Es difícil exagerar la importancia de la contribución de la física a la humanidad. Sus descubrimientos han generado numerosos avances técnicos que han cambiado nuestras vidas. La física clásica dio lugar a la pila eléctrica, la turbina, la comunicación sin hilos, el motor de gasolina, la aeronáutica. La física del siglo XX ha generado la electrónica, el láser, la resonancia magnética, la telefonía móvil, Internet.
Una era dorada de la física
En muchos sentidos, la física es la primera y más fundamental de todas las ciencias. La biología se preocupa de la vida, la química de la diversidad de la composición de la materia, la matemática busca relaciones exactas entre conceptos ideales. La física es la única ciencia que tiene como objeto la descripción cuantitativa de toda la realidad material. Se ocupa de las propiedades íntimas del núcleo atómico y de la estructura global universo, de la comprensión de los sólidos, de los líquidos y los gases, de la evolución de las estrellas, de la electricidad y la electrónica, del calor, de la luz, de la atmósfera, de la tierra, del sistema solar, y de los procesos biológicos. Y aunque todas las aplicaciones prácticas son bienvenidas, no es el desarrollo técnico el principal objeto de la física. Su motor primero es la búsqueda del conocimiento. Cuando hay verdadero progreso científico, las aplicaciones técnicas llegan por sí solas.
En la actualidad, lejos de languidecer, la física parece estar viviendo una época de oro en la que no cesan de surgir horizontes nuevos. En conjunto, resulta asombrosa la comprensión cada vez más fina de las consecuencias de las leyes conocidas, así como la capacidad actual para manipular y diseñar la materia a escala atómica. La cosmología está todavía en sus comienzos, especialmente si recordamos que aún no se ha abierto la ventana de las ondas gravitacionales, cuya detección es uno de los máximos retos de la ciencia actual. La teoría de supercuerdas intenta unificar todas las fuerzas de la naturaleza. La meteorología pugna por la comprensión del cambio climático. La biofísica se nos presenta como virtualmente ilimitada. La nanociencia está sentando las bases de una nueva revolución tecnológica. El procesamiento de la información cuántica está revolucionando la criptografía y puede llevar a la creación de ordenadores con una capacidad ahora impensable.
El año de Einstein
La elección de 2005 como Año Internacional de la Física ha estado favorecida por la celebración del primer cen tenario del "annus mirabilis" de Albert Einstein, así como del quincuagésimo aniversario de su muerte, acaecida el 18 de abril de 1955.
Se habla de 1905 como el "año admirable", porque durante ese año Albert Einstein publicó cinco artículos de tal relevancia que cada uno de ellos por separado le habría asegurado un puesto de honor en la historia de la física. Semejante gesta la realizó con lápiz y papel, durante el tiempo libre que le dejaba su trabajo en una oficina de patentes, y con tan sólo 26 años de edad. Los artículos de 1905 tratan de tres temas diferentes: la explicación del efecto fotoeléctrico a través de la existencia del cuanto de luz (o fotón), la teoría del movimiento corpuscular aleatorio (o browniano) y la teoría de la relatividad especial (sin gravitación).
Einstein explicó el efecto fotoeléctrico proponiendo que la energía de un haz de luz no podía tomar cualquier valor sino que venía en paquetes discretos o cuantos de luz que hoy día llamamos fotones. En determinadas condiciones, cuando un sólido recibe luz, algunos electrones absorben esa mínima dosis de energía y son emitidos al exterior. Inspirado en la hipótesis que Max Planck formuló en 1900 para explicar la radiación de un cuerpo negro, el trabajo de Einstein supuso la confirmación definitiva de la existencia real del cuanto de luz. La era de la física cuántica había comenzado.
Ese mismo año publicó dos trabajos sobre el movimiento browniano, observado en 1827 por el botánico escocés Robert Brown en los granos de polen en disolución. Einstein se dio cuenta de que el movimiento errático de esos granos de polen de tamaño micrométrico, sólo observables mediante el microscopio, no era más que la ampliación de un movimiento aleatorio causado directamente por las colisiones con los átomos del líquido solvente.
La teoría atómica, confirmada
Desde su propuesta en la antigüedad por Demócrito a su formulación moderna por el químico Dalton y por los creadores de la teoría cinética de los gases, Boltzmann y Maxwell, el concepto de átomo había pasado de ser una mera especulación a una construcción mental considerada útil pero de dudosa realidad. Einstein investigó teóricamente la relación entre el movimiento browniano y el movimiento aleatorio de trillones de átomos. De este modo realizó la primera estimación del tamaño de los átomos, calculó de forma independiente el número de Avogadro (ese número gigante que equivale al número de moléculas de agua contenidas en una cucharada), y predijo una relación –luego comprobada experimentalmente– entre la difusión de los granos de polen y la viscosidad del solvente. Ante resultados tan contundentes, hasta los más escépticos se convencieron de la existencia real de los átomos. La teoría atómica de la materia había adquirido definitivamente carta de ciudadanía.
La tercera cuestión que Einstein afrontó en aquel año milagroso fue la formulación de la teoría de la relatividad especial, que ofrecía una visión completamente nueva del espacio y del tiempo en su relación con el movimiento de los cuerpos. Para explicar ciertos experimentos sobre la velocidad de la luz salvando las leyes del electromagnetismo que Maxwell había formulado medio siglo antes, Einstein postuló que la velocidad de un rayo de luz era la misma para todos los observadores con independencia de su estado de movimiento. Así llegó a concluir que la longitud de un objeto tiene un valor menor para un observador que se encuentra en movimiento con respecto a ese objeto, y que un reloj en movimiento mueve sus agujas más despacio que uno en reposo. Einstein no sabía que estos efectos habían sido predichos un año antes por otros científicos, principalmente por el físico holandés Hendrik Lorentz. Einstein fue más lejos y dedujo que la energía y la masa de un cuerpo estaban relacionadas a través de la expresión E=mc2, quizás la ecuación más famosa de la ciencia moderna.
El genio que cambió nuestras vidas
Los trabajos de Einstein de 1905 están en la base de muchos de los grandes avances científicos y tecnológicos del último siglo. La combinación de la teoría atómica y la física cuántica ha cambiado radicalmente nuestras vidas.
La teoría del movimiento browniano ha permitido ahondar en nuestra comprensión de la física estadística, las fluctuaciones y la irreversibilidad, con ramificaciones que van desde los motores moleculares que mantienen la vida hasta las oscilaciones erráticas del mercado de valores. La relación entre masa y energía ha permitido el desarrollo de la energía nuclear, con algunas consecuencias temibles pero también con aplicaciones pacíficas de las que nos beneficiamos a diario.
Asombrosamente, el trabajo más importante de Einstein, el que terminaría de coronarle como un icono de la ciencia sólo comparable a Isaac Newton, llegó unos años después, entre 1915 y 1917, con la formulación de la teoría de la relatividad general, que desvelaba la estructura del espacio-tiempo en presencia de gravitación. Se ha dicho a veces que los trabajos de 1905 estuvieron motivados por experimentos que preocupaban a muchos científicos. Sin Einstein, otros físicos habrían llegado a las mismas conclusiones, quizá con un retraso de unos diez años. Por el contrario, la relatividad general es fruto directo del genio individual de Einstein, quien se adelantó en varias décadas a su tiempo motivado únicamente por su creencia en la armonía de las leyes del universo. En 1919, una expedición germano-británica observó un eclipse total de sol y corroboró una de las predicciones más audaces: la desviación de la luz por efecto de la gravedad. Albert Einstein se convierte entonces en una celebridad mundial y en un mito para la historia.
*Fernando Sols es catedrático de Física
en la Universidad Complutense (Madrid).
