¿QUÉ TIENE QUE VER EINSTEIN CON EL AÑO INTERNACIONAL DE LA FÍSICA?Eliezer Braun |
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| El presente ha sido designado por la
unesco como el Año Internacional de la Física 2005. Se cumplen
ahora dos aniversarios: el centenario de la publicación de tres
artículos extraordinarios de Albert Einstein y el cincuentenario
de su muerte. Los tres artículos, publicados en el que se ha llamado el año milagroso, son —sin exagerar— la base de la física contemporánea. Estos trabajos se refieren a: a) el movimiento browniano b) el efecto fotoeléctrico c) la teoría de la relatividad Veamos brevemente en qué consisten estos trabajos y los motivos de que sean tan importantes. a) El movimiento browniano (mb). Lo podemos observar al soltar un granito, por ejemplo, de polen, en un vaso con agua. Se da uno cuenta de que el grano realiza un movimiento zigzagueante, errático y no cae al fondo del vaso. Si en lugar de agua se llena el vaso con aceite, se observa el mismo tipo de comportamiento. En un cine a oscuras, cuando el proyector está enviando la luz a la pantalla, se puede observar el movimiento zigzagueante de partículas de polvo. Todos estos constituyen mb. |
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| Este fenómeno fue descrito en 1829 por el botánico inglés
Robert Brown; de allí su nombre. Durante el siglo xix un buen número
de personas trataron de entender las causas de este comportamiento. Hubo
gente que hasta llegó a pensar que los granos tenían vida;
sin embargo, no se llegó a ninguna explicación físicamente
aceptable. Por otro lado, desde principios del mismo siglo el químico inglés John Dalton propuso que la materia estaba compuesta de átomos (y moléculas). Es así como se inició el trabajo de formulación científica de la química. Sin embargo, hacia fines de siglo había un gran número de físicos de renombre que no aceptaban la idea de los átomos ya que, afirmaban, no había ninguna confirmación experimental de su existencia. Además, argumentaban que no era necesaria esta hipótesis ya que el comportamiento macroscópico de las sustancias se podía explicar por medio de la termodinámica, sin necesidad de suponer la existencia de los átomos. Así estaban las cosas en 1905 cuando Einstein inició el tratamiento del mb. Para ello supuso como hipótesis la existencia de átomos. Su idea fue que los átomos del agua (o del aceite o del aire) se están moviendo incesantemente y golpean continuamente, de todos lados, a la partícula inmersa en su seno. De esta forma el grano experimenta un número muy grande (un uno seguido de ocho ceros) de colisiones por segundo. La consecuencia sería el movimiento errático observado. Pero a diferencia de las personas que trabajaron antes que él, Einstein calculó que, en promedio, el grano tendría que separarse de su posición inicial de cierta manera bien precisa. Si no existiesen átomos, entonces la separación tendría otro comportamiento. Einstein propuso que se realizara un experimento para ver qué sucedía con la separación y así poder decidir si existían o no átomos. Al año siguiente, en 1906, Jean Perrin en Francia hizo el experimento sugerido por Einstein y observó que su predicción se cumplía. Es decir, la hipótesis de la existencia de los átomos quedó verificada de manera experimental. A partir de ese momento ya nadie volvió a dudar de que en efecto existen átomos. |
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| Einstein usó el fenómeno de mb no sólo para
explicarlo sino para descubrir algo más fundamental, a saber, la
existencia de átomos. Esta fue una característica única
de Einsten; utilizó un fenómeno (el mb) como “pretexto”
para descubrir algo más fundamental (la existencia de átomos).
Después veremos otro ejemplo. b) El efecto fotoeléctrico (ef). Alrededor de 1870 se descubrió que si se ilumina un metal éste desprende electrones. De las mediciones realizadas se concluyó que al aumentar la intensidad del rayo de luz no aumentaba la energía de los electrones emitidos. Esto iba contra lo que en ese entonces se sabía acerca de la radiación electromagnética (de la cual la luz forma parte). Por otro lado, en 1900 el físico alemán Max Planck presentó una serie de trabajos para explicar fenómenos de radiación electromagnética, que no se habían podido explicar usando la teoría física que se conocía entonces, teoría basada en las leyes de Newton. Planck se vio en la necesidad de tener que suponer que la energía de las sustancias debería estar formada de “paquetes” o “cuantos” de energía. Esto iba en contra de todo lo que se conocía entonces en la física. Planck creyó que su hipótesis era un truco matemático y no creyó en su realidad física; de hecho nadie prestó atención a este trabajo hasta 1905. En el trabajo de Einstein de ese año, al tratar de explicar el ef descubrió, usando los resultados de Planck, que podría explicarlo si suponía que la luz se comportaba como si estuviera formada por cuantos de energía, o sea partículas, dando realidad física a la cuantización. La composición corpuscular de la luz fue propuesta originalmente por Isaac Newton allá por 1690, pero luego fue desechada porque no podía explicar varios fenómenos luminosos. La única manera de explicarlos era suponiendo que la luz era una onda, por lo que se desechó este modelo de Newton. Ahora venía Einstein a sugerir de nuevo que la luz estaba formada de partículas. En diversos experimentos realizados se demostró que las conclusiones de Einstein eran correctas. Los cuantos de luz sí existían. Estos cuantos de luz recibieron más tarde el nombre de fotones. En un congreso llevado a cabo en Salzburgo, en 1909, Einstein presentó un trabajo en el que demostró que la luz es un ente muy complicado: en ciertas circunstancias se comporta como si fuera onda y en otras como si fuera partícula. Esto causó un gran revuelo entre los físicos, que siempre supusieron que la luz o era onda o era partícula. Einstein demostró que podían ser las dos cosas. De esta manera, Einstein de hecho inició con esta investigación sobre el ef lo que ahora se llama la física cuántica. Durante unos siete años fue la única persona que trabajó en este tema. Esta parte de la física es la que rige el comportamiento de los fenómenos microscópicos. El mismo Einstein, en 1917, descubrió que como consecuencia de la cuantización de la luz debería existir una forma de emisión de luz que llamó estimulada. Esto es la base del láser (siglas en inglés de light amplification by stimulated emissión of radiation, o sea, amplificación de luz por emisión estimulada de radiación). |
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Una aplicación conocida del ef lo constituyen las celdas
fotoeléctricas que se usan, por ejemplo, en las puertas de los
elevadores; también se usan para convertir la luz solar en corriente
eléctrica. |
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