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Neutrón

Mar. 07 de 2015 – UN Periódico

Por: Diego A. Torres,
profesor del Departamento de Física – Universidad Nacional de Colombia

El descubrimiento de la íntima relación entre la materia y la energía por parte de Albert Einstein, a principios del siglo XX, le proporcionó a la humanidad el poder de contar con energía eléctrica, crear técnicas para diagnosticar y curar enfermedades, explorar el espacio e implementar aplicaciones técnicas, vitales para la marcha de nuestra sociedad. Al conmemorarse los 100 años de la revolucionaria teoría de la relatividad general, a partir de los hallazgos del famoso físico, se siguen produciendo aplicaciones que cambian al mundo.

Alguna vez se han preguntado ¿cómo se vería el mundo si pudieran montarse sobre un rayo de luz?, ¿será posible que el tiempo transcurra de igual forma para todos? y, si tuvieran un microscopio lo suficientemente potente para ver los átomos y las moléculas, ¿qué verían si se hace incidir luz sobre una placa metálica?

Estas fueron algunas de las ingeniosas preguntas que un joven físico de 26 años se dio a la tarea de responder. Ese ejercicio cambió no solo la forma como vemos el mundo, sino que nuestras sociedades y estilos de vida se modificaron a tal punto que su apellido es asociado a la máxima expresión de la genialidad. Su nombre, Albert Einstein.

Para 1905, Einstein repartía su tiempo entre un monótono trabajo de seis días a la semana, en la oficina de patentes de Berna (Suiza), su esposa Mileva Marić, su pequeño hijo Hans y encuentros ocasionales con un grupo de amigos que se autodenominaban “La academia olimpia”.

La vida de Einstein no era fácil. Su trabajo en la oficina de patentes no correspondía con su titulación de profesor de matemáticas y física de la Escuela Politécnica Federal de Zurich. Este cargo lo obtuvo después de casi dos años de desempleo, gracias a la ayuda del padre de un amigo. En este ambiente, uno de los más adversos para la producción de nuevas ideas científicas, publicó una serie de artículos que harían de 1905, uno de los años maravillosos para la ciencia y la sociedad moderna.

Uno de estos textos serviría de prueba adicional a la existencia y tamaño de átomos y moléculas; otro propondría la naturaleza cuántica de la luz; y dos más cambiarían de manera radical nuestra concepción del espacio y el tiempo, y darían origen a la ecuación más famosa de todos los tiempos: E = mc2.

A la velocidad de la luz

En esta, se relaciona la energía de un cuerpo (E) con su masa (m) y la velocidad de la luz en el vacío (c). Así, Albert Einstein se convirtió en uno de los iniciadores de la mecánica estadística, uno de los padres de la mecánica cuántica y el creador de la teoría de la relatividad, pilares de física moderna que cambiaron nuestro mundo para siempre.

La ecuación mostró que la materia y la energía son la misma cosa en dos estados diferentes (piensen en el agua, que puede ser encontrada en estados sólido, líquido y gaseoso); y nuestro mundo se mueve gracias a la energía.

El resultado planteó la posibilidad de extraer energía de la materia misma. Por ejemplo, un núcleo atómico, que posee más del 98 % de la masa de un átomo promedio, en una muy pequeña región del centro del mismo, presenta una densidad de aproximadamente 2,3 x 105 toneladas/mm3 (equivalente a tener la masa de dos portaaviones gigantes concentrada en un cubo de un milímetro). Esta enorme densidad es la clave inicial para entender el gran poder acumulado en el núcleo atómico, el cual origina la energía emitida en forma de luz y calor proveniente del Sol. También es responsable del incremento de la temperatura en el interior de la Tierra, debido al decaimiento radioactivo de núcleos como el torio. Ambos fenómenos forman parte de las condiciones necesarias para sostener la vida en nuestro planeta.

El descubrimiento de la íntima relación entre materia y energía le daría a la humanidad el poder de suplir sus enormes necesidades energéticas (alrededor del 14 % de la electricidad producida en el mundo proviene de plantas de energía nuclear), crear técnicas para diagnosticar y curar enfermedades como ciertos tipos de cáncer, explorar el espacio exterior mediante satélites impulsados por baterías nucleares e implementar incontables aplicaciones técnicas, vitales para la marcha de nuestra sociedad.

Pero también, por primera vez en nuestra historia, ese conocimiento dio la certeza de que la humanidad tiene el poder de destruirse, gracias al profundo entendimiento de la naturaleza y de conceptos como materia, energía, espacio y tiempo.

Alguna vez se han preguntado ¿qué puede ser más básico que el espacio y el tiempo? y ¿qué puede ser más diferente entre sí que el espacio y el tiempo?

El tiempo es movimiento, un devenir continuo e inmutable que fluye y puede ser distinguible por eventos como el avance de un reloj o el crecimiento de los hijos. Entretanto, los cambios en el espacio que nos rodea, a lo largo del tiempo, parecen ser algo que damos por cierto, así como creemos que el transcurrir del tiempo siempre es constante.

Para nosotros, no hay duda de que la rapidez con la que giran las manecillas del reloj es igual a la de los relojes de los astronautas en el espacio. En contra del sentido común, si pudiéramos comparar de forma simultánea los relojes de los astronautas con los nuestros, ¡veríamos que los de ellos avanzan más rápido! De hecho, los relojes de ciertos astronautas, ubicados en una órbita de 20.000 km sobre la superficie de la Tierra (el monte Everest solo tiene 8 km de altitud), se adelantan alrededor de 0.000038 segundos por día.

Este pequeño efecto tiene repercusiones dramáticas en nuestro mundo, el cual depende de los navegadores satelitales (GPS, Global Positioning System) que usamos a diario en nuestros carros, paseos de campo, teléfonos inteligentes, aterrizajes de aviones en medio del mal clima, exploración de petróleo y hasta películas del agente 007, entre otros.

Relojes sincronizados 

El sistema usa señales enviadas a la velocidad de la luz por 24 satélites que viajan a 14.000 km/h, con relación a la superficie de nuestro planeta. Ahí es donde la sincronización entre los relojes de los satélites y los GPS es la clave para obtener una posición con un error de ubicación menor a 10 metros. Esta sincronización se logra gracias a los conceptos de espacio y tiempo creados por Einstein, que permiten comprender que la manera como transcurre el tiempo en dos relojes es “relativa” a la forma como se mueven y a la intensidad de la gravedad en el sitio donde se encuentran.

La forma como entendemos la relatividad con la que transcurre el tiempo es producto de dos efectos formulados en teorías de Einstein. La primera es la teoría especial de la relatividad, planteada en 1905; y la segunda, la de la relatividad general, originada a partir de la primera y formulada en 1915.

La primera no describe a la fuerza de la gravedad mientras que la segunda sí lo hace, aunque es bueno aclarar que la segunda contiene a la primera.

Según la relatividad especial, el tiempo en los relojes de los satélites transcurre más lento que en los nuestros, lo que genera un retraso de alrededor de 0.000007 segundos por día. Por su parte, la relatividad general predice el efecto opuesto en los relojes de los satélites, que avanzan más rápido por encontrarse en una región en donde la gravedad es cuatro veces menor a la de la superficie de la Tierra. En este último caso, los relojes se adelantan alrededor de 0.000045 segundos por día. El efecto neto son los 0.00038 segundos que a diario deben corregirse para el bienestar de no pocos en nuestro planeta.

El impacto generado por las teorías de Albert Einstein ha sido de tal magnitud, que después de 100 años de la formulación de la teoría general de la relatividad, y 110 años después de su año maravilloso, seguimos hallando aplicaciones que cambian a la sociedad, y buscando solución a las preguntas que sus trabajos dejaron planteadas. Nuestra humanidad hablará de Albert Einstein mientras exista.

Por eso, la próxima vez que llegue a tiempo a una cita importante, gracias a la oportuna ayuda de un mapa satelital, dele las gracias al joven que trabajaba en contra de su destino, en una oficina de patentes, para cambiar el mundo.