Historia de las Ciencias 8a (Siglo XX)

36 NO SOLO DE LA RELATIVIDAD VIVIÓ EINSTEIN

37 LA PARADOJA EPR

38 “DIOS NO JUEGA A LOS DADOS CON LA NATURALEZA”

En el Annus Mirabilis de 1905, se inició una “revolución” en el pensamiento científico postmoderno, Albert Einstein publicó, además de su Tesis Doctoral, y otros cuatro trabajos de singular importancia para el avance de la Física. Y posteriormente realizó importantes contribuciones a la comprensión del Mundo Natural que le valieron el Premio Nóbel en 1921 por “sus contribuciones a la Física Teórica y a la comprensión del Efecto Fotoeléctrico”.

Desde la perspectiva de la Historia de la Ciencia, sorprende que el común de las personas crea que la contribución más importante de Albert Einstein fuera la denominada Teoría de la Relatividad y que la más de las veces se le asocie casi exclusivamente a las consecuencias de solo uno de sus primeros trabajos (segundo de los cuatro aparecido, además de su Tesis Doctoral, durante el “año milagroso”): “Sobre la Electrodinámica de los Cuerpos en Movimiento”, publicado en la prestigiosa Revista Científica Alemana “Anales de Física”, en abril de 1905; y en donde se postulan los cimientos del formalismo conocido como la Teoría de la Relatividad Especial o Restringida. No es cierto que las denominadas Teoría de la Relatividad Especial y General hayan sido las únicas aportaciones de Einstein, pues otras no menos importantes ocurrieron en 1905, sobre temas que poco o nada tenían que ver con la Relatividad,. Tampoco es cierto que en dicho trabajo “Sobre la Electrodinámica de los Cuerpos en Movimiento” se estableciera la famosa ecuación E=mc²; ni que exclusivamente por ella le otorgase, como ya se dijo el premio Nóbel. En el volumen 17 de Annales der Physick, de 1905, se incluyó también su tercera contribución titulada ¿Depende la Inercia de un Cuerpo de la Energía que lo contiene? donde aparece por vez primera la citada relación sobre la equivalencia entre masa y energía.

El primero de los trabajos publicados en 1905, llevo por título “Sobre un punto de vista heurístico referente a la emisión y transformación de la luz”. Allí se concibe la luz como una sucesión de paquetes discretos de energía, partículas de masa nula o fotones (en concordancia con Planck sobre la radiación de un cuerpo negro), los cuales siguen un comportamiento estadístico preciso, inferido del comportamiento de los gases (Teoría Cinética Molecular de Boltzmann). Con esta interpretación no formal (“heurística”) de la luz, se ponía fin a la histórica controversia sobre la naturaleza de la Luz. Además con esas ideas “heurísticas”, Einstein, logra explicar a titulo de ejemplos, tres fenómenos adicionales.

Entre ellos los detalles del ya entonces conocido efecto fotoeléctrico; o la emisión de cargas eléctricas de ciertos materiales cuando son iluminados, explica la ionización o adquisición carga eléctrica de ciertos gases cuando incide sobre ellos luz ultravioleta; y dedujo las reglas de Stokes sobre la luminiscencia,.

Vale destacar, que ninguno de esas contribuciones formó parte de su tesis doctoral, prsesentada en abril de 1905. Inclusive se dice que una primera versión de la denominada Teoría de la Relatividad fue rechazada como posible Tesis por considerarse “muy especulativa”. El trabajo doctoral de Einstein, versó sobre un tema menos espectacular pero no menos importante: “Una nueva determinación de las dimensiones moleculares”, referida a la relación entre la viscosidad de un fluido con el tamaño de las partículas disueltas en él. Más sencillamente como se relaciona la densidad, en por ejemplo una taza de Té, con el tamaño de las partículas del azúcar que se añaden.

Se rumora que estas ideas surgieron durante las pláticas, a la hora del Té, entre Einstein y su amigo el Ing. Michele Besso. Su Tesis Doctoral fue posteriormente publicada en Annales der Physick, en Julio de 1905, bajo el título de “Sobre el movimiento que viene impuesto por la Teoría Cinética del Calor en partículas en suspensión en líquidos en reposo”. Este cuarto trabajo de aquel año 1905 ha servido para sentar los cimientos de la Teoría de difusión de partículas, cuyas aplicaciones prácticas en farmacopea y química son inauditables. Explicando además el llamado movimiento Browniano, suerte de impulso aleatorio de las partículas diluidas en un fluido, como los granos de polen en suspensión acuosa, y que fuera descrito años antes por el Botánico Robert Brown. Como se ha relatado, por estos trabajos y en particular por su aporte para la comprensión del Efecto Fotoeléctrico le valieron a Einstein el premio Nobel de Física en 1921.

Entre 1911 y 1936 tuvieron lugar en Bruselas las conferencias Solvay, con la participación de casi la totalidad de premios Nóbel de Física y Química de la época; para debatir principalmente las nuevas Teorías sobre la constitución de la materia y mas concretamente sobre, para entonces nueva; Teoría de la Mecánica Cuántica. La Teoría de la Relatividad y la Mecánica Cuántica son incompatibles entre si, en varios aspectos, por lo que resultan memorables las controversias entre Einstein y sus contemporáneos Bohr y Heisenberg durante la V y VI Conferencias Solvay. Ya es legendarias la frase de Einstein “Dios no juega a los dados en la naturaleza” para referirse a la insatisfacción de la descripción probabilística del mundo atómico defendida por Bohr o bien la declaración de Heisenberg “El determinismo, hasta hoy considerado como la base de las ciencias exactas debe ser abandonado”.

En efecto Einstein discutió tenazmente con ejemplos de situaciones físicas contradictorias (“experimentos mentales”) para mostrar las contradicciones de la Mecánica Cuántica. Incluso en una ocasión Bohr tuvo que hacer vigilia toda la noche para dar con un contraargumento al experimento metal de la Caja Fotónica de Einstein. Al término de la VI Conferencia Solvay, Einstein afirmaría “Salí derrotado pero no convencido” y también “Contemplo a la Mecánica Cuántica con admiración y suspicacia”.

Uno de los famosos experimentos mentales, lo llevaría a la publicación de un famoso artículo, en 1935, conjuntamente con B. Podolsky y N. Rosen. En esencia muestra la incompletitud de la descripción mecánico cuántico de la naturaleza, conocida luego como Paradoja Einstein-Podolsky-Rosen.

De acuerdo a la descripción cuántica, dos fermiones (por ejemplo dos electrones) ligados entre si deben tener una la propiedad de spin de signo contrario. Si mediante algún dispositivo experimental medimos uno de los electrones, determinando exactamente su valor de spin, entonces el otro electrón del par “automáticamente” de acuerdo a la Teoría, debe tener exactamente el valor contrario de spin. Surgen así dos fuertes objeciones ¿como pudo el electrón no medido, enterarse del proceso de medición que se hacia sobre su pareja? ¿esa transmisión de información como pudo ser instantánea, toda vez que la máxima velocidad de viaje de la información es la velocidad de la luz?. Y en segundo lugar, la Mecánica Cuántica dice que el valor del spin del electrón no medido es solo 50% cierto; sin embargo el valor necesario para evitar la contradicción debe ser absolutamente 100%.

Hoy día se discute si la descripción de la naturaleza, dada por la Teoría Cuántica es completa o no. Einstein y muchos físicos de la llamada escuela determinista afirman que es una Teoría incompleta, y que la descripción probabilística de los sucesos atómicos y subatómicos es debido a nuestro desconocimiento de otras variables físicas, llamadas variables ocultas. En el otro extremo esta la Escuela de Copenhague, de Heisenberg y Bohr, según la cual la naturaleza es, intrínsecamente, no determinista. Posteriormente a la publicación de la Paradoja EPR, surgieron varios tratados sobre las Variables Ocultas, von Neumann y Bell demostraron, a mediados del siglo pasado, la inexistencia de cierto tipo de variables ocultas.

Existan o no las Variables ocultas, lo que si es cierto es que no hay aun una Teoría Física que permita compatibilizar la Mecánica Cuántica, o la descripción de las interacciones atómicas y nucleares, con la Relatividad General, es decir con la descripción de la fuerza gravitacional que rige la dinámica de los astros.

Y una reflexiona sobre la analogía de las leyes físicas con la existencia individual, es posible que la misma no sea debida al azar, pero sin lugar a dudas no es determinista; porque son tantas las variables ocultas que no podemos, afortunadamente, asegurar el futuro mediato. Paradójico es la naturaleza humana, cuya seguridad va aparejada con la insatisfacción.

En plena I Guerraa Mundial, Einstein trabajaría junto a su colega Der Hass, a la sazón yerno de Lorentz, en la experimentación con giroscopios magnéticos; haciendo mediciones cuidadosas para comprender la “naturaleza del átomo paramagnético”, es decir en la caracterización de materiales que solo se imantan solo temporalmente. Efecto perceptible gracias al dispositivo diseñado y construido por ambos, De Hass y Einstein. La labor como físico experimental de Einstein no ha sido bien difundida; de hecho el mismo valoraba el trabajo experimental de forma especial, llegando incluso a afirmar que: “una teoría física es solo creída por el autor que la propone, mientras que un resultado experimental lo creen todos, excepto el propio experimentador”.

Otras de las contribuciones de Einstein en 1917 fue “Sobre la Teoría Cinética de la Radiación”, en la cual estableció la posible existencia de estadios energéticos semi estables en los electrones; de suerte tal que un fotón puede ser absorbido y posteriormente reemitido, y con ello la posibilidad de ocasionar una “reacción en cadena” e “inducir” en otros átomos la emisión de luz con la misma frecuencia y energía. Esta conceptualización sobre la radiación sentó los cimientos teóricos de la Amplificación de la Luz por la Emisión Estimulada de Radiación (LASER). Si bien es cierto que para la conceptualización completa y la implementación material del LASER y fue debida a Townes en 1954.

Posteriormente Einstein (1936) se ocupó del problema de la formación de imágenes estelares dobles (espejo gravitacional, según la denominación inicial del propio Einstein), sin embargo esta especulación teórica se considera una prueba adicional de la Teoría General de la Relatividad luego de que Walsh y Weymann (1979) descubrieran la primera imagen doble de una galaxia lejana. Otra predicción de la Teoría General de la Relatividad es que una masa acelerada emite ondas gravitacionales, en forma análoga a la emisión de ondas electromagnéticas por las partículas cargadas. Aun cuando o han sido medidas directamente, su determinación indirecta le valió el Premio Nóbel, en 1993, a R. Hulse y J. Taylor. Ellos estudiaron el pulsar binario PRS 1913+16, medidas acumuladas durante 17 años, demostrando que explican satisfactoriamente (con precisión de una diezmilésima) la disminución progresiva del período orbital por la emisión de ondas gravitacionales.

En 1934, recibió la carta de un colega Indio, Bose; sobre la estadística de partículas indistinguibles (hoy día conocidas como Bosones, en honor a Bose), y fruto de esa colaboración surgieron las leyes que un gas constituido por partículas idénticas como los neutrones. La descripción teórica de tal estadística difiere de la correspondiente a las partículas como los electrones (Fermiones, en la jerga especializada) y permitió explicar la súper fluidez del Helio Liquido. Y es que Helio se licua a temperaturas cercanas a cero kelvin o cero absoluto (273 Celsius por debajo del cero), y adquiere propiedades “extrañas” como la de trepar por las paredes del recipiente que lo contiene hasta derramarse por completo fuera del envase (superfluidez) y como otros materiales a esas muy bajas temperaturas se vuelven también excelentes conductores de la electricidad (superconductores).

Finalmente debe mencionarse las contribuciones de Albert Einstein en ya legendaria controversia respecto a la descripción probabilística del mundo subatómico (mas conocida como la Mecánica Cuántica) de la cual se distanció. Al punto que el la II Conferencia Solway, al discrepar con Borh acerca de la descripción probabilística de la Mecánica Cuántica le increpó con la ya famosa frase que encabeza estas líneas.

De hecho Einstein fue uno de los primeros científicos en advertir que tal descripción probabilística de la naturaleza subatómica podría deberse a la existencia de “variables ocultas” o a un conocimiento incompleto de la realidad natural; por lo cual la Mecánica Cuántica sería una Teoría incompleta. Hoy, más de cien años después del memorable Annus Mirabilis de 1905, las ideas de Albert Einstein en torno al mundo Físico y la naturaleza, nos siguen pareciendo sorprendentes, al igual que su personalidad contestaría y carismática, a despecho de los iconoclastas de la ciencia..