Download El Átomo Cinético - Historia y Filosofía de la Ciencia

EL ATOMO CINETICO
David B. Wilson
Department of History and Mechanical Engineering, Iowa State University, Ames, Iowa
50011.
En la mitad del siglo 19, los físicos abandonaron la idea de calor como una clase
especial de materia en favor de la idea de que el calor era un “modo de movimiento”
de la materia ordinaria. De esta visión “dinámica” de calor, procedieron hacia una
teoría “cinética” mas precisa y, junto con ella, la idea del átomo cinético. Este artículo
revisará la investigación de hombres como Joule, Kelvin, Maxwell, Clausius y
Boltzmann, al comentar los temas conceptuales básicos involucrados en esta área de
la historia de la física.
El concepto de un átomo cinético se refiere más específicamente al desarrollo de la teoría
cinética de los gases por Clausius, Maxwell y Boltzmann que comienza al finalizar la
década de 1850. Pero, en una forma u otra la idea involucró gran cantidad de física del siglo
diecinueve -incluyendo teorías científicas de físicos específicos tanto como sus
metodologías o filosofías de ciencia. Y, en las mentes de algunos -quizá más notablemente,
Lord Kelvin- la teoría cinética real penetró mucho más profundamente que la teoría cinética
de los gases. En consecuencia, en este articulo, trataré de sugerir algo de lo significativo de
la teoría cinética de los gases al revisar las ideas de los físicos a través del siglo y al discutir
las ideas propias de Kelvin con algún detalle.
En la Europa de comienzos del siglo diecinueve, la investigación física estaba centrada en
Francia. Y los físicos franceses desarrollaron al menos dos metodologías que competían
entre sí -una que insistía en que las teorías incorporaran aseveraciones sobre las mínimas
partículas de materia, la segunda insistía que no1.
Vinculado a Laplace y Poisson, el primer punto de vista se ha llamado la visión
“astronómica” de la naturaleza. Así como Newton había explicado el universo en términos
de grandes trozos de materia interconectados por la fuerza universal de la gravitación así
también, según este punto de vista, la naturaleza microscópica debía explicarse en términos
de partículas materiales y sus fuerzas de acción-a-distancia. Las fuerzas podían ser
atractivas o repulsivas y actuaban solamente sobre distancias cortas, “insensibles”. Las
partículas materiales incluían tanto partículas de materia ordinaria, o ponderable y
partículas de varios fluidos imponderables usados en ese tiempo para explicar calor,
electricidad, magnetismo y luz. En una situación dada entonces, el problema general era
imaginar un sistema de partículas ponderables y/o imponderables interconectadas por una
fuerza o fuerzas que explicarían las observaciones.
La segunda metodología -asociada con Fourier y el filosofo positivista August Comtedesenfatizaron de gran manera la importancia de todas estas partículas y fuerzas
inobservables. En su extremo, este punto de vista insistía que tales entidades, por lo
inobservables, simplemente no se podían conocer y, por tanto, debían excluirse de las
teorías científicas positivas, confiables.
Hacia la mitad del siglo, el centro de la investigación física estaba cambiando -o había
cambiado- de Francia especialmente a Bretaña. Los miembros principales de la famosa
“escuela” de física de Cambridge -Green, Stokes, Kelvin, Tait y Maxwell- recibieron sus
grados de Cambridge entre 1837 y 1854. En gran parte, como reacción contra la
metodología francesa, desarrollaron un término medio -una metodología altamente flexible
de cauto realismo acoplado con el uso de analogías mecánicas o modelos2. Eran realistas
en su rechazo del positivismo asociado a Fourier y Comte, pero se veían a si mismos como
mas cautos que Laplace y Poisson en incorporar inobservables en sus teorías. Pareciera que
la habilidad del hombre para conocer inobservables demandara una responsabilidad extra
de discutirla. Así cuando se carecía de evidencia suficiente, se enfatizaba ya el enfoque
fenomenológico o se volvía a modelos que ayudaran a probar lo invisible. Como el campo
microscópico se comportaba de acuerdo con las leyes de movimiento de Newton, los
modelos producían, por analogía, intuiciones del funcionamiento oculto de la naturaleza
aunque sin proveer necesariamente una figura detallada de ellos.
El enfoque es evidente en la investigación de Stokes sobre la viscosidad de fluidos en la
década de 1840, que llevó a la ley de Stokes que involucra la resistencia de un fluido
viscoso al movimiento de una esfera que se mueve en el. En contraste a los positivistas,
Stokes estaba dispuesto a discutir las “moléculas últimas” de un fluido. Tanto en un esbozo
preliminar de su principal articulo sobre la fricción de fluidos y en el artículo mismo,
Stokes consideró dos diferentes hipótesis respecto a las moléculas de un fluido. Ambas
hipótesis encierran el hecho de que, como se dijo en su articulo: “Es un resultado indudable
de observación que las fuerzas moleculares, ya sea en sólidos, líquidos o gases, son fuerzas
de enorme intensidad, pero que son sensibles sólo a distancias insensibles”5. Ya fuera que
las moléculas estuvieran separadas una de otra o fueran partículas suaves en contacto real,
los resultados, declaró Stokes, serian los mismos4. De aquí, sintió que su trabajo
contrastaba con el tratamiento del francés Navier de la fricción de fluidos en el que las
fuerzas repulsivas entre dos moléculas dependían del movimiento relativo entre ellas “en
forma tal que,” como explicó Stokes, “dos moléculas se repelen entre sí menos fuertemente
cuando se separan, y más fuertemente cuando se acercan, de lo que lo hacen cuando están
en reposo”5. La fuerza del método de Stokes radicaba en que, a diferencia del enfoque
astronómico de Navier, como dijo Stokes, “no requiere necesariamente la consideración de
moléculas ultimas”6. Es decir, Stokes no conocía lo suficiente acerca de las moléculas para
sostener una teoría específica sobre ellas, pero sabía lo suficiente para conocer que podía
legítimamente tratar el fluido como un continuo. Y ya que sus resultados no se basaban en
una hipótesis molecular específica, seguirían siendo válidos cualquiera fuera la explicación
de la situación molecular que apareciera algún día. La investigación de Stokes sobre la
fricción de fluidos ayuda también a ilustrar el papel de modelos mecánicos, como más tarde
se ve cuando él explicó su idea original en una carta a Kelvin:
Suponga que tiene una bolsa de caucho de la India, en tensión, llena de canicas lisas, o por lo
menos canicas que sean lo mas lisas posible. Entonces si usted le diera un movimiento de
distorsión, de vez en cuando una canica estaría en una nueva posición entre sus compañeras,
y el cambio estaría acompañado de un disturbio repentino en todo el conjunto...7.
Stokes relacionó el cambio de las canicas a la viscosidad del fluido.
Maxwell, utilizando una metodología similar a la de Stokes discutió las partículas de
fluidos en la década de 1860 en su teoría cinética de los gases mucho mas específicamente
que lo que Stokes lo había hecho en la de 1840. La razón principal para que pudiera hacerlo
fue el descubrimiento del equivalente mecánico del calor. Afianzado en los experimentos
de Joule y otros y generalizado como primera ley de la termodinámica por Kelvin y otros,
la conclusión de que el calor tenía un equivalente mecánico implicaba que el calor era
simplemente como se decía, un “modo de movimiento” de la materia ordinaria8. Era
natural, por tanto, resucitar la teoría de que el calor era el movimiento de partículas
microscópicas de materia, y la teoría cinética de los gases, entonces, se dedujo de este
concepto básico.
Una teoría cinética de los gases exitosa resultó principalmente de los esfuerzos de Clausius,
Maxwell y Boltzmann desde finales de la década de 1850 hasta la década de 18709. El
primer articulo de Clausius sobre el tópico en 1857 expresaba mucho del marco dentro del
que se llevaría a cabo su investigación y la investigación posterior. Asumía que las
partículas de un gas estaban constantemente en movimiento, que eran muy pequeñas
comparadas con las distancias entre ellas, y que sus interacciones de una con otra eran de
muy corta duración. Usando estas suposiciones, correlacionó los movimientos de las
partículas con las relaciones observadas entre presión, volumen y temperatura de un gas10.
Cuando se criticó a Clausius que un gas cuyas partículas se movieran tan rápido como el
proponía se difundirían a través de un volumen dado mucho más rápidamente de lo que en
realidad se observaba, el respondió con su concepto del camino libre medio de las
partículas del gas11. Maxwell empleó mucho de las ideas de Clausius pero introdujo la
noción de que las velocidades de las partículas del gas no eran todas las mismas, pero se
distribuían sobre un amplio rango de valores11. Maxwell llego a la conclusión inesperada de
que la viscosidad de un gas debía ser independiente de su densidad12, y la confirmación
experimental de esta predicción fue importante para que la teoría cinética lograra
aceptación. El trabajo de Boltzmann reforzó el concepto de Maxwell de la distribución de
velocidades y la interpretación estadística de Maxwell de la segunda ley de la
termodinámica en el contexto de la teoría cinética de los gases13. Como ilustraba el famoso
demonio de Maxwell (así llamado por Kelvin), la disipación (de nuevo un término de
Kelvin) de la energía en un gas era extremadamente probable, pero no necesaria14.
Pero, ¿que decir de las partículas gaseosas mismas? aquí Clausius, Maxwell y Boltzmann
no se comprometían. Clausius habló de la “esfera de acción alrededor de una partícula de
gas, pero sin decir exactamente como era la partícula en si misma y sin, por ejemplo,
aceptar explícitamente los átomos de Boscovich15. Maxwell y Boltzmann pensaban que los
mismos resultados se obtendrían si uno consideraba las partículas del gas como esferas
sólidas o como centros de fuerza. Maxwell, utilizando esferas por conveniencia en 1860
parecía haber considerado su sistema de muchas esferas interactuantes como un modelo
mecánico, ya que escribió: “Si las propiedades de tal sistema de cuerpos se encuentra que
corresponde a aquel de gases, se establecerá una importante analogía física, que puede
conducir a un conocimiento mas exacto de las propiedades de la materia”16. En 1866
Maxwell usó una fuerza molecular que dependía del inverso de la quinta potencia de la
distancia. Aunque tal fuerza se ajustaba con más naturalidad a los átomos de Boscovich,
aun aquí Maxwell declaró que las partículas mismas podían ser “meros puntos, o centros
puros de fuerza... [o] pequeños cuerpos sólidos...”17.
En consecuencia, como resultado de la teoría cinética se podía decir mucho sobre los
tamaños y movimientos de las partículas de los gases, pero mucho menos sobre la
naturaleza de las partículas mismas. También, debe notarse que la teoría cinética no fue un
éxito total. A pesar de la interpretación estadística de Maxwell-Kelvin-Boltzmann, algunos
estaban aun molestos por el concepto de irreversibilidad aplicado a una colección de
partículas que individualmente se movían de acuerdo a las leyes del movimiento de
Newton18. Una de las “nubes” de Kelvin sobre la visión dinámica de la naturaleza al final
del siglo se refería al fracaso del teorema de equipartición de Maxwell-Boltzmann para
tratar gases compuestos de moléculas poliatomicas19. Tales dificultades aparentemente
impidieron una aceptación universal de la teoría cinética en la década de 1890.
Al mismo tiempo que la bien conocida teoría cinética se desarrollaba, Kelvin estaba
desarrollando otra teoría cinética, potencialmente más fundamental. El bagaje teórico
incluía no sólo termodinámica sino la teoría ondulatoria de la luz tanto como el efecto de
Faraday. La teoría ondulatoria de la luz establecía la existencia del éter luminífero en forma
tan segura que contrario a lo que algunas veces se piensa, ni siquiera el experimento
Michelson-Morley de 1887 logró que los físicos la dejaran20. Como Kelvin escribió en la
edición de 1904 de sus famosas Conferencias de Baltimore, “...No debemos escuchar
ninguna sugerencia de que debemos mirar el éter luminífero como una forma ideal de poner
las cosas. Creo que hay materia real entre nosotros y las más remotas estrellas y que la luz
consiste de movimientos reales de la materia, ... movimientos en la forma de movimientos
transversales”21. Datado desde 1845, el efecto Faraday, por supuesto, mostraba que el plano
de estas vibraciones transversales se rotaba cuando la luz se transmitía a través de vidrio de
plomo dentro de un campo magnético22. Una parte final de las bases de Kelvin era su deseo
aparente a considerar el éter y la materia ponderable como, en últimas, dos cosas en nada
diferentes. En un artículo de 1854, por ejemplo, pensó que el éter del espacio era
simplemente una extensión de la atmósfera de la Tierra. Escribió, “Si este [luminífero]
medio [de espacio] es (como me parece lo más probable) o no una continuación de nuestra
propia atmósfera, su existencia es un hecho que no puede cuestionarse...”23. Por tanto
teniendo en mente el bien establecido éter luminífero, el efecto Faraday, la teoría dinámica
del calor y el punto de vista de Kelvin de la posible identidad de éter y materia, podemos
volver a las propias ideas cinéticas de Kelvin al final de la década de 1850.
El imaginó un fluido perfecto sin fricción, con sólidos (“motas” las llamó) distribuidos a
través de él. Aunque no pensó que esta concepción proveyera una teoría completa de la
naturaleza escribió en su cuaderno en enero de 1858 que “como una ilustración mecánica
temporal de algunos de los agentes considerados hasta ahora entre los fenómenos más
inescrutables de la física inorgánica me parece que bien vale la pena trabajar algo de la
dinámica de un liquido perfecto con motas...”24. El sistema dependía de dos proposiciones
dinámicas: (1) que el movimiento traslacional de dicha mota a través de dicho fluido se
convirtiera en movimiento rotacional de la mota; y (2) que tal mota en rotación transmitiera
una presión a través del fluido repeliendo a otras motas. El modelo podía representar un
liquido ordinario como el agua al ilustrar la disipación del movimiento macroscópico del
liquido en rotaciones microscópicas de motas -esto es, en calor. Con la mutua repulsión de
gran número de motas en rotación, Kelvin escribió en su cuaderno, “muy posiblemente
pueda ilustrarse la elasticidad de sólidos, de líquidos reales y de gases”25. Como escribió en
una carta a Stokes, “Un número infinito de tales motas todas rotando con velocidades
angulares grandes se repelerán unas a otras para conservar la clase de estabilidad y dureza
relativa requerida por las vibraciones luminíferas”26. Mas aún, si los ejes de rotación de las
motas se alinearan en la misma dirección, entonces, decía, “las ondulaciones en el sistema
tendrían la propiedad rotatoria de Faraday, cuando los planos de las ondas sean
perpendiculares a esta direccion”26. Aunque el sistema enfrenta muchas dificultades y
aunque Kelvin nunca lo desarrolló en la forma cuantitativa y precisa necesaria para su
aceptación, claramente lo consideraba como potencialemente la base de una teoría dinámica
de la naturaleza, unificada y completa. Habría removido la dicotomía usual entre éter y
materia y los diferentes movimientos dentro del sistema hubieran proveído una base
dinámica comprensible de los fenómenos observados en óptica, electricidad, magnetismo y
calor. Esta visión formó la mayor parte del bagaje conceptual no formulado a sus
concluyentes afirmaciones en una conferencia a la Royal Institution en Londres en 1860:
Parece que el maravilloso tren de descubrimiento, sin paralelo en la historia de la ciencia
experimental, que el mundo ha visto en los últimos años emanar de experimentos dentro de
estos muros, debe conducir a una etapa de conocimientos, en el que las leyes de la naturaleza
inorgánica se entenderán en el sentido en que uno se conocerá como esencialmente conectado
con todo, y en el que la unidad del plan a través de una ejecución de variedad inexhaustible se
reconocerá como el resultado manifiesto universalmente de sabiduría creativa27.
Aunque en gran parte inéditas, las ideas de Kelvin ayudaron a crear el escenario para una
teoría que publicó en 1867 -una que cautivó la imaginación de muchos de los físicos de
finales del siglo diecinueve. Esta fue su teoría de átomo vórtice28. (Ver Fig1)
Fig 1. De Mathematical and Physical papers28 de Kelvin. “En el anillo de humo en que se han
observado realmente, [la velocidad del anillo] parece ser siempre mas pequeña que la velocidad del
fluido a lo largo del eje a través del centro del anillo [ver las flechas en el diagrama]; el observador
parado al lado de la línea de movimiento del anillo ve, cuando el plano pasa por la posición de su
ojo, un diagrama convexo de una atmósfera de humo en frente del anillo”. Por tanto, el diagrama
puede representar la sección transversal de un átomo vórtice con sus líneas mas externas separando
el éter dentro del átomo del éter que rodea al átomo.
En 1867, Kelvin conoció un articulo de una década atrás de Helmholtz en que argüía que
los movimientos tipo remolino en un fluido sin fricción eran permanentes29. En
circunstancias naturales, no podían llegar a existir dentro de un fluido, ni, una vez
establecidos podían dejar de existir. También en 1867, P. G. Tait mostró a Kelvin su
demostración de anillo de humo. Con una caja llena de humo que tenia un lado flexible y
un lado con una abertura circular Tait demostró que un golpe en el lado flexible hace salir
un anillo de la abertura circular. Si, cuando el anillo flota a través del cuarto, se encuentra
con otro anillo que viene en la otra dirección los dos rebotan. El modelo de anillo de humo
sugirió a Kelvin que remolinos tipo Helmholtz permanentes se comportarían en forma
similar en un fluido sin fricción de un éter. Por tanto, las motas sólidas de su anterior
concepción dieron paso a movimientos como-anillo-de-humo del fluido, y Kelvin esperaba
que, cuando esta teoría se desarrollara más, se “convertiría en el fundamento de la nueva
teoría cinética de los gases propuesta. [También] podía anticiparse razonablemente la
posibilidad de fundar una teoría de sólidos y líquidos elásticos basado en la dinámica de
átomos vórtices empaquetados más cerca”30. El átomo vórtice sería realmente un átomo
cinético -no sólo un átomo que se moviera, sino uno que en si mismo era solamente un
“modo de movimiento” del éter. La naturaleza física, entonces, ya no contendría materia
ponderable, éter imponderable, y posiblemente otros imponderables, ni estaría dividida en
el fluido y sólidos de su modelo previo; la naturaleza consistiría solamente de un éter fluido
y sus diferentes movimientos.
¿Como se recibió la teoría de Kelvin del átomo vórtice? Convenientemente para nosotros
casi una década posterior a que Kelvin publicara su teoría, se pidió a Maxwell que
escribiera para la enciclopedia un articulo titulado “Atomo”, en el que escribió en detalle
sobre el átomo vórtice. Al discutir los átomos, Maxwell enfatizó la creciente ciencia de la
espectroscopía tanto como otros aspectos de física que ya hemos anotado. Por la década de
1870 parecía evidente que las partículas de materia de cualquier elemento debían vibrar en
formas complicadas pero definidas para producir las varias líneas espectrales características
de ese elemento. Resumiendo su punto de vista sobre las posibles teorías atómicas,
Maxwell escribió:
El pequeño cuerpo duro imaginado por Lucrecio y adoptado por Newton, se inventó
con el propósito expreso de explicar la permanencia de las propiedades de los
cuerpos. Pero falló en explicar las vibraciones de una molécula como se revelan por
el espectroscopio. Podemos por supuesto suponer un átomo elástico, pero esto es
dotarlo de la misma propiedad para cuya explicación, como se exhibe en cuerpos
agregados, se asumió originalmente una constitución atómica. Los centros masivos de
fuerza imaginados por Boscovich pueden tener mas para agradar a los matemáticos
quienes no tienen escrúpulos de suponerlos investidos con el poder de atracción y
repulsión de acuerdo a cualquier ley de distancia que lo que a él le hubiera agradado
asignar... [Pero] es de gusto científico cuestionable, después de usar los átomos tan
libremente para librarse de fuerzas actuando a distancias sensibles, hacer de la
función total de los átomos una acción a distancias insensibles.
Por otra parte, los anillos vórtices de Helmholtz que Thomson [i. e. Kelvin] imaginó
como la forma verdadera de los átomos satisfacen más las condiciones que cualquier
átomo hasta ahora imaginado31.
Mas aún, Maxwell explicó que mientras los seguidores de Lucrecio y Boscovich podían
añadir ad hoc una tras otra hipótesis para hacer que sus teorías funcionen, “el que se atreva
a plantar sus pies en el camino abierto por Helmholtz y Thomson no tiene tales recursos”.
El fluido de Kelvin tenía, escribió Maxwell, “ninguna otra propiedad que inercia, densidad
invariable y perfecta movilidad”, y al tratar con el fluido, Kelvin y sus seguidores no tenían
otro método que “puro análisis matemático”. “Las dificultades de este método son
enormes”, observó Maxwell, “pero la gloria de resolverlas sería única”32.
Desafortunadamente tales glorias no llegaron. Dentro de una década más o menos de los
comentarios optimistas de Maxwell Kelvin había abandonado la teoría de los átomos
vórtice. Había sido incapaz de aplicarlos en ciertas áreas y, más significativamente como él
dijo, “después de muchos años de fracaso para probar que el movimiento en el anillo
circular ordinario de Helmholtz era estable, llegué a la conclusión de que es esencialmente
inestable, y que su destino debe ser el de disiparse...”33. Así mismo, en la década de 1890,
cuando Kelvin habló de átomos, habló de esferas o de centros de fuerza, pero sin la
confianza de que estaba describiendo los átomos de la naturaleza. Ciertamente, su
pesimismo respecto al conocimiento de los átomos por el hombre era parte de su punto de
vista global reflejado en sus referencias sobre el estado limitado del conocimiento
científico, sobre la carencia de siquiera una “señal” que marcara el camino hacia la
verdad34, y sobre su propio fracaso para entender mejor el éter, la materia y la electricidad
hacia el final de su carrera que lo que había sido en el comienzo35. irónicamente, aun
cuando la física misma progresaba Kelvin se encontró a si mismo en 1890 mucho menos
seguro de lo que había estado en 1870 de que estaba a punto de alcanzar la verdadera teoría
del átomo.
Si miramos a otros durante la década de 1890 -tanto británicos como continentalesencontramos que muchos estaban aún más inciertos acerca de los átomos que Kelvin. El
joven compatriota de Kelvin, Karl Pearson, por ejemplo, escribió en 1892 que átomos y
éter “existen sólo en la mente humana, y son métodos ‘abreviados’ para distinguir,
clasificar y resumir fases de impresiones sensoriales. No existen en o más allá del mundo
de las impresiones sensibles, sino que son el producto puro de nuestra facultad de
razonar”36. J. H.Poynting y Horace Lamb -miembros de la generación de Pearson- se
hicieron eco de estos puntos de vista positivistas, declarando Poynting que “nuestra
hipótesis está en términos de nosotros mismo mas que en términos de la naturaleza
misma...”37 y Lamb explicó qué, a diferencia de la generación de Kelvin y Stokes los
físicos modernos ya no miraban “el mundo físico como un mecanismo... cuyos mas íntimos
detalles algún día podrían adivinarse”38. Sin embargo, estos hombres pensaban que tales
imágenes mentales ayudaban en la investigación científica y Pearson, por ejemplo, propuso
que un átomo podría ser un chorrito de éter. La idea era que un átomo era algo como un
chorrito de agua proveniente de un grifo debajo del agua excepto que en el caso de un
chorrito de éter no había grifo39. En la parte de Europa germano-parlante, el positivismo de
Ernst Mach era similar al de Pearson, y, por supuesto, Mach había sido una influencia
importante en Pearson. El movimiento energético asociado con Plank y Ostwald llamaba a
la eliminación de entidades inobservables de la ciencia. El austríaco Boltzmann cuyos
puntos de vista eran afines a aquellos de los viejos físicos británicos, se encontró rodeado
de un clima intelectual tan ajeno que se sintió a si mismo en completo aislamiento. En
Francia, el prestigio de Duhen y Poincaré militaban contra las teorías atómicas y
moleculares y el francés Jean Perrin luchaba contra los puntos de vista prevalecientes
cuando trató de probar la realidad de las moléculas en su trabajo sobre el movimiento
browniano40. Para simplificar: los físicos británicos anteriores tendían a mirar los átomos
como reales pero pensaban que sabían muy poco de como eran en realidad; muchos físicos
británicos más jóvenes veían los átomos como construcciones meramente mentales pero
estaban de acuerdo con sus colegas más viejos en que tales figuras mentales ayudaban en la
investigación física; y la mayoría de los físicos continentales parecían haber querido oír lo
menos posible acerca de átomos y moléculas en cualquier forma.
Antes de concluir, debería decir algo acerca de las discusiones de los químicos sobre
átomos durante el siglo diecinueve. Brevemente, la tradición química estaba ampliamente
separada de la tradición física y los químicos dieron problemas al atomismo daltoniano.
Aunque las leyes de Dalton de combinación química parecían suficientemente válidas, no
convencieron a todos de la existencia de los átomos. Un problema era que la teoría atómica
parecía algunas veces requerir la verdad de proposiciones altamente dudosas tales como la
curiosa proposición de que volúmenes iguales de gases muy diferentes contendrían el
mismo número de partículas de gas. También, con la teoría atómica, había grandes
obstáculos en producir un sistema aceptable de fórmulas de compuestos y pesos atómicos
relativos. Como un químico británico señaló en 1869, “por una parte todos los químicos
usan la teoría atómica y... por otra parte, un número considerable la miran con
desconfianza, y algunos con total disgusto”41. Las tradiciones química y física
probablemente se aproximaron a su punto más cercano cuando Maxwell afirmó que su
teoría cinética de los gases mostraba que, “el número de partículas por unidad de volumen
es el mismo para todos los gases a la misma presión y temperatura. Este resultado está de
acuerdo con la ley química de volúmenes iguales de gases que sean químicamente
equivalentes”42. Aparentemente, sin embargo, los químicos ignoraron por completo tal
soporte físico para la teoría atómica química y la equivocación respecto a los átomos
químicos persistió hasta la década de 1890. Por supuesto, en Bretaña el soporte mas fuerte
para los átomos químicos vino de físicos como Maxwell y Stokes, ya que ambos hicieron
bando al lado de los átomos en los debates de la Chemical Society de Londres43 y ambos
expusieron el argumento teológico natural de que la similitud de todos los átomos de un
elemento indicaban de que eran “artículos manufacturados” todos hechos de la misma
forma por Dios44.
En conclusión, a pesar de los aspectos no resueltos de la ciencia del siglo diecinueve,
quisiera reenfatizar sus patrones identificables y sus desarrollos y progresos. Tanto Laplace
como Fourier, por ejemplo, representaron tradiciones investigativas bien definidas,
tradiciones que produjeron liderazgo en las tradiciones investigativas germánicas y
británicas a mitad de siglo. los químicos podían aun estar en desacuerdo de si los átomos
eran entidades reales o meros caprichos heurísticos pero al final del siglo habían
establecido un sistema de formulas de compuestos y de pesos atómicos relativos dentro del
marco de la tabla periódica de Mendeleev. Y la teoría cinética de los gases fue posible en la
década de 1860 como simplemente no lo hubiera sido sólo unas décadas antes. Mas aún, la
teoría cinética permitió a los físicos decir mucho más sobre los átomos que un tiempo
anterior en el siglo. Sin embargo, los desarrollos y progresos no proveyeron respuestas
decisivas y aceptadas a la pregunta “¿Qué es un átomo?”45. De hecho, lo que se pensaba
sobre los átomos en la década de 1890 dependía grandemente de si se era un químico o un
físico, un europeo continental o un británico, y, si británico, si era joven o viejo. por lo
menos, es ciertamente erróneo pensar que los físicos de finales del siglo diecinueve tenían
confianza complaciente en una visión ingenua de un mundo hecho de átomos tipo-bolas-debillar y que fueron sobresaltados bruscamente de tales puntos de vista por los eventos que
sobrevinieron. Sin duda los eventos que sobrevinieron fueron bruscos y sorprendentes, pero
no por la aceptación complaciente de los físicos de átomos como bola-de-billar. Los
problemas científicos y las tendencias filosóficas impedían tal complacencia. En su lugar,
opinaría que la sorpresa más grande fue el que preguntas altamente intratables, o muy poco
interesantes como “¿Qué es un átomo?”, resultaron tener respuestas significativas e
interesantes después de todo.
1.
Para los puntos de vista franceses, ver Robert Fox, Hist. Stud. Phys. Sci. 4, 89-136 (1974); y J.
W. Herrivel, Brit. J. His. Sci. 3, 109-132 (1966).
2.
Para un estudio que enfatiza tal metodología flexible en el pensamiento de Maxwell y su
relación con los puntos de vista franceses, ver Robert Kargon, J. Hist. Philos. Sci. 30, 423-436
(1969). Para una bibliografía conveniente de publicaciones recientes sobre Maxwell, ver Donal
Franklin Moyer, Stud. Hist. Philos. Sci. 8, 262-263 (1977), referencia 68. Para un exámen de la
introducción de los físicos franceses al pensamiento Británico, ver Maurice Crosland y Crosbie
Smith, Hist. Stud. Phys. Sci. 9, 1-61 (1978).
3.
G. G. Stokes, Mathematical and Physical Papers, 5 Vols., Vols. IV y V editado por Joseph
Larmor (Cambridge University, Cambridge, 1880-1905), Vol. I, p. 79. El artículo fue
publicado en 1845. La ley de Stokes mencionada anteriormente apareció en su artículo de
1850, en ibid., Vol. III pp. 55-67.
4.
Para la versión publicada, ver Ref. 3, Vol. I, pp. 84-86. La versión no publicada dice: “Para
recapitular: las siguientes son las hipótesis muy simples en las que ahora parece que se basan
las ecuaciones de movimiento que se han encontrado. Que un fluido está compuesto por
moléculas, quizá separadas unas de otras, quizá, por lo menos en algunos casos, en contacto,
pero lisas si es este ultimo caso: que cuando se toma el promedio de un gran número, no hay un
arreglo particular de las moléculas en una dirección más que en otras y que si una sola
molécula se desplazara de su posición de equilibrio relativo, la fuerza aceleradora de
restitución seria muy grande a no ser que el desplazamiento fuera muy pequeño....” (Stokes,
manuscrito titulado, “Theory of the friction of fluids in motion”, Cambridge University
Library, Stokes Collection, Add. MS 7656, PA 224).
5.
Referencia 3, Vol. I, p. 182.
6.
Referencia 3, Vol. I, p. 184.
7. G. G. Stokes para Lord Kelvin, 10 y 11 de Marzo 1888, Cambridge University Library, Kelvin
Collection, Add. MS 72¡342, S481. Esta y la carta citada en la referencia 26 se incluirá en mi
próxima edición de la correspondencia Stokes-Kelvin que será publicada por Cambridge
University Press. Estoy agradecido a los Sindicos del Cambridge University Library por el
permiso para publicar los extractos de las cartas y del manuscrito citado en la referencia 4.
8. Para estudios sobre este aspecto de las investigaciones de Joule y Kelvin, ver Thomas S. Kuhn,
en Critical Problems in the History of Science, editado por Marshall Clagett (Universidad de
Wisconsin, Madison, WI, 1959), p. 321-356; P. M. Heirmann, Centaurus 18, 147-161 (1974);
Crosbie W. Smith, Arch. Hist. Exact Sci. 16, 231-288 (1976); y M. Norton Wise, Hist. Stud.
Phys. Sci. 10, 49-83 (1979). Ver también John Tyndall, Heat Considered as a Mode of Motion
(Longman, Londres, 1863), un libro referenciado por Kelvin más abajo en la referencia 34.
9. Para un extensivo tratamiento de la teoría cinética en el siglo diecinueve, ver Stephen G. Brush,
The kind of Motion We Call Heat: A History of the Kinetic Theory of Gases in the 19th
Century, 2 Vols. (North-Holland, Amsterdam, 1976). El incluye una bibliografía muy detallada
de trabajos relevantes del siglo diecinueve; algunos de los más significativos él ya los había
reimpreso en Kinetic Theory, editado por S. Brush, Vol. I: The Nature of Gases and Heat
(Oxford University, Oxford, 1965); Vol. II: Irreversible Processes (Oxford University, Oxford,
1966).
10. Rudolf Clausius, en Kinetic Theory, Ref. 9, Vol. I, pp. 111-134.
11. Referencia 10, Vol, I, pp. 135-147.
12. James Clerk Maxwell, en Kinetic Theory, Ref. 9, Vol I, pp. 148-171.
13. Ver Ludwig Boltzmann, en Kinetic Theory, Ref. 9, Vol. II, pp. 88-175 y 188-193.
14. Ver, por ejemplo, Kelvin, en Kinetic Theory, Ref. 9, Vol. II, pp. 176-187.
15. R. Clausius, en Kinetic Theory, Ref. 9, Vol. I, p. 139.
16. Maxwell, en Kinetic Theory, Ref. 9, Vol. I, pp. 150.
17. Maxwell, en Ref. 16, Vol. II, pp. 32-33. Sobre Maxwell, ver también P. M. Heirmann, Stud,
Philos. Sci. 1, 189-211 (1970), y M. J. Klein, Am. Sci. 58, 84-97 (1970).
18. Ver S. Brush, The Kinetic of Motion We Call Heat, Ref. 9, Vol. II, pp. 627-640.
19. Kelvin, “Nineteenth Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light”, reimpreso
como Apendice B en Kelvin, Baltimore Lectures on Molecular Dynamics and Wave Theory of
Ligh (Clay, Londres, 1904).
20. Ver, por ejemplo, Loyd S. Swenson, The Ethereal Aether: A History of the Michelson-MorleyMiller Aether Drift Experiments, 1880-1930 (Universidad de Texas, Austin, 1972) y mi
revisión de esto en Hist. Sci. 12, 220-227 (1974). Ver también Gerald Holton, Isis 60, 133-197
(1969).
21.Kelvin, Ref. 19, pp. 8-9.
22. Ver Michael Faraday, Philos. Trans. R. Soc. Londres CXXXVI, 1-20 (1846). Ver también J.
Brookes Spencer, Isis 61, 34-51 (1970).
23. Kelvin, Mathematical and Physical Papers, 6, Vols., Vols. IV-VI editados por Joseph Larmor
(Cambridge University, Cambridge, 1882-1911), Vol. II, p. 28.
24. Citado en Ole Knudsen, Centaurus 16, 48 (1972). Para un relato mas detallado del material
discutido aquí y en el siguiente párrafo, ver la “introducción” a la correspondencia entre sir
George Gabriel Stokes y sir William Thomson, barón Kelvin de Largs, editado con una
introducción por David B. Wilson (a ser publicado). Ver también Ole Knudsen, Arch. Hist.
Exact Sci. 15, 235-281 (1976); y Jed Buchwald, Dictionary of Scientific Biography (Scribner,
New York, 1970). Knudsen, por ejemplo, hace notar la diferencia entre las teorías dinámicas
del calor de Clausius y Kelvin en los años 1850.
25. Knudsen, Centaurus 16, 48 (1972).
26. Kelvin a Sotkes, 17 de junio de 1857, Stokes Collection, K98.
27. Kelvin, Reprint of Papers on Electrostatics and Magnetism, 2da ed. (MacMillan, Londres,
1884).
28. Kelvin, Mathematical and Physical Papers, Ref. 23, Vol. IV, pp. 1-12. Ver también Robert
Silliman, Isis, 54, 461-474 (1963).
29. H. Helmholtz Philos. Mag. 33, 485-512 (1867). Esta es una traducción hecha por P. G. Tait y
Helmholtz del artículo de 1858. Ver las notas adicionadas por Tait y Kelvin en pp. 511-512.
30. Kelvin, Ref. 28, pp. 2-3.
31. James Clerk Maxwell, en The Scientific Papers of James Clerk Maxwell, editado por W. D.
Niven, 2 Vols. (Herman, Paris, 1927), Vol. II, pp. 470-471. Maxwell expresó claramente su
antipatía por el concepto de acción a distancia en sus artículos “sobre acción a distancia” y
“atracción”, citando favorablemente, por ejemplo, la famosa carta de Newton a Richard
Bentley en la que llamo la idea “un absurdo tan grande que creo que nadie, que tenga una
competente facultad de pensar en materias filosóficas, pueda caer en ella”.... Por tanto, para
Maxwell, ni en el caso de distancias grandes -como en la gravedad- ni en distancias
insensiblemente pequeñas -como con los átomos de Boscovich- la acción a distancia proveía
una descripción satisfactoria de la situación real en la naturaleza. En ambos artículos, por
ejemplo, hace hincapié en los éxitos de Faraday y Kelvin en reducir las atracciones y
repulsiones magnéticas a acciones trasmitidas a través de un medio material continuo.
32. J. Maxwell, Ref. 31, pp. 471-472.
33. Citado en Silvanus P. Thompson, The Life of William Thomson, Baron Kelvin of Largs, 2 Vols.
(MacMillan, Londres, 1910), Vol. II, p. 1047.
34. Kelvin, in Mathematical and Physical Papers, Ref. 23, Vol. III, pp. 510-511. Al concluir esta
conferencia presidencial al Instituto de Ingenieros Eléctricos en 1889, Kelvin lamentó que
“debo terminar diciendo que las dificultades son tan grandes en formar algo como una teoría
completa, que nunca podremos imaginar una guía que señale el camino que pueda conducirnos
a la explicación”.
35. Esta bien conocida frase provino de la conferencia de Kelvin en 1896 durante la celebración de
su Jubileo como profesor de filosofía natural en la universidad de Glasgow: “Una palabra
caracteriza el mayor de los esfuerzos para el avance de la ciencia que yo haya hecho:
perseverando durante cincuenta y cinco años; la palabra es fracaso. No se nada más de fuerzas
eléctricas y magnéticas o de la relación entre éter, electricidad y materia ponderable que lo que
sabía y traté de enseñar a mis estudiantes de filosofía natural hace cincuenta años en mi
primera clase como Profesor.” (Citado en Ref. 33, Vol. II, pp. 1072-1073).
36. Karl Pearson, The Grammar of Science (Black, Londres, 1892), pp. 214-215.
37. J. H. Poynting, Brit. Assoc. Adv. Sci. Rep. 620 (1899).
38. Horace Lamb, Brit. Assoc. Adv. Sci. Rep. 429 (1904).
39. K. Pearson, Ref. 36, pp. 318-320 y Am. J. Math. 13, 309-363 (1891).
40. Para una discusión del pensamiento continental, ver Erwin Hiebert, en perspectives in the
History of Science and Technology, editado por Duane H. D. Roller (University of Oklahoma,
Norman, OK, 1971), pp. 67-86; y Mary Jo Nye, Molecular Reality: A Perspective on the
Scientific Work of Jean Perrin (American Elsevier, New York, 1972).
41. A. W. Williamson, J. Chem. Soc. 22, 328-365 (1869), como se citó en David M. Knight, Atoms
and Elements: A Study of Theories of Matter in England in the Nineetenth Century
(Hutchinson, Londres, 1967), p. 114. También citado por Alan J. Rocke para ayudar a
establecer el propósito de este artículo, Hist. Stud, Phys. Sci. 9, 225 (1978).
42. J. Maxwell, en Kinetic Theory, Ref. 9, Vol. I, p. 164.
43. D. Knith, Ref. 41, pp. 111-112.
44. J. Maxwell, en Ref. 31, Vol. II, pp. 376-377 y 482-484. G. G. Stokes, The Gifford Lectures, 2
Vols. (Black, Londres, 1891, 1893), Vol. II, p. 133.
45. Elizabeth Garber subrayó este punto en su artículo, Hist. Stud. Phys. Sci. 9, 265-297 (1978).