“En 1905, un oscuro empleado de la Oficina de Patentes de Berna publicó cinco artículos científicos que sentaron las bases de la física de nuestro tiempo. Albert Einstein tenía 25 años. A pesar de la importante repercusión de estos estudios, siguió trabajando como examinador de patentes.”
Efecto fotoeléctrico
Fue por esta investigación, publicada en junio de 1905, que Einstein ganó el premio Nobel de Física en 1921 (y no por la teoría de la relatividad).
Este estudio le valió su doctorado en la Universidad de Zúrich, en Suiza.
Varios autores lo consideran como parte del “año milagroso” porque Einstein terminó de escribirlo en abril de 1905 y lo envió a Annalen der Physik en agosto, pero fue publicado en enero de 1906, después de corregir algunos cálculos.
En esta investigación, Einstein desarrolló un método de dos ecuaciones para medir el tamaño y la masa de las moléculas.
Las ecuaciones se valían de datos sobre la viscosidad (resistencia que ofrece un líquido a la acción de fluir) y la difusión de partículas de azúcar en agua, para despejar las dos variables que buscaba: el tamaño de las moléculas y el número que hay de ellas (conocido como el número de Avogadro).
“Su tesis se convertiría en uno de sus trabajos más citados y de mayor utilidad práctica, con aplicaciones en ámbitos tan diversos como la mezcla de cemento, la producción de leche y la fabricación de aerosoles”, señala Isaacson en la biografía del físico.
Movimiento browniano
En 1827 Robert Brown, un botánico escocés, observó en el microscopio que unas partículas de polen llamadas amiloplastos se movían aleatoriamente cuando estaban suspendidas en agua, sin seguir un patrón definido. Pero no supo explicar por qué.
Este misterioso movimiento pasó a ser conocido como “movimiento browniano”.
Albert Einstein, hace un siglo, pensaba que era imposible medir la velocidad elocidad resultado confirma, como es de esperar, predicción teórica de Einstein (realizada en 1907). Raizen y su grupo han logrado demostrar experimentalmente el teorema de equipartición de la energía para partículas en movimiento browniano, uno de los principios fundamentales de la mecánica estadística (el teorema afirma que la velocidad cinética de estas partículas depende sólo de la temperatura y no de su forma, tamaño o masa).
En su investigación, publicada en 1905, Einstein dijo que las partículas suspendidas se movían al ser colisionadas por pequeñas partículas del agua, que a su vez se movían por efecto del calor, un fenómeno de la termodinámica.
Mientras más calor haya, más se mueven las partículas, que no serían otra cosa que átomos y moléculas de agua.
Esta explicación de Einstein sirvió como una prueba de la existencia de los átomos, que en esa época todavía no estaba completamente confirmada.
Electrodinámica de los cuerpos en movimiento o “relatividad especial”
Quizá este artículo, publicado en septiembre de 1905, sea el más famoso de los cinco que escribió en el “año milagroso”.
Einstein contaba que el origen de su trabajo sobre la relatividad especial se remontaba a un problema que él mismo se había planteado a los 16 años: ¿Cómo se vería un rayo de luz si uno viajara al lado de este a su misma velocidad?, cuenta Isaacson en la biografía del físico.
Principio de la relatividad: Las leyes de la electrodinámica y de la óptica serán igualmente válidas para todos los sistemas de referencia en los cuáles se cumplan las leyes de la mecánica (sistemas inerciales, que se mueven con velocidad constante).
La luz se propaga siempre en el espacio vacío con una velocidad definida, independiente del estado de movimiento del cuerpo emisor.
El concepto de “simultaneidad” se vuelve relativo:
Sucesos que ocurren en el mismo lugar pero en diferentes tiempos en un sistema, ocurren en diferentes lugares cuando son observados desde otro sistema que se mueve respecto al primero.
Sucesos que ocurren al mismo tiempo pero en diferentes lugares de un sistema, ocurren en diferentes tiempos cuando son observados desde otro sistema que se mueve respecto al primero.
Sucesos que ocurren en el mismo lugar y al mismo tiempo serán simultáneos para todos los observadores.
El concepto de “sistema de referencia” produce efectos en el espacio y en el tiempo:
Un observador de un sistema encontraría, a partir de sus propias medidas, que los intervalos de longitud de los objetos que se mueven con otro sistema se acortan (contracción de la longitud).
Un observador de un sistema encontraría, a partir de sus propias medidas, que los intervalos de tiempo entre los sucesos que se producen en otro sistema se alargan (dilatación del tiempo).
Estos efectos aparentes no existen para el sistema propio de cada observador y van desapareciendo a medida que la velocidad del movimiento disminuye respecto a la velocidad de la luz.
Los cinco trabajos que Einstein escribió en 1905 y que publicó en la revista Annalen der Physik tratan sobre problemas relacionados con tres grandes ramas de la física de esa época: la mecánica clásica, el electromagnetismo y la termodinámica, dice Dennis Lehmkuhl, editor científico de Einstein Papers Project, del Instituto de Tecnología de California (Caltech), a BBC Mundo.
Equivalencia de la masa y energía
En esta investigación, publicada en noviembre de 1905, Einstein presentó la fórmula E=mc², que es tal vez la ecuación más famosa del mundo, aunque no necesariamente sea la más fácil de entender.
En una carta enviada a Habitch, entre junio y septiembre de 1905, Einstein se refiere a este estudio, aunque reconoce que duda de sus resultados.
“E” es por energía, “m” es por masa y la “c” con un dos simboliza la velocidad de la luz al cuadrado.
“Una consecuencia del estudio de la electrodinámica (relatividad especial) cruzó mi mente. El principio de la relatividad, junto con las ecuaciones de Maxwell, requieren que la masa sea una medida directa de la energía contenida en un cuerpo. La luz transporta masa con ella”, le dice a su amigo.
“La idea es divertida y seductora pero hasta donde sé, Dios podría estar riéndose de todo el asunto y podría muy bien haberme tomado el pelo”, añade.
Sin embargo, Einstein tenía razón. En la fórmula que propuso, “E” es por energía, “m” es por masa y “c”, por la velocidad de la luz (300.000 km/s) al cuadrado.
El aumento de energía causa un aumento directamente proporcional en la masa. En otras palabras, al viajar más rápido y aumentar la energía, la masa crece, y mientras más masa tiene un objeto, más difícil es acelerar, por lo que nada puede alcanzar la velocidad de la luz.
Esta fórmula completó la teoría de la relatividad especial.
“El brote de creatividad de Einstein en 1905 resultó asombroso”, escribe Isaacson.
Cuando Einstein tenía 26 años, calculó exactamente cómo debía cambiar la energía si el principio de la relatividad era correcto, y descubrió la relación E=mc2. Puesto que la velocidad de la luz al cuadrado (c2) es un número astronómicamente grande, una pequeña cantidad de materia puede liberar una enorme cantidad de energía. Dentro de las partículas más pequeñas de materia hay un almacén de energía, más de un millón de veces la energía liberada en una explosión química. La materia, en cierto sentido, puede verse como un depósito casi inagotable de energía; es decir, la materia es en realidad, energía condensada.
Einstein supo ver que las dimensiones más altas tienen un propósito: unificar los principios de la Naturaleza. Al añadir dimensiones más altas podía unir conceptos físicos que, en un mundo tridimensional, no tienen relación, tales como la materia y la energía o el espacio y el tiempo que, gracias a la cuarta dimensión de la relatividad especial, quedaron unificados.
Desde entonces, estos conceptos, los tenemos que clasificar, no por separado, sino siempre juntos como dos aspectos de un mismo ente materia-energía por una parte y espacio-tiempo por la otra. El impacto directo del trabajo de Einstein sobre la cuarta dimensión fue, por supuesto, la bomba de hidrógeno, que se ha mostrado la más poderosa creación de la ciencia del siglo XX. Claro que, en contra del criterio de Einstein que era un pacifista y nunca quiso participar en proyectos de ésta índole.
Einstein completó su teoría de la relatividad con una segunda parte que, en parte, estaba inspirada por lo que se conoce como principio de Mach, la guía que utilizó Einstein para crear esta parte final y completar su teoría de relatividad general.
Einstein enunció que, la presencia de materia-energía determina la curvatura del espacio-tiempo a su alrededor. Esta es la esencia del principio físico que Riemann no logró descubrir: la curvatura del espacio está directamente relacionada con la cantidad de energía y materia contenida en dicho espacio.
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por Emilio Silvera ~
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