Campos en Física

Nociones históricas de campo

Ya en la antigua Grecia, los filósofos y los matemáticos desarrollaron una intuición sobre las fuerzas, en su mayoría sin contacto, de algo que existía en el espacio y hacía que las cosas se movieran o se comportaran de determinadas maneras. No se consiguió una formulación matemática precisa de esta idea hasta que Newton formuló su teoría de la gravitación. Desde entonces, se llegó a entender que las características básicas de los campos eran

• Presencia de una fuente responsable de la existencia del campo. Por ejemplo, la fuente habitual del campo magnético es un imán. En la física moderna, las teorías y mediciones avanzadas han permitido descubrir ciertas partículas "portadoras" de la interacción, como los fotones en el caso del campo electromagnético.
• Carácter espacial: el campo puede comportarse como una cantidad escalar en todo el espacio, mostrando sólo magnitud, o puede tener una dirección u otras características más complicadas. Por ejemplo, la gravedad tiene una dirección hacia la Tierra, pero la temperatura sólo importa como número que mide su intensidad.
• Localidad: es la característica clave de los campos habituales, que son funciones del espaciotiempo. Eso significa que el campo más general toma valores distintos para lugares diferentes del espacio, y evoluciona en el tiempo para cada punto. Por ejemplo, la temperatura de una habitación cambia con el tiempo y será mayor cuanto más nos acerquemos al calefactor.

Figura 1. Ejemplo de campo de dirección.

Aunque el carácter espacial fue comprendido rápidamente por científicos y filósofos, la naturaleza de las fuentes y de la localidad fueron ampliamente cuestionadas a lo largo de la historia. En cuanto a las fuentes, es cierto que, según nuestra comprensión de los campos, no siempre existe una fuente propia, como, por ejemplo, para la temperatura.

Por otra parte, la cuestión de la localidad ha planteado un reto mayor a la hora de modelar y comprender los campos. Por ejemplo, antes se creía que la temperatura se generaba en "burbujas" que flotaban alrededor. Hoy en día, aunque la localidad es un principio ampliamente aceptado, algunos efectos no locales nos han llevado a creer que es aproximada pero no totalmente correcta.

La importancia de los campos

La mayoría de los problemas de física que se plantean en el instituto implican fuerzas muy simplificadas que actúan de forma muy local, pero sólo en un punto determinado del espacio. Las partículas puntuales son los objetos elementales con los que trabajamos. Tenemos ejemplos de ellas en las cargas responsables de crear un campo eléctrico o en la mayoría de los modelos atómicos modernos al considerar el electrón. Los campos son una generalización para todo el espacio de las fuerzas locales puntuales que hemos mencionado. Al final, todo esto se debe a que las interacciones provocadas por los campos se producen en puntos más pequeños que cualquier escala que consideremos.

¿Qué consecuencias tienen los campos como objetos físicos?

Vamos a repasar algunas de las implicaciones de los campos para las teorías físicas. En concreto, nos centraremos brevemente en un par de aspectos matemáticos y después en algunos puramente físicos.

Implicaciones matemáticas de los campos

La implicación básica de los campos y su naturaleza es la posibilidad de utilizar el cálculo diferencial para estudiar cómo funcionan los campos. En general, esto es beneficioso, ya que disponemos de muchas nociones de manipulaciones estadísticas, transformaciones de expresiones, etc., que nos permiten avanzar en muchas direcciones y trabajar con ordenadores cuando los sistemas son demasiado complejos. No obstante, las teorías de campo han tenido problemas matemáticos, que se están abordando (y se han abordado) para obtener resultados sensatos.

Implicaciones físicas de los campos

Las implicaciones físicas, aunque no son totalmente independientes de las matemáticas, se basan en el hecho de que ahora las fuerzas están causadas por una entidad que impregna todo el espacio y evoluciona en el tiempo. La esencia de un campo es la abundancia de información. Puesto que, para cada punto, disponemos de información sobre la fuerza del campo, su dirección, su evolución temporal, etc., podemos generalizar la dinámica de cualquier objeto sometido a la influencia del campo.

¿Cuáles son los ejemplos de campos físicos?

Por último, enumeraremos algunos ejemplos de campos en física y explicaremos brevemente su naturaleza y función:

• Campo gravitatorio: probablemente el más famoso y, aún hoy, ampliamente investigado. Se genera por la presencia de masa y tiene una dirección. La primera formulación matemática se debe a Newton, y es el campo más relevante a escalas interplanetarias.
• Campo electromagnético: el subcampeón en el concurso de la fama de los campos, se genera por la presencia de carga cuyo estado de movimiento crea distintos tipos de campos eléctricos, magnéticos o ambos. Las teorías modernas del electromagnetismo se basan en partículas, llamadas fotones, que originan el campo.
• Corriente de aire/viento: son muy similares en que se propagan en medios materiales, aire y agua, y suelen tener una dirección restringida a un plano (no suben ni bajan). No tienen una fuente física propia como en los ejemplos anteriores, sino que están causadas por fenómenos ambientales.