06 – Un amor relativo

#RelatosRadiactivos

Os traemos el sexto de los #RelatosRadiactivos de #NuclearEspaña, una forma diferente de aproximarse a la ciencia y tecnología nuclear, por @gon_nuclear. Hoy conoceremos la historia cuántica de  Mileva Marić y Albert Einstein en el Zúrich de principios del s. XX.

ARTÍCULO COMPLETO (versión extendida)

La luz entraba a raudales por la ventana del estudio de Mileva Marić. Albert Einstein tocaba a Mozart con su violín mientras le daba una y otra vez vueltas a una cuestión que llevaba años intentando resolver: ¿qué hace que los electrones se escapen más rápido de un metal cuando se les proporciona luz de mayor frecuencia?

Mileva, desde su mesa, estaba embelesada en la lectura del ya archifamoso artículo de Max Planck en el que se postulaba la cuantización de la energía, una hipótesis que a muchos – incluyendo a Planck – les sonaba como artificiosa y temporal. “Juanito[1] – dijo Mileva – ¿y si estos cuantos de Planck tuviesen algo que ver con la cantidad de energía que necesitan los electrones para salir del metal?”

Albert paró de tocar el violín y miró a Mileva con los ojos muy abiertos. “¡Claro! ¡eso es!¡ Los electrones esperan recibir un cuanto mínimo de energía para poder salir del metal! Y a partir de esa energía mínima, ¡a más energético el cuanto que les aporta la luz, más rápido salen del metal!¡Lo tenemos, muñequita[2]!”

Albert estaba exultante, no paraba de bailar con su violín en la mano. Mileva le miraba con ojos enamorados, estaba tan orgullosa de su pequeño genio que no podía reprimir su alegría. Sin duda – pensaba Mileva-, formaban el equipo perfecto: ciencia y amor, ¿quién los podría parar?

“Pero, tesoro – dijo Mileva – ¿sabes que esto implicaría que la luz está cuantizada? ¿está el mundo preparado para oír esto?”

Mileva Marić.y Albert Einstein en 1912. Ref: ETH Zurich Archives. Dominio público.

[1] Juanito (Johannesl en alemán) era uno de los apelativos cariñosos con los que Mileva llamaba a Albert.
[2] Muñequita (Doxerl en alemán) era uno de los apelativos cariñosos con los que Albert llamaba a Mileva.

A finales del siglo XIX, Albert Einstein y Mileva Marić eran dos jóvenes estudiantes de física de la Politécnica de Zúrich (actualmente, ETH Zurich). A ambos les apasionaban las nuevas teorías de la física que, como se quejaban amargamente, no se impartían en sus clases en el ETH. Entre esas teorías se encontraban tanto la teoría electromagnética de Maxwell como la teoría cinético-molecular de Boltzmann. Por ello, aprendían juntos dichas teorías de forma autodidacta. Esa relación, inicialmente científica, se acabó convirtiendo también en una romántica aventura conjunta, dando lugar a una de las parejas científicas más relevantes.

En aquellos momentos, había varios fenómenos que traían de cabeza a los físicos, ya que no eran explicables satisfactoriamente con las herramientas de la física clásica. Como refleja la correspondencia entre Albert y Mileva, a la pareja le encantaba discutir sobre dichos problemas y se aplicaron a su estudio durante años. Pero no sólo eso: se plantearon cómo resolverlos aceptando hipótesis que aún estaban lejos de ser aceptadas por la mayor parte de la comunidad científica.

En 1905, se publicaron cuatro artículos que cambiarían la historia de la física. Cuál es la aportación de Mileva a dichos trabajos es hoy en día un tema de fuerte controversia y no hay nada parecido a un consenso en la comunidad científica. En la opinión de este humilde autor, de las cartas se deduce de forma clara que ambos debatieron y colaboraron desde su primer correo (20/10/1897) en los problemas que los artículos de 1905 resuelven tan creativamente. No está nada claro el rol de cada uno, si no – evidentemente – la polémica no sería tan cruda. A partir de la información disponible, he intentado reflejar esa forma de trabajar entre ellos en el relato de ficción que acompaña a este texto.

En vista a la mencionada correspondencia, asumir que trabajaran en equipo durante ese periodo inicial para mí no desmerece un ápice el increíble talento de Albert, probablemente una de las mentes más brillantes del siglo XX. Pero sí reconoce el talento eclipsado de Mileva. Por tanto, me referiré a la autoría de su trabajo en los primeros años como “los Einstein”, tomando prestado el juego de palabras que se dice que Mileva contestaba cuando se le preguntaba por qué no aparecía de co-autora en los trabajos del Albert: “Wir beide sind ein stein” (Somos una piedra).

En el primer artículo de 1905, “Sobre un punto de vista heurístico concerniente a la producción y transformación de la luz”, los Einstein llevan las consecuencias de la hipótesis cuántica de Planck a un nuevo nivel. Para Planck, su hipótesis (que la energía estaba cuantizada) era meramente una herramienta de trabajo que le permitía explicar el intercambio de energía radiación-materia en un cuerpo negro. Pero suponía que, fuera de este contexto, la energía se propagaba de forma continua, de acuerdo con las leyes del electromagnetismo de Maxwell. Los Einstein pusieron sobre la mesa una hipótesis audaz: ¿qué pasaría si la energía también se propagara como paquetes de energía (los cuantos de Planck)? A partir de esa hipótesis resolvieron un misterio que llevaba años intrigando a los físicos: el efecto fotoeléctrico.

El efecto fotoeléctrico se debía a la emisión de electrones por ciertos metales al verse expuestos a luz de ciertas frecuencias. Para asombro de todos, la velocidad a la que los electrones abandonaban el metal expuesto no dependía de la intensidad de la fuente de luz que lo iluminaba, pero sí de su frecuencia. Es decir, si se aumentaba la intensidad de luz (más luz pero con la misma frecuencia), sólo se conseguían más electrones, pero no más veloces. Con la teoría del campo electromagnético de Maxwell, aquello no había quién lo explicara.

El primer contacto de los Einstein con las teorías moleculares y el efecto fotoeléctrico fue a raíz del semestre que Mileva cursó en Heildelberg en otoño de 1897, como bien se refleja en su primera carta a Albert (20/10/1897). En dicha universidad impartía docencia el Prof. Lenard, una autoridad en el campo y uno de los científicos más influyentes de la Academia Prusiana de Ciencias.

Con la hipótesis cuántica expuesta por los Einstein, todo cuadraba: la luz llegaba al metal en forma de cuantos y estos tenían una energía proporcional a la frecuencia de la fuente de iluminación. Es decir, los cuantos de luz tenían más energía cuanta más frecuencia tenía la fuente de iluminación. Si la energía de los cuantos era muy pequeña (frecuencias bajas), los electrones que los recibían no tenían suficiente energía como para salir del metal. Si la energía de los cuantos era suficiente (frecuencias intermedias), les permitía salir del metal. Si la energía de los cuantos era más que suficiente (frecuencias altas), la velocidad a la que salían los electrones era proporcional a ese exceso de energía. Y eso encajaba muy bien con lo observado experimentalmente: cuanta más frecuencia, más velocidad de los electrones que se desprendían del metal.

Este hecho no pasó desapercibido para la comunidad científica, ya que hacía que la teoría cuántica de Planck tuviese un carácter más fundamental que el ser meramente una hipótesis de trabajo.

Los otros tres artículos publicados en 1905 no son menos asombrosos. En ellos se daría una explicación satisfactoria del movimiento browniano (segundo artículo) y se presentarían los fundamentos de la Teoría de la Relatividad Especial (tercer artículo). En el cuarto artículo, como consecuencia del anterior, se postula la equivalencia entre la masa inercial y la energía, sintetizada en la ecuación más famosa de todos los tiempos: E = mc2. Este concepto abriría la puerta a la era atómica, ya que pequeñísimas pérdidas de masa implicaban gigantescas cantidades de energía.

Por si no fuese suficiente, diez años después de ese Año Milagroso de 1905, Albert Einstein (esta vez sin la colaboración de Mileva) publicó la Teoría General de la Relatividad, donde demostraba que la fuerza que percibimos como gravedad se debe a una deformación del espacio-tiempo. La fama para Albert Einstein fue inmediata y se convirtió en un ídolo de masas. En 1921 le fue concedido el Nobel por el efecto fotoeléctrico y no por la Teoría de la Relatividad General, que aún estaba bajo discusión pese a la demostración de Eddington en el eclipse solar de 1919.

En 1933, Albert tuvo que exiliarse a Estados Unidos por la insoportable atmósfera antisemita en la Alemania nazi. Ya en Princeton, alarmado por el descubrimiento de la fisión nuclear en Alemania en 1938, Albert envió una carta – escrita principalmente por el también científico Leó Szilárd – al presidente Roosevelt en la cual advertía de la posibilidad de desarrollo de armamento nuclear por parte de Alemania. Esa carta sería el inicio del proyecto Manhattan, que desarrollaría la bomba nuclear estadounidense. Aquello siempre pesó sobre la conciencia de un pacifista convencido como Albert. Einstein murió en Princeton en 1955, siendo una leyenda en vida.

Mileva, por el contrario, no pudo desarrollar una carrera investigadora tras su separación de Albert en 1914 ya que tuvo que encargarse en exclusiva de sus hijos Hans Albert y Eduard, el segundo de ellos con problemas de salud diversos desde su infancia. Mileva murió en 1948 en Zúrich, sin ningún tipo de reconocimiento público.

La hipótesis de los cuantos de luz y la equivalencia masa-energía publicadas en 1905 tendrían un impacto enorme sobre los investigadores que por aquellos tiempos intentaban unir las piezas de la estructura de la materia, incluyendo a un joven neozelandés llamado Ernest Rutherford, que en aquellos momentos se encontraba en la Universidad de McGill (Canadá) investigando materiales radiactivos con su compañero Frederick Soddy.

Pero antes, puede ser interesante darnos una vuelta por el París de la época, donde un desconocido pintor malagueño llamado Pablo Picasso se quedó prendado por las teorías del espacio-tiempo iniciadas por Lorenz y Poincaré y culminadas por Einstein.

Para los más curiosos se ha creado una versión extendida en PDF con más información biográfica de la singular pareja y una extensa bibliografía comentada. Os animamos a descargarla, la podéis encontrar en la parte superior del texto.

Breve bibliografía para saber más

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