Einstein annus mirabilis

Dr. Vicente Belloch
Radiólogo
Director científico del Área de Imagen de Ascires, Valencia

En 1905, y mientras trabajaba evaluando solicitudes de patentes de métodos para sincronizar relojes y otros procedimientos rutinarios, Albert Einstein escribió cuatro estudios científicos en Annalen der Physik, la principal revista alemana sobre física en aquel momento, que revolucionaron la física del siglo XX.

Ese año 1905 ha pasado a la historia como el “Einstein Annus mirabilis” («el año milagroso de Einstein»).

Einstein tenía entonces 26 años, y estaba empleado en la Oficina de Patentes de Berna, Suiza.

Su carrera como físico había quedado estancada tras el rechazo de su tesis doctoral, y su pasión científica había quedado relegada a sus ratos libres, a las largas horas muertas en la oficina (“cada día tenía ocho horas para perder el tiempo, escribió») y a las charlas con su colega y amigo Michele Besso.

Los cuatro trabajos tratan sobre problemas relacionados con tres grandes ramas de la física de esa época: la mecánica clásica, el electromagnetismo y la termodinámica.

1.- El primer artículo explicaba el efecto fotoeléctrico, único descubrimiento específico mencionado en la mención que otorgaba a Einstein el Premio Nobel de Física (Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt», recibido 18/03/1905; publicado 09/06/1905).

Desde 1887, gracias a Heinrich Hertz, los científicos conocían el efecto fotoeléctrico, que se produce cuando una placa metálica, al ser iluminada, emite electrones y genera una corriente eléctrica.

Los físicos de la época no podían explicar completamente el efecto fotoeléctrico si partían de la premisa de que la luz era una onda.

El físico alemán Max Planck ya había introducido la idea de que la luz podía ser emitida o absorbida en forma de pequeños paquetes discontinuos de energía, que denominó «cuantos».

Pero en verdad, Planck no creía que los cuantos fueran reales, pensaba en ellos como un truco matemático para que le salieran bien los resultados de sus experimentos.

Sin embargo, Einstein aplicó la idea de Planck al efecto fotoeléctrico, al proponer que la luz realmente podía comportarse como un conjunto de partículas.

Einstein llamó «cuantos de luz» a estas partículas, que posteriormente pasaron a conocerse como «fotones».

De acuerdo a Einstein, era más fácil que la luz incidiera sobre electrones particulares concentrando su energía en forma de partículas en vez de hacerlo en forma de ondas continuas.

Las ondas no tendrían la energía suficiente para expulsar electrones del metal, en cambio cada partícula de luz podría colisionar directamente con cada electrón y expulsarlo.

Sin embargo, al mismo tiempo que demostraba que la luz se comporta como partículas, Einstein subrayó que no era necesario descartar la teoría ondulatoria, pues podía seguir resultando útil para explicar fenómenos ópticos.

2.- El segundo artículo explicaba el movimiento browniano, que llevó a los físicos más reticentes a aceptar la existencia de los átomos («Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen», recibido 11/05/1905, publicado 18/07/1905).

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».

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.

Si se analiza con la perspectiva de 1905, los trabajos sobre el efecto fotoeléctrico y el movimiento browniano son estructuralmente similares.

Las teorías entonces vigentes describían a los líquidos y a la luz como objetos continuos. Einstein fue quien postuló que ambos tienen una estructura de partículas.

Para el gran público, el trabajo sobre el movimiento browniano es el menos aclamado, a pesar de que es el que afecta al mayor número de científicos (incluyendo ahora a todos los químicos y biólogos, además de a los físicos) dado que ha conducido a la introducción de la molecularización (necesidad de emplear la realidad de las moléculas) para la descripción completa de cualquier fenómeno natural.

En realidad, nuestro mundo macroscópico se asienta sobre un nervioso mar de fluctuaciones térmicas de partículas.

La evolución del trabajo de Einstein sobre el movimiento browniano llevó al teorema de Jarzynski (1997) el cual afirma que pueden darse fluctuaciones que conducen a una producción de entropía negativa (aparición de orden) aunque el balance total sea de producción neta de entropía. Esto es muy relevante para permitir la aparición de la vida, que implica orden en el sistema, compatible con un aumento neto del desorden en el conjunto sistema medio ambiente. Es decir, la vida es compatible con Termodinámica, que, por tanto, la hace posible. Por eso, a nivel microscópico y mesoscópico, el movimiento browniano, que no es una manifestación de la vida, sin embargo, la hace posible, en cuanto que los procesos vitales exigen movimientos que vienen facilitados por las fluctuaciones dadas en el movimiento browniano.

La relación entre los fenómenos vitales y la difusión molecular del agua son un fenómeno bien conocido por los radiólogos, en donde en la práctica asistencia diaria mediante Resonancia Magnética potenciada en difusión aprovechamos la repercusión que se produce sobre el movimiento browniano las variaciones en la vitalidad, número y orientación de las células.

3.- El tercer artículo introdujo la teoría de la relatividad especial de Einstein («Zur Elektrodynamik bewegter Körper», recibido 30/06/1905, publicado 26/09/1905).

Este es el artículo más famoso del año milagroso de Einstein.

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?

Para resolver el problema, Einstein partió de dos grandes postulados: el de la relatividad de Galileo Galilei, de 1632, y de las ecuaciones del electromagnetismo de James Clerk Maxwell.

Según la relatividad de Galileo, «las leyes de la física son las mismas para todos los observadores que se muevan a velocidad constante unos con respecto a otros”.

Siguiendo este principio, si dos cuerpos se mueven a velocidad constante en relación al otro, no se puede saber cuál se mueve y cuál está en reposo. Además, las velocidades de los cuerpos debían sumarse o restarse, dependiendo de si el observador se acerca o se aleja.

Por su parte, en el siglo XIX, Maxwell había descubierto que «la luz era la manifestación visible de todo un abanico de ondas electromagnéticas», que viajan a la misma velocidad, 300.000 km/s.

Las ecuaciones de Maxwell mostraban que «la luz viajaba siempre a una velocidad constante de 300.000 km/s, independientemente de la velocidad de la fuente emisora».

Según la relatividad de Galileo, si Einstein viajaba a la misma velocidad que un rayo, este debía verse como un campo magnético en reposo (como cuando vamos en un auto y otros que viajan a la misma velocidad parecen estar quietos).

Pero según las ecuaciones de Maxwell, la luz debía mantener su velocidad de 300.000 km/s.

Entonces, ¿cuál de los dos postulados era cierto?

Einstein dijo: ‘Vamos a asumir que los dos son verdaderos’. Para que encajen, Einstein se deshizo de la idea de simultaneidad absoluta.

Eliminar la simultaneidad absoluta significaba que dos sucesos que son simultáneos para un observador, dejan de serlo cuando el observador se mueve con respecto a uno de los dos sucesos.

«Dado que no existe la simultaneidad absoluta, tampoco existe el tiempo real o absoluto. Y si el tiempo es relativo, el espacio y la distancia también lo son».

Con la relatividad especial, que se aplica a cuerpos que se mueven a velocidad constante, Einstein derribó la idea de simultaneidad absoluta, del tiempo y espacio absolutos y confirmó a la velocidad de la luz como una constante universal, independientemente de la posición, movimiento o velocidad del observador.

4.- El cuarto, consecuencia de la teoría de la relatividad especial, desarrolló el principio de equivalencia masa-energía, expresado en la famosa ecuación E=mc²} y que llevó al descubrimiento y uso de la energía atómica («Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig?», recibido 27/09/1905, publicado 21/11/1905).

En una carta que escribió a un amigo suyo, entre junio y septiembre de 1905, Einstein se refiere a este estudio, aunque reconoce que duda de sus resultados.

«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.

Con su año, milagroso, Einstein desencadenó las tres grandes revoluciones científicas que dominaron el siglo XX (Relatividad, Mecánica Cuántica, Movimiento browniano que llevó a la Teoría del caos y Dinámica no lineal).

El genio rara vez pasa la prueba sin enfrentar las críticas de la orden existente, y esto fue cierto con creces en el caso de Einstein.

El líder entre sus antagonistas fue Philipp Lenard, el profesor de la Universidad de Heidelberg que, durante su conferencia Nobel de 1905, hizo la sorprendente afirmación de que Wilhelm Conrad Roentgen había sido simplemente “la partera” de los rayos X, y que él, Lenard, era la “verdadera madre” de la Radiología.

Este mismo Lenard repetidamente atacó brutalmente a Einstein, con diatribas anti-semíticas que condenaron la obra de Einstein como una teoría deliberadamente fraudulenta, autoengrandecimiento disfrazado de ciencia.

Einstein tuvo suerte de sobrevivir el tiempo suficiente para ver la demostración experimental que respaldó sus teorías, así como su aceptación, reconocimiento, y respeto por su trabajo.

Y es que, como decía Einstein, “La diferencia entre el estúpido y el genio, es que el genio tiene sus límites.”