Al parecer, la electricidad y el magnetismo son notablemente similares a la gravedad. Justo en la forma en que dos masas son atraídas una por la otra por una fuerza inversa al cuadrado de la distancia, la fuerza entre dos objetos cargados o dos polos de un imán es también inversa del cuadrado de la separación. La diferencia es que la gravedad es siempre atractiva, mientras que la electricidad y el magnetismo pueden ser bien atractivos o repulsivos.
Por ejemplo, dos cargas positivas se repelerán una a la otra, mientras que una carga positiva y una negativa se atraerán.
Como con la gravedad, la electricidad y el magnetismo generaron la pregunta de acción a distancia.
¿Cómo “sabe” una carga si ser repelida o atraída por la otra carga? ¿Cómo interactúan a través del espacio vacío entre ellas?
La respuesta a esa pregunta vino de James Clerk Maxwell.
El aporte significativo de Maxwell fue cambiar la forma en que veíamos las fuerzas electromagnéticas. Él pensaba que cada carga debía de alcanzar a la otra con algún tipo de energía. Esto es, una carga está rodeada de un campo eléctrico, un campo que otras cargas pueden detectar.
Las cargas poseen campos eléctricos e interactúan con los campos eléctricos de otras cargas.
Lo mismo debería suceder en los imanes pues poseen campos magnéticos e interactúan con ellos. El modelo de Maxwell no fue solamente una descripción de la fuerza entre cargas e imanes, sino también una descripción de los campos eléctricos y magnéticos. Con ese cambio de perspectiva, Maxwell encontró conexión entre la electricidad y el magnetismo.
Estaban conectados por campos.
Un campo eléctrico en movimiento crea un campo magnético, y de la misma forma, un campo magnético en movimiento crea uno eléctrico. No sólo conectados, sino que un tipo de campo puede crear el otro.
Maxwell había creado una descripción unificada de electricidad y magnetismo.
Él unificó dos fuerzas diferentes en una sola que conocemos ahora como electromagnetismo.
La teoría de Maxwell no sólo revolucionó la física, sino que le dio a la astrofísica las herramientas para entender finalmente algunos de los aspectos del complejo comportamiento del espacio interestelar.
A mediados del siglo XX, las ecuaciones de Maxwell fueron combinadas con las ecuaciones de Navier-Stokes usadas en la descripción del movimiento de un fluido, para crear la Magnetohidrodinámica (MHD). Utilizando la MHD finalmente pudimos comenzar a modelar el comportamiento del plasma dentro de los campos magnéticos, lo que es importante en el entendimiento de los procesos solares, la formación de estrellas y planetas.
Y a medida que nuestras facultades computaciones se incrementaron, fuimos capaces de crear simulaciones de protoestrellas y planetas en desarrollo.
Aunque aún hay muchas preguntas sin respuesta, sabemos ahora que el baile entre plasma y electromagnetismo juega un rol crucial en la formación de estrellas y planetas.
A pesar de que el Electromagnetismo de Maxwell es una teoría increíblemente poderosa, sigue siendo un modelo clásico como la gravedad de Newton, pero a diferencia de esta, puede combinarse con la Teoría Cuántica para crear un completo modelo conocido como Electrodinámica Cuántica (QED, por sus siglas en inglés).
Una idea central de la teoría cuántica es el comportamiento dual onda-partícula. De la misma forma en que los protones y electrones pueden interactuar a modo de campos, el campo magnético puede interactuar como cuantos que se comportan como partículas que llamamos fotones. En la QED, las cargas y los campos electromagnéticos son descritos como interacciones de cuantos.
Esto es mayormente realizado a través de las aproximaciones ilustradas de Richard Feynman conocidas ahora como los diagramas de Feynman.
Los diagramas de Feynman son usualmente entendidos equívocamente de representar lo que sucede en realidad cuando las cargas interactúan.
Por ejemplo, dos electrones se aproximan, intercambian un fotón, y luego se alejan. O la idea de que las partículas pueden aparecer y desaparecer en tiempo real. Mientras que los diagramas son sencillos de entender como interacciones entre partículas, siguen siendo cuantos, y siguen siendo materia de la Teoría cuántica.
La forma en que son utilizadas en la electrodinámica cuántica es para calcular todas las formas posibles en que las cargas pueden interactuar a través del campo electromagnético de forma que se determine la probabilidad de cierto resultado. Pensar que todas esas posibilidades suceden al mismo tiempo es como pensar que cinco manzanas aparecen en una mesa a medida que las vas contando.
La QED se ha convertido en el modelo físico más preciso visto hasta la fecha, pero este poder teórico viene de la mano con la pérdida del concepto intuitivo de la fuerza.
Las Interacciones de Feynman pueden ser utilizadas para calcular la fuerza entre las cargas, de la misma forma en que la curvatura espacio-tiempo de Einstein puede ser utilizada para calcular la fuerza entre las masas.
Sin embargo, la Electrodinámica cuántica también permite interacciones que no son fuerzas.
Un electrón puede emitir un fotón de forma que pueda cambiar su dirección, y un electrón y un positrón pueden interactuar para producir un par de fotones.
En la Electrodinámica cuántica la materia puede convertirse en energía y la energía puede convertirse en materia.
