Sobre el impacto de los trabajos de Einstein en la actualidad

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Tal vez lo más destacado del trabajo de Einstein en 1905 no es la dificultad matemática de sus teorías, ni tampoco la solidez experimental de los argumentos que planteó, sino más bien la elegancia y audacia de sus ideas, unidas a una excepcional intuición física. Según Gerard´t Hooft, premio Nobel de Física por sus contribuciones a la teoría cuántica, ningún otro científico de la época estaba pensando de la forma en que lo hacía Einstein.

Presentamos un pequeño resumen del legado de Einstein y su impacto en la ciencia en desarrollo y en nuestra vida cotidiana.

Movimiento browniano

Einstein 1Einstein es más conocido por sus teorías de relatividad, pero su trabajo sobre el movimiento browniano impulsó una revolución en la física estadística que está en pleno desarrollo aún en nuestros días. Las aplicaciones incluyen el mercado accionario, donde esta teoría se ha usado para modelar las fluctuaciones del precio de las acciones, el tráfico de vehículos, los motores moleculares y las membranas celulares. Notemos que sin fluctuaciones aleatorias, o movimiento browniano, no habría transformación de fases ni empaquetamiento de proteínas, la membrana celular carecería de función y no habría evolución de especies.
A la luz de los resultados obtenidos hace cien años, los científicos de nuestro siglo están comenzando a descifrar las profundas delicadezas de
los sistemas biológicos y otros sistemas complejos. Gradualmente, ha venido quedando más o menos claro que en estos sistemas existe un extraordinario balance entre leyes físicas deterministas y los sutiles efectos de la aleatoriedad.

Ondas gravitacionales

Las ecuaciones de Einstein de la relatividad general predicen la existencia de ondas gravitacionales al igual que las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo imponen la existencia de las ondas electromagnéticas. Mientras las ondas electromagnéticas se producen por la aceleración de cargas eléctricas, las ondas gravitacionales debieran producirse cuando objetos de masa muy grande cambian de forma o se desplazan de manera acelerada.

La onda gravitacional más potente imaginable en nuestro universo sólo produciría deformaciones del espacio de una parte en 1022. Esto es equivalente a medir la distancia de la Tierra a la Luna con una precisión de un poco más del diámetro de un núcleo atómico. En los años sesenta, Joseph Weber inició en la Universidad de Maryland el desarrollo de las técnicas experimentales para la detección de estas ondas. Básicamente, Weber suspendió una barra de una tonelada de aluminio y agregó un anillo de detectores ultrasónicos alrededor de su centro. Su idea era que la barra, al ser atravesada por una onda gravitacional, se comprimiría y expandiría haciéndola resonar si la frecuencia de las ondas fuera cercana a la frecuencia de resonancia de la barra. Sin embargo, una estimación de las fluctuaciones térmicas indicó que la barra debía ser mantenida a muy baja temperatura para mejorar su sensibilidad.Einstein 2

Trabajos independientes señalaron que Weber era capaz de medir deformaciones de una parte en 1016, es decir muy por debajo de lo requerido. En la actualidad existen muchos grupos en el mundo dedicando su esfuerzo a la medición de estas ondas por variados métodos, y se cree que se alcanzará una precisión suficiente hacia el 2010. Esta nueva prueba nos permitirá dar un paso más en la verificación de la teoría de la relatividad general.

La corrección en la medición del tiempo en el GPS

Según Einstein, la energía de cohesión de todos los átomos, y por consiguiente el tiempo medido por los relojes atómicos, debe depender del potencial gravitacional en el que se encuentran. En consecuencia, dos relojes en diferentes referenciales medirán tiempos ligeramente distintos. Este efecto, junto con la dilatación asociada a la relatividad especial, tiene un impacto importante en nuestra vida cotidiana, puesto que asegura que los dispositivos de navegación, base del Sistema de Posicionamiento Global (GPS, por sus iniciales en inglés), permanezcan fiables.

Los efectos relativistas son responsables de que existan 39 microsegundos por día de diferencia entre los relojes en Tierra y aquellos en los satélites del GPS.

Einstein 3Si no se tomaran en cuenta estos efectos, los GPS tendrían un error de 10 km por día, mientras que en la actualidad un GPS comercial proporciona una precisión de 15 metros.

Efecto fotoeléctrico y los cuantos

Para capturar imágenes, las cámaras digitales utilizan un dispositivo llamado Charge Coupled Device (CCD), que recibe la luz (fotones) y la transforma en una corriente de electrones que luego se puede registrar en una memoria electrónica. La clave del funcionamiento de este dispositivo se encuentra en el efecto fotoeléctrico, cuya explicación desarrolló Albert Einstein en 1905, quien propuso que la luz entregaba su energía a través de paquetes o cuantos. Esta forma de ver la luz trajo como consecuencia el nacimiento de la mecánica cuántica. A partir de ella se desarrollaron nuevas tecnologías como los semiconductores utilizados en electrónica y responsables de la creación de los microchips. Estos dispositivos han hecho posible el desarrollo de la computación a los niveles actuales, como también de las telecomunicaciones y los CCD.

Emisión espontánea y estimulada: maser y láser

En 1916, Einstein descubrió que un fotón con una energía particular, y por lo tanto con una frecuencia bien precisa, puede inducir a un átomo a emitir fotones en la misma frecuencia; a este proceso lo llamó emisión estimulada. Einstein relacionó la probabilidad de emisión estimulada con la de los átomos no irradiados, emisión espontánea, usando dos expresiones que ahora llamamos los coeficientes A y B de Einstein. En su tiempo, este descubrimiento no tuvo implicancia práctica alguna, puesto que para aquello, la luz coherente así generada necesitaba amplificarse de alguna manera. Esto último lo lograron C. Townes y A. Schawlow para las microondas con el desarrollo del maser en 1954 y T. Maiman en 1960, para la luz visible, con el desarrollo del láser.
De este modo, el trabajo de Einstein sobre la radiación estimulada presagiaba el desarrollo de dispositivos de uso corriente en nuestras casas y de gran utilización en casi todas las áreas de la ciencia y la ingeniería.Einstein 4

Condensación de Bose-Einstein

Un gas ideal en equilibrio térmico es el ejemplo más claro de caos molecular, puesto que sus moléculas sufren colisiones permanentes entre ellas, lo que genera desorden. En este sistema, aparentemente simple, Einstein mostró que para cualquier temperatura existe una densidad a partir de la cual el gas se separa en dos estados, en uno de los cuales las moléculas continúan en incesante caos, mientras que en el otro la agitación es virtualmente nula. Experimentalmente los investigadores enfrían el gas a una densidad dada hasta que las moléculas comienzan a entrar en el estado condensado que se encuentra a temperatura absoluta nula.

Esta transición de fase, que no se puede explicar fuera del marco de la mecánica cuántica, es llamada condensación de Bose-Einstein y es una de las áreas más activas de investigación en nuestros días. Aquí no todo se lo debemos a Einstein, quien llegó a esta conclusión al aplicar a las partículas materiales las ideas del físico indio Satyendra Nath Bose sobre la estadística de los fotones. Es así como tomó casi setenta años encontrar un sistema real que satisficiera las condiciones estipuladas por Einstein para la observación de este fenómeno. Fue en 1995, cuando el grupo liderado por E. Cornell y C. Wieman, en Boulder (Colorado, EE. UU), creó el primer condensado en un gas de átomos de rubidio enfriado por la técnica láser.

Einstein 5En el año 2001, E. Cornell, C. Weiman y W. Ketterle, del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT, por sus iniciales en inglés) compartirían el premio Nobel de Física por esta contribución. Puesto que este logro requirió del desarrollo de trampas magnéticas y de luz para los átomos y el enfriamiento de estos por medio de láser, S. Chu, C. Cohen-Tannoudji y B. Phillips recibieron el premio Nobel de Física en 1997. Las aplicaciones del condensado de Einstein, que podría ser denominado un nuevo estado de la materia, están por venir.