Domingos de ciencia: 1905 el año maravilloso

La fama científica y popular de Einstein se debe a 4 artículos suyos que revolucionaron la física de manera muy profunda y duradera, de esos cuatro artículos tres fueron escritos en el año 1905. Estoy repasando el curso The Einstein Revolution de la Universidad de Harvard donde explican de manera muy clara y entretenida el estilo personal de Einstein de abordar la ciencia, que le trajo tantas satisfacciones como sinsabores y su enorme contribución a la física.

Trenes y relojes
Las primeras preocupaciones de Einstein en física, que desataron su curiosidad intelectual, tenían que ver con la sincronización de los relojes entre estaciones ferroviarias alejadas. A comienzos del Siglo XX los ferrocarriles eran medios de transporte de primera importancia y se presentaba el problema que los itinerarios debían ser muy exactos para permitir el uso seguro y compartido de las vías. A medida que crecía la red ferroviaria el problema se hacía más complejo y peligroso, porque dos o más trenes debían compartir una misma vía de manera sincronizada para que no chocaran.

Eran los tiempos del nacimiento de la radio y una de las primeras aplicaciones de las señales de radio fueron sincronizar relojes entre lugares alejados. Imaginen por ejemplo que en la estación de Moscú el reloj se atrasara -por cualquier razón- 5 minutos respecto del de la estación de Berlin, y que dos o más trenes tenían que compartir la vía, esta pequeña falta de sincronización podría causar enormes tragedias.

Relatividad especial
El primer artículo de ese año maravilloso nació de muchos años de reflexión de Einstein sobre los problemas de coordinar relojes y sus abundantes lecturas sobre filosofía de la ciencia. Se habla del "estilo de Einstein" porque su forma de acercarse al problema no fue matemática, manipulando ecuaciones sino que partió con un criterio estético. Lo que preocupaba a Einstein era una falta de simetría que se produce, por ejemplo, cuando se mueve un conductor (bobina) hacia un campo magnético fijo (imán). Los eléctricos sabemos que eso produce un flujo de corriente eléctrica en la bobina.

Para analizar ese fenómeno, llamado electrodinámico porque involucra energía (electro) y movimiento (dinámico), con la física de esa época se hacía explicando las interacciones entre fuerzas, el análisis no solo era complicado sino que tenía el problema de la asimetría: si la bobina estaba quieta y el imán se movía había que explicarlo con ciertas ecuaciones, pero si se movía la bobina las ecuaciones eran otras. Einstein fue el primero en intuir que si había asimetría algo andaba mal con la explicación (aunque hoy esa es una idea muy popular en física), él pensaba que la solución era fea y debía existir una explicación más simétrica y simple.

Su idea era que lo importante era que existiese un movimiento relativo ente imán y bobina, sin importar quien se mueve y quien queda en reposo. Su artículo entonces tiene dos partes, la primera es estrictamente dinámica, solo analiza los movimientos y usa el concepto de relatividad de Galileo, que dice que -en los sistemas no acelerados- da lo mismo quien se mueva y no es necesario ningún marco de referencia en reposo absoluto, lo único que interesa es el movimiento relativo entre los sistemas. La segunda parte del artículo analiza el fenómeno eléctrico, es decir de las energías.

A partir de este artículo aparecieron tres conclusiones fundamentales. La primera es el Principio de Relatividad, es decir que la relatividad de la mecánica de Galileo era también aplicable a la electrodinámica, donde habían cargas (energía, campos de fuerza) involucradas. La segunda conclusión es que el éter era "superfluo", porque no se necesitaba ningún marco de referencia inmóvil para explicar el movimiento. La tercera conclusión es que la velocidad de la luz es invariable y no depende del movimiento de la fuente que la produce.

Todo esto era válido para "sistemas inerciales" es decir que se mueven sin aceleración, a velocidad constante ¿que pasa con los sistemas acelerados? La respuesta la encontró varios años después y la escribió en su cuarto artículo sobre la Relatividad General. Este primer artículo no tuvo prácticamente ningún impacto durante varios años porque casi nadie lo entendió al ser publicado, menos pudieron imaginar alguna aplicación práctica.

Movimiento Browniano
El segundo artículo de Einstein en ese año le trajo la fama de inmediato porque todos lo entendieron enseguida y curiosamente debe ser uno de los trabajos menos admirados en la actualidad. Se trataba del estudio del movimiento de partículas pequeñímas en suspensión, por ejemplo el polen en el aire.

Simplificando mucho podemos decir que hasta esa época, aunque la existencia de los átomos era una hipótesis de gran prestigio, todavía la reina de la ciencia era la termodinámica, que estudia las relaciones entre temperatura, presión, movimiento de las partículas, etc. que a nivel macroscópico ha dado resultados espectaculares, predictivos y muy estables. Hasta el día de hoy la Segunda Ley de la Termodinámica, que dice que la entropía siempre aumenta es uno de los pilares más sólidos de la física.

En su artículo Einstein postuló que el movimiento errático de los pequeñísimas cuerpos en suspensión eran resultado del movimiento térmico de las moléculas que componían esos cuerpos, o sea el movimiento de las moléculas podía verse con un microscopio, pues el movimieno de las partículas lo reflejaba, amplificado. Lo más interesante es que si esa hipótesis demostraba ser falsa (el movimiento de los cuerpos no obedece a las leyes del movimiento térmico de las moléculas), entonces era muy probable que el calor no se debiese al movimiento de las moléculas, sino a alguna otra causa.

La termodinámica en esos años tenía dos grandes enfoques, Uno era el clásico de variaciones contínuas e irreversibles hacia estados de máxima entropía, el otro enfoque era la termodinámica estadística, con un enfoque discreto y "corpuscular" por decirlo de alguna manera (estoy simplificando mucho de nuevo). Bueno, el éxito inmediato y el impacto de este artículo de Einstein, preparó en buena parte el Premio Nobel ue ganó con su tercer artículo. Esto entregó una forma práctica para determinar, a través de mediciones -entre otras cosas- que los átomos existían realmente y no eran solo explicaciones convenientes pero tal vez ficticias.

El efecto fotoeléctrico
Su tercer artículo de ese año maravilloso fue sobre el efecto fotoeléctrico y la existencia de los fotones, por este le dieron el Nobel. Es el único trabajo suyo que Einstein consideró "revolucionario" y dio una buena explicación a la antiquísima controversia sobre si la luz era onda o partícula. Este artículo fue la base de la actual teoría cuántica y sus muchos derivados, que es considerada una de las teorías más bellas y exitosas en la historia de la ciencia, pese a que Einstein hasta su muerte combatió las ideas que derivaron de ese artículo.

Tiempo atrás, cuando les contaba sobre el curso "Quantum Mechanics for Engineers" que estaba tomando, coloqué una especie de explicación sobre ese efecto. Para ser francos yo nunca he llegado a entenderlo ni a aceptar sus supuestos. Matemáticamente tiene todo el sentido del mundo, pero la mayoría de las matemáticas que usa apenas las entiendo o no entiendo nada, lo poco que se de álgebra lineal me ayuda apenas pero creo que es algo que está fuera de mi alcance por ahora, así es que solo diré que fue un artículo importantísimo y revolucionario, del que entiendo poco o nada.

Relatividad General
1905 fue el año maravilloso de Einstein, casi toda la producción intelectual importante de su vida fue solo en ese año, tiempo después -con ayuda de matemáticos- generalizó su primer artículo de la relatividad especial desde sistemas inerciales hacia sistemas acelerados, esa fue la Teoría General de la Relatividad, que explicaba la gravitación y culminó con un modelo de sus Ecuaciones de Campo, que son como las Ecuaciones de Maxwell pero generales y que usan unas matemáticas muchísimo más complicadas. Hay muchas consecuencias enormes a partir de la Relatividad General pero solo mencionaré dos, la primera es el principio de equivalencia entre masa y energía, la poderosa y conocidísima E=mC al cuadrado y la curvatura del espacio-tiempo como explicación de la gravedad.

Mientras la Teoría Cuantica explica muy bien el mundo atómico y subatómico (el "modelo estandar") la Relatividad General explica el cosmos y el mundo macroscópico, pero las ecuaciones de ambos modelos no coinciden entre si. Si suponemos que todo el universo se debe modelar con solo un modelo (conjunto de ecuaciones) entonces una de las dos -o ambas- debieran estar equivocadas.

Decay
Einstein pasó sus últimos años tratando de encontrar ese "modelo de todo el universo" y a medida que envejecía se fue desacreditando un poco porque no avanzaba, mientras la Teoría Cuántica siguió avanzando, al morir ya no era considerado el científico vivo más brillante pese a la enorme contribución que hizo a la física y que está vigente hasta hoy. Todavía nadie ha encontrado el "modelo de todo" aunque hay muchas ideas dando vuelta, como las de mi buen amigo Tito Torres y su Modelo Quiral, pero eso es -hasta ahora- un problema sin solución.