Por: Alfonso Padilla Vivanco
Durante la mitad del siglo XX y hasta la fecha, tanto los físicos como los historiadores, ha venido escribiendo sobre las contribuciones a la ciencia del científico alemán-suizo-americano Albert Einstein. Lo cierto es que su vida estuvo plagada de complicaciones por la época que le toco vivir.
Einstein nace el 14 de marzo de 1879 en pequeña ciudad de Ulm, en Alemania. Para 1902, trabaja como experto técnico de tercera categoría, en la oficina suiza de patentes en Berna, Suiza. Justamente en este lugar, se dice que tenía el tiempo para reflexionar sobre cuestiones fundamentales de su disciplina. La oficina de patentes fue una fuente de información para una mente ávida de conocimiento, como la de Einstein.
El año de 1905, es su annus mirabilis (año milagroso), ya que como bien se sabe, Einstein publicó sus grandes obras en la revista científica Annalen der Physik (Anales de la Física); que más tarde lo harían muy famoso, en dónde él propone teorías que explican el comportamiento de ciertos problemas de la física, las temáticas abordadas fueron: 1) el efecto fotoeléctrico, 2) el movimiento Browniano, 3) la teoría de la relatividad especial y 4) el principio de equivalencia de la masa y la energía. Esto le permitió ser galardonado con el Premio Nobel de Física del año 1921, aunque solo fue por el descubrimiento de la naturaleza corpuscular de la luz, el efecto fotoeléctrico. Por cierto se sabe ahora que Einstein fue nominado para el premio Nobel, hasta 62 veces en el transcurso de doce años.
Para finales del siglo XIX, los físicos ya contaban con una gran cantidad de información acerca del comportamiento de la luz y de la materia, sólo que los fenómenos observados; no podía ser explicados con las teorías físicas establecidas en esa época. Tanto la mecánica, la óptica, el electromagnetismo, la termodinámica, no proporcionaban explicaciones del todo adecuadas. Un ejemplo de dos leyes que fallaron para explicar los fenómenos de la radiación térmica, fueron las leyes de Rayleigh-Jeans y de Wien. Lamentablemente, en algunos casos estas leyes incluso contradecían las observaciones experimentales. Por lo que algunos de los científicos de la época se propusieron revisar las teorías existentes. Entre las observaciones que generaban mayor controversia eran aquellas relacionadas con la temperatura de un cuerpo u objeto. Se sabía que todo cuerpo que emite una cierta cantidad de radiación térmica o radiación electromagnética de espectro continuo, cambia de color según la temperatura de este cuerpo. Por lo que al aumentar la temperatura del objeto emisor, el máximo de intensidad de su espectro de radiación se va corriendo del infrarrojo al rojo, al anaranjado, al amarillo, al azul, y así sucesivamente. Un ejemplo de ello se puede observarse, al calentar un radiador térmico casero de resistencias delgadas. Pero lo asombroso es que aunque se siga calentando el material, la radiación nunca alcanza el ultravioleta. Esto es, el resultado es un haz de luz primordialmente blanca, la que cubre todo el espectro luminoso. A este fenómeno se le llamó en su momento, la catástrofe ultravioleta.
El problema mencionado en el párrafo anterior originó que muchos científicos propusieran nuevos modelos físicos y matemáticos para encontrar una explicación. Fue entonces cuando el físico alemán Max Planck en el año 1900, demostró que se podía explicar la forma en que un cuerpo emite radiación, esto si se asumía que la luz se propaga en la forma de paquetes de energía. A los que llamo cuantos. Propuso entonces la siguiente expresión matemática: E=nhν=nhc/λ, donde ν es la frecuencia de la radiación, h es la constante de Plack, c es la velocidad de la luz en el vacío y λ es la longitud de la onda luminosa, o color de la luz. Con su modelo, Planck realmente proponía que la energía estaba cuantizada (n=0, 1, 2, …), es decir que la energía solo puede tomar ciertos valores que sean múltiplos de cierta cantidad hν. Históricamente hablando, no es desconocido que; la primera manifestación de la naturaleza cuántica de la radiación, surgió del estudio de la radiación térmica que emiten los cuerpos negros. Ya que todo cuerpo u objeto emite calor en forma de radiación electromagnética, por el solo hecho de tener una temperatura. Esta temperatura genera movimiento aleatorio de las cargas eléctricas en el interior del objeto y dicho movimiento resulta en la aceleración de dichas cargas que a su vez es también fuente de radiación térmica. Con su teoría cuántica, Max Planck logró resolver el problema de la catástrofe ultravioleta, y llegó a una fórmula conocida como: ley de Planck. Esta ley explica muy bien lo observado experimentalmente.
Retomando la idea de Max Planck, Albert Einstein explica el efecto fotoeléctrico, asumiendo la naturaleza cuántica de la luz y de la energía electromagnética. Este efecto se explica usando un experimento con luz monocromática (un solo color), que entra en un tubo al vacío, dónde se encuentra un cátodo y un ánodo. Cuando la luz incide sobre el cátodo, éste emite electrones, algunos de ellos inciden sobre una segunda placa metálica, o ánodo, dando lugar a una corriente eléctrica entre las placas. La energía cinética máxima de los electrones emitidos se mide aumentando lentamente el voltaje hasta que la corriente se hace cero (voltaje de frenado). Estos experimentos dieron lugar a una nueva Física que ha tenido consecuencias favorables en la vida cotidiana, la industria, la medicina, la exploración del espacio, entre otras actividades del ser humano. Apreciable lector te invito a ver los siguientes videos:
Universidad Politécnica de Tulancingo. alfonso.padilla@upt.edu.mx
