Frente
de Trabajadores de la Energia
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
http://www.fte-energia.org/E60/e60-16.html