14 de marzo: Aniversario del nacimiento de Albert Einstein

Albert Einstein en 1921

Albert Einstein en 1921

Albert Einstein nació el 14 de marzo de 1879 en Alemania. Aunque no empezó a hablar hasta la edad de 3 años y aparentaba poseer algún retardo, es ahora considerado el científico más importante del siglo XX.

Aquí recordaremos algunos hechos de su vida y su aportes.

Sus aportes más importantes a la ciencia

El efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un metal o fibra de carbono cuando se hace incidir sobre él un haz electromagnético (como un haz luminoso). Fue descubierto por Heinrich Hertz en el año 1887.

Albert Einstein propuso, en un artículo publicado en 1905 titulado Un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de la luz que el efecto fotoeléctrico podía ser explicado siguiendo la hipótesis de los cuantos de luz, hipótesis propuesta por el científico alemán Max Planck en el año 1900. Planck proponía en su hipótesis que la luz, los rayos X y demás ondas electromagnéticas (la luz también es una onda electromagnética) no puede ser emitida ni absorbida en cantidades arbitrariamente pequeñas, sino en forma de paquetes discretos que él llamó cuantos (hoy en día a los cuantos de luz los llamamos fotones), y que cuanto más alta sea la frecuencia de la onda, la energía que portaría dicho cuanto sería mayor. Esta idea fue un fuerte indicio para lo que hoy llamamos dualidad onda-partícula: El hecho de que las ondas electromagnéticas (y por extensión las partículas fundamentales de la naturaleza como los electrones) presenten a veces propiedades de partículas y a veces propiedades de ondas.

La explicación del fenómeno según la idea de los cuantos es la siguiente: Como un cuanto de luz (o un fotón) porta energía, cuando este cuanto choca contra la superficie de metal, puede arrancar electrones de él si el cuanto tiene suficiente energía, la misma que es dada por la frecuencia de la onda. Es esto lo que provoca la emisión de electrones observada.

Movimiento browniano

El movimiento browniano es el movimiento irregular, aparentemente aleatorio, de pequeñas partículas suspendidas en un fluído. Recibe su nombre en honor al escocés Robert Brown, biólogo y botánico a quien se le atribuye tradicionalmente este fenómeno en 1827 (se sabe, sin embargo, que el fenómeno fue observado y descrito desde mucho antes).

Einstein propuso, en su artículo titulado Sobre el movimiento requerido por la teoría cinética molecular del calor de pequeñas partículas suspendidas en un líquido estacionario [Über die con der molekularischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen] que el movimiento browniano podía ser explicado por la colisión de los átomos del fluído con las partículas suspendidas en él. Esta explicación fue importante tomando en cuenta que fue hecha en una época en que la teoría de la materia formada por átomos y moléculas era aún motivo de controversia, por lo que gracias a este artículo Einstein no sólo dio con la solución física del movimiento browniano, sino que también apoyó indirectamente la existencia de los átomos.

La teoría de la relatividad

En el año 1860 el físico escocés James Clerk Maxwell desarrolló un sistema de ecuaciones que unificaban las fuerzas eléctrica y magnética en una sola entidad física (el campo electromagnético). De sus ecuaciones se desprendía también el valor de la velocidad de la luz (de unos 300 000 km/s) y de otras ondas electromagnéticas. Pero si se habla de “velocidad de la luz” debía establecerse con respecto a qué sistema de referencia se estaba midiendo dicha velocidad. Surgió entonces la idea de que la luz se propagaba a través de una sustancia que está presente por doquier llamada éter luminífero (o “éter” simplemente), de la misma manera que las ondas de sonido se propagan a través del aire, y entonces la velocidad de la luz calculada tenía que medirse con respecto al éter. Con esto, aunque dos observadores cualesquiera midieran velocidades de la luz diferentes según la dirección de su movimiento, la velocidad de la luz con respecto al éter seguiría siendo la misma (y constante).

En un intento por explicar lo anterior (que la luz viaja a velocidad constante respecto al éter), los científicos Albert Michelson y Edward Morley llevaron a cabo un cuidadoso experimento para medir la velocidad con la que la Tierra se mueve con respecto al éter. Ellos seguían una sugerencia de Maxwell quien dijo que la velocidad de la luz variaría según nuestra propia velocidad con respecto al éter, haciendo una analogía con lo que ocurre con las ondas sonoras: Si nos movemos hacia una fuente de sonido, las ondas sonoras llegarán a nosotros cada vez más rápido y escucharemos un sonido cada vez más agudo, y si nos movemos alejándonos de la fuente de sonido, las ondas sonoras llegarán cada vez más lento a nosotros y escucharemos un sonido cada vez más grave (a esta relación entre la frecuencia de una onda y su velocidad se le conoce hoy en día como efecto Doppler). La idea de Michelson y Morley era entonces comparar la velocidad de la luz en dos direcciones distintas y perpendiculares entre sí. Si la velocidad de la luz con respecto al éter tuviera un valor fijo, sus mediciones deberían revelar velocidades de la luz diferentes según la dirección del haz de luz; pero extrañamente sus mediciones no arrojaron ninguna diferencia en la velocidad de la luz, lo cual contradecía la teoría de que la luz y demás ondas electromagnéticas viajan a través del éter.

Hubo muchos intentos para “explicar” el resultado de este experimento y salvar así la teoría del éter. Estos intentos duraron casi 30 años hasta que, en el año 1905, Albert Einstein (que tenía 26 años en ese entonces) publicó un artículo llamado Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento [Zur Elektrodynamik bewegter Körper]. En él, Einstein planteaba la hipótesis de que las leyes de la física (y en particular la velocidad de la luz en el vacío) debían ser las mismas para todos los observadores en movimiento libre. Con esta idea, la idea del éter se volvía completamente innecesaria, pero para llegar a esta conclusión nuestros conceptos de espacio y tiempo debían cambiar radicalmente.

Para entender por qué debían cambiar, imaginemos un experimento: Dos amigos, Juan y Pedro, juegan a lanzarse una pelota dentro del vagón de un tren que viaja a 90 km/h mientras María los espera a un lado de los rieles. En un momento dado, Juan le lanza la pelota a Pedro a una velocidad constante de 2 km/h y en la misma dirección que se mueve el tren. ¿Cuál será la velocidad “real” de la pelota? Como dijimos arriba, dependerá de nuestro sistema de referencia. Para Pedro, la pelota viaja hacia él a 2 km/h, pero para María la velocidad de la pelota sería de 92 km/h (o sea la velocidad con que es lanzada la pelota más la velocidad con la que se mueve el tren). Este mismo experimento se puede hacer remplazando la pelota con un haz de luz que Juan envía hacia Pedro (por ejemplo con una linterna) y, siguiendo el razonamiento anterior, Pedro y María también medirían velocidades diferentes del haz de luz enviado por Juan. El problema es que, según las ecuaciones de Maxwell, la velocidad de la luz debe ser siempre constante para todos los observadores. Como la velocidad (sea de la luz, de la pelota o de cualquier otro cuerpo que se mueve con velocidad constante) es igual a la distancia recorrida entre el tiempo empleado, la única forme en que Pedro y María midan siempre la misma velocidad de la luz es que midan tiempos diferentes entre la emisión y la recepción del haz de luz. La idea del tiempo “absoluto” de aquel entonces se tenía que desechar, ahora el tiempo se había vuelto un concepto más personal, “relativo” al observador que lo mide, y dos personas que midan el tiempo de un mismo suceso físico no tienen por qué coincidir. Este concepto es una de las claves en el artículo de Einstein de 1905 y se le conoce como relatividad especial. Ello significa también que el tiempo no está completamente separado del espacio, sino que ambos se combinan y forman una entidad llamada espacio-tiempo. Vivimos, por tanto, en un espacio-tiempo tetradimensional, esto es, de 4 dimensiones (3 espaciales y 1 temporal).

Pero había un problema: La relatividad especial no era compatible con la teoría de gravitación de Newton, que era la que regía por aquel entonces. La teoría de Newton dice que los objetos con masa son atraídos entre sí por una fuerza que depende de la distancia entre ellos. La teoria de Einstein, sin embargo, acabó con la idea de un tiempo absoluto, de manera que no se podía saber en qué momento había que medir la distancia entre dichos cuerpos. Se necesitaba entonces un cambio en la teoría de Einstein para hacerla compatible con la gravedad. Ello puede parecer a simple vista un detalle técnico que podría resolverse con facilidad, pero fue todo lo contrario: Einstein dedicó los siguientes 11 años a desarrollar una nueva teoría de gravitación llamada relatividad general, propuesta en el año 1915. La base de esta nueva teoría es que la gravedad no es una fuerza como las demás, sino surge como consecuencia de que el espacio-tiempo en que vivimos no sea plano, sino que esté curvado o deformado por la materia contenida en él. Imaginemos que hacemos rodar una pelota en un terreno con algunos huecos o baches de muy poca produndidad. Cuando la pelota pase por alguno de esos huecos vemos como el camino que sigue la pelota se desvía según lo cerca que pase del hueco. Si la pelota pasa justo por el contorno de un hueco pero sin caer en él, veríamos como la pelota desvía su camino hacia un lado. Lo mismo ocurre con el espacio-tiempo, pero con cuatro dimensiones en vez de dos (el suelo por donde rueda la pelota es una superficie de dos dimensiones).

La constante cosmológica: ¿Fue o no un error de Einstein?

Cuando Einstein propuso su teoría de la relatividad general en 1915, él y muchos otros científicos creían que el universo era estático (es decir que ni se expandía ni se contraía). Pero había un problema: Un universo bajo la influencia de la gravedad no podía ser estático por sí mismo: La gravedad haría que toda la materia se atraiga entre sí en un mismo punto y con ello el universo colapsaría sobre sí mismo. Incluso la propia teoría de la relatividad predecía este efecto. Aun así, Einstein estaba tan convencido de que el universo tenía que ser estático que modificó su propia teoría para que ello fuera posible, insertando en sus ecuaciones un factor espúreo llamado constante cosmológica, que daba al universo una tendencia inherente a expandirse, dotándole de una nueva fuerza “antigravitatoria” que no provenía de ninguna fuente puntual en particular, sino del universo mismo. El valor de esta constante podía ser ajustado de tal forma que contrarrestara exactamente la atracción gravitatoria de toda la materia del universo, permitiendo que éste fuera estático.

Sin embargo, unos años más tarde (en 1929), el astrónomo estadounidense Edwin Hubble descubrió que las galaxias, en cualquier dirección donde miremos, se están alejando de nosotros, y cuanto más lejos están, más rápido se alejan. En otras palabras, el universo se está expandiendo. Este descubrimiento puso fin a la idea de un universo estático. Einstein entonces retiró la constante cosmológica de sus ecuaciones diciendo que había sido “el error más grande de su vida”.

No obstante, en el año 1998, tras la observación de supernovas lejanas se llegó a la conclusión de que el universo no sólo se está expandiendo, sino que lo hace a un ritmo cada vez más rápido, lo cual para nuestro sentido común no tiene sentido: La atracción de la gravedad debería frenar la velocidad de expansión del universo, pero las observaciones indican que más bien se está acelerando. La única explicación posible hasta el momento es que debe haber alguna fuerza repulsiva que esté actuando por todo el universo y que haga que la velocidad de la expansión sea cada vez mayor, lo cual indicaría que Albert Einstein no estaba del todo equivocado con su constante cosmológica y sus efectos antigravitatorios.

Equivalencia entre masa y energía

Este principio se resume en la que es probablemente la ecuación más famosa dentro y fuera del ámbito científico: La equivalencia entre masa y energía, consecuencia directa de la teoría de la relatividad y que se resume en la ecuación E = mc2 (donde E es la energía del cuerpo, m la masa del mismo y c la velocidad de la luz). Esta ecuación tan simple explica por qué nada se puede mover más rápido que la luz: En un cuerpo que se mueve con aceleración constante, la energía que el cuerpo va ganando se añade a su masa, incrementándola. Conforme la velocidad del cuerpo se vaya acercando cada vez más a la velocidad de la luz, el incremento en su masa será cada vez mayor, con lo cual será mayor la cantidad de energía necesaria para mantener al cuerpo moviéndose a esa velocidad. Llegará entonces un momento en que cuando el cuerpo esté moviéndose casi a la velocidad de la luz, su masa se hará infinita (y se requerirá entonces una cantidad infinita de energía para moverlo a esa velocidad) por lo que nunca podrá alcanzar la velocidad de la luz.

Este efecto solo es realmente significativo para cuerpos que se mueven con velocidades muy cercanas a la velocidad de la luz. Por ejemplo, para un cuerpo que se mueve al 10% de la velocidad de la luz, su masa sería sólo del 0,5% que en reposo; pero para un cuerpo que se mueve al 90% de la velocidad de la luz, su masa sería de más del doble.

Actividad política

Albert Einstein no sólo fue un brillante científico, sino que apoyó diversas causas políticas. De hecho, en sus propias palabras, su vida estuvo “dividida entre la política y las ecuaciones”.

Pacifismo

Las primeras actividades políticas de Einstein fueron durante la primera guerra mundial, cuando era profesor en Berlín. Fue un pacifista convencido y participó en diversas manifestaciones contra la guerra por considerarla “un desperdicio de vidas humanas”, apoyando la desobediencia civil y exhortando a la gente a no enlistarse en el ejército.

Sin embargo, Einstein renunció a su pacifismo ante la amenaza nazi tras la llegada de Hitler al poder. Ante el temor de que los alemanes construyan una bomba nuclear, Einstein propuso, durante su estancia en los Estados Unidos, que ellos fabricasen la suya. Pero incluso antes que estalle la primera bomba, advirtió públicamente de los peligros de la guerra atómica y propuso un control internacional sobre el armamento nuclear.

Los esfuerzos de Einstein por la paz le hicieron ganar enemigos. Tuvo problemas para visitar los Estados Unidos (incluso para dar conferencias), sus teorías fueron atacadas, se formó una organización en su contra, un hombre fue acusado de promover su asesinato, y se publicó en 1931 un libro titulado Cien autores en contra de Einstein [Hundert Autoren Gegen Einstein]. Nada de esto inmutó a Einstein ni le impidió expresas sus opiniones: Ante la publicación del libro mencionado, dijo:

“¿Por qué cien? Si yo estuviera equivocado, con un solo autor hubiera bastado”.

Sionismo

Einstein era de ascendencia judía, aunque rechazaba la idea bíblica de Dios. No obstante, se convirtió en un defensor abierto de la causa judía durante la primera guerra mundial. Sus apoyo a la causa sionista fue reconocida en el año 1952 cuando se le ofreció la presidencia de Israel. Einstein rechazó el ofrecimiento por considerarse “demasiado ingenuo para la política”:

Estoy profundamente conmovido por el ofrecimiento del Estado de Israel y a la vez apenado y avergonzado por no poder aceptarlo. Durante toda mi vida he tratado con cuestiones objetivas, por lo que carezco de la aptitud natural y de la experiencia para tatar como es debido con la gente y para desempeñar funciones oficiales. Soy el más afligido por estas circunstancias, porque mi relación con el pueblo judío se ha convertido en mi vínculo humano más fuerte, desde que tomé plena conciencia de nuestra precaria situación entre las naciones del mundo.

Últimos años

Einstein dedicó sus últimos años en la búsqueda de la teoría de campo unificada, una teoría que unificara todas las teorías parciales conocidas hasta el momento como aspectos diferentes de una sola teoría (la llamada “teoría del todo”). Sin embargo, sus intentos no tuvieron éxito, pues el momento aún no estaba maduro. Había teorías parciales para describir la gravedad y la fuerza electromagnética, pero se conocía muy poco sobre las fuerzas nucleares. Además, Einstein rehusó aceptar la realidad de la mecánica cuántica (en la que las partículas no tienen posiciones y velocidades definidas en el espacio sino que aparecen “esparcidas” en una cierta distribución de probabilidad), ya que no aceptaba que el universo estuviese gobernado por el azar, lo cual se resume en su frase “Dios no juega a los dados”.

Albert Einstein murió el 18 de abril de 1955 a los 76 años, víctima de la rotura de un aneurisma de la aorta abdominal. El mismo Einstein rechazó que le hagan la cirugía porque consideraba que ya había hecho su parte en este mundo y que era la hora de partir:

Quiero irme cuando quiero. Es de mal gusto prolongar artificialmente la vida. He hecho mi parte, es hora de irse. Yo lo haré con elegancia.

Bibliografía y otras fuentes

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Danilo Quispe Lucana

Ingeniero de sistemas, desarrollador web y de software. Aficionado a la ciencia y tecnología desde chico.

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2 Respuestas

  1. 5 noviembre, 2013

    […] la teoría de la relatividad ya habíamos hablado, en una entrada dedicada al aniversario del nacimiento de su autor, Albert Einstein. Ahora, para poder discutir la posibilidad de los viajes en el tiempo, es necesario recordar cómo […]

  2. 14 marzo, 2014

    […] 14 de marzo se celebra tanto el aniversario del nacimiento de Albert Einstein (del cual ya nos ocupamos anteriormente) como el día del número pi, llamado también Día de […]

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