El genio más famoso de la historia

Einstein
FÍSICA
El genio más famoso de la historia
No hay científico más famoso que Einstein. Todos conocemos su nombre y muchos
lo asociamos a la teoría de la relatividad. Pero, ¿por qué Einstein se hizo tan
famoso y qué es realmente eso de la relatividad?
Tres artículos que removieron
los cimientos de la física
El año 1905 recibe el sobrenombre de
1905
“año maravilloso”, porque Einstein publicó tres
artículos absolutamente revolucionarios para la
física. Sus consecuencias se extenderían al resto
de ciencias y cambiarían nuestra vida cotidiana
para siempre.
Primer artículo: la luz en paquetes
El primer artículo hablaba sobre la
interacción de la luz con la materia.
Hasta entonces se pensaba que la luz
era una onda energética continua, que
distribuía la energía equitativamente
por toda la superficie sobre la que
incidía. Pero Einstein afirmó que
la energía chocaba con la materia
repartida en “paquetes” denominados
fotones. Esta idea le permitió explicar
el efecto fotoeléctrico: cuando la luz
incide sobre un metal, su superficie
libera electrones de forma instantánea.
Si la luz distribuyera la energía de
forma continua, se tardarían años a
que saltaran los electrones, y lo harían
todos a la vez. Pero como la energía
está concentrada en paquetes, el choque
consigue hacer saltar inmediatamente
los electrones de algunos átomos de
la superficie del metal. Imaginemos
un ejército que trata de derribar las
murallas de un castillo golpeando todos
los soldados a la vez sobre diferentes
puntos de la muralla. Tardarán mucho
más a conseguir su objetivo que si
unieran su energía, mediante un ariete
por ejemplo, dirigido contra algunos
puntos de la muralla.
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Eureka!
NOVIEMBRE 2005
© Tom Richmond
Tercer artículo: la relatividad especial
En el tercero artículo Einstein presentaba su célebre teoría especial
de la relatividad. A finales del siglo XIX se consideraba que la
Segundo artículo: el vals de las partículas
luz era una onda electromagnética que, como cualquier otra onda,
necesitaba de un medio para propagarse. Este supuesto medio,
En el segundo artículo, Einstein explicaba el
denominado movimiento browniano: una especie que denominaron éter, debería llenar todo el espacio y así permitir
que la luz de las estrellas llegara hasta nosotros; tendría que ser
de baile errático, observable al microscopio,
que muestran las partículas en suspensión en un totalmente transparente y tenue para no estorbar el movimiento de
fluido. Einstein atribuyó este movimiento al hecho los astros, pero tendría que producir efectos detectables desde un
que los impactos de las moléculas del fluido sobre laboratorio terrestre. Sin embargo, ningún experimento consiguió
detectar la presencia del éter.
la partícula en suspensión no son simétricos,
ahora ganan los de un lado, ahora los del otro, y
de aquí el movimiento en zig-zag. Este trabajo
proporcionó un apoyo considerable a la teoría
atómica (la materia está hecha de átomos), que
todavía ponían en entredicho algunos científicos
eminentes del siglo XIX.
Einstein propuso que el éter no existía; que la luz era una onda
que se propagaba en el vacío con la misma velocidad en todas
direcciones. Este fue el primero de los fundamentos de la teoría de
la relatividad.
Pero eso de la relatividad…
¿De qué va?
La teoría de la relatividad de Einstein destaca por el hecho que
afirma que aquello que
es válido para un tren y
para una pelota, no es
válido para la luz: la luz
se propaga siempre a
la misma velocidad independientemente del
observador (300.000
km por segundo). Así,
la velocidad de la luz
es una constante absoluta universal. Pero si
la velocidad de la luz
es igual para todos los
observadores, vayan
a la velocidad que vayan, debe haber algo
que imaginábamos
absoluto que no lo es.
Efectivamente, según
Einstein el tiempo no
es igual para todo el
mundo, es una variable
relativa al observador.
De hecho, el tiempo pasa más
deprisa o más despacio según la
velocidad del observador. Esta es
la peculiaridad de la relatividad
de Einstein.
Esta afirmación supuso reestructurar toda la física del momento
y Einstein así lo hizo en su teoría de la relatividad general, en
1915. El resultado fue una teoría
de la gravedad que superaba la
de Newton y la corregía para
aquellos fenómenos en que intervienen velocidades grandes o
una gravedad muy intensa.
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Imaginemos que pasa
un tren por delante
nuestro a 10 km/h, y
que una persona que
viaja sobre él lanza una
pelota hacia adelante a
10 km/h. Para esa persona, la pelota irá a 10
km/h; pero para nosotros, el movimiento del
tren y el de la pelota
se sumarán, y la pelota
viajará a 20 km/h. De
igual forma, para el pasajero del tren no será
él quien se mueva a 10
km/h, sino nosotros.
La velocidad de un
objeto, pues, depende
del observador, o en
otras palabras, es “relativa” al observador.
Cualquier teoría que
describa un fenómeno
en relación a su observador es una teoría de
la relatividad.
Eureka!
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El tiempo es relativo
Si sincronizamos
dos relojes idénticos
y los hacemos recorrer caminos diferentes, a velocidades
diferentes, cuando
se vuelvan a encontrar no indicarán la
misma hora. A más
velocidad, más lento
pasa el tiempo. Pero
esto sólo es apreciable a velocidades
muy superiores a las
que habitualmente
viajamos.
Un reloj en órbita se adelantará
respecto a uno en la superficie
de la Tierra.
La paradoja de los gemelos
La gravedad tiene efectos sobre el tiempo. Si ponemos dos
relojes sincronizados a alturas diferentes, el que está a mayor
altura, dónde la gravedad es menos intensa, se adelantará.
“No n’hi ha prou amb la satisfacció de las necessitats físiques. Per estar satisfet, cal també la possibilitat de desenvolupar les capacitats intel.lectuals i artístiques d’acord
amb les pròpies possibilitats”.
Para explicar el efecto de la velocidad sobre
el tiempo, se usa esta famosa paradoja:
Si uno de dos gemelos idénticos se hace astronauta y se pasa años viajando en su nave
espacial a grandes velocidades, próximas a
la de la luz, cuando vuelva a la Tierra su
hermano (y todos los de su generación) habrá envejecido notablemente más que él.
“Hi ha, encara, un altre dret humà que no sol esmentarse, però que sembla destinat a ser molt important: és el
dret -o el deure- que té l’individu de no cooperar en activitats que consideri errònies o pernicioses”.
L’altre Einstein:
l’humanista
“L’alegria de mirar i comprendre és el do més
bell de la natura”.
“El dilema aterrador que implica la situació política mundial està estretament relacionat amb un pecat
d’omissió comès per la nostra civilització. Sense una “cultura ètica”, no hi ha salvació per a la humanitat”.
“Les diferències de classe em semblen injustificades i, al capdavall, arrelades en la força. Crec que
seria bo per a tothom, tant en l’aspecte físic com
en el mental, viure amb senzillesa i modèstia”.
“L’objectiu ha de ser formar individus que pensin i actuïn amb independència, però que ho facin considerant
del seu màxim interès vital mantenir-se al servei a la comunitat”.
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“S’hauria de reduir per llei el nombre d’hores de
treball setmanals. [...] S’haurien de fixar també
salaris mínims per tal d’equilibrar el poder adquisitiu amb la producció”.
Eureka!
NOVIEMBRE 2005
¡Las leyes de Newton son erróneas!
En la escuela estudiamos la ley
de Newton sobre la fuerza de la
gravedad. ¿Pero sabíais que esta
ley es errónea? Durante más de
dos siglos, toda la física se fundamentó sobre las leyes de Newton.
Este físico británico hizo un gran
paso al conseguir sistematizar el
mundo y darle una armonía matemática. Pero las leyes que describió, aun siendo muy buenas
aproximaciones, no son correctas. Funcionan muy bien para
explicar el movimiento de los
cuerpos grandes: los planetas,
los coches, las pelotas de tenis...
Pero no concuerdan cuando se
trata del movimiento de aquello
E=mc
inmensamente pequeño, como
los átomos y las partículas que
los forman.
Fue Einstein quien en 1905 dio
un giro a la física superando
las limitaciones de las leyes de
Newton. Aun así, en la escuela
seguimos estudiando las leyes de
Newton porque se aproximan
muy bien a la realidad cotidiana y
son mucho más sencillas de usar
que las que derivan de la física de
Einstein. Las diferencias con las
leyes de Einstein sólo son apreciables a velocidades próximas a
la de la luz.
2
Einstein redujo las
leyes de Newton a una
mera aproximación. ¡Siguen
siendo muy útiles, sin embargo!
“Energía es igual a masa por velocidad de la luz al cuadrado”
a una escala más pequeña,
la fuente de energía de las
centrales nucleares y de las
armas nucleares.
Si observáis bien esta ecuación (la más famosa del
mundo), veréis que la materia contiene una grandísima
cantidad de energía. Haced
la prueba: multiplicad 2 gramos de materia por la velocidad de la luz al cuadrado,
es decir: 2 x 90.000.000.000.
¡¡De ahí que una pequeña
cantidad de uranio puede
liberar suficiente energía
como para destruir una
ciudad!!
© Scott Camazine
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La teoría de la relatividad
de Einstein implica que la
materia y la energía son lo
mismo. La materia puede
transformarse en energía y
al revés. De hecho, en todas
las reacciones nucleares que
producen o consumen energía, la masa de las sustancias
que reaccionan no concuerda con la masa de los
productos finales de la reacción. Esto es así porque parte de la materia se convierte
en energía o al revés. Tal
fenómeno es especialmente
manifiesto en las reacciones
nucleares que son la fuente
de energía de las estrellas y,
Eureka!
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El mundo después de Einstein
Aunque las ideas de Einstein parezcan muy distantes a nuestra vida cotidiana, el
mundo en el que vivimos sólo es posible gracias a sus aportaciones.
Cámaras digitales
Satélites
La Teoría General de la
Relatividad hizo posible la
creación de la tecnología
satelital.
La tecnología de las cámaras
digitales es heredera de los trabajos de Einstein por explicar el
llamado efecto fotoeléctrico, un
fenómeno en el que los electrones de un metal son arrancados
por acción de la luz.
El láser
La Teoría de la Radiación Estimulada
originó el rayo láser con el que hoy es
posible leer y grabar discos compactos
y DVD, corregir problemas de visión,
cortar materiales, abrir puertas automáticamente, etc.
Bolsa de valores
El trabajo sobre el movimiento de las partículas en un líquido (el
movimiento browniano) revolucionó la mecánica estadística. Hoy se analizan las fluctuaciones
de precios en las bolsas de valores gracias a ello.
Lubricación
La predicción de la existencia de un nuevo estado
de la materia, hoy llamado condensado de BoseEinstein, permitió desarrollar mejores productos
para la lubricación de motores y maquinaria.
Los sistemas de localización GPS
¿Y ahora qué? La Física después de Einstein
© Richard Bailey
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Eureka!
La teoría de la gravedad de Einstein
(o teoría de la relatividad general),
aunque parece correcta, no se ha podido hacer concordar todavía con el
resto de teorías sobre otras fuerzas.
De hecho, es la única que no se ha
podido unificar. Los físicos más geniales de la actualidad trabajan para
conseguir unificarla con las otras
fuerzas de la naturaleza, la eléctrica
y la magnética, que mantienen uniNOVIEMBRE 2005
das las piezas que forman los núcleos
atómicos. Así, se pretende obtener una
teoría única que permitiría explicar de
una manera compacta y simple todas
las leyes que rigen los fenómenos físicos. A esta teoría la denominamos de la
supercuerda o teoría del todo. Einstein
la buscó durante treinta años, pero no
consiguió encontrarla. Quizá esta unificación final esté esperando a un nuevo
Newton o Einstein...
Para saber más: www.revistaeureka.com
Sin la Teoría General de la Relatividad no habría sido posible la
construcción de sistemas de localización GPS (Global Position System),
cuya precisión depende de tener en
cuenta los efectos relativistas sobre
los relojes de los satélites.