O ano no que Einstein floreceu

O ano da física, celebrado ao longo de 2005, conmemora os cen anos da publicación por Albert Einstein dunha serie de artigos que modificaron profundamente a idea que temos do espazo e o tempo, da enerxía e a materia. En 1905 Einstein tiña 26 primaveras e ese foi o seu “annus mirabilis”

A física actual aínda non se recuperou da onda sísmica producida pola teoría da relatividade de Einstein. Logo de sometela a moitas probas, segue máis vixente que nunca. Mais probabelmente non sexa a teoría definitiva; quedan obstáculos que salvar e os físicos continúan coa fascinante carreira para estudar e probar as súas consecuencias.

Os inicios
O pequeno Einstein naceu en 1879 en Ulm (Alemaña), pasou a infancia e adolescencia en Munich e fixo estudos universitarios na Escola Politécnica de Zürich entre 1896 e 1900. Ao rematar tentou alcanzar algún posto na universidade, mais foi rexeitado. En 1901 estaba no paro, ninguén lle daba traballo. Sobreviviu dando clases particulares, até que en xuño de 1902 conseguiu un posto de “experto técnico de terceira clase” na oficina de patentes de Berna. Para el estes eran traballos secundarios, necesarios para ir tirando e, a pesar da inestábel situación persoal, non deixou de afondar de maneira autodidacta no que realmente lle gustaba: a física. Durante eses anos (1901-03) publicou tres artigos na principal revista de física alemá: Annalen der Physik. En 1904 chegaría un cuarto e en 1905…a revolución.

Na primavera de 1905 Einstein escribiulle unha carta ao seu amigo Konrad Habicht; regañábao por non terlle enviado a súa tese: “por que non me enviaches aínda a túa tese? Non sabes que serei o único que a lea con pracer e interese? A cambio, prométoche catro artigos…o primeiro…e moi revolucionario”. Non era broma.

O resplandor
O 9 de xuño de 1905 apareceu en Annalen der Physik un artigo titulado “Un punto de vista heurístico sobre a produción e transformación de luz”, firmado por un descoñecido A. Einstein. Trataba sobre as propiedades e estrutura da luz e foi fundamental para o desenvolvemento da outra grande revolución da física –xunto coa teoría da relatividade–, a mecánica cuántica.

Nesa época, grazas principalmente ao traballo do físico escocés James Maxwell, os físicos estaban convencidos de que tiñan clara a estrutura da luz: consistía en ondas electromagnéticas con distintas frecuencias de oscilación. En 1900 o alemán Max Planck propuxo, con bastante cautela, a revolucionaria idea de que na materia a enerxía non cambia de maneira continua, senón mediante saltos discretos que el chamou “quanta”. Esta teoría dos “quanta” ou cuantos de enerxía quedou aparcada, até que en 1905 Einstein rescatouna nese primeiro artigo para propoñer unha idea aínda máis atrevida: a teoría dos cuantos tamén pode ser aplicada á luz, de tal xeito que esta estaría formada por partículas en lugar de ondas! De ser así, os cuantos de luz podían explicar a liberación de electróns dos metais grazas á luz, un fenómeno chamado efecto fotoeléctrico. Na actualidade os físicos cren que a luz pode comportarse como unha onda ou como unha partícula, e os cuantos de luz teñen un nome propio: fotóns. Einstein recibiu o Premio Nobel en 1921 por este traballo.

A certeza dos movimentos incertos
A máquina estaba en marcha. O 18 de xullo de 1905 a revista Annalen der Physik publicou outro traballo de Einstein titulado “Sobre o movemento de pequenas partículas suspendidas nun líquido estacionario segundo a teoría cinética molecular do calor”. Neste traballo explicaba que o movemento ao azar das partículas coñecido como “movemento browniano” –algo misterioso para os físicos desa época– podía ser consecuencia do movemento dos átomos debido ao calor. O movemento ao azar das partículas suspendidas nun líquido estaría inducido polos choques dos átomos –ou supostos átomos– contra elas. Os resultados experimentais deste traballo eran unha evidencia da natureza molecular da materia: esta estaría formada por átomos como elementos discretos, finitos.

Unha nova física
“Sobre a electrodinámica dos corpos en movemento” foi o título do terceiro artigo, publicado en Annalen der Physik o 26 de setembro. Este traballo introduciu a que logo se chamaría teoría da relatividade especial. Foi como unha bomba nuclear aos cimentos da física. O traballo chegou á revista o 30 de xuño, só 3 meses e medio despois de enviar o artigo sobre o efecto fotoeléctrico. Durante ese tempo, no cal seguía a traballar na oficina de patentes, Einstein tamén enviou o artigo sobre o movemento browniano e rematou a Tese Doutoral. Unha primavera realmente florida.

A teoría da relatividade especial modificou os conceptos de espazo e tempo, asentados solidamente por Newton como absolutos e uniformes. Einstein afirmou que o que é realmente constante é a velocidade da luz –uns 300.000 Km por segundo–, independentemente do movemento da súa fonte, algo que obriga a reconsiderar con cautela o concepto de tempo. Nas escalas de velocidade ás que nos movemos os humanos non hai grandes problemas e a mecánica de Newton funciona ben; mais a velocidades próximas á da luz o tempo distorsiónase como un chicle e sucesos que son simultáneos para un observador poden ser percibidos como separados no tempo por outro observador distante. A concepción newtoniana baseada no sentido común xa non ten sentido: non existe un tempo universal, absoluto, senón que é relativo a un espazo determinado.

O cuarto artigo de Einstein dese ano tamén facía referencia á relatividade. Publicouse o 21 de novembro co título “Depende a inercia dun corpo do seu contido de enerxía?”. Nel describe a equivalencia entre a enerxía e a masa dun obxecto. Este concepto desenvolveuno con máis detalle noutro artigo posterior (1907), no que describiu a famosa ecuación E=mc2 (a enerxía –E– está directamente relacionada coa masa –m– e coa velocidade da luz –c–). Esta inofensiva ecuación foi un dos froitos máis importantes da teoría da relatividade, e a súa aplicación lévanos a consecuencias espectaculares: calquera anaco de materia é un depósito de enerxía –a enerxía nuclear, por exemplo, baséase neste principio–.

A teoría da relatividade especial aplícase a corpos con movemento continuo e en ausencia de gravidade. Máis tarde Einstein desenvolveu a teoría da relatividade xeral, na cal entran en xogo a aceleración e a gravidade. Segundo esta, a forma do espazo –e tamén do tempo– depende da distribución dos corpos, de tal xeito que calquera obxecto terá un movemento cunha aceleración e unha traxectoria que dependerá desa “forma”. Unha mazá non cae da árbore, senón que ten unha aceleración e unha ruta determinadas pola deformación do espazo-tempo creada polo planeta Terra.

En busca da teoría perfecta
Cen anos despois da publicación deses traballos as súas consecuencias seguen a ser fundamentais para a comprensión do mundo e o desenvolvemento da tecnoloxía. A teoría da relatividade segue vixente, mais quedan moitos problemas por resolver. O principal é buscar a maneira de que sexa compatíbel coa outra grande teoría da materia, a mecánica cuántica. Einstein pasou a última etapa da súa vida buscando esa teoría unificadora ou “grande teoría do todo”. Non o conseguiu. Os físicos actuais non saben se será posíbel; o máis probábel é que as teorías actuais teñan que ser modificadas substancialmente, ou substituídas por outras totalmente distintas. O curioso é que, polo de agora, tanto a relatividade como a mecánica cuántica funcionan…de marabilla, cada unha no seu ámbito.

No último século a investigación de moitos físicos e cosmólgos consistiu en tratar de probar ou rebater experimentalmente as teorías de Einstein e, polo de agora, segue tan viva como o primeiro día, segundo as medicións experimentais dalgunhas das súas consecuencias: por exemplo a existencia de furados negros; ou a desviación (precesión) da órbita de Mercurio afectada pola curvatura do espazo-tempo creada polo Sol; ou a desviación da luz procedente de estrelas distantes ao pasar perto dalgún obxecto con moita masa –as chamadas “lentes gravitatorias” –.

Mais tamén quedan cousas por probar, como a existencia das ondas gravitatorias: perturbacións cíclicas da gravidade causadas pola aceleración dos obxectos –aínda que xa hai evidencias indirectas da súa existencia–. Tamén é posíbel que un feito inexplicado, a aceleración da expansión do universo, poida entenderse utilizando o que Einstein chamou constante cosmolóxica; algúns físicos cren que a enerxía escura –tamén sen explicación– e esa constante poden estar relacionadas ou incluso ser a mesma cousa. Na actualidade hai moitos experimentos en marcha para seguir buscando erros ou confirmado estas teorías, entre eles o proxecto “Beyond Einstein” –máis alá de Einstein– da NASA.

Non sabemos se esa “teoría do todo” é posíbel. Non hai présa, con ela ou sen ela as mazás seguirán “caendo”.


Ligazóns

Os artigos orixinais de Einstein en Annalen der Physik
http://www.physik.uni-augsburg.de/annalen/history/Einstein-in-AdP.htm

Especial en El País
http://www.elpais.es/especiales/2005/einstein/index.html

Especial en El Mundo
http://www.elmundo.es/elmundo/2005/graficos/mar/s4/einstein/index.html