EINSTEIN Y LA EVOLUCION DE LA FISICA

Muy buenos dias , le habla JULIO MARIO CASTRO RIVERA , para presentarles el programa GRITOS Y PALABRAS.

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Hoy dedicamos esta media hora a

Einstein y la evolución de la física

2005 fue designado por la Organización de las Naciones Unidas como Año Internacional de la Física para conmemorar el primer centenario del annus mirabilis de Albert Einstein, quien en una serie de artículos publicados durante 1905 en la revista alemana Annalen der Physik (Anales de Física) propuso tanto su revolucionaría teoría de la relatividad que permitió entender con mayor exactitud el mundo físico, como dos teorías adicionales sobre la radiación electromagnética y la teoría atómica. En el presente artículo los autores se unen a dicha conmemoración y brindan a nuestros oyentes un análisis sintético de las contribuciones de Einstein legadas al acervo del conocimiento científico acumulado por la humanidad. Deslinde

Antes de Galileo y Newton al hombre solamente le estaba permitido conocer lo que Dios se dignara revelarle; la comprensión de los movimientos de las esferas celestes le era inaccesible.

Los dioses siempre han castigado la osadía del que se atreva a auscultar los arcanos divinos: Adán fue expulsado del Paraíso por comer del árbol del conocimiento, contraviniendo la prohibición de su Creador; el temible Zeus encadenó a Prometeo a una roca en el Cáucaso, donde era sometido a suplicio diario por un águila que le roía el hígado, porque el Titán –Prometeo– con la ayuda de Atenea robó del Olimpo una brasa de la chimenea de Hestia regalándosela a los humanos. El robado fuego divino le allanó a los mortales el camino hacia el conocimiento y la civilización.

Además de la teoría de la relatividad, la física del siglo XX descansa en otro pilar revolucionario: la mecánica cuántica. Mientras la teoría general de la relatividad describe el mundo macroscópico y la gravedad, la mecánica cuántica es una teoría de los fenómenos materiales a nivel atómico y subatómico. Aunque aparentemente incompatibles, las dos teorías son la base del explosivo avance tecnológico de los últimos años.

La importancia de Newton

En 1687 apareció la obra cumbre de Newton, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Principios Matemáticos de Filosofía Natural), que le abrieron al hombre el conocimiento de las regiones prohibidas: en los Principia se explicaba en términos matemáticos todos los fenómenos físicos conocidos, desde el movimiento de los péndulos, el ascenso y descenso de las mareas y las trayectorias de cometas, planetas y satélites, hasta la caída de una manzana. Newton dedujo en parte sus leyes del movimiento de las que obtuvo Johannes Kepler (quien se valió de las observaciones largamente acumuladas por Tycho Brahe), que describen el movimiento de los planetas en el sistema solar, llegando a deducir que las fuerzas que explican el movimiento de los astros y la gravedad son de la misma naturaleza.

La mecánica newtoniana es válida para los fenómenos físicos que ocurren a pequeñas velocidades, pero recibió su primer golpe cuando James Clerk Maxwell demostró que las interacciones eléctricas y magnéticas no se debían a fuerzas que actuaran de manera instantánea y a distancia (no seguían la lógica newtoniana), sino que son procesos que se desplazan por el espacio a una velocidad finita; se estableció así una nueva ley del movimiento, donde la velocidad de la luz aparecía como la velocidad límite.

Einstein reconoció que su teoría no invalidaba el trabajo de Newton, pues "sus grandes y lúcidas ideas retendrán para siempre su significación única como fundamento de toda nuestra moderna estructura conceptual dentro de la esfera de la filosofía natural". La mecánica relativista no significa que la newtoniana sea falsa, lo que hace es restringir su dominio de validez y precisión. Pero ciertos ‘filósofos’ que caminan por la senda idealista del constructivismo, como Sandra G. Harding, tienen la desfachatez de calificar los Principia como poco más que "un manual de destrucción, lleno de metáforas del científico macho invadiendo y desgarrando en pedazos la naturaleza". Esta es una muestra del carácter anticientífico que históricamente ha acompañado a la concepción filosófica idealista.

Albert Einstein vio por primera vez la luz del mundo el 14 de marzo de 1879 en la ciudad alemana de Ulm, donde sus padres Hermann Einstein y Paulina Koch se habían residenciado hacía poco. La familia se trasladó a Múnich y en el Luitpold Gymnasium el joven Albert demostró extraordinaria capacidad para las matemáticas y pasión por el violín. En Aarau (Suiza) completó su educación secundaria y en 1896 ingresó al Instituto Politécnico de Zúrich para cursar estudios en física y matemáticas.

Terminada su preparación superior y después de tocar en muchas puertas solicitando trabajo, se logró emplear en la Oficina Federal de Patentes de Berna, donde en sus ratos libres se dedicaba al estudio de la física. Einstein nació en un universo newtoniano, donde el tiempo fluía de manera inexorable y espacio y tiempo eran absolutos e invariables. Pero a los 26 años de edad el empleado de patentes empezó a demoler esos absolutos y se distanció del gigante inglés: "Newton, os pido perdón: hallasteis el único medio al que el hombre del más alto intelecto y creatividad podía, en vuestro tiempo, acceder. Los conceptos que introdujisteis siguen todavía hoy guiando nuestro pensamiento en la física, aunque sepamos ahora que deberán reemplazarse por otros más alejados de la esfera de la experiencia inmediata", palabras escritas posteriormente en su autobiografía.

Los artículos seminales

En marzo de 1905 publicó el artículo titulado Sobre un punto de vista heurístico acerca de la generación y transformación de la luz, tomando de Max Plank la hipótesis cuántica que amplió para explicar el efecto fotoeléctrico: cuando un rayo de luz incide sobre un metal, éste libera electrones; la explicación einsteiniana demostraba que la luz estaba formada por partículas o cuantos de luz, denominadas desde 1926 fotones, con lo cual se descartaba la concepción de que el fenómeno lumínico fuera exclusivamente ondulatorio. De ahora en adelante se sabría que la luz tenía dos caras: onda y partícula. Por este trabajo fue galardonado en 1921 con el premio Nobel de Física. Los aspectos que allí planteó fueron fundamentales para el desarrollo de la mecánica cuántica, teoría de la cual siempre estuvo desencantado dado el tratamiento probabilístico de sus fenómenos, donde no parecía haber lugar para la dualidad de causa y efecto: "Aún creo que es posible un modelo de la realidad, o sea, una teoría que represente las cosas en sí mismas y no tan sólo la probabilidad de su aparición."

En 1901 buscó doctorarse con un trabajo sobre la teoría cinética de los gases, pero la Universidad de Zúrich se lo rechazó. En 1905 volvió a intentarlo presentando su teoría sobre la relatividad especial, la cual fue calificada de "un tanto esotérica". Finalmente logró su doctorado con el trabajo Una nueva determinación de las dimensiones moleculares, preocupado por medir la relación entre la viscosidad del líquido y el tamaño de las moléculas de azúcar que se disolvían cuando con un amigo tomaba una taza de té. Poco después publicó Sobre el movimiento que viene impuesto por la teoría cinética del calor a las partículas en suspensión en líquidos en reposo, con el cual demostró la existencia objetiva de los átomos de la cual dudaban científicos tan importantes como Ernst Mach, para quien esas partículas materiales "no son más que cosas puramente mentales" respaldado en su teoría agnóstica e idealista de la "economía del pensamiento" tan duramente criticada por Lenin, quien comparó a Mach con Judas Iscariote pues al pasarse al idealismo filosófico "Mach entrega las ciencias al fideísmo", y por Max Plank, quien señaló que "el progreso de la ciencia se detendría fatalmente si el principio machista de la economía del pensamiento se convirtiera efectivamente en el centro de la teoría del conocimiento". En 1922, en París, Einstein calificó a Mach como "un buen mecanicista" pero un "filósofo deplorable". El trabajo antes reseñado le permitió a Einstein explicar el movimiento browniano que había observado al microscopio el botánico inglés Robert Brown a principios del siglo XIX: los granos de polen suspendidos en agua se agitaban sin una causa aparente. El científico de Ulm sugirió que era el movimiento de las propias moléculas de agua las que al chocar contra los granos de polen producían las trayectorias en zigzag de éstos.

En el artículo de junio, Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento, introdujo la teoría de la relatividad especial y de la unificación del espacio con el tiempo. A finales del siglo XIX las ecuaciones desarrolladas por Maxwell demostraban que la luz, como radiación electromagnética, se propagaba en forma de ondas a través de un medio muy sutil, el éter, como lo hacen las ondas sonoras a través del aire; se hacía necesario entonces probar la existencia y medir las propiedades del hipotético éter. Se creía que la luz se propagaría por ese medio a una velocidad fija, pero que variaría según si un observador se moviera en la misma dirección de la luz o en sentido contrario. En 1887 Albert Michelson y Edward Morley trataron de probar esas hipótesis, pero el experimento demostraba la constancia de la velocidad de la luz (300.000 Km/seg) con respecto al observador, sin importar la rapidez y dirección en que éste se moviera; el éter era sólo una ilusión. Ante la evidencia experimental Einstein desechó la hipótesis del éter pues "el principio de la velocidad constante de la luz en el vacío… no nos obliga a aceptar la teoría de un éter luminífero estático". Además, "la justificación de un concepto físico estriba exclusivamente en su clara y precisa relación con los hechos que pueden ser experimentados".

E = mc2

En junio en un artículo sobre la relatividad especial extendió el principio de Galileo (en 1632 el científico italiano sugirió que las leyes físicas permanecen invariables cualquiera que sea el estado de movimiento del observador) al electromagnetismo para explicar la velocidad constante de la luz (la velocidad de la luz es independiente del movimiento de la fuente luminosa): no importa si usted está parado en un andén o es un astronauta en el Enterprise volando a velocidades cercanas a la de la luz; en ambos casos siempre se obtendrá el mismo valor: 300.000 Km/seg. Dado que la velocidad es una relación entre la distancia (longitud) y el tiempo (V = d/t), d y t se deben modificar en cantidades iguales para mantener constante el valor de V: en el Enterprise, el tiempo t se hace más lento y por lo tanto la longitud d se contrae en la dirección del movimiento: eso es lo que observa quien está parado en el andén. Este observador también podría notar que la masa del viajero sideral ha aumentado en la nave espacial.

A partir de 1906 Einstein intentó generalizar las bases de su teoría especial valiéndose de los conceptos de tiempo y espacio no euclídeos de su profesor en Zúrich, el matemático ruso Hermann Minkowski, junto con la noción de curvatura del matemático Bernhard Riemann que le permitieron postular que la presencia de grandes masas de materia en una región, producen la curvatura del espacio-tiempo. En 1916 publicó Fundamentos de la teoría de la relatividad general; la teoría especial resolvía los desacuerdos entre la mecánica de Newton y el electromagnetismo de Maxwell para fenómenos que ocurren en sistemas de referencia que viajan a velocidad constante y en línea recta. La teoría general se aplica a fenómenos que ocurren en sistemas de referencia que cambian de velocidad y dirección, es decir, que están acelerados.

Para Newton la gravedad es una fuerza que actúa en forma instantánea a largas distancias, rodeada de misterio, pues ¿cómo puede actuar una fuerza de ese tipo sobre la Tierra, desde el Sol, que está a 150 millones de kilómetros?, y no se diga desde una galaxia a millones de años luz.

Para Einstein la gravedad es una propiedad intrínseca del espacio y del tiempo: "la masa de un cuerpo tiene la propiedad de curvar la estructura del espacio-tiempo; esa curvatura es la gravedad: La teoría general ofrece la ley de la gravitación y sus relaciones con las otras fuerzas de la naturaleza".

La gravitación newtoniana pasaba a convertirse en un caso especial de la teoría general de la relatividad, así como la geometría euclídea lo era de la riemanniana: "La nueva teoría de la gravitación, en lo que se refiere a principios, se diferencia considerablemente de la de Newton. Pero sus resultados prácticos concuerdan tan de cerca con los de la teoría de Newton, que es difícil hallar criterios de diferenciación accesibles a la experiencia".

En 1919 la observación de un eclipse solar desde África y Brasil confirmaron la genial conclusión de Einstein respecto de la curvatura del espacio-tiempo; posteriores experimentos la siguen ratificando, así como otras predicciones de su elegante teoría. El espacio y el tiempo dejaron de ser el escenario cósmico pasivo y se convirtieron en el fondo activo del movimiento constante de la materia.

La relación dialéctica entre espacio-tiempo y materia quedó brillantemente plasmada en la frase del físico John Archibald Wheeler: "El espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse, y ésta, a su vez, le dice al espacio-tiempo cómo curvarse". El espacio y el tiempo no quedaban despojados de su realidad objetiva, se les despojaba de su capacidad casual absoluta, conclusión que está de acuerdo con la tesis central del materialismo dialéctico: "Al reconocer la existencia de la realidad objetiva, o sea, de la materia en movimiento, independiente de nuestra conciencia, el materialismo está obligado a reconocer también la realidad objetiva del tiempo y del espacio, a diferencia, ante todo, del kantismo, que en esta cuestión se sitúa en el campo del idealismo, considerando el espacio y el tiempo no como una realidad objetiva, sino como formas de la contemplación humana." (Palabras escritas en 1908 por Lenin y confirmadas por el genio científico de Einstein.)

Las pruebas experimentales a que se ha enfrentado la teoría de la relatividad demuestran, como en todas las ramas de la ciencia, que los experimentos se hacen para comprobar la validez de una teoría, no para su falsación (como lo propone la teoría del conocimiento desarrollada por Karl Popper), pues de adoptarse el criterio popperiano nunca se podría probar que una teoría es verdadera, se negaría la existencia de la verdad objetiva así como de sus aspectos absoluto y relativo, se llegaría a la negación de la posibilidad de aplicar las leyes de la ciencia en los avances tecnológicos.

Una teoría científica se acepta porque es capaz de explicar a través de leyes objetivas los diversos fenómenos de un sector del mundo material, así como de predecir otros. Toda la historia de la ciencia niega las concepciones idealistas en este aspecto, como la del filósofo Ludwig Wittgenstein quien sostenía que "en toda la visión moderna del mundo subyace el espejismo de que las llamadas leyes de la naturaleza son explicaciones de los fenómenos de la naturaleza".

El legado

Los últimos treinta años de su vida los dedicó Einstein a tratar de encontrar una teoría que unificara su teoría de la relatividad general y el electromagnetismo de Maxwell, como dos aspectos de la realidad; su quijotesco intento resultó vano. La unificación ha progresado hacia la unión del electromagnetismo con las fuerzas nucleares fuerte y débil. Como legado intelectual de Einstein, los físicos siguen intentando encontrar una teoría que abarque todas las fuerzas: la gravedad, la electromagnética, la débil y la fuerte, es decir, una síntesis de la mecánica cuántica y la relatividad general. El científico que lo logre será otro gigante y le permitirá a la humanidad llegar a niveles insospechados en el entendimiento de la materia, el espacio y el tiempo. Newton le dio a la ciencia una manera de conocer el espacio y el tiempo, en el contexto histórico de su tiempo; Einstein la amplió, haciéndola más exacta y profunda.

Dentro de los equívocos históricos que circundan la figura de Einstein, está el de achacarle la paternidad de la bomba atómica. Respecto del arma nuclear Einstein señaló: "No me considero el padre de la utilización de la energía atómica. Mi participación en esto ha sido muy indirecta. De hecho, nunca pensé que se llegara a usar durante el curso de mi vida. Sólo creía en la posibilidad en términos teóricos. Y se ha convertido en un hecho palpable gracias al descubrimiento accidental de la reacción en cadena, algo que yo no habría podido predecir". Einstein declaró lo anterior, a pesar de que le solicitó con urgencia a Franklin Delano Roosevelt iniciar la construcción de las temibles bombas ante la evidencia de que Alemania había iniciado la construcción de su propia arma atómica. De otro lado, era innegable el hecho histórico de que él mismo había descubierto la equivalencia entre la masa y la energía.

En 1908 Lenin abría un debate frontal contra las concepciones idealistas que se apoderaban de las ciencias naturales ante la crisis que sufría la física debido a los radicales cambios conceptuales que estaban ocurriendo: "En el universo no hay más que materia en movimiento, y la materia en movimiento no puede moverse de otro modo que en el espacio y en el tiempo. Las representaciones humanas sobre el espacio y el tiempo son relativas, pero la suma de esas representaciones relativas va, en su desarrollo, hacia la verdad absoluta y a ella se acercan. La mutabilidad de las representaciones humanas sobre el espacio y el tiempo no refuta la realidad objetiva de uno y otro, como la mutabilidad de nuestros conocimientos científicos sobre la estructura y las formas del movimiento de la materia tampoco refuta la realidad objetiva del mundo exterior."

¿Llegaron a Colombia los adelantos tecnológicos debidos a Einstein?

Algo llegó, pero hoy no tenemos casi nada. Con el cierre del Instituto de Asuntos Nucleares, IAN, o Instituto de Energías Alternativas, INEA, los gobiernos de turno han dejado a los colombianos sin la posibilidad de contar con un pequeño centro, en el cual tengamos acceso a investigaciones en el campo de la ciencia que tiene como objeto de estudio los núcleos de los átomos. Allí con todo rigor no se hizo mucha investigación científica fundamental, sino más bien investigación tecnológica aplicable al mejoramiento de la vida cotidiana de la gente. En este Instituto se tenía un ‘reactor de juguete’, con el cual se podían producir algunos radioisótopos necesarios en la medicina nuclear y, por consiguiente, de alguna utilidad para los escasos servicios de salud con los que contamos los ciudadanos de este país. También había secciones de investigación de la aplicación tecnológica de las ciencias nucleares en los campos de la agricultura, la hidrología, la metalurgia y algunos otros que incluían algo de ingeniería nuclear y de física nuclear. El afán de hacer negocios particulares de importación de los radioisótopos hizo que se descuidara por parte de algunos directivos del IAN o INEA toda actualización del reactor nuclear. Existió también en el IAN (INEA) una sección de Física Nuclear donde se impartió instrucción a muchos estudiantes de física en esta área. Esto se hizo conjuntamente con la Universidad Nacional; lamentablemente esta sección de física también fue cerrada.

Oyentes de la voz del cinaruco, los espero el proximo domingo en sintonia del programa GRITOS Y PALABRAS a las 7 y media de la mañana.

Feliz dia para todos