¿Qué hizo Albert Einstein? Obras de Albert Einstein, descubrimientos, teorías y contribuciones a la ciencia.
Capilaridad y movimiento browniano:
La primera publicación científica de Einstein fue un artículo sobre atracción capilar que apareció en 1901. Sus artículos sobre los fundamentos estadísticos de la termodinámica, publicados en 1902-1903, lo llevaron en 1905 a una aplicación de la mayor importancia. En ese momento, la realidad de las moléculas y la teoría cinética de la materia, según la cual la temperatura de un cuerpo se debe a la agitación térmica de sus moléculas constituyentes, todavía estaba en disputa. Einstein descubrió mediante un cálculo teórico que esta agitación térmica puede producir un efecto detectable sobre las partículas suspendidas en una solución.
De hecho, tal efecto había sido observado, sin darse cuenta de su causa, en 1827 por el botánico Robert Brown. Brown descubrió que, incluso en ausencia de corrientes y otras perturbaciones externas, se puede ver bajo el microscopio que los granos de polen suspendidos en el agua se mueven continuamente en forma de zigzag irregular. Einstein demostró que el movimiento browniano se puede utilizar como evidencia directa de la existencia de moléculas.
Efecto fotoeléctrico:
También en 1905, Albert Einstein hizo su primera contribución a la física cuántica. En 1900, Max Planck había asumido, para explicar ciertos aspectos desconcertantes de la radiación de la luz de los cuerpos calientes, que la emisión (y absorción) de radiación por los átomos puede ocurrir solo en paquetes discretos de energía, o cuantos, y no en cantidades puramente arbitrarias. Sobre esta base, Planck logró derivar una ley de radiación, ahora conocida como Ley de Planck, que se ajustaba a la observación.
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Planck tuvo cuidado de restringir los efectos cuánticos a la interacción de la materia y la radiación, pero Einstein llegó a la conclusión de que la radiación en sí debe tener una estructura corpuscular y un aspecto ondulado y que en realidad está compuesta por los cuantos de Planck. Además, Einstein demostró que un curioso fenómeno físico conocido como efecto fotoeléctrico, relacionado con la emisión de electrones de un metal sobre el que se proyecta luz, que anteriormente desafiaba toda explicación, podría explicarse automáticamente si la hipótesis de Planck se aplicara a la radiación misma.
Relatividad especial:
El tercero de los grandes artículos de Einstein de 1905 surgió de un problema que lo había desconcertado durante muchos años: si uno viajara a través del espacio con la misma velocidad que un rayo de luz, ¿cómo describiría el rayo? Según la idea habitual de movimiento relativo, el rayo aparecería como un campo electromagnético oscilante espacialmente en reposo, pero tal concepto era desconocido para la física. Por lo tanto, Einstein comenzó a sospechar que las leyes de la física, incluidas las relativas a la propagación de la luz, deben seguir siendo las mismas para todos los observadores, por muy rápido que se muevan entre sí. Sin embargo, fue solo después de años de duro pensamiento sobre este principio de relatividad que finalmente se sintió obligado a considerar la velocidad de la luz como independiente del movimiento del observador.
Sin embargo, esta conclusión estaba en conflicto con la idea tradicional de movimiento relativo en la que se basaba la mecánica newtoniana. Einstein se dio cuenta de que la medición del movimiento depende de la idea de simultaneidad. La etapa crucial de su pensamiento ocurrió cuando se dio cuenta de que esta es una idea primitiva solo para eventos en el mismo lugar.
Cuando observamos un evento distante, solo podemos inferir su tiempo de ocurrencia invocando suposiciones sobre su distancia y la velocidad de la luz. Por lo tanto, Einstein decidió abandonar las ideas tradicionales de tiempo y movimiento y, en cambio, tomar el principio de relatividad como fundamental. En particular, consideró la invariancia de la velocidad de la luz como un medio de comparar el tiempo por observadores en movimiento relativo uniforme. Descubrió que un reloj en movimiento parecería funcionar lento en comparación con un reloj en reposo con respecto al observador.
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También descubrió que la masa inercial de un cuerpo aumenta con la velocidad, de modo que ninguna partícula puede alcanzar la velocidad de la luz, que es, por tanto, un límite superior para la velocidad. Esta dependencia de la masa de la velocidad llevó a Einstein a concluir que la masa y la energía son manifestaciones diferentes de una misma cosa, conclusión que explica la enorme liberación de energía en las transformaciones nucleares y, en particular, explica la radiación solar.
Calores específicos:
En 1907, Einstein hizo otra importante contribución a la teoría cuántica al extender la hipótesis de Planck a la teoría de los cuerpos sólidos. En 1819, dos físicos franceses, P. L. Dulong y A. T. Petit, habían descubierto empíricamente que el calor atómico (el producto del calor específico y el peso atómico) de los sólidos monoatómicos es una constante, independiente de la temperatura. Sin embargo, más tarde se descubrió que el calor atómico de todos los cuerpos disminuye a temperaturas muy bajas. La teoría clásica no ofreció ninguna explicación de este fenómeno, pero Einstein demostró que si se aplicaba la hipótesis cuántica a la energía de las vibraciones de los átomos de un sólido, la dificultad podría resolverse.
Relatividad general:
A finales de 1907, Einstein publicó un importante artículo sobre la gravitación en el que llamaba la atención sobre el hecho peculiar de que, en cualquier región pequeña donde la fuerza gravitacional puede considerarse uniforme, todos los cuerpos caen con la misma aceleración y, por lo tanto, son desaceleradores. ated en relación con los demás. El movimiento en un campo gravitacional uniforme es, por tanto, equivalente a un movimiento uniforme con respecto a un marco de referencia que tiene la aceleración correspondiente.
Este «principio de equivalencia», como lo llamó más tarde, se convirtió en el fundamento de su teoría general de la relatividad. En esta teoría, que expuso por primera vez en un artículo publicado en 1916, abandonó la restricción del principio de relatividad a los observadores en movimiento relativo uniforme, que caracterizó su teoría especial de la relatividad de 1905, y argumentó en cambio que las leyes de la naturaleza deberían expresarse en una forma que sea la misma para todos los observadores en cualquier tipo de movimiento relativo. Al mismo tiempo, dado que en la teoría newtoniana la distinción entre movimiento acelerado y uniforme es que el primero está asociado con la acción de la fuerza, Einstein buscó eliminar este concepto.
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Finalmente, descubrió que los movimientos gravitacionales podían representarse como análogos de las líneas rectas en una combinación de cuatro dimensiones de espacio y tiempo (espacio-tiempo) con una geometría de tipo no euclidiano conocida como riemanniana. Descubrió que su teoría podía explicar tres pequeños efectos, no obtenibles en la teoría de Newton, relacionados con el movimiento planetario y la influencia de los campos gravitacionales en la transmisión de la luz, incluida la desviación de su trayectoria desde una línea recta.
Teoría cuántica:
Poco después de este éxito, Einstein volvió a centrar su atención en la teoría cuántica. En 1913, Niels Bohr había aplicado principios cuánticos para explicar las líneas espectrales emitidas por los átomos radiantes. Supuso que un átomo puede existir permanentemente solo en una serie discontinua de estados estacionarios y que la radiación absorbida o emitida durante una transición entre dos estados estacionarios posee una frecuencia que concuerda con los principios cuánticos de Planck y Einstein.
La teoría de Bohr, a pesar de su éxito al explicar las líneas espectrales observadas de hidrógeno y otros átomos, dejó muchas preguntas sin respuesta. En particular, no arrojó luz sobre las leyes que gobiernan la probabilidad de transiciones entre estados estacionarios. En uno de sus artículos más brillantes, publicado en 1917, Einstein investigó esta cuestión y obtuvo una nueva y mucho más satisfactoria derivación de la ley de radiación de Planck. Pero quizás la característica más notable de este artículo fue que en él Einstein postuló el proceso conocido como emisión estimulada e infirió sus propiedades. Este es el proceso que se emplea ahora en el maser y el láser.
En 1924, el físico indio S. N. Bose derivó la ley de radiación de Planck considerando la radiación como un tipo de gas compuesto de fotones. Einstein se dio cuenta de que este tratamiento podría extenderse a los gases ordinarios formados por átomos si se suponía que los átomos, como los fotones, tenían simultáneamente propiedades de onda y partículas. Esta idea ya había sido formulada de forma independiente por Louis de Broglie, y dos años más tarde estimuló a Erwin Schrodinger a desarrollar su mecánica ondulatoria, que ahora se utiliza ampliamente para resolver problemas de física atómica.
Teoría de campo unificado:
Durante la última parte de su vida, Einstein se ocupó principalmente de los problemas que surgían de su teoría general de la relatividad y de los intentos fallidos de producir lo que llamó una «teoría del campo unificado» que abarcaba tanto fuerzas electromagnéticas como gravitacionales.
Cosmología:
En 1917, Einstein hizo la importante aplicación de la relatividad general a la cosmología. En un artículo pionero, sentó las bases del trabajo teórico moderno sobre la estructura del universo en su conjunto. En lugar del infinito universo newtoniano, construyó un modelo mundial, conocido desde entonces como el universo de Einstein, que era finito pero ilimitado. Este modelo era estático, pero tras el descubrimiento por Edwin Hubble en 1929 de la expansión del universo, Einstein, en colaboración con el astrónomo holandés Willem de Sitter, construyó la forma más simple de modelo de mundo en expansión que está de acuerdo con las leyes de la relatividad general. Esto ahora se conoce como el «universo Einstein-de Sitter».
Ecuación de movimientos:
El trabajo más importante que realizó Einstein después de establecerse en Estados Unidos fue en colaboración con Leopold Infeld y Banesh Hoffmann. En 1938 lograron demostrar que en la relatividad general, a diferencia de la teoría de Newton, las ecuaciones fundamentales que prescriben la fuerza del campo gravitacional también determinan las ecuaciones de movimiento de las partículas presentes.
FILOSOFÍA DE LA NATURALEZA
Aunque Einstein se preocupaba principalmente por los problemas de la física, estaba influenciado por consideraciones tanto filosóficas como puramente técnicas, y su trabajo, a su vez, ha tenido una influencia filosófica considerable.
Interés temprano en la filosofía:
El razonamiento crítico que lo llevó cuando era un joven a abandonar el concepto previamente incuestionado de simultaneidad mundial fue estimulado por su interés por la filosofía. Según su propio relato, estuvo particularmente influenciado por Hume y Mach, el primero a través de su actitud crítica hacia los supuestos y creencias tradicionales del sentido común, el segundo a través de su crítica de las ideas de Newton sobre el espacio y el tiempo y también por su examen crítico de la mecánica newtoniana.
En términos generales, el punto de vista filosófico de Einstein al desarrollar la teoría especial de la relatividad puede describirse como «positivista». Se negó a otorgar importancia física a conceptos que en principio no pueden medirse o determinarse directamente, como la simultaneidad de eventos distantes con eventos en la vecindad inmediata del observador.
Filosofía de la mecánica cuántica:
Aunque Einstein concedió una gran importancia práctica al uso de técnicas estadísticas para tratar problemas relacionados con un gran número de partículas, siempre mantuvo la opinión de que las leyes fundamentales son causales y deterministas. Esto lo llevó a rechazar la nueva teoría cuántica desarrollada entre 1925 y 1927 por Werner Heisen-berg, Max Born, P. A. M. Dirac y otros. Creía, contrariamente a la opinión de la mayoría de los físicos, que la interpretación estadística de la mecánica cuántica era una consecuencia de lo incompleto de la descripción de los sistemas físicos en esa teoría. Tuvo muchas discusiones con Niels Bohr sobre esto.
El artículo más sutil y penetrante de Einstein sobre esta cuestión fue escrito junto con Boris Podolsky y Nathan Rosen en 1935. En este artículo, la corrección de una teoría, juzgada por el grado de acuerdo entre las conclusiones de la teoría y la experiencia humana, fue cuidadosamente distinguiéndose de su integridad, un requisito necesario para este último es que cada elemento de la realidad física en cuestión debe tener una contraparte en la teoría.
El objetivo principal del artículo era producir un ejemplo de una situación física en la que, en principio, era posible realizar dos mediciones precisas de cantidades físicas complementarias, como la posición y el momento, desafiando el principio de incertidumbre de Heisenberg. Esto dice que en el caso de dos cantidades complementarias, cuanto más exactamente medimos una de las cantidades, mayor es la incertidumbre en nuestra medición de la otra. Einstein concluyó que la descripción de la mecánica cuántica de la realidad física es incompleta. Aunque muchos físicos han rechazado esta conclusión, otros creen que la dificultad expuesta por Einstein, Podolsky y Rosen nunca se ha resuelto satisfactoriamente.
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Retirada del positivismo:
Con el desarrollo de la relatividad general, que no habría sido posible sin recurrir a sofisticadas técnicas matemáticas, Einstein se apartó del positivismo. Se dio cuenta de que el crecimiento de la física depende de teorías que a menudo están muy alejadas de nuestra experiencia de observación. En su opinión, aunque las consecuencias de una teoría deben probarse empíricamente, sus axiomas no son inferencias automáticas de la experiencia, sino creaciones libres de la mente humana, guiadas por consideraciones de simplicidad y belleza matemáticas. Hasta el final de su vida conservó una profunda creencia en la armonía y la máxima «capacidad de conocimiento» de la naturaleza.
