William Thomson, físico e ingeniero

Uno de los personajes que más influyó en la Física durante el siglo XIX fue William Thomson (1824-1907) y, sin embargo, es bastante desconocido entre los físicos de hoy día. De hecho estoy casi seguro de que una rápida encuesta entre los lectores de este blog nos lo pondría de manifiesto.

Quizás la situación cambiaría algo si en lugar de preguntar por Thomson lo hiciéramos por Lord Kelvin, ya que ambos fueron la misma persona. En tal caso vendría a echarnos una mano recordar que, en el Sistema Internacional, la unidad de temperatura termodinámica es el Kelvin (que se define como la fracción 1/273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua) y algunos, tal vez, fueran capaces de recordar que el nombre de la unidad se estableció en honor de este físico que fue el «inventor» de la escala absoluta de temperaturas, esa que atribuye 273.15 K a la temperatura de congelación del agua.

Thomson fue considerado por sus coetáneos como el más brillante de los físicos de la época. Y esos colegas suyos no andaban escasos de excelencia científica: Boltzmann, Cauchy, Sturm, Liouville, Foucault, Clapeyron, Clausius, Joule, Maxwell, Stokes, Faraday y Helmholtz, entre otros. Este último lo conoció en 1855 y en una carta a su mujer decía: “Como es uno de los físico-matemáticos más destacados de Europa, esperaba encontrarme con un hombre algo mayor que yo, y no fue pequeña mi sorpresa cuando apareció ante mí un joven extremadamente rubio, de aspecto muy juvenil, casi femenino, … Debo añadir que sobrepasa a todos los grandes científicos que conozco personalmente en agudeza, claridad y rapidez mentales tal que a veces me siento torpe detrás de él.” La sorpresa de Helmholtz estaba justificada ya que Thomson tenía entonces sólo 31 años.

A pesar del desconocimiento sobre su figura, que antes mencionaba, hay que señalar que Thomson obtuvo innumerables resultados científicos relevantes. Además de establecer la escala absoluta de temperaturas, intervino de manera decisiva en la formulación de las leyes de la termodinámica, demostró el que se conoce como teorema de circulación de Kelvin, en mecánica de fluidos. Descubrió la magnetoresistencia y los efectos Thomson, una propiedad termoeléctrica de los materiales, y Joule-Thomson, un proceso termodinámico, este último en colaboración con uno de sus colaboradores, Joule. En astrofísica, una estimación del tiempo que una estrella podría brillar manteniendo la luminosidad, si la única energía de la estrella fuera la producida por la conversión de su energía gravitacional en calor, es la escala temporal de Kelvin-Helmholtz. El mismo nombre recibe una inestabilidad de los fluidos que explica, entre otros fenómenos, la formación en la atmósfera de determinadas nubes onduladas. El denominado patrón de Kelvin describe la estela que produce en el agua la proa de un barco cuando navega. El famoso teorema de Stokes, con el que todos nos hemos encontrado en el cálculo vectorial, fue enunciado por Thomsom en una carta dirigida a su amigo Stokes quien, posteriormente, lo utilizó para formular uno de los problemas en el examen de la edición de 1854 del premio Smith en Cambridge.

En 1892 la Reina Victoria elevó a la nobleza a Thomson. Adoptó el título de Baron Kelvin of Largs, tomando el nombre del río Kelvin, que pasaba cerca de su laboratorio en la Universidad de Glasgow (donde había ejercido como catedrático de Filosofía Natural desde el año 1846), y de la ciudad de Largs, en cuyas afueras estaba su residencia Neterhall. Thomson se convirtió, de esta forma, en el primer científico en recibir tal honor en Gran Bretaña.

Cuando murió, el 17 de diciembre de 1907, era una persona de una considerable riqueza. No, obviamente esa situación no se debía a su actividad como físico. En realidad fue el resultado de una intensa actividad en el otro mundo al que dedicó su tiempo: la ingeniería. Thomson desarrolló, a lo largo de su vida, más de cincuenta patentes de dispositivos que tuvieron aplicación en muy distintos ámbitos: telegrafía (galvanómetro de espejo, registro de sifón), brújulas y aparatos de navegación, dínamos y lámparas eléctricas, instrumentos de medida eléctricos, producción electrolítica de álcalis, válvulas para fluidos, etc. Esto le produjo considerables réditos.

Esquema del galvanómetro de espejo

Uno de los trabajos más llamativos de Thomson es su participación, activa y gratuita, en el tendido del primer cable telegráfico submarino a través del Atlántico, en 1864. Con tal ocasión diseñó distintos procedimientos que mejoraron el propio tendido del cable, evitando su rotura, y la transmisión de las señales eléctricas a través del mismo. También presidió la comisión internacional que se encargó de asignar los contratos para la producción y transporte de energía eléctrica desde las cataratas del Niágara a la ciudad de Buffalo, en 1895.

La conisión Internacional Niágara, con Thomson en el centro

La comisión Internacional Niágara, con Thomson en el centro

Desde su doble enfoque como físico-matemático y como ingeniero contribuyó decisivamente al desarrollo del modelo dinámico imperante a lo largo del siglo XIX: el modelo mecanicista. Se esforzó en aplicarlo, sobre todo, a la termodinámica y al electromagnetismo y sus aportaciones resultaron ser fundamentales a la hora de solucionar cuestiones básicas, como ocurrió con las leyes de la termodinámica, o dar pie a que otros desarrollaran sus teorías, como fue el caso de Maxwell y sus ecuaciones del campo electromagnético. Esta implicación queda patente en una de sus conferencias cuando afirmaba: “Yo nunca estoy satisfecho conmigo mismo hasta que puedo hacer un modelo mecánico de una cosa. Si puedo hacer un modelo mecánico puedo entenderlo. En tanto en cuanto no pueda hacer un modelo mecánico completo no puedo entenderlo.”

A partir de 1890, Thomson observó cómo “su” modelo mecanicista se desmoronaba. En 1900, en una conferencia impartida bajo el título “Nubes del siglo XIX sobre la teoría dinámica del calor y la luz”, mencionó dos problemas: “La belleza y claridad de la teoría dinámica, que establece que el calor y la luz son modos de movimiento, están actualmente oscurecidas por dos nubes. La primera nació con la teoría ondulatoria de la luz y fue abordada por Fresnel y el doctor Thomas Young; involucra la cuestión: ¿cómo podría la Tierra moverse a través de un sólido elástico tal y como esencialmente es el éter? La segunda es la doctrina de Maxwell-Boltzmann relativa a la partición de la energía”. La primera “nube” se refiere al rechazo del éter como medio mecánico para transportar la luz, el calor y otras formas de energía. Con la segunda se refería al problema de la radiación del cuerpo negro. No, no se trataba de un par de incómodos detalles de importancia secundaria, sino que eran, respectivamente, los gérmenes de las teorías de la relatividad y cuántica, las dos teorías que revolucionaron la física a principios del siglo XX.

Ante el descubrimiento de los rayos X por Röntgen y del electrón por Thomson (Joseph John Thomson, que no era pariente en ningún grado conocido de Lord Kelvin), adoptó una posición escéptica. “Los rayos X son una patraña”, declaró en cierta ocasión. Pero a pesar de ello trató de entender los mecanismos que daban lugar a estos nuevos procesos físicos e, incluso, propuso modelos que permitían explicar algunos de los resultados experimentales. Y siempre desde una perspectiva loable que expresó como sigue: “Igual que los grandes avances en matemáticas se han llevado a cabo a través del deseo de descubrir la solución de problemas que eran de índole muy práctica para la ciencia matemática, en la ciencia física muchos de los grandes avances que se han hecho desde el principio del mundo hasta el tiempo presente se han conseguido con el serio deseo de transformar el conocimiento de las propiedades de la materia para algún propósito útil para la humanidad.”

Son muchas las frases erróneas de Thomson de las que se tiene constancia. Encontrarlas es un sencillo ejercicio de navegación en la red y dejo al lector interesado que hurgue a su antojo. Acabo este post con una de las sentencias que, en mi opinión, más denota su actitud personal y su postura científica y que más me gusta a mí. El 3 de mayo de 1883, con motivo de una conferencia dirigida a la Institución de Ingenieros Civiles británicos, dijo: