros de longitud lleno de dihidrógeno (el gas más liviano) y despegando del Hipódromo de París mantuvo una velocidad promedio de unos 10 km/h recorre una distancia de 27 km.
Por otro camino iba el inventor británico John Stringfellow (1799 - 1883) que entre 1846 y 1848 se ocupó de construir un pequeño modelo, de tres metros de envergadura, provisto de una máquina de vapor, que accionaba dos hélices propulsoras, situadas detrás de las alas. Probado en una gran nave de una fábrica abandonada realizó con éxito vuelos limitados por las paredes de la nave. A Stringfellow, por tanto, debe corresponder la gloria de ser el primer hombre del mundo que construyó un aeroplano manejable provisto de motor. Sin embargo, es dudoso que sus experimentos hubieran tenido éxito al aire libre.
La tragedia estuvo presente en estos primeros intentos de dominar las alturas. Este es el caso del inventor alemán Otto Lilienthal (1848 - 1896). Su primer monoplano fue construido en 1891 y mostró capacidad para hacer vuelos de considerable longitud, lanzándose desde lo alto de una colina. Lilienthal hizo más de mil vuelos exitosos con monoplanos y biplanos. Estaba precisamente a punto de adaptar un motor a su último planeador cuando se mató en agosto de 1896, a consecuencia de la rotura de su aparato.
El proyecto frustrado de Lilienthal en Alemania fue cumplido por el profesor de Física de la Universidad Occidental de Pensilvania, quién había estudiado los principios de la aerodinámica, Samuel Pierpont Langley (1834-1906). Langley en 1896 hizo volar en dos ocasiones un monoplano sin piloto que recorría unas diez cuadras, antes de que su motor se apagara y descendiera suavemente en las aguas del río Potomac.
El mundo de las ondas electromagnéticas y la lluvia de invenciones eléctricas
Mas el verdadero viraje en la carrera del binomio técnica - ciencia se produce con el descubrimiento del mundo de las ondas electromagnéticas, ahora la ciencia se convierte en el factor precedente de la invención técnica.
El debate Galvani - Volta fue uno de los episodios notables con que nacen las ideas modernas sobre la electricidad. Luigi Galvani (1737 - 1798) fue 33 años profesor de la Universidad de Boloña y sus trabajos son los primeros que apuntan a la acción fisiológica de la electricidad demostrando la existencia de fuerzas bioeléctricas en el tejido animal. Fue este cirujano, que renunciara a su cátedra universitaria cuando la invasión napoleónica para morir un año después, uno de los primeros biofísicos de la historia. La teoría del fluido eléctrico animal fue rechazada por el también italiano Alessandro Volta (1745 - 1827). A Volta se debe el invento en el 1800 de la primera batería eléctrica que hizo posible la construcción de dispositivos para mantener una corriente eléctrica por un circuito dado, y abordar el problema de los nexos entre la Electricidad y el Magnetismo. Una vez presentados sus trabajos en la Academia Francesa de la Ciencia, aceptó el título de Conde de Lombardía, territorio ocupado por las tropas napoleónicas.
En 1820 el físico y químico danés, profesor de Física de la Universidad de Copenhague Hans C. Oersted (1777 – 1851) descubrió que alrededor de un conductor por el que circulaba una corriente eléctrica se instauraba un campo magnético semejante al que se lograba con un imán permanente.
La relación conocida hoy como Ley de Ohm apareció publicada en 1827 cuando el profesor alemán Georg Simon Ohm (1787 - 1854) fue capaz de definir la relación fundamental entre voltaje, corriente, y resistencia. Ohm había cumplido los cuarenta años cuando haciendo uso de los recursos construidos por él mismo en un laboratorio escolar, descubre la ley considerada la verdadera apertura hacia el análisis de los circuitos eléctricos. Sin embargo entre la comunidad científica alemana los trabajos de Ohm fueron acusados de una excesiva formalización matemática e ignorada su trascendencia. Fue la Royal Society londinense la que en 1841 reconoce la importancia de su descubrimiento pero no es hasta ocho años más tarde que cumple sus sueños cuando le ofrecen la cátedra de Física Experimental de la Universidad de Munich.
Un momento trascendente en los estudios sobre el electromagnetismo se produjo al establecer M. Faraday en 1831, la llamada Ley de Inducción Electromagnética que establece que en cualquier punto de una región donde esté instaurado un campo magnético y exista una variación de su vector inducción magnética, aparecerá un campo eléctrico inducido. Esta la ley física sustenta el funcionamiento tanto de los generadores de electricidad movidos por distintas fuentes de energía en las plantas generadoras; como de los transformadores, con sus múltiples aplicaciones.
La invención de un equipo eléctrico que permitiera emitir y captar señales según un código de impulsos eléctrico aparece disputada por dos pares de físicos renombrados en polos científicos de Europa y un profesor universitario de Arte al otro lado del Atlántico en la pujante atmósfera neoyorquina.
La historia reconoce que en 1831, el físico estadounidense Joseph Henry (1797 - 1878) diseñó y condujo un experimento que permitía la comunicación a larga distancia al enviar una corriente eléctrica por el cable a una milla de distancia para activar un electroimán que causaba el repiqueteo de una campana. Esta prueba significó el nacimiento del telégrafo eléctrico.
Uno de los primeros registros de comunicación telegráfica se reporta en la célebre Universidad de Gotinga. La intención fue dejar comunicados dos laboratorios donde trabajaban el profesor de electrodinámica Wilhem Weber (1804 - 1891), quien debió abandonar a los 33 años la Universidad por problemas políticos vinculados con su pensamiento liberal, y el físico matemático Carl Friedrich Gauss (1777 - 1855).
La primera patente europea por la invención de un telégrafo eléctrico les fue concedida en 1837 al ingeniero William F. Cooke y el físico Charles Wheatstone (1802-1875) de la universidad londinense, por los mismos años que Samuel Morse (1791-1872), se asomaría con sorpresa al mundo de la transmisión y recepción de señales eléctricas.
Pero inobjetablemente la invención de Henry fue económicamente explotada mediante el ingenio del profesor de arte y diseño de la Universidad de Nueva York. En 1838, el primer mensaje telegráfico contenía una cita bíblica propuesta por la joven hija de un amigo, Annie Ellsworth: ¿Qué ha hecho Dios? El sistema primitivo de Morse producía una copia sobre papel con puntos y rayas que debía ser traducida por un operador adiestrado. Este podía llegar a transmitir 40 - 50 palabras por minuto.
La empresa Western Union en 1861 construyó a lo largo de las vías férreas su primera línea telegráfica transcontinental. Pronto se presentó la necesidad de ampliar la red telegráfica entre Europa y América. Fue gracias al gran talento del eminente físico inglés William Thomson, Lord Kelvin (1821-1907), que se hicieron los estudios necesarios para instalar en 1866 el primer cable trasatlántico que conectó a Wall Street en Nueva York con Londres.
Los litigios por los derechos para explotar un invento fue una constante en todos estos años de verdadero diluvio de invenciones. El nacimiento de una tecnología parecía conspirar con el florecimiento de otra, así el teléfono parecía que iba a destronar los intereses económicos desarrollados en torno del telégrafo.
La intención original de perfeccionar el sistema telegráfico obsesionaba a las mentes creativas. Este fue el propósito original del inmigrante de origen escocés Alexander Graham Bell (1847 - 1922), por entonces profesor de fisiología vocal de la Universidad de Boston, que fue girando hacia el objetivo de transmitir por el cable conductor la propia voz humana. Para alcanzar el éxito ellos necesitaron construir un transmisor con una membrana capaz de variar las corrientes electrónicas y un receptor que invirtiera el proceso pudiendo reproducir estas variaciones de la corriente eléctrica en frecuencias audibles. El 14 de febrero de 1876 Bell presentó su solicitud de patente de invención de un dispositivo capaz de transmitir eléctricamente la voz. El mismo día Elisha Gray (1835 - 1901) asentaba en la oficina de patentes una solicitud de invención similar. Gray y Bell se enfrentaron a una batalla legal. Unas pocas horas de ventaja le adjudicaron a Bell y la Corte inclinó la balanza hacia el profesor de fisiología vocal. La historia reconoce muchos casos como este, la verdad es que el equipo estaba en el orden del día histórico, correspondió a uno llevarse la gloria.
El desarrollo del telégrafo y el teléfono creó la necesidad de contar con electricistas hábiles, y por consiguiente empujó a la apertura de escuelas técnicas y superiores de las que egresarían los que posteriormente se llamarían ingenieros electricistas. Los diferentes problemas técnicos que se presentaron en el tendido de los cables, en el mejoramiento de los equipos telegráficos, y en el desarrollo de la teoría de la transmisión de señales fueron materia de investigación en departamentos científicos de las universidades.
Entretanto en el mundo de la teoría, que se encargaba de iluminar la práctica y las invenciones de los artefactos eléctricos, tuvo lugar un trascendental paso que se convirtió en resumen y totalización del electromagnetismo en la región clásica. Este salto fue dado por James Clerk Maxwell (1831 – 1879) cuando en 1865 estableció la simetría que existe entre los campos eléctrico y magnético y completó el contenido de la llamada Ley de Ampere de forma que introduciendo el concepto de corriente de desplazamiento logró establecer que en un punto de una región donde esté instaurado un campo eléctrico variable con el tiempo, aparece un campo magnético inducido. Con esto se completó el sistema de ecuaciones que describen todos los fenómenos del electromagnetismo en la región clásica y se produjo la primera unificación conformando el concepto de un solo campo: el electromagnético, que puede presentar como manifestaciones particulares los casos del campo electrostático y el magnetostático.
La significación desde el punto de vista epistemológico de la obra de Maxwell es notable porque cristalizó la idea de la unificación de dos interacciones que se creían de naturaleza distinta y marcó pauta para la búsqueda de otras unificaciones entre otros tipos de interacciones, de modo que ya en el próximo siglo se establecería la unificación entre la interacción débil y la electromagnética (interacción electrodébil) y las explicaciones sobre el origen del universo en las cuales se supone que en los primeros instantes después de la gran explosión, solo existía un tipo de interacción y al irse rompiendo las simetrías, estas interacciones se fueron separando con características bien definidas y diferenciadoras.
A partir de este momento el nacimiento y desarrollo de la industria eléctrica, en contraste con otras más antiguas, tuvo desde sus inicios un carácter de empresa científica derivada de los logros de la investigación. En este afán brilló el inventor estadounidense Thomas Alva Edison. El alcance de la invención de Edison no se reduce a inventar solo la luz eléctrica incandescente sino también un sistema de iluminación eléctrica con todos los elementos necesarios para hacer la luz incandescente práctica, segura y económica. Después de año y medio de pruebas, obtuvo el éxito cuando una lámpara incandescente con un filamento carbonizado trabajó durante trece horas y media.
La primera demostración pública del sistema de iluminación incandescente fue realizada en diciembre de 1879 cuando el complejo del Laboratorio de Menlo Park fue iluminado con luz eléctrica. Alrededor de esta invención mayúscula se gestan otras de menor trascendencia pero de esencial importancia práctica que fueron desarrolladas por los laboratorios de Edison y que en esencia llegan hasta los días de hoy. Estos siete sistemas inventados fueron: el circuito paralelo; la bombilla duradera; un dinamo perfeccionado; la red conductora básica; los dispositivos para mantener el voltaje constante; los fusibles de seguridad, los materiales aislantes; y por último los soques e interruptores.
Edison debió entonces impulsar la creación de una industria generadora de energía eléctrica. En 1881 Edison edifica en Nueva York una planta de corriente continua que genera y distribuye la energía a través de una red de líneas, tal como en ese entonces ya se hacía con el gas y el agua. En septiembre de 1882 se ilumina la primera calle que en Nueva York recibe los servicios de este revolucionario sistema.
A pesar de sus extraordinarios logros, el empleo de la corriente directa trajo no poco problemas. En primer lugar, la utilización de circuitos en paralelo requirió que los cables fueran muy gruesos, lo cual generaba costos altos. En segundo lugar, y de más importancia, al aumentar la demanda de iluminación se necesitaron cargas cada vez más altas que implicaban corrientes eléctricas enormes. Por lo tanto, se estaba ante la alternativa de enviar corrientes muy altas a través de grandes cables de cobre, lo cual era muy ineficiente, o de construir muchas plantas generadoras de electricidad cercanas a los usuarios, con el respectivo aumento considerable de los costos.
La solución a estos dilemas se encontró con la invención del transformador y la construcción de generadores de corriente alterna. Un inventor francés, Lucien H. Gaulard (1850 -1888), originalmente interesado en la química de los explosivos, obtuvo en 1882 una patente para un dispositivo que llamó generador secundario y que fuera una versión primitiva de lo que hoy llamamos transformador. Después de esta invención, Gaulard en 1884 instaló un sistema de iluminación en el cual usó corriente alterna y lámparas incandescentes. Su muerte prematura víctima de una fuerte depresión nerviosa le impidió ver coronado con éxito sus empeños iniciales. George Westinghouse (1846 - 1922), fue testigo de las demostraciones de Gaulard en Italia con motivo de la Exposición Internacional de Turín y advirtió el potencial de la electricidad.
En 1884 Westinghouse contrató a un joven ingeniero eléctrico, William Stanley (1858– 1916), quien un año después ya había superado la eficiencia de todos los transformadores diseñados hasta entonces. Dos años más tarde fundó la Compañía Eléctrica Westinghouse que pronto llegó a contar con una fuerza laboral de 200 hombres con el propósito de desarrollar y producir aparatos para la generación, transmisión y aplicación de la corriente eléctrica alterna.
En 1886 se edificó, bajo la dirección de Stanley, la primera planta eléctrica en el poblado de Great Barrington, Massachusetts, un centro de manufactura floreciente de poco más de 2 500 habitantes. Esta planta operó con corriente alterna, con un generador que produjo una corriente de 500 V y que por medio de transformadores redujeron a 100 V, que es el valor que se requiere para hacer funcionar las lámparas. El resultado fue un gran éxito y de inmediato Westinghouse inició la manufactura y venta de equipos para distribuir electricidad por medio de corriente alterna.
Haciendo uso de los inventos del ingeniero croata Nicola Tesla (1856 – 1943), la Compañía de Westinghouse diseñó e instaló el sistema de Iluminación de la Exposición Mundial de Chicago en 1893. Poco después asume la encomienda de construir la Hidroeléctrica sobre las Cataratas del Niágara y ya en 1896 se inaugura exitosamente la Planta del Niágara que transmitió la energía eléctrica hasta Búfalo, a 20 millas de distancia. Con esta planta quedó confirmada la superioridad práctica de la corriente alterna sobre la directa y la posibilidad de ofrecer la energía desde un circuito para múltiples propósitos.
Una vez que la electricidad pudo ser generada y distribuida para la iluminación, se aprovechó para ser utilizada como fuerza motriz. Se puso así a disposición de la industria y de los transportes un nuevo medio universal de distribución de energía que dio un gran impulso a la utilización de los motores eléctricos.
La naturaleza de la luz fue explicada por la perspectiva maxwelliana que desarrolla la Teoría Electromagnética Ondulatoria de la Luz (TEM). Siguiendo esta teoría, la luz en su sentido más amplio está formada por ondas electromagnéticas que no son más que las oscilaciones automantenidas del campo electromagnético. Este logro científico de primer orden permitió al hombre explicar toda la Óptica Ondulatoria sobre bases científicas y desechar la idea del éter, amén de las múltiples aplicaciones que generó en el campo de las radiocomunicaciones y las telecomunicaciones.
Precisamente de los experimentos en búsqueda de la comprobación sobre la existencia del éter, y en particular de la obra del físico alemán Heinrich Rudolf Hertz (1857 – 1894), se obtuvo el triunfo total de la teoría de Maxwell y se fueron preparando las ideas para el surgimiento, en el siglo XX, de la Teoría de la Relatividad. Entre 1885 y 1889, Hertz descubrió que la electricidad podía transmitirse en forma de ondas electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la luz conforme Maxwell había anticipado. Este descubrimiento puso en la agenda histórica las invenciones de la telegrafía y la radio inalámbrica.
En 1892 el físico-químico William Crookes (1832-1919) publicó un trabajo en la revista inglesa Fortnightly Review, en el que proponía las bases para utilizar ondas electromagnéticas como medio para transmitir señales telegráficas a través del espacio, es decir, telegrafía sin hilos o inalámbrica.
Dos años después el ingeniero italiano Guglielmo Marconi (1874-1937) leyó la biografía de Hertz e inmediatamente empezó a trabajar en la idea de usar las ondas electromagnéticas para transmitir señales. Construyó los aparatos descritos por Hertz, a los cuales les añadió un cohesor, que es un tubo de vidrio que contiene limaduras de hierro, y conectó tanto el transmisor como el receptor a una antena. Una señal eléctrica que pase por el cohesor hace que las limaduras se unan durante el intervalo que dura la señal; de esta manera este dispositivo detecta ondas electromagnéticas. En 1895 Marconi probó sus aparatos, con los cuales logró enviar señales hasta distancias de un par de kilómetros. En 1898 transmitió señales a través del Canal de la Mancha y ya en 1901 logró una transmisión a través del Océano Atlántico: desde Inglaterra hasta Canadá. Las señales inalámbricas probaron su efectividad en la comunicación para el trabajo de rescate durante accidentes marítimos. Numerosas líneas oceánicas instalaron equipos inalámbricos.
La óptica, la astronomía y el nacimiento de dos nuevas técnicas
El primer tercio del siglo XIX fue testigo de una revolución en el campo de la óptica. No había transcurrido aún un siglo de la publicación de Opticks cuando el médico y físico inglés Thomas Young (1773 - 1829) casi con el nacimiento del siglo desafiaba la teoría corpuscular de la luz desarrollada por Newton. La teoría de Young sobre la necesidad de aceptar la naturaleza ondulatoria de la luz para explicar el fenómeno de interferencia, a pesar de la relevante posición que ocupó desde 1802 hasta su muerte como secretario externo de la Royal Society, fue acogida con una buena carga de escepticismo por la ciencia británica. A una década de los trabajos de Young, el físico francés Augustine Jean Fresnel (1788 - 1827) formaliza matemáticamente con gran rigor las leyes que rigen los fenómenos de interferencia y difracción de la luz.
Desde el inicio del siglo se suceden los descubrimientos que demuestran la existencia de regiones del espectro de radiación solar invisible para el ojo humano. En 1800 el astrónomo británico de origen alemán William Herschel (1738-1822) determina experimentalmente la temperatura asociada a cada color del espectro solar y descubre que justamente por encima del rojo en la región del espectro visible existe una radiación que tenía más alta temperatura, que puede ser medida y sentida pero no ser vista: la región infrarroja.
Un año después el joven físico alemán, con sólo 25 años de edad, Johann W. Ritter (1776 - 1810) descubre que hacia el otro extremo del espectro solar se extiende luego de la radiación correspondiente al violeta una radiación invisible que provoca un oscurecimiento más intenso y rápido de las sales de plata. El espectro de la radiación se ampliaba ahora y "nacía" la región ultravioleta.
En 1802, el médico inglés William Hyde Wollaston (1766 - 1828), descubrió las bandas oscuras en el espectro de la luz solar, que más tarde serían aclaradas por los estudios de Franhoufer. Wollaston que había abandonado la práctica médica al perder parcialmente la visión se entregó a las investigaciones científicas con resultados notables. Por ejemplo invadió el campo de la mineralogía y al inventar en 1809 el goniómetro de reflexión, instrumento diseñado para medir los ángulos de los cristales, le dio a esta disciplina todos los caracteres de una ciencia exacta. También puso en manos de los artistas de la época un simple instrumento óptico compuesto por un prisma de cuatro caras sostenido sobre un pequeño soporte que le ayudaba a obtener la perspectiva de la imagen, la llamada cámara lúcida (1807).
Entre 1812 y 1814 el óptico y físico alemán Joseph von Fraunhofer (1787-1826) redescubre las líneas oscuras del espectro solar, e identifica una gran número de las 500 líneas que podía observar con el espectroscopio de red, inventado por él, que más tarde sería desarrollado para su aplicación en la espectroscopia ultravioleta y de rayos X. Las líneas de Franhoufer serían utilizadas eventualmente para descubrir la composición química de la atmósfera solar. En 1821 inventa la red de difracción construida con 260 alambres dispuestos juntos paralelamente. Pertenece a la extirpe de talentos desaparecidos prematuramente, víctima de la tuberculosis, con lo cual la ciencia perdía ulteriores realizaciones.
Muchas de las innovaciones desarrolladas en el siglo XIX a la técnica de la microscopía se deben al egresado de ingeniería de la Universidad de Bolonia, y luego profesor de Matemáticas de la Universidad de Modena, Giovanni Baptiste Amici (1786 – 1863). En 1827 Amici inventó el primer sistema de lentes para un microscopio acromático y en 1840 introduce la técnica de inmersión en aceite que minimiza las aberraciones ópticas, y luego en 1855 desarrolla el objetivo de inmersión en agua. Su interés investigativo abarcó no solo el universo microscópico sino también el espacio sideral. Un cráter en el lado oscuro de la Luna perpetúa su memoria.
La teoría ondulatoria sobre la imagen microscópica fue formulada en 1872 por el físico-matemático alemán Ernest Abbe (1840 - 1905). Abbe y el fabricante de material óptico de Jena, Carl Zeiss (1816 - 1888) inventaron un nuevo aparato para la iluminación del microscopio. De acuerdo con las deducciones de Abbe, Zeiss comenzó a fabricar 17 nuevos objetivos de microscopios que pronto se ganaron una reputación universal por la excelente calidad de las imágenes obtenidas.
Como resultado de las investigaciones de Zeiss con el químico Otto Schott (1851-1935) sobre las formulaciones de nuevos vidrios de grado óptico introdujeron en 1886 un nuevo tipo de lente objetivo el apochromat. Los objetivos de Apochromat eliminaron la aberración cromática y llevaron el poder de resolución del microscopio al límite que disfruta hoy. Conforme Abbe había calculado, ningún refinamiento del vidrio o del cálculo teórico sobre la forma de la lente podría superar el límite de resolución para luz visible que está sobre la media micra.
La expansión del conocimiento cósmico estuvo relacionada con el perfeccionamiento de las lentes telescópicas, el estudio de las perturbaciones de las trayectorias de diferentes astros a partir de la mecánica celeste newtoniana, y sobre todo con el análisis espectral de la radiación procedente de los astros.
Ya a comienzos del siglo XIX, el astrónomo británico, de origen alemán, William Herschel había descubierto las estrellas dobles. En sus sistemáticas observaciones de la bóveda celeste pudo apreciar que muy frecuentemente se encuentran dos estrellas brillantes muy cercanas una de la otra. Como no podía determinar si se trataba de un alineamiento casual o de un par físico, Herschel derivó de consideraciones estadísticas que el número de binomios ópticos observados era mucho mayor que el pronosticado por formación aleatoria. Concluyó que las estrellas constituyen pares físicos. Posteriormente logró detectar en algunos casos movimientos de una estrella en torno a la otra, lo que confirmó su afirmación inicial. Las investigaciones posteriores demostraron que la mayoría de las estrellas que se ven en el cielo son dobles o incluso múltiples. La espectroscopia permitía descubrir la existencia de estrellas dobles aún cuando se encontraran muy próximas y su movimiento orbital fue determinado por los diferentes efectos Doopler mostrados en sus espectros.
Desde el Observatorio de Königsberg que dirigió desde los 29 años hasta su muerte, el matemático y astrónomo alemán Friedrich Wilhelm Bessel (1784-1846) emprendió en 1838 la tarea de determinar el paralaje de la estrella 61 Cygni, perteneciente a la importante constelación del hemisferio norte llamada Cisne (Cignus), y al resolverla calculó con exactitud por primera vez la distancia de una estrella a la Tierra en 10,3 años-luz. Sus “Observaciones astronómicas” fueron publicadas en 1842. Un año antes había anunciado que Sirio, la estrella más brillante del firmamento, tenía una estrella compañera, lo que se confirmó diez años mas tarde, al calcularse la órbita de Sirio B. Esta estrella fue observada en 1862 por el fabricante estadounidense de potentes telescopios Alvan Graham Clark (1804 – 1887), después se comprobó que era una enana blanca.
El siglo cierra con resonantes éxitos de la ciencia y la técnica en el arte de atrapar las imágenes de las cosas sobre materiales fotosensibles. No sólo se hará a partir de ahora perdurable la reproducción en imagen del acontecimiento o del personaje para todos los tiempos, sino que el hombre ha aprendido a captar las señales de lejanos confines del universo, contribuyendo a descifrar su composición mediante una nueva técnica que ha sido llamada espectroscopia.
El descubrimiento de la espectroscopia fue el resultado del estudio de la interacción entre la radiación visible y la sustancia abordado hacia mediados de siglo por el físico alemán Gustav Kirchhoff (1824 - 1887) y el químico Robert Bunsen (1811-1899). Según sus resultados, cada elemento cuando se calienta hasta el estado incandescente emite una luz de color característico que separada en sus componentes origina un patrón único. Esto hizo posible el nacimiento del análisis espectroscópico para identificar la composición química de las sustancias. Pero más lejos aún llegaron con el descubrimiento de que los gases de los elementos absorbían luz de longitudes de onda específicas. Esto significó el descubrimiento de un método para identificar la composición química de remotos astros en el firmamento estelar.
En 1862, fascinado por los trabajos espectroscópicos de Kirchoff y Bunsen, el astrónomo francés Pierre Jules César Janssen (1824 – 1907) inició sus estudios del espectro solar. Después de sus observaciones del eclipse solar de 1868 en la India Janssen sugirió que algunas de las líneas espectrales observadas por encima del extremo del sol eran debidas a un elemento químico hasta entonces desconocido. Al año siguiente, trabajando en colaboración con el astrónomo inglés J. Norman Lockyer (1836 – 1920) descubrieron una línea espectral cromosférica de un elemento desconocido al cual llamaron Helio. Más de un cuarto de siglo después en 1895 el químico inglés William Ramsay descubrió al Helio en el laboratorio.
Uno de los pioneros en combinar la espectroscopia con la fotografía fue el profesor de física de la Universidad de Upsala, Anders Jonas Angstrom (1814 – 1874). En 1862, descubre al hidrógeno en la atmósfera solar mediante el análisis de su espectro. Angstrom fue el primero en analizar el espectro de la aurora boreal, en 1867. Después, en el año 1868, publicó un mapa espectrográfico del sol: "Recherches sur le spectre solaire", que incluye medidas detalladas de más de 1000 líneas espectrales. Para expresar las longitudes de onda propuso como unidad de medida la diezmillonésima parte de un milímetro que en su homenaje se llama Ángstrom. A pesar de no ser reconocida por el sistema internacional de unidades el Ángstrom (símbolo Å) se utiliza en las medidas atómicas y para las longitudes de onda de la radiación electromagnética. El empleo de la espectroscopia combinado con el método que ideó para fotografiar los espectros, condujo al astrónomo británico William Huggins (1824 — 1910) y su esposa Margaret Lindsay (1848 – 1915) a relevantes descubrimientos. En 1864 logra la primera evidencia que permite distinguir entre nebulosas y galaxias. Huggins descubre que algunos sistemas tienen espectros típicos de gases (como la nebulosa de Orión), mientras otros tienen espectros característicos de las estrellas (galaxia gigante de Andrómeda). Por otra parte los espectros estelares de Huggins demuestran la unidad material del universo al evidenciar que las sustancias que componen las estrellas se encuentran también en la Tierra. Un problema que desborda la imaginación del hombre fue dilucidado por la investigación científica justamente en la mitad del siglo XIX. El físico francés Jean Bernard Leon Foucault (1819 - 1868) registró la velocidad de la luz en 298 000 km por segundo usando el método del espejo rotatorio. Un año más tarde descubrió que la velocidad de la luz depende del medio de propagación al encontrar diferencias en el agua y en el aire.
En 1865 Maxwell determina matemáticamente que las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz. Maxwell no cree que esto sea una simple coincidencia y concluye que la luz es un tipo de ondas electromagnéticas. Al respecto escribiría: "Se nos hace difícil evitar la conclusión de que la luz consiste en ondas transversales del mismo medio que causa los fenómenos eléctricos y magnéticos". Esta noción no sólo unifica las teorías sobre la electricidad y el magnetismo sino también de la óptica. La electricidad, el magnetismo y la luz pueden ser consideradas a partir de ahora como aspectos de un fenómeno común: las ondas electromagnéticas.
Maxwell también contribuye en el terreno de la práctica al desarrollo de la fotografía en colores. En 1861, su análisis sobre la percepción del color condujo a la invención del proceso tricromático. Mediante el uso de los filtros rojo, verde y azul creó la primera fotografía en color. El proceso tricromático es la base moderna de la fotografía en color.
Atrapar la imagen en materiales fotosensibles fue una tarea que tocó a las puertas de físicos y químicos y exigió la alianza de la ciencia y la técnica. A los 61 años, el físico francés Joseph Nicéphore Niépce (1765-1833) en la París de la tercera década del XIX, expone una placa de estaño recubierta con un betún (derivado del asfalto) durante unas ocho horas en la cámara obscura enfocada hacia el patio de su casa y obtiene la imagen que es considerada por los expertos como la primera fotografía obtenida.
Este proceso fue bautizado por Niépce como Heliografía o "grabado con la luz solar". Desde otro frente francés, el pintor Louis Jacques Mandé Daguerre (1787-1851) fijaba la imagen mediante largas exposiciones, en la cámara obscura, con placas de cobre recubiertas con plata pulida y sensibilizadas con vapor de yodo hasta que la imagen aparecía en ellas.
Mientras en Francia tenían lugar los estudios de Daguerre, en Londres el científico William Henry Fox Talbot (1800 - 1887) iba por un camino diferente hacia el objetivo común. Se discute si el descubrimiento de la imagen latente y posterior revelado es obra de Daguerre o de Talbot, pero se conoce que fue Talbot el primero en emplear como sustancia fotosensible el yoduro de plata, como revelador el ácido gálico y como fijador el tiosulfato sódico. El calotipo, que así le llamó a su técnica, fue reemplazado a los pocos años pero sentó las bases de la fotografía moderna y produjo la más decisiva revolución en el dominio de la imagen: el negativo que permite sucesivas copias.
Talbot publicó en 1844 el primer libro ilustrado con fotografías, "The pencil of Nature", el cual contiene una detallada explicación de sus trabajos. A partir de entonces se desarrolla una carrera de invenciones que persiguen emplear medios de fijación más eficaces y que permitieran reducir los tiempos de exposición. Cuatro décadas más tarde George Eastman (1854-1932), inventor estadounidense, patentó la primera película en forma de carrete que empezó a ser práctica. Se habían superados las principales barreras para la inauguración de la era fotográfica.
Ya en tiempos de la Grecia antigua se conoció el fenómeno de la persistencia de la imagen en la retina. Pero su cabal comprensión sólo fue posible a partir de los estudios del físico belga Joseph Antoine Plateau (1801 -1883).
Plateau no sólo condujo los experimentos demostrativos de los factores influyentes en la persistencia retiniana sino que inventó en 1832 un dispositivo precursor del cine, el llamado disco mágico de Plateau que rodando las imágenes a una velocidad superior a 10 cuadros por segundo, lograba dar la impresión de animación de las imágenes. Plateau perdió la vista en medio de su consagración a los experimentos y no pudo arribar a la invención del cine. El tremendo impacto que tuvieron las primeras proyecciones en el nuevo público espectador anunciaron las potencialidades de la nueva técnica naciente. La primera cinta filmada por los hermanos Lumiere: "Salida de los obreros de la fábrica Lumière" constituyó un importante documento social antecesor de los primeros documentales.
Antecedentes de un nuevo paradigma atómico
Por otra parte, en los últimos 25 años del siglo se producen los antecedentes inmediatos para un cambio de paradigma en la concepción del átomo y la consiguiente necesidad de la elaboración de un modelo atómico:
· En 1879, William Crookes (1832 – 1919) investigando el paso de la electricidad a través de un gas enrarecido en un tubo de descarga, pudo descubrir la emisión de un haz de rayos que se propagan en trayectoria rectilínea, a los que llamó rayos catódicos.
· Johaann Jakob Balmer (1825 –1898), al estudiar el espectro de emisión del Hidrógeno, establece en 1885 que sus líneas espectrales se pueden agrupar en series cada una de las cuales converge a una frecuencia dada. Más tarde, Rydberg (1854 – 1919) obtiene la ecuación empírica para calcular la longitud de onda de la luz correspondiente a cada línea espectral en la serie de Balmer.
· Dos años después de que en 1893 el mundo conociera asombrado el espectáculo de la iluminación eléctrica en la Exposición Mundial de Chicago, los resultados de la experimentación con el paso de la electricidad a través de un gas enrarecido en un tubo de descarga estremecerían las concepciones físicas de la época. Jean Perrin (1870 – 1942), en 1895, al estudiar el comportamiento de los rayos catódicos en el tubo de Crookes, cuando se exponen a la acción de un campo magnético, demuestra que constituyen partículas cargadas negativamente. Este propio año de 1895 nos trae el reporte de Roentgen acerca de una nueva radiación observada en el tubo de descarga de Crookes, emitida esta vez por el anticátodo a la cual llamó, ante la polémica surgida acerca de su naturaleza corpuscular u ondulatoria, rayos X.
· Un año después del descubrimiento de Roentgen, Antoine H. Becquerel (1852 – 1908), físico por herencia, descubre casualmente que ciertas sales de uranio emiten una radiación invisible. En 1898, a dos años del descubrimiento de la radiación de Becquerel, Marie Sklodowska (1867 – 1934) y Pierre Curie (1859 – 1906), al analizar ciertos minerales uránicos descubrieron un metal vecino del Bismuto en la Tabla Periódica al cual llamaron, en honor al país natal de Marie, Polonio. Otros dos radioelementos serían descubiertos en el laboratorio de los Curie antes del fin de siglo: el radio y el actinio. A los elementos de núcleos inestables “los transuránicos” le correspondería jugar un papel sin precedentes en la historia del hombre: el dominio de la llamada energía nuclear.
· Al determinar experimentalmente la relación carga –masa de los rayos catódicos, Sir Joseph John Thomson, (1856 - 1940) demuestra inequívocamente que se tratan de partículas subatómicas y por consiguiente es universalmente reconocido como el científico que descubre e identifica el electrón. Sucesor de Maxwell en la dirección del Laboratorio Cavendish en Cambridge, Thomson recibe el Premio Nóbel de Física en 1906, y archiva el merito de que siete de sus investigadores asistentes, incluyendo a su hijo George merecieron igualmente este galardón.
Estos hechos experimentales reclamaban la construcción de un modelo atómico. Tales modelos aparecieron ya en el siglo XX dando así lugar al nacimiento de la Física Atómica y a la Física Nuclear y al dominio por el hombre de inusitadas fuentes de energía.
Al siglo XIX pertenece la primera patente sobre un sistema de televisión electromecánico. Esta fue obtenida en 1884 por un estudiante de ingeniería, alemán, Paul G. Nipkow (1860 –1940). Nipkow imaginó la posibilidad de provocar la disección secuencial de una imagen, su transmisión y su recepción sincrónica, recomponiéndola en una pantalla. Al hacer esto estaba apuntando hacia el principio de exploración de la imagen en el sistema de televisión. Un disco rotatorio con un sistema de rendijas que permitía el barrido de la imagen y la proyección de las diferentes intensidades de luz sobre un elemento de selenio fotosensible capaz de generar una señal eléctrica proporcional a la luminosidad del punto explorado, fueron los elementos de la primitiva imagen de 18 líneas que lograba. Algo más de un lustro después de la patente de Nipkow, que adelantaba el primer sistema de televisión electromecánico, el ingeniero eléctrico Alan Archibald Campbell Swinton (1863 – 1930) expone en la Sociedad Roentgen de Inglaterra un esquema que en principio constituye el sistema de la tecnología televisiva actual. Otros 24 años hicieron falta para que la idea de Campbell se transformara en el primer sistema mundial de fotografía electrónica.
Vasos comunicantes con la Química
Los vasos comunicantes entre la Física y la Química aparecen casi en cada descubrimiento de esta última disciplina. Cuando con el nacimiento del siglo XIX el fisico-químico inglés John Dalton (1766 – 1844) publicara su obra “Nuevo sistema de filosofía química” defendía un modelo de átomo como partícula indivisible en las reacciones químicas que parece un retorno a las ideas de los atomistas griegos pero que sitúa en su centro a la masa newtoniana como la propiedad distintiva de los átomos. A partir de este momento, las diferencias observadas en las propiedades de los elementos se pretenden relacionar con el peso atómico.
A los avances en el dominio de la electricidad, corresponde el nacimiento de la electroquímica, el desarrollo de técnicas electrolíticas que permiten el descubrimiento de nuevos elementos, y la invención de dispositivos que aprovechan la energía química para la generación de electricidad. Como resultados de los adelantos en el campo de la óptica y la producción de nuevos instrumentos ópticos, aparecen las técnicas analíticas espectroscópicas que permiten determinar la composición de gases y minerales. Los progresos en el terreno de la termodinámica determinan la comprensión y el gobierno de los procesos químicos.
En 1804 el profesor de Física de la Sorbona Joseph L. Gay-Lussac (1778 -1850) incursionó en la tradición francesa de los vuelos en globos para estudiar la composición y temperatura del aire a diferentes altitudes. Cinco años después, Gay-Lussac enunció la ley de los volúmenes de combinación de los gases. Hacia 1811, el físico italiano Amadeo Avogadro (1776 - 1856) sugirió que volúmenes iguales de cualquier gas a la misma temperatura y presión contienen el mismo número de partículas, postulado que pasa a la Historia como "Ley de Avogadro". La combinación de la noción de molécula y esta hipótesis explicaba perfectamente la ley de los volúmenes de combinación. Sin embargo no fue hasta el Congreso de Karlsruhe, ya desaparecido Avogadro, que Stanislao Cannizaro (1826 -1910) demuestra la importancia de sus conceptos para obtener no sólo las masas moleculares, sino también indirectamente las masas atómicas.
La necesidad de explicar en virtud de qué tipo de fuerzas se enlazan los átomos se erige en problema, y entre los primeros intentos por aclarar este enigma se destaca la teoría electroquímica creada por el químico sueco Jons J. Berzelius (1779 – 1848) en momento tan temprano como el 1810. Su original hipótesis considera que cada átomo tiene dos polos de signos contrarios, pero predomina uno. Así clasificaba a los elementos como electropositivos o electronegativos según predominara el polo positivo o negativo del átomo. Siguiendo su hipótesis la fuerza atractiva entre los átomos enlazados era un resultado de la atracción entre los polos predominantes de cada átomo. El período de vida de tal teoría, a pesar de sus interesantes bases, fue relativamente fugaz al no poder explicar la existencia de las agrupaciones atómicas (moléculas) estables constituidas por átomos de igual naturaleza (concebidas por Avogadro) y por tanto de la misma predominante polaridad.
Dos factores contribuyeron de forma decisiva al vertiginoso descubrimiento de nuevos elementos químicos que acompañó al siglo XIX: la aplicación de la pila voltaica y los ingenios que se inventaron posteriormente para conducir la descomposición de las sustancias; y la introducción de las técnicas espectrales al análisis de muestras de minerales tratadas convenientemente.
La Antigüedad reconoció siete elementos metálicos (oro, plata, hierro, cobre, estaño, plomo y mercurio) y dos no metales (carbono y azufre); el esfuerzo de la alquimia medieval sumó el conocimiento de otros cinco (arsénico, antimonio, bismuto, cadmio, zinc y fósforo); y el siglo XVIII, con el estudio de los gases dejó como fruto el descubrimiento de cinco nuevos elementos (hidrógeno, flúor, cloro, nitrógeno y oxígeno) mientras el análisis de minerales aportaba la identificación de 14 elementos, trece de ellos metales típicos y un semimetal, (cobalto, platino, níquel, magnesio, manganeso, tungsteno, molibdeno, uranio, zirconio, titanio, ytrio, berilio, cromo y teluro). En total a las puertas del siglo XIX eran conocidos 35 elementos químicos, una década después del descubrimiento de Mendeleiev hacia 1880, se había duplicado el número de elementos químicos conocidos. Ochenta años de actividad científica habían igualado más de seis milenios de práctica humana.
En la década del 30 el químico y meteorólogo británico John Frederic Daniell (1790 - 1845) se sintió profundamente interesado en los trabajos de su amigo Faraday y giró el centro de su actividad hacia la Electroquímica. Los experimentos de Daniell por mejorar la batería de Volta con sus problemas de dar una inestable y débil fuente de corriente datan de 1835. Un año después el inventó una celda primaria en la cual el dihidrógeno fue eliminado en la generación de electricidad y por tanto había resuelto el problema de la polarización. Hacia fines de esta década la pila de Daniel era usada para alimentar de energía los nacientes sistemas telegráficos de Gran Bretaña y los Estados Unidos.
La primera pila secundaria o acumulador es inventada en 1859 por el físico francés Gastón Planté (1834 - 1889). Este invento puede ser considerado una de las grandes contribuciones de la química al desarrollo de los móviles terrestres. Cuando entre 1885 y 1887 ingenieros alemanes fabricaron los primeros automóviles de gasolina eficaces, disponían ya de los acumuladores para generar la corriente eléctrica necesaria.
Hacia la mitad del siglo se configuran otros enfoques de los estudios estructurales que esquivando el problema de la naturaleza de las fuerzas químicas elaboran importantes conceptos como el de la valencia y la isomería estructural de las sustancias orgánicas en un esfuerzo por aclarar la forma en que se enlazan los átomos en la estructura particular de la sustancia y edificar un sistema de símbolos y notaciones que permitieran una comunicación universal.
La línea de pensamiento defendida por el químico británico Edward Frankland (1825 -1899) admite como posible la determinación de la estructura de las moléculas e introduce el concepto de valencia como pieza clave para cumplir esta tarea. La valencia vendría a expresar la capacidad de un átomo de formar compuestos con un número dado de átomos de otro elemento. Tomada la valencia del hidrógeno igual a la unidad, se puede considerar que la valencia de otros elementos está dada por el número de átomos de hidrógeno que se unan al átomo del elemento dado.
El desarrollo ulterior de las ideas de Frankland tienen como principales protagonistas a quien fue a la Universidad de Giessen a titularse de arquitecto y terminó, cautivado por Liebig, convertido en arquitecto de las moléculas orgánicas, el químico alemán de descendencia checa August Kekulé von Stradonitz (1829 -1896) y al académico ruso Alexander Mijailovich Butlerov (1828-1886). En 1862 arribó al laboratorio de Kekulé el profesor de la Universidad de Kazán con sus ideas acerca de la orientación tetraédrica de los enlaces de los átomos de carbono. La integración de los supuestos de ambos investigadores conducen a las principios siguientes: la unión de los átomos ocurre en correspondencia con su valencia; los átomos se enlazan en la molécula en un orden determinado; las propiedades de las sustancias dependen no sólo de la naturaleza y cantidad de los átomos que la constituyen sino del orden y disposición en que estos se unen, es decir de la estructura molecular.
Un cambio de paradigma en el estudio sistemático de las propiedades de los elementos químicos fue dado por el descubrimiento de la Ley Periódica de los elementos químicos. En 1869, el químico ruso Dimitri Mendeleiev (1834 – 1907) defendió la tesis de que una variación regular en las propiedades de los elementos químicos se podía observar si estos se ordenaban en un orden creciente de los pesos atómicos. La edificación de la tabla periódica de Mendeleiev no solo dio lugar a la clasificación de los elementos químicos en familias o grupos sino que posibilitó la predicción de la existencia de elementos químicos aún no descubiertos y de las propiedades que estos debían exhibir. La sorprendente correspondencia entre estas predicciones y los descubrimientos de nuevos elementos que se producirían en los años subsiguientes demostró la validez de la ley periódica. Por estas aportaciones Mendeleiev es muy recordado pero es menos reconocido por su postura antizarista que lo lleva ya con 56 años a la renuncia a su cargo de catedrático universitario.
Un par de violaciones en la Ley Periódica de Mendeleiev y el descubrimiento de una nueva familia de elementos que se había mantenido oculta a la búsqueda de los químicos vendría a demostrar el carácter temporal de esta ley que debía ser sometida a reformulación en las décadas próximas. Los gases nobles aparecieron en escena gracias a los trabajos del físico John William Strutt Rayleigh (1842-1919), y el químico Willliam Ramsay (1852-1916) cuando descubren que un gas inerte de masa atómica 40 constituye el 0,93% de la atmósfera. En 1894 se produce el anuncio del nuevo elemento que no encaja en los grupos de la Tabla Periódica de la época y que recibe el nombre de Argón (del griego: argos, inactivo). Cuatro años después los trabajos de Ramsay acusan la existencia de otros tres gases inertes: neón, criptón y xenón.
El mérito de relacionar, en un cuerpo teórico coherente, las tres magnitudes que caracterizan termodinámicamente un proceso químico: la variación de energía libre, la variación de entalpía y la variación de entropía corresponde a Josiah Gibbs (1839 – 1910). A partir de sus trabajos publicados en la década de los setenta la Termodinámica se convierte en una disciplina de capacidad predictiva para evaluar la tendencia de una reacción a verificarse en una dirección dada. En otras palabras, la reversibilidad del fenómeno químico a partir de entonces comienza a tratarse en términos cuantitativos.
Gibbs es reclamado como matemático por sus aportaciones al análisis vectorial, físico por su interpretación estadística de los fenómenos termodinámicos y químico por considerarse fundador de la Termodinámica Química. Nació y murió en su Connecticut y publicó en lo que hoy llamaríamos una revista de poca visibilidad. Por esta razón, sus trabajos sólo fueron conocidos en la Europa, centro de las Ciencias en la época, una década más tarde.
Una sorprendente relación entre materiales de atractivas propiedades físico – mecánicas, explosivos y medicamentos fue encontrada en el siglo XIX por investigadores que iniciaron una revolución en la ciencia de los materiales y por otra inauguraron una nueva época de la industria de los explosivos, aliada de la construcción y lamentablemente de la guerra.
La invención de la primera materia plástica del mundo se debió al joven estadounidense John Hyatt (1837 –1920) quien sin ninguna preparación en Química logra en 1865 producir mediante el tratamiento con calor y presión de una mezcla de nitrocelulosa (sustancia explosiva), alcanfor y alcohol, un nuevo material llamado celuloide. Nacían los objetos plásticos y traían, junto a las propiedades atractivas de estas sustancias, un imperdonable defecto: la vida oculta de la nitrocelulosa le hacía ser inflamable e incluso podían estallar. Mejorar las propiedades de estos materiales parecía una tarea del orden del día, pues entre otros objetivos de la época se imponía la obtención de nuevos materiales para grabar imágenes y sonidos.
La investigación de los explosivos nacía aliada a fines bélicos con la utilización del algodón pólvora inventado por el químico alemán Schonbein (1799 – 1868) en 1846. En 1847 el italiano Ascanio Sobrero (1812 - 1888) descubre la nitroglicerina sustancia que combina propiedades terapéuticas y explosivas. La nitroglicerina era sorprendente pues no había que encenderla para que explotara sino que estallaba sólo por percusión. Respecto a su descubrimiento Sobrero sentenció: "cuando pienso en todas las víctimas de las explosiones de la nitroglicerina, y el estrago terrible que ha sido causado, que con toda probabilidad continuará ocurriendo en el futuro, me siento casi avergonzado de admitir haber sido su descubridor."
Resonancias en la Biología
En este siglo continúan manifestándose, aunque aún débilmente, los trabajos en que la Física y la Biología convergen o en que la física aporta instrumentos y visiones para comprender el mundo de los seres vivos. Serían impensables los trabajos fundacionales de Schleiden y Schwann, Pasteur, Koch o de Fleming sin los adelantos en el campo de la óptica, concretamente en el área de la microscopía. Dedicaremos por consiguiente apenas unos párrafos a describir los logros más sobresalientes de la Biología relacionados con los progresos de los ámbitos de la Física.
El aislamiento del bacilo del carbunco por parte del médico alemán Robert Koch (1843-1910) en 1876 constituyó un hito histórico, ya que por primera vez pudo demostrarse sin duda cuál era el agente causante de una enfermedad infecciosa. Quedó claro que las enfermedades infecciosas no estaban causadas por sustancias misteriosas, sino por microorganismos específicos, en este caso bacterias. Koch, galardonado con el premio Nobel, aisló varias bacterias patógenas, incluida la de la tuberculosis, y descubrió los vectores animales de transmisión de una serie de enfermedades importantes. Se inaugura una nueva ciencia: la bacteriología al tiempo que la práctica médica inicia una verdadera revolución. En el laboratorio donde se gestó el descubrimiento del bacilo de la tuberculosis, Paul Ehrlich (1854 – 1915) contrajo la enfermedad y se curó mediante la terapia desarrollada precisamente por Koch. Ehrlich inició sus trabajos en el campo de la quimioterapia determinando la selectividad de las sustancias colorantes por células y tejidos específicos para luego evaluar sus posibles propiedades terapéuticas sobre microbios patógenos.
Cuando en 1865, Pasteur expone su teoría de los germénes como agentes causales de las enfermedades infecciosas, el médico británico Joseph Lister (1827 -1912) se desempeñaba como cirujano de la Enfermería Real de Glasgow, y conocía que el 45 -50% de las amputaciones que practicaba terminaban en la muerte como resultado de la sepsis de las heridas. La visión de Pasteur le hizo considerar que los microbios en el aire eran la causa de la putrefacción en las heridas. Para 1869, Lister había inventado un spray de ácido carbólico (hoy llamado fenol) cuya disolución actuaba como desinfectante. A pesar de cierta oposición inicial, sus demostraciones públicas convencieron a la comunidad de cirujanos de la importancia de aplicar sus métodos. Hacia 1878, Koch demostraba la utilidad de tratar con vapor los instrumentos quirúrgicos. En 1891, abrió las puertas en Londres, el primer Instituto de Medicina Preventiva.
La teoría edificada en 1838 - 1839 por el botánico Matthias Jakob Schleiden (1804 – 1881) y el fisiólogo Theodor Schwann (1810 – 1882) que reconoce la célula como unidad de estructura y función de los organismos vivos constituyó un estímulo para el asalto a la composición química de las sustancias contenidas en las estructuras celulares. Schwann es considerado fundador de la histología moderna y pionero en aplicar la teoría celular a la evolución, mientras que su colega Schleiden es reconocido como el padre de la embriología. Sus trabajos contribuyeron a unificar la botánica y la zoología bajo una teoría común. Sin embargo, el nuevo método propuesto por Scheleiden para estudiar la estructura de las plantas a través del microscopio fue desestimado por sus contemporáneos empeñados aún en la clasificación tradicional.
Décadas más tarde se iniciarían los esfuerzos para descifrar la base molecular de los misterios de la vida en la estructura celular. En 1868, el químico suizo Johann Friedrich Miescher (1844-1895) descubre en el núcleo de las células de los glóbulos blancos, una sustancia de naturaleza ácida, rica en fósforo y nitrógeno, compuesta por moléculas muy grandes, a la que nombra nucleína. En 1889 el patólogo alemán Richard Altmann (1852 –1900), discípulo de Miescher, lograba separar por vez primera las proteínas de la “nucleína”, llamando a la otra sustancia ácido nucleico. Se iniciaban con Miescher las investigaciones sobre la base molecular de la herencia, en un lugar cercano a dónde el monje checo Gregor Mendel (1822 – 1884) había formulado sus famosas leyes empíricas sobre los factores hereditarios. Se ha afirmado que Miescher en correspondencia fechada en 1892, comenta que la nucleína era una molécula muy compleja, cuya isomería podía proporcionar un número suficiente de moléculas, portadoras de innumerables características hereditarias. En una analogía que hoy causa asombro apunta que esta multiplicidad estructural podía compararse con la variedad de un idioma que encuentra como expresión la combinación de una veintena de letras. Semejante símil no entró en el repertorio de ideas de las ciencias hasta que más de medio siglo después el premio Nobel de Física, Erwin Schrödinger (1887-1961) introdujera el concepto de código genético.
Cuando en 1866 sale de imprenta el Boletín de la Sociedad de Ciencias Naturales de Brno con el artículo “Experimentos con plantas híbridas”, firmado por el monje checo Gregor Mendel (1822 – 1884), quedaban establecidas las primeras leyes que explican el mecanismo por el cual las características de los progenitores se transmiten a sus descendientes. Sus experimentos constituyen un ejemplo de la traslación a las ciencias biológicas del paradigma de las investigaciones cuantitativas de las ciencias físicas. De la aplicación de la estadística a los resultados experimentales obtenidos en el cruzamiento de plantas, Mendel deduce que cada uno de los caracteres del organismo está determinado por un par de “factores”, que son aportados uno por cada progenitor. Estas “unidades hereditarias” no se mezclan, sino se transmiten con toda la información sólo que uno de los factores resulta dominante sobre el otro. Pero el acto fundacional de la Genética no fue “registrado” por la Comunidad Científica hasta principios del siglo XX.
Con el teñido de las células por los colorantes derivados de la anilina sintetizados en el verano de 1856 por el químico británico William Perkin (1838 – 1907), el médico alemán Walter Flemming (1843 – 1905) pudo observar al microscopio la existencia en el núcleo de estructuras en forma cambiantes, que absorbían fuertemente el colorante, a las cuales nombró cromatina. Lo más trascendente de su hallazgo fue revelar en 1884 que durante la mitosis celular tales estructuras adoptan forma de cintas y se dividen longitudinalmente en dos mitades idénticas. Se ofrecía el primer resultado experimental que acusaba la existencia de estructuras en el núcleo que se segregaban en pares a las células hijas durante la división celular. Especialmente útil habría sido para Fleming haber contado con los resultados de Mendel y relacionar sus factores con las mitades de las estructuras en cintas pero esta posibilidad no fue dada entonces por la historia. Tocaba a las puertas del conocimiento humano la teoría cromosómica de la herencia.
En tanto Cajal se encuentra estudiando la fisiología de las neuronas, el científico ruso Ivan Pavlov (1849 -1936) descubre los reflejos condicionados y desarrolla nuevos métodos que suponen una revolución en las investigaciones fisiológicas durante el período de 1891 - 1900. Conduciendo los experimentos con el uso extensivo de fístulas que permitieron observar directamente el funcionamiento de los órganos bajo condiciones relativamente normales, Pavlov demostró que el sistema nervioso juega un rol dominante en el proceso digestivo y este descubrimiento es la base de la moderna fisiología de la digestión. Mereció por este descubrimiento en 1904 el Premio Nobel de Medicina y Fisiología.
Al correr las cortinas del siglo XIX el avance de las Ciencias Físicas podía calificarse de colosal.
El desarrollo del instrumental matemático permitió la formalización de la Termodinámica Estadística y la Teoría Electromagnética, y va a cimentar el despegue en la próxima centuria de la Informatización y de la Mecánica Cuántica.
La Física siguió promoviendo el desarrollo de otras ciencias. Las zonas de interpenetración continuaron ensanchándose y ya a fines de siglo la Física – Química exhibía notables adelantos como corpus de conocimientos, se consolidaba como área de trabajo de personalidades e instituciones y fomentaba numerosos progresos en el orden práctico. El paradigma atómico en el ámbito químico sienta las bases teóricas que iluminan la aparición de los primeros productos sintéticos y de una nueva industria que persigue superar las cualidades de los productos naturales. El dominio de la electricidad empujó el descubrimiento de más elementos químicos en unas décadas que en todo la práctica humana anterior. Los avances en la espectroscopia y en óptica permitieron una nueva mirada hacia el cosmos y descubrieron la composición de estrellas, galaxias y nebulosas, demostrando la unidad material del universo.
En la incursión hacia el mundo microscópico la Física fue una aliada estratégica de la Biología aportando instrumentos y visiones para comprender los procesos de los seres vivos. El asalto a la composición y estructura de importantes biomoléculas hacia fines del siglo pronosticaba la conquista de los misterios de la vida como tarea integradora de las ciencias del siglo XX.
En su relación con la práctica y la innovación tecnológica, la Termodinámica ofreció los fundamentos de los sistemas llamados máquinas térmicas y de los mecanismos de refrigeración; pero lo más trascendente del siglo serían los avances en la Teoría Electromagnética que trajo una nueva concepción del cuadro físico del mundo y posibilitó una lluvia de inventos eléctricos que transfiguraron la comunicación y la existencia humana.
Del lado de la técnica el siglo iba a decir adiós con una explosión de invenciones jamás conocida por una generación de la especie humana: se había logrado la impresión fotoquímica de la imagen y abierto paso a una nueva técnica - arte, la fotografía; el registro de la voz humana y de la música en un disco permitía oír a un Caruso sin haber asistido a sus conciertos; la producción y transmisión de la energía eléctrica hasta hogares y fábricas había puesto al servicio del hombre una nueva fuerza motriz, y una iluminación artificial que transformaba la vida nocturna de las grandes urbes nacientes; la revolución en el transporte marítimo y terrestre daría una velocidad de movimiento al hombre que abreviaría las distancias y creara una nueva dimensión del tiempo... Pero las fotos pronto iban a ganar celebridad por grabar los horrores de la Guerra de Secesión de los Estados Unidos, carruajes y navíos pronto serían artillados y puestos al servicio de la tecnología bélica; nuevos códigos dentro de los sistemas de comunicación pretenderían hacer indescifrables los mensajes que los nuevos servicios de las comunicaciones brindaban a los estados mayores, y una demencial carrera bajo la sombra del espectro de la guerra acompañaba al hombre como reflejo de poderosos intereses económicos que se encubrían en otras razones aparentemente más nobles. Una irracional distribución de las riquezas del planeta acumulaba bienes hacia un polo a costa del despojo de los otros...
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