¡Gracias Albert!
2005/09/01 Rementeria Argote, Nagore - Elhuyar Zientziaren Komunikazioa Iturria: Elhuyar aldizkaria
Einstein fue un físico teórico, meramente teórico, pero sus teorías han tenido una aplicación práctica. Cuando explicó la relación entre materia y energía, por ejemplo, el propio Einstein tenía claro que la energía propia de los átomos podía utilizarse como fuente de energía. Quizás lo que no esperaba, al menos al principio, era que se utilizara con fines militares. Y, precisamente, la bomba atómica fue la aplicación más conocida de las teorías de Einstein, que rechazó con dureza.
Condenó con dureza que la bomba atómica explotara durante la Segunda Guerra Mundial. Pero en aquella masacre Einstein también tuvo algo de culpa. Y es que, años antes, un grupo de científicos, entre ellos el propio Einstein, escribió una carta al presidente de los Estados Unidos, Franklin Roosevelt, en la que advertían de que la Alemania nazi estaba esforzándose por expulsar al uranio-235. Fue en 1939 y para el año siguiente se puso en marcha el proyecto Manhattan.
En el proyecto Manhattan, el gobierno estadounidense reunió a un grupo de científicos. Allí estaban, entre otros, los prestigiosos físicos Robert Oppenheimer y Enrico Fermi, no Einstein. El objetivo es depurar antes que los alemanes el uranio-235 y construir la bomba atómica.
Habrá que ver que cuando descubrió la cara de Einstein, los estadounidenses hicieron estallar las bombas atómicas en Japón. A partir de entonces trabajó duro por la paz y fue un emprendedor contra el armamento atómico.
Teoría, aplicaciones y otros aspectos
Einstein no conoció otras aplicaciones. Y es que a Einstein, a Einstein, a Planck y a los siguientes físicos, por supuesto, le debemos muchas herramientas y tecnologías. La electrónica, por ejemplo. El paso fundamental para el desarrollo de la electrónica se dio en 1947: se inventó el transistor.
La invención del transistor se debió al avance de la física teórica, que, en definitiva, contribuyó a superar las dificultades que tenía la teoría cuántica para que un instrumento de estas características funcionara. Y Einstein tuvo que ver con el desarrollo de la mecánica cuántica. De todas formas, no creía del todo, o mejor dicho, no quería creer las consecuencias filosóficas de la teoría cuántica. Sus discusiones con Bohr fueron famosas por la inexactitud de la mecánica cuántica, que tuvo lugar en 1927-1930.
Con el tiempo, sin embargo, tuvo que aceptar que la teoría explicaba con precisión el mundo subatómico y que era la teoría más “exitosa” de la época. Aunque siguió siendo muy crítico con la mecánica cuántica.
No consideraba suficiente aquella teoría que sólo establecía probabilidades, la teoría cuántica. Buscó una teoría que explicara cómo podían actuar no los átomos, sino cómo iban a actuar. El objetivo que tuvo en los últimos años de su vida fue buscar una teoría unificadora de todas las leyes, una teoría unificada que serviría en cualquier situación, tanto para los átomos como para las galaxias, a nivel subatómico, microscópico y macroscópico... de menor a mayor nivel. Sin embargo, no lo consiguió, y todavía no se ha conseguido —muchos físicos lo cuestionan—.
Con independencia de la teoría unificada, la mecánica cuántica fue suficiente para superar los obstáculos con los que se construía el transistor. Se explicó la conductividad de los materiales, por qué algunos materiales son conductores y otros no, desarrollando el concepto de orbital de los electrones. Y para hacer el núcleo del transistor se utilizaron materiales de distinta conductividad.
Como se ha dicho, el paso básico de la electrónica fue el transistor, que se basó en la fabricación de dispositivos electrónicos, desde las primeras emisoras hasta el ordenador más rápido de la actualidad.
Iluminación
El punto de partida de Einstein fue la explicación del efecto fotoeléctrico en la cuántica. Es cierto que Planck explicó la misma idea cinco años antes (1900): la luz se organizaba en partículas discretas, tanto por cuanto de luz como por fotón. Pero parece que Einstein entendió la idea en su totalidad: la luz no se organiza en fotones, la propia luz está formada por fotones.
Las cámaras digitales tan presentes en el bogie se basan, por ejemplo, en el efecto fotoeléctrico: la luz (el fotón) extrae los electrones de un metal. El sensor de imagen de la cámara digital aprovecha este efecto.
El sensor de imagen cumple la misma función y lugar que la película de fotos de las cámaras convencionales. Se encuentra en la parte trasera de la apertura, donde la luz de la imagen que se quiere captar se convierte en señal eléctrica. Esta señal eléctrica es tratada, convertida en datos de imagen y almacenada en la tarjeta de memoria.
El sensor de conversión de luz en señal eléctrica consta de unos electrodos, uno por cada píxel de la imagen. Cuando la luz llega a un electrodo debido al efecto fotoeléctrico, el metal del electrodo libera unos electrones y, por diferencia de potencial, se mide la cantidad de luz correspondiente a cada punto de la figura. La información recogida se encuentra en blanco y negro (escala de grises), con filtros y otras herramientas para su conversión a color.
A la luz del láser
Por otro lado, la clarificación de la naturaleza de la luz también permitió el láser (1960). Einstein explicó la interacción entre los electrones y los fotones, lo que permitió obtener una radiación monocromática coherente, un rayo de luz de una sola longitud de onda, que en definitiva es el láser, mediante una emisión de fotones estimulada.
Es de destacar la cantidad de artículos para los que se utiliza el láser, que en la actualidad se utiliza en casi todos los ámbitos de la industria y que se encuentra en la vida cotidiana. Pero las aplicaciones no llegaron nada más encontrar el láser, tardaron unos veinte años en llevarse a cabo las primeras aplicaciones.
Por ejemplo, gracias al láser tenemos actualmente lectores de CD, impresoras láser y lectores de códigos de barras. En medicina ocupa el lugar del escalpelo tradicional en neurocirugía y se utiliza en las operaciones de los vasos sanguíneos, así como para corregir la miopía y el astigmatismo. De hecho, con los rayos láser se cortan los tejidos de forma precisa y limpia.
Y para materiales duros. En la industria, por ejemplo, se utiliza para cortar las piezas; su principal inconveniente respecto al corte mecánico es que necesita mucha energía, por lo demás es mejor. El láser se utiliza no sólo para cortar piezas sino también para hacer lo contrario, es decir, para soldar. Como se puede apreciar, la soldadura por rayos láser es uno de los métodos de soldadura más precisos y novedosos.
El láser también ha permitido la fabricación de espectroscopios muy sensibles, como el espectroscopio Raman, para detectar moléculas concretas. Está claro que el láser se ha convertido en una herramienta imprescindible en las nuevas tecnologías.
En el futuro Einstein
El uso del láser sigue provocando una larga cuerda. Por ejemplo, debido al proyecto ITER se utilizará también en la fusión del núcleo en boca de todos o en la fusión nuclear. Los pulsos láser amplificados se dirigen al tritio y al deuterio con el fin de fusionarlos y conseguir una fuente de energía eficiente.
Sin embargo, todavía no se ha conseguido que la fusión sea efectiva, ya que la energía utilizada para la fusión de tritio y deuterio es superior a la que se recoge a continuación. Pero no faltará esfuerzo en el futuro.
Otro de los descubrimientos en curso es el láser atómico, una serie de átomos de la misma energía. Se acaba de dar el primer paso: Se ha obtenido el condensado de Bose-Einstein. En el condensado Bose-Einstein, todos los átomos tienen la misma energía (en el láser como los fotones). Una vez liberados los átomos del condensado se deberá conseguir mantener esta propiedad para la realización del láser atómico.
Y, al igual que ocurrió al principio con el láser, no está claro qué aplicaciones va a tener, para ello es necesario dominar el proceso y hacer láser atómico. En cualquier caso, seguro que los descubrimientos serán sorprendentes.
En el proceso de obtención del condensado Bose-Einstein se han utilizado trampas atómicas y temperaturas muy bajas cerca del cero absoluto (0 Kelvin o –273,15ºC). Esto permite que la energía de todos los iones descienda al mismo nivel, situándose en el mismo estado cuántico, consiguiendo así una disposición muy particular de la materia.
Este fenómeno fue anunciado en 1920 por Satyendra Nath Bos y Einstein, quien puso la base con el trabajo sobre mecánica estadística de fotones, que generalizó Einstein. En definitiva, describieron la distribución estadística de determinadas partículas subatómicas, los bosones. Los bosones, como los fotones y los núcleos helio-4, son partículas identitarias o inseparables y pueden tener el mismo estado cuántico.
Así, Einstein pensó que cuando los átomos bosómicos se colocan a una temperatura muy baja se condensan en el estado cuántico más bajo, y que éste es otro estado de la materia (hasta entonces desconocida): el estado de superfluos. Los superfluidos son especialmente interesantes por su ausencia de viscosidad. En comparación con el resto de situaciones de la materia, los superfluidos son muy inestables, por lo que se considera que de momento no se encontrarán aplicaciones.
Pues bien, aunque la teoría se conoció hace tiempo, hasta 1995 no se ha conseguido el auténtico Bose-Einstein condensado en laboratorio. Los autores (Cornell y Wieman) recibieron en 2001 el Premio Nobel de Física junto con otro físico. Para obtener el condensado, los átomos de rubidio-87 se colocaron a 170 nanocelvines.
Como se ha dicho, el láser atómico aún no se va a ejecutar y no se puede decir qué usos va a tener. Pero un pequeño avance: Se ha comprobado que el condensado de Bose-Einstein ralentiza la velocidad de la luz, y dicen que puede actuar como un agujero negro, que de alguna manera se utilizará en el futuro para almacenar y liberar luz.
XXI. En el siglo XX, la influencia de Einstein y sus contemporáneos es también inmensa en la física. ¡Gracias Albert!
