Las diez cosas de hoy que le debemos a Einstein

Hace 100 años, en noviembre de 1915, un joven Einstein de 36 años presentaba su Teoría General de la Relatividad. Fue el punto culminante de una carrera que ya incluía avances revolucionarios para la ciencia. Hoy disfrutamos de sus efectos en la vida cotidiana.

Las cámaras digitales y el microondas no existirían sin la obra monumental del genio.

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1- El microondas

En 1953, como consecuencia de algunas ideas que Einstein había manifestado en 1917, se logró el desarrollo del máser, un dispositivo que hace lo mismo que el láser (que apareció en escena después), pero con radiación de microondas en vez de con luz. Fue 36 años después de que el genio alemán pensara en  emisiones estimuladas. De hecho, la palabra máser deriva del acrónimo inglés para amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación. Hoy se utiliza en radiotelescopios y  relojes atómicos, mientras que la capacidad de las microondas de generar calor permitió su aplicación en  los hornos a microondas. El físico estadounidense Charles H. Townes ganó el Nobel de Física en 1964 (compartido con dos soviéticos) por la creación del máser, y fue pionero en la del láser. Murió en enero de este año.

2- El rayo laser

En 1953, como consecuencia de algunas ideas que Einstein había manifestado en 1917, se logró el desarrollo del máser, un dispositivo que hace lo mismo que el láser (que apareció en escena después), pero con radiación de microondas en vez de con luz. Fue 36 años después de que el genio alemán pensara en  emisiones estimuladas. De hecho, la palabra máser deriva del acrónimo inglés para amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación. Hoy se utiliza en radiotelescopios y  relojes atómicos, mientras que la capacidad de las microondas de generar calor permitió su aplicación en  los hornos a microondas. El físico estadounidense Charles H. Townes ganó el Nobel de Física en 1964 (compartido con dos soviéticos) por la creación del máser, y fue pionero en la del láser. Murió en enero de este año

3- Las estadísticas

A más de un siglo de su descripción del movimiento azaroso de micropartículas suspendidas en un fluido (por ejemplo, el polen en una gota de agua), la explicación de Einstein sobre este fenómeno –conocido como movimiento browniano–sigue siendo útil. Los físicos que trabajan en nanotecnología (la manipulación de materiales muy pequeños, a escala molecular) utilizan ecuaciones de Einstein para cancelar el movimiento browniano y, así, controlar las nanopartículas. Más aún: ese ensayo logró aplicarse en ámbitos en principio alejados de la física, como la economía. En 1900, cinco años antes de que apareciera el artículo de Einstein, el matemático francés Louis Bachelier había establecido vínculos entre el azaroso y caótico comportamiento de las acciones en la bolsa de valores y el movimiento browniano, en lo que se reconoce como el primer trabajo matemático aplicado a la economía. Sin embargo, fue el detallado trabajo de Einstein el que permitió desarrollar modelos más ajustados sobre el comportamiento del mercado financiero y sus estadísticas.

4- El GPS

En abril de 2015, el dispositivo de navegación conocido como sistema de posicionamiento global (GPS) cumplió 20 años. Desarrollado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, en poco tiempo se extendió su uso civil y hoy prácticamente todos los teléfonos celulares lo incluyen entre sus funciones. Este gadget, que nos permite llegar a cualquier punto del globo terrestre sin preocuparnos de cuán terrible es nuestra orientación, no sería posible sin las ideas enunciada por Einstein. El elemento clave con que trabajan los satélites de GPS es el tiempo. Un receptor de GPS reúne señales muy precisas de distintos satélites, cada uno equipado con un reloj atómico. Al conocer la posición de cada satélite, mediante un método conocido como trilateralización, el GPS puede determinar su ubicación exacta sobre la superficie terrestre. Pero este invento no tendría ninguna utilidad sin la Teoría de la Relatividad de Einstein. Por algo la elogió tanto el científico inglés Paul Dirac, que ganó el Premio Nobel de Física en 1933. El británico llamó a esa genialidad del científico alemán “probablemente el descubrimiento científico más grande jamás hecho”. Opinión compartida por uno de los padres de la mecánica cuántica, otro alemán, Max Born (Premio Nobel de Física de 1954), quien la destacó como “el más grande logro del pensamiento humano sobre la naturaleza”.Los satélites se mueven a velocidades que superan los 10.000 kilómetros por hora, por lo cual funcionan más lento que los relojes terrestres, lo que se conoce como efecto de dilatación del tiempo, tal como se explica en la Teoría Especial de la Relatividad. En total, la diferencia es de unos 7 microsegundos por día. Casi nada, pero para que el GPS sea operativo, necesita una precisión de 20-30 nanosegundos (7 microsegundos equivalen a 7.000 nanosegundos, y un nanosegundo es la milmillonésima parte de un segundo).Pero hay más: como los satélites están alejados de la Tierra (a unos 20.000 Km de altura), están sujetos a una menor influencia del campo gravitatorio terrestre (un postulado de la Teoría General de la Relatividad), por lo cual funcionan más rápido que los relojes en el planeta. En este caso, la diferencia es de 45 microsegundos diarios. Combinando los dos desajustes, resulta una diferencia de 38 microsegundos por día, algo que los GPS deben corregir para mantener la precisión. Sin esta corrección “el sistema mundial de GPS se vendría abajo”, confirma el físico Charles Wang, de la Universidad de Aberdeen, en el Reino Unido. Entonces, nuestro celular indicaría que “ha llegado a su destino” cuando en realidad estaríamos ubicados a 10 kilómetros de distancia del lugar al que nos dirigimos. Y la divergencia aumentaría cada día en 10 kilómetros. Un grave problema que no se podría salvar ni recalculando una y otra vez.

5- La energía nuclear

La fisión nuclear (es decir, la división del núcleo del átomo) se logró en 1938. Es lo que permitió, unos años más tarde, la bomba atómica. Hoy se utiliza de forma controlada para la producción de energía mediante reactores nucleares. Alrededor del 11 % de la energía producida mundialmente es nuclear. Cuando se logró la división del núcleo del átomo en dos, se observó que la suma de la masa de las dos mitades era algo inferior al núcleo original. ¿Qué había ocurrido con el faltante? La célebre fórmula E=mc2, que establece la equivalencia de masa y energía, dio la respuesta: ese déficit se había convertido en energía. Según José Edelstein, profesor de física teórica de la Universidad de Santiago de Compostela, España, “la energía nuclear se fundamenta en los trabajos de Einstein; si no hubiera reactores nucleares, la humanidad tendría que consumir muchísima menos energía, y lo que llamamos nivel de vida tendría que ser mucho más austero”. Más allá de este aspecto teórico, que Einstein desarrolló en 1905 al escribir la Teoría Especial de la Relatividad, el físico alemán tuvo un efecto práctico en la creación de la bomba atómica, al firmar una carta en 1939 dirigida al presidente de los Estados Unidos, Franklin D. Roosevelt. La carta advertía que Alemania podría desarrollar la bomba atómica, y recomendaba que EE. UU. iniciara su propio programa nuclear. Este fue el puntapié inicial del Proyecto Manhattan, del cual, irónicamente, Einstein sería excluido por su origen alemán. El Proyecto culminó con la primera detonación (experimental) de una bomba atómica el 16 de julio de 1945, seguida al mes siguiente por los bombardeos de Hiroshima y Nagasaki. Más tarde Einstein lamentaría haber firmado aquella carta.

6-La televisión

El funcionamiento básico del televisor no sería posible sin la explicación de Einstein sobre el efecto fotoeléctrico. El  físico argentino Juan Pablo Paz lo comenta así: “La teoría de los fotones de Einstein permitió explicar el aspecto más extraño del efecto fotoeléctrico: al iluminar un metal, la luz deposita energía, arranca electrones y da lugar a una corriente eléctrica. Pero para que eso ocurra, el color de la luz no puede ser cualquiera. La selectividad del efecto fotoeléctrico al color de la luz es clave para numerosas tecnologías”. La invención del tubo de rayos catódicos, en 1907, y del iconoscopio (una primitiva cámara de tevé), en 1933, fueron hitos en el desarrollo de la televisión que aprovecharon la obra científica de Einstein. Sin embargo, en un nivel más específico, para un funcionamiento adecuado del sistema fue necesario tomar en cuenta la Teoría Especial de la Relatividad, sin cuya aplicación para corregir algunos defectos, las imágenes televisivas se verían borrosas, inentendibles.

7- Las cámaras digitales

El Premio Nobel de Física por su explicación del efecto fotoeléctrico, desarrollada en un artículo de 1905. Allí planteó que la luz presenta un comportamiento tanto de ondas –de acuerdo con la teoría física clásica– como de partículas (que luego se denominarían fotones). Se convirtió, así (y casi a su pesar), en uno de los fundadores de la mecánica cuántica, aunque –paradójicamente– a lo largo de su vida se negó a aceptar como válida. Se considera al físico Max Planck el padre de la mecánica cuántica y, justamente de Planck, Einstein tomó la idea de considerar a la luz como conformada por partículas. Este descubrimiento tiene infinidad de aplicaciones: desde la energía solar a las alarmas antirrobo, pasando por los reguladores del tóner de fotocopiadoras. Otra consecuencia práctica son las cámaras digitales. Augusto Beléndez Vázquez, experto en física aplicada de la Universidad de Alicante, España, lo explica así: “Las cámaras digitales utilizan sensores CCD en vez de película fotográfica, como las cámaras tradicionales. Esos sensores se basan en el efecto fotoeléctrico, la conversión de luz recibida en corriente eléctrica, que ocurre en algunos materiales”. También es clave en otros inventos: 
• Puertas automáticas de ascensores y supermercados: en ellas, el cuerpo de la persona que ingresa interrumpe un haz de luz que, normalmente, incide sobre una célula fotoeléctrica. En el caso de los ascensores, esa interrupción corta la corriente eléctrica del motor que cierra las puertas, deteniendo el cierre. En las puertas de supermercados, lo activa, abriéndolas.
• Lámparas automáticas: se activan cuando la célula fotoeléctrica llega a un umbral determinado de luz.
• Alcoholímetros: el alcohol exhalado por una persona reacciona en el alcoholímetro con un gas que lo colorea (mayor alcohol, mayor intensidad del color). Ese color se traduce en el índice de alcoholemia mediante una célula fotoeléctrica.

8- La heladera

El físico e inventor húngaro Leó Szilárd realizó notables contribuciones a la ciencia, entre ellas, la idea del reactor nuclear. Alumno de Einstein en Berlín, entre 1926 y 1930 colaboró con su maestro en el desarrollo de una heladera. En aquellos tiempos, las heladeras hogareñas estaban dando sus primeros pasos, y utilizaban gases tóxicos como refrigerantes. La elevada tasa de muertes por su malfuncionamiento llevó a Einstein a buscar una solución. Diseñaron una sin partes móviles (minimizando la posibilidad de una pérdida de gas), y que no utilizaba electricidad, sino únicamente una fuente de calor, y además no hacía ruido. La clave era una bomba electromagnética que movía un metal líquido. Sin embargo, el metal planteaba un potencial riesgo de intoxicación. Frigoríficos más eficaces (hoy se utilizan gases no tóxicos, como el freón) relegaron al “frigorífico Einstein” al archivo de las curiosidades. No obstante, su idea se reflotó en 2008, cuando investigadores de la Universidad de Oxford retomaron el invento para aplicarlo en regiones del mundo en las que hay escasez de electricidad.

9- El girocompás

Cuando se recibió de físico en la Escuela Politécnica de Zurich, Einstein apenas pudo conseguir un modesto trabajo en la oficina de patentes de Berna, recién dos años después de haberse graduado. El puesto le permitió interiorizarse en aplicaciones novedosas de principios científicos, y daría lugar a su mayor éxito como inventor: el girocompás. Este artefacto es un tipo de brújula. Al contrario que las brújulas convencionales, señala el norte geográfico y no el norte magnético (la diferencia entre ambos, llamada declinación magnética, es de unos 1.600 kilómetros). Además, el girocompás no resulta afectado por los metales. Ambas características son muy útiles en los buques actuales y submarinos. El prototipo del girocompás fue inventado por el alemán Hermann Anschütz-Kaempfe en 1904. En 1915 Einstein actuó como perito para determinar si se había infringido la patente de Anschütz-Kaempfe, y testificó a favor del alemán. A partir de entonces se inició una relación entre ambos, y en años siguientes trabajaron juntos para mejorar el dispositivo. Sus aportes le permitieron percibir ingresos del 3 % de las ventas y el 3 % de las ganancias provenientes de las licencias. El invento fue rápidamente adoptado por la Armada alemana y hoy es de amplio uso en los barcos de todo el mundo. Además de estos inventos, Einstein también desarrolló, con otros colaboradores, un dispositivo para mejorar la audición (1934) y una cámara de exposición automática (1936).

10- El microchip

El año milagroso de Einstein. Así es conocido 1905, el año en que publicó cuatro artículos extraordinarios que revolucionaron la física. Dos de ellos estaban dedicados a la Teoría Especial de la Relatividad; otro, a la explicación del efecto fotoeléctrico (por el cual más tarde recibiría el Premio Nobel); el último, en tanto, estaba dedicado al movimiento browniano (el que se puede observar en algunas partículas microscópicas cuando están en un medio fluido). Ese artículo se convirtió en la primera evidencia empírica de los átomos, en una época en la que todavía se discutía su existencia física. El movimiento browniano, observado en 1827 por el botánico Robert Brown, es el comportamiento azaroso de partículas microscópicas en un fluido. Einstein explicó que estos desplazamientos aleatorios se debían a la colisión de estas partículas con moléculas (átomos). Estableció, además, una ecuación para determinar la distancia que puede recorrer una partícula como resultado de su choque con los átomos. Esta ecuación se denomina relación de Einstein, y más tarde se usó para “describir los movimientos de los dispositivos semiconductores a través de un material semiconductor”, algo particularmente útil en el diseño y análisis de los microchips. Un semiconductor es un material (como el silicio) capaz de regular el flujo de corriente en un microchip (el cerebro de la computadora). Los primeros dispositivos que utilizan las propiedades de los semiconductores fueron bastante rudimentarios y datan de 1906, un año después de que Einstein publicara su artículo sobre el movimiento browniano. Este trabajo daría frutos prácticos varios años más tarde, con la invención del transistor, desarrollado en 1947 por tres físicos estadounidenses (el logro les valió el Premio Nobel en 1956). Los transistores son los primeros semiconductores modernos, y son el componente clave de prácticamente todos los artefactos electrónicos, desde la radio y la televisión hasta las computadoras y los teléfonos celulares. En ellos, las ideas de Einsten están presentes cada vez con más fuerza.