Cómo Einstein cambió la faz del mundo en solo 10 meses

Este artículo es de la revista Les Indispensables de Sciences et Avenir n°212 de enero/marzo de 2023.

¿Qué relación puede haber entre el agua azucarada, el descubrimiento de los fotones, los granos de polen suspendidos en un fluido, y la equivalencia de masa y energía resumida en la famosa ecuación E = mc²? “La llamadari Jean-Pierre Luminet, astrofísico del Observatorio Paris-Meudon, solo es el año 1905, durante el cual el joven Einstein luchaba por resolver una serie de problemas planteados por los físicos de su época”.

El siglo XIX acababa de terminar con una unificación verdaderamente grandiosa. “Aunque poco conocido por el gran públicoenfatiza Jean-Pierre Luminet, Los brillantes trabajos del austriaco Ludwig Boltzmann sobre la teoría cinética de los gases y la teoría atómica marcaron profundamente a los físicos de la época. Todo, desde la química hasta la termodinámica, desde la óptica hasta la electricidad, parecía finalmente reducido a la venerable mecánica de Newton. El mundo se explicaba por completo apilando pequeñas bolas duras (átomos y moléculas) sumergidas en éter, la sustancia que se cree que es el medio de los fenómenos electromagnéticos, en particular las ondas de luz.

Pero persistieron dificultades molestas. En la primavera de 1900, el físico británico William Thomson, conocido como Lord Kelvin, advirtió a sus colegas de la Royal Society: la belleza de esta síntesis era “oscurecido por dos nubes”. El primero se refería al éter, cuyas propiedades parecían decididamente absurdas: ¡tenía que ser extraordinariamente rígido dada la increíble velocidad de las ondas que se propagaban a través de él, pero que no ofrecía resistencia al movimiento de los cuerpos materiales que lo atravesaban! Según esta hipótesis, se esperaba que la velocidad de la luz pareciera ligeramente reducida cuando se emitía en la dirección del movimiento de la Tierra a través del éter, pues las ondas tendrían entonces que propagarse allí, por así decirlo, “contra la corriente” de la sustancia misteriosa. Sin embargo, recordó Kelvin, todos los intentos de detectar este “viento de éter” fallaron.

Donde las ideas de Newton chocan con los átomos

La segunda “nube” se refería a la termodinámica. La síntesis realizada por Boltzmann deducía de las leyes de Newton que la energía de un sistema debe estar igualmente distribuida en cada una de las diferentes formas que tiene de almacenarla, lo que se denomina “grado de libertad”. En un gas, por ejemplo, las moléculas se mueven en todas direcciones en el recipiente, vibran individualmente, giran sobre sí mismas, etc. Tantos movimientos diferentes, cuyas respectivas energías deben contribuir por igual a la energía total del sistema. Las propiedades termodinámicas de varios gases concordaban bien con esta teoría… excepto a bajas temperaturas, donde parecía que las moléculas dejaban de vibrar o rotar y ya no almacenaban energía excepto en forma de sacudidas en el espacio, como si se redujeran a meras partículas adimensionales. puntos. .

Ahora sabemos por qué: la mecánica cuántica requiere que la energía de un sistema solo pueda tomar ciertos valores. A baja temperatura, cuando la parte justa de la energía que vuelve, por ejemplo, a la vibración, se vuelve demasiado pequeña para pasar de un nivel de energía a otro, este grado de libertad ya no participa en los intercambios de energía del gas. Kelvin, por supuesto, ignoró esto, pero sugirió que tal vez las ideas de Newton ya no eran válidas en la escala de los átomos. Como señala Jean-Pierre Luminet, “Era cada vez más claro que la mecánica newtoniana y las teorías puramente ondulatorias de la luz no parecían capaces de disipar las dos nubes”.

Sin embargo, muchos científicos destacados sacaron conclusiones diferentes y se opusieron con vehemencia, por motivos filosóficos, a la visión realista y mecanicista implícita en el modelo atomista. Para ellos, la hipótesis de los átomos puede resultar útil -limitada-, creyendo en su existencia verdadero dependía de la fe del carbonero.

“Uno podría pensar que el relativo aislamiento de Einstein del mundo académico cuando trabajaba en Berna, en la Oficina Federal de Patentes, le permitió desarrollar su pensamiento ‘protegido’ de estos prejuicios. admite Jean-Pierre Luminet. Pero no debemos olvidar que al mismo tiempo, con sus amigos matemáticos Maurice Solovine y Conrad Habicht, lee con avidez el trabajo de personas como Henri Poincaré – quien ya sugirió la fórmula M = E/c² a principios de siglo -, incluso si no los nombra”. En 1905, Einstein estaba bien preparado para estallar la tormenta contenida en las dos “nubes” de Kelvin en forma de cinco artículos publicados en rápida sucesión.

Primer artículo (esta es la tesis doctoral de Einstein): estudiando el aumento de la viscosidad del agua a medida que el azúcar se disuelve en ella -un poco, digamos, como el tráfico de automóviles que pierde su fluidez al agregar camiones voluminosos- es posible medir el tamaño de la glucosa moléculas. Tercer artículo (volveremos al segundo más adelante): ¿por qué los granos de polen están suspendidos en agua perfectamente quieta agitados por un movimiento errático incesante (conocido como “Browniano”)? Porque están inmersos en una mezcla frenética de moléculas. En otras palabras, enfatiza Jean-Pierre Luminet, “Einstein se inspira aquí en la obra de Boltzmann para probar la existencia moléculas reales”. Por lo tanto, la granularidad de la materia no es solo una visión útil de la mente…

Artículo segundo: bien puede ser que tal granularidad sea también una propiedad de la luz. Otra dificultad del modelo mecanicista clásico -también ligada a la hipótesis de equipartición de energía- era que no podía explicar cómo se distribuye la luz emitida por un cuerpo incandescente según sus diferentes frecuencias posibles: esto se conoce como “radiación de cuerpo negro”. . En 1900, Max Planck había establecido una fórmula que parecía implicar que, para cada frecuencia, la energía luminosa era emitida por “paquetes”, o cuantos, cuya energía era igual a una determinada constante. H veces dicha frecuencia (indicada por la letra griega “nu” ν): Y = H. V. Y este detalle, del que no se había dado cuenta inmediatamente, chocaba con sus profundas convicciones antiatomistas: no más que los átomos, tales partículas no podían, según él, ser consideradas reales…

Cinco años más tarde, Einstein estudia las propiedades termodinámicas de la radiación de Planck y demuestra que realmente se comporta exactamente como un gas formado por partículas individuales de energía. H. ν, “granos de luz”, que pronto llamaríamos fotones. Por cierto, señaló, esto explica el misterio del efecto fotoeléctrico: el hecho de que, por intensa que sea, la radiación infrarroja de baja frecuencia no es capaz de electrificar un metal, mientras que la radiación ultravioleta de alta frecuencia -incluso de muy baja intensidad- sí lo consigue. En el segundo caso, los fotones tienen suficiente energía para arrancar individualmente los electrones de los átomos…

¿No dijimos que la luz es una onda que se propaga en el éter? Resulta que Einstein responde en sustancia en su cuarto artículo, que el éter no existe. Si ese fuera el caso, los observadores en movimiento rectilíneo y uniforme podrían ver que se mueven con respecto a él -este es el famoso “viento de éter”-, lo que va en contra del principio de relatividad según el cual siempre deberían poder considerarse inmóviles. . Mediante una serie de razonamientos notablemente simples, salva este principio en el que se ha basado toda la física desde Galileo: el tiempo y el espacio absolutos no existen, y los observadores que se mueven unos respecto a otros observan diferentes duraciones y distancias. Esta es la relatividad especial. En su quinto artículo, Einstein sugiere que la masa y la energía son dos aspectos de una misma cosa, que se resume en la ecuación E = mc².

¡Átomos y moléculas finalmente reconocidos!

En unos meses, Albert Einstein acaba de obligar a la comunidad científica a adoptar el modelo moderno de la materia, compuesta por átomos y moléculas, sin segundas intenciones, y a abrir los ojos a la existencia de una nueva física. Para Jean-Pierre Luminet, “como sabemos, esta obra está en el origen de los dos Grandes Revoluciones Científicas del Siglo XX: Relatividad y Mecánica Cuántica” . Sin embargo, el astrofísico quiere matizar: “Creo que los problemas abordados por Einstein en 1905 estaban siendo resueltos rápidamente por los mejores físicos del mundo. en ese momento, y habría sido así incluso sin Einstein. Habría que añadirles, por tanto, la relatividad general, que incluye la gravitación en el marco relativista y que publicó diez años después. Constituye la mayor contribución de Einstein y es una creación verdaderamente original”. En diez años y diez meses, por tanto, Einstein habrá trazado el entramado, hasta entonces infranqueable, en el que se ha desarrollado la física hasta hoy.

Los cuatro conceptos del “año milagroso”

movimiento browniano : El vals del polen en aguas tranquilas se debe a la agitación de las moléculas circundantes. prueba de su existencia.

Efecto fotoeléctrico : En algunos casos, un metal iluminado adquiere una carga eléctrica. Prueba de que existen fotones y cuantos de energía.

Relatividad : El espacio y el tiempo son lo mismo, la velocidad de la luz es constante. Prueba de que el éter no existe.

Relación masa/energía: La ecuación explica que una pequeña materia produce una energía colosal. La prueba por energía atómica.

Y el abuelo del láser es…

En 1916, Einstein volvió a interesarse por los cuantos de luz, los fotones, cuyo descubrimiento resolvió no sólo el misterio del efecto fotoeléctrico, sino también el espectro de luz emitido por un cuerpo incandescente. La teoría clásica predecía que la energía luminosa emitida a altas frecuencias se dirigía absurdamente hacia el infinito, la llamada “catástrofe ultravioleta”.

La solución fue que, en un cuerpo caliente, un átomo suficientemente agitado puede ciertamente restaurar su energía emitiendo un fotón ultravioleta muy energético, pero que luego, por así decirlo, se “vacía” y ya no puede contribuir a la radiación. La luz emitida se limita así a altas frecuencias. Pero, ¿qué impide que el mismo átomo pierda su energía emitiendo una miríada de fotones infrarrojos de baja frecuencia? Einstein entiende que la fórmula de la radiación descubierta por Planck esconde una propiedad hasta ahora desconocida de los fotones: cierta tendencia a imitarse unos a otros (los fotones emitidos tienden a parecerse a los que ya están en la radiación). Para ser más precisos, muestra que si un átomo excitado recibe un fotón cuya frecuencia le permitiría alcanzar su nivel de energía si no lo estuviera ya, se desexcita emitiendo un nuevo fotón estrictamente idéntico al primero.

Esta “emisión estimulada”, como él la llama, permitirá mucho más tarde crear cascadas de fotones todos idénticos, los rayos láser, los primeros fenómenos puramente cuánticos observables a escala macroscópica y herramientas esenciales para estudiar los misterios de ‘infinitamente pequeño’.

Las propiedades del láser permiten contar una a una las partículas suspendidas en un fluido. Crédito: SPL/SUCRÉ SALÉ

Por René Cuillierier