Que la matemática que hay detrás del lanzamiento de una moneda o de la ruleta pueda estar detrás de la física del calor y del funcionamiento del universo es algo que hubiera descartado a dos barajas cualquier físico del sXIX. Que este enfoque, además fuera a cambiar la visión de la física y de la química, solo podía salir de alguna mente joven e inquieta. Ese joven fue James Clerk Maxwell, más conocido por sus ecuaciones de electromagnetismo, también jugó un papel fundamental en el nacimiento del demonio de la física estadística. Veremos cómo.
En los 1850 Clausius y Joule habían llegado independientemente a una teoría dinámica de los gases donde la velocidad de las teóricas moléculas individuales es la que determinaba la temperatura y el flujo de calor. El calórico como sustancia material del calor perdió base y se inauguró otra forma de ver los procesos de transmisión de energía en los gases. Un joven Maxwell leyó los artículos de Clausius sobre el calor y al principio intentó refutarlas. Para ello introdujo el cálculo de probabilidades en la física mecánica proveniente de la medición de las órbitas de los astros, siempre sujeta a la ley del error, y lo que encontró cambió la visión física.
Clausius había definido la temperatura en su versión particular como la velocidad de las supuestas partículas que componen los gases. William Thomson asoció la temperatura a lo macroscópico, a la capacidad del calor de realizar trabajo útil.
Lo que Maxwell ve es que el movimiento caótico de las moléculas en un gas, en vez de tender a hacer más homogéneas sus velocidades, produce una cierta distribución de estas velocidades en forma de una campana gaussiana en torno a un valor más probable. Calculó que la velocidad media de una molécula a 25 grados sería de 420 m/s o 1500 km/h, mayor que la velocidad del sonido. Si bien, habría muchas otras moléculas por encima de esa velocidad con bastante probabilidad 2400 km/h o por debajo 720 km/h siguiendo una distribución de probabilidad normal. Esto resultó un poco difícil de asimilar en la década de 1860, donde muchos no aceptaban como real incluso la existencia de las moléculas como para creer que la probabilidad podía estar detrás de los fenómenos físicos a escala microscópica.
No obstante, el tratamiento matemático estadístico que hizo Maxwell en 1960 sobre la velocidad de las moléculas en un gas llevaba a una predicción única. La disminución de la presión o su aumento no deberían afectar a la viscosidad del gas en cuestión. Una presión mayor daría un mayor número de choques tanto en contra como a favor del movimiento, pero menor efectividad. En cambio, una menor presión daría un menor número de choques tanto a favor como en contra del movimiento, pero de mayor efectividad al haber menos colisiones mutuas entre moléculas.
Lamentablemente, ese mismo año fue despedido del Marshall College de Aberdeeen y tuvo que volver a la residencia familiar de Glenlair. Allí, contrajo la viruela, una enfermedad que se llevaba a 3 de cada diez, por suerte para él y la ciencia, se recuperó. Poco después, en 1861, fue contratado en el King´s College de Londres, una universidad con poco tiempo, pero pujante. El matrimonio de Maxwell y Katherine Dewar se mudó al barrio de Kensigton y en esa casa llevaron a cabo los experimentos que probarían que la predicción de la teoría dinámica de los gases era cierta. Probaron que la resistencia al movimiento en diferentes gases no variaba en un rango muy amplio de presiones, desde presiones muy bajas a presiones altas tolerables por su ingenioso aparato. Esta predicción era única de su teoría y la hacía muy probable, por lo que fue sometida a más pruebas que no la refutarían.
En 1964 publica su famoso artículo de la más famosa teoría Electromagnética. Entre 1865 y 1870 se retira a Glenlair por problemas de salud de su mujer. Aquí, encontró la tranquilidad para desarrollar con mayor claridad la teoría Cinética de los gases y su más famosa teoría Electromagnética 1964. Cuentan que el gran Faraday, una vez saliendo de una conferencia en Royal Institution entre un gran gentío, le dijo, si hay una persona capacitada para salir de ahí debería ser usted señor Maxwell.
En 1867 publica ‘Sobre la teoría cinética de los gases’ don fija sus ideas sobre la teoría cinética, como comprender las variables termodinámicas y propone una ecuación que será equivalente a la que posteriormente propondrá Boltzmann. Es en estas fechas donde introduce su famoso experimento mental con el demonio de Maxwell para intentar comprender a nivel molecular y explicar la imposibilidad de violar el segundo principio de la termodinámica que Clausius en 1865 había ligado una nueva magnitud, la entropía. Con todo, Maxwell inexplicablemente no vio las conexiones para comprender por qué el calor fluye de la caliente a lo frío y no al revés según la visión probabilística.
Si quieres saber más cosas sobre el desarrollo de la teoría termodinámica, un libro muy interesante es ‘El frigorífico de Einstein, cómo el frío y el calor explican el universo’, de Paul Sen, Paidós 2022. Es así, este tipo de libros tiene que nombrar Einstein para que se les preste algo de atención
REFERENCIAS
The development of the kinetic theory of gases. S.G. Brush A.B. D.Phil. Annals of Science
Paul Sen. El frigorífico de Einstein. Paidós 2022.
J. C. Maxwell. A dynamical theory of the electromagnetic field. 1864
History of Kinetic Theory. From Boyle and Bernulli to now.
Flagellum. Impulsando la comprensión de la ciencia. 