La realidad cumple cien años

Por qué estamos celebrando el Año Mundial de la Física? El hecho de que se cumplan 50 años del fallecimiento de Albert Einstein (1879-1955) sería una excusa suficiente, pero los caprichos del calendario han ofrecido una justificación mucho más luminosa: hace exactamente un siglo que el joven Einstein, en los ratos libres que le dejaba su trabajo en la oficina de patentes de Berna, estableció los fundamentos de la física contemporánea en una asombrosa serie de artículos científicos que fulminaron nuestros más arraigados conceptos sobre el tiempo, el espacio, la materia, la energía y la naturaleza de la luz.

La ciencia es esclava de la dictadura de los datos, pero no siempre parte de ellos. Einstein construyó su revolución desde arriba, reflexionando con una profundidad y creatividad sin precedentes sobre las paradojas de la física de su tiempo. Las confirmaciones experimentales vinieron después, y elevaron a Einstein a la categoría de héroe intelectual del siglo XX, pero el concepto de realidad que imaginó el gran físico judío en 1905 resultaba increíble incluso para los más avanzados de sus colegas de la época. Todos ellos conocían los mismos experimentos que Einstein, de modo que es obvio que los datos no bastaban.

Einstein construyó su revolución desde arriba

Todo el mundo sabe que la luz viaja a 300.000 kilómetros por segundo. Lo que poca gente sabe es que esa cifra no es sólo un viejo dato experimental, sino que también se desprende de las puras ecuaciones del electromagnetismo descubiertas por el gran físico escocés James Clerk Maxwell en los años sesenta del siglo XIX. Esa espectacular coincidencia entre la teoría y la práctica demostró dos cosas: que la luz es una onda electromagnética y que su velocidad es una propiedad fundamental de la naturaleza. Las ecuaciones de Maxwell ni siquiera necesitaban que se les dijera con respecto a qué había que medir la velocidad de la luz. Daban 300.000 kilómetros por segundo y punto.

En 1896, cuando tenía 17 años, Einstein concibió el primero de sus famosos experimentos mentales. ¿Qué ocurriría si una persona corriera tanto que lograra alcanzar a una onda de luz? La persona debería ver que la onda está quieta, como parece quieto el tren de al lado cuando se mueve a la misma velocidad que el nuestro. Pero si la velocidad de la luz es una ley fundamental de la naturaleza, hasta el punto de que se desprende de las ecuaciones de Maxwell sin que importe quién la mide, ¿cómo puede estar quieta?

Tiempo detenido. Nueve años

después, en su annus mirabilis de 1905, Einstein tuvo el coraje intelectual de proponer la única respuesta posible, por extraña que pareciera. La velocidad no es más que el espacio que un objeto recorre partido por el tiempo que tarda en recorrerlo. Si la velocidad de la luz sigue siendo 300.000 kilómetros por segundo para una persona que corre casi tan deprisa como ella, la explicación sólo puede ser que el espacio y el tiempo han cambiado. La luz casi no recorre distancia respecto a ese veloz observador, pero el tiempo casi se ha detenido. Una distancia muy pequeña dividida por un tiempo muy corto sigue dando 300.000 kilómetros por segundo. Esta idea, junto a su formulación matemática precisa, es la teoría de la relatividad especial, uno de los pilares de la física contemporánea.

Las ecuaciones de Einstein, además, no implican ninguna diferencia esencial entre el espacio y el tiempo. El espacio tiene las tres dimensiones familiares (los tres ejes de coordenadas de la geometría convencional), y el tiempo es otra dimensión más. Vivimos en un espaciotiempo de cuatro dimensiones. Un objeto quieto viaja sólo por la dimensión del tiempo. A medida que su velocidad va aumentando, el objeto dedica cada vez más parte de su movimiento a desplazarse también por las dimensiones del espacio. A la velocidad de la luz, sólo se desplaza por el espacio: el tiempo se ha detenido para él. Por eso nada puede viajar más rápido que la luz. Eso sería un viaje al pasado.

Una de las consecuencias inesperadas de la teoría de la relatividad especial fue la ecuación E=mc2, también descubierta por Einstein en 1905. Significa que una pequeña cantidad de materia (m) puede convertirse en una gran cantidad de energía (E) al multiplicarse por el cuadrado de la velocidad de la luz, que es un número enorme. La bomba atómica y la energía nuclear son una consecuencia directa de esta célebre fórmula.

El otro gran pilar de la física

contemporánea es la mecánica cuántica, la ciencia de las partículas subatómicas. Es otro mundo ajeno a la intuición en el que las certezas se sustituyen por meras probabilidades, y en el que una partícula puede estar en dos sitios a la vez. Einstein nunca logró aceptar estos aparentes absurdos, y durante su madurez dedicó grandes esfuerzos a intentar refutarlos. Y, sin embargo, él mismo fue uno de los descubridores de ese laberinto.

Fue Einstein, y también en 1905, quien logró explicar matemáticamente el efecto fotoeléctrico, por el que ciertos sólidos generan una corriente eléctrica -es decir, emiten electrones- cuando reciben un rayo de luz. Pero para ello tuvo que postular que la luz no era sólo una onda electromagnética, sino que también, de algún modo, estaba hecha de partículas (cuantos de luz, o fotones). Así, un fotón podía golpear al sólido y arrancarle un electrón con las características observadas en los experimentos.

Las celebraciones del Año Mundial de la Física se extienden por todo el planeta. La mejor forma de conocerlas es consultar las webs physics2005.org (internacional) y fisica2005.org (España, véase la lista de abajo). Pero no deberían acabar con el año. Einstein escribió en sus últimos años: "Toda nuestra ciencia, una vez contrastada con la realidad, es primitiva e infantil, y pese a ello es la cosa más preciosa que tenemos".