Campos de fuerza: ¿ciencia ficción?

“¡Escudos arriba!”

En innumerables episodios de Star Trek esta es la primera orden que el capitán Kirk da a la tripulación: elevar los campos de fuerza para proteger del fuego enemigo a la nave espacial Enterprise. Tan vitales son los campos de fuerza en Star Trek que la marcha de la batalla puede medirse por cómo está resistiendo el campo de fuerza. Cuando se resta potencia a los campos de fuerza, la Enterprise sufre más impactos dañinos en su casco, hasta que finalmente la rendición se hace inevitable.

Pero, ¿qué es un campo de fuerza? En la ciencia ficción es engañosamente simple: una barrera delgada e invisible, pero impenetrable, capaz de desviar tanto haces láser como cohetes. A primera vista, un campo de fuerza parece tan fácil que su creación como escudo en el campo de batalla parece inminente. Uno espera que cualquier día un inventor emprendedor anunciará el descubrimiento de un campo de fuerza defensivo. Pero la verdad es mucho más complicada.

De la misma forma que la bombilla de Edison revolucionó la civilización moderna, un campo de fuerza podría afectar profundamente a cada aspecto de nuestra vida. El ejército podría utilizar campos de fuerza para crear un escudo impenetrable contra misiles y balas enemigos y hacerse así invulnerable. En teoría, podrían construirse puentes, superautopistas y carreteras con sólo presionar un botón. Ciudades enteras podrían brotar instantáneamente en el desierto, con rascacielos hechos enteramente de campos de fuerza. Campos de fuerza erigidos sobre ciudades permitirían a sus habitantes modificar a voluntad los efectos del clima: vientos fuertes, huracanes, tornados… Podrían construirse ciudades bajo los océanos dentro de la segura cúpula de un campo de fuerza. Podrían reemplazar por completo al vidrio, el acero y el hormigón.

Pero, por extraño que parezca, un campo de fuerza es quizá uno de los dispositivos más difíciles de crear en el laboratorio. De hecho, algunos físicos creen que podrían ser realmente imposible, a menos que se modifiquen sus propiedades.

El concepto de campos de fuerza tiene su origen en la obra del gran científico británico del siglo XIX Michael Faraday.

Faraday nació en el seno de una familia de clase trabajadora (su padre era herrero) y llevó una vida difícil como aprendiz de encuadernador en los primeros años del siglo. El joven Faraday estaba fascinado por los enormes avances a que dio lugar el descubrimiento de las misteriosas propiedades de dos nuevas fuerzas: la electricidad y el magnetismo. Faraday devoró todo lo que pudo acerca de estos temas y asistió a las conferencias que impartía el profesor Humphrey Davy de la Royal Institution en Londres.

Un día, el profesor Davy sufrió una grave lesión en los ojos a causa de un accidente químico y contrató a Faraday como secretario. Faraday se ganó poco a poco la confianza de los científicos de la Royal Institution, que le permitieron realizar importantes experimentos por su cuenta, aunque a veces era ninguneado. Con los años, el profesor Davy llegó a estar cada vez más celoso del brillo que mostraba su joven ayudante, una estrella ascendente en los círculos experimentales hasta el punto de eclipsar la fama del propio Davy. Tras la muerte de éste en 1829, Faraday se vio libre para hacer una serie de descubrimientos trascendentales que llevaron a la creación de generadores que alimentarían ciudades enteras y cambiarían el curso de la civilización mundial.

La clave de los grandes descubrimientos de Faraday estaba en sus “campos de fuerza”. Si se colocan limaduras de hierro por encima de un imán, las limaduras forman una figura parecida a una telaraña que llena todo el espacio. Estas son las líneas de fuerza de Faraday, que muestran gráficamente cómo los campos de fuerza de la electricidad y el magnetismo llenan el espacio. Si se representa gráficamente el campo magnético de la Tierra, por ejemplo, se encuentra que las líneas emanan de la región polar norte y luego vuelven a entrar en la Tierra por la región polar sur. Del mismo modo, si representáramos las líneas del campo eléctrico de un pararrayos durante una tormenta, encontraríamos que las líneas de fuerza se concentran en la punta del pararrayos.

Para Faraday, el espacio vacío no estaba vacío en absoluto, sino lleno de líneas de fuerza que podían mover objetos lejanos. (Debido a la pobre educación que había recibido en su infancia, Faraday no sabía matemáticas, y en consecuencia sus cuadernos no están llenos de ecuaciones, sino de diagramas de estas líneas de fuerza dibujados a mano. Resulta irónico que su falta de formación matemática le llevara a crear los bellos diagramas de líneas de fuerza que ahora pueden encontrarse en cualquier libro de texto de física. En ciencia, una imagen es a veces más importante que las matemáticas utilizadas para describirla).

Los historiadores han especulado sobre cómo llegó Faraday a su descubrimiento de los campos de fuerza, uno de los conceptos más importantes de la ciencia. De hecho, toda la física moderna está escrita en el lenguaje de los campos de Faraday. En 1831 tuvo la idea clave sobre los campos de fuerza que iba a cambiar la civilización para siempre. Un día, estaba moviendo un imán sobre una bobina de cable metálico y advirtió que era capaz de generar una corriente eléctrica en el cable, sin siquiera tocarlo. Esto significaba que el campo invisible de un imán podría atravesar el espacio vacío y empujar los electrones de un cable, lo que creaba una corriente.

Los “campos de fuerza” de Faraday, que inicialmente se consideraron pasatiempos inútiles, eran fuerzas materiales reales que podían mover objetos y generar potencia motriz. Hoy, la luz que utilizamos en nuestros hogares probablemente está alimentada gracias al descubrimiento de Faraday sobre el electromagnetismo. Un imán giratorio crea un campo de fuerza que empuja a los electrones en un cable y les hace moverse en una corriente eléctrica. La electricidad en el cable puede utilizarse entonces para encender una bombilla. El mismo principio se utiliza para generar la electricidad que mueve las ciudades del mundo. El agua que fluye por una presa, por ejemplo, hace girar un enorme imán en una turbina, que a su vez empuja a los electrones en un cable, lo que crea una corriente eléctrica que es enviada a nuestros hogares a través de líneas de alto voltaje.

En otras palabras, los campos de fuerza de Michael Faraday son las fuerzas que impulsan la civilización moderna, desde los bulldozers eléctricos a los ordenadores, los iPods y la internet de hoy.

Los campos de fuerza de Faraday han servido de inspiración para los físicos durante siglo y medio. Einstein estaba tan inspirado por ellos que escribió su teoría de la gravedad en términos de campos de fuerza. Michio Kaku escribió la teoría de cuerdas en términos de los campos de fuerza, fundando así la teoría de campos de cuerdas.

Una de las mayores hazañas de la física en los últimos dos mil años ha sido el aislamiento y la identificación de las cuatro fuerzas que rigen el universo. Todas ellas pueden describirse en el lenguaje de los campos introducido por Faraday. Por desgracia, no obstante, ninguna de ellas tiene exactamente las propiedades de los campos de fuerza que se describen en la mayor parte de la literatura de ciencia ficción. Estas fuerzas son:

1- Gravedad: la fuerza silenciosa que mantiene nuestros pies en el suelo, impide que la Tierra y las estrellas se desintegren y conserva unidos el sistema solar y la galaxia. Sin la gravedad, la rotación de la Tierra nos haría salir despedidos del planeta hacia el espacio a una velocidad de 1.600 km/h. El problema es que la gravedad tiene propiedades exactamente opuestas a las de los campos de fuerza que encontramos en la ciencia ficción. La gravedad es atractiva, no repulsiva; es extremadamente débil en términos relativos, y actúa a distancias astronómicas. En otras palabras, es prácticamente lo contrario de la barrera plana, delgada e impenetrable que leemos en las historias de ciencia ficción. Por ejemplo, se necesita todo el planeta Tierra para atraer una pluma hacia el suelo, pero nos basta con un dedo para levantarla y contrarrestar la gravedad del planeta. La acción de nuestro dedo puede contrarrestar la gravedad de todo un planeta que pesa más de seis billones de billones de kilogramos.

2-Electromagnetismo (EM). La fuerza que ilumina nuestras ciudades. Los láseres, la radio, la televisión, los aparatos electrónicos modernos, los ordenadores, internet, la electricidad, el magnetismo… todos son consecuencias de la fuerza electromagnética. Es quizá la fuerza más útil que han llegado a dominar los seres humanos. A diferencia de la gravedad, puede ser tanto atractiva como repulsiva. Sin embargo, hay varias razones por las que no es apropiada como un campo de fuerza. En primer lugar, puede neutralizarse con facilidad. Los plásticos y otros aislantes, por ejemplo, pueden penetrar fácilmente en un potente campo eléctrico o magnético. Un trozo de plástico arrojado contra un campo magnético lo atravesaría directamente. En segundo lugar, el electromagnetismo actúa a distancias muy grandes y no puede concentrarse fácilmente en un plano. Las leyes de la fuerza EM se describen mediante las ecuaciones de Maxwell, y estas ecuaciones no parecen admitir campos de fuerza como soluciones.

Y 4) Las fuerzas nucleares débil y fuerte. La fuerza débil es la fuerza de la desintegración radiactiva. Es la fuerza que calienta el centro de la Tierra, que es radiactivo. Es la fuerza que hay detrás de los volcanes, los terremotos y la deriva de los continentes. La fuerza fuerte mantiene unido el núcleo del átomo. La energía del Sol y la estrellas tiene su origen en la fuerza nuclear, que es responsable de iluminar el universo. El problema es que la fuerza nuclear es una fuerza de corto alcance, que actúa principalmente a la distancia de un núcleo atómico. Puesto que está tan ligada a las propiedades de los núcleos, es extraordinariamente difícil de manipular. Por el momento, las únicas formas que tenemos de manipular esta fuerza consisten en romper partículas subatómicas en colisionadores de partículas o detonar bombas atómicas.


Aunque los campos de fuerza utilizados en la ciencia ficción no parecen conformarse a las leyes de la física conocida, hay todavía vías de escape que harían posible la creación de un campo de fuerza semejante. En primer lugar, podría haber una quinta fuerza, aún no vista en el laboratorio. Una fuerza semejante podría, por ejemplo, actuar a una distancia de solo unos pocos centímetros o decenas de centímetros, y no a distancias astronómicas. (Sin embargo, los intentos iniciales de medir la presencia de esa quinta fuerza han dado resultados negativos).

En segundo lugar, quizá sería posible utilizar un plasma para imitar algunas de las propiedades de un campo de fuerza. Un plasma es “el cuarto estado de la materia”. Sólidos, líquidos y gases constituyen los tres estados de la materia que nos son más familiares, pero la forma más común de materia en el universo es el plasma, un gas de átomos ionizados. Puesto que los átomos de un plasma están rotos, con los electrones desgajados del átomo, los átomos están cargados eléctricamente y pueden manipularse fácilmente mediante campos eléctricos y magnéticos.

Los plasmas son la forma más abundante de la materia visible en el universo, pues forman el Sol, las estrellas y el gas interestelar. Los plasmas no nos son familiares porque rara vez se encuentran en la Tierra, pero podemos verlos en forma de descargas eléctricas, en el Sol, y en el interior de los televisores de plasma.

Ventanas de plasma

Como se ha señalado, si se calienta un gas a una temperatura suficientemente alta y se crea así un plasma, éste puede ser moldeado y conformado mediante campos magnéticos y eléctricos. Por ejemplo, se le puede dar la forma de una lámina o de una ventana. Además, esta “ventana de plasma” puede utilizarse para separar un vacío del aire ordinario. En teoría, se podría impedir que el aire del interior de una nave espacial se escapase al espacio y crear así una conveniente y transparente interfaz entre el espacio exterior y la nave espacial.

En la serie televisiva Star Trek se utiliza un campo de fuerza semejante para separar el muelle de carga de la lanzadera, donde se encuentra una pequeña cápsula espacial, del vacío del espacio exterior. No sólo es un modo ingenioso de ahorrar dinero en decorados, sino que es un artificio posible.

La ventana de plasma fue inventada por el físico Andy Herschcovitch en 1995 en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Long Island, Nueva York. La desarrolló para resolver los problemas que planteaba la soldadura de metales utilizando haces de electrones. Un soplete de acetileno utiliza un chorro de gas caliente para fundir y luego soldar piezas de metal. Pero un haz de electrones puede soldar metales de forma más rápida, más limpia y más barata que los métodos ordinarios. Sin embargo, el problema con la soldadura por haz de electrones es que debe hacerse en vacío. Este requisito es un gran inconveniente, porque significa crear una cámara de vacío que puede ser tan grande como una habitación.

El doctor Herschcovitch inventó la ventana de plasma para resolver este problema. De sólo un metro de altura y menos de 30 cm de diámetro, la ventana de plasma calienta gas hasta unos 7.000 ºC y crea un plasma que queda atrapado por campos eléctrico y magnético. Estas partículas ejercen presión, como en cualquier gas, lo que impide que el aire penetre violentamente en la cámara de vacío, separando así el aire del vacío (cuando se utiliza gas argón en la ventana de plasma, ésta toma un brillo azul, como el campo de fuerza en Star Trek)

La ventana de plasma tiene amplias aplicaciones en la industria y los viajes espaciales. Muchas veces, los procesos de manufactura necesitan un vacío para realizar microfabricación y grabado en seco con fines industriales, pero trabajar en vacío puede ser caro. Sin embargo, con la ventana de plasma se puede contener un vacío sin mucho gasto apretando un botón.

Pero, ¿puede utilizarse también la ventana de plasma como escudo impenetrable? ¿Puede soportar el disparo de un cañón? En el futuro cabe imaginar una ventana de plasma de una potencia y temperatura mucho mayores, suficientes para dañar o vaporizar los proyectiles incidentes. No obstante, para crear un campo de fuerza más “realista”, como los que encontramos en la ciencia ficción, se necesitaría una combinación de varias tecnologías dispuestas en capas. Cada capa no sería suficientemente fuerte para detener por sí sola una bala de cañón, pero la combinación sí podría hacerlo.

La capa exterior podría ser una ventana de plasma supercargado, calentado a una temperatura lo suficientemente elevada para vaporizar metales. Una segunda capa podría ser una cortina de haces láser de alta energía. Esta cortina, que contendría miles de haces láser entrecruzados, crearía una red que calentaría los objetos que la atravesaran y los vaporizaría.

Y tras esta cortina láser, se podría imaginar una red hecha de “nanotubos de carbono”, tubos minúsculos hechos de átomos de carbono individuales que tienen un átomo de espesor y son mucho más resistentes que el acero. Aunque el actual récord mundial para la longitud de un nanotubo de carbono es de solo 15 milímetros, podemos imaginar que un día seremos capaces de fabricar nanotubos de carbono de longitud arbitraria. Suponiendo que los nanotubos de carbono puedan entretejerse en una malla, podrían crear una pantalla de gran resistencia, capaz de repeler la mayoría de los objetos. La pantalla sería invisible, puesto que cada nanotubo de carbono es de grosor atómico, pero la malla de nanotubos de carbono sería más resistente que cualquier material.

Así, mediante una combinación de ventana de plasma, cortina láser y pantalla de nanotubos de carbono, cabría imaginar la creación de un muro invisible que sería prácticamente impenetrable por casi cualquier medio.

Pero incluso este escudo multicapas no satisfaría por completo todas las propiedades de un campo de fuerza de la ciencia ficción, porque sería transparente y por ello incapaz de detener un haz láser. En una batalla con “cañones láser”, el escudo multicapa sería inútil.

Para detener un haz láser, el escudo tendría que poseer también una forma avanzada de “fotocromática”. Este es el proceso que se utiliza para las gafas de sol que se oscurecen automáticamente al ser expuestas a la radiación ultravioleta. La fotocromática se basa en moléculas que pueden existir en al menos dos estados. En un estado la molécula es transparente, pero cuando se expone a radiación ultravioleta cambia instantáneamente a la segunda forma, que es opaca.

Quizá un día seamos capaces de utilizar nanotecnología para producir una sustancia tan dura como nanotubos de carbono que pueda cambiar sus propiedades óptimas cuando se expone a luz láser. De este modo, un escudo podría detener un disparo de láser tanto como un haz de partículas o fuego de cañón. Hoy, sigue siendo ciencia ficción. Pero la tecnología avanza y algunos físicos piensan que en menos de un siglo podríamos disponer ya de estos fantásticos artilugios que cambiarán el mundo.