Boscovich y la teoría atómica

José Luis Alvarez García
Departamento de Física, Facultad de Ciencias, UNAM

El mundo eslavo ha contribuido a la ciencia con personajes de la talla de Copérnico, Lovachevski y Mendelejev. No obstante ser poco conocido, Boscovich representa una importante aportación eslava al conocimiento científico; su teoría sobre la estructura de la materia es fundamental para la física contemporánea.

Roger Joseph Boscovich nació el 18 de septiembre de 1711 en la ciudad de Ragusa (actualmente Dubrovnik) en la costa del Mar Adriático, y fue uno de los miembros más jóvenes de una numerosa familia. Por el lado paterno, la familia de Boscovich es de origen serbio puro. Su abuelo, Bosko, fue un campesino serbio ortodoxo de la villa de Orakova en Herzegovina. Su padre, Nikola, fue primero un comerciante en Novi Pazar (Vieja Serbia), pero más tarde se estableció en Ragusa, seguido de inmediato por Bosko; allí, Nikola se convirtió en católico romano. Pavica, la madre de Boscovich, perteneció a la familia italiana de Betere, la cual por un siglo había estado establecida en Ragusa y había resultado eslavonizada. Bara Betere, padre de Pavica, fue un poeta de cierta reputación en esa ciudad.

Rudjer Josif Boskovic' --su nombre en serbio-croata-- recibió la educación primaria y secundaria en el colegio jesuita de su pueblo natal; en 1725 se convirtió en miembro de la orden de los jesuitas y fue enviado a Roma, donde de 1728 a 1733 estudió filosofía, física y matemáticas en el Colegio Romano. De 1733 a 1738 enseñó retórica y gramática en varios colegios jesuitas; fue profesor de matemáticas en el Colegio Romano, continuando al mismo tiempo sus estudios de teología, hasta que en 1744 se convirtió en sacerdote.

En 1736, Boscovich comenzó su actividad literaria y científica, y en casi todos los años siguientes publicó al menos un tratado sobre algún problema científico o filosófico. Su reputación como matemático ya estaba establecida cuando fue comisionado por el Papa Benedicto XIV para resolver problemas de la cúpula de San Pedro y del desage de la ciudad de Roma. En 1750 el Papa también le encomendó que, junto con Christopher Maire, un jesuita inglés, midiera el arco de meridiano entre Roma y Rimini. Los resultados de este trabajo fueron publicados en 1755 en un tratado que llevó el nombre de De Literaria Expeditione per Pontifician. Al año siguiente fue enviado a Viena en misión diplomática y además fue llamado por la emperatriz María Teresa para examinar la construcción de la Biblioteca Imperial de Viena. Esta estancia en Viena se prolongó hasta 1758 y allí Boscovich encontró tiempo para terminar su principal obra, Teoria philosophiae naturalis redacta ad unicam legem virium in natura existentium (Teoría de la filosofía natural escrita sobre la única ley de las fuerzas existentes en la naturaleza), cuya primera edición apareció en 1758 con una segunda edición al año siguiente. Con estas dos ediciones Boscovich estuvo descontento, así que se publicó una tercera edición en 1763 bajo su propia supervisión. La revisión en esta ocasión fue tan amplia, que el propio impresor señala en la presentación del libro que esta edición debía ser considerada en cierta medida como una edición primera y original. Siguieron la cuarta y quinta ediciones en 1764 y 1765.

Por su trabajo principal y por los múltiples tratados científicos y disertaciones que había publicado hasta 1759, Boscovich había alcanzado una muy alta reputación no sólo en Italia sino en toda Europa, razón por la cual le había sido conferida la membresía de numerosas academias y sociedades eruditas. En 1760, Boscovich, quien hasta entonces había estado limitado a Italia por su profesorado en Roma, decidió dejar esta ciudad. Este año lo encontramos en París, y no obstante que el año anterior la orden de los jesuitas había sido expulsada de Francia, Boscovich había sido recibido por la solidez de su reputación científica. Sin embargo, no se sintió bien en París y en ese mismo año lo encontramos en Londres en una misión diplomática para defender a su país natal de la sospecha del gobierno británico de que Ragusa estaba siendo utilizada por Francia para habilitar barcos de guerra; esta misión la llevó a cabo exitosamente. En Londres fue calurosamente recibido y fue hecho miembro de la Royal Society. Aquí publicó su obra De Solis ac Lunae defectibus, dedicada a esta última. Poco tiempo después la Royal Society lo comisionó para ir a California para observar el tránsito de Venus; pero como estuvo renuente a ir, fue enviado a Constantinopla con el mismo propósito. Allí enfermó y permaneció por siete meses y en 1762 emprendió el regreso a Roma.

Poco después de retornar a Roma, Boscovich fue asignado a una cátedra en la Universidad de Pavia, pero su estancia ahí no duró mucho. En 1770 fue nombrado Director del Observatorio de Brera, en Milán, cuya construcción fue de acuerdo a un proyecto del propio Boscovich. Desafortunadamente para él sólo duró dos años en el cargo, pues fue destituido por el gobierno austriaco por una controversia con otro astrónomo del observatorio. La posición de Boscovich resultó todavía más complicada por la desintegración de su orden. La Compañía de Jesús había sido suprimida en 1773 por un decreto del Papa ClementeV. En ese mismo año, Boscovich visitó nuevamente París, donde fue cordialmente recibido en los círculos oficiales. El gobierno francés lo designó director del departamento de óptica de la marina francesa con un salario anual de 8000 francos y ahí permaneció cerca de diez años.

Como un exjesuita, él no fue bien recibido en todos los círculos científicos franceses. El célebre dAlembert fue su enemigo declarado; por otro lado, el famoso astrónomo Lalande fue su amigo y devoto admirador. Esta animadversión hacia él se hizo notar en varias disputas con hombres de ciencia franceses; concretamente con Rochon sobre la prioridad del descubrimiento del micrómetro y también con Laplace acerca de la prioridad en la invención de un método para determinar las órbitas de los cometas. En París, en 1779, Boscovich publicó una nueva edición de su poema sobre los eclipses, traducida al francés y comentada, bajo el título de Les Eclipses, dedicando la edición al rey Luis XV.

Durante esta segunda estancia en París, Boscovich había preparado una serie completa de trabajos nuevos, los cuales esperaba que hubieran sido publicados en la prensa real. Pero, a raíz de la inminente Guerra de Independencia de Estados Unidos, él, como extranjero, fue forzado, en 1782, a tomar una licencia de dos años para ausentarse, y regresó a Italia. Permaneció en la casa de su editor en Bassano; y aquí, en 1785, fueron publicados cinco volúmenes de sus trabajos ópticos y astronómicos, Opera pertinentia ad opticam et astronomiam.

Boscovich había planeado regresar a París a través de Italia desde Bassano, al llegar a Milán tuvo que permanecer ahí por enfermedad y pidió al gobierno francés una extensión de su permiso para entrar a Francia; extensión que le fue otorgada gustosamente. Sin embargo, su salud empeoró, acompañada de un acceso de melancolía y murió el 13 de febrero de 1787.

Ruggiero Giuseppe Boscovich --su nombre en italiano--, hombre de mundo, diplomático, poeta, matemático, astrónomo y físico, fue un gran defensor de las ideas de Newton, escribió múltiples ensayos sobre la órbita de Mercurio, la Aurora Boreal, la forma de la Tierra y la desigualdad de la aceleración de la gravedad sobre la superficie terrestre.

Su Theoria philosophiae naturalis contiene una teoría dinámica de la materia, fundada en la hipótesis de que las partículas elementales que constituyen la materia no son más que centros de fuerza. Este concepto de centros de fuerza abandonaba la antigua idea de una variedad de átomos sólidos diferentes. Las partículas fundamentales --sugería Boscovich-- eran todas idénticas y las relaciones espaciales alrededor de esos puntos centrales constituían la materia.

En su libro expone la primera teoría general matemática de atomismo, basada en las teorías de Newton y Leibniz, pero transformándolas en un programa de física atómica. En éste planteó muchos postulados nuevos que han sido empleados desde entonces: i) Existe una sola clase de partículas elementales, todas idénticas; ii) éstas son puntos-centrales de acción permanentes y cuasimateriales, números finitos de ellos constituyen sistemas finitos macroscópicos; iii) dichas partículas elementales obedecen una ley de interacción oscilatoria (alternativamente repulsiva y atractiva), dependiendo de la distancia entre cada par de estas partículas (ver Fig.1); iv) esta ley permite combinaciones estables y órbitas de tamaños definidos; v) esta compleja ley, cuyas constantes son determinadas experimentalmente, cubre la entera variedad de propiedades físicas y químicas; vi) la teoría involucra solamente distancias entre pares de partículas y toda medida de espacio y tiempo es afectada en algún grado por todos los movimientos relativos; y vii) es una ley preferentemente cinemática y la masa es introducida como un número puro determinado por la cantidad de partículas-punto en un sistema.

La teoría de Boscovich no hace predicciones cuantitativas, pero ejerció una gran influencia sobre la física de los siglos XIX y XX. Esta teoría representa el atomismo matemático ideal con suposiciones mínimas (acciones centrales de dos cuerpos dependientes de la separación entre ellos). Dos características son notables: A) Boscovich eliminó el dualismo democríteo-newtoniano de espacio ocupado y vacío y lo sustituyó por un monismo de relaciones espaciales; B) al hacerlo así, y usando puntos centrales, él empezó a clarificar el significado de estructura física como un patrón de puntos en tres dimensiones (que más adelante será fundamental en la noción de campo propuesta por Faraday)

Los átomos-punto no fueron una invención arbitraria y aislada de Boscovich; era una idea que surgió de manera natural en muchas mentes del siglo XVIII. Esta idea tiene sus antecedentes en Leibniz, Vico, Swedenborg y otros pensadores que alcanzaron la misma idea casi simultáneamente. John Michell, científico inglés, sostenía que las últimas partículas de la materia son centros-punto de acción, y desarrolló esta idea en una carta a Priestley. No obstante, las ideas de Michell fueron despreciadas y olvidadas, pues él era demasiado modesto para que sus colegas lo tomaran en serio. Emmanuel Kant argumentó en varias ocasiones que la materia no llena el espacio con absoluta impenetrabilidad, sino por fuerzas repulsivas entre las últimas partículas localizadas en puntos. Y fue en este ambiente en donde Boscovich desarrolló su idea, probablemente de manera independiente.

El atomismo cuantitativo experimental se había iniciado tentativamente en la segunda mitad del siglo XVII (Gassendi, Hobbes, Borelli, Boyle, Hooke, Huyghens). El atomismo cuantitativo teórico, iniciado por Newton y Bernoulli, resultó, junto con el de Boscovich, un esquema para una futura física unificada; en sus inicios ésta era especulativa, porque requería de los hechos necesarios para apoyarla.

Puede parecer sorprendente que a mediados del siglo XVIII, cuando se contaba con poca evidencia directa para el atomismo, surgiera una teoría matemática sistemática como la de Boscovich. Sin embargo, había una situación favorable en el lapso 1700 - 1740 para su desarrollo. Por un lado, el atomismo siempre había sido una especulación o exploración intelectual desde lo grande conocido hacia lo pequeño desconocido; a partir de 1600 en adelante resultó inevitable que la idea especulativa del atomismo se uniera al principio de cantidad. De esta manera, Boscovich fue guiado en su tarea por tres grandes agentes: la tradición del atomismo, el principio de cantidad y el concepto newtoniano de fuerza.

Muchos científicos de otras áreas diferentes de la física se sentían intrigados por los esfuerzos teóricos para adaptar las ideas de Newton a las necesidades que experimentaban en sus propios campos. Por ejemplo, sir Humphry Davy, notable químico de la época y preceptor de Michael Faraday, pretendió interpretar la acidez como una expresión de la estructura interna de las moléculas, y hacia el final de su vida expresó sus preferencias por los puntos-átomo de Boscovich.

Boscovich es también un antecedente importante de Dalton en el campo de la química, ya que si las "partículas últimas" tenían las características que ya se han mencionado, se explicaría así la interacción de los elementos químicos, sus "afinidades" y los modos de formar compuestos estables.

Boscovich había limitado su atrevida sugerencia a los elementos químicos; Faraday, cuando enfocó su pasión por el experimento sobre el poco explorado reino de la electricidad, sintió un renovado interés por la teoría de aquél.

El papel de Faraday en la historia del atomismo es de especial interés en vista de la dualidad partícula-campo. Sus trabajos sobre electrólisis conducen directamente a la concepción de unidades de electricidad y estimularon el descubrimiento de partículas eléctricas, mientras que sus descubrimientos en electromagnetismo fueron usados por Maxwell como las bases de su teoría del campo electromagnético. Así, tanto las partículas eléctricas como los campos eléctricos parecieron tener su principal fuente en el trabajo de Faraday alrededor de 1830-1850.

En 1833-1834 Faraday infirió de sus mediciones electrolíticas que los equivalentes químicos corresponden a cantidades equivalentes de electricidad. Faraday conoció los diversos modelos atómicos de su época y en 1844 expresó preferencia por los átomos-punto de Boscovich, como "meros centros de fuerza, no como partículas de materia".

Referencias

  1. R. J. Boscovich, A Theory of Natural Philosophy, Londres, 1922.
  2. L. L. White, Essay on Atomism: from Democritus to 1960, Wesleyan University Press, Connecticut, 1961.