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La relatividad logística

01/04/2005

Durante 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 antes 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. 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 salarioestable 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 seri ede 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.

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 energía 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 partículasde 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".

 

La industria y el efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico –cuya explicación valió aEinstein el Nobel– está hoy presente en infinidadde 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 alefecto 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.

 

Las moléculas existen

Por sorprendente que parezca ahora, con los físicos del siglo XXI tratando de averiguar de quéestán 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. 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 desarrolladaa finales del siglo XIX. El Principio dela Relatividad establece que no hay diferencia entre un sistema en movimiento rectilíneo uniforme y otro en reposo; es decir: un objeto se 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 variar 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.

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 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 ScientificAmerican. "... 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.

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DEL `DISCMAN´ AL LECTOR DEL CÓDIGO 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 encadena 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; enlos 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 transmitiendomiles de millones de bits por segundo.

 

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LA FAMOSA ECUACION

 

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 vezen los años treinta.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.