Albert Einstein

Físico. Investigador. Científico. Teoría de los cuantos. Relatividad. Universo. Premio Nobel

  • Enviado por: Lord Shaved
  • Idioma: castellano
  • País: España España
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Albert Einstein

Albert Einstein
(1874-1955)

Albert Einstein aparece, junto a Newton, my por encima de todos los demás grandes nombres de la ciencia. Se convirtió en una figura de renombre universal cuando su teoría de la relatividad dejó al mundo asombrado y perplejo y aún hoy día el público profano reconoce su rostro, aunque sus ideas parezcan muy alejadas de lo que experimentamos todos los días. De hecho, a menudo se le tiene casi como el símbolo del genio incomprensible. J. C. Squire reflejó esta sensación respondiendo al epitafio que escribió Pope para Isaac Newton:

« “La naturaleza y sus leyes estaban ocultas por la noche. Y Dios dijo: “¡Que se haga Newton!” y todo se hizo luz. Pero no duró; cuando el diablo rugió: “¡Nada, que se haga Einstein!”, se restauró el statu quo.»

Einstein, como Newton, se hicieron preguntas nuevas sobre cosas que parecían bien sabidas; y esas preguntas, sencillas y brillantes, tenían respuestas extrañas que cambiaron radicalmente nuestras ideas sobre el mundo. La trascendencia de estas ideas fue más tarde subrayada, angustiosamente para él mismo y para el mundo, por los inmensos dilemas a los que se enfrentaba la raza humana a causa del enorme poder sobre la naturaleza que Einstein y otros creadores de la ciencia del siglo XX nos han dado. Al propio Einstein le alcanzaron muchos de los trágicos acontecimientos de nuestra época: la persecución de los judíos, la violencia de la guerra y la aparición de las armas nucleares. Su apasionada creencia en la justicia social y en la no violencia, además de su humor y su modestia, garantizan que se tenga de él la memoria no sólo de un genio, sino también la de un gran hombre bueno.

EL FUNCIONARIO DE PATENTES

Einstein nación Württemberg, Alemania. Su padre era ingeniero químico y los negocios obligaron a la familia a mudarse varias veces, interrumpiendo cada vez la educación de Albert. A los 17 entró en la Universidad de Zurich después de varios aplazamientos por tener malas notas en matemáticas. Cuando acabó la carrera en 1901 hubiera querido dedicarse a la enseñanza, pero le fue imposible encontrar una plaza por ser judío, así que se conformó con un empleo subalterno en la Oficina de Patentes de Berna.

Por entonces también hacía investigaciones para alcanzar el doctorado y estaba al tanto en todo cuanto podía de los espectaculares avances de la ciencia que tenían lugar entonces. En los años siguientes publicó varios estudios que no auguraban mucho de lo que se venía. Entonces, en 1905-1906, a la edad de 26 años, publicó tres grandes obras que asombraron al mundo científico.

A un hombre sí ya no se le podía pasar por alto y le ofrecieron al fin un cargo de profesor en la Universidad de Berna. Cuatro años después se hizo catedrático de física de la Universidad de Zurich y luego en la de Praga. En 1913 se trasladó a Berlín al ser nombrado miembro de la Real Academia Prusiana de Ciencias en la que permaneció hasta 1932 cuando hizo una visita a Estados Unidos, que convirtió en estancia permanente.

EL MOVIMIENTO BROWNIANO

Einstein demostró en la menos conocida de sus obras de 1905, la claridad de sus planteamientos científicos al resolver un molesto cabo suelto. En 1828, estando el botánico inglés Rober Brown (1773-1858) observando granos de polen en el microscopio, notó que se movían constantemente dando como tirones alocados. Ni él ni ningún otro encontró una explicación y el «movimiento browniano» siguió siendo un pequeño misterio hasta que Einstein comprendió que las moléculas del agua chocaban con los granos de polen que flotaban en el agua y como eran tan ligeros se podía ver el efecto del choque a pesar de que las moléculas de agua eran muy pequeñas para que se pudieran ver incluso con el microscopio más potente.

Es sorprendente que ésta fuera la primera prueba empírica de las moléculas existían. Incluso en 1905 algunos científicos influyentes (por ejemplo Ernst Mach) seguían negándose a acepar la teoría atómica a falta de pruebas que la confirmaran. Por desgracia, ese mismo año se suicido Ludwig Boltzmann, en parte por la depresión que le causó que muchos de sus colegas se negaran a acepar por el mismo motivo su importante trabajo sobre la teoría cinética de los gases.

Einstein se doctoró en enero de 1906, pero entonces los grados académicos ya eran superfluos. Con sus otros estudios, sobre la teoría de los cuantos y la teoría de la relatividad, se había asegurado un lugar permanente en la historia.

¿ONDAS O PARTÍCULAS?

Su segundo trabajo de 1905 volvía al problema de la naturaleza de la luz que parecía resulto de una vez por todas.

Newton se había inclinado a favor de que la luz era una corriente de corpúsculos mientras que otros la consideraban un movimiento de ondas en el «éter». Las dos teorías explicaban lo que se sabía de la luz en el siglo XVII, pero la inmensa reputación de Newton inclinó la balanza en un principio, hasta que Thomas Young (1773-1829) pensó que tal vez podría resolver la cuestión experimentalmente.

Cuando las ondas de cualquier clase que sean, hasta las ondulaciones del agua, topan con un obstáculo ranurado, las ondas se reagrupan al pasar por las ranuras y se efectúan mutuamente. Al unirse dos cresta, se refuerzan y producen olas en ciertas zonas más fuertes de lo que eran antes; pero cuando una cresta y un valle se encuentran se anulan mutuamente. Si la luz es ondas en movimiento deberá mostrar estos efectos de interferencia en forma de bandas de luz fuese una corriente partículas.

Este experimento crucial se llevó a cabo a principios del siglo XIX. Cuando Young hizo pasar la luz a través de dos ranuras estrechas descubrió que se producía realmente interferencia. Estos resultados se confirmaron con un experimento similar realizado por el científico francés Augustin Fernel. A Fernel le fue más fácil conseguir que se aceptara esta nueva prueba pues no tenía que enfrentarse como Young contra un monumento nacional como era Newton. Pero por fin se había zanjado la controversia y la teoría ondular salió victoriosa, coronada más tarde por el trabajo de James Clerk Maxwell. Así y todo, el artículo de Einstein de 1905 reabrió toda la cuestión ofreciendo una sorprendente confirmación de la nueva teoría de los cuantos.

LA TEORÍA DE LOS CUANTOS

En los años noventa del siglo pasado se plantó el problema de cómo los cuerpos calientes irradian energía. La teoría y la experimentación concordaban cuando se trataba de longitudes de onda mayores, pero los cálculos eran muy erróneos con las ondas cortas y una teoría no puede ser cierta a medias. Muchos científicos trataron de encontrar una salida a esta vergonzosa incongruencia científica que se empezó a llamar la «catástrofe ultravioleta».

Max Planck (1858-1947) se enfrascó con el problema hasta hallar una solución que publicó en 1900. Podía hacer que los cálculos teóricos coincidieran con las pruebas empíricas siempre que se emitieran la luz en breves destellos, o cuantos. Esto se resume en una de las dos célebre y engañosamente simples ecuaciones de la ciencia del siglo XX:

E = hv

(Donde E es la energía que contiene una de esas emisiones de luz, y v, la letra griega un, representa la frecuencia de la luz. Se enlazan mediante la h que es la «constante de Planck».)

Para la mayoría de los científicos, quizá incluso para Planck, esto parecía ser poco más que un ardid matemático. Pero Einstein vio que, si se tomaba al pie de la letra, explicaba una característica indescifrable del efecto fotoeléctrico. Es lo que sucede cuando la luz incide en ciertos materiales y arranca los electrones de sus átomos. Este efecto tiene varias aplicaciones prácticas, pro ejemplo en las cámaras de televisión, los fotómetros y las células fotoeléctricas solares.

El problema entonces era que la luz de corta longitud de onda (azul o violeta) arranca algunos electrones aunque sea muy débil mientras que la luz roja (de onda larga) no produce nada aunque sea muy fuerte. Es como si las fuerte rompientes dejaran intacto un castillo de arena siempre que hubiera mucha distancia entre ellas, mientras que las olitas insignificantes pudieran ir arrancándole trozos si venían muy juntas. Einstein comprendió que la luz en este caso no se comporta como onda sino como los corpúsculos de Newton.

Demostró que los cuantos de Planck no eran sólo una anomalía de la radiación atómica, sino que la misma luz no puede existir más que en pequeñas cantidades, o fotones. La energía de un solo fotón determinado depende de la frecuencia de la luz, como en la ecuación de Planck. Así se explica por qué la luz de onda larga (baja frecuencia) no produce el efecto fotoeléctrico: los fotones no poseen individualmente la energía necesaria para arrancar un electrón cuando chocan con un átomo, pero los fotones de gran energía de la luz violeta sí pueden. La luz débil tiene pocos fotones, pero cada uno pega más fuerte.

En esencia era una idea sencilla, pero nos lleva a aguas profundas. Si bien revivió la teoría corpuscular, no deja de lado la longitud de onda; ahora estaban firmemente unidas las dos ideas contradictorias. Ya no se trataba de cuál era cierta y cuál no; las dos eran necesarias para explicar la luz, aunque ser difícil comprender que algo tenga dos características que se excluyen mutuamente.

Einstein no pudo llegar a comprender el profundo significado de la teoría de los cuantos a pesar de haber sido uno de sus fundadores. Le incomodaba en particular una de sus consecuencias, el «principio de incertidumbre» expresado por Werner Heisenberg en 1923. Consiste en una limitación intrínseca de la cantidad de información que se puede tener sobre el mundo. Por ejemplo, se puede llegar a saber la cantidad de energía que tiene un electrón determinado, pero no por dónde va a salir; no se porta como una bola de billar bien educada, como deberían portarse hasta los más minúsculos objetos con arreglo a la teoría universal de Newton. Vistos de cerca, los más íntimos detalles de la naturaleza se vuelven borrosos, como una foto de periódico.

Einstein no podía aceptar un mundo definido en última instancia por probabilidades. Expresó lo que sentía en una famosa frase: «Dios no juega a los dados con el mundo». (En un momento de enfado amistoso Niels Bohr le dijo una vez a Einstein: «¡Deja de decirle a Dios lo que tiene que hacer!»). Al final de su vida intentó encontrar una salida, pero nunca lo consiguió; parece que, en los niveles más elementales del universo, Dios juega realmente a los dados. A pesar de estos recelos, fue por este trabajo, y no pro la teoría de la relatividad, por lo que le concedieron el Premio Nobel en 1922.

LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD

El trabajo más famoso de Einstein surgió de su aptitud para contestar profundamente preguntas simples y para continuar un razonamiento hasta dondequiera que le condujera. Los primeros coletazos de la teoría se remontan a, cuando siendo un muchacho de 14 años, se preguntaba qué sentiría si pudiera montarse en un rayo de luz. Pero el punto de partida serio fue otro arduo problema que afloró a fines del siglo pasado, esta vez referido a la velocidad de la luz. En retrospectiva era otro aviso que el imperante «mecanismo de relojería» de Newton empezaba a desmoronarse.

La teoría de Maxwell implicaba que la luz tenía una velocidad determinada, pero lo que confundía es que la velocidad permanezca invariable sea cual sea el movimiento del observador o de la fuente de luz, en aparente contradicción con el sentido común. Por ejemplo, si voy pedaleando a 15 km/h tengo que vencer un viento de 40 km/h, pero los que tienen la suerte de ir a favor del viento sólo sienten una brisa de 10 km/h. Este mismo cálculo es válido en cualquier otra circunstancia normal y parecía imposible que la luz fuera distinta; si avanzamos hacia la luz, ¿no sería lógico que nos llegue a mayor velocidad que si nos alejamos de ella?

En Estados Unidos Albert Michelson y Edward Morley idearon en 1866 un experimento muy exacto para medir la velocidad de la luz; tenían la esperanza de que el nuevo aparato les sirviera para averiguar la velocidad de traslación de la Tierra comparando la velocidad de la luz medida desde distintos puntos, de modo parecido al ejemplo del ciclista y el viento. Se llevaron una sorpresa al ver que no había diferencia; la luz se movía a la misma velocidad fuera a favor o en contra del movimiento de la Tierra.

Una vez verificado que el aparato era exacto, varios científicos intentaron explicar este extraño resultado. Algunos sugirieron que la tierra arrastraba en su viaje una bolsa de «éter» que había capturado. Otros juguetearon con las matemáticas, sobre todo el físico holandés Hendrik Lorenzo (1853-1928). Modificó las ecuaciones de modo que encajaran con la experiencia, pero ello exigía que los cuerpos se encogieran al moverse; a poca velocidad la contracción es inapreciable, pero va en aumento al acercarse a la velocidad de la luz. Esto no parecía ser más que un ardid matemático, igual que la primera enunciación de Planck sobre la teoría de los cuantos y no explicaba por qué se encogían los cuerpos.

EL MENSAJERO DEL UNIVERSO

Einstein empalmó estas ideas en su mente con otro problema aparentemente sencillo: cómo medir la velocidad de la luz que viaja entre dos puntos. Llegó a la conclusión de que no se podía. Cuando la señal de la luz parte de un punto no se puede estar en el otro punto antes de que llegue; siempre hay que medir el trayecto en dos sentidos, desde el momento en que la señal sale del punto de partida hasta que se ve reflejado de vuelta. La luz es el máximo mensajero del universo.

En uno de sus famosos «experimentos mentales», Einstein estudió lo que se vería si cayeran dos rayos en la vía de un tren en marcha, uno pro delante y otro por detrás a la misma distancia. Supóngase que un observador que está al borde de la vía ve caer los dos rayos al mismo tiempo, pero ¿vería lo mismo un viajero del tren?

La respuesta de Einstein era que no. Los dos destellos se dirigen al viajero del tren a igual velocidad, pero el rayo que ha caído detrás tarda más en llagar a él porque el tren se aleja mientras la luz le alcanza; y sucede lo contrario con el rayo que ha caído delante. Así que para el viajero, los dos rayos no han caído a la vez. Si el observador que está al borde de la vía insiste en que cayeron al mismo tiempo porque él estaba quieto, el pasajero del tren podría replicarle que no estaba quieto, sino girando con la rotación de la Tierra y trasladándose con la tierra y el Sol pro el espació.

La única forma de zanjar la cuestión sería el fallo de un árbitro que estuviera en algún punto de quietud absoluta, pero como ya no creemos en las esferas cristalinas de la astronomía medieval, tal sitio no existe en todo el Universo. La luz es el máximo mensajero, de modo que el observador y el viajero de Einstein deben convenir en que no han visto lo mismo.

Por supuesto, en el mundo normal la velocidad del tren es lenta respecto a ala de la luz y la diferencia entre los dos puntos de vista tan pequeña que no se puede medir. Pero si sus velocidades relativas son altas, la teoría de Einstein preconiza que las escalas de tiempo serían muy diferentes; y lo mismo se aplica a otras magnitudes mensurables de la naturaleza, como la distancia o la masa. Ninguna puede seguirse considerando una cantidad absoluta.

En el caso extremo imaginado por Einstein a los 14 años, si el tren se desplazase a la velocidad de la luz respecto al borde de la vía, el viajero no se habría enterado de la caída de un rayo detrás de es porque la luz no alcanzaría al tren, así como tampoco le llegaría un mensaje que le enviara el observador de la vía. El tiempo en el mundo exterior al tren estaría detenido. Así, según Einstein, la velocidad de la luz es el máximo límite de la velocidad natural.

En otro golpe genial Einstein demostró que teoría conduce a la fusión de dos magnitudes que se suponían enteramente separadas. La masa y el contenido de energía de un cuerpo se reúnen gracias a la otra y aún más famosa ecuación del siglo XX que da a entender que se puede liberar una enorme cantidad de energía si se destruyera una pequeña cantidad de masa:

E = mc2

Todo esto es muy distinto del mundo que imaginó Newton, quien suponía que el tiempo discurre a su propio paso, y que la masa y el espacio no se ven modificados por la localización ni pro el estado de movimiento o reposo del observador. Quizá desde el punto de vista de Dios existan el espacio y el tiempo absolutos, pero según Einstein todos los que formamos parte del universo llevamos con nosotros un espacio-tiempo propio.

Einstein completó su teoría General. Lo mismo que la Teoría Especial de 1905 alteró las leyes de la mecánica de Newton, la Teoría General supuso una forma nueva de entender el efecto de la gravedad. Einstein hablaba del espacio y del tiempo unidos en una cuarta dimensión y decía que la presencia de materia deformaba la propia estructura del espacio-tiempo. En vez de que el planeta se mueve pro un nuevo curso debido a esta deformación.

LA RELATIVIDAD PUESTA A PRUEBA

Todo esto era tan revolucionario que, a pesar de la lógica impecable que lo respaldaba, a muchos científicos se les hacía difícil aceptarlo. Después de todo no había hasta entonces nada que lo demostrara. Casi todas las pruebas imaginables eran imposibles con la tecnología de 1915, pero era posible poner a prueba una de las predicciones y, si se conformaba, disiparía las dudas.

Según la teoría de la relatividad la luz de una estrella lejana se tiene que desviar al pasar cerca de un cuerpo voluminoso, debido a la distorsión del espacio. Normalmente la luz del sol impide ver las estrellas de día, pero en un eclipse total se pueden detectar los menores desvíos de la posición en que suelen aparecer las estrellas. Estaba previsto un eclipse solar en mayo de 1919 y en 1928 Einstein pidió que se aprovechara para verificar su teoría, y a pesar de que no había terminado la Primera Guerra Mundial, la Real Sociedad y la Real Sociedad de Astronomía aceptaron. Einstein comentó los resultados en el libro La Relatividad, una exposición divulgativa, publicado en 1920:

«Sin arredrarse pro las dificultades materiales y psicológicas impuestas por la guerra, las dos sociedades montaron dos expediciones al Brasil y a la isla del Príncipe (en África Occidental) y enviaron a los más famosos astrónomos... Los resultados confirmaron la teoría de manera completamente satisfactoria. »

La idea de que la luz de las estrellas se desviara y el carácter extravagante del ensayo captaron la imaginación popular la teoría se hizo noticia, no sólo entre los círculos científicos, sino también en la prensa mundial. El hecho de que la relatividad fuese tan difícil de entender, incluso para los científicos, sólo sirvió para reforzar la reputación de genio que tenía Einstein entre las masas.

Desde entonces la teoría de la relatividad se ha comprobado más extensamente que ninguna otra e incluso las predicciones más extrañas han resultado ciertas. Cuando se dispuso de relojes de la máxima precisión se ha podido probar directamente que el tiempo transcurre efectivamente más despacio par quien está en movimiento, aunque la diferencia es de sólo unas millonésima respecto a las velocidades normales. Se instaló un reloj atómico muy exacto en un avión y se comparó el tiempo transcurrido con otro reloj estacionario. Si un objeto tiene suficiente masa, cualquier rayo de luz sin poder abandonarlo nunca. De hecho, el espacio se habría doblado sobre sí mismo y el objeto estaría desconectado del resto del universo convirtiéndose en un agujero negro en el que, en lo que respecta a los observadores exteriores, tiempo y espacio dejan de existir. Los astrónomos han confirmado también esta idea fantástica. Y la conversión de la materia en energía, predicha en la famosa ecuación, explica cómo se produce la luz de las estrellas. Faltaba bastante para que las armas nucleares demostraran terriblemente esta ecuación.

DESPUÉS DE LA RELATIVIDAD

Por una feliz casualidad Einstein había planeado una visita al Instituto de Tecnología de California en el invierno de 1932; cuando Hitler subió al poder el siguiente enero decidió no regresar a Alemania y hacerse ciudadano estadounidense. Einstein había sufrido el antisemitismo en su propia carne y se hizo un destacado defensor de la causa judía, ayudando a muchos de los refugiados que escapan en masa de Alemania. Lo mismo que a muchos otros científicos, le aterraba la posibilidad de que nos nazis produjeran una bomba atómica y, a pesar de haber sido pacifista toda su vida, le escribió una carta al presidente Roosevelt instándole a que Estados Unidos la produjera antes, como medida de seguridad. Pero le causó una profunda conmoción el lanzamiento de la bomba si previo aviso sobre Hiroshima y Nagasaki, y después de la guerra trató de persuadir al Gobierno de que no prosiguiera con el desarrollo de las armas termonucleares.

Einstein fue un personaje único que despertaba tanto afecto como temor; era un hombre tímido, simpático y amigable al que le gustaba la música y tocaba muy bien el violín. Encajaba en la idea popular de cómo deber ser un gran sabio y daba el tipo, especialmente en sus últimos años, con su melena blanca y vestido sin convencionalismos. Al final de su vida se apartó de los demás científicos, tanto por negarse a aceptar la teoría de los cuantos como pro haberle absorbido el intento de reunir todas las fuerzas de la naturaleza bajo una sola gran teoría unificada, que resultó ser una empresa infructuosa. Ésta sigue siendo la última meta de la ciencia y a finales de este siglo empieza a parecer posible alcanzarla. Pero todo avance futuro en nuestra comprensión del universo tendrá que apoyarse en los cimientos que estableció Einstein.

Una de las 72 pág. Del manuscrito de Einstein de 1912 en las que enunciaba la teoría de la relatividad.

Albert Einstein con el primer ministro inglés Ramsey MacDonald en Berlín en 1931. A la izquierda de MacDonald está el físico alemán Max Planck.

Un eclipse total de sol ocurrido en 1983 mostrando el efecto de «anillo de diamante». El resplandor azul pálido que rodea a la luna es la corona solar, o atmósfera exterior del sol. Einstein demostró en 1919 que un eclipse total se ve la luz de las estrellas desviarse al pasar cerca de un cuerpo voluminoso como el so, por la distorsión del espacio-tiempo.