Science Spain León, España, Friday, February 25 of 2005, 13:25

El año prodigioso de Albert Einstein

Juan Tomás Fernández Álvarez, profesor del Departamento de Física Aplicada, Física, Química y Expresión Gráfica de la Universidad de León

Juan Tomás Fernández/DICYT A lo largo de este año 2005 se celebra el Año Internacional de la Física. La idea original de esta proclamación fue lanzada hace cinco años en Berlín con motivo de la celebración del Congreso Internacional de las Sociedades de Física. Atendiendo a esta iniciativa primero fue declarado año mundial de la Física por la Unesco y, posteriormente, la ONU lo declaró Año Internacional de la Física. El motivo de la elección de este año es la celebración de dos efemérides que tienen que ver con la figura de quien ha sido proclamado el científico más importante del siglo XX: Albert Einstein.

 

Así, en este año se celebra, por una parte, el cincuentenario de su fallecimiento, que ocurrió el 18 de abril de 1955 en Princeton (EEUU), y por otra el centenario de la publicación en 1905 en la revista alemana Annalen der Physik de cuatro artículos suyos que supusieron un punto aparte en el desarrollo de la Física. El primero de ellos contiene su teoría para la explicación del efecto fotoeléctrico, que le valió el premio Nobel en 1921. El segundo está dedicado al movimiento browniano y su relación con la existencia de los átomos; el tercero presenta las bases de la teoría de la relatividad especial, y el último establece la relación entre la materia y la energía con la obtención de su ecuación más célebre E = m.c2. El segundo de ellos es el más académico en el sentido estricto de la palabra y de hecho le sirvió para realizar su tesis doctoral, mientras que los otros tres contienen teorías originales y novedosas que sentaron las bases para el desarrollo de la Física moderna.

 

A principios del siglo XX la Física se consideraba un cuerpo de doctrina que está prácticamente cerrado a expensas de resolver dos pequeñas nubes que aparecían en el horizonte. Una de ellas era la explicación del espectro de radiación del cuerpo negro, (cómo se distribuían las diferentes radiaciones que absorbía un cuerpo negro) y la otra era la explicación de cómo se producía el efecto fotoeléctrico, es decir, la emisión de electrones por parte de algunos metales al iluminarlos con luz de una determinada longitud de onda. El científico alemán Max Planck abordó el problema de la radiación del cuerpo negro utilizando para ello la teoría estadística puesta a punto por Boltzman. Para que los resultados obtenidos por las ecuaciones estuviesen de acuerdo con el experimento introdujo una constante “h”, conocida desde entonces como constante de Planck cuya interpretación requería suponer que los intercambios de energía entre la materia se producían de manera discontinua, es decir, en forma de paquetes o cuantos de energía hn, siendo n la frecuencia de la radiación energética. De esta manera Planck, presentaba de manera teórica el concepto de cuantización de la energía y marcaba el punto de partida de la Física cuántica. Este concepto suponía una ruptura total con lo aceptado hasta entonces por la comunidad científica, que asumía sin ninguna duda que la energía se distribuía de manera continua, y como tal encontró enormes resistencias en el ámbito científico.

 

Sin embargo, en marzo de 1905 apareció el primero de los artículos de Einstein, que vino a dar la razón a la hipótesis de Planck y acabó de vencer las resistencias al concepto de cuantización de la energía. En este artículo postuló la existencia de granos de luz, posteriormente llamados fotones, cada uno de los cuales transportaba no una energía cualquiera sino un cuanto hn. Así, un grano de luz ultravioleta, que tiene más frecuencia n que un grano de luz visible, sí es capaz de arrancar electrones de la superficie de un metal, mientras que este último no puede hacerlo. De esta manera, esta idea volvió a modificar la explicación de la naturaleza de la luz, y por extensión de todas las ondas electromagnéticas. De nuevo se planteó la discusión que nació en tiempos de Newton: la luz era un "corpúsculo", granos de luz independientes unos de otros, como sostenía Newton, o una onda en la que la energía se distribuía de manera regular, como habían postulado y comprobado experimentalmente Young y Fresnel.

 

En la actualidad los científicos asumen que la naturaleza de la luz es doble y tiene un comportamiento tanto contínuo “onda” como discontínuo “partícula” dependiendo de frente a qué o quién esté interactuando. Por lo que se refiere al desarrollo posterior de la Física cuántica hay que señalar que la evolución de la misma en este siglo ha ido por caminos diferentes de los ideados inicialmente por Einstein y a los que se enfrentó con todo tipo de argumentos. Así, en las primeras décadas del siglo XX el desarrollo teórico y los resultados experimentales mostraron el carácter probabilístico: se puede saber no exactamente lo que va a ocurrir, sino lo que es más probable que ocurra en función tanto del experimento como de los instrumentos de medida utilizados, de la Física cuántica, resultado éste que Einstein nunca aceptó y que plasmó en una frase que se ha hecho muy célebre: “Dios no juega a los dados”. La descripción del mundo que hace la Física cuántica es todavía hoy objeto de un vivo debate, aunque se podría afirmar que todos los resultados indican que la idea de Einstein de poder describir exactamente la realidad física no es posible.

 

La otra revolución que inició Einstein en 1905 se refiere a las leyes de la mecánica clásica ideadas por Newton en 1666 y al comportamiento de la luz. De nuevo la acción se sitúa a comienzos del siglo XX. En aquellos momentos ya era conocido que la luz tenía un comportamiento peculiar con respecto a lo que se espera de ella. Su velocidad de propagación en el vacío es independiente del sistema de referencia que se utilice para medirla. Así, mientras que la velocidad absoluta de cualquier objeto que se mueva dentro de otro cuerpo en movimiento es la composición de ambos movimientos, la velocidad con respecto a la carretera de una persona que se mueva hacia delante por el pasillo de un autobús en marcha es la suma de la velocidad de la persona con respecto al autobús mas la velocidad del autobús con respecto a la carretera, la velocidad de la luz es la misma si se mide desde dentro del autobús como desde fuera del mismo. Este resultado llevó a Einstein a cuestionar el concepto de simultaneidad y a descartar el carácter absoluto tanto del espacio y del tiempo. De esta manera nació la teoría de la relatividad especial, en la que se descarta la existencia de un espacio tridimensional, largo, ancho y alto, con una cuarta variable (el tiempo) absoluta, a un espacio de cuatro dimensiones en el que a las tres coordenadas de posición hay que incluir una cuarta dimensión, el tiempo, interrelacionada con las anteriores. De esta manera el concepto tanto de espacio como de tiempo depende del sistema de referencia utilizado.

 

Einstein reescribió las ecuaciones de la mecánica clásica de Newton utilizando este nuevo sistema de referencia dando lugar a lo que deberíamos denominar mecánica einsteniana, y que es más conocida como teoría de la relatividad. Simultáneamente aplicó su teoría tanto a la materia como a la energía, de tal manera que en su cuarto artículo, al que nos hemos referido al comienzo, postuló que cuando un cuerpo emite energía pierde una fracción de su materia, plasmando este resultado en la célebre ecuación E = m.c2. Todos los experimentos realizados para comprobar la validez de esta ecuación han dado resultados positivos. Los postulados iniciales de esta teoría de la relatividad especial o restringida de Einstein permitieron dar un salto cualitativo en la comprensión del comportamiento de la naturaleza y abrieron un campo insospechado de investigación y aplicaciones prácticas que todavía hoy siguen aportando beneficios a la humanidad. Fue el propio Einstein el que dio el primer paso al formular pocos años después, a partir de 1907, la teoría general de la relatividad en la que estableció que la inercia y la gravitación son dos visiones del mismo fenómeno, abriendo la puerta al actual grado de desarrollo de la astrofísica y la cosmología.

 

Las aportaciones de la figura de Albert Einstein al desarrollo de la Ciencia no se cierran con sus descubrimientos plasmados las cuatro publicaciones que vieron la luz en 1905 que son objeto de estas líneas, también son destacables sus investigaciones en Física estadística y en la elaboración de una teoría que aunase la relatividad general con el electromagnetismo.

 

Por último hay que reseñar que su concepción personal sobre el mundo, plasmado en su participación activa en todos los movimientos en pro de la paz mundial, han hecho de él una figura excepcional cuya fama universal es totalmente merecida.

 

El Año Internacional de la Física en España

En nuestro país la Real Sociedad Española de Física ha organizado diferentes eventos para conmemorar el Año Internacional de la Física. Entre ellos cabe destacar la inauguración, que tuvo lugar el 11 de febrero en el Congreso de los Diputados con la participación de científicos españoles e internacionales. También se ha emitirá un sello de correos de curso legal con un motivo alegórico a este evento y dos décimos de la Lotería Nacional.

 

Durante los meses de junio, julio y agosto, y en colaboración con el Museo de Ciencias Naturales de Madrid se celebrará en las instalaciones de este museo la exposición La Física y al Vida. Entre septiembre y octubre, en colaboración con el Consejo Superior de Investigaciones Científicas, la Residencia de Estudiantes acogerá la exposición Einstein y España. Además, la Universidad de Salamanca albergará del 3 al 12 de julio la XXXVI Olimpiada Internacional de Físicas. Entre octubre y noviembre en el Jardín Botánico se instalará la exposición Avances de la Física en el siglo XX y perspectivas de futuro. Por último, en la primera semana de diciembre tendrá lugar en el Senado, el acto de clausura de las celebraciones de este Año Internacional de la Física.

 

A lo largo del año 2006 se publicarán el libro conmemorativo, con la traducción a los diferentes idiomas de España de los cuatro artículos de Einstein de 1905, y las actas de las conferencias de apertura y clausura de este año internacional.