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Albert Einstein
Albert Einstein, nacido en Alemania en 1879 y nacionalizado en Estados Unidos en 1940, es el científico más conocido e importante del siglo XX. En 1905, siendo un joven físico desconocido, empleado en la Oficina
de Patentes de Berna
(Suiza), publicó
su Teoría de la Relatividad Especial. En ella incorporó, en un marco teórico simple y con base en postulados físicos sencillos, conceptos y fenómenos
estudiados anteriormente por Henri Poincaré y Hendrik Lorentz. Probablemente, la ecuación de la física más conocida a nivel popular es la expresión matemática de
la equivalencia masa - energía, E=mc², deducida por Einstein como una consecuencia lógica de esta teoría. Ese mismo año publicó otros trabajos que sentarían
algunas de las bases de la física estadística y la mecánica cuántica.
En 1915 presentó la Teoría General de la Relatividad,
en la que reformuló por completo el concepto de gravedad. Una de las consecuencias fue el surgimiento del estudio científico
del origen y evolución del Universo por la rama de la física denominada cosmología. Muy poco después, Einstein se convirtió en un icono popular de la ciencia alcanzando fama mundial,
un privilegio al alcance de muy pocos científicos.
Obtuvo el Premio Nobel de Física en 1921 por su explicación del efecto fotoeléctrico y sus numerosas contribuciones a la
física teórica,
y no por la Relatividad, pues en esa época era aún considerada
un tanto controvertida por parte de muchos científicos.
Tras graduarse, siendo el único
de su promoción que no consiguió el grado de maestro, Einstein no pudo encontrar un trabajo en la Universidad, aparentemente, por la irritación que causaba entre sus profesores.
El padre de un compañero de clase le ayudó a encontrar un trabajo en la Oficina
de Patentes Suiza en 1902. Su personalidad le causó también problemas con el director de la
Oficina quien le enseñó a "expresarse correctamente".
En esta época Einstein se refería con amor a su mujer
Mileva como "una persona que es mi igual y tan fuerte e independiente como yo". Abram Joffe, en su biografía de Einstein,
argumenta que durante este periodo fue ayudado en sus investigaciones por Mileva. Esto se contradice con otros biógrafos como
Ronald W. Clark, quien afirma que Einstein y Mileva llevaban una relación distante que brindaba a Einstein la soledad necesaria
para concentrarse en su trabajo.
En mayo de 1904, Einstein y Mileva tuvieron un hijo de nombre Hans Albert Einstein.
Ese mismo año consiguió un trabajo permanente en la Oficina
de patentes. Poco después finalizó su doctorado presentando una tesis titulada Una nueva determinación de las dimensiones
moleculares. En 1905 escribió cuatro artículos fundamentales sobre la física de pequeña y gran escala. En ellos explicaba el movimiento browniano, el efecto fotoeléctrico y desarrollaba
la relatividad especial y la equivalencia masa-energía. El trabajo de Einstein sobre el efecto fotoeléctrico le haría merecedor del Premio Nobel de física en 1921. Estos artículos fueron
enviados a la revista Annalen der Physik y son conocidos generalmente como los artículos del Annus Mirabilis
(del Latín, "Año
maravilloso").
En 1908 fue contratado
en la Universidad de Berna, Suiza, como profesor y conferenciante
(Privatdozent) sin cargas administrativas. Einstein y Mileva tuvieron un nuevo hijo, Eduard, nacido el 28 de julio de 1910. Poco después la familia se mudó a Praga, donde Einstein ocupó una plaza de Professor, el equivalente a Catedrático en la Universidad Alemana de Praga. En esta época trabajó estrechamente con Marcel Grossmann y Otto Stern. También comenzó a llamar al tiempo
matemático cuarta dimensión.
En 1914, justo antes de la Primera Guerra Mundial, Einstein
se estableció en Berlín y fue escogido miembro de la Academia Prusiana de Ciencias y director del Instituto de Física Káiser Wilhelm. Su pacifismo y actividades
políticas pero, especialmente, sus orígenes judíos, irritaban a los nacionalistas alemanes.
Las teorías de Einstein comenzaron a sufrir una campaña organizada de descrédito. Su matrimonio tampoco iba bien. El 14 de febrero de 1919 se divorció de Mileva y el 2 de junio de 1919 se casó con una prima suya, Elsa
Loewenthal, apellido de soltera Einstein: Loewenthal era el apellido de su primer marido, Max Loewenthal. Elsa era
tres años mayor que Einstein y le había cuidado tras sufrir una crisis nerviosa combinada con problemas del sistema digestivo.
Einstein y Elsa no tuvieron hijos. El destino de la hija de Albert y Mileva, Lieserl, nacida antes de que sus padres se casaran
o encontraran trabajo, es desconocido. Algunos piensan que murió en la infancia y otros afirman que fue entregada en adopción.
De sus dos hijos el segundo, Eduard, sufría esquizofrenia y fue internado durante largos
años muriendo en una institución mental. El primero, Hans Albert, se mudó a California donde
llegó a ser profesor universitario aunque con poca interacción con su padre.
Tras la llegada de Adolf Hitler al poder en 1933, las expresiones de odio por Einstein alcanzaron niveles más elevados. Fue acusado por el
régimen nacionalsocialista de crear una "Física judía" en contraposición con la "Física
alemana" o "Física aria". Algunos físicos nazis, incluyendo físicos tan notables como los
premios Nobel de Física Johannes Stark y Philipp Lenard, intentaron desacreditar sus teorías. Los físicos que enseñaban la Teoría de la relatividad como, por ejemplo, Werner Heisenberg,
eran incluidos en listas negras políticas. Einstein abandonó Alemania en 1933 con destino
a Estados Unidos, donde se instaló en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton y
se nacionalizó estadounidense en 1940. Durante sus últimos años Einstein trabajó por integrar
en una misma teoría las cuatro Fuerzas Fundamentales, tarea aún inconclusa. Se cuenta que
cuando Einstein murió, en su pizarra estaban las ecuaciones aun sin concluir para integrar dichas fuerzas. Einstein
murió en Princeton, New Jersey, el 18 de abril de 1955.
Trayectoria científica
En 1904 Einstein consiguió una
posición permanente en la Oficina de Patentes Suiza. En
1905 finalizó su doctorado presentando una tesis
titulada Una nueva determinación de las dimensiones moleculares. Ese mismo año escribió cuatro artículos fundamentales
sobre la física de pequeña y gran escala. En ellos explicaba el movimiento browniano, el efecto fotoeléctrico y desarrollaba
la relatividad especial y la equivalencia masa-energía. El trabajo de Einstein sobre el efecto fotoeléctrico le proporcionaría
el Premio Nobel de física en 1921. Estos artículos
fueron enviados a la revista "Annalen der Physik" y son conocidos generalmente como los artículos del "Annus Mirabilis" (del
Latín: Año extraordinario). La Unión internacional de física pura y aplicada junto con la UNESCO conmemoran 2005 como el Año mundial de la física celebrando
el centenario de publicación de estos trabajos.
Movimiento browniano
El primero de sus artículos de 1905, titulado Sobre el movimiento
requerido por la teoría cinética molecular del calor de pequeñas partículas suspendidas en un líquido estacionario, cubría
sus estudios sobre el movimiento browniano.
El artículo explicaba el fenómeno haciendo uso de las estadísticas del movimiento
térmico de los átomos individuales que forman un fluido. El movimiento browniano había desconcertado a la comunidad científica
desde su descubrimiento unas décadas atrás. La explicación de Einstein proporcionaba una evidencia experimental incontestable
sobre la existencia real de los átomos. El artículo también aportaba un fuerte impulso a la mecánica
estadística y a la teoría cinética de los fluidos, dos campos que en aquella época
permanecían controvertidos.
Antes de este trabajo los átomos se consideraban
un concepto útil en física y química, pero la mayoría
de los científicos no se ponían de acuerdo sobre su existencia real. El artículo de Einstein sobre el movimiento atómico entregaba
a los experimentalistas un método sencillo para contar átomos mirando a través de un microscopio
ordinario.
Wilhelm Ostwald, uno de los líderes de la escuela antiatómica, comunicó a Arnold Sommerfeld que había sido transformado en un creyente en los átomos por la explicación de Einstein del
movimiento Browniano.
Efecto fotoeléctrico
El segundo artículo se titulaba Un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación
de luz. En él Einstein proponía la idea de "quanto" de luz (ahora llamados fotones)
y mostraba cómo se podía utilizar este concepto para explicar el efecto fotoeléctrico.
La teoría de los cuantos de luz fue un fuerte indicio de la dualidad onda-corpúsculo
y de que los sistemas físicos pueden mostrar tanto propiedades ondulatorias como corpusculares. Este artículo constituyó uno
de los pilares básicos de la mecánica cuántica. Una explicación completa del efecto fotoeléctrico
solamente pudo ser elaborada cuando la teoría cuántica estuvo más avanzada. Por este trabajo, y por sus contribuciones a la
física teórica, Einstein recibió el Premio Nobel de Física de 1921.
Relatividad especial
El tercer artículo de Einstein de ese año se titulaba Zur Elektrodynamik bewegter Körper
("Sobre la electrodinámica de cuerpos en movimiento"). En este artículo Einstein introducía la teoría de la relatividad especial
estudiando el movimiento de los cuerpos y el electromagnetismo en ausencia de la
fuerza de gravedad.
La relatividad especial resolvía los problemas abiertos por el experimento de Michelson-Morley en el que se había demostrado que las ondas electromagnéticas que forman la
luz se movían en ausencia de un medio. La velocidad de la luz es, por lo tanto, constante y no relativa al movimiento. Ya
en 1894 George Fitzgerald había estudiado esta cuestión
demostrando que el experimento de Michelson-Morley podía ser explicado si los cuerpos se contraen en la dirección de su movimiento.
De hecho, algunas de las ecuaciones fundamentales del artículo de Einstein habían sido introducidas anteriormente (1903) por Hendrik Lorentz, físico holandés, dando forma matemática a la conjetura
de Fitzgerald.
Esta famosa publicación está cuestionada como trabajo original de Einstein, debido
a que en ella omitió citar toda referencia a las ideas o conceptos desarrolladas por estos autores así como los trabajos de
Poincaré. En realidad Einstein desarrollaba su teoría de una manera totalmente diferente
a estos autores deduciendo hechos experimentales a partir de principios fundamentales y no dando una explicación fenomenológica
a observaciones desconcertantes. El mérito de Einstein estaba por lo tanto en explicar lo sucedido en el experimento Michelson-Morley
como consecuencia final de una teoría completa y elegante basada en principios fundamentales y no como una explicación ad-hoc o fenomenológica de un fenómeno observado.
Su razonamiento se basó en dos axiomas simples: En el primero reformuló el principio
de simultaneidad, introducido por Galileo siglos antes, por el que las leyes de la física
deben ser invariantes para todos los observadores que se mueven a velocidades constantes entre ellos, y el segundo, que la
velocidad de la luz es constante para cualquier observador. Este segundo axioma, revolucionario, va más allá de las consecuencias
previstas por Lorentz o Poincaré que simplemente relataban un mecanismo para explicar el acortamiento de unos de los brazos
del experimento de Michelson y Morley. Este postulado implica que si un destello de luz se lanza al cruzarse dos observadores
en movimiento relativo, ambos verán alejarse la luz produciendo un círculo perfecto con cada uno de ellos en el centro. Si
a ambos lados de los observadores se pusiera un detector, ninguno de los observadores se pondría de acuerdo en qué detector
se activó primero (se pierden los conceptos de tiempo absoluto y simultaneidad).
La teoría recibe el nombre de "teoría especial de la relatividad" o "teoría restringida
de la relatividad" para distinguirla de la Teoría general de la relatividad, que fue
introducida por Einstein en 1915 y en la que se consideran los efectos de la gravedad y la aceleración.
Equivalencia masa-energía
El cuarto artículo de aquel
año se titulaba Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig? ("¿Depende la inercia de un cuerpo
de su contenido de energía?") y mostraba una deducción de la ecuación de la relatividad que relaciona masa y energía. En este
artículo se decía que "la variación de masa de un objeto que emite una energía L es L/V²", donde V era la notación para la
velocidad de la luz usada por Einstein en 1905.
Esta ecuación implica que la energía E
de un cuerpo en reposo es igual a su masa m multiplicada
por la velocidad de la luz al cuadrado:
Muestra cómo una partícula con masa posee un tipo de energía, "energía en reposo", distinta
de las clásicas energía cinética y energía potencial.
La relación masa - energía se utiliza comúnmente para explicar cómo se produce la energía nuclear; midiendo la masa de núcleos
atómicos y dividiendo por el número atómico se puede calcular la energía de enlace atrapada en los núcleos atómicos. Paralelamente,
la cantidad de energía producida en la fisión de un núcleo atómico se calcula como la diferencia de masa entre el núcleo inicial
y los productos de su desintegración multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado.
Relatividad general
En noviembre de 1915 Einstein presentó una serie de conferencias en la Academia de Ciencias de Prusia en las que
describió la teoría de la relatividad general. La última de estas charlas concluyó con la presentación de la ecuación que
reemplaza a la ley de gravedad de Newton. En esta teoría todos los observadores son considerados
equivalentes y no únicamente aquellos que se mueven con una velocidad uniforme. La gravedad no es ya una fuerza o acción a
distancia, como era en la gravedad newtoniana, sino una consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo.
La teoría proporcionaba las bases para el estudio de la cosmología y permitía comprender
características esenciales del Universo, muchas de las cuales no serían descubiertas sino
con posterioridad a la muerte de Einstein.
La relatividad general fue obtenida por Einstein a partir de razonamientos matemáticos,
experimentos hipotéticos (Gedanken experiment) y rigurosa deducción matemática sin contar realmente con una base experimental.
El principio fundamental de la teoría era el denominado principio de equivalencia. A pesar de la abstracción matemática de la teoría, las ecuaciones permitían deducir fenómenos comprobables. En 1919 Arthur Eddington fue capaz de medir, durante un eclipse,
la desviación de la luz de una estrella pasando cerca del Sol, una de las predicciones de la relatividad general. Cuando se hizo pública esta confirmación la fama de Einstein se
incrementó enormemente y se consideró un paso revolucionario en la física. Desde entonces la teoría se ha verificado en todos y cada uno de los experimentos y verificaciones realizados hasta
el momento.
A pesar de su popularidad, o quizás precisamente por ella, la teoría contó con
importantes detractores entre la comunidad científica que no podían aceptar una física sin un sistema de referencia absoluto.
Estadísticas
de Bose-Einstein
En 1924 Einstein recibió un artículo de un joven físico indio, Satyendra Nath Bose, describiendo a la
luz como un gas de fotones y pidiendo la ayuda de
Einstein para su publicación. Einstein se dio cuenta que el mismo tipo de estadísticas podían aplicarse a grupos de átomos
y publicó el artículo, conjuntamente con Bose, en alemán, la lengua más importante en física en la época. Las estadísticas
de Bose-Einstein explican el comportamiento de grupos de partículas indistinguibles entre sí y conocidas como bosones.
El Instituto de Estudios Avanzados
Einstein dedicó sus últimos años de trabajo a la búsqueda de un marco unificado
de las leyes de la física. A esta teoría la llamaba Teoría de Campo Unificada.
Einstein intentó unificar la formulación de las fuerzas fundamentales de la naturaleza
mediante un modelo en el que, bajo las condiciones apropiadas, las diferentes fuerzas surgirían como manifestación de una
única fuerza. Sus intentos fracasaron ya que las fuerzas nuclear fuerte y débil no se entendieron en un marco común
hasta los años 1970, después de numerosos experimentos
en física de altas energías y ya pasados quince años desde la muerte de Einstein. Este objetivo sigue siendo perseguido por
la moderna física teórica. Los intentos recientes más destacados para alcanzar una teoría de unificación son las teorías de
supersimetría y la teoría de cuerdas.
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