2005 el año de la física

Autor

Samuel Eduardo Ramos Bohórquez
Coordinador  Departamento de Matemáticas. Gimnasio Campestre
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Introducción

¿Por qué un año internacional para la física? 

La IUPAP ( International Union of pure and Aplied Physics) en su reunión anual celebrada en el año 2002, propuso declarar un año especial para conmemorar los cien años de la teoría de la relatividad formulada en marzo de 1905 por el físico alemán Albert Einstein. La UNESCO respaldó dicha propuesta, apoyando un pro- grama de actividades a nivel mundial organizado por universidades, centros de investigación y la comunidad científica en general.

Fundamentalmente se quiere enfatizar y destacar la física como una disciplina que a través de la historia ha jugado un papel definitivo en el desarrollo de la ciencia y la tecnología. Así mismo, como campo de investigación y aplicacción ha impactado en forma determinante la sociedad de hoy. No obstante, en la actualidad presenta una crisis en cuanto a las preferencias de estudiantes de ciencias y también es evidente que el interés y conocimiento que tienen las personas por esta disciplina científica  viene disminuyendo significativamente en los últimos años.

Estos factores han motivado la implementación y desarrollo de una serie de actividades a nivel mundial que busca ante todo:

• Promocionar el interés, conocimiento y acercamiento hacia la física
• Incentivar la enseñanza de la física
• Destacar el papel de la física como parte de la herencia cultural
• Promover la física como base de otras disciplinas y como fundamento de nue- vos conocimientos y campos científicos y tecnológicos.
• Aumento del número de mujeres investigadoras en la física
• Nuevos retos para la física del siglo XXI

En este artículo se presenta una breve descripción de los aportes más importantes hechos por Einstein y la aplicación que la ciencia y la tecnología han hecho de ellos en la sociedad moderna.

Hace 100 años, un 17 de marzo de 1905,  cuando Einstein tenía 26 años de edad, envió a la revista Annalen der Physik, la más prestigiosa revista de Física de la época, cinco artículos. El primero de ellos sobre el efecto fotoeléctrico, el segundo, sobre la determinación de los tamaños verdaderos de los átomos, el tercero, sobre el movimiento browniano, el cuarto, sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento (llamado después teoría especial de la relatividad) y el quinto sobre la necesidad de que la masa sea una medida directa de la energía contenida en un cuerpo. Ese mismo día empezó lo que se consideró posteriormente el Annus Mirabilis (año milagroso), por lo que significan aún los conocimientos y aplicaciones en la ciencia y en la tecnología los aportes dados por el considerado personaje del siglo XX.

“Triste época la nuestra, es más fácil desintegrar un átomo que superar un prejuicio”

Albert Einstein

Sólo existe un antecedente similar en la historia de la ciencia a este significativo año. Ocurrió en el verano inglés en 1665 con el matemático y físico Isaac Newton. La peste devastó Londres con tal intensidad, que en un lapso de tiempo corto había muerto uno de cada 10 ciudadanos ingleses. Para el otoño, la prestigiosa Universidad de Cambridge cerró sus puertas. En estas condiciones, en La sole- dad y en la tranquilidad de su casa familiar en Woolsthorpe, Linconlnshire, a sus

23 años, entre el año 1665 y 1669 comenzó a desarrollar su teoría de la gravita- ción universal, el cálculo diferencial e integral, las tres leyes del movimiento, su teoría corpuscular de la luz blanca mediante el célebre experimento de descom- posición de la luz mediante un prisma.

Durante dos años Newton dedicó toda su energía y concentración a la actividad que le permitió resolver problemas fundamentales. Alguna vez le preguntaron el por qué se le facilitaba la resolución de problemas matemáticos y físicos, pregunta que Newton respondió diciendo “por que siempre estoy pensando en ellos”.

Las ideas expuestas por el científico inglés se consideraron como una concepción mecánica del mundo. En esta concepción, el universo funciona como una máqui- na, como un  reloj regido por leyes inmutables que quedaron impresas en el considerado libro más importante de la física y tal vez de la ciencia, el Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Estas ideas y principios se mantuvieron incó- lumes e inmodificables hasta 1905.

Sobre el movimiento Browniano

Promediando el año de  1828 el botánico inglés Robert Brown observó que en una solución de agua el polen de cierta hierba (Clarkia pulchella) realizaba un movimiento continuo, caótico y en zigzag. El orden de magnitud de la longitud lineal de estas partículas de polen variaba entre 5 y 6 micras. Brown apuntó lo siguiente:

“Al observar detenidamente la forma de estas partículas sumergidas en agua, vi muchas de ellas evidentemente en movimiento; éste consistía no solamente en un cambio de lugar en el fluido, manifestado por alteraciones en sus posiciones relativas, sino que también, con no poca fre- cuencia, por un cambio en la forma de la misma partícula”.

El trabajo experimental  de Brown atrajo mucho la atención y la crítica de otros científicos europeos, quienes lo censuraron  duramente, pues en él se proponía que el movimiento era auto animado. Sugirieron en cambio todo tipo de explicaciones físicas como, por ejemplo, diferencias de temperatura en el agua iluminada, evaporación, corrientes de aire, flujo de calor, capilaridad, etcétera.

El  físico inglés Michael Faraday defendió las ideas de Brown, señalando que este movimiento no se podía expli- car por ninguna de las causas expuestas. Tanto Faraday como Brown reconocieron, sin embargo, que no sabían cómo explicar este fenómeno.

Se dice que el aporte teórico de Einstein en la compren- sión del movimiento browniano le llegó en un momento de inspiración mientras conversaba y tomaba una taza de té con su amigo Michele Besso, acerca de la viscosidad del líquido y el tamaño de las moléculas disueltas: “al disolver un terrón en el té, se difunde por toda la taza y lo hace más viscoso”. ¹

Esta observación le permitió deducir una nueva forma de determinar el tamaño de las moléculas y superar los problemas teóricos a los que se enfrentaron los físicos e investigadores del siglo XIX. Así mismo, contribuyó a lo que se denominó posteriormente física estadística, con la cual podemos comprender hoy la estructura interna de las estrellas y la superconductividad.

Otras aplicaciones fundamentales de la física estadística las podemos encontrar en la economía, en donde las fluctuaciones de la bolsa se pueden describir usando la teoría del movimiento browniano. Se propone en particular una fórmula para fijar el precio de una opción basándose en la idea de que tales fluctuaciones siguen el mismo proceso que una molécula moviéndose en un gas. En la actualidad algunas entidades financieras usan la física estadística para evaluar los riesgos a los que se enfrentan en el mercado de futuros.

Otra aplicación importante se da en los llamados “trinquetes brownianos”, una visión microscópica de las ruedas dentadas, capaces de transformar el movimiento aleatorio en un desplazamiento sistemático.

Sobre el efecto Fotoeléctrico

En 1905 Einstein envió una carta a su amigo Conrad Habicht en la que le prometía cinco artículos de los cuales sólo uno merecía el calificativo de “muy revolucionario”, mientras que los demás según él eran simples “balbuceos sin importancia”. Dicho artículo revolucionario le valió 16 años después el premio Nobel de física. Este ensayo lo convirtió en uno de los padres de la teoría cuántica conjuntamente con Max Planck, quien sentó los pilares de esta teoría cinco años antes.

Para Planck la materia absorbe y emite energía en forma de pequeños paquetes llamados cuantos. Einstein fue más lejos al proponer que la luz estaba compuesta por cuantos a los que llamó fotones, afirmando que la luz tiene un comportamiento y transferencia no continua, es decir se comporta como partícula. También afirmó que la energía que transporta todo fotón, es proporcional a la frecuencia de radiación. Esta relación la representó mediante la fórmula, donde E es la energía de la radiación, h es una constante universal llamada la constante de Planck y u es la frecuencia de la radiación. Estas ideas de los cuantos de luz generó grandes polémicas en la época por lo cual Einstein se concentró en trabajar más en las ventajas que podía aportar su idea. Los resultados no se hicieron esperar, demostró que sus cuantos de luz podían explicar un efecto muy conocido relacionado con la fluorescencia. Hizo ver que también podían explicar un fenómeno que se observaba cuando la luz ultravioleta atravesaba los gases, pero espe- cialmente aplicó su idea a lo que se conoció como efecto fotoeléctrico, o liberación de los electrones de los metales al hacer incidir sobre ellos rayos de luz.

La teoría de Einstein que planteaba que los rayos de luz se transferían en unidades individuales discretas  llamadas cuantos, contradecía completamente las teorías anteriores que consideraban que la luz se transfería mediante un proceso continuo. Estas ideas como la gran mayoría propuestas por él apenas fueron aceptadas por los científicos de su tiempo, de hecho el físico norteamericano Andrews Millikan se mostró sorprendido e inquieto al confirmar experimentalmente las tesis de Einstein 10 años después.

Hoy se utiliza el efecto fotoeléctrico en aplicaciones rela- cionadas con el alumbrado público y en los fotomultiplicadores de las cámaras de video, en comunicaciones satelitales, etc.

Sobre la relatividad especial

Regularmente se oye decir que la teoría de la relatividad convierte todas las cosas de la física en relativas, que sentencia a todo lo absoluto a la desaparición definitiva. Nada más lejos de la realidad física. Realmente convierte en re- lativas algunas cosas que anteriormente se pensaban que eran absolutas, pero al efectuar esta conversión introduce otros elementos absolutos; por ejemplo, que la velocidad de la luz no puede exceder el valor de 300.000 km/s. Veamos algunos postulados y referentes de la teoría.

* Lo absoluto y lo relativo

Los términos arriba – abajo son relativos, es decir carecen de sentido si los consideramos por sí solos y deben expresarse siempre con relación a algo que podemos tomar como referencia.

La gravedad es la fuerza que hace que todos los objetos, incluso las personas seamos atraídos verticalmente hacia  el centro de la tierra. En una tierra plana la vertical sería la misma para todos nosotros, pero en una tierra redonda la vertical depende de nuestra posición en el planeta. Veáse figura 1.

Figura 1

En nuestra vida cotidiana usamos las expresiones “a la derecha o a la izquierda” para indicar la posición de un determinado objeto. Estas expresiones están siendo mal usadas porque no se especifica a la derecha o izquierda de qué o de quién.

Se deberían reemplazar entonces estas expresiones por “a mi izquierda “ o “a tu derecha” para darles un sentido preciso y coherente.

* Relatividad del reposo y del movimiento

Aristóteles pensaba que la Tierra era el centro del universo. Por tanto, una persona que crea en esta idea considerará a la tierra en reposo absoluto, y por ende creerá tam- bién en un movimiento absoluto, es decir lo que se mueve con respecto a ella.

Cuando ya es aceptada la idea que la Tierra no es centro del universo gracias a los aportes dados por Copérnico y que además, el planeta se mueve alrededor del Sol, las ideas de movimiento y reposo absolutos pierden credibilidad y vigencia. Entonces ya debemos considerar que el movimiento y el reposo dependen siempre de un sistema de referencia. Estas ideas ya eran familiares tanto para Galileo como para Newton, que consideraban que la leyes de la física son iguales para todos los observadores que se mueven con velocidad uniforme unos respecto de los otros.

* Sobre el comportamiento de  la luz

Promediando el siglo XIX, el escocés James Maxwell des- pués de intensos trabajos en física teórica descubre que la luz se comporta como una onda y por esos mismos años se consigue determinar  su velocidad, que aproximada- mente es de 300.000 km / s.

Sabiendo que la Tierra se mueve alrededor del Sol a una velocidad de 30 km/s, se diseñaron experimentos para deter- minar la velocidad de la luz cuando tiene el mismo sentido al movimiento terrestre y cuando tiene el sentido contrario. La sorpresa fue grande, ¡la velocidad era la misma!

Después de proponerse diferentes explicaciones a este fenómeno por diferentes investigadores y científicos, fue Einstein quién dio la explicación precisa al fenómeno desde los dos postulado de la teoría de la relatividad especial.

1. La velocidad de la luz es independiente de la velocidad de la fuente emisora y de la velocidad del observador que la mide. Siempre será de 300. 000km / s.
2. Einstein amplió la concepción newtoniana de tener las mismas leyes para todos los observadores que se mue- ven con velocidad uniforme en línea recta; a fenómenos relacionados con la electricidad y el magnetismo y por tanto para la luz, ya que era catalogada como una onda electromagnética.

Sobre la relatividad general

Once años después de publicada su teoría especial de la relatividad, Einstein publica su teoría de la relatividad general, es decir en 1916.

Con la claridad de saber que el movimiento uniforme es relativo, Einstein se preguntó entonces: ¿El movimiento acelerado es absoluto?

Pensó que si uno era relativo necesariamente el otro también debía serlo.

La teoría es llamada “general” porque es un caso particu- lar o extensión de la teoría especial. Esta teoría constituye un logro intelectual aún más grande que la relatividad especial y los otros descubrimientos y aportes dados por Einstein, en este sentido algunos investigadores y científicos consideran que el premio Nóbel de Física concedido a Einstein debió ser no por el efecto fotoeléctrico sino por la teoría de la relatividad general.

Si Einstein no hubiera logrado concebir esta teoría, no existe duda alguna de que otros científicos hubieran dado el mismo cambio a la física, aunque muy seguramente con un retraso de un siglo. “Poincaré, el matemático francés fue uno de los científicos que estuvieron a las puertas de su descubrimiento. En una notable conferencia que dio en

1904, Poincaré predijo la aparición de una mecánica completamente nueva, en la que ninguna velocidad podía exceder la velocidad de la luz, del mismo modo que ninguna temperatura puede descender por debajo del cero absoluto”².

La relatividad general en sí se centra en lo que se llama el principio de equivalencia. Este principio no es otra cosa que la asombrosa afirmación de que al hablar de gravedad y de inercia se habla de lo mismo. Según Einstein no se puede distinguir entre estar sobre la superficie de un planeta como la Tierra sintiendo el peso, que estar en el interior de una nave acelerando lejos de un campo gravitatorio.

¿Si un observador acelera hacia una línea recta que se está trazando, ¿cómo verá esta línea? Veáse figura 2

Figura 2

Si es equivalente estar en un campo gravitatorio que acelerar y consideramos que la línea a la cual se acerca el observador acelerado es un rayo de luz que se curva debido a esta aceleración, también se podría lograr esta curvatura por el efecto de un campo gravitatorio.

Einsten predijo esta equivalencia diciendo que la luz de una estrella se curvaría al pasar muy cerca de la superficie del Sol debido a su campo gravitatorio.

Figura 3

Esta afirmación quedó confirmada en un eclipse de Sol ocurrido en mayo 1919. Véase figura 3

La interpretación que Einstein hace de esta idea es que el espacio y el tiempo se curvan por la presencia de la materia y el movimiento de la misma. De ahí que se afirme que con la teoría de la relatividad general, Einstein cambió la concepción espacio – tiempo, ofreciendo una nueva forma de estudiar y describir la gravedad, estos descubrimientos cambiaron sin duda la concepción que teníamos del universo.

El hombre y la teoria

La teoría de la relatividad cumple un siglo de edad y hoy está absolutamente comprobada y aplicada  en un sin número de experimentos y fenómenos físicos que van desde la astrofísica hasta las más modernas tecnologías de comunicación.  Pero la teoría en sí misma y sus aplicaciones no nos debe hacer perder de vista los aportes que en otros campos de la física y de la vida nos dejó el célebre físico alemán.

Ya hemos hecho una descripción breve de los cinco artículos científicos presentados por Einstein al iniciarse el siglo XX, y que cambiaron completamente la física  y la visión que teníamos del universo. Comprobada su teoría de la relatividad, su fama y popularidad  se exten- dió a lo largo y ancho del mundo, “desde 1920 hasta su muerte, fue lo que hoy se considera como el gurú, o sabio consejero, de la humani- dad. Se le consultaba acerca de todo: psicoaná- lisis, parasicología y religión; nazismo, socialismo, sionismo, guerra y paz, bomba atómica” ³.

También fue consultado en política, en una ocasión incluso se le ofreció asumir el cargo de primer ministro del estado de Israel dado su orígen judío, Einstein rechazó la propuesta diciendo, “ La política es algo pasajero, las ecuaciones son para la eternidad”.

Uno de los episodios más difundidos y peor comprendidos de la vida de Einstein fue su participación en el proyecto Mannhatan, iniciativa secreta que buscaba la construcción de una bomba atómica. Algunos creen que ésta fue diseñada con la ayuda de los fundamen- tos  teóricos einstenianos; otros piensan que  fue él quien presuadió al presidente Roosevelt para que ordenara la construcción de la bomba. Nada de lo anterior fue cierto.

La famosa ecuación de Einstein que relaciona la masa y la energía E = mc2   no fue sino una de las numerosas ecuaciones que aparecen en las teorías  del nú- cleo atómico. La base científica de la tecnología nuclear es la física nuclear y no la teoría de la relatividad.

Con respecto a la participación en la construcción de la bomba hoy son claras tres situaciones. Primero, Einstein no fue quien tomó la iniciativa, fueron otros, entre ellos Szilard, quien lo persuadió para que firmará la tristemente célebre carta al presidente Roosevelt. Segundo, El presidente no respondió inmediatamente, tardó un tiempo en hacerlo y finalmente dio la orden, posiblemente influido por los militares. Tercero, al enterarse de que el presidente Truman había ordenado usar la bomba contra Hiroshima y Nagasaki, rompiendo de esta forma  el compromiso adquirido por el gobierno con los investigadores que participa- ron en su construcción, Einstein se arrepintió de haber firmado la carta. Fue entonces cuando declaró “que si le fuese dado vivir por segunda vez, elegiría el oficio de fontanero”.

Einstein, el sabio más importante y reconocido de la historia, curiosamente murió ignorado por casi la totalidad de sus colegas. Al final de su vida, contados físicos creían en la importancia de sus ideas: solamente las personas del común lo respetaban y reconocían. A los físicos de la época les parecía que la teoría de Einstein de la relatividad  era de carácter marginal y que nada novedoso se podía esperar de ella, posiblemente argumentaban esto dado que pocos comprendieron los fundamentos de esta teoría, tan sólo fue accequible para unos pocos especialistas. También sostenían que las críticas a la nueva teo- ría cuántica habían sido respondidas totalmente por Niels Bohr.

Al respecto de la nueva mecánica cuántica Einstein no se mostró muy partidario de sus argumentos emi- nentemente probabilísticos, al respecto apuntó:

“Dios nunca juega a los dados”.

Bibliografía

Hoffmann, B. Einstein.Barcelona: Salvat, 1987.231p.ISBN: 84-345-8145-0

Gardner, M. La explosión de la relatividad. Barcelona: salvat, 1986.

206p. ISBN: 0 – 394 – 72104 – 7

Infeld, L, Einstein, A. La evolución de la fìsica. Barcelona: salvat, SABADELL ANGEL, miguel. El año milagroso de la física, un siglo de la relatividad  En: muy interesante, Bogotá ( Abril, 2005). Recuperado el 28 de septiembre de 2005, de omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen1/cien- cia2/13/htm/sec_5.html

Recuperado el 28 de septiembre de 2005, de www.andaluciainvestiga.com/espanol/cienciaAnimada/si-ties/relatividad/relatividad.html

1. Sabadell, Miguel, ( 2005). El año milagroso de la física. Muy interesante, 20, p.22 – 28.

2 Gardner, M. La explosión de la relatividad. Barcelona, Nº45(1986). p.78

3. Hoffmann, B. Einsten.Barcelona, Nº 3 (1987). P. 12

Este documento fue tomado de www.revistaelastrolabio.com