- 1905 sería un año particularmente recordado en los registros mundiales, vería el manifiesto de octubre en la Rusia Zarista como preámbulo a su cruenta revolución, a Sigmund Freud lanzando su controversial hipótesis psicoanalista, a los hermanos Wright presentando a un terminado Flyer I; pero un detalle exclusivo para considerarlo inolvidable para la humanidad y estigmatizarse en muchos papeles históricos como un “annus mirabilis” (año milagroso) de la ciencia fue la producción científica del por entonces anónimo Albert Einstein; antes, sólo en 1666 el tan genial como poco afable Sir Isaac Newton con veinticuatro años de edad y en medio de un destierro voluntario en una granja a causa de una epidemia, tuvo un similar arrebato creativo meritorio como para ser considerado similarmente, presentando en el marco de su monumental “Principia Matemathica” los cimientos de la física moderna al establecer las leyes del movimiento, de la astronomía con la ley de la gravitación universal, de la óptica moderna con la teoría del color al descomponer la luz blanca demostrando la naturaleza espectral de la luz del sol y finalmente de las matemáticas superiores con el cálculo diferencial e integral. Durante aquel 1905 el desconocido e irreverente físico de veintiséis años de edad en plena efervescencia creativa, envió a la revista alemana “Annalen der Physik”, toda una referente en cuanto a la especialidad en la época, cuatro trascendentales artículos de investigación, inusual para esos tiempos, concebidas desde su silenciosa oficina de patentes y que transfiguraron la física moderna con sus propuestas inéditas para explicar el mundo tanto sobre lo muy grande, a escala del universo (Teoría de la Relatividad), y del mundo muy pequeño, subatómico (Teoría Cuántica); cualquiera de estos artículos justificarían una vida productiva y digna de reconocerse en el trabajo de cualquier físico y fueron en realidad fruto de los ratos libres de un corto tiempo de trabajo de un empleado de una oficina de patentes. Aquellos artículos y su Teoría de la Relatividad General de 1915 fueron finalmente su legado imperecedero, las sagradas nociones Newtonianas considerando el espacio, tiempo, materia y energía como absolutos e inmutables para cualquier reloj en el universo, verían el fin de su vigencia al ser ahora entendidos sobre un marco de referencia no privilegiado, despidiendo lo absoluto, y el espacio-tiempo perderían su identidad individual y pasarían a medirse como entidad conceptual con la métrica de Minkowski en vez de la geometría Euclidiana. El punto de partida se sus conceptualizaciones fue que desde cualquier marco de referencia, para cualquier observador y fuera cual fuese su ubicación, velocidad o aceleración, las leyes fundamentales de la naturaleza debían contemplarse similarmente.
1.-) El Efecto Fotoeléctrico :
- Un 17 de marzo de 1905, Einstein envía a “Annalen der Physik” el artículo titulado ”Punto de vista heurístico concerniente a la emisión y la transformación de la luz” que llegaría a conocerse como el Efecto Fotoeléctrico, fue publicado el 19 de junio del mismo año; fue el escrito que años después motivó su reconocimiento con el Premio Nobel de Física de 1921. En ese artículo respondió a un enigma de la naturaleza con la propuesta de que “La luz está compuesta por fotones partículas”, demostraba que la luz tiene al mismo tiempo propiedades corpusculares y propiedades ondulatorias.
- Hasta aquellos días la conceptualización de la luz estaba bajo la autoridad de James Clerk Maxwell, la luz se consideraba teóricamente como una ONDA electromagnética que oscilaba suavemente, la energía se comportaba como ondas propagadas que podrían contener cualquier cantidad de energía sin importar cuan pequeñas, lo había demostrado convincentemente en sus ecuaciones unificando la física de las leyes de la termodinámica, electricidad, magnetismo y la óptica; desafiar los postulados de una eminencia de tal autoridad, era un irreverente desacuerdo; entonces Einstein, aprovechando el fenómeno descubierto por Max Planck apenas unos años atrás sugiriendo que la materia es una discontinuad de la energía electromagnética, la que emitida por un objeto radiante lo hacía en cantidades discretas conocidas como cuantos ó quántum, cuya energía era directamente proporcional a la frecuencia de radiación, encajó la pieza que faltaba enfocando la descripción de la radiación visible electromagnética – o luz, la misma que lo obsesionaba desde sus fantasías infantiles cuando se imaginaba montado en un cuanto de luz – como una dualidad onda-partícula, la luz era una partícula y onda de energía a la vez, los sistemas físicos podían mostrar propiedades ondulatorias y corpusculares simultáneamente.
- Se introducía el concepto del “cuanto” de luz (ahora llamado fotón) y con ello se aprestaba a explicar el efecto fotoeléctrico como la luz interacciona con la materia como si estuviera formada por paquetes de partículas cuánticas de energía, se podía explicar los fenómenos teórica y experimentalmente, cómo un pedazo sólido de metal cargado con electricidad estática podría descargar y expeler electrones al ser expuesto y golpeado por la radiación lumínica.
- Al contradecir la idea de que la luz era solamente una onda y explicar la naturaleza dual de la luz de comportarse como partícula y onda, contribuyó al nacimiento de la imprescindible Mecánica Cuántica que resumiría todas las partículas subatómicas en todo el universo ó Quarks, demostrando la existencia de un mundo atómico y molecular antes dudoso; aunque de paso traía con ello la pesadilla de la imposibilidad de medir la velocidad de las partículas, la cual se conocería como Imprevisibilidad, algo que Einstein más adelante no aceptaría nunca y que se confirma en la Ley de las Probabilidades.
- Este articulo único hubiese bastado para dar renombre a cualquier físico y fue el cimiento teórico más elemental del que nacieron la Televisión y los rayos láser.
2.-) El movimiento browniano :
- El siguiente artículo recibido el 11 de mayo de 1905, “Movimiento de partículas pequeñas suspendidas en líquidos en reposo exigido por la teoría cinético-molecular del calor”, se publicó el 18 de julio.
- Para entonces, la teoría cinética interpretaba el calor como producto del continuo movimiento de agitación de los átomos, dicha experiencia había sido observada por los biólogos en el llamado “Movimiento browniano” en honor al botánico inglés Robert Brown al principio del siglo XIX, quien había observado los movimientos irregulares y al azar de las partículas dentro de granos de polen en el agua y había desconcertado a la ciencia desde su descubrimiento.
- Daba por sentado la existencia de los átomos cuando no se creía en ellos, demostró que ellos pueden hacer moverse a las partículas de polvo, incluso en el líquido y hasta calculó su tamaño.
- La Estadística Mecánica había sido trabajada por Ludwig Boltzmann y Josiah Willard Gibbs; Einstein extendió el trabajo de Boltzmann y calculó la trayectoria media de una
partícula microscópica por colisiones al azar con moléculas en un fluido o en un gas y propuso apreciar este movimiento mediante una prueba según la cual, si en un líquido se suspenden partículas muy pequeñas pero visibles, la acción irregular de los átomos invisibles del líquido debería producir que las partículas se movieran al azar, se explicaba el fenómeno, haciendo uso de las estadísticas que describían el movimiento de los átomos individuales que formaban un fluido, sus cálculos podrían explicar el Movimiento Browniano, el aparente movimiento errático del polen en fluidos; la breve y detallada explicación de Einstein del movimiento reforzaba la teoría cinética, dejando evidencia veraz sólida sobre la existencia física del tamaño en la escala átomo-molécula con una poderosa herramienta para su estudio y una importante contribución a la mecánica estadística moderna. Después el físico polaco Marian Von Smoluchowski lo descubriría y confirmaría independientemente.
3.-) Teoría de la Relatividad Especial ó Restringida :
- El artículo “Acerca de la Electrodinámica de los cuerpos en movimiento”, se recibió el 30 de Junio y se publicó el 26 de septiembre, fue el más importante, colocando en el tapete la teoría de la relatividad especial. Einstein disertaba la idea desde hacía al menos 10 años y estaba convencido que el Principio de la Relatividad debía aplicarse a todos los fenómenos sean mecánicos o electromagnéticos.
- Según la entonces vigente Teoría Electromagnética desarrollada por Maxwell y
Lorentz, la luz no seguía tal principio (para las ecuaciones de Maxwell, la radiación electromagnética se movía a través del espacio en forma de ondas y en esa época, los físicos pensaban que debía haber un medio a través del cual ocurriera ese movimiento, algo equivalente a las ondas del sonido que se mueven a través del aire, al que llamaron éter, el que obviamente nunca fue encontrado), la teoría predecía que las medidas de la luz se verían afectadas por el movimiento de la fuente, pero ningún efecto se había detectado, en todos los casos resultaba que la luz no variaba. Si el Principio se aplicaba solo a los fenómenos mecánicos, entonces Maxwell estaría equivocado pero, si se aplicaba solo a los fenómenos electromagnéticos, el que estaría equivocado sería Newton.
- Conociendo previamente que según la teoría de los electrones de Hendrik Antoon Lorentz, la masa de un electrón se incrementa cuando la velocidad del electrón se acerca a la velocidad de la luz, Einstein intuyó que las ecuaciones para describir el movimiento de un electrón también servirían en describir el movimiento no acelerado de cualquier partícula o cualquier cuerpo rígido definido, entonces reinterpretó la teoría de electrones de Lorentz.
- Para llegar a sus conclusiones Einstein descartó la idea del éter, lo que no hicieron otros relativistas como Henri Poincaré, y recién fue posible explicar armoniosamente la mecánica de Newton y el electromagnetismo de Maxwell, con la nueva arma teórica se explica el aparente desacuerdo de la mecánica con el electromagnetismo; pero SOLO para cuerpos en movimiento uniforme, es decir, aquellos que se mueven en línea recta a velocidades constantes, por eso, a esta teoría se le llama restringida o especial.
- En él se plantean dos postulados imprescindibles:
1- Las leyes de la naturaleza son válidas en todos los marcos de referencia inerciales.
Entabló una nueva kinemática con una nueva reinterpretación del principio clásico de la relatividad, las leyes de la física tenían que tener la misma forma en cualquier marco de referencia.
2- La velocidad de la luz en el vacío es una constante de la naturaleza, es la misma para todos los observadores, y el valor es 299.792 kilómetros por segundo, independiente del estado de reposo o movimiento del cuerpo que emite la luz o la detecta ó movimiento relativo entre la fuente de luz y el observador, y el tiempo se apreciará más lento cuando alguien se aproxime a la velocidad de la luz. (Este postulado explica el resultado contradictorio negativo del experimento de Michelson y Morley del siglo XIX, considerado prueba contra la teoría del éter, en el que se había demostrado que las ondas electromagnéticas que formaban la luz se movían en ausencia de un medio material y a una velocidad constante para distintos observadores que estén en movimiento rectilíneo uniforme entre sí).
- Einstein no fue el primero proponer los elementos de la teoría especial de relatividad, el principio de la teoría tenía soportes previos desde Galileo, Poincaré, Lorentz; Galileo y Newton ya lo tenían implícito, suponían que las leyes del movimiento debían satisfacer un principio de relatividad de ser las misma para un observador en reposo y uno en movimiento, que los objetos se comportan de la misma forma cuando están en reposo que cuando se mueven con velocidad uniforme constante. En 1632, Galileo había sugerido que, en tales condiciones, todas las leyes de la física son las mismas y Newton, en el siglo XVII aplicó este Principio de la Relatividad a las leyes de la mecánica; la idea de Einstein basada en que el movimiento absoluto no existía y solo el movimiento relativo tenía sentido físico, fue generalizada a todas las leyes de la física y no solo al movimiento y pudo unificar partes importantes de mecánica clásicas y electrodinámica de Maxwell.
- Uno de los fundamentos de la teoría de la relatividad especial es la imposibilidad de que ningún objeto material pueda llegar a trasladarse a la velocidad de la luz, en una sentencia descorazonadora para las posibilidades que se abrirían de solo acercarse a tal marca, pero a su vez abre las puertas al entendimiento del universo en su infinita bóveda desde sus orígenes, aunque parezca enfrentarse irreconciliable al sentido común, pero que aparecerán en el viaje a velocidades próximas a la de luz, como que cerca de tal velocidad el tiempo discurrirá más lentamente en una contracción temporal registrable tanto para por relojes atómicos o de de pulsera o los biológicos propios, así surge el clásico ejemplo de la paradoja de los gemelos y la diferencia del tiempo aparente transcurrido para un pasajero en una nave viajando a velocidad cercana a la luz y para los puntos de partida y destino donde sería un tiempo mucho mayor el transcurrido.
- Como se ve, esta versión de la relatividad restringida se limitaba al estudio de fenómenos físicos en marcos de referencia inerciales sin incluir marcos no inerciales en aceleración ni al fenómeno de gravedad; al no satisfacerse con sus restricciones, trabajó luego en la ampliación de su teoría llamándola Teoría General de la Relatividad publicada en 1916, en la que el Espacio-Tiempo de su teoría primigenia perdían su identidad independiente y quedaban unidos indisolublemente a la materia y energía en el ente Espacio-Tiempo-Materia en una colosal obra intelectual que vio nacer un nuevo concepto dimensional que hoy aceptamos, considerando el fenómeno de la dilatación del tiempo, en que el tiempo, al igual que la longitud y masa, es una función de la velocidad y de un marco de referencia.
4.-) Equivalencia de materia y energía :
- Este artículo recibido el 27 de septiembre y publicado el 21 de noviembre de 1905 bajo el título “¿La inercia de un cuerpo depende de su contenido de energía?” y era un adicional complementario al anterior, deducida como consecuencia de la Teoría de la Relatividad Especial relacionada con la equivalencia de materia y energía, establece precisamente, que la masa de un cuerpo es una medida directa de su contenido de energía y de acuerdo al Principio de Relatividad “... la luz transfiere masa...”.
- Demostrando con su ultra famosa fórmula E=mc2, que la masa y energía son intercambiables y donde m representa a la masa, E es la energía y c es la velocidad de la luz igual a 300 mil km/s (Si medimos m en gramos y c en centímetros por segundo, E nos vendrá dada en una unidad de energía denominada ergio), el producto de la masa por el cuadrado de la velocidad de la luz dan la energía asociada a una masa m, esta equivalencia se debe a que masa y energía son cantidades proporcionales, una pequeña masa implica una gran energía porque la proporcionalidad es la velocidad de la luz y, ésta es grandísima; puede considerarse una ampliación a la ley de la conservación de la energía incorporando a la masa afirmando que ambas no pueden crearse ni destruirse y son interconvertibles; así, una partícula mínima con masa, en ciertas condiciones puede transformarse y producir mucha energía liberable con una reacción nuclear como la que se ve en el cielo todas las noches y producen el brillo de las estrellas, un gramo de masa produciría en energía una cantidad equivalente a la que desprende la explosión súbita de unas mil toneladas de TNT, por tanto si podemos extraerlo las capacidades son ilimitadas a partir de pequeñísimas cantidades de materia aunque no siempre de amables consecuencias según nos lo propongamos, se han creado tanto armas como centrales nucleares con este fundamento para obtener la energía encerrada mágicamente en la materia; gracias a su universal fórmula, entendimos la física del Sol y las estrellas y nos explicamos el origen del universo en el Big Bang, se explica como el sol, una estrella de quinta magnitud y de inmensa energía se mantiene hace millones de años de existencia, por una pequeña cantidad de energía que se propaga de la fisión y destrucción de los átomos en su interior, así es como se produce la energía nuclear.
- El tiempo y la experimentación se encargarían de comprobar la verdad de sus postulados, de inmensas implicancias para el avance del conocimiento científico con efectos en muchas tecnologías y en la comprensión del universo en una revolución escrita con la aguda espada de un intelecto descomunal.
