Hace 120 años ocurrió lo que los científicos llaman un Annus Mirabilis o “año milagroso”: En 1905 un joven empleado de la Oficina de Patentes de Berna, Suiza, de 26 años de edad, publicó cuatro artículos sobre física que cambiaron la concepción el tiempo, la energía y del Universo.
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Fue en 1905, cuando Albert Einstein (1879-1955) en solo unos meses plasmó en la revista alemana Annalen der Physik (Anales de Física) sus contribuciones sobre el efecto fotoeléctrico, el movimiento browniano, la relatividad especial y la equivalencia masa-energía, que revolucionaron el conocimiento imperante.
Así, saltaría a la fama mundial y se colocaría entre los más significativos científicos y sabios de la historia. Se convertiría en un verdadero ícono del siglo XX.
Mientras trabajaba ocho horas diarias de lunes a sábado evaluando solicitudes de patentes –y con frecuencia mejorándolas–, escribió los famosos artículos donde creó el concepto “espacio-tiempo”, desentrañó las interacciones luz-materia y masa-energía, y sentó dos de las bases de la física moderna: la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica. “El brote de creatividad de Einstein en 1905 resultó asombroso”, dice el escritor Walter Isaacson.
Los cuatro trabajos tratan sobre problemas relacionados con tres de las grandes ramas de la física de esa época: la mecánica clásica, el electromagnetismo y la termodinámica. Por ello, esos diez meses se consideran su Annus Mirabilis.
en solo unos meses plasmó en la revista alemana Annalen der Physik (Anales de Física) sus contribuciones sobre el efecto fotoeléctrico, el movimiento browniano, la relatividad especial y la equivalencia masa-energía, que revolucionaron el conocimiento imperante.
Efecto fotoeléctrico
En el primero de los artículos titulado “Sobre un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de la luz”, publicado en marzo de 1905, demostró que la luz descrita hasta ese momento como una onda, estaba compuesta por cuantos de luz o “paquetes discretos”, es decir, partículas que posteriormente se llamaron fotones.
De esta manera, la luz puede comportarse como onda o partícula, lo que ayudó a explicar cómo la luz puede liberar electrones al incidir sobre un metal, lo que llamó “efecto fotoeléctrico”, un descubrimiento que lanzó la mecánica cuántica.
Desde finales del siglo XIX los científicos conocían el efecto fotoeléctrico, que se produce cuando una placa metálica, al ser iluminada, emite electrones y genera una corriente eléctrica, pero los físicos de la época no podían explicar varias de sus características ya que partían del principio de que la luz era una onda.
Incluso el físico alemán Max Planck, quien ya había introducido la idea de que la luz podía ser emitida o absorbida en forma de pequeños paquetes discontinuos de energía, que denominó “cuantos”, la consideraba solo una construcción matemática. Pero Einstein aplicó la idea de Planck al efecto fotoeléctrico, al proponer que la luz realmente podía comportarse como un conjunto de partículas que llamó “cuantos de luz”.
De acuerdo con Einstein, al incidir la luz sobre los electrones (descubiertos en 1897 por J.J. Thomson) concentraba su energía en forma de partícula en vez de hacerlo en forma de ondas continuas, ya que como ondas no tendrían la suficiente energía para expulsar electrones del metal, mientras que como partícula, la luz colisiona con los electrones y los expulsa.
Esta dualidad de onda-partícula de la luz es uno de los fundamentos de la física cuántica. Los sensores de las puertas automáticas y los autos autónomos, las lámparas del alumbrado público, el control remoto de la TV, entre muchas otras aplicaciones, utilizan este principio. Fue por esta investigación y no por la teoría de la relatividad, que Einstein recibió el Premio Nobel de Física en 1921.
Movimiento browniano
Se dice que inspirado en el café que se preparaba cada mañana y en los trabajos de Robert Brown, analizó el movimiento aleatorio de partículas suspendidas en un líquido, que llamó “movimiento browniano”, que es la actividad aleatoria errática de partículas microscópicas al colisionar en un fluido.
En el artículo publicado en mayo de 1905 titulado “Sobre el movimiento de pequeñas partículas suspendidas en líquidos estacionarios requerido por la teoría cinética molecular del calor”, Einstein dijo que las partículas suspendidas se movían al ser colisionadas por pequeñas moléculas del agua, que a su vez se movían por efecto del calor, un fenómeno de la termodinámica. Mientras más calor hay más se mueven las partículas, que no serían otra cosa que átomos en moléculas del agua.
Sus cálculos proporcionaron las predicciones comprobables de la hipótesis atómica lo que reforzó la teoría atómica –que en esa época no era del todo aceptada–, es decir, proporcionó a los científicos una forma de contar y observar el comportamiento de átomos y moléculas durante los experimentos. Esto fue evidencia de la existencia de los átomos que conforman toda la materia, y que posteriormente fue confirmada experimentalmente.
Este aporte tiene aplicaciones en muchos campos del conocimiento científico y tecnológico, como la química y la biotecnología donde se desentrañó el tamaño de los átomos, las moléculas y su comportamiento. Por ejemplo, se utiliza en la simulación del comportamiento de las partículas contaminantes en el aire y los líquidos, en los nanomateriales y hasta en los modelos financieros, para medir las fluctuaciones bursátiles, entre muchas otras aplicaciones.
“Reveló que el espacio y el tiempo se comportan de maneras asombrosas que nadie había anticipado jamás; en resumen, que las distancias, velocidades y duraciones son todas relativas dependiendo del observador”: Brian Green.
Relatividad especial
Un mes más tarde, en junio de 1905, publicó “Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento” donde reveló que el espacio y el tiempo se comportan de maneras asombrosas que nadie había pensado jamás, lo que llamó Teoría de la Relatividad Especial.
Introdujo una nueva forma de entender el espacio y el tiempo, postuló que el tiempo es relativo –a diferencia de Newton, que lo propuso como uniforme y absoluto. También, argumentó que la velocidad de la luz es fija y no relativa al observador: “La luz siempre se propaga en el espacio vacío con una velocidad definida ‘c’ (300 mil kilómetros por segundo), que es independiente del estado de movimiento del cuerpo emisor”, escribió Einstein.
Esto significa que la luz viaja a la misma velocidad independientemente de si la fuente está en movimiento o está fija. También, teorizó sobre lo que le sucede a los objetos cuando viajan a cerca de la velocidad de la luz como, por ejemplo, el espacio se contrae y el tiempo se dilata o se relativiza.
“Reveló que el espacio y el tiempo se comportan de maneras asombrosas que nadie había anticipado jamás; en resumen, que las distancias, velocidades y duraciones son todas relativas dependiendo del observador”, dice el físico y divulgador Brian Green.
Entre las muchas aplicaciones se encuentra el Sistemas de Posicionamiento Global o GPS, que se basa en satélites que orbitan la Tierra a altas velocidades. También es fundamental para los aceleradores de partículas, ya que la teoría de la relatividad especial describe cómo la masa de una partícula aumenta con su velocidad, especialmente a velocidades cercanas a la de la luz.
La física relativista también tiene aplicaciones en la medicina, como en la terapia de protones, donde partículas con alta energía son utilizadas para detectar o tratar algunos tipos de tumores. Asimismo, es la base del efecto Doppler que describe el cambio en la frecuencia de una onda debido al movimiento relativo entre la fuente y el observador, que tiene aplicaciones en radares y sistemas de comunicación.
“No me considero el padre de la utilización de la energía atómica. Mi participación en esto ha sido muy indirecta. De hecho, nunca pensé que se llegara a usar durante el curso de mi vida…”: ALBERT EINSTEIN.
E = mc²
En septiembre de 1905, Einstein dedujo una consecuencia de la relatividad especial, con una ecuación que se convertiría en la más famosa del mundo: E=mc².
En el artículo titulado “¿Depende la inercia de un cuerpo de su contenido energético?” analizó la equivalencia masa-energía. En la ecuación demostró que la masa y la energía son intercambiables. La energía de un cuerpo en reposo es igual a su masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz.
La velocidad de la luz es 299,792,458 metros por segundo (300 mil km/s), por los que al convertir la masa se puede liberar una enorme cantidad de energía. Esta contribución teórica fue fundamental para que, 40 años después, se crearan las bombas atómicas y posteriormente los reactores nucleares para producir energía.
Con frecuencia y equivocadamente se ha asociado a la bomba atómica como parte de su legado, pero el mismo Einstein sostenía: “No me considero el padre de la utilización de la energía atómica. Mi participación en esto ha sido muy indirecta. De hecho, nunca pensé que se llegara a usar durante el curso de mi vida…”
Einstein cotidiano
Estos cuatro artículos, publicados en un solo año, establecieron las bases para la física moderna y le valieron a Einstein el reconocimiento mundial y su lugar en la historia. Sin embargo, sus aportaciones no quedarón ahí, faltarían muchas contribuciones como su Teoria de la Relatividad General, que es fundamental para entender fenómenos cósmicos como las ondas gravitacionales, las estrellas de neutrones y los agujeros negros, entre otros.
El genio nacido el 14 de marzo de 1879 en Ulm, Alemania, demostró que no es posible acceder a las grandes verdades de la naturaleza únicamente a través de la minuciosa observación de los fenómenos, pues en muchos casos los científicos deben crear sus propias ideas, inventar hipótesis y sistemas lógicos que más adelante se comprueban experimentalmente.
Isaac Newton también tuvo su Annus mirabilis cuando, entre 1665 y 1666, plasmó sus más importantes legados sobre la teoría de los colores, la mecánica clásica y el cálculo diferencial, a la edad de 22 años.
La ciencia suele progresar gradualmente y con frecuencia lentamente, son pocos los casos de “Años milagrosos” como los de Einstein o Newton que significan transformaciones radicales o revoluciones científicas, como las define el físico y filósofo Thomas Kuhn.
Una vez publicados los artículos la comunidad científica se percató de las repercusiones de la obra de Einstein ya que transformaron la comprensión de la realidad, pero alrededor de él la cultura popular ha construido una personalidad rodeada de mitos y estereotipos que distorsionan la imagen de los científicos como seres solitarios, distraídos, desaliñados y medio extraños.
Las ideas pacifistas, su lucha contra el nazismo y su postura político-filosófica de Einstein le brindaron mayor impacto mundial y gran fama, pues lo mismo departía con sus colegas científicos que con personalidades como Chaplin, Marilyn Monroe y Freud.
Algunas de las últimas inquietudes de Einstein actualmente son temas avanzados de la física moderna, como la gran teoría de la unificación. Buscaba una teoría que uniera la relatividad general con el electromagnetismo; sin embargo, nunca pudo construir la llamada “teoría del todo” o “unificadora”. Eso será tarea para las futuras generaciones de científicas y científicos.
