Por: Fidel Schaposnik

Luz: chorro de partículas
Átomos: Ladrillos de la materia
Relatividad especial
Einstein: el “mago”
Relatividad general
Qué lo motivaba

En 1905, un joven físico alemán que trabajaba en la oficina de patentes de Berna, envió a publicar una serie de artículos que cambiaron para siempre nuestra visión del mundo. Los trabajos publicados por Albert Einstein en la revista Anales de la Física tenían que ver con la naturaleza de la luz, la existencia de los átomos y la relatividad especial. Diez años después agregó a su lista magistral la teoría de la relatividad general.

Fidel Schaposnik, profesor de Física de la Universidad Nacional de la Plata en Argentina e investigador de la Comisión de Investigaciones Científicas de Buenos Aires, explicó en el 2005 a los lectores de BBC Mundo el pensamiento y el impacto del científico que él define simplemente como un «mago».

«Einstein actuó como un mago, que a diferencia de alguien que hace un milagro, es un ser humano. Fue mágico que una sola persona en un año lograra todo esto «

Luz: chorro de partículas

Hablemos del trabajo sobre la luz, que le valió el Premio Nobel en 1921

El primero de los trabajos que Einstein mandó publicar en 1905 trataba sobre la naturaleza de la luz, que hasta entonces era considerada el resultado de ondas que se propagaban en el espacio.

Pero con esa teoría de ondas no se podía explicar ciertos experimentos y entonces Einstein propuso pensar a la luz como un chorro de partículas, los fotones, que transportaban energía.

O sea, él propuso un cambio fundamental en la manera de entender la luz.

Logró así explicar el efecto fotoeléctrico, un fenómeno en que los electrones de un metal son arrancados por acción de la luz.

¿Por qué la teoría de Einstein permitió explicar experimentos hasta ese momento no entendidos?

En el momento en que Einstein trabajaba en esto, había un montón de gente tratando de entender una serie de fenómenos que con la física clásica no se podían entender, y uno de ellos era la manera en que eran arrancados electrones de los materiales cuando incidía luz.

«Este trabajo posibilitó muchas aplicaciones prácticas, entre ellas, la TV. el rayo láser, los discos compactos.

Era inimaginable en ese momento, cuando se trataba de mejorar la calidad de nuestros discos de vinilo.

Esto no se podía explicar, porque con la teoría clásica de la radiación el experimento debería funcionar no importa con qué luz uno mandara arrancar los electrones. Pero lo que se observaba era que el fenómeno funcionaba de manera «cuántica», como decimos ahora, había ciertos umbrales. Si uno no los superaba, no se podía arrancar electrones.

En el efecto fotoeléctrico, lo que hizo Einstein fue interpretar a la luz no como ondas que golpeaban y arrancaban a los electrones, porque eso hubiera permitido arrancarlos siempre, sino que la luz estaba formada por partículas que chocaban y arrancaban a otras, pero sólo lo podían hacer en cantidades bien definidas, los llamado «cuantos».

Einstein fue uno de los que en 1905 le dio un impulso a la teoría cuántica desde el lado de la luz.

¿Qué aplicaciones tuvo este trabajo?

Este y sus posteriores trabajos posibilitaron muchas aplicaciones prácticas, entre ellas, la TV, el rayo láser con sus aplicaciones en medicina y comunicaciones, los discos compactos, células fotoeléctricas, aunque a él no le interesaban en ese momento las aplicaciones, le interesaba entender el fenómeno.

Einstein cambió nuestra visión del universo, y con cualquiera de estos trabajos, si uno mira 40 o 50 años después, uno ve las aplicaciones alrededor de uno. Éste de la luz tuvo miles de aplicaciones.

Era inimaginable en ese momento, cuando se trataba de mejorar la calidad de nuestros discos de vinilo, que ese trabajo puramente académico iba a cambiar nuestra vida.

Átomos: ladrillos de la materia

Sus trabajos siguientes, sobre el llamado movimiento browniano, permitieron demostrar la existencia de los átomos. ¿Cuáles son los elementos esenciales de esta teoría?

En cuanto a la materia, en los dos siguientes trabajos, Einstein pudo calcular el tamaño de las moléculas y el movimiento de pequeñas partículas en un líquido, descubriendo que puede ser descrito por una teoría que se llama hoy de movimiento browniano.

Después de estos trabajos quedó confirmada la existencia de los átomos como ladrillos básicos de la materia.

En esa época, en 1905, se sabía de la existencia de los átomos desde la química, pero no existía aún una teoría física de los átomos.

Este trabajo del movimiento browniano hubiera merecido un Premio Nobel.

El movimiento «browniano» había sido descrito primero por un botánico escocés, Robert Brown, cuando observó el movimiento impredecible de granos de polen en un líquido en reposo.

¿Cómo logró explicar Einstein este movimiento?

Había una teoría del movimiento de líquidos en fluidos, y lo que hizo él fue estudiar esas ecuaciones, pero como hacía siempre, de una manera nueva, sin el más mínimo prejuicio de cualquier consecuencia, por absurda que pueda parecer en principio.

Se trata de ecuaciones que describen el movimiento aleatorio de partículas en función del tiempo que transcurre. Supuso que lo que producía el movimiento de los granos de polen era su choque con partículas invisibles, las moléculas que había en el líquido.

No es que la matemática que Einstein usaba en estas cosas era lo que llamaríamos sofisticada. Obviamente no era la matemática de secundaria, pero tampoco era una matemática de punta en el momento en que Einstein hacía estos trabajos.
O sea, él usaba herramientas muy simples, y lo que traía era una intuición asombrosa para dirigirse hacia el lugar y hacia la ecuación que debía estudiar para tratar de comprender este movimiento.

Pero además, de una manera casi «salvaje», lo estudia desde un punto de vista atómico, en un año, 1905, en que no hay ninguna prueba concreta de que los átomos existen.

Relatividad especial

¿Cuál es el concepto central de la relatividad especial?

En cuanto al espacio y el tiempo, en el cuarto y quinto trabajo estableció la teoría de la relatividad «especial», lo que implica rehacer la mecánica Newtoniana (que pasa entonces a ser sólo una buena aproximación) y que considera que el espacio y el tiempo están íntimamente ligados.

Esta teoría de la relatividad requiere postular que la velocidad de la luz, (la de los fotones), a diferencia de la de los objetos que tienen masa (peso) es la misma en todos los sistemas de referencia.

Y además, de ella resulta que la masa y la energía pueden convertirse una en la otra (lo que hoy re¬sumimos con la famosa fórmula E=mc2.

¿Por qué la mecánica Newtoniana pasa a ser sólo una aproximación?

Einstein descubre que la única manera de hacer consistente su teoría es postular que la luz se mueve siempre a la misma velocidad.

Es una constante universal, que uno simboliza con la letra c y que siempre es la misma en todos los sistemas de referencia.
Comprueba que hay que rehacer la mecánica de Newton, hecha en los años 1600, porque en ella se describían fenómenos a velocidades mucho más lentas que la de la luz, que es 300.000 kms por segundo.

Pero cuando uno quiere describir todos los fenómenos, incluyendo los de velocidades muy altas, no queda más remedio que aceptar este postulado.

Se suele decir que con esta teoría, el tiempo pasa a ser relativo. ¿Qué significa esto?

Galileo se había dado cuenta de que si uno quería medir un punto dentro de un barco, digamos el mástil, para la gente que estaba en el barco, el mástil estaba siempre en el mismo lugar. En cambio para la gente que estaba en la costa, el mástil se movía.

Lo que hace Einstein es darse cuenta que eso que uno tan naturalmente entiende (para el espacio), que es lo que llamamos la relatividad de Galileo, además uno debe hacerlo para el tiempo…

Los científicos pensaban antes de los trabajos de Einstein que el tiempo era una cosa absoluta.

Con Einstein, el tiempo cambia de acuerdo al sistema en que lo estemos midiendo. Esto va contra la intuición.

¿Qué consecuencias tiene esto?

Esto tiene consecuencias impensadas, por ejemplo, empezamos a preguntarnos, ¿no habrá un sistema en el que lo que yo aquí llamo en mi casa futuro, es en otro sistema pasado?

Entonces yo podría hacer esos viajes famosos en la ciencia ficción, bastaría moverme de una manera adecuada en un sistema adecuado, en el que lo que yo llamó atrás en el tiempo, es el futuro en otro sistema. Todo esto describe que el tiempo también pasa a ser relativo.

¿Es este fenómeno el que explica la famosa paradoja de los gemelos?

(En la que tenemos dos gemelos, uno de los cuales se queda en la Tierra y el otro parte en un largo viaje por las estrellas a gran velocidad. Como la velocidad produce un transcurso más lento del tiempo, al volver a la Tierra el astronauta será más joven que el que se ha quedado en la Tierra (dilatación del tiempo).

Exactamente. Ahora bien, si uno viaja a las velocidades en que viajamos nosotros es despreciable el cambio.

Cuando las velocidades en que viaja una de esas personas empieza a ser más cercana a la velocidad de la luz, ese fenómeno de sincronización de relojes se hace más y más brutal, y entonces puede pasar que un reloj en reposo mide tres minutos y otro en movimiento un tiempo muy diferente.

Esta teoría acabó teniendo una consecuencia nefasta: la construcción de la bomba atómica.

Ese trabajo sobre relatividad incluye la posibilidad de interpretar que la masa y la energía se pueden cambiar una en la otra.

O sea, se puede lograr enormes cantidades de energía a partir de masa y eso desemboca como aplicación nefasta en la bomba atómica. Pero lo que es nefasto es la aplicación que hicieron otros hombres de eso, no el trabajo en sí.

El trabajo es un trabajo científico que pretende entender nuestro universo. Abre una caja de Pandora, por las aplicaciones que se pueden hacer. Y las hubo. Pero obviamente no estaba eso en la cabeza de Einstein, él fue un pacifista.

Tanto la existencia de átomos y núcleos y la mecánica cuántica, como la teoría de la relatividad, son los ingredientes que permitieron entender cómo hacer una bomba atómica.

Einstein: el mago

Parece asombroso que un joven de 26 años publicara trabajos de tal trascendencia y en un mismo año.

Hay un matemático, Frank Kac, que decía que los físicos geniales, pueden ser divididos en dos clases. Por un lado, los que él llama los físicos geniales ordinarios, cuyo trabajo uno puede pensar que otros físicos lo podían haber hecho con un poco de esfuerzo y un poco de suerte.

Y están los otros, decía Kac, los que él llamaba magos, que tuvieron ideas que estaban tan enfrentadas con lo que era la intuición de sus contemporáneos y tan profundas, que uno no puede imaginar que un ser humano las pueda tener.

Por eso yo, más que llamarlo maravilloso o milagroso como se suele llamar al año de 1905 -términos que remiten a algo sobrenatural en el sentido religioso yo preferiría que se le hubiera llamado año mágico, porque Einstein actuó como un mago, que a diferencia de alguien que hace un milagro es un ser humano.

Fue mágico que una sola persona en un año lograra esto.

Relatividad general

¿En qué consiste la teoría que Einstein publicó 10 años después, la de la relatividad general?

La teoría que hizo en el año 1915 es una teoría de la gravitación. Fue Newton el que a partir de los estudios de Kepler sobre planetas había hecho la llamada teoría de la gravitación de Newton, había entendido cuáles son las fuerzas que intervienen, y pudo entonces Newton describir el movimiento de las partículas con masa, con peso, de acuerdo a cómo se atraen por esta fuerza.

El paso que dio Einstein fue gigantesco. Empezó a pensar el rol de la geometría del espacio en que nos movemos. Einstein hace una teoría de la gravitación que el elemento fundamental es la geometría del espacio y del tiempo.

Y logra escribir unas ecuaciones, las que llamamos ecuaciones de Einstein para la gravitación, que resumen las leyes del movimiento de las partículas en un espacio tiempo general, donde la geometría es parte de las ecuaciones.

Sí uno resuelve las ecuaciones de Einstein tiene el movimiento de las partículas y también la estructura del espacio en que esas partículas se mueven.

¿Cuál ha sido el impacto de esta teoría?

Es una teoría que todavía resiste, en el sentido que todas las otras fueron unificadas. En cambio con la gravitación de Einstein seguimos chocando con problemas cuando queremos hacerla consistente con las otras teorías que tenemos.

Él hizo esos vanos intentos, durante treinta años, para unificar esta teoría con la de Maxwell, no dejó piedra sin mover, no dejó rincón sin investigar, pero no lo logró. Podía haber hecho contribuciones enormes en otros campos, pero él estaba ocupado en esto.

Las ideas de la teoría de la gravitación, y la necesidad de que esta teoría, que sabemos es correcta, se unifique con las otras, es lo que está moviendo a los físicos más geniales de esta época, a tratar de unificarla con las otras fuerzas, eléctrica, magnética, que mantienen a los núcleos atómicos, en una única teoría. Es una teoría que llamamos de la supercuerda, otros la llaman la teoría de todo.

Ello permitiría describir de una manera compacta y simple, todas las leyes que rigen todos los fenómenos físicos. Eso era lo que buscó Einstein durante treinta años una vez que hizo la teoría de la gravitación.

Quizás esta unificación final esté esperando otro Newton u otro Einstein.

Qué lo motivaba

Usted dijo que a Einstein no le preocupaba que su trabajo tuviera aplicaciones. ¿Qué lo motivaba?

La motivación era encontrar leyes universales. La tarea suprema de un físico era encontrar leyes universales.
Él quería explicar al cosmos, no quería construir un disco de vinilo en el que se escuchara mejor. Él quería explicarlo todo, haciéndose las preguntas más in¬genuas que uno pueda imaginar.

Muchas de las aplicaciones ni se imaginaban en su época.

Pensemos en la elipse, esa especie de circunferencia achatada que los griegos inventaron 2.000 años antes de Cristo porque les parecía que era una figura bella. Tuvieron que pasar más de 2.000 años para que encontrara su primera aplicación que fueron las leyes de Kepler, que dicen que las órbitas de los planetas son elipses.

A veces se ve a Einstein como un genio que trabajaba aislado.

Hay un punto que es importante destacar. Einstein no pertenecía al establishment de la física del momento, era un empleado de una oficina de patentes al que le quedaba suficiente tiempo como para dedicarle todo el tiempo importante a estas teorías, pero él se escribía con físicos muy importantes.

No se trataba de una persona solitaria, trabajando en un castillo aislado.

Él estaba al tanto de la física experimental de su época, sabía cuáles eran los problemas centrales, por eso atacó problemas centrales, y trabajaba 20 horas por día, estudiaba, discutía, trataba de entender pero siempre con un lápiz en la mano, cosas concretas y leía muchos trabajos de física.

Hasta los genios como Einstein o Newton, estudiaban cantidades de horas inimaginables. Cuanto más genial es la persona parece que dedica más tiempo al estudio y a tratar de entender