miércoles, 14 de junio de 2017

Una revisión de #Genius: Einstein (Capítulo 4)

Si el tercer capítulo abría con el alemán Wilhelm Röntgen descubriendo los rayos X, el cuarto no comienza menos fuerte. En esta ocasión lo hace con Marie Curie, entonces Marie Skłodowska, también llamada a guiar a la Ciencia a una nueva era. Aparece en el laboratorio de su futuro marido, Pierre, en busca de un lugar para realizar sus experimentos y hablan sobre el efecto piezoeléctrico del cuarzo.

El cuarzo es una fusión de arena y agua convertida en cristales después de milenios enterrado bajo presión y calor. Tras el feldespato, es el mineral más abundante en la corteza terrestre y únicamente está formado por átomos de silicio y oxígeno (SiO2). A finales del siglo XIX, los hermanos Pierre y Jacques Curie descubrieron un fenómeno en este mineral. Observaron que era capaz de vibrar constantemente si se le aplicaba una carga eléctrica.

En la década de 1920, y con esta base teórica, el ingeniero norteamericano W. Marrison y J.W. Horton, que trabajaban en los Laboratorios Bell, pusieron en práctica el denominado efecto piezoeléctrico: sometiendo al cuarzo a una determinada carga eléctrica, controlaron las oscilaciones producidas hasta una frecuencia deseable, y así construyeron el primer reloj de cuarzo. Un instrumento revolucionario que permitió multiplicar por diez la fiabilidad del mejor reloj disponible en la época.

El grueso del capítulo está ambientado en el año 1905, el annus mirabilis ("año maravilloso", en latín) de Einstein. Fue el año en que publicó cinco estudios en los Annalen der Physik (Anales de Física), una de las revistas científicas más prestigiosas y antiguas ―desde 1799―. Cinco estudios que cambiarían para siempre nuestra concepción del mundo y que supusieron una hazaña intelectual solo a la altura de genios como él.


National Geographic.

En lugar de simplemente aprobar o rechazar las patentes, como se supone que debía hacer, Einstein examina profundamente la ciencia que hay detrás de cada solicitud de patente, pasando a menudo semanas con una sola. «Las cosas funcionan o no. Su trabajo no es mejorarlas […] Tiene una esposa y un recién nacido […] yo que tú no sería tan displicente con el puesto que le da de comer», le advierte su jefe.

En el poco tiempo libre que tiene, trabaja en varias ideas, pero nadie en la comunidad científica lo toma en serio. Entonces Mileva, con sus vastos conocimientos físicos y matemáticos ―aunque en esos momentos obligada a tenerlos aparcados―, se presta a ayudar a un angustiado y deprimido Einstein y trabajan toda la noche, «explorando los temas más fascinantes de la Física».

El primero de aquellos trabajos revolucionarios, y precisamente el que le valió para ganar el Premio Nobel de Física en 1921 (no, no fue por la Teoría de la Relatividad), fue “Sobre un punto de vista heurístico concerniente a la producción y transformación de la luz”. En dicho artículo explica el efecto fotoeléctrico, un fenómeno inexplicable entonces, basándose en investigaciones anteriores de Max Planck y Philipp Lenard.

El primero postuló en el año 1900 que la materia no absorbe o emite cualquier cantidad de energía, como asumía la Física clásica, sino que toma valores discretos, es decir, se transfiere “empaquetada” en cuantos (del latín quantum, que significa “cantidad”). A esos “paquetes” de energía se les conoce ahora como fotones y sus valores deben ser múltiplos de h·v, siendo h la constante de Planck y v la frecuencia de la radiación absorbida o emitida. Lenard, por su parte, en 1902, realizó observaciones del efecto fotoeléctrico, pero debido a las limitaciones instrumentales de la época solo arrojó datos cualitativos. Einstein fue más allá y dio un sentido físico a la hipótesis de Planck, permitiéndole explicar el efecto fotoeléctrico, como no pudo hacer Lenard.

Antes de la explicación de Einstein se sabía que determinados tipos de luz eran capaces de extraer electrones de la superficie de un metal (de ahí procede fotoeléctrico: foto | luz; eléctrico | electrón) y era lógico pensar que cuanto más luz recibiera más electrones arrancaría, pero para sorpresa de muchos, una luz intensa podía no causar ningún efecto. Einstein dio respuesta a tal misterio y desveló que solo las radiaciones con alta frecuencia ―y por lo tanto, con alta energía― pueden hacerlo, como son los casos de la la luz ultravioleta (UV), rayos X o rayos gamma.

Espectro electromagnético, donde se puede observar la escala de frecuencias de las diferentes radiaciones (Wikipedia).


El efecto fotoeléctrico permitió conocer más profundamente la naturaleza de la luz y una de sus primeras consecuencias fue poner de manifiesto su comportamiento dual, como onda y como partícula, pilar básico de la física cuántica. Los interruptores de luz que tenemos en casa, las placas solares, los exposímetros de las cámaras de fotos, los ascensores y un sinfín de aparatos de nuestra vida diaria se basan en el efecto fotoeléctrico.

Sin embargo, no fue hasta 1915 cuando se demostraron empíricamente los resultados que se deducían del trabajo de Einstein y la comunidad científica lo aceptó. Pero en 1905 nadie lo hizo y siguió, junto con Mileva y su amigo Michele Besso, en busca de solucionar «una paradoja que no vea nadie más». Y se lanzó a demostrar la existencia de átomos y moléculas, hasta entonces conceptos sumamente polémicos.

En 1827, el botánico británico Robert Brown observó con su microscopio un curioso movimiento de partículas en las cavidades de granos de polen inmersos en una gota de agua. Este movimiento, a la sazón movimiento browniano, era errático, al azar, y Brown no fue capaz de determinar su origen, quedando el tema aparcado.

Simulación del movimiento browniano (Wikipedia).


Partiendo de la base del movimiento browniano, Einstein demostró que podía aplicar la teoría cinética de los gases (leer la revisión del capítulo 2) también a los líquidos y que las moléculas de éstos están en continuo movimiento, provocando a su vez choques con las partículas que estuvieran en suspensión en el líquido. Esta explicación fue una demostración convincente de que la materia está formada por átomos y moléculas.

Además, en un ejercicio estadístico, predijo cuánto recorrerían en promedio las partículas suspendidas en el seno de un líquido y calculó, teniendo solo en cuenta una sola dimensión, que en un minuto deben desplazarse aproximadamente 6 micras (la millonésima parte de un metro). La analogía que se usa en la serie para explicarlo es pensar en un borracho que da tumbos «como el polen en el agua» sin saber dónde va a acabar a corto plazo, pero simplificando los cálculos se puede predecir lo que ocurrirá a largo plazo.

En ese año maravilloso de Einstein, el Premio Nobel de Física fue para Lenard “por su trabajo por los rayos catódicos”. Él sin embargo confiesa a Max Planck que solo es un «premio de consolación» y empieza ver a Einstein más como un rival que como un compañero. Einstein, por otro lado, se queja de que se premie algo antiguo y que la «Ciencia se asfixie en el pasado», reclamando «reconocimiento por sus contribuciones».

Fruto de su insaciable y privilegiada mente nació su Teoría Especial de la Relatividad (en 1915 formularía la general). Una teoría difícil de comprender, ya que no hay nada en nuestra vida cotidiana que nos ayude a apreciarla. Supuso un cambio de paradigma tan grande, con ideas tan fuertemente contraintuitivas y alejadas del sentido común que no resultan fácil de asimilar.

La situación que imagina Einstein con su amigo Besso en el capítulo es un tren a una velocidad inusitada y que, al pasar por delante de ellos, dos rayos caen por detrás de las vías a la vez y a cien metros de distancia entre ellos. Para un observador inmóvil los rayos fueron simultáneos, pero luego imagina que el observador está dentro del tren en las mismas circunstancias y para él los rayos ahora no son simultáneos. «¿Cómo puede cada uno experimentar el mismo suceso de distinta manera?». La conclusión a la que se llega es que la velocidad de los cuerpos, en este caso los rayos, depende del observador. Para el observador inmóvil los rayos caen más rápido ―tardan menos tiempo― que para el observador que va en el tren.

National Geographic.


Pero según la física clásica, la de Newton, el tiempo es absoluto e independiente del observador. Existen muchos casos en la vida cotidiana que nos dice que el tiempo es el mismo vayas andando, en coche o en avión. Sin embargo, Einstein derriba todo eso, derriba casi trescientos años de física: según su teoría especial de la relatividad el tiempo también depende de la velocidad del observador. Al aumentar la velocidad se produce una especie de compresión en el tiempo, trascurre más lento. El problema es que este fenómeno solo es perceptible a velocidades muy altas, próximas a la velocidad de la luz (300.000 km/s), algo imposible de alcanzar. A nuestra escala, la diferencia en los tiempos es tan nimia que es despreciable, por lo que la física de Newton, la que considera al tiempo absoluto, sigue predominando.

«Cuanto más deprisa nos movemos en el espacio, más despacio nos movemos en el tiempo […] Estoy redefiniendo el Universo», concluye Einstein en el capítulo, que se torna en espectáculo describiendo ese momento clave en la historia de la Ciencia.

Al explicarle su nueva teoría a Mileva, ésta queda fascinada, y le pide que la revise. Y cuando el artículo se publica, Einstein reconoce la contribución de su amigo Michelle Besso, pero no menciona en absoluto a Mileva Maric, en el enésimo desplante y falta de respeto hacia ella.

Todo esto está absolutamente en contraste con la relación profesional y sentimental de Pierre y Marie Curie. El capítulo discurre a caballo entre el annus mirabilis de Einstein y el laboratorio parisino del matrimonio Curie, donde hallan un nuevo elemento químico, el radio, e investigan sobre la radiación, por el que le conceden el Premio Nobel de Física de 1903 junto con Henri Becquerel, descubridor de tal fenómeno. En el capítulo se ve como Pierre Curie no acepta el premio que en primera instancia no contempla a su esposa. Más tarde, en 1911, le concederían, ya solo a ella, el Premio Nobel de Química, siendo la primera persona y la única mujer en hacer doblete en tan magna distinción.

Volviendo a Einstein y su teoría de la relatividad, ahora sí, Max Planck, en ese momento uno de los editores de la revista Annalen der Physik y figura central de la Física alemana ―y tardío Premio Nobel de Física en 1918―, centra su atención en él. «Es su cuarto trabajo este año. No he visto nada igual desde el annus mirabilis de Newton […] Responde a una pregunta que nadie ha hecho», le dicen a Planck.


La escena final del capítulo muestra a un científico de la prestigiosa Academia Prusiana de las Ciencias buscando a Einstein en la Oficina de Patentes «por deseo del profesor Max Planck», ya que «ha logrado mucho más en un año que muchos en toda su vida». Quieren «ayudarle a impulsar su carrera» y Einstein, no contento con todo lo que ya había conseguido, le enseña la ecuación más famosa de la Ciencia, E=m·c2. Aquella fórmula con la que Einstein demuestra que la masa es energía contenida, que irrumpe como la base de la energía nuclear ―y las bombas atómicas― y que supondría, en un quinto artículo publicado, el corolario de todos sus trabajos anteriores.

FUENTES
·Acín, A. y Acín, E. (2016). Persiguiendo a Einstein. Materia. Descubrir la ciencia.
·Blanco Laserna, D. (2012). Einstein. El espacio es una cuestión de tiempo. National Geographic.
·Creo, L. (2015). El año milagroso de Einstein. BBVA OpenMind. Sitio web: https://www.bbvaopenmind.com/el-ano-milagroso-de-einstein/
·Morrón, L. (2013). La historia del Efecto Fotoeléctrico. Los Mundos de Brana. Sitio web: https://losmundosdebrana.com/2013/05/28/la-historia-del-efecto-fotoelectrico/

·Tomé López, C. (2010). Einstein y...el movimiento browniano. Experientia docet. Sitio web: http://www.experientiadocet.com/2010/06/einstein-yel-movimiento-browniano.html



*Esta entrada forma parte del especial "Una revisión de Genius: Einstein".
*Todas las imágenes de la serie son extraídas de http://channel.nationalgeographic.com/genius.
*Los artículos publicados por Einstein, traducidos al castellano, en su annus mirabilis podéis descargarlos a través del siguiente enlace: http://casanchi.com/fis/cuatroeinstein01.pdf

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