Un físico es el medio que tienen los átomos de pensar en los átomos.
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EL UNIVERSO DE EINSTEIN
Cuando el siglo XIX se acercaba a su fin, los científicos podían considerar con satisfacción que habían aclarado la mayoría de los misterios del mundo físico: electricidad, magnetismo, gases, óptica, acústica, cinética y mecánica estadística, por mencionar sólo unos pocos, estaban todos alineados en orden ante ellos. Habían descubierto los rayos X, los rayos catódicos, el electrón y la radiactividad, inventado el ohmio, el vatio, el kelvin, el julio, el amperio y el pequeño ergio.
Si algo se podía hacer oscilar, acelerar, perturbar, destilar, combinar, pesar o gasificar lo habían hecho, y habían elaborado en el proceso un cuerpo de leyes universales tan sólido y majestuoso que aún tendemos a escribirlas con mayúsculas: la Teoría del Campo Electromagnético de la Luz, la Ley de Proporciones Recíprocas de Richter, la Ley de los Gases de Charles, la Ley de Volúmenes Combinatorios, la Ley del Cero, el Concepto de Valencia, las Leyes de Acción de Masas y otras innumerables leyes más. El mundo entero traqueteaba y resoplaba con la maquinaria y los instrumentos que había producido su ingenio. Muchas personas inteligentes creían que a la ciencia ya no le quedaba mucho por hacer.
En 1875, cuando un joven alemán de Kiel, llamado Max Planck, estaba decidiendo si dedicaba su vida a las matemáticas o a la física, le instaron muy encarecidamente a no elegir la física porque en ella ya estaba todo descubierto. El siglo siguiente, le aseguraron, sería de consolidación y perfeccionamiento, no de revolución, Planck no hizo caso. Estudió física teórica y se entregó en cuerpo y alma a trabajar sobre la entropía, un proceso que ocupa el centro de la termodinámica, que parecía encerrar muchas posibilidades para un joven ambicioso.* En 1891 obtuvo los resultados que buscaba y se encontró con la
* Es, concretamente, una medida del azar o desorden de un sistema. Darrell Ebbing sugiere con gran sentido práctico, en el manual Química General [Ebbing, General Chemistry, p. 755.], que se piense en una baraja. Una baraja nueva recién sacada del estuche, ordenada por palos y numéricamente del as al rey, puede decirse que está en su estado ordenado. Baraja las cartas y la pondrás en un estado desordenado. La entropía es un medio de medir exactamente lo desordenado que está ese estado y de determinar la probabilidad de ciertos
decepción de que el trabajo importante sobre la entropía se había hecho ya en realidad, en este caso lo había hecho un solitario profesor de la Universidad de Yale llamado J. Willard Gibbs.
Gibbs tal vez sea la persona más inteligente de la que la mayoría de la gente haya oído hablar. Recatado hasta el punto de rozar la invisibilidad, pasó casi la totalidad de su vida, salvo los tres años que estuvo estudiando en Europa, sin salir de un espacio de tres manzanas en que se incluían su casa y el campus de Yale de New Haven, Connecticut. Durante sus diez primeros años en Yale, ni siquiera se molestó en cobrar el sueldo. (Tenía medios propios suficientes.) Desde 1871, fecha en la cual se incorporó como profesor a la universidad, hasta 1903, cuando murió, sus cursos atrajeron a una media de poco más de un alumno por semestre.1 Su obra escrita era difícil de seguir y utilizaba una forma
personal de anotación que resultaba para muchos incomprensible. Pero enterradas entre sus arcanas formulaciones había ideas penetrantes de la inteligencia más excelsa.
Entre 1875 y 1878 Gibbs escribió una serie de artículos, titulados colectivamente Sobre el equilibrio de los sistemas heterogéneos, que aclaraba los principios termodinámicos de…, bueno, de casi todo:2 «Gases, mezclas,
superficies, sólidos, cambios de fase… reacciones químicas, células electroquímicas, sedimentación y ósmosis», por citar a William H. Cropper. Lo que Gibbs hizo fue, en esencia, mostrar que la termodinámica no se aplicaba simplemente al calor y la energía3 al tipo de escala grande y ruidosa del motor
de vapor, sino que estaba también presente en el nivel atómico de las reacciones químicas e influía en él. Ese libro suyo ha sido calificado de los «Principia de la termodinámica»,4 pero, por razones difíciles de adivinar, Gibbs decidió publicar
estas observaciones trascendentales en las Transactions of the Connecticut
Academy of Arts and Sciences, una revista que conseguía pasar casi desapercibida
incluso en Connecticut, que fue la razón por la que Planck no oyó hablar de él hasta que era ya demasiado tarde.
Planck, sin desanimarse —bueno, tal vez estuviese algo desanimado—, pasó a interesarse por otras cuestiones.* Nos interesaremos también nosotros
por ellas dentro de un momento, pero tenemos que hacer antes un leve (¡pero relevante!) desvío hasta Cleveland, Ohio, y hasta una institución de allí que se
resultados con posteriores barajeos. Para entender plenamente la entropía no hace falta más que entender conceptos como nouniformidades térmicas, distancias reticulares y relaciones estequiométricas, pero la idea general es ésa. (N. del A.)
* Planck fue bastante desgraciado en la vida. Su amada primera esposa murió pronto, en 1909,
y al más pequeño de sus hijos le mataron en la Primera Guerra Mundial. Tenía también dos hijas gemelas a las que adoraba. Una murió de parto. La superviviente fue a hacerse cargo del bebé y se enamoró del marido de su hermana. Se casaron y, al cabo de dos años, ella murió también de parto. En 1944, cuando Planck tenía ochenta y cinco años, una bomba de los Aliados cayó en su casa y lo perdió todo, artículos, notas, diarios, lo que había acumulado a lo largo de toda una vida. Al año siguiente, el hijo que le quedaba fue detenido y ejecutado por participar en una conspiración para matar a Hitler. (N. del A.)
llamaba por entonces Case School of Applied Science. En ella, un físico que se hallaba por entonces al principio de la edad madura, llamado Albert Michelson, y su amigo el químico Edward Morley se embarcaron en una serie de experimentos que produjo unos resultados curiosos e inquietantes que habrían de tener repercusiones en mucho de lo que seguiría.
Lo que Michelson y Morley hicieron, sin pretenderlo en realidad, fue socavar una vieja creencia en algo llamado el éter luminífero, un medio estable, invisible, ingrávido, sin fricción y por desgracia totalmente imaginario que se creía que impregnaba el universo entero. Concebido por Descartes, aceptado por Newton y venerado por casi todos los demás desde entonces, el éter ocupó una posición de importancia básica en la física del siglo XIX para explicar cómo viajaba la luz a través del vacío del espacio. Se necesitó, sobre todo, en la década de 1800, porque la luz y el electromagnetismo se consideraron ondas, es decir, tipos de vibraciones. Las vibraciones tienen que producirse en algo; de ahí la necesidad del éter y la prolongada devoción hacia él. El gran físico británico J. J. Thompson insistía en 1909: «El éter no es una creación fantástica del filósofo especulativo; es tan esencial para nosotros como el aire que respiramos», eso más de cuatro años después de que se demostrase indiscutiblemente que no existía. En suma, la gente estaba realmente apegada al éter.
Si necesitases ejemplificar la idea de los Estados Unidos del siglo XIX como un país de oportunidades, difícilmente podrías encontrar un ejemplo mejor que la vida de Albert Michelson. Nacido en 1852 en la frontera germanopolaca en una familia de comerciantes judíos pobres, llegó de muy pequeño a Estados Unidos con su familia y se crió en un campamento minero de la región californiana de la fiebre del oro,5 donde su padre tenía una tienda. Demasiado
pobre para pagarse los estudios en una universidad, se fue a la ciudad de Washington y se dedicó a holgazanear junto a la puerta de entrada de la Casa Blanca para poder colocarse al lado del presidente, Ulysses S. Grant cuando salía a oxigenarse y estirar las piernas dando un paseo. (Era, no cabe duda, una época más inocente.) En el curso de esos paseos, Michelson consiguió llegar a congraciarse tanto con el presidente que éste accedió a facilitarle una plaza gratuita en la Academia Naval. Fue allí donde Michelson aprendió física.
Diez años más tarde, cuando era ya profesor de la Case School of Applied Science de Cleveland, Michelson se interesó por intentar medir una cosa llamada desviación del éter, una especie de viento de proa que producían los objetos en movimiento cuando se desplazaban por el espacio. Una de las predicciones de la física newtoniana era que la velocidad de la luz, cuando surcaba el éter, tenía que variar respecto a un observador según que éste estuviese moviéndose hacia la fuente de luz o alejándose de ella, pero a nadie se le había ocurrido un procedimiento para medir eso. Michelson pensó que la Tierra viaja una mitad del año hacia el Sol y se aleja de él la otra mitad. Consideró que, si se efectuaban mediciones lo suficientemente cuidadosas en
estaciones opuestas y se comparaba el tiempo de recorrido de la luz en las dos, se obtendría la solución.*
Michelson habló con Alexander Graham Bell, inventor recién enriquecido del teléfono, y le convenció de que aportase fondos para construir un instrumento ingenioso y sensible, ideado por Michelson y llamado interferómetro, que podría medir la velocidad de la luz con gran precisión. Luego, con la ayuda del genial pero misterioso Morley, Michelson se embarcó en dos años de minuciosas mediciones. Era un trabajo delicado y agotador, y, aunque tuvo que interrumpirse durante un tiempo para permitir a Michelson afrontar una crisis nerviosa breve e intensa, en 1887 tenían los resultados. No eran en modo alguno lo que los dos científicos habían esperado encontrar.
Como escribió el astrofísico del Instituto Tecnológico de California Kip S. Thorne: «La velocidad de la luz resultó ser la misma en todas las direcciones y en todas las estaciones».6 Era el primer indicio en doscientos años (en doscientos
años exactamente, además) de que las leyes de Newton podían no tener aplicación en todas partes. El resultado obtenido por Michelson–Morley se convirtió, en palabras de William H. Cropper, «probablemente en el resultado negativo más famoso de la historia de la física».7 Michelson obtuvo el premio
Nobel de Física por su trabajo —fue el primer estadounidense que lo obtenía—, pero no hasta veinte años después. Entre tanto, los experimentos de Michelson– Morley flotarían en el trasfondo del pensamiento científico como un desagradable aroma mohoso.
Sorprendentemente, y a pesar de su descubrimiento, cuando alboreaba el siglo XX, Michelson se contaba entre los que creían que el trabajo de la ciencia estaba ya casi acabado,8 que quedaban «Sólo unas cuantas torrecillas y
pináculos que añadir, unas cuantas cumbreras que construir», en palabras de un colaborador de Nature.
En realidad, claramente, el mundo estaba a punto de entrar en un siglo de la ciencia en el que muchos no entenderían nada y no habría nadie que lo entendiese todo. Los científicos no tardarían en sentirse perdidos en un reino desconcertante de partículas y antipartículas, en que las cosas afloraban a la existencia y se esfumaban de ella en periodos de tiempo que hacían que los nanosegundos pareciesen lentos, pesados y sin interés, en que todo era extraño. La ciencia estaba desplazándose de un mundo de macrofísica, en que se podían coger y medir los objetos, a otro de microfísica, en que los acontecimientos sucedían con inconcebible rapidez en escalas de magnitud muy por debajo de
* Aquí hay una serie de imprecisiones. Si bien es cierto que la órbita de la Tierra es elíptica y por tanto hay una parte del año que ésta se acerca al Sol (perihelio, a inicios de enero), y otra en la que se aleja, esto no tiene nada que ver con el experimento. Lo que variaría en extremos opuestos de la órbita de la Tierra sería su velocidad relativa respecto al hipotético éter. En realidad, la distancia a la fuente de luz, o sea al Sol, debería de ser constante. Además, es muy engañoso meter a las estaciones en la explicación del experimento. (N. del R.)
los límites imaginables. Estábamos a punto de entrar en la era cuántica, y la primera persona que empujó la puerta fue el hasta entonces desdichado Planck.
En 1900, cuando era un físico teórico de la Universidad de Berlín, y a la edad de cuarenta y dos años, Planck desveló una nueva «teoría cuántica», que postulaba que la energía no es una cosa constante como el agua que fluye, sino que llega en paquetes individualizados a los que él llamó «cuantos». Era un concepto novedoso. A corto plazo ayudaría a dar una solución al rompecabezas de los experimentos de Michelson–Morey, ya que demostraba que la luz no necesitaba en realidad una onda. A largo plazo pondría los cimientos de la física moderna. Era, de cualquier modo, el primer indicio de que el mundo estaba a punto de cambiar.
Pero el acontecimiento que hizo época (el nacimiento de una nueva era) llegó en 1905 cuando apareció en la revista de física alemana, Annalen der
Physik, una serie de artículos de un joven oficinista suizo que no tenía ninguna
vinculación universitaria, ningún acceso a un laboratorio y que no disfrutaba del uso de más biblioteca que la de la Oficina Nacional de Patentes de Berna, donde trabajaba como inspector técnico de tercera clase. (Una solicitud para que le ascendieran a inspector técnico de segunda había sido rechazada recientemente.)
Este burócrata se llamaba Albert Einstein, y en aquel año crucial envió a
Annalen der Physik cinco artículos, de los que, según C. P. Snow, tres «figurarían
entre los más importantes de la historia de la física».9 Uno de ellos analizaba el
efecto fotoeléctrico por medio de la nueva teoría cuántica de Planck, otro el comportamiento de pequeñas partículas en suspensión (lo que se conoce como movimiento browniano) y el otro esbozaba la Teoría Especial de la Relatividad.
El primero proporcionaría al autor un premio Nobel y explicaba la naturaleza de la luz —y ayudó también a hacer posible la televisión, entre otras cosas—.* El segundo proporcionó pruebas de que los átomos existían
realmente… un hecho que había sido objeto de cierta polémica, aunque parezca sorprendente. El tercero sencillamente cambió el mundo.
Einstein había nacido en Ulm, en la Alemania meridional, en 1879, pero se crió en Múnich. Hubo poco en la primera parte de su vida que anunciase la futura grandeza. Es bien sabido que no aprendió a hablar hasta los tres años. En la década de 1890 quebró el negocio de electricidad de su padre y la familia se
* Einstein fue honrado, sin mucha precisión, «por servicios a la física teórica”. Tuvo que esperar dieciséis años, hasta 1921, para recibir el premio, que es mucho tiempo si
consideramos todo el asunto, pero muy poca cosa si lo comparamos con el caso de Frederick Reines, que detectó el neutrino en 1957 y no fue honrado con un Nobel hasta 1995, treinta y
ocho años después, o el alemán Ernsy Ruska, que inventó el microscopio electrónico en 1932 y recibió su premio Nobel en 1986, más de medio siglo después del hecho. Como los premios
Nobel nunca se conceden a título póstumo, la longevidad puede ser un factor tan importante como la inteligencia para conseguirlo. (N. del A.)
trasladó a Milán, pero Albert, que era por entonces un adolescente, fue a Suiza a continuar sus estudios… aunque suspendió los exámenes de acceso a los estudios superiores en un primer intento. En 1896 renunció a la nacionalidad alemana para librarse del servicio militar e ingresó en el instituto Politécnico de Zúrich para hacer un curso de cuatro años destinado a formar profesores de ciencias de secundaria. Era un estudiante inteligente, pero no excepcional.
Se graduó en 1900 y, al cabo de pocos meses, empezó a enviar artículos a
Annalen der Physik. El primero, sobre la física de fluidos en las pajas que se
utilizan para beber10 —nada menos—, apareció en el mismo número que el de la
teoría cuántica de Planck. De 1902 a 1904 escribió una serie de artículos sobre mecánica estadística, pero no tardó en enterarse de que el misterioso y prolífico J. Willard Gibbs de Connecticut había hecho también ese trabajo11 en su
Elementary Principles of Statistical Mechanics [Principios elementales de la
mecánica estadística] de 1901.
Albert se había enamorado de una compañera de estudios, una húngara llamada Mileva Maric. En 1901 tuvieron una hija sin estar casados aún y la entregaron discretamente en adopción. Einstein nunca llegó a ver a esa hija. Dos años después, Marie y él se casaron. Entre un acontecimiento y otro, en 1902, Einstein entró a trabajar en una oficina de patentes suiza, en la que continuaría trabajando los siete años siguientes. Le gustaba aquel trabajo: era lo bastante exigente como para ocupar su pensamiento, pero no tanto como para que le distrajese de la física. Ése fue el telón de fondo sobre el que elaboró en 1905 la Teoría Especial de la Relatividad.
«Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento» es uno de los artículos científicos más extraordinarios que se hayan publicado,12 tanto por la
exposición como por lo que dice. No tenía ni notas al pie ni citas, casi no contenía formulaciones matemáticas, no mencionaba ninguna obra que lo hubiese precedido o influido y sólo reconocía la ayuda de un individuo, un colega de la oficina de patentes llamado Michele Besso. Era, escribió C. P. Snow, como si Einstein «hubiese llegado a aquellas conclusiones por pensamiento puro, sin ayuda,13 sin escuchar las opiniones de otros. En una medida
sorprendentemente grande, era precisamente eso lo que había hecho».
Su famosa ecuación E = mc2, no apareció en el artículo sino en un breve
suplemento que le siguió unos meses después. Como recordarás de tu época de estudiante, en la ecuación, E representa la energía, m la masa y c2 el cuadrado de
la velocidad de la luz.
Lo que viene a decir la ecuación, en términos más simples, es que masa y energía tienen una equivalencia. Son dos formas de la misma cosa: energía es materia liberada; materia es energía esperando suceder. Puesto que c2 (la
enorme, lo que está diciendo la ecuación es que hay una cuantía inmensa — verdaderamente inmensa— de energía encerrada en cualquier objeto material.*
Es posible que no te consideres excepcionalmente corpulento, pero si eres un adulto de talla media contendrás en tu modesta estructura un mínimo de 7 × 1018 julios de energía potencial…14 lo suficiente para estallar con la fuerza de 30
bombas de hidrógeno muy grandes, suponiendo que supieses liberarla y quisieses realmente hacerlo. Todas las cosas tienen ese tipo de energía atrapada dentro de ellas. Lo único que pasa es que no se nos da demasiado bien sacarla. Hasta una bomba de uranio (la cosa más energética que hemos fabricado hasta ahora) libera menos del 1% de la energía que podría liberar,15 si fuésemos un
poco más inteligentes.