Albert Einstein: vida, aportes científicos y legado histórico

Vida temprana

Einstein nació en Ulm, Württemberg, Alemania, el 14 de marzo de 1879. Su familia era judía, pero no era muy religiosa. Sin embargo, más adelante Einstein se interesó mucho por su judaísmo. Einstein no empezó a hablar hasta los 3 años de edad. Según su hermana menor, Maja, "tenía tanta dificultad con el lenguaje que los que le rodeaban temían que nunca aprendiera". Cuando Einstein tenía unos 4 años, su padre le regaló una brújula magnética. Se esforzaba por entender cómo la aguja parecía moverse sola de modo que siempre apuntaba al norte. La aguja estaba en una caja cerrada, por lo que claramente nada como el viento podía estar empujando la aguja, y sin embargo se movía. Así, Einstein se interesó por el estudio de la ciencia y las matemáticas. Su brújula le dio ideas para explorar el mundo de la ciencia.

Cuando se hizo mayor, fue a la escuela en Suiza. Después de graduarse, consiguió un trabajo en la oficina de patentes de allí. Mientras trabajaba allí, escribió los documentos que le hicieron famoso como gran científico.

Einstein se casó con una mujer serbia de 20 años, Mileva Marić, en enero de 1903.

En 1917, Einstein enfermó gravemente de una enfermedad que casi lo mata, afortunadamente sobrevivió. Su prima Elsa Löwenthal lo cuidó para que recuperara la salud. Después de esto, Einstein se divorció de Mileva el 14 de febrero de 1919 y se casó con Elsa el 2 de junio de 1919.

Niños

La primera hija de Einstein fue Lieserl Einstein. Nació en Novi Sad, Vojvodina, Austria-Hungría, el 27 de enero de 1902. Pasó sus primeros años al cuidado de sus abuelos serbios porque su padre, Albert, no quería que la llevaran a Suiza, donde tenía una oferta de trabajo en la oficina de patentes. Algunos historiadores creen que murió de escarlatina.

Los dos hijos de Einstein fueron Hans Albert Einstein y Eduard Tete Einstein. Hans Albert nació en Berna (Suiza) en mayo de 1904. Llegó a ser profesor en Berkeley (California). Eduard nació en Zúrich (Suiza) en julio de 1910. Murió a los 55 años de un ataque de apoplejía en el Hospital Universitario Psiquiátrico de Zúrich "Burghölzli" . Había pasado su vida entrando y saliendo de hospitales debido a su esquizofrenia.

La vida posterior

En la primavera de 1914 se trasladó de nuevo a Alemania y se convirtió en miembro ordinario de la Academia Prusiana y director de un instituto de física recién creado por la Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft. Vivió en Berlín y terminó la Teoría General de la Relatividad en noviembre de 1915. En la República de Weimar fue políticamente activo en favor del socialismo y el sionismo. En 1922 recibió el premio Nobel de Física por su explicación del efecto fotoeléctrico en 1905. A continuación, intentó formular una teoría de campo general que uniera la gravitación y el electromagnetismo, sin éxito. Tenía reservas sobre la mecánica cuántica inventada por Heisenberg (1925) y Schrödinger (1926). En la primavera de 1933, Einstein y Elsa estaban de viaje en Estados Unidos cuando el partido nazi llegó al poder. Los nazis eran violentamente antisemitas. Llamaron a la teoría de la relatividad de Einstein "física judía" y algunos físicos alemanes iniciaron polémicas contra sus teorías. Otros, como Planck y Heisenberg, defendieron a Einstein.

Tras su regreso a Bélgica, considerando las amenazas de los nazis, Einstein renunció a su puesto en la Academia Prusiana en una carta desde Oostende. Einstein y Elsa decidieron no volver a Berlín y se trasladaron a Princeton, Nueva Jersey, en Estados Unidos, y en 1940 él se convirtió en ciudadano estadounidense.

Antes de la Segunda Guerra Mundial, en agosto de 1939, Einstein, a sugerencia de Leó Szilárd, escribió al presidente estadounidense, Franklin D. Roosevelt, para decirle que Estados Unidos debía inventar una bomba atómica para que el gobierno nazi no pudiera adelantarse. Firmó la carta. Sin embargo, no formó parte del Proyecto Manhattan, que fue el proyecto que creó la bomba atómica.

A Einstein, judío pero no ciudadano israelí, se le ofreció la presidencia en 1952 pero la rechazó, declarando: "Estoy profundamente conmovido por la oferta de nuestro Estado de Israel, y a la vez entristecido y avergonzado por no poder aceptarla". Se informó de que Ehud Olmert estaba considerando ofrecer la presidencia a otro no israelí, Elie Wiesel, pero se dijo que no estaba "muy interesado".

Investigó sobre la gravitación en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton (Nueva Jersey) hasta su muerte, el 18 de abril de 1955, a causa de un aneurisma aórtico. Seguía escribiendo sobre física cuántica horas antes de morir. Se le concedió el Premio Nobel de Física.

En 1905 elaboró la teoría de que la luz estaba formada por pequeñas partículas llamadas fotones ^ . Con esta teoría pudo explicar el efecto fotoeléctrico. La fórmula que relaciona la energía y la frecuencia de un fotón es E = h f {\displaystyle E=hf} . Esto significa que la luz de mayor frecuencia tiene más energía por fotón.

El efecto fotoeléctrico se produce cuando la luz que incide sobre una superficie metálica hace que ésta emita electrones. La dificultad para la teoría ondulatoria clásica era explicar por qué este efecto sólo parece producirse para la luz de alta frecuencia, como la ultravioleta, pero no para la de menor frecuencia, como la roja o la infrarroja. Einstein demostró que, como la luz de mayor frecuencia tiene fotones con más energía, tiene más posibilidades de forzar la salida de electrones del metal.

Einstein también fue capaz de explicar otros fenómenos con fotones, como la fluorescencia y la ionización. En 1921 recibió el Premio Nobel por este descubrimiento.

La teoría de la relatividad especial fue publicada por Einstein en 1905, en el documento Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento. Dice que tanto las mediciones de distancia como las de tiempo cambian cerca de la velocidad de la luz. Esto significa que a medida que uno se acerca a la velocidad de la luz (casi 300.000 kilómetros por segundo), las longitudes parecen acortarse y los relojes marcan más lentamente. Einstein dijo que la relatividad especial se basa en dos ideas. La primera es que las leyes de la física son las mismas para todos los observadores que no se mueven entre sí.

Se dice que las cosas que van en la misma dirección a la misma velocidad están en un "marco inercial".

Las personas que se encuentran en el mismo "marco" miden el tiempo que tarda algo en suceder. Sus relojes mantienen el mismo tiempo. Pero en otro "marco" sus relojes se mueven a una velocidad diferente. La razón por la que esto ocurre es la siguiente. No importa cómo se mueva un observador, si mide la velocidad de la luz procedente de esa estrella siempre será el mismo número.

Imagine que un astronauta está solo en un universo diferente. Sólo tiene un astronauta y una nave espacial. ¿Se está moviendo? ¿Está parado? Esas preguntas no significan nada. ¿Por qué? Porque cuando decimos que nos estamos moviendo nos referimos a que podemos medir nuestra distancia de otra cosa en varios momentos. Si los números aumentan nos estamos alejando. Si los números se hacen más pequeños nos estamos acercando. Para tener movimiento hay que tener al menos dos cosas. Un avión puede estar moviéndose a varios cientos de kilómetros por hora, pero los pasajeros dicen: "Sólo estoy sentado aquí".

Supongamos que unas personas están en una nave espacial y quieren hacer un reloj preciso. En un extremo ponen un espejo y en el otro una máquina sencilla. Ésta dispara una breve ráfaga de luz hacia el espejo y luego espera. La luz golpea el espejo y rebota. Cuando golpea un detector de luz en la máquina, ésta dice: "Cuenta = 1", simultáneamente dispara otra ráfaga corta de luz hacia el espejo, y cuando esa luz regresa la máquina dice: "Cuenta = 2". Deciden que un determinado número de rebotes se definirá como un segundo, y hacen que la máquina cambie el contador de segundos cada vez que haya detectado ese número de rebotes. Cada vez que cambia el contador de segundos también hace parpadear una luz a través de un ojo de buey bajo la máquina. Así, alguien de fuera puede ver la luz que parpadea cada segundo.

Todos los niños de primaria aprenden la fórmula d=rt (la distancia es igual a la velocidad multiplicada por el tiempo). Conocemos la velocidad de la luz, y podemos medir fácilmente la distancia entre la máquina y el espejo y multiplicarla para obtener la distancia que recorre la luz. Así que tenemos tanto d como r, y podemos calcular fácilmente t. Los habitantes de la nave espacial comparan su nuevo "reloj de luz" con sus diversos relojes de pulsera y otros relojes, y están satisfechos de poder medir bien el tiempo con su nuevo reloj de luz.

Resulta que esta nave espacial va muy rápido. Ven un destello del reloj de la nave espacial y luego ven otro destello. Sólo que los destellos no vienen con un segundo de diferencia. Vienen a una velocidad más lenta. La luz siempre va a la misma velocidad, d = rt. Por eso el reloj de la nave espacial no parpadea una vez por segundo para el observador exterior.

La relatividad especial también relaciona la energía con la masa, en la fórmula E=mc de Albert Einstein . ²

E=mc² , también llamada equivalencia masa-energía, es una de las cosas por las que Einstein es más famoso. Es una ecuación famosa en física y matemáticas que muestra lo que ocurre cuando la masa cambia a energía o la energía cambia a masa. La "E" en la ecuación significa energía. La energía es un número que se da a los objetos en función de lo que puedan cambiar otras cosas. Por ejemplo, un ladrillo que cuelga sobre un huevo puede poner suficiente energía en el huevo para romperlo, pero una pluma no.

Existen tres formas básicas de energía: la energía potencial, la energía cinética y la energía en reposo. Dos de estas formas de energía pueden verse en los ejemplos citados anteriormente y en el ejemplo de un péndulo.

Una bala de cañón cuelga de una cuerda de un anillo de hierro. Un caballo tira de la bala de cañón hacia el lado derecho. Cuando la bala de cañón se suelta, se mueve de un lado a otro como se indica en el diagrama. Lo haría eternamente si no fuera porque el movimiento de la cuerda en el anillo y el roce en otros lugares provoca fricción, y la fricción le quita un poco de energía todo el tiempo. Si ignoramos las pérdidas debidas a la fricción, entonces la energía proporcionada por el caballo se le da a la bala de cañón como energía potencial. (Tiene energía porque está en lo alto y puede caer hacia abajo.) A medida que la bala de cañón se balancea hacia abajo, gana más y más velocidad, de modo que cuanto más se acerque al fondo, más rápido irá y más fuerte le golpeará a usted si se pone delante de ella. Luego se ralentiza a medida que su energía cinética se transforma de nuevo en energía potencial. "Energía cinética" sólo significa la energía que algo tiene porque se está moviendo. "Energía potencial" sólo significa la energía que algo tiene porque está en una posición más alta que otra cosa.

Cuando la energía pasa de una forma a otra, la cantidad de energía siempre es la misma. No puede crearse ni destruirse. Esta regla se denomina "ley de conservación de la energía". Por ejemplo, cuando usted lanza una pelota, la energía se transfiere de su mano a la pelota cuando la suelta. Pero la energía que estaba en su mano, y ahora la energía que está en la pelota, es el mismo número. Durante mucho tiempo, la gente pensó que la conservación de la energía era todo lo que había que hablar.

Cuando la energía se transforma en masa, la cantidad de energía no permanece igual. Cuando la masa se transforma en energía, la cantidad de energía tampoco permanece igual. Sin embargo, la cantidad de materia y energía sigue siendo la misma. La energía se transforma en masa y la masa se transforma en energía de una forma que se define por la ecuación de Einstein, E = mc² .

La "m" en la ecuación de Einstein significa masa. La masa es la cantidad de materia que hay en un cuerpo. Si conociera el número de protones y neutrones de un trozo de materia como un ladrillo, podría calcular su masa total como la suma de las masas de todos los protones y de todos los neutrones. (Los electrones son tan pequeños que son casi despreciables.) Las masas tiran unas de otras, y una masa muy grande como la de la Tierra tira mucho de las cosas cercanas. Usted pesaría mucho más en Júpiter que en la Tierra porque Júpiter es enorme. Usted pesaría mucho menos en la Luna porque ésta sólo tiene una sexta parte de la masa de la Tierra. El peso está relacionado con la masa del ladrillo (o de la persona) y la masa de lo que tira de él en una balanza de resorte, que puede ser más pequeña que la luna más pequeña del sistema solar o más grande que el Sol.

La masa, no el peso, puede transformarse en energía. Otra forma de expresar esta idea es decir que la materia puede transformarse en energía. Las unidades de masa se utilizan para medir la cantidad de materia que hay en algo. La masa o la cantidad de materia en algo determina la cantidad de energía en la que esa cosa puede transformarse.

La energía también puede transformarse en masa. Si usted empujara un cochecito de bebé a un paso lento y lo encontrara fácil de empujar, pero lo empujara a un paso rápido y lo encontrara más difícil de mover, entonces se preguntaría qué le pasa al cochecito. Luego, si intentara correr y descubriera que mover el cochecito a cualquier velocidad más rápida era como empujar contra una pared de ladrillos, se sorprendería mucho. Lo cierto es que cuando algo se mueve, su masa aumenta. Los seres humanos normalmente no notan este aumento de masa porque a la velocidad a la que los humanos se mueven habitualmente el aumento de masa es casi nulo.

A medida que las velocidades se acercan a la velocidad de la luz, entonces los cambios en la masa se vuelven imposibles de no notar. La experiencia básica que todos compartimos en la vida cotidiana es que cuanto más fuerte empujamos algo, como un coche, más rápido lo ponemos en marcha. Pero cuando algo que empujamos ya va a una gran parte de la velocidad de la luz nos encontramos con que sigue ganando masa, por lo que cada vez es más difícil hacer que vaya más rápido. Es imposible hacer que cualquier masa vaya a la velocidad de la luz porque para hacerlo se necesitaría una energía infinita.

A veces una masa se transforma en energía. Ejemplos comunes de elementos que realizan estos cambios que llamamos radiactividad son el radio y el uranio. Un átomo de uranio puede perder una partícula alfa (el núcleo atómico del helio) y convertirse en un nuevo elemento con un núcleo más ligero. Entonces ese átomo emitirá dos electrones, pero aún no será estable. Emitirá una serie de partículas alfa y electrones hasta que finalmente se convierta en el elemento Pb o lo que llamamos plomo. Al expulsar todas estas partículas que tienen masa ha hecho que su propia masa sea menor. También ha producido energía.

En la mayor parte de la radiactividad, toda la masa de algo no se transforma en energía. En una bomba atómica, el uranio se transforma en criptón y bario. Hay una ligera diferencia entre la masa del criptón y el bario resultantes y la masa del uranio original, pero la energía que se libera por el cambio es enorme. Una forma de expresar esta idea es escribir la ecuación de Einstein como

E = (_muranio - mkriptón _{y bario}) c ²

La c² en la ecuación significa la velocidad de la luz al cuadrado. Elevar algo al cuadrado significa multiplicarlo por sí mismo, por lo que si se eleva al cuadrado la velocidad de la luz, sería 299.792.458 metros por segundo, por 299.792.458 metros por segundo, lo que es aproximadamente
(3-10⁸ )² = (9-10 metros¹⁶² )/segundos² = 90
.000.000.000.000 metros² /segundos²
 Por lo que la energía producida por un kilogramo sería:
E = 1 kg - 90.000.000.000.000 metros /segundos²²
 E = 90.000.000.000.000 kg metros² /segundos²
 o
E = 90.000.000.000.000 julios
o
E = 90.000 terajulios

La bomba atómica que explotó sobre Hiroshima liberó unos 60 terajulios. Así que alrededor de dos tercios de un gramo de la masa radiactiva de esa bomba atómica debió perderse (transformarse en energía), cuando el uranio se transformó en criptón y bario.

La idea del condensado de Bose-Einstein surgió de una colaboración entre S. N. Bose y el profesor Einstein. El propio Einstein no lo inventó, sino que refinó la idea y ayudó a que se popularizara.

El concepto de energía de punto cero fue desarrollado en Alemania por Albert Einstein y Otto Stern en 1913.

En la física clásica, el impulso se explica mediante la ecuación

p = mv

donde

p representa el impulso

m representa la masa

v representa la velocidad (rapidez)

Cuando Einstein generalizó la física clásica para incluir el aumento de masa debido a la velocidad de la materia en movimiento, llegó a una ecuación que predecía que la energía estaba formada por dos componentes. Un componente implica la "masa en reposo" y el otro componente implica el impulso, pero el impulso no se define de la forma clásica. La ecuación suele tener valores superiores a cero para ambos componentes:

E² = (m₀ c² )² + (pc)²

donde

E representa la energía de una partícula

m₀ representa la masa de la partícula cuando no se mueve

p representa el momento de la partícula cuando está en movimiento

c representa la velocidad de la luz.

Hay dos casos especiales de esta ecuación.

Un fotón no tiene masa en reposo, pero tiene momento. (La luz que se refleja en un espejo empuja al espejo con una fuerza que se puede medir). En el caso de un fotón, porque su m₀ = 0, entonces:

E² = 0 + (pc)²

E = pc

p = E/c

La energía de un fotón puede calcularse a partir de su frecuencia ν o de su longitud de onda λ. Estas están relacionadas entre sí por la relación de Planck, E = hν = hc/λ, donde h es la constante de Planck (6,626×10⁻³⁴ julios-segundo). Conociendo la frecuencia o la longitud de onda, se puede calcular el momento del fotón.

En el caso de las partículas inmóviles con masa, ya que p = 0, entonces:

E₀² = (m₀ c² )² + 0

que es simplemente

E₀ = m₀ c²

Por lo tanto, la cantidad "m₀ " utilizada en la ecuación de Einstein se denomina a veces "masa en reposo". (El "0" nos recuerda que estamos hablando de la energía y la masa cuando la velocidad es 0). Esta famosa fórmula de la "relación masa-energía" (que suele escribirse sin los "0") sugiere que la masa tiene una gran cantidad de energía, por lo que quizá podríamos convertir parte de la masa en una forma de energía más útil. La industria de la energía nuclear se basa en esa idea.

Einstein dijo que no era buena idea utilizar la fórmula clásica que relaciona el momento con la velocidad, p = mv, sino que si alguien quería hacerlo, tendría que utilizar una masa de partícula m que cambiara con la velocidad:

m_v² = m₀² / (1 - v² /c² )

En este caso, podemos decir que E = mc² también es cierto para las partículas en movimiento.

La teoría general de la relatividad se publicó en 1915, diez años después de la creación de la teoría especial de la relatividad. La teoría general de la relatividad de Einstein utiliza la idea del espaciotiempo. El espaciotiempo es el hecho de que tenemos un universo de cuatro dimensiones, que tiene tres dimensiones espaciales (espacio) y una dimensión temporal (tiempo). Cualquier acontecimiento físico ocurre en algún lugar dentro de estas tres dimensiones espaciales, y en algún momento del tiempo. Según la teoría general de la relatividad, cualquier masa hace que el espacio-tiempo se curve, y cualquier otra masa sigue estas curvas. Una masa mayor provoca una mayor curvatura. Esta fue una nueva forma de explicar la gravitación (gravedad).

La relatividad general explica la lente gravitacional, que es la flexión de la luz cuando se acerca a un objeto masivo. Esta explicación se demostró correcta durante un eclipse de sol, cuando se pudo medir la curvatura de la luz de las estrellas lejanas debido a la oscuridad del eclipse.

La relatividad general también sentó las bases de la cosmología (teorías sobre la estructura de nuestro universo a grandes distancias y durante largos periodos de tiempo). Einstein pensó que el universo podía curvarse un poco tanto en el espacio como en el tiempo, de modo que el universo siempre había existido y siempre existirá, y que si un objeto se movía por el universo sin chocar con nada, volvería a su lugar de partida, desde la otra dirección, después de un tiempo muy largo. Incluso cambió sus ecuaciones para incluir una "constante cosmológica", con el fin de permitir un modelo matemático de un universo inmutable. La teoría general de la relatividad también permite que el universo se extienda (se haga más grande y menos denso) para siempre, y la mayoría de los científicos piensan que la astronomía ha demostrado que esto es lo que ocurre. Cuando Einstein se dio cuenta de que eran posibles buenos modelos del universo incluso sin la constante cosmológica, calificó su uso de la constante cosmológica como su "mayor error", y esa constante se suele dejar fuera de la teoría. Sin embargo, muchos científicos creen ahora que la constante cosmológica es necesaria para encajar todo lo que ahora sabemos sobre el universo.

Una teoría popular de la cosmología es la del Big Bang. Según la teoría del Big Bang, el universo se formó hace 15.000 millones de años, en lo que se denomina una "singularidad gravitatoria". Esta singularidad era pequeña, densa y muy caliente. Según esta teoría, toda la materia que conocemos hoy salió de este punto.

El propio Einstein no tenía la idea de un "agujero negro", pero los científicos posteriores utilizaron este nombre para un objeto del universo que curva tanto el espacio-tiempo que ni siquiera la luz puede escapar de él. Creen que estos objetos ultradensos se forman cuando mueren estrellas gigantes, al menos tres veces el tamaño de nuestro sol. Este acontecimiento puede seguir a lo que se llama una supernova. La formación de agujeros negros puede ser una fuente importante de ondas gravitacionales, por lo que la búsqueda de pruebas de las ondas gravitacionales se ha convertido en un importante objetivo científico.

Muchos científicos sólo se preocupan por su trabajo, pero Einstein también hablaba y escribía a menudo sobre política y paz mundial. Le gustaban las ideas del socialismo y de tener un solo gobierno para todo el mundo. También trabajó por el sionismo, el esfuerzo por intentar crear el nuevo país de Israel.

Incitado por su colega L. E. J. Brouwer, Einstein leyó el libro del filósofo Eric Gutkind "Elige la vida", una discusión sobre la relación entre la revelación judía y el mundo moderno. El 3 de enero de 1954, Einstein envió la siguiente respuesta a Gutkind: "La palabra Dios no es para mí más que la expresión y el producto de las debilidades humanas, la Biblia una colección de leyendas honorables, pero todavía primitivas, que son sin embargo bastante infantiles. .... Para mí la religión judía, como todas las demás religiones, es una encarnación de las supersticiones más infantiles". En 2018 su carta a Gutkind se vendió por 2,9 millones de dólares.

Aunque Einstein pensó en muchas ideas que ayudaron a los científicos a entender el mundo mucho mejor, no estaba de acuerdo con algunas teorías científicas que gustaban a otros científicos. La teoría de la mecánica cuántica analiza cosas que sólo pueden ocurrir con ciertas probabilidades, que no pueden predecirse con más precisión por mucha información que tengamos. Esta búsqueda teórica es diferente de la mecánica estadística, en la que Einstein realizó un importante trabajo. A Einstein no le gustaba la parte de la teoría cuántica que negaba algo más que la probabilidad de que algo fuera cierto cuando se midiera realmente; pensaba que debería ser posible predecir cualquier cosa, si teníamos la teoría correcta y suficiente información. Una vez dijo: "No creo que Dios juegue a los dados con el Universo".

Como Einstein ayudó tanto a la ciencia, su nombre se utiliza ahora para varias cosas diferentes. Una unidad utilizada en la fotoquímica lleva su nombre. Es igual al número de Avogadro multiplicado por la energía de un fotón de luz. El elemento químico Einsteinium también lleva el nombre del científico. En el argot, a veces llamamos "Einstein" a una persona muy inteligente.

La mayoría de los científicos piensan que las teorías de la relatividad especial y general de Einstein funcionan muy bien, y utilizan esas ideas y fórmulas en su propio trabajo. Einstein no estaba de acuerdo con que los fenómenos de la mecánica cuántica pudieran ocurrir por pura casualidad. Creía que todos los fenómenos naturales tienen explicaciones que no incluyen el puro azar. Pasó gran parte de su vida posterior tratando de encontrar una "teoría del campo unificado" que incluyera su teoría de la relatividad general, la teoría del electromagnetismo de Maxwell y quizás una teoría cuántica mejor. La mayoría de los científicos no creen que tuviera éxito en ese intento.