Montaje de Einstein con un elemento para un

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Montaje de Einstein con un elemento
para un giróscopo de la sonda Gravity
Probe B, que la NASA ha lanzado para
comprobar una precisión de la Teoría de
la relatividad general.
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Códigos de barras, GPS, lectores
láser o las pantallas del ordenador existen
gracias a las teorías de Einstein
La relatividad
de la logística
Por: MÓNICA SALOMÉ
Este año se cumple un siglo de la famosa Teoría de la
Relatividad Especial de Einstein. Un trabajo que es
responsable –aunque muy pocos se den cuenta en su día
a día– de artículos tan cotidianos en el mundo de la
logística como los códigos de barras, los lectores láser o
las pantallas de ordenador.
D
urante 2005 la teoría de la Relatividad
Especial cumple un siglo: 1905 fue el
annus mirabilis de Einstein, el año en el que el
más famoso de todos los físicos de la historia
condensó la mayoría de sus descubrimientos
fundamentales. Y quien piense que es una celebración restringida a la élite científica, se
equivoca.
Cosas tan cotidianas como los códigos de barras, los lectores láser, las células fotoeléctricas, las fotocopiadoras o ¡las pantallas! –que
se usan en infinidad de procesos logísticos–
deben su existencia a los descubrimientos de
Einstein. Descubrimientos nacidos a su vez de
algo tan abstracto, tan poco palpable, como la
capacidad de pensar en la naturaleza del espacio y del tiempo. Por eso lo que sigue es un cúmulo de pruebas que demuestran que la ciencia
básica, incluso en su vertiente más abstracta,
es la madre del progreso. Hasta el moderno sistema de navegación por satélite GPS necesita la
Relatividad Especial.
En 1905 Albert Einstein tenía 26 años y trabajaba en la oficina de patentes suiza. Se llamaba a sí
mismo "esclavo de las patentes". Mientras por
sus manos pasaban los inventos de otros, el joven físico se dedicaba a hacer experimentos
mentales. De niño, Einstein no había sido un estudiante modelo. A los nueve años sus padres
dudaban de si tendría cierto retraso mental porque se mostraba tímido y hablaba de forma titubeante. Sin embargo no sacaba malas notas, y
además destacaba en matemáticas. Se le describe como observador y con capacidad de concentración –él mismo contaba a menudo lo mucho
que le impresionó a los cuatro o cinco años ver
una brújula; esa aguja que siempre apuntaba al
norte le convenció de que debía de haber "algo
tras las cosas, algo profundamente oculto"–.
Como estudiante también era autodidacta y rechazaba los métodos basados en la disciplina y
la memorización. La mayor parte de sus estudios
de física y matemáticas los hacía en casa ya an-
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CIENCIA LOGÍSTICA
tes de entrar en la universidad, y una vez en ella
la tónica no cambió mucho –sus profesores, diría
él mismo: "No se enteraban de nada"–.
En parte por ese rechazo al sistema, en ese famoso año de 1905 todavía no había conseguido
doctorarse. Es más, Albert Einstein había sido
rechazado en varias universidades antes de
conseguir su puesto en la oficina de patentes.
Los lectores de códigos
de barras se deben al genio
de Albert Einstein
Ese trabajo fue "una especie de salvación",
confesaría años después. Como se explica en la
exposición on-line sobre Einstein creada por el
Centro para la Historia de la Física: "El salario
estable y el trabajo estimulante evaluando
patentes liberó a Einstein, que empezó a ocupar su mente con los más básicos problemas
de la física de su tiempo y a publicar artículos
en revistas científicas".
Desmenuzando la luz
Así fue como en la primavera del annus mirabilis
envió a un amigo físico el primero de una serie
de artículos que él consideraba "balbuceos sin
importancia". ¿Falsa modestia? No es probable, aunque lo parezca: no sólo esos artículos
revolucionarían la ciencia moderna –y seguramente no sólo la ciencia–, sino que uno de ellos
merecería el premio Nobel de Física.
De izquierda a derecha: consola
del ordenador Univac y equipo IBM,
octubre 1956. Sala del ordenador
IBM 704 en Lawrence Livermore
(California), octubre 1956. Interior
DEL 'DISCMAN' AL LECTOR DE CÓDIGOS DE BARRAS
Por supuesto, Einstein siguió haciendo contribuciones importantes en las décadas siguientes.
Poco después de la publicación de la Teoría de la Relatividad General, en 1916, describe en un ensayo cómo se puede producir la llamada emisión estimulada de luz, esto es, un láser.
En la luz normal, las partículas –los fotones– se desplazan en todas direcciones describiendo cada
uno un tipo de onda diferente. En un láser, en cambio, todas las partículas de luz viajan describiendo exactamente las mismas ondas; además, estas ondas se 'superponen' de forma que sus crestas y valles coinciden de forma precisa, y avanzan en una misma dirección: forman el típico rayo
capaz de llegar muy lejos sin dispersarse. Pues para generar ese haz de luz tan peculiar deben darse determinadas circunstancias. Por ejemplo, la mayor parte de los átomos de la sustancia que
emitirá el láser deben estar excitados, es decir, a unos niveles de energía altos; luego, uno de los
átomos excitados debe relajarse emitiendo un fotón, y éste debe chocar con otro átomo que esté
igual de excitado que el primero. Si esto ocurre, el segundo átomo emitirá un fotón igual que el primero, fotón que a su vez chocará con otros átomos, que emitirán más fotones... Esta reacción en
cadena es lo que predijo Einstein, y lo que vemos como láser.
Los tipos y aplicaciones de los láseres hoy son incontables. Se ha logrado que muchas sustancias distintas, incluidos gases y gelatina, emitan luz láser. Se fabrican láseres de todos los tamaños, desde los que ocupan edificios enteros y sirven para simular explosiones nucleares hasta
los microscópicos usados en investigación en fotónica. Los más cotidianos están en los DVD; en
los discman y en los lectores de CD Rom; en los lectores de códigos de barras; en los punteros;
en las clínicas de estética y en un sinfín de aplicaciones médicas. Y son el alma de las telecomunicaciones aplicadas a la logística, viajando dentro del canal de luz que es la fibra óptica y transmitiendo miles de millones de bits por segundo.
Fue el primero, publicado en junio y titulado "Sobre un punto de vista heurístico acerca de la creación y transformación de la luz". En él, Einstein
afirma que la luz viaja en paquetes o cuantos,
partículas que más tarde se llamarían fotones, y
explica el efecto fotoeléctrico. No es poca cosa,
teniendo en cuenta que por entonces se consideraba casi demostrado que la luz consistía en una
onda, no en partículas. Al demostrar que la ener-
de un ordenador IBM Univac.
Imagen de un
superordenador en el
laboratorio de Lawrence
Livermore.
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tículas de luz] sobre el metal arrancan electrones, de la misma forma que la bola blanca
rompe y dispersa el triángulo de bolas al comenzar una partida de billar americano".
Foto del satélite que formará
parte de Galileo, el futuro
sistema de navegación
europeo.
Fotos: cortesía Agencia Europea del Espacio.
gía se distribuye en cantidades discretas –esos
cuantos–, Einstein pone uno de los primeros ladrillos de la mecánica cuántica, la teoría "más
exitosa de la física" moderna según el propio
científico –aunque también se negó a admitir algunos de sus fundamentos–.
En cuanto al efecto fotoeléctrico, venía a ser
una consecuencia del hecho de que la luz fueran
partículas. El efecto fotoeléctrico es lo que hace
que un metal emita electrones cuando le da la
luz, un fenómeno observado por primera vez en
1839 pero inexplicado. Einstein asumió que las
partículas de luz podían penetrar en el metal y
chocar con los átomos, de forma que un electrón saliera eyectado a gran velocidad. Como
explica Philip Yam en un reciente artículo en
Scientific American:"Los impactos de [las par-
La industria y el efecto
fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico –cuya explicación valió a
Einstein el Nobel– está hoy presente en infinidad de dispositivos electrónicos que se controlan con luz, o que reaccionan a ella. Desde los
sensores que hacen que el alumbrado público se
encienda automáticamente al atardecer hasta
las células fotoeléctricas de las puertas de los
ascensores, pasando por los sistemas que regulan la intensidad del tóner en las fotocopiadoras y por las cámaras fotográficas, que deben al
efecto fotoeléctrico su capacidad para medir la
luz ambiental. Además, gracias a este efecto se
desarrollaron los fotomultiplicadores, dispositivos que multiplican el número de electrones
generados por el efecto fotoeléctrico y que son
esenciales en las cámaras de televisión y escáneres. Y por supuesto no existiría la energía solar fotovoltaica, que funciona gracias a que las
células fotovoltaicas convierten en electricidad
entre el 15 y el 30% de la luz que incide en ellas.
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CIENCIA LOGÍSTICA
LA FAMOSA ECUACIÓN
Se debe a Einstein la ecuación más famosa de la historia: E=mc2, que en palabras significa "energía
es igual a la masa acelerada a la velocidad de la luz al cuadrado". Es esta la ecuación que está detrás
nada menos que de la bomba atómica y, por consiguiente, de la energía nuclear.
La fórmula explica la conversión de energía en materia y viceversa, y es una sorprendente consecuencia de la Teoría de la Relatividad Especial: si un cuerpo emite una cierta cantidad de energía, su
masa debe disminuir en una cantidad proporcional. Cuando se dio cuenta de ello Einstein escribió
en una carta a un amigo: "El principio de relatividad en conexión con las ecuaciones de Maxwel
exige que la masa sea una medida directa de la energía almacenada en los cuerpos; la luz transfiere masa... Esta idea es divertida y contagiosa (...)".
La demostración práctica de la idea tardó en llegar. En 1933 Irene y Joliot Curie fotografiaron la conversión de energía en masa: un cuanto de luz –invisible en la imagen– se aniquilaba y daba lugar a
dos partículas de materia antes inexistentes, cuya trayectoria es posible ver gracias al rastro que
dejan en el aire denso en una cámara especial. El mismo fenómeno de conversión de energía en materia se da en los aceleradores de partículas actuales. El proceso inverso, la conversión de materia
en energía, ocurre en las bombas atómicas y los reactores nucleares, tanto de fisión –la energía nuclear convencional– como de fusión, aún en experimentación. Se observó también por primera vez
en los años treinta.
Las moléculas existen
Por sorprendente que parezca ahora, con los físicos del siglo XXI tratando de averiguar de qué
están hechas las partículas que componen las
partículas que componen el núcleo de los átomos –y no es un error de repetición–, lo cierto
es que en 1905 muchos aún dudaban de la existencia de los mismísimos átomos, los constituyentes básicos de los elementos químicos. De
ahí la importancia del segundo trabajo publicado por Einstein aquel año. Se titulaba "Sobre
el movimiento que viene impuesto por la teoría
cinética del calor a las partículas en suspensión
en líquidos en reposo", y se publicó en julio.
Consistía en una explicación del llamado movimiento browniano, el zigzagueo caótico de los
granos de polen en agua observado a principios
del siglo XIX por Robert Brown. Este movimiento se debía, según Einstein, al golpeteo constante de las moléculas de agua, que vienen a
ser partículas mucho más pequeñas que los
granos de polen y que están permanentemente
vibrando.
La lista de cosas que debemos a Einstein
podría continuar en el plano de la física teórica y la cosmología. Por ejemplo, sin la Teoría General de la Relatividad no sabríamos
nada de la existencia de los agujeros negros, los objetos con más masa (y unos de
los más fascinantes) del Universo. Por antiintuitivo que parezca, la Teoría de la Relatividad general describe el espacio y el tiempo como formando una especie de tejido
único, de malla, que viene a ser el universo.
En este tejido están los objetos, como pelotas de distinto peso arrojadas a una inmensa malla flexible; cada objeto deforma la malla –el espacio-tiempo– en función de su
masa, de manera que los más masivos podrán generar profundísimos huecos. Esto
es lo que hacen los agujeros negros. De nuevo, no es metafísica. La inmensa mayoría de
los astrónomos considera probada su existencia. En el fondo, lo más bello del legado
de Einstein es la constatación de lo asombrosa que puede ser la realidad.
Imagen del mayor láser del mundo.
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riar en función del movimiento. Pero Einstein
estaba seguro de que ambos modelos debían
encajar, y encontró la forma de hacerlo. Su solución –expuesta en su tercer artículo de 1905–
establece que la velocidad de la luz es fija; la velocidad de la luz es, de hecho, el único parámetro que 'no' es relativo –por eso a los físicos les
zumban los oídos cuando se trivializa la Teoría
de la Relatividad diciendo que "todo es relativo"–. Si una persona que viaja en un cohete a
velocidad cercana a la de la luz enciende una
linterna, ¿qué velocidad tendrá la luz que emita? ¿Se sumará esa velocidad a la del cohete? Lo
que dice Einstein es que no: la luz emitida desde
un cohete viajará exactamente a la misma velocidad que la que enciende alguien sentado en
una mecedora en el salón de su casa.
Simulación de un compuesto con moléculas de agua, realizada en el Lawrence
Livermore National Laboratory.
A partir de este trabajo demuestra nada menos
que la existencia de los átomos, puesto que, si
hay moléculas, debe haber átomos de tamaño
definido. Además, este artículo sentó las bases
de la actual mecánica estadística, útil desde
para predecir las fluctuaciones de la Bolsa hasta para simular el comportamiento de los contaminantes en el aire.
No todo es relativo
En su tercer artículo de 1905, Einstein expuso
su famosa teoría de la Relatividad Especial –la
relatividad general, que tiene en cuenta los
efectos de la gravedad, aparecería diez años
más tarde–. No fue un alumbramiento fácil.
Más tarde confesaría: "Cuando la Teoría de la
Relatividad Especial empezó a germinar en
mí me asaltaron dudas de todo tipo. Solía pasar semanas en estado de confusión".
Como suele ocurrir en la ciencia, la Relatividad
Espacial parte de un problema a la hora de
conciliar conceptos que independientemente
funcionan bien: el llamado Principio de la Relatividad y la teoría del electromagnetismo desarrollada a finales del siglo XIX. El Principio de
la Relatividad establece que no hay diferencia
entre un sistema en movimiento rectilíneo uniforme y otro en reposo; es decir: un objeto se
Ahora bien, que la velocidad de la luz sea constante implica que otros parámetros sí cambian.
En concreto, el espacio y el tiempo. Son el
Los satélites del sistema de navegación GPS funcionan
gracias a la Teoría de la Relatividad
comporta igual en un barco que avanza sin acelerar que en otro atracado en puerto. Sin embargo, las ecuaciones que describían el electromagnetismo indicaban que ese principio no era
aplicable a la luz: la velocidad de la luz debía va-
espacio y el tiempo los que se convierten en relativos. Y aquí aparecen los extraños efectos asociados a la Teoría de la Relatividad. Como explica
el especialista Gary Stix en la revista Scientific
American. "... el observador que desde la mecedora contemple a alguien que viaja en la nave
espacial percibirá que el tiempo pasa más lento para el astronauta y que la nave se contrae
en la dirección del movimiento".
No es metafísica. Los efectos de la relatividad
sobre el tiempo y el espacio se han medido y demostrado a la perfección, hasta el punto de que
ha hecho falta tenerlos en cuenta para que los
satélites del sistema de navegación GPS funcionen bien. Los receptores de GPS dan la posición
de quien los lleva basándose en medidas muy
precisas del tiempo que tardan en recibir la señal de varios satélites. 3
*Monica Salomé es una periodista especializada
en temas científicos que colabora semanalmente
en el suplemento EPS (El País).
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