¿Por qué se dice que la luz no necesita un medio por el que viajar?

En 1831, Michael Faraday tomando las cosas donde Oersted las había dejado, confirmó que una corriente eléctrica puede producir un campo magnético, yendo más allá, demostró que un flujo magnético variable crea una corriente eléctrica y, que una corriente eléctrica variable en un circuito induce el que aparezca una corriente en otro, esto es, descubrió la inducción electromagnética. Luego, en 1846 publicó un artículo sobre las consideraciones de las vibraciones en los rayos, donde especulaba que la luz era un tipo de vibración en las líneas de fuerza, en su imagen, las cargas eléctricas estaban ligadas por líneas de fuerza en el espacio, introduciendo la cuestión ¿una carga vibrando haría vibrar a las líneas de fuerza? En este punto, Faraday debió imaginar que cada línea se comportaba como una hilera de osciladores armónicos acoplados, vería perturbaciones propagándose tanto como onda longitudinal o como onda transversal.

Aquí es donde entra en juego James C. Maxwell, que relacionó los campos eléctricos con los magnéticos, demostró que una onda puramente eléctrica generaría necesariamente una magnética ,y viceversa, por lo que los campos están acoplados, y que además, deben viajar a la velocidad de la luz.

Pero hay un problema, en el espacio vacío no hay materia ni corrientes eléctricas así que no hay manera de escaparse del hecho de que, según las leyes de la electricidad y del magnetismo de los tiempos de Maxwell, no podría haber ondas electromagnéticas en el espacio. La cuestión era esta, si las leyes de la física establecían que en un espacio vacío no podían existir ondas ¿podría haber sido que aunque fueran leyes fundamentales de algún modo estaban incompletas?

Maxwell se dedicó a examinar las leyes fundamentales de su época y obtuvo un gran triunfo al encontrar la pieza que faltaba, y lo consiguió observando un aparato sencillo y completamente convencional: un condensador. La circulación magnética a lo largo de cualquier trayectoria depende de la corriente eléctrica que atraviesa la superficie bordeada por dicha trayectoria.

∮B⋅dr=μ0I∮B⋅dr=μ0I

La manera de estar seguro de que la corriente va a través de esa superficie es imaginando una membrana bordeada por la trayectoria. La corriente entonces deberá pasar a través de la membrana independientemente de la forma que tenga ésta.

Pero esto ya no es cierto si la corriente va a un condensador, entonces, aún cuando hay una corriente que circula no puede haber ninguna a través de la membrana. Si eso es así ¿a qué es igual la circulación magnética?

Buscando una respuesta a esa pregunta, tomó del libro de Faraday: “cuando el flujo magnético varía, crea una circulación eléctrica”, y lo pensó al revés, ¿puede la variación del flujo del flujo eléctrico crear circulación magnética? La respuesta prometía una solución al problema del condensador.

Cuando la corriente fluya a un condensador, la carga aumenta, lo que crea un campo eléctrico creciente entre las placas. El flujo eléctrico a través de la membrana se puede deducir a partir de la ley de Gauss imaginando una superficie cerrada. Todo el flujo va a través de la membrana en forma de cúpula y es igual a la carga en la placa del condensador dividido por la permitividad en el vacío. El ritmo de cambio del flujo eléctrico se puede hallar diferenciando la ley de Gauss y viene dada simplemente por la corriente que circula por el cable. En otras palabras, la permitividad en el vacío multiplicado por el ritmo de cambio del flujo eléctrico a través de la membrana con forma de cúpula es lo mismo que la intensidad de la corriente eléctrica a través de la membrana plana.

ε0ddt∬E⋅dA=dqdt=Iε0ddt∬E⋅dA=dqdt=I

Este fue el descubrimiento crucial de Maxwell, la manera precisa de cómo un flujo eléctrico variable puede generar un campo magnético como si fuese una especie de corriente eléctrica, de hecho el propio maxwell llamó al término “corriente de desplazamiento”. Dicho de otro modo, la circulación magnética a lo largo de una trayectoria a lo largo de una trayectoria cerrada viene dada no solo por la corriente eléctrica a través de la superficie bordeada por dicha trayectoria, sino también por el ritmo de cambio del flujo eléctrico a través de dicha superficie. Así es como Maxwell completó las leyes de la electricidad y del magnetismo.

∮B⋅dr=μ0I+μ0ε0ddt∬E⋅dA∮B⋅dr=μ0I+μ0ε0ddt∬E⋅dA

Y con esas leyes, Maxwell pudo demostrar que las ondas electromagnéticas de cualquier frecuencia y longitud de onda se propagan en el vacío a la velocidad de la luz.