Este año se torna súper interesante, ya que podemos ubicar un centenario muy particular, precisamente 1905 marca un parteaguas en la vida del físico universal.

Albert Einstein, en un momento determinado de su vida se vio ante la necesidad de laborar en un puesto alejado de su preocupaciòn científica en la oficina suiza de patentes en Bern, ésta requirió la atención cuidadosa de Einstein, pero no desaprovechó el tiempo, ya que mientras allí estaba empleado (1902-09), completó un rango asombroso de publicaciones en física teórica.

La mayor parte de estos textos fueron escritos en su tiempo libre y sin el beneficio de cierto contacto con la literatura científica. Einstein, sin embargo se dio a la tarea de someter uno de sus trabajos científicos a la Universidad de Zurich para obtener su grado doctoral en 1905. En 1908 le envió un segundo trabajo a la Universidad de Bern y llegó a ser docente exclusivo, o conferencista. El año próximo Einstein recibió un nombramiento como profesor asociado de física en la Universidad de Zurich.

Rápidamente obtuvo propuestas como profesor en la Universidad alemana de Praga y en el Politécnico de Zurich, ya que en 1909 Einstein fue reconocido por la Europa de habla alemana como el principal pensador científico, sin embargo tuvieron que pasar varios años para que volverse famoso en el mundoentero...

En 1914 se colocó en uno de los puestos más prestigiosos y de mejor paga que un físico teórico podría tener en la Europa céntrica: profesor en el Kaiser-Wilhelm Gesellschaft en Berlín.

Einstein quedó en el cuerpo de profesor de Berlín hasta 1933, de este tiempo hasta su muerte (1955) tuvo una posición de investigación en el Instituto para Estudios Avanzados en Princeton, N.J.

Los Papeles de 1905:

En los primeros de tres papeles seminales publicados en 1905, Einstein examinó el fenómeno descubierto por Max Planck, de que la energía electromagnética parecía ser emitida por objetos radiantes en cantidades que fueron decisivamente discretas. Las energías de estas cantidades --la llamada luz-quanta cuanto -- estaba directamente proporcional a la frecuencia de la radiación. Esta circunstancia era confusa para muchos, porque la teoría clásica del electromagnetismo, basada en las ecuaciones de Maxwell y las leyes de la termodinámica, había asumido en forma hipotética que la energía electromagnética consistía de ondas propagadas, de forma sencilla les diré como lo explica el Dr. Hacyan: se pensaba que la luz es una onda o vibración en un medio hipotético: el eter

Einstein uso la hipótesis del quántum cuanto de Planck para describir la radiación visible electromagnética, o luz. Según el punto de vista heurístico de Einstein, se puede imaginar que la luz consta de bultos ó paquetes discretos de radiación. Einstein usó esta interpretación para explicar el efecto fotoeléctrico, ciertamente los metales emiten electrones cuando son iluminados por la luz con una frecuencia dada. La teoría de Einstein, y su elaboración subsecuente, formó mucho de base para lo que hoy es la Mecánica Cuántica.

El segundo de los papeles de 1905 de Einstein propuso lo qué hoy se llama la teoría especial de la relatividad es el cuarto articulo de ese año. Al tiempo que Einstein supo que de acuerdo con la teoría de los electrones de Hendrik Antoon Lorentz, la masa de un electrón se incrementa cuando la velocidad del electrón se acerca a la velocidad de la luz. Einstein se dio cuenta de que las ecuaciones que describen el movimiento de un electrón de hecho podrían describir el movimiento no acelerado de cualquier partícula o cualquier cuerpo rígido definido. Basó su nueva kinemática cinemática a una nueva reinterpretación del principio clásico de la relatividad --que las leyes de la física tenían que tener la misma forma en cualquier marco de referencia. Como una segunda hipótesis fundamental, Einstein asumió que la rapidez de la luz queda constante en todos los marcos de referencia. Einstein abandonó la hipótesis del Eter, porque no jugó ningún papel en su cinemática o en su reinterpretación de la teoría de electrones de Lorentz. Como una consecuencia de su teoría Einstein recobró el fenómeno de la dilatación del tiempo, en que el tiempo, análogo a la longitud y masa, es una función de la velocidad y de un marco de referencia. Más tarde en 1905, Einstein elaboró cómo, en una manera de hablar, masa y energía son equivalentes. Einstein no fue el primero proponer a todo los elementos que están en la teoría especial de relatividad; su contribución queda en haber unificado partes importantes de mecánica clásicas y electrodinámica de Maxwell.

Los terceros de los papeles seminales de Einstein de 1905 son los articulos 2, 3 y 6 de ese año concerniente a la estadística mecánica, un campo de estudio elaborado, entre otros por, Ludwig Boltzmann y Josiah Willard Gibbs. Sin premeditación de las contribuciones de Gibbs, Einstein extendió el trabajo de Boltzmann y calculó la trayectoria media de una partícula microscópica por colisiones al azar con moléculas en un fluido o en un gas. Einstein observó que sus cálculos podrían explicar el Movimiento Browniano, el aparente movimiento errático del polen en fluidos, que habían notado el botánico británico Robert Brown. El papel de Einstein proveyó evidencia convincente por la existencia física del tamaño-átomo moléculas, que ya habían recibido discusión muy teórica. Sus resultados fueron independientemente descubiertos por el físico polaco Marian von Smoluchowski y más tarde elaborados por el físico francés Jean Perrin.

La Teoría General de la Relatividad:

Después de 1905, Einstein continúo trabajando en un total de tres de las áreas precedentes. Hizo contribuciones importantes a la teoría del quántum cuanto, pero en aumento buscó extender la teoría especial de la relatividad al fenómeno que envuelve la aceleración. La clave a una elaboración emergió en 1907 con el principio de equivalencia, en la cual la aceleración gravitacional fue priori indistinguible de la aceleración causada por las fuerzas mecánicas; la masa gravitacional fue por tanto idéntica a la masa inercial. Einstein elevó esta identidad, que está implícita en el trabajo de Isaac Newton, a un principio que intenta explicar tanto electromagnetismo como aceleración gravitacional según un conjunto de leyes físicas. En 1907 propuso que si la masa era equivalente a la energía, entonces el principio de equivalencia requería que esa masa gravitacional actuara recíprocamente con la masa de la radiación electromagnética, la cual incluye a la luz. Para 1911 Einstein podía hacer predicciones preliminares acerca de cómo un rayo de luz de una estrella distante, pasando cerca al Sol, parecía ser atraída, con inclinación ligera, en la dirección de la masa de la Sol. Al mismo tiempo, luz radiada del Sol actuaría recíprocamente con la masa del mismo, da por resultado un ligero cambio hacia el fin del infrarrojo del espectro óptico del Sol. Einstein también supo que cualquier teoría nueva de gravitación tendría que considerarse en el movimiento del perihelio del Mercurio planetario, esto fue en 1915.

Aproximadamente por 1912, Einstein empezó una nueva fase de su investigación gravitacional, con la ayuda de su amigo matemático Marcel Grossmann, con relación a su trabajo en cuanto al cálculo del tensor de Tullio Levi-Civita y Gregorio Ricci-Curbastro, sin embargo es bueno recordar lo que señalara el Dr. Shahen en algunso de sus trabajos al respecto, él nos dice que lo fundamental es la geometría de Riemann.

Sin duda, el cálculo del tensor facilitó mediciones de cuarta-dimensión- espacio-tiempo, una noción que Einstein había obtenido de la elaboración matemática de Hermann Minkowski en 1907 de la teoría especial de Einstein sobre relatividad. Einstein llamó a su nuevo trabajo la teoría general de la relatividad. Después de varias salidas falsas publicó (tarde 1915) la forma definitiva de la teoría general. En dicho material las ecuaciones del campo gravitacional eran covariantes; esto es, similar a las ecuaciones de Maxwell, el campo de ecuaciones tomo la misma forma en todos los marcos de equivalencia. El campo de ecuaciones covariantes le permitió observar el movimiento del perihelio del planeta Mercurio. Esto ha permitido que la relatividad general de Einstein se haya verificado numerosas veces en los pasados 60 años.

La complejidad del universo cuántico:

Resulta interesante poder desentrañar lo que los físicos de otras partes del mundo han dicho y expreado acerca de la teoría de Einstein sobre todo dando relevancia a la mecánica cuántica, como por ejemplo: Luis Navarro Veguillas en la revista cientìfica Scientific American, que nosdice:

“Einstein consideró revolucionarias algunas de sus ideas sobre la física cuántica, un calificativo que no empleó en ninguna otra ocasión, ni siquiera el referirse a la teoría de la relatividad, osadía que le haría caer en más de una ocasión en el desencanto pleno”.

Por su parte, vemos en uno de los trabajos del físico teórico Shahen Hacyan, intitulado “Del mundo cuántico al universo en expansión”, la forma como refiere a las dos teorías pilares de la física moderna, la relatividad y la mecánica cuántica, por cierto, es importante resaltar que a principios de este año el Dr. Hacyan ha viajado desde la ciudad de México hacia París en Francia, con motivo de la celebración de ese centenario tan especial en el cual se conmemora este momento histórico y único:

Dr. Shahen, por qué resulta tan importante el estudio de la física para explicar las fuerzas naturales?

Para explicar las fuerzas de la naturaleza, los físicos inventaron un nuevo concepto, el campo que resultó ser de enorme utilidad para describir los fenómenos físicos. Partículas y campos resultaron ser dos facetas inseparables de una misma realidad

¿En qué momento entramos al concepto de campo?

Cuando se quiere estudiar la interacción a distancia entre dos cuerpos, por ejemplo, la gravedad o la fuerza eléctrica. Este ya era un problema importante de la física clásica. El concepto de campo se vuelve mucho más complicado a nivel de átomos. Ahí rige la física cuántica y la intuición básica con la cual hemos convivido se esfuma: Sólo quedan partículas y campos cuánticos.

En el mundo hay vibraciones cuánticas y en ellas habitan las partículas, explíquenos un poco la complejidad de todo esto:

Ciertamente el espacio está lleno de campos gravitacionales, electromagnéticos que vibran y sostienen fluctuaciones similares a las olas del agua. Las vibraciones de los campos cuánticos también se pueden interpretar como partículas: hay que recordar que en el mundo cuántico hay una dualidad entre ondas y partículas. Por otra parte, los campos cuánticos no pueden estar en absoluto reposo, siempre están fluctuando y es una de las particularidades del mundo cuántico.

El principio de incertidumbre impone retos muy específicos, ¿de qué forma influye en este terreno que posibilitó Albert Einstein y en la cual influyeron las reflexiones de otros físicos?

Heinsenberg, establece en el principio de incertidumbre que, por ejemplo, la posición y la velocidad de una partícula no puede medirse independientemente y que la precisión de una disminuye la de la otra. En el límite, esto implica que si medimos con absoluta precisión la velocidad de una partícula, su posición pierde realidad física ya que podría estar en todas partes del universo. En la práctica, la velocidad de una partícula nunca puede ser estrictamente cero.

Estas son algunas de las disertaciones elementales que todos los físicos de nuestro tiempo conocen y aprecian de forma especial, sin duda hay quienes se han dado a la tarea de poner en tela de juicio estas teorías… Asunto del cual no hablaré en ese material, al respecto hago referencia en mis comentarios en su artìculo sobre teoría de cuerdas, donde entrevistó usted al Dr. Héctor García Compeán, precisamente en esta secciòn de Reflexiones de Casanchi.

Como testimonio de la posición última de Einstein, Navarro Veguillas expone en Scientific American frases extraídas de la autobiografía científica del físico alemán, es muy ilustrativo y espero les agrade dicho material fue escrito con motivo de su septuagésimo aniversario natal, en el año de 1949:

“Mi opinión es que la actual teoría cuántica, con ciertos conceptos básicos fijos, que en esencia están tomados de la mecánica clásica, representan una formulación óptima de las conexiones (sic). Creo sin embargo que esta teoría no ofrece un punto de partida útil para el futuro desarrollo. Este es el punto en que mis expectativas difieren de las de la mayoría de los físicos contemporáneos… Ante todo creen que el carácter aparentemente discontinuo de los procesos elementales sólo pueden representarse mediante una teoría en esencia estadística”

Había sin duda desencanto en torno a los acontecimientos que se desataron al margen de la teoría cuántica, el mismo Veguillas nos lleva de la mano en el recuerdo histórico de estos acontecimientos cuando nos acerca al 5° Congreso Solvay en Brúselas, durante el año 1927, esta es la contestación de Einstein cuatro meses antes del evento:

““… Después de mucha reflexión en torno al sí y al no, llegué al convencimiento de que no soy capaz para hacer tal informe de una forma que realmente corresponda al estado de cosas actual, no he podido participar en el desarrollo moderno de la teoría cuántica, tan interesante como hubiera sido para este propósito, esto se debe a que tengo muy escaso talento receptivo para seguir por completo los tormentosos desarrollos recientes, también por que no apruebo la forma de pensar puramente estadística sobre la que están basadas las nuevas teorías… Le ruego que no se disguste por ello conmigo, no lo tome a la ligera, realmente probé con todas mis fuerzas”

Participantes al Primer Congreso Solvay, Bruselas, 1911.

Ahora conveniente es hablar un poco de relatividad general, otro de los puntos torales en las investigaciones que hasta la fecha forman parte de los estudios de física aplicada y teórica:

Corría el año de 1917 1915 y presto el maestro Eisntein se disponía a conciliar su nueva teoría de la gravedad con la de la relatividad general, asunto que no fue fácil con las limitaciones que se contaban en aquella época. Bajo la premisa de que el universo debería ser estático, sin expandirse, tampoco contraerse, resultaba que las ecuaciones gravitacionales no cumplían con las expectativas de dicha teoría… En este punto el Dr. Shahen Hacyan puntualiza lo siguiente: A menos de introducir en las ecuaciones de la teoría un término adicional, la constante cosmológica, que equivale físicamente a una repulsión gravitatoria a escala cósmica.

Doce años más tarde fue Edwin Hubble, descubrió que el universo distaba de ser estático, por lo cual el propio Einstein tuvo que admitir que en busca de adecuar sus investigaciones el emplear el subterfugio cosmológico, cometió una de los más grandes disparates.

Pero esto no evito que ahora se utilice el termino para hablar de la constante cosmológica y es parte fundamental de las teorías del siglo XXI, que desempeña una función central en la física.

Al respecto de la expansión del universo, nos adentramos de nueva cuenta en los estudios del Dr. Shahen Hacyan:

“La longitud de onda de una línea espectral, cambia sí la fuente emisora de la luz está en movimiento. Este fenómeno, conocido como efecto Doppler, ocurre tanto para una onda sonora, como para una luminosa… Así es cómo los astrónomos han podido determinar que el universo está en expansión”

¿Podría explicarme un poco esto con un ejemplo?

Simplemente al escuchar el sonido de una sirena, notamos que esta es más aguda, mientras la tenemos más cerca, su sonido es más grave al distanciarse, por tanto la onda sonora, en esta caso, pero puede ser luminosa, se alarga y acorta de acuerdo a la posición del emisor.

En tal sentido recuerdo la cita de Lawrence M. Krauss y Michael S. Turner, cuando reflexionan respecto a esto de la expansión en términos cosmológicos:

“Un universo solitario podría ser nuestro destino, si la expansión cósmica sigue acelerándose, impelida quizá por la constante cosmológica, el universo observable, crece a la velocidad de la luz, a medida que la expansión se acelera, se observan menos cúmulos de galaxias”

¿Qué otras reflexiones podría señalarnos de todo esto?

Bueno, el hecho de que el universo esté en expansión indica que desde cualquier galaxia se ve a las otras alejándose, algunas veces se hace la analogía con un globo que se está inflando, sí se pintan puntos sobre el globo la distancia entre cada uno de ellos aumenta y, la velocidad de separación entre dos puntos es mayor cuanto mayor es la distancia entre ellos. En el caso de las galaxias, sin duda la separación aumenta en proporción con la distancia, lo cual se expresa con la ecuación siguiente:

V = H x R.

¿Qué significado tiene esta ecuación?

V es la velocidad de una galaxia, R su distancia y H la constante de Hubble, a la cual ya se ha referido con antelación en este artículo.

Dr. Shahen, la mayoría de las personas recordamos a Hubble como un gran espejo que observa el cielo, asunto que es noticia diaria, como la referencia del 6 de enero del año en curso en los medios de información que decía:

“Con la agencia aeroespacial estadounidense NASA, valorado en 154 millones de dólares, para ayudar a rescatar al telescopio espacial Hubble, un robot canadiense reparará al telescopio”.

¿Podría abundar respecto a la constante de Hubble?

Las mediciones astronómicas más recientes han permitido determinar la constante de Hubble con bastante precisión. La consecuencia más importante de que el universo esté en expansión es que tuvo un nacimiento con densidad de energía y temperatura prácticamente infinita, este concepto de concentración infinita, da como resultado la teoría de la Gran Explosión.

¿De cuantos años me está hablando, nosotros los seres terrícolas somos nuevos en este amplio y vasto universo, no es así?

De acuerdo con los datos más recientes, la edad del universo debe estar alrededor de 13 mil millones de años, época en que el universo debió estar a una densidad prácticamente infinita.

Sin duda la teoría de la relatividad general llegó a convertirse en un punto básico, en el soporte teórico de la cosmología, ya que Einstein postuló que el espacio es en gran escala curvo como la superficie de una esfera, por tanto es finito, pero sin fronteras y es posible darle la vuelta viajando siempre en línea recta. Pero los datos modernos parecen indicar que es plano, aunque en expansión.

Pero esto recrea un universo estático, ¿como digerir tal postura?

Einstein lo resolvió con la repulsión gravitacional a escala cósmica, lo cual le da equilibrio al universo, para muchos parecía un truco matemático, más que una propiedad física real y como ya decía en este trabajo Eisntein estaba insatisfecho…

Todo esto es muy interesante, Dr. Hacyan, ya que puedo percibir con claridad la forma como se dan las investigaciones, no se pueden aislar son parte de un todo en la convivencia diaria entre los colegas que estudian diversas posturas y eso sin duda es fascinante.

Así es podemos recordar ahora que el físico ruso Alexander A. Fridman, estudió las ecuaciones de la relatividad general, con y sin el termino de la constante cosmológica y encontró que la distancia entre dos galaxias aumenta con el tiempo y la velocidad de separación es proporcional a la distancia entre ellas.

¿Pero que pasó con el paso rotundo de Hubble?

Einstein no le dio, al igual que sus colaboradores importancia a Fridman, el detalle es que Hubble en 1929 encuentra que el universo está efectivamente en expansión, con lo cual los físicos se convencen de que los modelos de Fridman son adecuados para describir el comportamiento a gran escala del universo, Georges Lemaître fue uno de los seguidores de esta postura, al igual que muchos otros cosmólogos, Lemaître fue uno de los fundadores de la teoría de la gran explosión.

El universo se halla en expansión, se concluye que en el pasado era más compacto. Hace trece mil millones de años, todo el Universo se hallaba concentrado a alta densidad y temperatura.

En conclusión podemos señalar que la teoría de la relatividad que envuelve la magia de este 2005, cuando recordamos el centenario del físico de origen alemán Albert Eisntein, nos hace meditar que junto a la mecánica cuántica, dieron por resultado el descubrimiento más apasionante de la vida en el universo, hablar de 15 o 20 mil millones de años, es inalcanzable para nuestro entendimiento, pero forma parte de un todo en el cual habitamos, vemos sin embargo, como el admirable y respetado Einstein repudió un detalle de su propia teoría, la cual paradójicamente representa una misteriosa forma de energía que da carácter asombroso al espacio como un hábitat vacío y en cuyo esfuerzo futuro para entender el universo y su concepción final parte precisamente de el camino que nos mostró Einstein.

Referencias bibliográficas:

- Revista Scientific American “Lo que le debemos a Einstein”
- Palabras del físico Luis Navarro Veguillas, Doctor en ciencias Físicas y titular de la Historia de la Ciencia en la Universidad de Barcelona.
- Libro del Dr. Shahen Hacyan; “Del mundo cuántico al universo en expansión”, editorial del Fondo de Cultura Económica, La ciencia para todos N° 129.

Ariadne GALLARDO FIGUEROA
ariadne.gallardo@yahoo.com
29 enero 2005