jueves, 11 de abril de 2013

'Cuando Einstein se volvió un científico marginal' en el Boletin de la Asociación Física Argentina

http://www.fisica.org.ar/boletin/?p=865

Ariel Dobry

Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura
(Universidad Nacional de Rosario) e Instituto de Física Rosario.


Albert Einstein es reconocido mundialmente como el arquetipo de la inteligencia y la genialidad humana. Su figura se ha convertido en un mito que trascendió ampliamente el ámbito específico de sus contribuciones a la física.

Como otras figuras erigidas en íconos, quizás por ejemplo como el Che Guevara, muchos de los que lo citan, lo idealizan y lo entronan, desconocen el origen de su fama. Quizás aún menos conocido es el hecho de que Einstein trabajó una parte importante de su vida sobre ideas y teorías que fueron consideradas marginales por la mayoría de los científicos de su época. Einstein no estuvo de acuerdo con la base filosófica sobre la que se construyó la física del Siglo XX. En consecuencia, intentó hasta su muerte, formular una teoría que llamó del campo unificado, sin tomar en cuenta a la mecánica cuántica, la teoría del mundo a escala atómica que ha dado lugar a los descubrimientos más impactantes de la física desde 1930.




En 1916 con 37 años Einstein publicó su trabajo liminar titulado: ‘El fundamento de la Teoría General de la Relatividad’, poniendo el broche de oro a más de una década de espectaculares contribuciones científicas. En este trabajo, Einstein reformuló la teoría de la gravitación de Newton desde una perspectiva completamente inesperada de acuerdo a la evolución de la física hasta ese momento. A diferencia de su teoría de la relatividad especial de 1905, donde amalgamó, dio forma y exploró consecuencias a ideas que venían siendo expresadas por otros físicos, el trabajo del 16 es una fabulosa construcción teórica surgida de una necesidad ‘estética’, la de hacer coherente el andamiaje en que se basa la física. Einstein llevó hasta límites insospechados esta búsqueda estética. Cambió el concepto de acción a distancia de Newton por el de curvatura del espacio-tiempo y edificó una de las teorías más bellas de la ciencia contemporánea. Estas contribuciones pusieron las bases a la cosmología moderna (el estudio del universo como un todo) y le valieron buena parte de la fama a la que se hizo acreedor. De allí en adelante Einstein abocó gran parte de sus esfuerzos a extender la relatividad general, construyendo una teoría que unifique todas las interacciones que se conocían en la naturaleza, la gravitación y el electromagnetismo. Esta teoría debería expresar en forma sucinta, quizás en una ecuación única, todo nuestro conocimiento fundamental del mundo. Sin embargo las dificultades con que se encontró fueron mayúsculas y esa teoría jamás vio la luz. Por otro lado, Einstein intentó esta construcción sin tomar en cuenta los desarrollos teóricos que fueron surgiendo a la par que él hacia estos intentos. Debido a esta actitud, y al hecho de que los físicos se fueron convenciendo cada vez más que cualquier teoría fundamental debía basarse en la mecánica cuántica, sus trabajos en este área fueron virtualmente desconocidos por la gran mayoría de la comunidad científica y Einstein trabajó prácticamente sólo hasta su muerte en 1955 en esta línea de pensamiento. ¿Por qué un científico de su talla que marcó el rumbo y se animó a pensar los conceptos más osados y disparatados habría de terminar sus días aislado y considerado un viejo apegado a concepciones anticuadas y perimidas? Veamos como se pudo llegar a este estado de cosas.


En los albores del siglo XX, Max Planck mostró que para comprender el color característico que adquieren los cuerpos cuando son calentados, era necesario suponer que la luz se absorbía y emitía en paquetes de energía y no en cantidades que pueden ser arbitrariamente chicas. Este resultado era sorprendente ya que era conocido que la luz (en realidad toda la radiación) está constituida por ondas que se propagan en el espacio y cuya energía puede variar en forma continua. Para reconciliar sus resultados con lo que los físicos conocían desde un siglo atrás, Planck pensó que sus paquetes se absorbían y emitían en las paredes del material pero que luego se propagaban como ondas. Fue el propio Einstein quien cinco años después, en 1905, mostraría que los paquetes de Planck forman parte constitutiva de la luz. Estudiando el efecto fotoeléctrico, la extracción de electrones de un metal debido a la incidencia de luz, Einstein se dio cuenta que la luz se comportaba como si estuviera constituida de partículas, los fotones, y no de ondas como había sido mostrado por los científicos del siglo XIX. A veces como partícula y a veces como onda la luz mostraba un comportamiento enigmático que, como en siglos anteriores, volvía a ponía en jaque a los físicos.


Haciendo el panorama aún más enigmático, unos años después, el conde y físico francés Louis De Broglie, mostró que la materia a veces se comporta como una onda. Los electrones que solemos pensar como partículas que orbitan en los átomos alrededor del núcleo, parecían comportarse como una onda al atravesar un material. Dualidad onda partícula, y dificultad para dar coherencia lógica a la interpretación de la realidad era el rompecabezas con que se enfrentaban los físicos hacia los años 30. La solución fue una revolución conceptual de tal envergadura que aún hoy se discuten las bases de la nueva teoría que surgió, la Mecánica Cuántica. Contribuciones de muchos científicos como Schoedinger, Heisenberg , Bohr y Dirac fueron dando un cuerpo conceptual a la nueva teoría. Hacia 1930 en el instituto danés que dirigía Niels Bohr se logró formular una concepción unificada de las ideas que venían surgiendo, esta se llamó la ‘Interpretación de Copenhague’ de la Mecánica Cuántica. Los físicos de Copenhague estipularon: no tiene sentido hablar de un mundo independiente de la observación, el único fin de la ciencia es predecir el resultado de los experimentos. La pregunta sobre si un electrón es en realidad una partícula o una onda pierde sentido, o mejor, no está permitida en la nueva interpretación. No le preguntes a un electrón que hace o que es cuando no lo estoy mirando aseveraron los adherentes a Copenhague. Dando un vuelco a más de tres siglos de física realista, con la nueva interpretación se cambió el sentido de la experimentación o de la observación cuando de entes microscópicos se trataba. No es posible saber donde está un electrón sin observarlo, sin embargo, observarlo quiere decir hacerlo interactuar con luz, o en la concepción corpuscular de la luz, hacer chocar al electrón con un fotón. No existe un ente más pequeño que perturbe menos al electrón. El proceso de observación es necesariamente una perturbación del objeto observado y en consecuencia no es posible definir la trayectoria de un electrón en si o como algo preexistente a nuestra observación. Sólo podemos tomar en cuenta el efecto de la interacción entre el instrumento de experimentación y el ente observado. Esto es completamente diferente a lo que ocurre en la física clásica o macroscópica. Si tiramos una piedra al aire la teoría nos permite predecir donde estará en cualquier instante posterior. Nuestra observación de la piedra constata el resultado de la predicción no obstante, ésta no perturba su trayectoria. Existe el concepto de realidad independiente de la observación. Además nuestra predicción de la posición de la piedra en cualquier instante posterior a su lanzamiento puede comprobarse con toda la precisión que nuestros instrumentos de medición tengan. Podemos por ejemplo tomar fotografías que nos vayan dando la posición de la piedra y nos digan el momento en que la foto fue tomada. La predicción de la teoría será constatada con mayor precisión cuanto más precisa sea la medición del tiempo y de la posición que podamos hacer con nuestros instrumentos de medición. En nuestro ejemplo, la definición de la imagen de la cámara y la precisión del reloj interno de la misma, que nos marcará el momento en que se hizo el disparo.


En mecánica cuántica desaparece este concepto determinista de trayectoria, sólo podemos predecir con cierta probabilidad donde estará el electrón cuando lo observemos. Esto introduce el concepto de probabilidad en física fundamental. No podemos predecir con precisión infinita la posición del electrón en cada instante de tiempo, esto es una cuestión fundamental que la interpretación de Copenhague introduce y que fue formulada por Heisenberg en su famoso principio de incertidumbre. No es cuestión de mejorar los instrumentos de medición como en el ejemplo de la piedra y la cámara de fotos. Hay una limitación que no es técnica, es fundamental, está conectada con el concepto de observación en física microscópica. Si quisiera ‘fotografiar’ el electrón tendría que enviar luz, digamos un fotón que interactué con el electrón en un cierto punto de la trayectoria. De allí en adelante la trayectoria no será la misma que si no lo hubiera fotografiado. En esencia la interpretación de Copenhague lo que dice entonces es que sólo podemos saber la probabilidad de encontrar al electrón en un cierto punto cuando vamos a observarlo. Esta imposibilidad de definir a priori el estado de un sistema físico, es uno de los puntos centrales del conflicto entre nuestra intuición ‘clásica’ formada por nuestra interacción con el mundo macroscópico que nos rodea y el comportamiento de los objetos dentro de un átomo.


Einstein se negó desde un principio a adherir a esta concepción no determinista de la construcción teórica en física. Sus frases como: ‘dios no juega a los dados’ o ‘yo prefiero pensar que la luna sigue estando en el cielo cuando no la miro’, expresan su concepción del mundo. Einstein se dio cuenta de los éxitos que iba teniendo la nueva teoría en cuanto a la explicación y predicción de nuevos fenómenos, sin embrago pensó que sería una teoría provisoria y que iba a ser reemplazada por otra más fundamental, que restaurara el determinismo y la concepción de realidad conocida en la física clásica. Bombardeó a la mecánica cuántica en todos los frentes que le fueron posibles. Diseñó experimentos mentales que buscaban mostrar su inconsistencia interna. Desafío a su amigo Niels Bohr con estos experimentos en cuantas ocasiones se encontraron. Bohr logró responder a las objeciones de Einstein, mostrando que una vez aceptada la nueva interpretación, la teoría no tenía inconsistencias lógicas.


La mecánica cuántica se fue consolidando en la comunidad científica y pasó a formar parte del bagaje esencial de conocimientos con que se formaron las nuevas generaciones de físicos que nacieron después de Einstein. Estuvo en la base de desarrollos tecnológicos como el del transistor y el rayo laser. Permitió por otro lado comprender fenómenos fundamentales como el origen de los enlaces químicos que unen a los átomos en las moléculas y en los materiales que observamos diariamente.

Por otro lado los físicos encontraron que además de la gravitación y el electromagnetismo, existían otras interacciones fundamentales en la naturaleza, como la nuclear débil, responsable de las desintegraciones radiactivas, y la fuerte, responsable de la estabilidad de los núcleos atómicos. Una parte del sueño unificador de Einstein comenzó a ver la luz aunque por un camino bien diferente del que él avizoró. Los físicos de partículas utilizando la mecánica cuántica pudieron incorporar en una teoría única todas las interacciones a menos de la gravitatoria. La teoría de la gravedad quedó en el estado que la formuló Einstein en el 16. Los intentos de hacerla coherente con la mecánica cuántica y de unificarla con las otras interacciones fallaron sucesivamente. La Gran Unificación buscada por Einstein sigue estando en los sueños de muchos físicos.

Volviendo ahora a nuestra pregunta inicial: ¿Por qué un genio como Einstein no se adhirió a la concepción dominante en física y decidió seguir su búsqueda en solitario? ¿Por qué ante los éxitos evidentes que iba teniendo la nueva teoría no adoptó una posición más pragmática como el resto de los físicos? Mi respuesta tentativa es que la misma originalidad de pensamiento que lo acompañó toda su vida es la que le permitió confiar en sus concepciones aún a sabiendas de su aislamiento. La misma desfachatez que en 1905 le permitió escribir cinco trabajos que se volvieron fundamentales, cuando era apenas un empleado casi desconocido de la oficina de patentes de Berna y no un académico reconocido. Quizás también la misma obstinación con que trabajó los 10 años posteriores en su teoría de la relatividad general sobreponiéndose a los fracasos parciales hasta encontrar una concepción coherente del espacio-tiempo que no privilegie ningún sistema de referencia. En síntesis, Einstein confió siempre en sus propias intuiciones, su búsqueda estuvo orientada por una idea propia de la elegancia y la belleza que debían contener las teorías en física. Consideró que la Mecánica Cuántica no cumplía con estos requisitos y que una teoría sin probabilidades debía subyacer a la Mecánica Cuántica.


This entry was posted on April 6, 2013 at 5:31 pm. You can follow any responses to this entry through the RSS 2.0 feed. Both comments and pings are currently closed.


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