}

Grazas Albert!

2005/09/01 Rementeria Argote, Nagore - Elhuyar Zientziaren Komunikazioa Iturria: Elhuyar aldizkaria

Albert Einstein non vía grandes aplicacións prácticas ás súas teorías. Pero, do mesmo xeito que supuxo una revolución na física, impulsou moitísimo a tecnoloxía. Moitas das ferramentas actuais están baseadas nestas teorías.

Einstein foi un físico teórico, meramente teórico, pero as súas teorías tiveron una aplicación práctica. Cando explicou a relación entre materia e enerxía, por exemplo, o propio Einstein tiña claro que a enerxía propia dos átomos podía utilizarse como fonte de enerxía. Quizais o que non esperaba, polo menos ao principio, era que se utilizase con fins militares. E, precisamente, a bomba atómica foi a aplicación máis coñecida das teorías de Einstein, que rexeitou con dureza.

Condenou con dureza que a bomba atómica explotase durante a Segunda Guerra Mundial. Pero naquela masacre Einstein tamén tivo algo de culpa. E é que, anos antes, un grupo de científicos, entre eles o propio Einstein, escribiu una carta ao presidente dos Estados Unidos, Franklin Roosevelt, na que advertían de que a Alemaña nazi estaba a se esforzar por expulsar ao uranio-235. Foi en 1939 e paira o ano seguinte púxose en marcha o proxecto Manhattan.

No proxecto Manhattan, o goberno estadounidense reuniu a un grupo de científicos. Alí estaban, entre outros, os prestixiosos físicos Robert Oppenheimer e Enrico Fermi, non Einstein. O obxectivo é depurar antes que os alemáns o uranio-235 e construír a bomba atómica.

Haberá que ver que cando descubriu a cara de Einstein, os estadounidenses fixeron estalar as bombas atómicas en Xapón. A partir de entón traballou duro pola paz e foi un emprendedor contra o armamento atómico.

Teoría, aplicacións e outros aspectos

Einstein non coñeceu outras aplicacións. E é que a Einstein, a Einstein, a Planck e aos seguintes físicos, por suposto, debémoslle moitas ferramentas e tecnoloxías. A electrónica, por exemplo. O paso fundamental paira o desenvolvemento da electrónica deuse en 1947: inventouse o transistor.

É difícil dicir a responsabilidade de Einstein sobre as bombas atómicas.

A invención do transistor debeuse ao avance da física teórica, que, en definitiva, contribuíu a superar as dificultades que tiña a teoría cuántica para que un instrumento destas características funcionase. E Einstein tivo que ver co desenvolvemento da mecánica cuántica. De todos os xeitos, non cría do todo, ou mellor devandito, non quería crer as consecuencias filosóficas da teoría cuántica. As súas discusións con Bohr foron famosas pola inexactitud da mecánica cuántica, que tivo lugar en 1927-1930.

Co tempo, con todo, tivo que aceptar que a teoría explicaba con precisión o mundo subatómico e que era a teoría máis “exitosa” da época. Aínda que seguiu sendo moi crítico coa mecánica cuántica.

Non consideraba suficiente aquela teoría que só establecía probabilidades, a teoría cuántica. Buscou una teoría que explicase como podían actuar non os átomos, senón como ían actuar. O obxectivo que tivo nos últimos anos da súa vida foi buscar una teoría unificadora de todas as leis, una teoría unificada que serviría en calquera situación, tanto paira os átomos como paira as galaxias, a nivel subatómico, microscópico e macroscópico... de menor a maior nivel. Con todo, non o conseguiu, e aínda non se conseguiu —moitos físicos cuéstionano—.

Einstein rexeitou algunhas consecuencias físicas e filosóficas da mecánica cuántica: “Dificilmente conseguiremos ver as cartas de Deus. Pero que traballa en dados e utiliza métodos ‘telepáticos’… iso non o podo crer.”

Con independencia da teoría unificada, a mecánica cuántica foi suficiente paira superar os obstáculos cos que se construía o transistor. Explicouse a conductividad dos materiais, por que algúns materiais son condutores e outros non, desenvolvendo o concepto de orbital dos electróns. E paira facer o núcleo do transistor utilizáronse materiais de distinta conductividad.

Como se dixo, o paso básico da electrónica foi o transistor, que se baseou na fabricación de dispositivos electrónicos, desde as primeiras emisoras até o computador máis rápido da actualidade.

Iluminación

O punto de partida de Einstein foi a explicación do efecto fotoeléctrico na cuántica. É certo que Planck explicou a mesma idea cinco anos antes (1900): a luz organizábase en partículas discretas, tanto por canto de luz como por fotón. Pero parece que Einstein entendeu a idea na súa totalidade: a luz non se organiza en fotóns, a propia luz está formada por fotóns.

Desde os primeiros computadores até os supercomputadores actuais, todos teñen transistores.

As cámaras dixitais tan presentes no bogie baséanse, por exemplo, no efecto fotoeléctrico: a luz (o fotón) extrae os electróns dun metal. O sensor de imaxe da cámara dixital aproveita este efecto.

O sensor de imaxe cumpre a mesma función e lugar que a película de fotos das cámaras convencionais. Atópase na parte traseira da apertura, onde a luz da imaxe que se quere captar convértese en sinal eléctrico. Este sinal eléctrico é tratado, convertida en datos de imaxe e almacenada no cartón de memoria.

O sensor de conversión de luz en sinal eléctrico consta duns electrodos, uno por cada píxel da imaxe. Cando a luz chega a un electrodo debido ao efecto fotoeléctrico, o metal do electrodo libera uns electróns e, por diferenza de potencial, mídese a cantidade de luz correspondente a cada punto da figura. A información recollida atópase en branco e negro (escala de grises), con filtros e outras ferramentas paira a súa conversión a cor.

Á luz do láser

Doutra banda, a clarificación da natureza da luz tamén permitiu o láser (1960). Einstein explicou a interacción entre os electróns e os fotóns, o que permitiu obter una radiación monocromática coherente, un raio de luz dunha soa lonxitude de onda, que en definitiva é o láser, mediante unha emisión de fotóns estimulada.

A resolución da estrutura dos átomos foi un dos grandes retos da física. Na imaxe, un átomo de amerizio-243: protones e neutróns no núcleo e electróns ao redor.

É de destacar a cantidade de artigos paira os que se utiliza o láser, que na actualidade utilízase en case todos os ámbitos da industria e que se atopa na vida cotiá. Pero as aplicacións non chegaron nada máis atopar o láser, tardaron uns vinte anos en levar a cabo as primeiras aplicacións.

Por exemplo, grazas ao láser temos actualmente lectores de CD, impresoras láser e lectores de códigos de barras. En medicamento ocupa o lugar do escalpelo tradicional en neurocirugía e utilízase nas operacións dos vasos sanguíneos, así como paira corrixir a miopía e o astigmatismo. De feito, cos raios láser córtanse os tecidos de forma precisa e limpa.

E paira materiais duros. Na industria, por exemplo, utilízase paira cortar as pezas; o seu principal inconveniente respecto ao corte mecánico é que necesita moita enerxía, polo demais é mellor. O láser utilízase non só paira cortar pezas senón tamén paira facer o contrario, é dicir, paira soldar. Como se pode apreciar, a soldadura por raios láser é un dos métodos de soldadura máis precisos e novos.

O láser tamén permitiu a fabricación de espectroscopios moi sensibles, como o espectroscopio Raman, paira detectar moléculas concretas. Está claro que o láser se converteu nunha ferramenta imprescindible nas novas tecnoloxías.

No futuro Einstein

O uso do láser segue provocando una longa corda. Por exemplo, debido ao proxecto ITER utilizarase tamén na fusión do núcleo na fala da xente ou na fusión nuclear. Os pulsos láser amplificados diríxense ao tritio e ao deuterio co fin de fusionalos e conseguir una fonte de enerxía eficiente.

A obtención de condensados en Bose-Einstein require temperaturas moi baixas. Os cumes da gráfica da figura representan o condensado.

Con todo, aínda non se conseguiu que a fusión sexa efectiva, xa que a enerxía utilizada paira a fusión de tritio e deuterio é superior á que se recolle a continuación. Pero non faltará esforzo no futuro.

Outro dos descubrimentos en curso é o láser atómico, una serie de átomos da mesma enerxía. Acábase de dar o primeiro paso: Obtívose o condensado de Bose-Einstein. No condensado Bose-Einstein, todos os átomos teñen a mesma enerxía (no láser como os fotóns). Una vez liberados os átomos do condensado deberase conseguir manter esta propiedade paira a realización do láser atómico.

E, do mesmo xeito que ocorreu ao principio co láser, non está claro que aplicacións vai ter, paira iso é necesario dominar o proceso e facer láser atómico. En calquera caso, seguro que os descubrimentos serán sorprendentes.

No proceso de obtención do condensado Bose-Einstein utilizáronse trampas atómicas e temperaturas moi baixas cerca do cero absoluto (0 Kelvin ou –273,15ºC). Isto permite que a enerxía de todos os iones descenda ao mesmo nivel, situándose no mesmo estado cuántico, conseguindo así una disposición moi particular da materia.

Este fenómeno foi anunciado en 1920 por Satyendra Nath Bos e Einstein, quen puxo a base co traballo sobre mecánica estatística de fotóns, que xeneralizou Einstein. En definitiva, describiron a distribución estatística de determinadas partículas subatómicas, os bosones. Os bosones, como os fotóns e os núcleos helio-4, son partículas identitarias ou inseparables e poden ter o mesmo estado cuántico.

Grazas ao láser, a tecnoloxía avanzouse moito.

Así, Einstein pensou que cando os átomos bosómicos colócanse a unha temperatura moi baixa se condensan no estado cuántico máis baixo, e que este é outro estado da materia (até entón descoñecida): o estado de superfluos. Os superfluidos son especialmente interesantes pola súa ausencia de viscosidad. En comparación co resto de situacións da materia, os superfluidos son moi inestables, polo que se considera que de momento non se atoparán aplicacións.

Pois ben, aínda que a teoría coñeceuse hai tempo, até 1995 non se conseguiu o auténtico Bose-Einstein condensado en laboratorio. Os autores (Cornell e Wieman) recibiron en 2001 o Premio Nobel de Física xunto con outro físico. Paira obter o condensado, os átomos de rubidio-87 colocáronse a 170 nanocelvines.

Como se dixo, o láser atómico aínda non se vai a executar e non se pode dicir que usos vai ter. Pero un pequeno avance: Comprobouse que o condensado de Bose-Einstein retarda a velocidade da luz, e din que pode actuar como un buraco negro, que dalgunha maneira utilizarase no futuro paira almacenar e liberar luz.

XXI. No século XX, a influencia de Einstein e os seus contemporáneos é tamén inmensa na física. Grazas Albert!

eu es fr en ca gl