Jaime Julve

Instituto de Física Fundamental. CSIC. Madrid

Importantes efemérides se han dado cita en este 2005 que justifican su declaración por la ONU como «Año Internacional de la Física»: 50 años de la muerte de Albert Einstein y 100 de aquél prodigioso 1905 en que revolucionó la Física y nuestra visión del mundo.

Hasta las fechas encajan en una simple armonía como si incluso la historia se acomodase a su pensamiento.

Sus cuatro trabajos publicados en ese Annus Mirabilis de 1905 en la principal revista alemana de física de primeros del siglo, la legendaria Annalen der Physik, justifican la aclamación. Renunciando a reproducir la solemnidad del título en la lengua litúrgica científica del tiempo, el alemán, damos una sucinta descripción.

• Acerca de un punto de vista heurístico sobre la creación y conversión de la luz (Annalen der Physik, vol.17, p.132, Marzo 1905).

Ya había explicado Planck, «como en un acto de desesperación», el espectro energético del cuerpo negro con la hipótesis de que la radiación electromagnética se emite y absorbe en paquetes discretos de energía o “cuantos”. En su visión, se trataba de aceptar que los átomos del material se comportan como osciladores cuantizados, pero la radiación emitida seguía siendo de naturaleza puramente ondulatoria, o sea continua. Einstein, en un paso más atrevido, da realidad física a los cuantos al explicar el efecto fotoeléctrico (la luz arranca electrones de los metales en número proporcional a su intensidad, pero expulsándolos con energía individual que depende sólo de la frecuencia de la luz) poniendo de manifiesto que no son sólo el resultado del mecanismo de emisión sino que la propia luz existe sólo en la forma de estos paquetes o granos de energía. La realidad de la naturaleza cuántica de la radiación electromagnética, como primera evidencia tangible de un aspecto universal del mundo microscópico, recibió con ello un fortísimo impulso.

• Sobre el movimiento, requerido por la teoría cinética molecular del calor, de pequeñas partículas suspendidas en un líquido estacionario (vol. 17, p.549, Mayo 1905).

Con Maxwell, Clausius y Boltzmann, la teoría cinética del calor estaba ya bien establecida por entonces, pero las moléculas eran sólo una hipótesis recibida todavía con escepticismo por muchos insignes físicos de una época dominada aún por la idea del continuo que subyace a la descripción newtoniana del mundo. El «movimiento browniano» (agitación, visible al microscopio, de granos de polen suspendidos en agua) era un misterio que Einstein, con su maestría de los métodos estadísticos, resuelve asumiendo la realidad de las moléculas del líquido que, en su agitación térmica, golpean a los granos, explicando las características observadas del movimiento de éstos y de paso obteniendo una estimación del tamaño de las moléculas. Nadie dudaría ya de ellas en lo sucesivo, aunque una «visión» directa habría de esperar al advenimiento en 1995 del microscopio de efecto túnel. Ante estas primeras imágenes es seguro que Einstein habría probado la misma emoción que manifestó Richard Feynman, recogida en famosa anécdota.

• Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento (vol.17, p.891, Junio 1905).

En busca del «éter» universal en reposo absoluto en que se propagaría la luz, el experimento de Michelson y Morley había sorprendido con la constatación de que la velocidad c de ésta es constante para todo observador en movimiento, y Lorentz había mostrado que era «como si» el brazo del interferómetro, en la dirección del supuesto movimiento respecto del éter, se hubiese contraído de acuerdo con la fórmula que lleva su nombre. Otro golpe contra la existencia de los sistemas de referencia absolutos venía del electromagnetismo, en el que los efectos de los campos dependen sólo del movimiento relativo a la fuente de los mismos, propiedad relacionada con la inexplicada simetría de las ecuaciones de Maxwell bajo unas transformaciones distintas de las del grupo de Galileo (característico de las leyes de Newton) y que implica la admisión de un tiempo también relativo al observador. Una vez más es Einstein quien da una explicación a todo ello con un nuevo marco conceptual: la contracción de Lorentz no es un efecto del movimiento (respecto de un éter absoluto ya innecesario) sobre el material del aparato sino que, aparejada con la dilatación del tiempo, pertenece a la naturaleza misma del espacio-tiempo, nueva entidad relativista en la que las viejas categorías kantianas del espacio y del tiempo newtonianos, ya no absolutas, aparecen íntimamente combinadas. La simultaneidad se hace también relativa al observador. Es un giro  verdaderamente copernicano en el que lo absoluto (los «invariantes») son ahora la velocidad de la luz, la forma de las ecuaciones y la de nuevos objetos dinámicos: ¡algo bien distinto del «todo es relativ» con que, con fines interesados, se traduce a menudo la concepción einsteniana!

• ¿Depende la inercia de un cuerpo de su contenido de energía? (vol.18, p.639, septiembre 1905).

Desarrolla aquí la Teoría de la Relatividad (Especial o Restringida, como se la llamaría luego para distinguirla de la Relatividad General, su teoría relativista de la gravitación de 1915) cimentada en el trabajo anterior, encontrando entre otras cosas que también la masa inerte es relativa al observador y es una manifestación del contenido total de energía (la cinética en particular) de los objetos, que en reposo lleva a la famosa ecuación E = m c2. La velocidad c aparece además como límite absoluto para todos los objetos físicos.

Aunque para el gran público sea conocido como padre de la Relatividad, la motivación del Premio Nobel, concedido en 1921, fue «por sus servicios a la Física Teórica, y especialmente de la ley del efecto fotoeléctrico», coincidiendo con la relevancia que él mismo daba a sus contribuciones en los diversos campos, aunque, paradójicamente, siempre creyó que la Mecánica Cuántica era una teoría incompleta bajo la que subyacería una más profunda libre del indeterminismo y no-localidad que tanto le turbaban. No sería ésta, ni mucho menos, la única aportación a ella: participó en los desarrollos que habrían de enriquecer el concepto de los cuantos de luz, mostrando que eran portadores no sólo de energía sino de momento vectorial y de polarización, para alcanzar el estatus de verdaderas partículas (de «espín 1») y, con él, el popular nombre de fotones debido en 1926 al físico y químico estadounidense Gilbert Newton Lewis. El pensamiento einsteniano tiene aquí un sesgo más termodinámico-estadístico, volviendo a deducir en 1916 (notamos que por entonces se hallaba también completando la Relatividad General, muestra de su asombrosa capacidad de trabajo simultáneo en varios frentes) la ley de Planck invocando la emisión espontánea y estimulada de radiación.

Así, en el estudio del «gas de fotones», formula con el hindú Satyendra Nath Bose la estadística de Bose-Einstein que lo caracteriza, implicando la posibilidad de formación, para gases materiales no relativistas a baja temperatura sujetos a esta estadística, del estado degenerado conocido como condensado de B-E.

Es cierto que en 1905 protagonizó una explosión de genialidad creativa concentrada en el tiempo como no se había visto desde Newton y su Annus Mirabilis de 1665-1666, pero el párrafo anterior basta para mostrar que se inscribe en una trayectoria científica larga y densa de contribuciones. De hecho, en abril de ese año es cuando termina en Zurich su tesis doctoral (Un nuevo modo de determinar las dimensiones moleculares) que se publicaría en los Annalen, con pequeñas modificaciones, ya entrado 1906. Hasta 1915-1916 son los años de gestación de la Relatividad General, lo que no impide, como hemos visto, que siga implicado activamente en el desarrollo de las ideas cuánticas, reconociendo así, en frase característica, que con su idea de la dualidad universal onda-corpúsculo Louis de Broglie «había alzado un borde del gran velo».

El paralelismo creador con Newton se acentúa si nos detenemos a examinar la fertilización mutua entre las nuevas ideas físicas y los instrumentos matemáticos necesarios para formularlas. Newton precisó formalizar sus ideas sobre el continuo, básicas en su concepción del mundo físico, creando el cálculo infinitesimal cuyo desarrollo protagonizó junto con Leibniz. Einstein revitaliza todo un capítulo de la matemática surgido el siglo anterior, más bien como curiosidad abstracta desconectada de la realidad: la geometría diferencial y los espacios no euclídeos. Mientras la Relatividad Restringida requiere un aparato matemático elemental, o como mucho de primeros cursos universitarios (grupos de simetría de transformaciones), la Relatividad General es inseparable del aparato de cálculo y conceptual de los espacios curvos multidimensionales. Al elevar a la categoría de principio físico fundante su original intuición de la equivalencia entre la gravitación y fuerzas de inercia asociadas a sistemas de referencia acelerados, repara en la trascendencia de la obra de Riemann y Lobachevski pero se encuentra ayuno de conocimientos sobre ella. Se hace ayudar al principio, estamos en los tiempos de Zurich de 1909-1913, por su compañero del Politécnico Marcel Grossman y, de hecho, firma con él su Esbozo de una teoría general de la relatividad y de una teoría de la gravitación (el famoso Entwurf de1914).

En su esfuerzo de culturización en geometría diferencial, se relaciona intensamente con los maestros de la disciplina, señaladamente los de la escuela italiana (Gregorio Ricci-Curbastro, Tullio Levi-Civita, Bianchi son nombres que dicen todo al lector iniciado), hasta lograr la suficiente autonomía en la materia, e inspira a otros matemáticos de la época (Herman Weyl, David Hilbert) en la consecución de importantes desarrollos ulteriores.

Una efervescencia físico-matemática de este calibre no se volvería a encontrar hasta mucho después de su muerte con la explosión de las modernas teorías de cuerdas, aunque Einstein conservaría siempre, como en toda su producción científica, una singular autonomía de trabajo y pensamiento.

En la elaboración de la forma definitiva (1915-16) de la Relatividad General conoce ya, sin embargo, una fase de competición con otros grandes nombres lanzados al trabajo en el surco por él abierto. Así, Hilbert se le adelanta, aun por días, en la obtención de la forma correcta de las ecuaciones de campo (que dan la curvatura del espacio-tiempo en función del contenido de materia-energía, planteadas de modo insatisfactorio en el Entwurf) y las deduce además de forma distinta, sobre la base de un principio variacional (acción de Einstein-Hilbert), causándole un pasajero resentimiento. Weyl, de Donder y otros protagonizan también importantes logros en la formulación y comprensión de la teoría mientras otros coetáneos lo hacen en la exploración de sus soluciones (de Sitter, Schwarzschild, Fridman, etc.).

La maduración de la teoría cuántica en el período de entreguerras, con la obtención de las ecuaciones de onda relativistas (Dirac), y el interés de la física nuclear van abriendo las puertas al mundo de las partículas elementales en un proceso que vería en cambio a Einstein prácticamente al margen.

La consolidación, en la estela del prestigio derivado del Proyecto Manhattan, de una clase científica numerosa y competitiva en la física teórica es un signo de los tiempos que quizá conteste parcialmente a una pregunta inevitable: ¿Qué relevancia habría tenido su personalidad si hubiera nacido científicamente en las décadas posteriores a la II guerra mundial? La Relatividad Restringida respondía a problemas que estaban sobre la mesa, con respuestas ya bastante maduras en los trabajos de Lorentz, Poincaré y Minkowski, y probablemente una síntesis del tipo de la einsteniana se habría producido igualmente en el momento debido, con a lo sumo algún pequeño retraso o diferencia de matiz.

Seguramente la situación habría sido parecida para la mecánica cuántica pues, tras el pistoletazo de Planck, los Bohr, Heisenberg, Schrödinger, Pauli, etc., estaban en escena y la acumulación de evidencias experimentales no admitía muchas demoras.

Radicalmente distinto es el caso de la Relatividad General, nacida de una especulación teórica personal ajena a necesidades experimentales del momento que reclamasen explicación, hasta el punto de que las clamorosas verificaciones observacionales, al borde de las posibilidades instrumentales, vendrían sólo después e incluso algunas (la detección directa de ondas gravitacionales, por ejemplo) se persiguen todavía hoy. La construcción einsteniana se presenta sin embargo con tal fuerza, no ajena a su belleza formal, que resulta todavía muy difícil pensar en gravitación fuera de este esquema. Hay quien sospecha que esta capacidad seductora encierra fatalmente también la imposibilidad de desposar a la gravitación con las otras fuerzas fundamentales en una teoría unificada cuántica, el gran problema abierto de la física teórica actual al que sólo las teorías de cuerdas intentan dar respuesta. Sea o no así, ¿habríamos tenido algo parecido a esta teoría de la gravitación sin Albert Einstein?

No hemos pretendido en absoluto ser precisos en acotar sus trabajos del año milagroso, variables de cuatro a seis según se consideren las fechas de envío, aceptación o publicación, ni biográficos ni exhaustivos en la colocación de Einstein en el desarrollo de la física del siglo XX, y remitimos al lector por ejemplo al número monográfico de la revista de la Real Sociedad Española de Física (Revista Española de Física, vol.19, n.1, 2005) o a la acreditada biografía de Abraham Pais (Subtle is the Lord, editado en español por Ariel en 1984). Hemos optado en cambio por emitir algunos juicios perspectivos, asumiendo el riesgo.

Einstein fue sin duda el hombre justo en el momento justo de la historia de la Física que, en situación de crisis aguda de la teoría clásica suscitada por nuevos fenómenos, da el enfoque decisivo a algo que ya estaba en fermento. Dio un espaldarazo fundamental a la Mecánica Cuántica, alumbró una nueva visión del espacio y el tiempo, enfatizando el concepto de invariancia bajo transformaciones de simetría e impuso definitivamente la realidad de las moléculas. Son progresos que habrían tenido lugar tarde o (más bien) temprano, aunque sea imposible evaluar qué retrasos o diferencias habría causado la ausencia del efecto catalizador einsteniano. Es, en cambio, una incógnita si habría sido también así para su teoría de la gravitación de 1915, no surgida en respuesta a una crisis y fuertemente marcada por su impronta personal.

Terminaremos enumerando sucintamente algunos aspectos del trabajo posterior a lo que se considera su ápice creativo de anteguerra para resaltar que, incluso con sus presuntas sombras, tuvieron una trascendencia que está lejos aún de agotarse. Él mismo, padre de la cosmología física moderna, calificó como «el error más importante» de su vida la introducción de la «constante cosmológica» para conseguir un universo estacionario que la observación desmentiría poco después. Paradojas de la historia, su constante ha regresado en la forma de «energía fantasma» para explicar las últimas observaciones que apuntan a un universo en expansión acelerada.

Maestro del método de los gedanken experiment, concretó su oposición (el célebre «Dios no juega a los dados») a la no-localidad e indeterminismo cuánticos en la famosa paradoja de Einstein-Rosen-Podolski, pero, sofisticados experimentos resolverían la cuestión negando su reivindicación del realismo determinista, con hondas implicaciones filosóficas. Estas mismas capacidades experimentales han abierto en cambio las puertas al mundo, de trascendencia impredecible, de la tele-portación, información, encriptación y computación cuánticas.

Centró sus últimos días en la persecución, fallida, de una unificación geométrica de la gravitación y el electromagnetismo, pero el intento, abierto a la consideración de dimensiones espacio-temporales extra, y extendido hoy a todas las interacciones fundamentales, preside la actividad actual de la física teórica de altas energías, encontrando su última expresión en las teorías de cuerdas supersimétricas.

Volviendo al laboratorio, y a los aciertos plenos, la tecnología ha permitido en tiempos recientes crear condensados de Bose-Einstein con átomos y moléculas variados y estudiar sus extraordinarias propiedades. Incluso el láser, aun descubierto por otras motivaciones, debe su posibilidad a la emisión estimulada de radiación, originalmente por él formulada.

También la tecnología observacional en campo astrofísico, sacando a la Relatividad General de un letargo de decenios, ha propiciado una extraordinaria retroalimentación con la teoría que ha elevado a la cosmología a la categoría de ciencia observacional no menos exacta que muchas otras disciplinas.

Independiente y personal en sus planteamientos, Einstein fue grande incluso en sus «fallos» y frustraciones finales y se habría distinguido, sin duda, incluso en medio de la marea de «enanos sobre zancos» que comenzaba a emerger y a mirarlo «como una especie de fósil, ciego y sordo por los años». Por esto, y por su período de oro, se trata de una figura difícilmente repetible en la historia de la ciencia.