INTRODUCCIÓN
Se presenta en este libro un aspecto poco conocido de la obra científica de Albert Einstein (l879-l955). La mayoría de la gente asocia el nombre de Einstein con la teoría de la relatividad. Efectivamente esta teoría, cuya primera parte —la teoría de la relatividad especial— fue presentada en 1905, constituyó un hito en la historia de la física que colocó a Einstein a la altura de Isaac Newton (1642-727) y de James Clerk Maxwell (1831-1879). Newton puso los fundamentos de la mecánica y Maxwell sintetizó genialmente la teoría del electromagnetismo.
Hacia fines del siglo pasado se creía que, en esencia, la física ya estaba hecha. Esto se puede ilustrar con una anécdota en la que interviene Max Planck, de quien hablaremos en este libro, cuando de joven, en 1874, se informaba sobre los estudios universitarios de física en la Universidad de Munich, Alemania. El representante de la institución trató de convencerlo de que escogiera otros estudios con el argumento de que "en la física ya estaba investigado todo lo esencial y que solamente quedaban por rellenar algunos huecos".
Es en este ambiente que Einstein revolucionó las ideas de la física publicando en 1905 la teoría de la relatividad. En este mismo año apareció, también bajo su firma, un trabajo sobre la naturaleza cuántica de la luz y, por si esto fuera poco, publicó además su famoso trabajo sobre el movimiento browniano.
Con la segunda publicación mencionada, Einstein inició, de hecho, como se verá en este libro, otra revolución con la teoría cuántica. A diferencia de lo que ocurrió con la relatividad, el conjunto de ideas de Einstein sobre los "cuanta" no fue fácilmente aceptado por sus colegas. Durante mucho tiempo Einstein estuvo solo. A pesar de eso, no se rindió sino que con grandes bríos publicó otro notable trabajo en 1907 en el que presentó la teoría cuántica de los calores específicos, generalizando las ideas ya expresadas en 1905 para aplicarlas también a la materia. Posteriormente, en 1909, fue el primero en hablar de la dualidad partícula-onda que presenta la naturaleza de la luz. En 1924 volvió a contribuir sobre este tema, pero ahora haciendo ver que también en la materia se da esta dualidad. Fue Einstein quien, de hecho, formuló algunas de las ideas esenciales de la teoría cuántica.
Una característica del enfoque que hacía Einstein al intentar resolver algún problema fue su interés, no tanto en los detalles muy particulares del sistema con el que estaba trabajando, sino en descubrir hechos generales y fundamentales. Así, al estudiar las características de la luz no se interesó particularmente en el efecto fotoeléctrico, sino en lo que podría descubrir sobre la naturaleza fundamental de la luz. Asimismo, al estudiar en 1907 el calor específico de sustancias a bajas temperaturas, no se interesó sólo en el comportamiento particular de esta cantidad, quiso ver si era posible pensar que también las sustancias materiales en general participaban de la llamada cuantización. De manera muy característica, trató modelos físicos bastante sencillos y de ellos sacó consecuencias muy generales.
De manera similar a lo que ocurre con la relatividad, con la teoría cuántica se enfrenta uno a efectos completamente extraños a nuestra experiencia cotidiana. Sin embargo, estos efectos los presenta la naturaleza y cualquiera que desee hacer una descripción de ella tendrá que confrontarlos. Fue Einstein el que tuvo la mente abierta para destacar los prejuicios mentales que tenemos y hacer ver que no se pueden aplicar a toda la gama de fenómenos que ocurren en la naturaleza. Cuestionó, además, lo que se suele llamar "el sentido común". Hoy en día, a pesar de que todavía nos parecen muy extrañas algunas de las ideas de la física cuántica, se la ha aplicado a tantos campos que ya no existe la menor duda de su validez. Es más, existe un buen número de aplicaciones prácticas que usamos cotidianamente que tienen su base en fenómenos cuánticos, entre las que podemos mencionar el láser, los transistores y chips de estado sólido que han dado un notable impulso a la microelectrónica, etcétera.
En este libro, al hablar de la contribución de Einstein a la física cuántica, estaremos reseñando en realidad el desarrollo de este campo desde sus inicios en 1900 hasta la culminación de su formulación final en 1926, periodo que forma uno de los capítulos más brillantes del pensamiento humano.
Para poder apreciar las ideas con las que se trabaja es necesario exponer sus antecedentes. En la formulación de la teoría cuántica, se dieron dos caminos completamente alejados uno del otro que, con el tiempo, Einstein hizo que convergieran. Uno, el de las propiedades termodinámicas de las sustancias, como por ejemplo el calor específico. El otro, completamente aparte del anterior, el de la radiación de luz y sus propiedades térmicas. Cada uno de estos campos se desarrolló en forma independiente, sin que se sospechara que los problemas irresolubles que se presentaban en cada uno de ellos tenían una causa común. Fue Einstein quien pudo aclarar estas cuestiones.
En vista de lo anterior y como una orientación, se revisarán algunos de los desarrollos históricos de ambos temas. Asimismo, se intentará explicar, de manera simple, los conceptos físicos involucrados, sin utilizar para nada las matemáticas.
En el capítulo I se presentan algunos conceptos de la termodinámica, como el calor específico que tendrá un papel importante en el desarrollo del relato. En el II se habla sobre las primeras mediciones que se hicieron de los calores específicos para algunas sustancias. Los resultados que así se obtuvieron intentaron ser fundamentados posteriormente en términos microscópicos por medio de la teoría cinética, tema que se trata en el capítulo III.
Hacia mediados del siglo pasado no había manera de disminuir apreciablemente la temperatura ya que todavía no existían los refrigeradores. Con el desarrollo de la termodinámica se pudieron diseñar y construir estos aparatos que, una vez disponibles, hicieron posible medir las propiedades termodinámicas de las sustancias a bajas temperaturas, y como se verá en el capítulo IV se encontraron contradicciones con las predicciones de la teoría cinética entonces conocida. Los resultados de estas mediciones fueron el fundamento de la formulación de la tercera ley de la termodinámica, tema que se trata en el capítulo V. En el VI se resume la situación que imperaba en este campo de la física hacia fines del siglo XIX.
Independientemente de lo anterior, otro campo de la física que se había estado desarrollando era el de la óptica en el que, entre otras cosas, se intentó entender la naturaleza de la luz. En el capítulo VII revisaremos algunas de las ideas más importantes al respecto, y en el VIII se tratan algunos fenómenos relacionados con la luz, como la radiación. Es justamente cuando trataba de explicar el comportamiento térmico de esta radiación que Max Planck se vio en la necesidad de formular una hipótesis, la cuantización de la energía, con la que se inició la física cuántica. En el capítulo IX se presenta la contribución de Einstein a lo que después se denominó explicación del electo fotoeléctrico. Con este trabajo se da por primera vez realidad física a la cuantización de la energía. En el capítulo X hablamos sobre la otra contribución fundamental de Einstein al hacer ver que una consecuencia de suponer que también la materia se cuantiza es el comportamiento experimental que muestra el calor específico de las sustancias a bajas temperaturas. El capítulo XI reseña las repercusiones que tuvo el pensamiento de Einstein al irse convenciendo sus colegas de la bondad de sus ideas. El capítulo XII detalla las subsecuentes etapas del desarrollo de la física cuántica, en las que Einstein tuvo un papel muy importante, tanto contribuyendo con novedosas ideas, como erigiéndose en crítico muy severo de las ideas presentadas por otros científicos.
