lunes, abril 18, 2005

50 años después de Einstein

Un 18 de Abril de hace 50 años fallecía Albert Einstein en Princeton, quien hace 100 años en Berna comenzó a establecer los marcos teóricos que llevaron a revolucionar la concepción de la naturaleza, desde lo más grande como las galaxias y estrellas, hasta lo más pequeño como son los átomos, y que tras muchos años nos ha llevado a un desarrollo tecnológico que posiblemente fuera impensable a principios del Siglo XX.

En el año milagroso en que salió del anonimato de una oficina de patentes, publicó varios artículos en la revista alemana Annalen der Physik, abarcando 3 temas distintos.

El efecto fotoeléctrico

El primero de sus trabajos llevaba por título "Sobre un punto de vista heurístico acerca de la producción y transformación de la luz". En 1899, Philip Lenard dirigió rayos de luz a una lámina metálica delgada y observó como se emitían electrones de ésta. Sin embargo comprobó, muy al contrario de lo esperado, que la energía cinética con que eran emitidos no dependía de la intensidad, sino de la frecuencia de la luz. Incluso, por debajo de cierta frecuencia umbral, ningún electrón era emitido, aunque la intensidad se aumentara al máximo posible.

En 1905 Einstein, basándose en cálculos de termodinámica y mecánica estadística, llegó al resultado obtenido en 1900 por Planck, de que la energía de la radiación no se repartía por igual, sino en ladrillos o cuantos de energía, con un valor proporcional a la frecuencia de la radiación. E interpretó además que cada cuanto de energía correspondía en realidad a una partícula de radiación. De esta forma, la interpretación del efecto fotoeléctrico era más sencilla: una partícula de luz o fotón de cierta frecuencia, con una energía correspondiente a un cuanto, transmite su energía a un electrón del metal, arrancándolo. Una mayor intensidad de la luz supone más fotones que chocan en el metal, todos con igual energía. Entonces se consiguen arrancar más electrones, pero no que salgan con mayor energía cinética. Por otro lado, ya era sabido que para arrancar un electrón del metal hacía falta una energía umbral mínima, llamada función de trabajo. Un fotón con menor energía que ésta no es capaz por tanto, de arrancar un electrón. Por este trabajo, Einstein recibió el Premio Nobel de Física en 1921.

El movimiento browniano

Su segundo artículo fue "Sobre el movimiento de pequeñas partículas suspendidas en líquidos en reposo exigido por la teoría cinético - molecular", completado por otro posterior "Sobre la teoría del movimiento browniano". El movimiento browniano fue observado por primera vez en 1827 por Robert Brown. Consiste en el movimiento aleatorio de partículas en suspensión, ya sea en líquido o en gas. A través de la mecánica estadística, Einstein mostró cómo este movimiento era debido al bombardeo continuo de las moléculas del líquido o gas. En cada choque, la partícula tiene una cierta probabilidad de avanzar en una de las seis direcciones de espacio. Al cabo de n choques, existe una probabilidad de que haya avanzado una distancia r. El enfoque radical de Einstein fue fijarse en la distancia media que recorre una partícula, en vez de su velocidad media.

La teoría de la relatividad especial

Sus artículos "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento" y "¿Depende la inercia de un cuerpo de su contenido de energía?" constituyen la teoría de la relatividad especial. Un gran enigma que traía de cabeza a los físicos de aquellos tiempos era la constancia de la velocidad de la luz. Por un lado, Maxwell había establecido la electrodinámica, a través de las cuatro ecuaciones que llevan su nombre.

Por otro lado, Lorentz había deducido que para que éstas ecuaciones fueran válidas en cualquier sistema de referencia, la velocidad de la luz debía ser una constante para cualquier observador, independientemente de su velocidad, llegando a las llamadas transformaciones de Lorentz. Además, existía la idea del éter, la sustancia por la que supuestamente se propagaba la luz, y por la que a su vez se desplazaba la Tierra. Este éter constituía un sistema de referencia absoluto, al igual que se consideraba el tiempo como una magnitud igualmente absoluta.

Einstein dio una vuelta de tuerca, aceptando la velocidad de la luz como una constante y desarrollando las consecuencias de las transformaciones de Lorentz. Entre estas consecuencias, está la eliminación de los conceptos del éter, o el espacio y tiempo absolutos. De esta forma, el factor importante es la velocidad relativa entre el observador y el sistema observado, sin tener en cuenta sus movimientos en un supuesto sistema de referencia absoluto. También halló la equivalencia entre energía y masa, demostrando que la materia es otra forma más de energía.

Estos artículos contribuyeron enormemente a sentar las bases de una revolución científica en toda la naturaleza: desde la escala microscópica con la mecánica cuántica, hasta la escala astronómica, con la relatividad general.

Gracias al desarrollo de estas teorías, se ha podido estudiar, por ejemplo, la estructura del átomo y cómo son las propiedades de un conjunto de ellos formando un sólido. Cómo se disponen los electrones, qué diferencia un conductor de un aislante o un semiconductor, cómo se pueden fabricar dispositivos como los transistores y microchips de un ordenador. Se ha entendido cómo se puede obtener energía a partir de la materia, a través de la fisión y la fusión nuclear. Se han construido microscopios capaces de ver los propios átomos, y que incluso permiten manipularlos individualmente.

También se ha entendido cómo ha evolucionado el universo. Cómo nacen y mueren las estrellas, cómo se forman los planetas. Hemos descubierto estrellas exóticas como los agujeros negros, estrellas de neutrones y quasares. Hemos conseguido dominar la gravedad al punto de ser capaces de hacer posarse en Venus, Marte y Titán sondas espaciales, e incluso hemos puesto el pie en la Luna.

Una gran cantidad de logros que hace 100 años serían difícil de imaginar. Sin embargo, aún queda mucho por descubrir y aprender, y entre las tareas pendientes está la unificación de la mecánica cuántica con la relatividad. Quizás el trabajo conjunto de miles de científicos puedan llevarnos a una nueva revolución. O quizás haga falta un nuevo Einstein para desencadenarla. Mientras llega, la que ocurrió a principios del Siglo XX merece ser recordada y celebrada, y con ella, uno de los hombres que más contribuyó a ella.

4 comentarios:

Pablo Gomez dijo...

Es cierto que Einstein fué un gran científico. Pero no fué gracias a él que la Física progresó en el siglo XX. Usted mismo dice que el efecto fotoeléctrico fué una prueba de la teoría cuántica que Planck descubrió en 1900. La genialidad fué en realidad de Planck. Y muchos otros que vinieron luego: Niels Bohr, Heisenberg, Paul Dirac, Pauli, Fermi, Schrodinger, para nombrar solo unos pocos. Estos físicos fueron quienes establecieron lo mejor de la ciencia del siglo XX: la Mecánica Cuántica. Einstein, todo lo contrario, fué un detractor de la Mecánica Cuántica. Se dedicó los 30 últimos años de su vida a echar abajo (infructuosamente) esa teoría. Así que lo que necesitamos no es otro Einstein, sino muchos más Bohrs, Plancks, Heisenbergs, etc.

CAROLINA MARTINEZ dijo...

coincido con Pablo Gómez.. Simplemente probo lo que Planck dijo 5 años antes... Lamentable q la mayoria de la gente no sepa datos como estos y que lo tengamos como "vaca sagrada de la física" olvidandonos de hombres que han HECHO HISTORIA,( en vez de copiarla) y HAN ABRIERTO un nuevo camino ...

Julio dijo...

Einstein llegó al mismo resultado que Planck de forma totalmente independiente, es decir, no "probó" que Planck tenía razón, sino que llegó a su misma conclusión, a través de un razonamiento totalmente distinto. (Al fin y al cabo el problema que solucionaron era también distinto, aunque llevara a la misma conclusión fundamental).

Esos dos primeros estudios (radiación de cuerpo negro, y efecto fotoeléctrico) fueron la base para empezar a estudiar la mecánica cuántica, que cierto es que no era del agrado de Einstein (Ni de Planck tampoco, por cierto), pero no quita el mérito de abrir el camino, que es lo que se indica en este artículo.

Einstein, como persona que era, se equivocaba. Pero también es cierto que una oposición crítica a una teoría, es siempre necesaria para poder probar la consistencia de ésta. Sin duda, tener a Einstein (o cualquier otra persona) argumentando en contra de la cuántica, imaginando experimentos para intentar mostrar su incompletitud, le da mayor robustez y coherencia a la teoría , así que en cierto sentido, esa actitud también ayudaba al desarrollo de la cuántica, ya sea para mostrar que estaba equivocada, o para incentivar la investigación y mostrar que al menos no era falsa. (Y no se confunda este párrafo como loa a Einstein por haber estado en contra, sino que hizo la misma labor que hubiera hecho alguna otra persona. El mayor mérito, por supuesto está en quien contribuyó a descubrir leyes y demostrar hipótesis, y en este bando estuvieron Einstein y Planck con sus descubrimientos iniciales de los cuantos)

La ciencia, al fin y al cabo, avanza con el debate, que necesariamente debe contraponer puntos de vista, para poder identificar los fallos y los aciertos. Cuanta mayor calidad tengan los argumentos, mejor y más rápido será el avance.

Anónimo dijo...

Totalmente de acuerdo. Einstein fue uno de los precursores de la mecánica cuántica, pero luego se desentendió totalmente. No hay que obviar, de igual modo, que Einstein trabajó con otros grandes científicos, y que desarrolló igualmente otras teorias importantes, como el Condensado de Bosse-Einstein, por ejemplo.
A modo concreto, destacaría un avance importantísimo por otro gran cienífico, y es el Principio de Incertidumbre de Heisenberg, el cual propone que si sabemos la velocidad puntual de una partícula por medios INSTRUMENTALES no podremos saber con precisión su posición. Este hecho es muy importante porque excluye totalmente poder alcanzar medidas superiores a la Longitud de Plank (según he leido del celebérrimo Stephen Hawkings)