Albert Einstein - Annus mirabilis

ALBERT EINSTEIN, Ulm (actual Alemania), 1879 - Princeton (EE. UU.), 1955. Físico alemán nacionalizado estadounidense, ganador del premio Nobel de Física y famoso por ser el autor de la teoría de la relatividad (general y especial) y por sus hipótesis sobre la naturaleza corpuscular de la luz. Es probablemente el científico más conocido del siglo XX.

Título original: Annus mirabilis. Los cuatro artículos que cambiaron el mundo

Albert Einstein, 1905

Traducción: AA. VV.

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En el título de los cuatro artículo de esta obra hay una llamada a notas (en forma de [*]), con una breve introducción al contenido de dicho artículo.

Primer artículo, publicado en Annalen der Physik, nº 17, con fecha de 17 de marzo de 1905, páginas 132-148.

A partir de 1887, con los trabajos de Heinrich Hertz, se habían descubierto algunos hechos sorprendentes que se denominaban efecto fotoeléctrico y que hasta la publicación de este artículo nadie había podido explicar: la emisión de electrones por un metal cuando sobre él incidía radiación luminosa, ya sea en el visible o en el ultravioleta; la fotoconductividad o aumento de la conductividad eléctrica de un material cuando se produce la incidencia de esta radiación; y, también, el denominado efecto fotovoltaico, por el que parte de la energía de la luz incidente se convertía en energía eléctrica.

En este artículo el autor establece el concepto de cuánto o corpúsculo de luz (fotón), mostrando cómo, mediante esta idea, puede explicarse el problema del efecto fotoeléctrico, hasta entonces no resuelto. La explicación definitiva requeriría de los trabajos de Planck y de los físicos que comenzaron a desarrollar en esos años la incipiente Mecánica Cuántica.

Son muchísimas las aplicaciones prácticas que se derivaron de este descubrimiento en los años siguientes: células fotoeléctricas, rayo láser, etc.

Diagrama ilustrando la emisión de los electrones de una placa metálica, requiriendo de la energía absorbida de un fotón.

Segundo artículo, publicado en Annalen der Physik, nº 17, con fecha de 11 de mayo de 1905, páginas 549-560.

Ya en el año 1827 un botánico escocés, Robert Brown, había descubierto que los granos de polen se movían al flotar en un líquido en reposo. Los granos que flotan presentaban un movimiento impredecible a pesar de que el líquido estaba en total reposo. Aunque se intentó explicar el fenómeno durante décadas, nunca se había conseguido una explicación aceptable del mismo. Al mismo tiempo, existía una enorme controversia sobre la existencia real de los átomos.

La explicación que da Einstein en este artículo de 1905 es que los granos de polen que vio Brown se mueven porque las partículas microscópicas que los forman colisionan, como si fueran bolas de billar, con las partículas que forman el agua. La existencia de esas partículas microscópicas, los átomos, quedaría, por tanto, probada. Explica, pues, el fenómeno haciendo uso de las estadísticas del movimiento térmico de los átomos individuales que forman el fluido. La explicación de Einstein proporcionaba una evidencia experimental incontestable sobre la existencia real de los átomos. Se convertiría, en definitiva, este artículo, en una de las bases de la Mecánica Estadística y de la Teoría Cinética de los Fluidos.

El Movimiento browniano se observa en partículas que flotan en un líquido en reposo.

Tercer artículo, publicado en Annalen der Physik, nº 17, con fecha de 30 de junio de 1905, páginas 891-920.

Einstein en este artículo introduce la teoría de la relatividad especial o restringida, haciendo un estudio del movimiento de los cuerpos en ausencia de interacciones gravitacionales. Se resuelve el problema abierto con el experimento de Michelson y Morley, por el que se tuvo la certeza de que las ondas de luz se movían en ausencia de medio.

Algunas de las fórmulas fundamentales de este artículo ya habían sido introducidas por Hendrik Lorentz en 1903 a fin de dar una formulación matemática a una conjetura hecha por George Fitzgerald en 1894 a la vista del experimento de Michelson y Morley, según la cual tal experimento podría explicarse claramente si los cuerpos se contraen en la dirección del movimiento.

Las ideas básicas que se muestran en el artículo son la reformulación del principio de simultaneidad de Galileo, por el que las leyes de la física han de ser invariantes para todos los observadores que se mueven relativamente a velocidad constante; y que la velocidad de la luz es constante para cualquier observador y no depende del movimiento del foco emisor.

La teoría que plantea el artículo se denominaría más tarde «teoría especial de la relatividad» o «teoría de la relatividad restringida» para distinguirla de la «teoría de la relatividad general», que sería formulada por el mismo Einstein en 1915 y en la que se consideran ya los efectos de la gravedad y la aceleración.

Gráfico del Cono de luz que describe el espacio cuadrimensional: el eje horizontal (el plano) figura las tres dimensiones espaciales, y en el eje vertical la dimensión temporal.

Cuarto artículo, publicado en Annalen der Physik, nº 17, con fecha de 27 de septiembre de 1905, páginas 639-641

Muestra cómo una partícula con masa posee un tipo de energía, «energía en reposo», distinta de las clásicas energía cinética y energía potencial. Deduce Einstein en el artículo que, llamando L a la energía emitida por un cuerpo, y c a la velocidad de la luz, la variación de masa del cuerpo es

m = L/c2

lo que implica que la energía E de un cuerpo en reposo es igual a la masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz.

E = mc2

Hoy se acostumbra a interpretar la fórmula de la energía como que la materia puede convertirse en energía, y, recíprocamente, la energía se convierte en materia. Habríamos de interpretar el principio de conservación de la energía afirmando la constancia en un sistema cerrado de la masa más la energía.

Las consecuencias de esto son harto conocidas, en particular, por sus extraordinarias consecuencias hemos de mencionar la producción de energía nuclear. La cantidad de energía liberada por la fisión de los núcleos atómicos se calcula como el producto de multiplicar el cuadrado de la velocidad de la luz por la diferencia entre la masa inicial y la masa de los productos de la fisión.