aporteseinstein 54KB Jun 22 2010 01:09:39

Sobre el impacto de los trabajos de Einstein
en la actualidad
Sólo un puñado de científicos ha logrado dejar su nombre en los textos de estudio
por más de una vez. Einstein es una excepción, pues durante 1905 y en un poco
más de ocho meses, desarrolló cinco artículos que reorientarían la física para
siempre. Abordando tres tópicos muy distintos, relatividad, efecto fotoeléctrico y
movimiento browniano, Einstein revolucionó nuestra visión del espacio, el tiempo y
proporcionó una realidad microscópica a los procesos termodinámicos,
estableciendo así bases para impresionantes descubrimientos tecnológicos
presentes en la actualidad.
Tal vez lo más destacado del trabajo de Einstein en 1905 no es la dificultad
matemática de sus teorías, ni tampoco la solidez experimental de los argumentos
que planteó, sino más bien la elegancia y audacia de sus ideas, unidas a una
excepcional intuición física. Según Gerard´t Hooft, Premio Nobel de Física por sus
contribuciones a la Teoría Cuántica, ningún otro científico de la época estaba
pensando de la forma que lo hizo Einstein.
Presentamos un pequeño resumen del legado de Einstein y su impacto en la ciencia
en desarrollo y en nuestra vida cotidiana.
Movimiento Browniano
Einstein es más conocido por sus Teorías de Relatividad, pero su trabajo sobre el
movimiento Browniano impulsó una revolución en la física estadística que está en
pleno desarrollo aún en nuestros días. Las aplicaciones incluyen el mercado
accionario, donde esta teoría se ha usado para modelar las fluctuaciones del precio
de las acciones, el tráfico de vehículos, los motores moleculares y las membranas
celulares. Notemos que sin fluctuaciones aleatorias, o movimiento Browniano, no
habría transformación de fases ni empaquetamiento de proteínas, la membrana
celular carecería de función y no habría evolución de especies. A la luz de los
resultados obtenidos hace cien años, los científicos de nuestro siglo están
comenzando a descifrar las profundas delicadezas de los sistemas biológicos y otros
sistemas complejos. Gradualmente, ha venido quedando más o menos claro que en
estos sistemas existe un extraordinario balance entre leyes físicas deterministas y
los sutiles efectos de la aleatoriedad.
Ondas gravitacionales
Las Ecuaciones de Einstein de la Relatividad General predicen la existencia de ondas
gravitacionales al igual que las Ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo
imponen la existencia de las ondas electromagnéticas. Mientras las ondas
electromagnéticas se producen por la aceleración de cargas eléctricas, las ondas
gravitacionales debieran producirse cuando objetos de masa muy grande cambian
de forma o se desplazan de manera acelerada.
La onda gravitacional más potente imaginable en nuestro universo sólo produciría
deformaciones del espacio de 1 parte en 1022. Esto es equivalente a medir la
distancia de la Tierra a la Luna con una precisión de un poco más del diámetro de
un núcleo atómico. En los años sesenta, Joseph Weber en la Universidad de
Maryland, inició el desarrollo de las técnicas experimentales para la detección de
estas ondas. Básicamente, Weber suspendió una barra de una tonelada de aluminio
y agregó un anillo de detectores ultrasónicos alrededor de su centro. Su idea fue
que la barra, al ser atravesada por una onda gravitacional, se comprimiría y
expandiría haciéndola resonar si la frecuencia de las ondas fuera cercana a la
frecuencia de resonancia de la barra. Sin embargo, una estimación de las
fluctuaciones térmicas, indicó que la barra debía ser mantenida a muy baja
temperatura para mejorar su sensibilidad. Trabajos independientes señalaron que
Weber era capaz de medir deformaciones de una parte en 1016, es decir muy por
debajo de lo requerido. En la actualidad existen muchos grupos en el mundo
dedicando su esfuerzo a la medición de estas ondas por variados métodos, y se cree
que se alcanzará una precisión suficiente hacia el 2010. Esta nueva prueba nos
permitirá dar un paso más en la verificación de la Teoría de la Relatividad General.
La corrección en la medición del tiempo en el GPS
Según Einstein, la energía de cohesión de todos los átomos, y por ende el tiempo
medido por los relojes atómicos, debe depender del potencial gravitacional en el que
se encuentran. En consecuencia, dos relojes en diferentes referenciales medirán
tiempos ligeramente distintos. Este efecto, junto con la dilatación asociada a la
Relatividad Especial, tiene un impacto importante en nuestra vida cotidiana, puesto
que asegura que los dispositivos de navegación, base del GPS (Sistema de
Posicionamiento Global), permanezcan fiables. Los efectos relativistas son
responsables de que existan 39 microsegundos por día de diferencia entre los
relojes en Tierra y aquéllos en los satélites del GPS.
Si estos efectos no fuesen tomados en cuenta, los GPS tendrían un error de 10 Km
por día, mientras que en la actualidad, un GPS comercial proporciona una precisión
de 15 metros.
Efecto fotoeléctrico y los Quantos
Para capturar imágenes, las cámaras digitales utilizan un dispositivo llamado CCD
(Charge Coupled Device) que recibe la luz (fotones) y la transforma en una
corriente de electrones que luego puede ser registrada en una memoria electrónica.
La clave del funcionamiento de este dispositivo se encuentra en el efecto
fotoeléctrico, cuya explicación fue desarrollada por Albert Einstein en 1905, quien
propuso que la luz entregaba su energía a través de paquetes o Quantos. Esta
forma de ver la luz trajo como consecuencia el nacimiento de la Mecánica Cuántica.
A partir de ella se desarrollaron nuevas tecnologías como los semiconductores
utilizados en electrónica y responsables de la creación de los microchips. Estos
dispositivos han hecho posible el desarrollo de la computación a los niveles actuales,
como también de las telecomunicaciones y los CCD.
Emisión espontánea y estimulada: Máser y Láser
En 1916, Einstein descubrió que un fotón con una energía particular, y por lo tanto
una frecuencia bien precisa, puede inducir a un átomo a emitir fotones en la misma
frecuencia, a este proceso lo llamó emisión estimulada. Einstein relacionó la
probabilidad de emisión estimulada con aquélla de los átomos no irradiados,
emisión espontánea, usando dos expresiones que ahora llamamos los coeficientes A
y B de Einstein. En su tiempo, este descubrimiento no tuvo implicancia práctica
alguna, puesto que para aquello, la luz coherente así generada necesitaba
amplificarse de alguna manera. Esto último lo lograron C. Townes y A. Schawlow
para las microondas con el desarrollo del “máser” en 1954 y T. Maiman en 1960,
para la luz visible, con el desarrollo del “láser”. De este modo, el trabajo de Einstein
sobre la radiación estimulada presagiaba el desarrollo de dispositivos de uso
corriente en nuestras casas y de gran utilización en casi todas las áreas de la ciencia
y la ingeniería.
Condensación de Bose-Einstein
Un gas ideal en equilibrio térmico es el ejemplo más claro de caos molecular, puesto
que sus moléculas sufren colisiones permanentes entre ellas generando desorden.
En este sistema, aparentemente simple, Einstein mostró que para cualquier
temperatura existe una densidad a partir de la cual el gas se separa en dos estados,
en uno de los cuales las moléculas continúan en incesante caos, mientras que en el
otro la agitación es virtualmente nula. Experimentalmente los investigadores enfrían
el gas a una densidad dada hasta que las moléculas comienzan a entrar en el
estado condensado que se encuentra a temperatura absoluta nula.
Esta transición de fase, que no puede ser explicada fuera del marco de la Mecánica
Cuántica, es llamada condensación de Bose-Einstein y es una de las áreas más
activas de investigación en nuestros días. Aquí no todo se lo debemos a Einstein,
quien llegó a esta conclusión al aplicar a las partículas materiales las ideas del físico
indio Satyendra Nath Bose sobre la estadística de los fotones. Es así como tomó casi
setenta años encontrar un sistema real que satisficiera las condiciones estipuladas
por Einstein para la observación de este fenómeno. Fue en 1995, que el grupo
liderado por E. Cornell y C. Wieman, en Boulder, Colorado, creó el primer
condensado en un gas de átomos de Rubidio enfriado por la técnica láser. En 2001
E. Cornell, C. Weiman y W. Ketterle, del MIT, compartirían el Premio Nobel de Física
por esta contribución. Puesto que este logro requirió del desarrollo de trampas
magnéticas y de luz para los átomos y el enfriamiento de estos por medio de lásers,
S. Chu, C. Cohen-Tannoudji y B. Phillips recibieron el Premio Nobel de Física en
1997. Las aplicaciones del condensado de Einstein, que podría ser denominado un
nuevo estado de la materia, están por venir.
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