Einstein (suficientemente) aclarado
Si eres la clase de persona a la que le brillan los ojos al oír mencionar a Albert Einstein o E=mc2, entonces este es tu capítulo einsteniano. Vas a escuchar dos historias interesantes —una ahora mismo, y para la otra tendrás que terminar de leer el capítulo. En el proceso, te presentaré los datos necesarios sobre Einstein para que entiendas por qué está considerado como una de las mejores mentes científicas que el mundo jamás haya conocido.
«Lo importante es no parar de hacer preguntas».
Albert Einstein
Y en caso de que necesites un poco más de incentivo, has de saber que aunque no nos pasamos el día pensando en la teoría de la relatividad de Einstein o en el movimiento browniano, Einstein está con nosotros todos los días debido al vasto número de inventos tecnológicos que hizo posibles —desde los navegadores GPS hasta la tecnología láser. Su trabajo puso los cimientos para la invención de los ordenadores, las imágenes de televisión más nítidas, los CD, DVD y muchas otras cosas más. Nuestras cámaras digitales también se las debemos a Einstein. Contienen pequeños sensores que convierten la luz en electricidad, y esto es posible gracias a Einstein y a su trabajo con los efectos fotoeléctricos. (Véase más adelante). ¡Merece la pena que sigas leyendo!
Albert Einstein con su prima y segunda esposa Elsa Loewenthal. (Library of Congress)
La primera historia sobre Einstein va dedicada a todos aquellos que lo han pasado mal en el colegio, y a todos los padres preocupados por si sus hijos son capaces de salir adelante.
El niño que crecería para ser ampliamente reconocido como el mayor científico del siglo XX, comenzó a hablar tarde y se le consideró un lento aprendiz. Se cuenta que hasta que no tuvo siete años decía para sí mismo las frases antes de pronunciarlas en voz alta. Aunque ojeaba los libros de matemáticas y ciencias en casa y sus notas eran buenas, sus profesores no lo encontraron un estudiante destacado.
Cuando Einstein era adolescente, sus padres se vieron obligados a ir a Milán en busca de trabajo, y lo ingresaron en un internado para que completara su gymnasium (lo que hoy en día sería el bachillerato). Sin decírselo a sus padres, abandonó los estudios un año y medio antes; aunque finalmente recibió su merecido al tener que presentarse a un examen de calificación para acceder al Instituto Federal de Tecnología de Zurich. Einstein sobresalió en la parte de matemáticas y ciencias pero suspendió en la sección de letras. Podemos imaginarnos la frustración familiar y la preocupación de sus padres cuando tuvieron que enviarlo a Aarau, Suiza, para que acabara el bachillerato (1896). En esta época —a los dieciséis años— Einstein renunció a su ciudadanía alemana porque se negó a realizar el servicio militar, tal y como requería la ley.
Incluso tras graduarse, la vida de Einstein avanzó a trompicones, y al principio fue incapaz de encontrar trabajo. Dos compañeros de graduación pudieron conseguir puestos de profesores, pero nadie estaba interesado en contratar a Einstein. Finalmente el padre de un compañero de clase le ayudó a conseguir trabajo como examinador técnico ayudante en la Oficina de Patentes Suiza. Aunque pudo mantener el empleo, en 1903 le negaron un aumento hasta que «dominase completamente la tecnología de las máquinas».
Más tarde, Einstein no se centró en sus contratiempos pasados. Dicen que recordaba dos hechos importantes de su educación. La primera es una lección de buena paternidad: los padres de Einstein le estimulaban con aquello que captaba su interés. El padre de Einsten, un antiguo vendedor de plumas para camas que más tarde dirigió una fábrica electroquímica, le regaló una brújula que consiguió dejarlo totalmente absorto con cinco años. Le fascinaba que algo en un espacio «vacío» hiciese reaccionar a la brújula. La madre de Einstein le dio otro regalo durante estos años: le animó a que tocara el violín, una afición que Einstein persiguió toda su vida.
Y, en lo que podría interpretarse como un mensaje contra agobiar a nuestros hijos, se dice que Einstein atribuyó su desarrollo de la teoría de la relatividad a su lentitud, diciendo que al pensar sobre el tiempo y el espacio más tarde que la mayoría de los niños pudo aplicar al problema un intelecto más desarrollado.
Este sería un capítulo mucho más breve si Einstein solo hubiese realizado una contribución a la ciencia. Pero a pesar de su lento comienzo en su vida académica, Einstein se aplicó a diversos misterios científicos y como consecuencia muchas fueron sus contribuciones.
Justo tras presentar su tesis doctoral en 1905, Einstein presentó cuatro artículos importantes que sentaron los pilares de la física moderna. (El año llegó a conocerse como el annus mirabilis de Einstein, o año milagroso, y su centenario fue celebrado en 2005).
A la edad de veintiséis años, Einstein escribió tres espectaculares artículos científicos sobre temas muy diferentes entre los meses de marzo a junio de 1905. Cada uno de los artículos presentaba una teoría verdaderamente revolucionaria que tumbaba un área de la ciencia. Entonces, en octubre de ese mismo año, añadió un asombroso epílogo al tercer artículo, su obra más conocida por introducir su famosa ecuación, E = mc2.
Ninguna persona ha contribuido tanto a la ciencia y en tan corto espacio desde el siglo XVII cuando Newton descubrió la gravedad, fundó la ciencia óptica e inventó el cálculo. Y con este trabajo, Einstein marcó el comienzo de la ciencia moderna. Esto es lo que este dependiente de patentes de veintiséis años presentó.
El primer artículo de Einstein trataba sobre la radiación y las propiedades energéticas de la luz. Unos años antes, el físico alemán Max Planck sugirió que la energía en un átomo se da en pequeños saltos llamados quanta. A partir de esta idea, Einstein sugirió que la luz también existía en trozos o quanta (ahora llamados fotones). Einstein encontró que podían liberarse electrones de metales cuando sobre ellos se emitía luz de alta frecuencia (ultravioleta). Esto demostraba que la luz actuaba como si estuviese compuesta de diminutas partículas y no como una onda. Si fuese una «onda de luz», el metal simplemente se calentaría por la transferencia de energía. La teoría de Einstein nació a partir de la comprensión de que la emisión de luz de un átomo no es un flujo continuo como la emisión del sonido de un instrumento musical, sino que la emisión de luz se parece más a una ráfaga de energía.
Con el tiempo la hipótesis del fotón resultó ser la clave para revelar la estructura del átomo, y el artículo se convirtió en la base de la física cuántica (el lenguaje del átomo). En 1921 ganó por ello el Premio Nobel de Física.
Entre 1916 y 1925 Einstein realizó otras contribuciones al estudio de la luz, incluyendo la idea de la emisión estimulada de radiación; un concepto que condujo al desarrollo del láser.
Durante el siglo XIX y a comienzos del XX, los científicos debatían si los átomos eran teoría o reales, y como eran demasiado pequeños como para ser vistos, los argumentos quedaron sin resolver. Einstein acabó con este debate en mayo de 1905 cuando presentó un artículo explicando el movimiento browniano. Este fenómeno toma el nombre del físico inglés Robert Brown, que en 1828 notó que los granos microscópicos de polen que flotaban en la superficie del agua se movían al azar mucho después de que el agua se hubiese quedado en reposo. Einstein se había estado preguntando sobre este fenómeno mientras trabajaba en su tesis doctoral, y comenzó a imaginar que el polen era como una bola de bolos golpeada en diversas direcciones por las moléculas de agua. Einstein explicó que las partículas se movían debido a las colisiones entre átomos —y adelantó que esto demostraba que los átomos eran reales porque causaban fenómenos «reales».
Tres años más tarde, el físico francés, Jean Perin, consiguió crear un método de medición que demostraba que Einstein estaba en lo cierto, cambiando para siempre la física, la química y la biología, pues esto condujo a la ciencia de la genética molecular.
También se demostró que Einstein tenía razón, (pero no fue hasta 1980) con el uso de microscopios de efecto túnel con los que se pueden hacer fotos de átomos individuales. (Tras el descubrimiento del átomo, los científicos comenzaron a debatir sobre si las pequeñas partículas dentro de los átomos están compuestas por partículas más pequeñas llamadas quarks, o simplemente actúan como si lo fueran. El debate se parecía a la vieja discusión sobre los átomos, aunque hoy en día se considera a los quarks reales).
En junio, poco después del artículo sobre el movimiento browniano, Einstein escribió su primer ensayo sobre la relatividad. (Unos meses antes de que Einstein finalizara su artículo, el eminente matemático francés, Henry Poincaré, publicó sobre el tema). Sobre la electrodinámica de cuerpos en movimiento era un asombroso documento en parte por las ideas que introducía pero también porque se diferenciaba en gran medida de la manera en la que se presentaban la mayoría de los estudios científicos. Einstein daba pocas referencias de lo que le había precedido o quién le había influido para desarrollar la teoría; y este artículo en particular, no tenía notas a pie de página y había poca matemática.
La teoría especial de la relatividad cambió el concepto científico del espacio y del tiempo. Einstein demostró que el tiempo era relativo a la velocidad a la que viaja el observador. Por ejemplo, imagina que vas en un coche y que estás observando a otro. Si ambos coches viajan a la misma velocidad, digamos que a 50 kilómetros por hora, entonces tu percepción del otro coche es que no se mueve, pues sigue junto a ti mientras progresas; por lo tanto, su velocidad relativa con respecto a ti es cero. Einstein demostró que si desde tu perspectiva alguien se mueve, ves que el tiempo pasa más lentamente para él que para ti. (Esto es difícil de entender porque a las velocidades comunes esta lentitud es de una parte de un trillón y es por lo tanto imperceptiblemente pequeña, pero sí resulta una gran diferencia para los científicos que estudian el universo). Einstein también teorizó que la velocidad a la que viaja la luz (que, según entendemos, es de 299 330 kilómetros por segundo) no es absoluta.
La teoría especial de la relatividad también explicaba que cuando la materia se convierte en energía, la energía puede liberarse en un patrón predecible. Esto conduce directamente a la conocida fórmula de Einstein que demuestra que la masa y la energía son intercambiables.
Cuando el artículo sobre la teoría especial de la relatividad se publicó por primera vez, la ecuación no aparecía en él. Llegó como una nota al pie en un breve artículo aparecido en octubre.
La última contribución de Einstein en 1905 fue ¿Depende la inercia de un cuerpo de su contenido energético? Este artículo introdujo la famosa ecuación de que la energía de un cuerpo en reposo (E) es igual a su masa (m) por la velocidad de la luz (c) al cuadrado. (Esta ecuación fue de hecho publicada por primera vez por Poincaré en 1900). La fórmula implica que una masa pequeña puede convertirse en una enorme cantidad de energía y viceversa.
En un artículo de opinión publicado el 30 de septiembre de 2005 en The New York Times, Brian Greene, profesor de física y matemáticas en la Universidad de Columbia y autor respetado de varios libros científicos, resaltó un hecho poco conocido sobre el artículo de septiembre de 1905. Einstein de hecho no escribió E = mc2, sino su equivalente matemático, m = E/c2, dándole mayor importancia a la creación de masa a partir de la energía que a la creación de energía a partir de la masa.
Sea la materia carbón (piensa en el calor), gasolina (piensa en un coche en marcha), o pan con canela (piensa en las calorías), la energía siempre está en ella. La ecuación matemática más famosa de la historia suministró una fórmula que demostraba que a nivel atómico, la materia y la energía podían convertirse una en la otra, y la ecuación explicaba la consecuencia de la teoría de la relatividad. (Ya que la velocidad de la luz al cuadrado es un número tan enorme, la energía es realmente altísima).
En 1905 Einstein no tenía ni idea de que la energía pudiese ser liberada o usada, y aunque no fue hasta los años 30, el trabajo de Einstein —y su ecuación— permitieron el descubrimiento de la fisión nuclear —una forma de liberar energía almacenada en el núcleo de los átomos partiéndolos en átomos más pequeños. Finalmente esto proporcionaría la metodología para obtener energía de las reacciones nucleares usando reactores nucleares y bombas atómicas.
En 1910 Einstein comenzó a enseñar, y de 1914 a 1919, fue director del Instituto Kaiser Wilhelm de Física en Berlín. A pesar de los cambios increíbles que trajo al mundo de la ciencia en 1905, Einstein aún tenía mucho que hacer. Ya que la relatividad especial tenía que ver con objetos moviéndose en línea recta a velocidades constantes, Einstein comenzó a generalizar su pensamiento para incluir los caminos curvos y objetos en aceleración.
Einstein dio a luz el concepto de la relatividad general en 1907, pero hicieron falta ocho años antes de que generase las matemáticas que lo explicaban. Cuando esto ocurrió, le dijo a un amigo: «Estaba fuera de mí por la emoción».
En 1915 dio una conferencia en la que presentó una ecuación (publicada por primera vez por el matemático alemán David Hilbert) que reemplazaba la ley de la gravedad de Newton. En la relatividad general, la gravedad no es una fuerza (como sí lo es en la ley de la gravedad de Newton) sino una consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo y tiene la capacidad de doblar la luz. La teoría general de la relatividad predecía que un rayo de luz que pase cerca de un objeto masivo (como un planeta) se combaría, y predecía también cuánto. Esta predicción fue confirmada durante un eclipse total del sol en mayo de 1919 y de nuevo por observaciones de un eclipse total en Australia en 1922.
La relatividad general predice que el tic-tac relativo de los relojes cambia dependiendo de su posición en un campo gravitatorio. Los satélites localizados sobre la tierra se mueven en un campo gravitatorio que es ligeramente más débil que el que experimentamos sobre la superficie terrestre, y como resultado sus relojes internos marchan a un ritmo diferente que en la tierra. El efecto es extremadamente pequeño, pero es este nivel de precisión el que permite que funcionen los sistemas de posicionamiento global. (Las diferencias temporales entre las señales en tu coche y las del satélite que te sigue son de una precisión de una millonésima de segundo). Por supuesto, en 1915, Einstein no trabajaba para que pudiésemos tener aparatos de posicionamiento global en nuestros coches. Su trabajo puso las bases del estudio de la cosmología, alumbró el desarrollo de la idea de que nuestro universo se creó en una gran explosión, y adelantó lo que los científicos están ahora demostrando —que nuestro universo aún está en expansión. Les dio a los científicos las herramientas necesarias para entender muchas características del universo, incluyendo una mayor comprensión de los cuásares y de los agujeros negros.
Debido a que la teoría de Einstein era una combinación de razonamiento matemático y análisis racional, en contra de la usual metodología científica de experimentación y observación, mucha gente no creyó en su idea. Entonces en 1919, un eclipse solar permitió que otro científico, Arthur Eddington, condujera mediciones que pusieron a prueba la teoría de Einstein. Midió cuánto se curvaba la luz de una estrella por la gravedad del sol cuando pasaba cerca de él (llamado lente gravitacional) y como resultado, Einstein comenzó a ser reconocido por lo que había conseguido. Sin embargo, cuando le concedieron el Premio Nobel en 1921, fue por su trabajo fotoeléctrico —más ampliamente aceptado que su trabajo sobre la relatividad. El comité del Nobel creyó que el premio debía concederse por el trabajo que estaba claramente aceptado por la comunidad científica de la época.
Es interesante resaltar que ni siquiera en los últimos años Einstein trabajó en un laboratorio, tampoco tenía personal a su cargo y nunca buscó becas de investigación. Era un pensador conceptual de lápiz y papel que resolvía todo en su cabeza. Debido a que sus conceptos eran muy avanzados, sus teorías a menudo se adelantaban a la habilidad de la ciencia para verificar su pensamiento; como resultado, pasó mucho tiempo antes de que sus ideas fueran aceptadas, incluso entre científicos.
La mayoría de los científicos son como mecánicos en un taller, y Einstein, también trabajó en la práctica, no solo teóricamente. En 1930, él y el antiguo estudiante Leo Szilard recibieron una patente por una unidad frigorífica que incluía refrigeración termodinámica que enfriaba pero no requería piezas móviles.
Cuando los Nazis llegaron al poder en 1933, Einstein supo que su tiempo en Alemania había acabado. Los Nazis hicieron esfuerzos por desacreditar sus teorías y lo acusaron de crear una «física judía». También incluían en la lista negra a cualquiera que enseñara las teorías de Einstein. Como resultado, Einstein renunció a la ciudadanía alemana y huyó a los Estados Unidos. Muchos grupos de ciudadanos en los Estados Unidos acusaron a Einstein de comunista por su creencia en un sistema socialista democrático (una combinación de economía planificada que tuviese respeto por los derechos humanos), de modo que el gobierno tenía un buen expediente sobre él. Pero como no había documentos negativos generados por el gobierno, los Estados Unidos le ofrecieron la residencia permanente.
En 1939, Einstein contactó con el Presidente Franklin Delano Roosevelt para comentarle la posibilidad de que los EE.UU. exploraran el uso de la fisión nuclear con fines militares. Einstein temía que los Nazis estuviesen trabajando sobre esta posibilidad y que fuesen los primeros en utilizar la fisión nuclear. Basándose en esto —así como en el consejo de otros— Roosevelt puso en marcha el Proyecto Manhattan que, como todos saben, condujo a la construcción de la bomba atómica. Aunque sugirió esta investigación por miedo a lo que poseían o podían hacer los alemanes, Einstein estaba en contra del uso de las armas nucleares y luchó activamente contra las pruebas y las bombas nucleares.
Poco después de llegar a los Estados Unidos, Einstein aceptó un trabajo en el recién fundado Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, New Jersey. En el Instituto de Princeton, Einstein trabajó en la unificación de las leyes de la física —se refería a su trabajo como la teoría del campo unificado. Su objetivo era simplificar (unificando) las fuerzas fundamentales del universo, pero desafortunadamente, no tuvo éxito. Hoy en día los científicos siguen trabajan en ello, pero aún ha de llegar el día en el que descubran una teoría unificada.
El Einstein de los últimos años es recordado como un hombre amable y un decente pacifista. También tenía sentido del humor. Todos hemos visto la famosa foto en la que está sacando la lengua a la cámara. Fue tomada en 1951 cuando cumplió setenta y dos años. Los fotógrafos lo habían estado persiguiendo todo el día y tras incitarle a que sonriera una vez más a la cámara, sacó la lengua.
Le gustaba navegar y tocar el violín —algo que sus padres le obligaron a aprender cuando era niño. Era el típico «profesor despistado» y se quedaba tan absorto resolviendo problemas de física que a menudo se olvidaba de su entorno.
Y por fin te has ganado la última historia: Eisntein pasó sus últimos años en Princeton llevando, aparentemente, la misma ropa todos los días. Aunque los observadores curiosos podían sospechar que dormía con la ropa puesta, de hecho tenía un armario lleno de copias del mismo traje para evitar los dilemas diarios de elegir vestuario.
El viejo Einstein a menudo deambulaba por Princeton murmurando para sí. Cuenta la leyenda que sus ayudantes, temiendo que dijese algo brillante que luego olvidase, contrataron a un estudiante para que lo siguiese a todos lados tomando notas.
Y aquí tienes una última anécdota inquietante. La enfermera que estaba con él cuando murió dijo que antes de expirar murmuró varias palabras en alemán.
A pesar del hecho de que pocos legos podían describir su trabajo, Albert Einstein era la estrella de rock de los científicos y la gente estaba fascinada con él. Charlie Chaplin una vez le dijo: «A usted le adoran porque resulta incomprensible».
Tras su muerte, sus albaceas se sintieron preocupados con que si lo enterraban, los curiosos siempre estarían creando problemas en el cementerio, de modo que dispusieron que su cuerpo fuese incinerado, y las cenizas se esparcieron en una localidad sin especificar. Todo esto habría estado muy bien si no hubiese sido porque un patólogo se llevó el cerebro para estudiarlo.
El Dr. Thomas S. Harvey, un patólogo del Hospital de Princeton realizó la autopsia y sacó el cerebro de Einstein. (Einstein dijo que no estaba en contra de que estudiaran su cerebro, pero no quería que se publicitaran los resultados). Harvey se mostró muy protector con su única «posesión», y a pesar de numerosos traslados siempre se llevó con él las muestras de cerebro. (Sin embargo, sí cumplió algunas peticiones de los investigadores).
Diez años más tarde (en la década de 1970), un editor de The New Jersey Monthly leyó sobre la existencia del cerebro de Einstein y tras realizar algunas pesquisas envió al reportero Steven Levy a escribir un artículo. Levy dio con el Dr. Harvey, que por entonces vivía en Wichita, Kansas. Levy señala que aunque Harvey se mostró muy reticente al principio de la entrevista, antes de que Levy se marchara, Harvey fue hasta un armario de su despacho, sacó una caja de cartón en la que se leía «Costa Cider» y reveló dos frascos con secciones del cerebro de Einstein.
En 1996 Harvey finalmente llevó los trozos restantes de vuelta al Hospital de Princeton.
Así que, ¿es diferente el cerebro de Einstein al tuyo o al mío? Recientemente unos investigadores canadienses han tenido acceso al cerebro recuperado y han encontrado que tenía un lóbulo parietal inferior inusualmente grande —es el centro del pensamiento matemático y de las imágenes espaciales— y conexiones más cortas entre los lóbulos frontales y temporales.
«Solo aquellos que se dedican a una causa en cuerpo y alma pueden ser verdaderos maestros».
Albert Einstein
Percival Lowell (1855-1916) estaba convencido de que existían canales de origen artificial en Marte. (Library of Congress)