Una esfera de virtud 

Este artículo ha sido finalista del Concurso de divulgación Ciencia Jot Down en la modalidad de ensayo.

En el libro VI de su De rerum natura, el poeta romano Tito Lucrecio dedica unos versos al comportamiento del hierro cuando se somete a la influencia de la «piedra imán»: 

Por qué ley natural el hierro puede
atraer esta piedra que los griegos
magnética llamaron en su lengua […]
porque viene a formar una cadena
de pendientes anillos unos de otros […]
y ellos se comunican mutuamente
la virtud atractiva de esta piedra.
También sucede alguna vez que el hierro
se aparta del imán: alternativamente
hierro de Samotracia y limaduras
he visto yo saltar y revolverse
en un vaso de cobre si acercaban
esta piedra imán por el asiento. 

El primer estudio sistemático del imán se origina en el marco de una cruzada. El rey Carlos I de Anjou avanza hacia la ciudad de Lucera, en la región de la Apulia italiana, donde someterá a un largo y difícil asedio a las comunidades musulmanas que allí viven. Para ocupar los días en algo provechoso, un ingeniero del ejército del rey comienza a escribir una extensa carta a su más íntimo amigo, Sigerus de Foucaucourt. 

Estimadísimo amigo: 

En relación a tu ferviente petición te haré saber, en una narrativa poco refinada, la indudable aunque oculta virtud de la piedra imán, de la cual los filósofos actuales no nos ofrecen información. Porque es característico de las cosas buenas permanecer ocultas hasta que se traen a la luz para su aplicación a la pública utilidad. Más allá de mi afecto por ti, escribiré en un estilo sencillo sobre cosas completamente desconocidas para el individuo común […]. La revelación de las propiedades ocultas de esta piedra es como el arte del escultor, que trae figuras a la existencia. 

Fechada el 8 de agosto de 1269, y escrita por Peter Peregrinus de Maricourt, es el primer hito documentado en el campo del magnetismo. La carta, conocida como Epistola de magnete, se divide en dos partes: diez capítulos sobre las propiedades generales de la piedra imán y tres capítulos sobre la construcción de una máquina y un compás magnéticos. En ella relata: 

Deseo informarte de que esta piedra [imán] contiene la semejanza de los cielos, como te demostraré claramente. Hay en los cielos dos puntos más importantes que cualquier otro, porque sobre ellos, como si de pivotes se tratara, gira la esfera celeste. Estos puntos se llaman polo ártico o norte, y polo antártico o sur. Igualmente, puedes comprobar que en esta piedra hay dos puntos denominados respectivamente polo norte y polo sur. 

Peregrinus encuentra esta analogía en un revelador experimento. Habiendo dado forma redondeada a una piedra imán, le aproxima una aguja y traza sobre la piedra la dirección en que se orienta aquella. Repite el proceso desde diversos puntos y descubre que las líneas trazadas convergen hacia dos puntos, en gran similitud con los meridianos del globo terrestre, por lo que otorga el nombre de polos a estos dos privilegiados puntos de la piedra. Esta conclusión le hace comprender que los fenómenos de atracción y repulsión de los imanes dependen solamente de la posición de estos polos. 

Analizando su Epistola, destacan otros hallazgos en relación al magnetismo. Es el primero en usar una aguja imantada rodeada de un círculo graduado para determinar la posición de un objeto, establece que cada fragmento de un imán vuelve a convertirse en un imán completo, e introduce la idea de motor magnético capaz de mantener el movimiento por atracción y repulsión alternativa de imanes. Esta idea sigue siendo el principio de funcionamiento de los motores eléctricos. 

Habría que esperar unos trescientos años para que el estudio del magnetismo terrestre tuviese avances significativos de la mano de Robert Norman, marino y constructor de compases magnéticos. Su experiencia le indicaba que, por mucho esmero que se pusiese en equilibrar la aguja de una brújula, su extremo no apuntaba solo hacia el norte magnético sino que siempre se inclinaba hacia abajo. Norman debía compensar esta inclinación cortando la aguja o colocando un trozo de cerámica en el extremo opuesto de la misma para equilibrarla. En cierta ocasión, tras un delicado trabajo, encontró que la inclinación era muy acusada, así que comenzó a cortar fragmentos de la punta hasta que cortó demasiado y echó a perder la aguja en la que se había tomado tantas molestias. Profundamente irritado, se dedicó a profundizar en este enojoso efecto. 

Su primer paso fue desarrollar un instrumento que le permitiese medir esa inclinación. El aparato, que hoy llamaríamos clinómetro, se utilizaría como una brújula pero dispuesta en vertical y le permitió observar que en Londres la desviación de la aguja llegaba casi a los 72 grados respecto de la horizontal. Era de sospechar que el ángulo cambiaría con la latitud del lugar, pero ¿qué la causaba? Para echar por tierra la teoría tradicional, que mantenía la existencia de un punto de atracción en el subsuelo terrestre hacia el que apunta la aguja, diseña un experimento que nos invita a reproducir: 

Quizá usted dirá (como otros han imaginado) que es el extremo sur de la aguja el que se eleva por la virtud atractiva de algún punto del cielo. O que más bien será el extremo norte de la aguja que se dirige hacia algún punto atractivo de la Tierra. Esta última [opción] podría tener alguna probabilidad, pero probaré que no existe tal punto atractivo. 

[Para ello] tome un trozo de alambre de, al menos, dos pulgadas de largo, y clávelo en un trozo de corcho lo bastante grande para mantener el alambre sobre el agua, colocando el corcho en el centro del alambre. Entonces, tome un vaso, copa, u otro recipiente profundo y llénelo con agua. Hecho esto, corte el corcho en su contorno poco a poco hasta lograr que [el conjunto] quede bajo la superficie del agua dos o tres pulgadas, y el alambre nivelado, sin ascender o descender con la superficie del agua. 

[Seguidamente] tome el alambre y tóquelo con el imán, un extremo con el sur del imán, y el otro extremo con el norte, y colóquelo de nuevo en el agua. Lo verá girar sobre su propio centro mostrando la propiedad de la inclinación, sin descender al fondo, como debería ocurrir si hubiera algún punto inferior de atracción. 

Con esta prueba, Norman sugiere abandonar la idea del punto de atracción en favor de un fenómeno direccional que explicara la inclinación magnética. Un imán señala al norte no porque exista un punto privilegiado que lo atrae, sino porque se orienta en dirección norte-sur. Surgía así una embrionaria noción de campo magnético, cuyas líneas de acción —no paralelas a la superficie terrestre, de ahí la inclinación— gobiernan la brújula. 

El continuador del estudio de Norman, William Gilbert, se había doctorado en medicina en 1569. A través de aristócratas a los que atendía como pacientes, llegó a conocer a célebres navegantes y la importancia de la navegación magnética. Comenzó sus experimentos sobre el magnetismo terrestre en una época en la que era delito, punible con azotes, que el aliento de un timonel oliese a ajo por temor a que desmagnetizase la brújula del barco. Para ello se fabricó un modelo a escala de la Tierra, un imán con forma esférica a la que denominó terrella, que estaría bajo la influencia de una invisible «esfera de virtud», expresión con la que se refería al campo magnético generado por la esfera. 

Para medir el fenómeno con mayor precisión, construye su adaptación del clinómetro de Norman, una aguja metálica que gira libremente alrededor de un eje al que llama versorio (versorium). Al aproximar el versorio a la terrella, comprobó lo que Norman había observado. La inclinación de la aguja variaba entre el ecuador y los polos en función del punto donde lo situara. Los resultados que obtiene sobre este modelo a escala no le dejan lugar a dudas. Con esta evidencia aplicada a la Tierra como gigantesco imán, se entusiasma en pensar la utilidad que puede tener este descubrimiento como ayuda para la navegación, por lo que decide elaborar un diagrama que relacionase inclinación magnética y latitud. Cuando tuvo ante sus ojos el complejo ábaco terminado, no puede evitar embriagarse con la imagen de los navíos que conocerían su posición sin depender de la observación de las estrellas y dice: 

¡Qué agradable, qué útil, qué divina! Cuando los marinos se agiten sobre las olas en un tiempo nuboso, incapaces de saber dónde están por las luminarias celestes, se sentirán aliviados de conocer la latitud del lugar con muy poco esfuerzo y este sencillo instrumento. 

Gilbert estaba convencido de haber creado el GPS del siglo XVII. Bastaba con trasladar al diagrama los grados de inclinación que experimentaba el versorio para fijar sobre el mapa la latitud por la que se navegaba. Lástima que esta bella idea fuese una quimera porque el campo magnético terrestre, lejos de ser estable, sufre alteraciones constantes e impredecibles. 

Los polos magnéticos de la Tierra intercambian su posición y se desplazan de un hemisferio a otro siguiendo un proceso muy irregular que ha sucedido veintitrés veces en los últimos cinco millones de años. Además, se han dado episodios en los que polos magnéticos se desvanecen, se debilitan e incluso surgen polos adicionales. Solo desde hace unos pocos años se comienza a entrever la relación entre la inversión magnética y otros procesos naturales. De hecho, parece haber una conexión entre tres «corazones» de la Tierra, el magnético, el climático y el tectónico, que acompasan su pulso en un ciclo de unos trece millones de años. 

El enfriamiento de la Tierra durante los últimos millones de años, junto al desplazamiento de la Antártida, originó grandes masas de hielo en el polo sur que hundieron la corteza terrestre. Este hundimiento pudo afectar a la rotación de la Tierra y, por tanto, a las corrientes de metal fundido del núcleo que influyen en el campo magnético. Por otro lado, el fenómeno de subducción por el que una placa tectónica se hunde bajo el borde de otra placa puede desplazar magma del manto terrestre hacia la superficie y liberar CO², producir efecto invernadero y aumentar la temperatura del planeta. Aunque la investigación no ha hecho más que empezar, que el ritmo al que se mueven las placas continentales imprima periodicidad tanto en el clima como en el campo magnético es una posibilidad fascinante.

Hace 780 000 años se produjo la última inversión magnética, una época cercana a la domesticación del fuego por parte de Homo erectus. Si un antepasado de esta especie hubiese construido una rudimentaria brújula, el polo norte de la aguja habría apuntado en sentido contrario a como lo hace en la actualidad. Durante siglos, la navegación marítima ha tenido la fortuna de contar con un extenso período de estabilidad en el campo magnético terrestre, pero en las últimas décadas los cambios se han acelerado. Desde que en 1831 el explorador James Clark Ross lo situó por primera vez en Nunavut (territorio ártico de Canadá), el polo norte magnético se desplaza hacia Siberia a velocidad creciente. En 2017 ya había atravesado la línea internacional de cambio de fecha y sigue adelante. Nadie sabe si en el futuro seguirá avanzando o retrocederá. 

A principios de 2018, desde la NOAA estadounidense y el Servicio Geológico Británico comprobaron que el Modelo Magnético Mundial se había vuelto muy inexacto y estaba a punto de sobrepasar el límite que se considera aceptable para la navegación. Los cambios están siendo tan rápidos que hay que revisar el modelo con frecuencia. Los caprichos del magnetismo terrestre van a requerir de una corrección algo más complicada que los contrapesos que Robert Norman colocaba en la aguja de sus brújulas. 

Referencias 

Tito Lucrecio Caro. De la naturaleza de las cosas. Traducción de José Marchena (1918). Madrid. Peter Peregrinus. On the Magnet. Edición de Brother Arnold (1904). Nueva York. Robert Norman. The Newe Attractive (1720). Londres. 

William Gilbert. De Magnete. Dover Publications (1958). 

Chen, J. et al. (2015). The 13 million year Cenozoic pulse of the Earth. Earth and Planetary  Science Letters 431, 256-263. DOI: 10.1016/j.epsl.2015.09.033 . 

Witze, A. (2019). Earth’s magnetic field is acting up and geologists don’t know why. Nature  News 565, 143-144. DOI: 10.1038/d41586-019-00007-1 

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