2005, 100 años de la Teoría de la Relatividad Especial
Los artículos de Einstein
El año de 2005 ocupa ya
importante lugar en la historia humana. Además de otros acontecimientos
en ese año, Albert Einstein publicó una serie de artículos
que transformaron a la física moderna especialmente la teoría
cuántica, la teoría molecular, y la teoría de la
relatividad. Para los trabajadores de la energía, las propuestas sobre la
naturaleza del electrón y la luz, y la transformación de materia
en energía, son esenciales.
Al año 1905,
en la vida de Einstein, se le llama annus mirabilis (año
milagroso) porque, para una persona, es algo poco común. Ese año
Einstein publicó cinco sobresalientes artículos. Antes, solamente
Newton había hecho algo similar en 1665-1666 cuando propuso la ley de la
gravitación, la teoría del color e inventó el
cálculo diferencial e integral. Esta vez, Einstein volvió a
revolucionar el conocimiento humano con sus propuestas nuevas acerca del mundo
muy grande, a escala del universo (teoría de la relatividad), y del mundo
muy pequeño, subatómico (teoría
cuántica).
El Efecto Fotoeléctrico
Un 17 de marzo de 1905,
Einstein envió a la revista alemana Annalen der Physik un
artículo que a la postre, sería el motivo para reconocerlo con el
Premio Nobel de Física de 1921. El artículo se intituló
Punto de vista heurístico concerniente a la emisión y la
transformación de la luz. Esta propuesta sería conocida como
el Efecto Fotoeléctrico y se refiere a un nuevo concepto sobre la
naturaleza de la luz. La luz interacciona con la materia como si estuviera
formada por paquetes de energía, explicó.
Antes de Einstein, se conocía la teoría
corpuscular (partículas materiales) de la luz propuesta por Newton.
Ahora, de acuerdo a Einstein, la luz es una partícula y una onda a la
vez. Es decir, la luz está formada por partículas (de
energía) discretas pero, al mismo tiempo, tiene propiedades de onda. La
luz es una dualidad onda-partícula.
Apenas en 1900, Max Planck había sugerido
que la materia es una discontinuad de la energía al indicar la existencia
de cantidades discretas conocidas como cuantos de energía. Sin
embargo, a la luz se le consideraba teóricamente como una onda
electromagnética que oscilaba suavemente. Con la propuesta de Einstein
fueron unificadas las ideas teóricas y experimentales al demostrar que
los cuantos de luz, llamadas partículas de energía,
podían explicar los fenómenos teórica y
experimentalmente.
Este artículo fue
recibido por la revista Annalen der Physik el 18 de marzo de 1905 y
publicado el 19 de junio del mismo año. En dicho artículo Einstein
aplicó el concepto de los cuantos para explicar el efecto
fotoeléctrico, es decir, cómo un pedazo de metal cargado con
electricidad estática podría descargar electrones al ser expuesto
a la luz. Así fue como Einstein sugirió que la luz está
hecha de partículas conocidas como
fotones.
Al contradecir la idea de
que la luz era solamente una onda y explicar la naturaleza dual de la luz, al
comportarse como partícula y onda, Einstein contribuyó a fundar la
mecánica cuántica y a poner las bases, con el efecto
fotoeléctrico, para varias tecnologías
modernas.
El movimiento browniano
El 11 de mayo de 1905, la revista
alemana de física recibió un nuevo artículo de Einstein,
Movimiento de partículas pequeñas suspendidas en
líquidos en reposo exigido por la teoría cinético-molecular
del calor, mismo que fue publicado el 18 de
julio.
Se conocía con anterioridad
que la teoría cinética explicaba al calor como una consecuencia
del continuo movimiento de agitación de los átomos. Este
movimiento se aprecia mediante una prueba propuesta por Einstein, 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.
Así ocurre en
efecto. Tiempo ha, dicha experiencia había sido observada por los
biólogos en el llamado “Movimiento browniano”. Robert Brown
al principio del siglo XIX había observado los movimientos irregulares y
al azar de las partículas dentro de granos de polen en el
agua.
Con su artículo, Einstein
explicó detalladamente ese movimiento, reforzando la teoría
cinética y creando una poderosa herramienta para el estudio de los
átomos. Este artículo es una importante contribución a la
mecánica estadística moderna. En breve descripción,
Einstein demostró que los átomos existen como objetos
reales.
Teoría de la relatividad especial
Este artículo,
sobre la teoría de la relatividad especial, se recibió por
Annalen der Physik el 30 de junio y fue publicado el 26 de septiembre.
Electrodinámica de los cuerpos en movimiento lo intituló
Einstein.
En general, el Principio de
Relatividad se conocía mucho tiempo antes. Se sabía desde los
tiempos de Galileo y Newton 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. Newton, en el siglo XVII,
aplicó el Principio de la Relatividad a las leyes de la
mecánica.
Sin embargo, de acuerdo a
la teoría electromagnética desarrollada por Maxwell y Lorentz, la
luz no seguía este principio, es decir, 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.
La
situación era terrible porque 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 y, eso, estaba igual de mal o
peor.
De acuerdo a las ecuaciones de
Maxwell, la radiación electromagnética se mueve a través
del espacio en forma de ondas. 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. Entonces, inventaron al llamado éter,
mismo que nunca fue encontrado pues no existe. En todos los experimentos
realizados se ha demostrado que la velocidad de la luz es siempre la misma; en
el vacío son 300 mil kilómetros por
segundo.
Einstein dijo una vez que, cuando
empezó a pensar en la teoría de la relatividad se ponía muy
nervioso. “Solía estar durante aquellas semanas en un estado de
confusión”, dijo. Pero no, Einstein pensaba congruentemente en el
asunto 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.
Efectivamente, con
la nueva teoría de Einstein fue posible explicar la aparente
incompatibilidad de la mecánica con el electromagnetismo. Los postulados
de la relatividad (especial) de Einstein son dos: 1- Las leyes de la naturaleza
son válidas en todos los marcos de referencia inerciales, 2- La velocidad
de la luz es una constante. El segundo postulado implica que la velocidad de la
luz es siempre la misma no importando con que velocidad se muevan los
observadores; y, el tiempo, se apreciará más lento cuando alguien
se aproxime a la velocidad de la luz.
La
teoría de Einstein conocida como Teoría Especial (o restringida)
de la Relatividad se basa en un nuevo concepto del espacio y del tiempo. En
breve descripción, para Newton, el tiempo y el espacio eran absolutos;
para Einstein, ambos son relativos. Más aún, Einstein
unificó esos conceptos en uno solo, el espacio-tiempo. Espacio y tiempo
dejaron de ser conceptos separados; hoy, vivimos en un espacio-tiempo de 4
dimensiones.
Para arribar a sus
conclusiones, Einstein descartó al éter lo que no hicieron
otros relativistas como Henri Poincaré. Entonces, al eliminar al
éter, fue posible explicar la mecánica de Newton y el
electromagnetismo de Maxwell, pero solamente 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. Para explicar el movimiento del mundo real, en el cual los
cuerpos cambian de velocidad y dirección, es decir, están sujetos
a una aceleración la principal de las cuales es la gravedad, Einstein
formuló en 1915 la teoría general de la
relatividad.
Equivalencia de materia y energía
Este artículo
fue recibido por la revista alemana de física el 27 de septiembre de 1905
y fue publicado el siguiente 21 de noviembre como ¿La inercia de un
cuerpo depende de su contenido de energía?. Este fue una
adición al previo y establece, precisamente, que “la masa de un
cuerpo es una medida de su contenido de
energía”.
El artículo se
refiere a una de las consecuencias de la Teoría de la Relatividad
Especial relacionada con la equivalencia de materia y energía. Esta
equivalencia se debe a que masa y energía son cantidades
proporcionales. Es decir, una pequeña masa implica una gran
energía porque la proporcionalidad es la velocidad de la luz y,
ésta es grande. Esto se expresa en la más famosa de las ecuaciones
de la física de todos los tiempos: E=mc2, donde
m representa a la masa, E es la energía y c es la
velocidad de la luz igual a 300 mil km/s.
En síntesis, de acuerdo al propio
Einstein, “... la masa es una medida directa de la energía
contenida en los cuerpos...”. Por otra parte, de acuerdo al Principio de
Relatividad “... la luz transfiere masa...”.
Los novedosos conceptos, han sido probados y
comprobados varias veces hasta el día de hoy, sin embargo, le
parecían chistosos a Einstein. “Esta idea es divertida y contagiosa
pero posiblemente no puedo saber si el buen Dios no se ríe de ella y
está tratando de embaucarme...”, escribió. Pero no, se trata
de verdades con grandes consecuencias no solamente para el conocimiento sino
para la vida del mundo. Hoy en día, muchas tecnologías modernas,
como los microchips, se basan en la teoría de la relatividad
especial.
Teoría del movimiento browniano
Hacia fines de aquel 1905, Einstein
escribió un artículo más, Teoría del movimiento
browniano, recibido el 19 de diciembre y publicado el 8 de febrero de
1906.
Los artículos de 1905 no fueron
los únicos trabajos de Einstein, vendrían muchos más, entre
otros la Teoría General de la Relatividad (1915). Pero, desde 1905
Einstein elevó el entendimiento humano del cosmos a una nueva
dimensión.
En 1905, también,
Einstein presentó su disertación doctoral y recibió el
grado de doctor (PhD) por la Universidad de Zürich, Suiza. La tesis
había sido rechazada en 1901 y era un excepcional trabajo sobre la
teoría cinética de los gases. Einstein había descartado la
idea de volver a presentar la “comedia”, como le llamó a la
obtención de un grado avanzado. Pero, en 1905, decidió volver a
intentarlo. De acuerdo a su hermana Maja, presentó un trabajo sobre
Relatividad Especial pero la Universidad lo encontró “un poco
inexplicable”. Entonces, cambió la propuesta por “Una nueva
determinación de las dimensiones moleculares” la cual fue terminada
el 30 de abril y aceptada en julio de
1905.
En ese tiempo Einstein tenía 26
años, se había casado con Mileva
Marič y habían nacido Liesserl y Hans
Albert. En 1906, en su modesto trabajo, reconociendo el éxito de su
disertación doctoral, de experto técnico de tercera clase en la
Oficina de Patentes de Suiza el genio fue ascendido
a técnico experto de segunda clase.
A
ese momento, en realidad, Einstein estaba convertido en titán de la
ciencia después de Galileo, Newton, Maxwell y Lorentz “... los
cuatro hombres que situaron los fundamentos de la física, basado en los
cuales yo he sido capaz de construir mi teoría...”, como
diría después. Las contribuciones de Einstein se podrían
resumir en tres grandes ideas: la velocidad de la luz, el destino del universo y
la naturaleza del tiempo.
Los trabajadores de
la energía de México, estamos interesados en tan importante
conocimiento porque nuestro trabajo diario se relaciona, nada menos, que con las
ideas de Einstein y sus consecuencias acerca de la luz, el electrón, y la
transformación de materia en energía, esencia del proceso de
trabajo energético.
Referencias
- Bahen D. 1995, Teoría Especial de la Relatividad, UNAM.
- Bahen D. 2004, Special Theory of Relativity, UK.
- Burnham R. 2005, en Astronomy, February 2005, www.astronomy.com
- Stix G. 2004, en Scientific American, September 2004, www.sciam.com
- The Center for History of Physics 1996-2005, American Institute of Physics, www.aip.org
Academia Olimpia de Einstein en Berna, Suiza.
Eran miembros de la misma,
Konrad Habicht,
Maurice
Solovine y Albert
Einstein.
FOTO:
ETH-Bibliothek, Zürich
Comisión de Energia