Ensayo "Una faceta desconocida de Einstein"

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Introducción

Se presenta en este libro un aspecto poco conocido de la obra científica de Albert Einstein. La mayoría de la gente asocia el nombre de Einstein con la teoría de la relatividad. Hacia fines del siglo pasado se creía que, en esencia, la física ya estaba hecha. Es en este ambiente que Einstein revolucionó las ideas de la física publicando en 1905 la teoría de la relatividad. En este mismo año apareció, también bajo su firma, un trabajo sobre la naturaleza cuántica de la luz y, por si esto fuera poco, publicó además su famoso trabajo sobre el movimiento browniano.  Con la segunda publicación mencionada, Einstein inició, de hecho, como se verá en este libro, otra revolución con la teoría cuántica. A diferencia de lo que ocurrió con la relatividad, el conjunto de ideas de Einstein sobre los "cuanta" no fue fácilmente aceptado por sus colegas. Durante mucho tiempo Einstein estuvo solo. A pesar de eso, no se rindió sino que con grandes bríos publicó otro notable trabajo en 1907 en el que presentó la teoría cuántica de los calores específicos, generalizando las ideas ya expresadas en 1905 para aplicarlas también a la materia. Posteriormente, en 1909, fue el primero en hablar de la dualidad partícula-onda que presenta la naturaleza de la luz. En la formulación de la teoría cuántica, se dieron dos caminos completamente alejados uno del otro que, con el tiempo, Einstein hizo que convergieran. Uno, el de las propiedades termodinámicas de las sustancias, como por ejemplo el calor específico. El otro, completamente aparte del anterior, el de la radiación de luz y sus propiedades térmicas. Cada uno de estos campos se desarrolló en forma independiente, sin que se sospechara que los problemas irresolubles que se presentaban en cada uno de ellos tenían una causa común. Fue Einstein quien pudo aclarar estas cuestiones. 

Desarrollo

Pues este libro es de manera personal un gran libro ya que muestra como su título lo sugiere una faceta o lado que tal vez no es muy difundido o conducido de Albert Einstein, ya que la mayoría de la gente, e inclusive yo antes de leer este libro, lo relacionamos en gran medida solo con  la teoría de la relatividad, si esta teoría fue la que lo catapulto pero no por eso quiere decir que solo realizo investigaciones en esa zona de la física. Pero además de esta grandiosa teoría tubo sus grandes aportaciones en el ámbito de la termodinámica y del efecto fotoeléctrico  pues ya que él fue el que organizo o propuso las bases para la teoría que conocemos actualmente. Pues para entender mejor el libro su estructura fue la adecuada ya que primero nos dan las bases por decirlo así de estas teorías para que sea más fácil entender. Por lo que yo también seguiré este orden pues bien comenzando el libro nos da en el capítulo 1 una definición de lo que es el calor especifico la cual es: “La cantidad de calor que es necesario que absorba un gramo de una sustancia para aumentar su temperatura en 1ºC”  (1)  y además la explicación a través de la termodinámica, esto fue logrado a través de varios experimentos que fueron haciendo los científicos de aquellas épocas como lo fue Joseph Black el cual en 1760 dio origen al concepto del calor especifico, otro científico importante fue Antoine Lavoisier ya que él fue uno de los primeros en intentar medir el calor especifico de los diferentes materiales en este caso de los gases. Aunque los científicos Dulong y Petit fueron los pioneros en la creación de leyes relacionadas con este aspecto del calor especifico ya que enunciaron la “Ley de Dulong-Petit” en la cual nos dice que si se tomaran muestras de distintos cuerpos pero que tengan el mismo número de átomos, entonces sus calores específicos serán iguales, esta ley solo se fundamenta en los aspectos macroscópicos, es decir, tal como se han presentado las cosas, no ha tenido ninguna relevancia que las sustancias estén formadas por átomos o no. Esta ley fue muy innovadora en aquel entonces debido a que se tomó como base para posteriores experimentos. Pero debido a que esta ley no veía aspectos microscópicos surgieron las primeras situaciones de error o que no concordaban con la teoría cinética moderna, en la cual resalta el nombre de Maxwell, ya que él fue el que pudo medir la velocidad de los átomos en un gas el cual está en equilibrio, de la cual se derivó la distribución maxwelliana. Posteriormente el mismo realizo experimentos para intentar comprobar su dicha distribución, el resultado que obtuvo fue el de encontrar el principio de equiparación de la energía el cual dice que en promedio la energía del gas se distribuye de manera uniforme entre las partículas que lo componen. Entonces cada partícula que compone el gas tiene una energía igual a (kT/2) esto fue lo que sugirió maxwell una vez realizados sus experimentos. Posterior a esta investigación realizada por maxwell Boltzmann generalizó este teorema al caso en que las partículas del gas no fueran rígidas, por lo que cada partícula puede moverse en tres direcciones diferentes, o mencionados como tres grados de libertad, entonces si aplicamos el principio de equiparación cada grado de libertad tendrá (kT/2), por lo que si un átomo tiene tres grados de libertad, en total tiene asociada una energía igual a 3 x (kT/2) = (3kT/2), que fue la que maxwell había propuesto en sus experimentos. Cabe decir que esta cantidad no depende de la temperatura. De esta manera fue como se pudo comprobar de manera microscópica por lo menos para los gases monoatómicos la “Ley de Dulong-Petit”. Hasta este momento parecía que todo iba por buen camino hasta que se decido también evaluar esta ley para gases con más de un átomo en los cuales si se aplica el principio de equiparación de la energía se obtiene que el calor específico de este tipo de gas sería 6*(k/2)=3k. Si ahora se compara este valor con el medido experimentalmente, resulta que ya no hay concordancias. Por tanto, la teoría cinética predecía valores de calores específicos que, por lo menos en algunos sistemas físicos, concuerdan muy bien con los valores medidos experimentalmente. Solamente los casos de los gases diatómicos y poliatómicos no pudieron ser explicados por la teoría cinética entonces existente. Todas esta teorías fueron desarrolladas alrededor de los años de 1860 en los cuales aún no existían los refrigeradores por lo que todas estas mediciones fueron tomadas a una temperatura ambiente o mayores, hasta que en 1876 el ingeniero alemán Carl von Linde saco su primera patente de su refrigerador de amoniaco, esta fue desarrollándose alcanzando temperaturas más bajas cada vez, aquí fue cuando comienzan las contradicciones de manera experimental en contra de la “Ley de Dulong-Petit” ya que en 1872 Weber realizo mediciones al carbón alrededor de los 50°C bajo cero y lo que fue arrojado es que el calor especifico no tenía el mismo valor que se había obtenido a una temperatura ambiente por lo cual concluyo que el calor especifico si depende de la temperatura, es aquí donde esta ley no concuerda ya que menciona que el calor especifico no depende de la temperatura. Posteriormente se realizaron más experimentos que concordaban en lo mismo, el calor específico depende de la temperatura. Por consiguiente nos podemos dar cuenta, estos resultados contradicen directamente las predicciones hechas por la teoría cinética desarrollada por Maxwell y Boltzmann ya que estas eran basadas en dicha ley de Dulong-Petit. Dado esto en 1906 después de numerosos experimentos Nernst formula la tercera ley de la termodinámica la cual se refiere a las propiedades termodinámicas de las sustancias en la cercanía del cero absoluto de temperatura. Por consecuencia el calor específico de todas las sustancias se anula al llegar su temperatura a ser cero grados absolutos, es decir a -273°C.  Esto se puede decir que son los experimentos y la situación que existía en el siglo XX. Aquí es donde ya se comienza a ver las aportaciones que realizo Einstein ya que durante mucho tiempo la cuestión de los calores específicos permaneció como uno de los problemas no resueltos de la física. La solución al problema tomó un camino que entonces no se podía advertir. Fue yendo por un camino insospechado que Albert Einstein resolvió este problema de manera satisfactoria. Esta solución al parecer en aquella época no tenía ninguna relación con el calor específico ya que el camino que comenzó a tomar o por donde comenzó a relacionarse fue la dualidad de la luz, ya que en algunos fenómenos se comportaba como partículas y en otros como ondas, pero la palabra clave aquí es el “efecto fotoeléctrico” (2) ya que este nunca pudo ser explicado por la teoría de Maxwell, en la cual se visualizaba la luz como onda, aquí es donde surge otro gran problema aunque en aquella época es de manera paralela al problema del calor especifico. Por lo que los científicos comenzaron a realizar experimento y fue Plank quien presentó, en 1900, estos resultados bajo el título "Sobre la teoría de la ley de distribución de energía del espectro normal". Es así como nació la mecánica cuántica. Esta teoría de Plank tuvo sus bases en las ideas de Boltzmann por lo cual Planck consideró que la "discretización" de la energía era solamente un artificio matemático que se había visto forzado a usar para poder aplicar dichas ideas. Posterior a esta postulación de Plank en 1905 Einstein publicó un trabajo llamado "Sobre un punto de vista heurístico concerniente a la producción y transformación de luz", más conocido como el trabajo sobre el efecto fotoeléctrico. Con esto fue el primero que dio significado a la teoría de cuantizacion de la energía. Esta teoría fue muy aceptada y fundamentada en hechos experimentales pero la gran discrepancia que había era que en algunos fenómenos la luz se comportaba como onda y en otros como partículas, por consiguiente Einstein realizo experimentos y llego a concluir que para frecuencias muy grandes el término que domina es el correspondiente a las partículas, mientras que para frecuencias muy pequeñas, el que domina es el correspondiente a ondas. Sin embargo, con las frecuencias cuyos valores no son ni altos ni bajos, los dos términos son comparables, por lo que ambos contribuyen simultáneamente. Esto significa que ¡la radiación se comporta al mismo tiempo como si fuera onda y partícula! Es decir, que hay una dualidad onda-corpúsculo. En este momento había una gran discusión entre los científicos ya que había algunos que estaban por la luz como onda y solo Johannes Stark creía en las partículas de Einstein. Aunque con el tiempo esta teoría fue aceptada mayormente. En estos momentos es donde Einstein se va enfocando al camino de resolver las dudas de los calores específicos a través de estos fenómenos que eran solo enfocados a la radiación electromagnética y en 1907 publica “La teoría de la radiación de Planck y la teoría de los calores específicos” en la cual le da relevancia a la teoría de Planck pero con enfoques en fenómenos termodinámicos, como lo fue tratar de explicar porque el calor de un sólido tiende a disminuir junto con su temperatura, esto basado en que todos los átomos oscilaban con la misma frecuencia y encontró una expresión para su calor especifico, la cual si es comparada con experimentos anteriores sus valores son similares. De esta manera Einstein explicó que el hecho de que el calor específico de una sustancia varíe el cambiar su temperatura es una manifestación macroscópica de efectos cuánticos.  Estas ideas de Einstein de explicar fenómenos termodinámicos con efectos cuánticos llevo a que varios científicos como Bohr empezaran a aplicar estos conceptos de cubanización en campos donde nunca se habían aplicado como es el caso del modelo atómico de Bohr.  Una vez establecida la nueva mecánica cuántica, se desarrolló la mecánica estadística cuántica con la que se fundamenta la termodinámica, generalizando a los dominios microscópicos la teoría cinética. Se ha podido predecir diversas propiedades termodinámicas de las sustancias, entre ellas el calor específico. El cual se determinó al aplicando la teoría de cuantizacion a las sustancias y observando que sus resultados eran muy similares a los obtenidos experimentalmente antes del siglo XX.

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