Querido Habich,
Un silencio tan solemne se ha establecido
entre los dos que casi siento como si estuviera cometiendo un sacrilegio al
romperlo ahora con estos balbuceos…
¿Así que, qué pasa contigo ballena congelada, cacho
de alma ahumada, secada y enlatada? ¿Por qué no me has enviado todavía tu
disertación? ¿No sabes que soy 1½ que va a leerla con agrado e
interés, tío retorcido? A cambio te prometo cuatro papers. El primero trata de la
radiación y las propiedades de la luz y es bastante revolucionario. El segundo
determina el verdadero tamaño de los átomos… El tercero prueba que los cuerpos
de un orden de magnitud de 1/1000mm suspendidos en líquidos deben moverse de
acuerdo a un efecto motivado por los movimientos termales. Este movimiento de
los cuerpos suspendidos ha sido observado por fisiólogos que los llaman
movimiento brawniano. El cuarto es solo un borrador en sucio en este momento y
es sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento que emplea la
modificación de la teoría del tiempo y el espacio.
Albert Einstein
Esta carta fue escrita en el año 1904 por un licenciado en física que
había fracasado en todos sus intentos de abrirse paso
en el mundo académico
debido a un carácter libre pensador e intelectualmente rebelde que le había enemistado con su tutor en la Universidad Politécnica de Zurich. Durante años el joven Albert Einstein busca por todos los medios conseguir una posición de investigador o asistente en distintas universidades siempre sin éxito. Tras años de desesperado esfuerzo se ve forzado a aceptar un empleo en una oficina de patentes en Berna que un amigo le ayuda a conseguir.
en el mundo académico
debido a un carácter libre pensador e intelectualmente rebelde que le había enemistado con su tutor en la Universidad Politécnica de Zurich. Durante años el joven Albert Einstein busca por todos los medios conseguir una posición de investigador o asistente en distintas universidades siempre sin éxito. Tras años de desesperado esfuerzo se ve forzado a aceptar un empleo en una oficina de patentes en Berna que un amigo le ayuda a conseguir.
Algunos años después este joven rechazado por el mundo académico por
su voluntad de no someterse intelectualmente revolucionará el mundo de la
ciencia desde su oficina en Berna. En la carta que abre el texto, Einstein le
informa a un excompañero de clase sobre una serie de artículos científicos que
había terminado recientemente. Einstein, a pesar de haber sido rechazado, nunca
se dio por vencido y siguió estudiando física y desarrollando nuevas ideas,
conectado con el mundo de la ciencia profesional a través de amigos que si
habían conseguido entrar en él. En la soledad de su despacho Einstein revisaba
las teorías más importantes de su tiempo e intentaba buscar formas de hacerlas
encajar con los resultados experimentales. Algunas de las áreas que más le
interesaban eran el electromagnetismo y la gravedad. Einstein era un gran
admirador de Maxwell, el matemático escocés que había formalizado
matemáticamente los descubrimientos experimentales de Michael Faraday sobre el
electromagnetismo. Descubrimientos como los de Maxwell y Faraday habían sido
grandes avances en el estudio de la física, pero también traían consigo
complicaciones.
A finales del XIX existían ciertas discrepancias entre teoría y
experimento en materias de física que se hacían cada vez más incómodas. La más
conocida es tiene que ver con las ondas electromagnéticas. Estas, como la luz y
o las ondas de radio, son de hecho ondas. Y para los físicos del XIX esto
implicaba que necesariamente se tenían que mover en un medio como las ondas en
la superficie del agua o las ondas sonoras. Para ello haría falta una
substancia a través de la cual estas se moverían. Teóricamente este medio
existía necesariamente y los científicos lo llamaron éter. Pero el éter era
elusivo y ningún experimento alcanzaba a detectarlo. Otro misterio era el del
cuerpo oscuro, que básicamente sería un objeto ideal que no refleja ni trasmite
ninguna radiación por lo que la absorbería toda. Un ejemplo sería la cavidad de
la imagen. De acuerdo con la teoría del momento este objeto se calentaría
infinitamente con la luz atrapada en él, pero los experimentos no reflejaban este
resultado.
Estos y otros misterios estaban volviendo locos a los físicos más
importantes del momento. Así que imagínate cual pudo ser su reacción cuando la
respuesta a varios de estos puzles imposibles llega de un desconocido que
trabaja en una oficina completamente desconectado del mundo de la
investigación. De repente aparece un jovencillo que ha estado haciendo sus
cálculos y cábalas en los ratos en los que no tenía nada que hacer. Y no solo
resuelve uno, si no cuatro a la vez. Y no solo eso. Cada uno de ellos es una
revolución científica de las más importantes en la historia que cambiarán
radicalmente nuestra manera de entender el mundo. Por todo ello 1905 es
conocido como el Annus Mirabilis o Año Milagroso de Einstein.
¿Y de qué trataban estos milagros papers o artículos? Por supuesto
vamos a ver de qué tratan cada uno de ellos.
Un punto de vista heurístico sobre la producción y
transformación de luz (sobre el efecto fotovoltaico)
Hoy en día todos tenemos una especie de vago concepto de lo que es un
fotón. Pero como te podrás imaginar esto no fue siempre así. De hecho el
concepto es bastante reciente. Ya hemos comentado que Maxwell desarrolló las
ecuaciones que explican el comportamiento de las ondas electromagnéticas
de las cuales la luz visible es su representante más famosa. Anteriormente
Newton ya había considerado que la luz se comportaba como una partícula. Pero a
lo largo de los siglos XVIII y XIX el concepto de luz como una onda se fue
consolidado hasta culminar con la teoría de Maxwell. Pero desgraciadamente la
luz no es ni una partícula ni una onda, si no ambas a la vez dependiendo de
cuando, donde y como te la encuentres. Algo así como si tu fueras blanco, negro
u oriental dependiendo de donde estés de vacaciones. La luz es por tanto una
especie de ondícula. Pero a finales del XIX esto no se sabía (y hoy en día no
ha dejado de ser chocante), así que los resultados de ciertos experimentos
estaban volviendo loco a más de uno.
Uno de estos experimentos es el efecto electro-voltaico. Este se da
cuando iluminas una superficie metálica. Algunos electrones en contacto con la
radiación de la luz se excitan (¡Si, es el término científico!) y salen
disparados. Según la teoría de Maxwell cuanto más energética fuera la radiación
de la luz más energéticos y rápidos los electrones despedidos. Pero en el
experimento, al aumentar la radiación de luz visible a ultravioleta (más
energética) la intensidad de los fotones no aumentaba, pero si se despedían más
fotones. Esto dicho así puede no ser muy ilustrativo pero a los que sabían de
lo que estaban hablando les daban obvios problemas.
Es entonces cuando Einstein viene al rescate. Para ello se basa en el
reciente descubrimiento del alemán Max Plank de la constante que lleva su
nombre. Plank, estudiando el experimento del Cuerpo Negro se da cuenta de que
la única forma de encajar la teoría con los resultados es asumir que la
radiación de ondas electromagnéticas es absorbida en pequeños paquetes, que más
tarde se llamaran “quanta” De esta forma se evita que el cuerpo negro en
cuestión aumente de temperatura infinitamente. Para ello Plank introduce en la
ecuación que describe el proceso una constante realmente diminuta que sería la
cantidad mínima de energía que puede ser absorbida. Plank, conservador en
aspectos personales y también profesionales no estaba especialmente contento
contradiciendo la tradicional concepción de la luz como un continuo, por lo que
pensó que su constante no era más que un formalismo necesario para poder hacer
cálculos adecuados. Fue Einstein el que se dio cuenta de que esta constante era
realmente una característica intrínseca del universo en sí. Einstein postula
que la luz es emitida y absorbida en pequeños paquete llamados en su momento
quanta y que hoy conocemos como fotones. Estos no son un simple truco para
arreglar una ecuación si no que son parte de la realidad. La revolucionaria
visión de Einstein explica los experimentos del efecto fotovoltaico del
húngaro, Philipp Lenard y a principio del siglo XIX cambia la historia de la
física para siempre. Esto te puede parecer poco, pero el hecho de que
tengamos ordenadores, láseres o de que conozcamos la estructura del ADN habrían
sido imposible sin la física cuántica que prácticamente se inaugura con este
paper.
El movimiento de pequeñas partículas suspendidas en
un líquido estacionario según requiere la teoría kinética molecular del calor
(sobre el movimiento brawniano)
Ya hemos comentado que a principios del siglo XX no se conocía la
existencia de los fotones. Curiosamente tampoco se conocía la existencia de los
átomos y ni si quiera de las moléculas. Había muchos científicos que empezaban
a dar su existencia por sentada, mientras que otros permanecían escépticos.
Quizás intuitivamente uno esperaría que los físicos primero hubieran
descubierto las moléculas de mayor tamaño, después el átomo y más tarde
partículas menores como el fotón o el electrón que a su vez forma parte del
átomo. Pero la verdad es que a nivel experimental se confirma la existencia de
todos ellos casi a la vez el electrón de echo se teoriza y descubre antes que
el átomo en sí gracias al estudio de la electricidad. Un caso ilustrativo de
esta controversia intelectual es la trágica muerte de Ludwig Bolzmann, físico
austriaco cuya aportación es esencial en el campo de la mecánica
probabilística, esencial en el estudio del comportamiento de los gases y de la
entropía en un sistema. Sus teorías suponían la existencia de átomos y esto
motivó fuertes críticas por parte de numerosos científicos hostiles a esta
idea. Bolzmann que debía ser de carácter sensible, se suicida ahorcándose en
1906 un año después de que Einstein demostrara teóricamente la existencia del
átomo, que más tarde sería corroborada por numerosos experimentos (lógicamente
la noticia de este descubrimiento no se extiende hasta pasado un tiempo y el
pobre Bolzmann no se enteró a tiempo).
La forma en que Einstein prueba la existencia de las moléculas es
resolviendo un fenómeno que llevaba 80 años eludiendo toda explicación. El
fenómeno que ya había sido observado por Jan Ingenhousz en partículas de carbón
flotando en alcohol, recibe su nombre de un biólogo escocés que observa el
mismo fenómeno con partículas diminutas desgranadas de granos de polen que eran
el objeto de estudio. Su nombre era Robert Brown, y la publicación de sus
observaciones en 1828 hace que el fenómeno tome su nombre. Lo que Brown
descubrió es que estas diminutas partículas se movían en una especie de zigzag
aleatorio en todas direcciones, como si tiras una pelota de playa en un
concierto multitudinario y la gente se la empieza a pasar de uno a otro. Este
movimiento aleatorio de un objeto inanimado resultaba altamente sospechoso,
casi mágico y las teorías mecánicas del momento no ofrecían una explicación
coherente. Finalmente Einstein usa los métodos estadísticos de cinética
molecular que Bolzmann había ayudado a desarrollar para explicar cómo las
partículas de polen al colisionar contra millones de moléculas moviéndose
aleatoriamente producen estos extraños patrones. Y al utilizar moléculas para
explicar un fenómeno tan obvio y visible satisfactoriamente, la existencia de estas
que había estado en entredicho queda demostrada.
La electrodinámica de cuerpos en movimiento (Teoría
de la Relatividad Especial?)
Si hay algo que ha hecho famoso a Einstein eso es la Teoría de la
Relatividad. La Teoría de la Relatividad revolucionó nuestro conocimiento del
universo ofreciendo una descripción mucho más rigurosa de la gravedad y del
movimiento de objetos a velocidades que representan fracciones relevantes de la
velocidad de la luz. De esta forma se perfeccionan las más restringidas leyes
newtonianas y el tiempo deja de ser una constante universal para ser una
variable más, una dimensión más junto a las tres dimensiones temporales. Esto
significa que el tiempo cambia dependiendo de la velocidad a la que el sujeto
que experimenta este tiempo se mueva con respecto a otros observadores. Si te
mueves muy deprisa, el tiempo pasa muy despacio. La Teoría de la
Relatividad al completo fue el gran logro en la vida de Einstein y supuso un
trabajo titánico que culmino en 1915 con una carrera frenética contra el
matemático David Hilbert para escribir las ecuaciones que formalizaran
matemáticamente la teoría antes que él, que estaba trabajando en ellas al mismo
tiempo basándose en las asunciones de Einstein. La teoría al completo se conoce
como de la Relatividad General. Pero ahora nos ocupamos del primer paso en este
camino que Einstein publicó en 1905 como parte de uno de sus milagrosos papers,
la Teoría de la Relatividad Especial.
En uno de mis canales de favoritos en Youtube, el astrónomo Michael
Merrifield explica la diferencia entre la Teoría de la Relatividad Especial que
de 1905 y la de la Relatividad general en una frase. La primera es muy fácil de
entender y la segunda muy, muy difícil. Como explicación técnica le falta peso,
pero seguramente resume bien los sentimientos de más de un estudiante cuando le
toca aprender los entresijos de ambas. Básicamente la Teoría de la relatividad
especial se ocupa de la percepción del tiempo y el movimiento en distintos
marcos de referencia y se llama especial porque no incluye supuestos como la gravedad
o la aceleración, ambos interrelacionados en este ámbito. Y es cierto que con
un poco de atención cualquiera puede entender los conceptos básicos. La mejor
forma de explicar los mencionados marcos de referencia es utilizar un ejemplo
sencillo como un tren o un avión. Cuando uno va en un tren a una velocidad
constante no notamos este movimiento. Las leyes de la física aplican dentro de
la misma forma que aplicarían en el andén. Si dejas una taza en la mesa se
queda ahí y si la empujas sobre el borde cae hacia abajo y se rompe. Si
tapáramos las ventanas para impedir a los viajeros ver el paisaje pasar, estos
no tendrían forma de saber si están en movimiento o no, siempre que el tren no
acelere ni frene ya que todo transcurre como en tierra firme. Ahora imaginemos
que el tren se mueve a gran velocidad, por supuesto constante. Al pasar por una
estación dos rayos caen a cada lado del andén. Un observador (a elegir entre
estudiante resacoso, turista japonés, etc) se encuentra entre el lugar del
impacto de ambos rayos, mientras que otro está sentado dentro del tren. Este es
el diagrama que el mismo Einstein utilizó para explicar este experimento de
pensamiento:
Una forma muy gráfica de entender este concepto es imaginar un reloj
de luz. Un reloj de luz consistiría en dos espejos colocados enfrentados uno
encima de otro. Si conseguimos que un rayo de luz rebote verticalmente entre
uno y otro, cada recorrido entre ambos espejos representaría una unidad de
tiempo. Si colocásemos uno de estos relojes en el tren el observador dentro del
tren vería este rayo rebotando verticalmente. Sin embargo al pasar el tren a
gran velocidad, lo que un observador en el andén vería a través de la ventana
sería una línea oblicua ya que el reloj se va moviendo durante el proceso. Las líneas
que marcan las trayectorias de los rayos de luz representarían el tiempo y
claramente, el observador que espera en la estación las percibe como más
largas. Uno podría pensar que esto es un efecto óptico que no tiene nada que
ver con la realidad. Pero los procesos atómicos como la radioactividad siguen
este esquema, así que parece que Einstein y los átomos al menos están de acuerdo.
Si el tren alcanzara un porcentaje relevante de la velocidad de la luz
y volviera, sus pasajeros se habrían mantenido años más jóvenes. Lo malo es que
no queda claro quien se mueve con referencia a quien y por lo tanto quien
envejece o se mantiene joven con respecto a quien. El andén se mueve desde la
perspectiva de los que miran por la ventanilla del tren como todos sabemos.
Puede que sean los transeúntes en la estación los que se mantiene jóvenes. Esto
se conoce como la paradoja del viajero, y más tarde en la Teoría de la
Relatividad General se resuelve al introducirse el concepto de aceleración.
Aquel que acelera es el que percibe el tiempo pasando más despacio.
No es extraño que desde que Einstein hizo públicas estas
espectaculares cualidades del mundo en que vivimos, las fantasías sobre viajar
en el tiempo se hayan multiplicado. Desafortunadamente, la teoría de la
relatividad solo permite viajar hacia el fututo lo que en cualquier caso ya me
parece suficientemente increíble.
¿Depende la Inercia de un Cuerpo de su Contenido
Energético? (E = mc2)
Este artículo para Einstein era prácticamente un inciso acerca de sus
reflexiones sobre la Teoría de la Relatividad Específica, pero como solía pasar
con Einstein en su época fértil, la mitad de sus divagaciones en el campo de la
física desencadenaban una nueva revolución científica.
Esta vez a Einstein le llamó la atención que ciertos cuerpos emiten
radiación en forma de pulsos de luz o fotones. Estos acarrean con ellos una
ínfima cantidad de masa que es casi no existente. Pero poco a poco esta
radiación se va llevando la masa de un objeto. Si estos es así, la masa de un
objeto se está transformando en radiación, en energía pura, en luz. Por lo
tanto se da una relación entre la masa de un objeto y la velocidad de la
luz. Einstein utiliza la Relatividad especial combinada con las
ecuaciones del electromagnetismo de Maxwell y se encuentra que cuando un cuerpo
desprende radiación pierde masa en proporción a la energía liberada entre la
velocidad de la luz al cuadrado L/V2. Inicialmente Einstein
uso las mayúsculas L y V para significar Energía y velocidad de la luz
respectivamente. Pero en 1912 decidió cambiarlas por las más usadas “E” y “c”
lo que acaba derivando en la archifamosa ecuación E = mc2. Si
tenemos en cuenta que la velocidad de la luz es 300 000 000 de metros por
segundo, su cuadrado es absurdamente enorme. Esto conlleva que la energía
contenida en cualquier objeto, incluso el más pequeño, incluso un átomo es
increíblemente grande. De ahí la íntima relación entre esta fórmula y el
desarrollo de la energía nuclear. Si consigues separar los componentes de un
átomo la energía liberada es incomparable con la extraída de la combustión de
hidrocarburos.
Para la
confección de este artículo he usado como fuentes, la Wikipedia por supuesto y
la biografía de Einstein “Einstein, su vida y universo” de Walter Isaacson.
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