¿Algo más señor Einstein?

Entre los años 1905 y 1925 Albert Einstein revolucionó la comprensión de la naturaleza, desde lo más pequeño hasta el universo como un todo. Casi un siglo después seguimos explorando el universo de Einstein y los problemas que no pudo resolver están aún en las fronteras del conocimiento. En orden cronológico detallamos a continuación algunas de las contribuciones de Einstein:

1. Efecto fotoeléctrico

En marzo de 1905 Einstein propuso que la luz actúa como si estuviese constituida por partículas discretas de energía (posteriormente denominadas fotones), en cierto sentido como las partículas de un gas. Su propuesta revolucionaria parecía contradecir la teoría universalmente aceptada de que la luz consistía de ondas electromagnéticas. Pero Einstein mostró que con los cuantos de luz podía explicar distintos fenómenos. Por ejemplo, su teoría dejó en claro cómo la luz eyectaba electrones de los metales, el conocido efecto fotoeléctrico. Fue precisamente este trabajo el que le valió a Einstein el premio Nobel en 1921.

2. Movimiento Browniano

La conocida teoría cinética explicaba el calor como un efecto del incesante movimiento de los átomos. En mayo de 1905 Einstein propuso una manera de poner a prueba la teoría. Si partículas muy pequeñas, pero visibles, estuviesen suspendidas en un líquido, el bombardeo irregular por átomos invisibles del líquido debería causar que las partículas suspendidas llevasen a cabo una errática danza. Décadas atrás los biólogos habían observado ese movimiento aleatorio en granos de polen sobre agua. Era el llamado movimiento browniano, un misterio absoluto. Ahora, Einstein había explicado el movimiento en detalle, calculando la trayectoria promedio de una partícula suspendida. Su teoría proveyó contundente evidencia sobre la existencia de los átomos, algo completamente aceptado hoy en día, pero que aún era debatido entre científicos a principios del siglo XX.

3. Teoría de la relatividad especial

Desde los tiempos de Galileo se sabía que las mediciones de laboratorio no mostraban ninguna diferencia entre un aparato en reposo y uno moviéndose a velocidad constante en una línea recta. Este hecho es conocido como principio de relatividad. Pero la teoría electromagnética decía que la luz no obedecería este principio y las mediciones de su velocidad mostrarían consecuencias del movimiento, algo que jamás pudo detectarse. Einstein estaba convencido que el principio de relatividad debía ser aplicable también a los fenómenos electromagnéticos. En junio de 1905, Einstein propuso una manera de reconciliar estas incompatibilidades, un análisis que requería 'solamente' una nueva y más cuidadosa consideración del concepto de tiempo. Su teoría de la relatividad especial proponía que la distancia y el tiempo no son absolutos, sino que dependen del movimiento del observador.

4. Equivalencia entre masa y energía

En septiembre de 1905 Einstein reportó una consecuencia sorprendente de su teoría de la relatividad especial: si un cuerpo emitía una cierta cantidad de energía, entonces la masa del cuerpo debía decrecer en un determinado monto. El principio de la relatividad y la teoría electromagnética demandan que la masa sea una medida directa de la energía contenida en los cuerpos, la luz se transforma en masa. La relación entre masa (m) y energía (E) es la famosísima E = mc2, donde c es la velocidad de la luz.

5. Calor específico de los sólidos

Cuando calentamos un pedazo de materia le transferimos energía en forma de calor y aumentamos su temperatura. El calor específico de una sustancia da cuenta de esta propiedad de cambio de temperatura a causa de la absorción de calor, y se define como la cantidad de calor que debe absorber un gramo de sustancia para aumentar su temperatura en un grado centígrado. La teoría cinética predecía que el calor específico de los sólidos no dependía con la temperatura, contrariamente a lo que se observaba en los laboratorios a bajas temperaturas. En 1907 Einstein extendió la aplicación de la teoría cuántica, que había elaborada para la luz, a sistemas materiales y logró resolver las paradojas experimentales.

6. El azul del cielo

En 1910 Einstein contribuyó a responder una pregunta realmente muy básica: ¿Por qué el cielo es azul? Su trabajo en el fenómeno llamado de opalescencia crítica resuelve el problema examinando el efecto acumulativo de la dispersión de luz por moléculas individuales en la atmósfera.

7. Teoría de la relatividad general

En 1915 Einstein concluyó una nueva teoría gravitatoria, la teoría general de la relatividad. La idea clave es el principio de equivalencia, el cual dice que la gravedad empujando en una dirección es completamente equivalente a una aceleración en la dirección opuesta. Por ejemplo, un ascensor acelerándose hacia arriba produce las mismas sensaciones que la gravedad empujándonos hacia el piso. Si la gravedad es equivalente a aceleración y si el movimiento afecta las mediciones de tiempo y de espacio, tal como propone la teoría de la relatividad especial, entonces la gravedad de cualquier masa produce el mismo efecto. Por ejemplo, los relojes marchan más lentamente cuanto más cerca están de una masa gravitacional como el sol. Muchas de las predicciones de la teoría de la relatividad general, tales como la desviación de un rayo de luz debido a la gravedad, un pequeño corrimiento en la órbita de Mercurio y el corrimiento hacia el rojo de los colores del espectro de luz cuya fuente fuese un cuerpo de elevada masa, han sido cuantitativamente confirmados por experimentos.
Dos de las predicciones más extrañas son la existencia de agujeros negros y el efecto de la gravedad en la evolución del universo. Un agujero negro es una región del universo cuya fuerza gravitatoria es tan intensa que ni la materia ni la luz pueden escapar. A partir de la relatividad general, se formuló la teoría del Big Bang sobre el origen del universo, a partir de un estado de extremadamente alta temperatura y densidad. La teoría de relatividad general es considerada el salto más grande de la imaginación científica en la historia. No tenía fundamentación en teorías o experimentos existentes. Nadie excepto Einstein había pensado en la gravedad como equivalente a aceleración o como un fenómeno geométrico, una curvatura del espacio y del tiempo.

8. Emisión estimulada

En 1917 Einstein descubre un nuevo mecanismo de interacción entre la luz y la materia, llamado emisión estimulada. Los mecanismos de interacción conocidos con anterioridad eran los de absorción y de emisión espontánea. En el proceso de absorción, el átomo en su estado de mínima energía absorbe un fotón (cuanto de radiación propuesto por Einstein en 1905) y pasa, en consecuencia, a un estado de mayor energía; en el proceso de emisión espontánea, un átomo excitado (mayor energía que la mínima) emite espontáneamente un fotón y cae al estado de menor energía. En el proceso de emisión estimulada, un átomo en estado excitado interacciona con un fotón incidente y emite otro fotón de las mismas características, obteniéndose como resultado una amplificación coherente del haz incidente. Este proceso resultó esencial para el desarrollo del láser (luz amplificada por emisión estimulada de radiación) en la década del 60.

9. Condensación de Bose-Einstein

El hecho de que las partículas se propagan como ondas pero son detectadas como partículas es uno de los aspectos poco intuitivos de la física que la mecánica cuántica rescata del mundo microscópico. En 1924 Einstein, basado en ideas del físico hindú Satyendra Bose, predijo que bajo ciertas condiciones (muy bajas temperaturas o altas densidades) los átomos de un cuerpo oscilarían al unísono y en consecuencia la materia macroscópica podría mostrar un comportamiento cuántico, un fenómeno denominado condensación de Bose-Einstein. Recién en 1995, 70 años más tarde, se pudo crear en un laboratorio este nuevo estado de la materia.

10. La taza de té y los meandros de los ríos

En 1926 Einstein hizo un gran aporte al entendimiento de la formación de los meandros (serpenteos) en los ríos basándose en la explicación de un fenómeno tan cotidiano como el que ocurre cuando revolvemos una taza de té. En este caso se genera un flujo helicoidal como se muestra en la figura y en consecuencia se depositan las hojitas de té en el centro del fondo de la taza.

11. La bomba atómica

Durante la Segunda Guerra Mundial, y ante la creciente evidencia de que Alemania estaba desarrollando el arma atómica, dirigió una famosa carta al presidente F. D. Roosevelt en la que le urgía a que desarrollase la bomba atómica. Cuando el Proyecto Manhattan dio finalmente sus frutos, con los bombardeos atómicos sobre Hiroshima y Nagasaki, la magnitud de la devastación le movió a expresar públicamente su rechazo hacia el arma que había contribuido a crear.

12. Inconclusos (aún hoy)

Luego de la revolución cuántica Einstein dedica el resto de su carrera científica a la búsqueda de una teoría más profunda, que elimine las incertezas de la mecánica cuántica. Es el final de su participación activa en la ciencia. Genera páginas y páginas de ecuaciones, descripciones geométricas en espacios de muchas dimensiones que pudiesen unificar todas las fuerzas conocidas de la naturaleza. Ninguna de estas teorías funcionó y hasta el día de hoy nadie ha encontrado la anhelada gran teoría unificada.