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1 de Noviembre de 2015
Reseña

Einstein

Primeras reflexiones sobre la relatividad.

ALBERT EINSTEIN. VOLUME 14. THE BERLIN YEARS: WRITINGS & CORRESPONDENCE, APRIL 1923-MAY 1925.
Dirigido por Diana Kormos Buchwald, József Illy, Ze’ev Rosenkranz, Tilman Sauer y Osik Moses. Princeton University Press, Princeton, 2015.

El siglo XX fue testigo privilegiado de las dos revoluciones más importantes que haya conocido la explicación física del mundo: la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica. Solo una mente excepcional pudo percatarse de la constitución profunda de la naturaleza y poner cimientos roqueños de ambas. Aconteció en el año 1905. En el legado se incluían nociones de espacio y tiempo, de materia y energía, que disuenan con nuestra experiencia diaria.

A los dieciséis años, Einstein soñaba ya con cazar la luz. Razonaba que, si corría más deprisa que ella, la luz se le ofrecería como un patrón ondulatorio de campos eléctricos y magnéticos congelados en el tiempo; pero algo así no presentaba visos de existir. Diez años más tarde, el sueño tomó cuerpo en la teoría especial de la relatividad, que prohíbe captar la luz, supera la concepción clásica de espacio y tiempo y echa los cimientos de la física moderna.

Entre marzo y septiembre de 1905, Einstein escribió cinco artículos en Annalen der Physik que ejercieron una influencia determinante en la física posterior. A partir de consideraciones entrópicas, argumentaba que la luz constaba de cuantos; disertaba sobre la determinación de las dimensiones moleculares; expuso su teoría del movimiento browniano; avanzó la teoría de la relatividad especial e introdujo la derivación de m = E/c2.

El movimiento browniano, descubierto en 1828, remite al movimiento aleatorio de partículas en suspensión. Los cálculos de Einstein aportaron la prueba más directa y el fenómeno fue confirmado experimentalmente en 1908 por Perrin. Einstein abordó el efecto fotoeléctrico a través de la naturaleza de la radiación electromagnética en el contexto de las ecuaciones de Maxwell. Supuso que la energía lumínica se transmitía en paquetes discretos, los cuantos de Planck. En 1905, los físicos creían que el espacio constituía un gran marco en el que se desarrollaba el relato del universo y que el tiempo unía a todos los actores en un mismo compás. Al negar todo ello, la relatividad especial sustituía un espacio y un tiempo entendidos como entidades distintas en una sola entidad, el espaciotiempo. Combinada con la mecánica cuántica, la teoría especial de la relatividad ayudaba a explicar la estabilidad de la materia (requiere incluso la existencia de antimateria).

Einstein fue aplaudido como el nuevo Copérnico. Si el astrónomo polaco nos sacó del centro del universo para alojarnos en la periferia, Einstein revolucionó nuestros conceptos de espacio y tiempo. Pasaron más de cien años hasta que la idea de Copérnico de un universo centrado en el Sol calara en la cultura general. No hemos de extrañarnos, pues, de que las nociones einsteinianas de espacio y tiempo no acaben de integrarse en nuestra manera habitual de pensar. Seguimos viviendo en un mundo newtoniano. Percibimos todavía el espacio como una suerte de cuadro en cuyo interior vivimos y nos movemos.

El concepto fundamental de la relatividad de Einstein era que los observadores en movimiento podían considerarse a sí mismos en reposo. Primero exploró esa noción en el caso del movimiento uniforme. Los observadores que se mueven en línea recta a velocidad constante se someterán a las mismas leyes de la física. Los observadores en movimiento relativo no estarán de acuerdo en la simultaneidad de los acontecimientos; discreparán a propósito de la longitud de los objetos en la dirección de movimiento y sobre las velocidades de los relojes. Nada puede moverse más deprisa que la velocidad de la luz. Energía y masa son equivalentes. La materia es energía hecha manifiesta.

Cinco años después de que escribiera su primer artículo sobre la relatividad, los astrónomos comenzaron a debatir las implicaciones de la misma en la gravitación y en la mecánica newtoniana. En 1911, Einstein publicó nuevos cálculos, basados en el principio de equivalencia, prediciendo ciertos efectos astronómicos mensurables. Los tests de tales predicciones se apoyaban en técnicas refinadas de fotografía astronómica y espectrografía.

Einstein extendió su principio de relatividad a movimientos acelerados y terminó con una teoría de la gravitación radicalmente diferente de la propuesta por Newton. La energía-masa distorsiona el espaciotiempo. Los planetas se mueven en órbitas a lo largo de trayectorias curvas bajo la influencia de cualquier fuerza. Einstein publicó su teoría general de la relatividad en 1915, en los días negros de la Primera Guerra Mundial. Contenía tres predicciones, todas ellas de carácter astronómico. Una explicaba con nitidez la anomalía persistente de la órbita medida de Mercurio. Las otras dos eran el corrimiento al rojo de líneas espectrales emitidas por grandes cuerpos gravitantes y la desviación de la trayectoria de la luz en un campo gravitatorio, que se dejaba observar como un desplazamiento centrífugo de las estrellas en la vecindad del Sol en eclipse. Muy pronto los astrónomos verificaron la predicción de la desviación de la luz. Su anuncio catapultó a Einstein y su teoría a la cúspide de la fama mundial. En pocos años, los astrónomos mostraron que el tercer efecto existía en el Sol.

En 1921 le concedieron el Nobel de física por el trabajo de 1905 «Sobre un punto de vista heurístico concerniente a la producción y transformación de la luz», el efecto fotoeléctrico, donde cuestionaba la teoría ondulatoria de la luz y sugería que podía entenderse también como un conjunto de partículas, lo que abría las puertas al mundo de la física cuántica. La fama internacional de Einstein realzó la valoración de la ciencia alemana. Deliberadamente aprovecha su popularidad para difundir causas políticas (sionistas) y promover el conocimiento científico, que él reputa inextricablemente unidos, como en el caso de la fundación de la Universidad Hebrea de Jerusalén. La política, razona, no debe inmiscuirse en asuntos de la ciencia, ni los individuos son responsables de la acción del Estado.

Las epístolas reflejan el estado de la ciencia. Repárese en su relación con Hermann Weyl o con Hendrik A. Lorentz. Al primero le envía las pruebas del artículo sobre la función hamiltoniana generalizada, ponderando la versión que da. Con motivo del septuagésimo cumpleaños del segundo le escribe (15 julio de 1923): «Me encuentro profundamente vinculado a usted, mi maestro en asuntos de ciencia, cuyos pasos he seguido y conducen al factor más importante de mi vida. Y no solo en ciencia, sino también en asuntos humanos, en los que usted es un modelo ideal».

Pero el volumen incluye, entre otros ensayos, la conferencia sobre «Ideas y problemas fundamentales de la teoría de la relatividad», dictada en julio de 1923 en Gotenburgo, una primera valoración de sus ideas innovadoras. El desarrollo entero de la teoría, afirma, gira en torno a la cuestión de si existen o no en la naturaleza dos estados de movimiento físicamente distintos. Otro tema clave es el postulado de realidad de conceptos y distinciones.

Ambos aspectos nos resultan cristalinos si los aplicamos a un caso particular: la mecánica clásica. En primer lugar, observamos que, en cada punto ocupado por materia, existe un estadio privilegiado de movimiento, a saber, el movimiento de la materia en el punto observado. Pero el problema empieza con la cuestión de si existen estados de movimiento físicamente preferidos con respecto a regiones extensas. Para Einstein solo podemos pensar en el movimiento como movimiento relativo entre cuerpos. En mecánica, cuando uno habla de movimiento per se, está hablando de movimiento con respecto a un sistema de coordenadas. Esta interpretación no se ajusta al postulado de realidad, aun cuando el sistema de coordenadas se considere un mero constructo mental. En física experimental, el sistema de coordenadas corresponde siempre a un cuerpo rígido. Se parte, además, del supuesto de que tales cuerpos rígidos permiten ser orientados al resto de los cuerpos, como los cuerpos de la geometría euclídea.

La teoría especial de la relatividad es una adaptación de los fundamentos de la física a la electrodinámica de Maxwell-Lorentz. De la física que le precedió toma la idea de validez de la geometría euclídea para las posiciones posibles de cuerpos rígidos, el marco inercial y la ley de inercia. Da por válido, para la física entera, el principio de equivalencia de los marcos inerciales en la formulación de las leyes de la naturaleza (principio de relatividad especial). De la electrodinámica de Maxwell y Lorentz toma el postulado de la constancia de la velocidad de la luz en un vacío (principio de luz).

Las leyes de transformación para las coordenadas de espacio y de tiempo para la transición de un marco inercial a otro, las así llamadas transformaciones de Lorentz, vienen inequívocamente determinadas por esas definiciones y las hipótesis inherentes en el supuesto de que se encuentren libres de contradicción. El contenido físico inmediato de estas transformaciones descansa en el efecto del movimiento en relación con el marco inercial utilizado en forma de cuerpo rígido (contracción de Lorentz) y descansa también sobre la velocidad de los relojes. De acuerdo con el principio especial de la relatividad, las leyes de la naturaleza han de ser covariantes con respecto a las transformaciones de Lorentz; la teoría aporta, pues, un criterio para las leyes generales de la naturaleza. En particular, conduce a una modificación de la ley newtoniana del movimiento de un punto, en la que la velocidad de la luz en el vacío figura como velocidad limitante; y conduce a la idea de una igualdad esencial entre energía y masa inercial.

La teoría especial de la relatividad comportó avances sustanciales. Reconcilió la mecánica con la electrodinámica. Redujo el número de hipótesis de esta última mutuamente independientes. Potenció el esclarecimiento epistemológico de los conceptos fundamentales. Unificó las leyes del momento y de la conservación de la energía. Demostró la unidad esencial de masa y energía. Con todo, no resulta plenamente satisfactoria, aparte de los problemas cuánticos.

Newton reconocía ya que la ley de inercia era insatisfactoria. A los cuerpos materiales observables los hacía responsables del comportamiento gravitatorio de un punto material, pero no señalaba ninguna causa material del comportamiento inercial del punto material, sino que ofrecía solo una causa ficticia de ello. Eso no era lógicamente recusable, pero resultaba insatisfactorio. Por ese motivo, Mach reclamaba una modificación de la ley de inercia, de suerte que la inercia se concibiera como resistencia a la aceleración por cuerpos entre sí y no frente a un espacio. Esta interpretación comporta la esperanza de que los cuerpos acelerados posean una acción acelerada concordante sobre otros cuerpos (inducción de aceleración). La relatividad general elimina la separación entre efectos inerciales y efectos gravitatorios.

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