jueves, 1 de enero de 2015

ALBERT EINSTEIN

Nobel Física-1921


Albert Einstein, a pesar de ser judío, recibió su primera enseñanza en un instituto católico de Munich, Baviera, ciudad a donde había ido su familia cuando él era todavía muy joven. Al igual que Newton, con el que se le compara a menudo (y ciertamente él es el único científico desde la época de Newton digno de ostentar tal comparación), no demostró ser de joven una promesa intelectual. De hecho, fue tan lento en aprender a hablar que incluso se creía que podía sufrir algún tipo de retraso mental.

En 1894 su padre (que había fracasado en los negocios) se fue a Milán, Italia, mientras que Albert permaneció en Alemania para acabar allí el bachillerato. Sin embargo, sólo le interesaban las matemáticas y dejo el colegio por consejo de su profesor. Después de unas vacaciones en Italia empezó a ir a la universidad en Suiza (no sin dificultad, puesto que solo tenía buenas notas en matemáticas para ser admitido en ella). Después de graduarse trató de encontrar un puesto de profesor, pero no le fue fácil puesto que no era ciudadano suizo y además era judío. En 1901 aceptó un puesto de joven funcionario en una oficina de patentes en Berna, Suiza.

Allí empezó a trabajar y afortunadamente no necesitaba ningún laboratorio, sino solo un lápiz, papel y su mente. El año 1905 fue su annus mirabilis, puesto que vio la publicación de cinco de sus trabajos que trataban de tres desarrollos de gran importancia.

Uno de los trabajos estaba relacionado con el efecto fotoeléctrico, por el cual cuando la luz incide sobre algunos metales estimula la emisión de electrones. Lenard había encontrado, en 1902, que la energía de los electrones emitidos no dependía de la intensidad de la luz incidente. Una luz más intensa podía producir la emisión de un mayor número de electrones, pero no la de electrones más energéticos. No existía, para este fenómeno, explicación satisfactoria en términos de física clásica.

Sin embargo, Einstein aplicó la teoría de los números cuánticos descubierta cinco años antes por Planck y abandonada desde entonces. Einstein mantenía que una cierta longitud de onda de la luz, producida por cuantos de energía fija, podía ser absorbida por un átomo de un metal y ser capaz de desprender un electrón de energía fija y no otro. Una luz más potente (más cuantos) podría entonces producir la emisión de mayor número de electrones, pero con el mismo contenido energético. Sin embargo, luz de longitud de onda más corta tendría cuantos de mayor energía y produciría la emisión de electrones más energéticos. La luz que tuviera longitud de onda más larga que un cierto valor crítico daría lugar a cuantos tan débiles que no producirían la emisión de ningún electrón. El contenido energético de tales fotones de longitud de onda grande sería insuficiente para desprender los electrones de los átomos de los cuales forman parte. Esta <longitud de onda de entrada> sería diferente, evidentemente, para cada metal.

Por tanto, las teorías de Planck fueron aplicadas, por primera vez, a fenómenos físicos que no podían explicarse por las vías de la física clásica. (Fenómenos distintos de los del problema del cuerpo oscuro que había ocasionado, en primer lugar, el desarrollo de las teorías de Planck.) Esto abrió casi todo el camino, incluso quizás realmente todo, del establecimiento de la nueva mecánica cuántica. Por este hecho Einstein recibió el premio Nobel de física en 1921 y éste no se trataba de su trabajo más importante de aquel año.


En el segundo trabajo de 1905, publicado dos meses después del primero, Einstein desarrolló un análisis matemático del movimiento browniano, observado primeramente por Brown tres cuartos de siglo antes. Einstein demostró que si el agua en la cual se dejaban en suspensión partículas estaba compuesta de moléculas que se movían al azar, de acuerdo con los requisitos de la teoría cinética de Maxwell y Boltzmann, dichas partículas en suspensión oscilarían según se podía observar. Svedberg había sugerido esta explicación del movimiento browniano tres años antes, pero fue Einstein el que propuso una explicación con base matemática.

En el agua (o en cualquier líquido o gas) los objetos son continuamente bombardeados por todos lados por moléculas. El número de moléculas que chocan contra un objeto de tamaño medio con un cierto ángulo es prácticamente el mismo, gracias al azar, que las que chocan con otro ángulo, siendo las diferencias en número tan insignificantes en comparación con el total de los choques que no se consideran. Por esta razón no hay efecto conjunto (o al menos no detectable) en objetos de tamaño medio.

Al hacerse más pequeño el objeto el número total de moléculas que inciden sobre él disminuye y las pequeñas diferencias entre los bombardeos en las distintas direcciones llegan a hacerse apreciables. Granos de polen  son lo suficientemente pequeños para ser empujados primeramente en una dirección por un exceso de moléculas que chocan en dicha dirección, después de otra y finalmente de una tercera. El movimiento es bastante aleatorio, a juzgar por el movimiento aleatorio que a su vez tienen las moléculas.

Cuanto mayor sea el tamaño medio de las moléculas, mayor será el cuerpo para el cual la diferencia de los bombardeos puede producir efectos detectables. Por tanto, la ecuación deducida por Einstein para descubrir el movimiento browniano se puede utilizar para establecer el tamaño de las moléculas y, por tanto, el de los átomos que las componen. Tres años más tarde Perrin llevó a cabo experimentos sobre el movimiento browniano que confirmaron los trabajos de Einstein y que dieron los primeros valores aceptables del tamaño del átomo. La teoría atómica de Dalton tenía una antigüedad de cien años por aquel entonces y había sido aceptada por todos salvo por algunos disidentes como Ostwald, y efectivamente ésta fue la primera vez que el efecto de las moléculas individuales pudo observarse directamente. Incluso Ostwald se rindió.

La gran hazaña de Einstein de aquel año estaba relacionada con la nueva visión del universo que reemplazaba las viejas ideas de Newton que habían gobernado al mundo durante más de dos siglos.

Los trabajos de Einstein arrancaron del famoso experimento de Michelson y Morley, que no habían sido capaces de detectar ninguna diferencia en la velocidad de la luz cuando cambiaba su dirección, en su paso a través del éter. Einstein, por tanto, empezó a trabajar sobre el supuesto de que la velocidad de la luz en el vacío es siempre constante e independiente del movimiento de la fuente luminosa o del individuo que esté realizando las medidas. Posteriormente suprimió el éter, juzgándolo innecesario, al establecer que la luz se propagaba en cuantos y que por tanto, tenía propiedades corpusculares y no solo ondulatorias. Si la luz hubiera consistido solamente en ondas, habría requerido cierto medio a través del cual pudiera propagarse. Las partículas luminosas recibieron el nombre de fotones y representaron un rechazo de la teoría ondulatoria de la luz y una vuelta atrás, hacia la vieja teoría corpuscular de Newton, adoptando una posición intermedia mucho más sofisticada, pero mucho más útil que cualquiera de las otras dos teorías primitivas.

Einstein también estableció que sin el éter no podía existir nada en el universo que pudiera considerarse como <calma absoluta> ni ningún movimiento que pudiera considerarse <movimiento absoluto>. Todo movimiento era relativo al punto de referencia escogido, generalmente por conveniencia, y las leyes de la naturaleza permanecían inmutables según los puntos de referencia. Su teoría, puesto que establece que todo movimiento es relativo, se llamó, por tanto, relatividad. En este trabajo en particular Einstein trató solo el caso especial de los sistemas de movimiento uniforme, de modo que se le llama la Teoría Especial de la Relatividad.

Demostró que a partir del simple supuesto de la constancia de la velocidad de la luz y de la relatividad del movimiento, el experimento de Michelson-Morley se podía explicar conservándose las ecuaciones electromagnéticas de Maxwell. Demostró también que el efecto de la contracción de la longitud de FitzGerald y el efecto del aumento de masa de Lorentz podían deducirse y que la velocidad de la luz en el vacío era, por tanto, la máxima velocidad a la cual se podía transmitir cualquier información.

Como resultado de todo esto surgieron toda una serie de peculiares consecuencias (en apariencia). El transcurso del tiempo variaba con la velocidad del movimiento y uno tenía que prescindir de las nociones de simultaneidad puesto que ya no se podía decir que, bajo ciertas condiciones, A ocurría antes que B, después que B o simultáneamente con B. El espacio y el tiempo se desvanecieron como entidades separadas fundiéndose en una sola: espacio-tiempo. Todas estas ideas parecían ir en contra del <sentido común>, pero el sentido común está basado en experiencias limitadas a objetos de tamaño ordinario y que se mueven a velocidades también ordinarias. Bajo tales condiciones la diferencia entre las teorías de Einstein y las ideas clásicas de Newton (que están dentro del sentido común) resulta enormemente pequeña e inapreciable. Sin embargo, dentro del inmenso mundo del universo como un todo y en el pequeño mundo del átomo, el sentido común no puede tomarse como guía y existe una diferencia apreciable entre los dos puntos de vista. Es el de Einstein y no el de Newton el más útil y aplicable.

Una de las fotografías tomadas del eclipse de 1919 durante la expedición de Arthur Eddington, en el que se pudieron confirmar las predicciones de Einstein acerca de la curvatura de la luz en presencia de un campo gravitatorio.

En la teoría especial de la relatividad, Einstein desarrolló la relación existente entre la masa y la energía en la más famosa ecuación que expresa: E=mcª, donde E es la energía, m la masa y cª es la velocidad de la luz al cuadrado. Puesto que la velocidad de la luz es una cantidad muy grande, una pequeña cantidad de masa (multiplicada por el cuadrado de la velocidad) es equivalente a una gran cantidad de energía.

Desde entonces, interpretando así masa y energía como dos aspectos diferentes del mismo fenómeno, ya no se podría hablar de la conservación de la masa de Lavoisier o de la conservación de la energía de Helmholtz , sino de la gran generalización de la conservación de la masa-energía. Si se habla simplemente de la conservación de la energía hay que entender que la masa no es más que un aspecto de la energía.

Esta nueva idea explicó rápidamente el fenómeno de que las energías liberadas por los elementos radioactivos no eran más que una consecuencia de las pequeñas perdidas de masa, tan pequeñas que no es posible detectar por medio de procedimientos químicos clásicos. La relación entre la masa y la energía se confirmó rápidamente gracias a toda una serie de medidas nucleares y desde entonces ha resultado ser fundamental en los estudios atómicos. Solo una vez pareció que su utilidad y validez se debilitaba y entonces Pauli postuló la existencia del neutrino para salvarla.

El valor de esta nueva generalización en los asuntos diarios, y no meramente en los trabajos reservados a los físicos atómicos, se demostró de forma aplastante cuando la conversión de la masa en energía a gran escala hizo posible el horror de las bombas atómicas una generación más tarde, catástrofe a la cual contribuiría Einstein directamente y por la cual estaba horrorizado.

A pesar de la triple avalancha de trabajos tuvieron que transcurrir más de cuatro años hasta que Einstein pudiera conseguir un puesto de profesor (con un sueldo bajísimo) en la Universidad de Zurich. Sin embargo, su reputación seguía creciendo y en 1913 se creó un puesto para él en el Instituto de Física Kaiser Wilhelm en Berlín, y por primera vez pudo recibir un sueldo lo suficientemente grande para dedicar su vida a la ciencia. La Primera Guerra Mundial estalló, pero Einstein se vio poco afectado, puesto que durante aquel tiempo era ciudadano suizo.

Por aquel entonces, Einstein estaba trabajando en la aplicación de su teoría de la relatividad, el caso más general de los sistemas acelerados, y en ello desarrollo una nueva teoría de la gravedad, dentro de la cual la teoría clásica de Newton no era más que un caso especial. Publicó los resultados en 1915 en otro trabajo inmenso que se conoce generalmente con el nombre de Teoría General de la Relatividad. Las ecuaciones establecidas en esta teoría permitieron sacar grandes conclusiones sobre el universo en conjunto y Sitter las utilizó con resultados todavía mejores que los del propio Einstein.

En la teoría general, Einstein señaló tres lugares donde los efectos predichos en ella se apartaban de los de la teoría de Newton. Los fenómenos envueltos en el asunto podrían medirse y, por tanto, se abría un camino hacia la decisión de cual de las dos teorías era la correcta.

Por un lado, la teoría de Einstein permitía un desplazamiento en la posición del perihelio de un planeta, cosa que no permitía la teoría de Newton. Solo en el caso de Mercurio (el más próximo al Sol y a su influencia gravitatoria) la diferencia era lo suficientemente grande para que se hiciera notar, y de hecho, el movimiento que Leverrier había detectado y tratado de explicar suponiendo la existencia de un planeta inframercuriano, fue explicado perfectamente con la teoría de Einstein. Sin embargo, este asunto no causó tanta impresión como hubiera debido, puesto que Einstein sabía que existía la discrepancia en el movimiento de Mercurio y podía haber <dirigido> su teoría hacia este fenómeno.

Por otro lado, sin embargo, Einstein señaló que la luz sometida a un intenso campo gravitatorio mostraría un desplazamiento hacia el rojo. Este fenómeno nunca se había estudiado ni observado, de modo que el horizonte estaba despejado para realizar un examen justo. Únicamente los campos gravitatorios extremadamente fuertes podían producir un desplazamiento lo suficientemente grande para que pudiera medirse y según la sugerencia de Eddington, W. S. Adams demostró la existencia de dicho desplazamiento para el caso de la estrella enana blanca, compañera de Sirio,  que poseía el campo gravitatorio más intenso conocido hasta entonces. (Durante los años sesenta, gracias a los perfeccionamientos en los aparatos de medida se pudo medir el desplazamiento de la luz en nuestro propio Sol, que era mucho más pequeño, y que coincidía con la predicción de Einstein. Complementario a todo esto resultó que el desplazamiento de los rayos gamma, establecido por Mössbauer al final de los años cincuenta, era en esencia un desplazamiento del tipo de los de Einstein y cuando se realizaron las medidas se vio que coincidían con la predicción.)

Por tercera vez y de manera no menos espectacular, Einstein postuló que la luz se desviaría por el efecto de un campo gravitatorio mucho más de lo que Newton había supuesto. No había manera de demostrar este fenómeno en plena Primera Guerra Mundial, pero cuando ésta se terminó (derrotada Alemania) surgió la oportunidad el día 29 de marzo de 1919, cuando se había predicho que iba a tener lugar un eclipse de Sol precisamente a la hora cuando las estrellas más luminosas estaban más próximas al Sol que en cualquier otra época del año.

La Royal Astronomical Society de Londres proporcionó los medios para realizar dos expediciones, una al norte de Brasil y otra a la isla Príncipe, en el Golfo de Guinea, cerca de la costa de África occidental. Se midieron las posiciones de las estrellas luminosas próximas al Sol y se compararon con las medidas tomadas seis meses antes.

Las comparaciones de las medidas observadas de las estrellas respaldaron de nuevo las teorías de Einstein.

Einstein era ya mundialmente famoso. Las personas corrientes puede que no entendieran sus teorías y solo percibir débilmente de que trataban, pero no hay duda de que le consideraban (y se le sigue considerando) el primero de entre los científicos. Ningún científico desde Newton ha sido tan reverenciado en su propia época. No obstante, no pudo salvarse de las malévolas fuerzas que estaban empezando a barrer Alemania.

En 1930 Einstein visitó California para dar una conferencia en el C.I.T. (California Institute of Technology) y estaba todavía allí cuando Hitler subió al poder. No era cuestión de regresar entonces a Alemania y Einstein hizo de Princeton, New Jersey, su residencia permanente, en el Institute for Advanced Studies donde ya un año antes de le había ofrecido un puesto. En 1940 se hizo ciudadano americano.

Las últimas décadas de su vida las pasó buscando en vano una teoría que abarcara tanto los fenómenos gravitatorios como los electromagnéticos (teoría del campo unificado), pero se le fue de las manos al igual que todos anteriormente habían intentado algo parecido. Tampoco tuvo éxito Einstein al no aceptar todos los cambios que estaban arrasando el mundo de la física a pesar de su papel de intelectual revolucionario. No aceptó el principio de incertidumbre de Heisenberg, por ejemplo, puesto que no podía creer que el Universo estuviera tan completamente abandonado en manos del azar. Dios puede ser perspicaz, dijo una vez, pero no es malicioso.

Al comenzar la Segunda Guerra Mundial, Einstein estaba cooperando en el proyecto de algo que no le gustaba. La fisión de uranio había sido descubierta en 1939 por Hahn y Meitner, y Szilard pudo ver con bastante claridad lo que esto indicaba. Szilard no quería que los horrores de las bombas nucleares se descargaran sobre la humanidad, pero, por otro lado, había que tener en cuenta la posibilidad de que Hitler llegara a conseguir tales bombas.

Einstein, como el científico más influyente del mundo, fue persuadido por Szilard para escribir una carta al presidente Franklin D. Roosevelt urgiéndole que pusiera en práctica un programa de investigación destinado a desarrollar una bomba nuclear. El resultado fue el Manhattan Engineering District, que al cabo de seis años consiguió la bomba, la primera de las cuales hizo explosión en White Sands, cerca de Alamogordo, Nuevo México, el 16 de julio de 1945. En aquel momento Hitler ya había sido derrotado, de modo que la segunda y tercera bombas se lanzaron sobre el Japón al mes siguiente.

Las bombas nucleares se convirtieron en la amenaza de la humanidad después de la guerra. En la actualidad son numerosos los países que las poseen, la mayoría de ellos como un elemento disuasorio frente a otros. La aplicación pacífica de la energía nuclear también logro grandes desarrollos, siendo hoy por hoy la única alternativa viable a los combustibles fósiles.

Al final de su vida Einstein luchó obstinadamente para que el mundo llegara a un acuerdo para cortar la amenaza de una guerra nuclear. Sin embargo, su habilidad para revolucionar el mundo de la física era mucho mayor que la de cambiar los corazones de los hombres, y en el momento de su muerte el peligro era mucho mayor que nunca.

El elemento descubierto poco después de su muerte, de número atómico 99, recibió el nombre de Einstenio en su honor.


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