Un siglo del Nobel a Albert Einstein

Hace un siglo, Albert Einstein ganó el Nobel de Física en 1921. Sus colegas tardaron algunos años en postularlo al premio, pues desde 1905 él ya había publicado sus cinco grandes ensayos. El primero que se fijó en él, en 1910, fue un químico letón, Wilhelm Ostwald, Nobel 1909. También llamó la atención de Franz Kafka, pero como violinista, en 1911, en Praga.

Aquel 1905, Einstein, de 26 años, era un joven empleado de la Oficina de Patentes en Berna; se doctoró en Zúrich con una tesis sobre determinaciones moleculares, escribió sus ensayos sobre el efecto fotoeléctrico, la relatividad especial, el movimiento browniano y la equivalencia de la masa y energía (E=mc²), los cinco publicados ese año en la revista Annalen der Physik. Cinco años después, en 1915 expuso su teoría de la relatividad general.

Contrario a la creencia popular, Einstein se llevó el Nobel por su ensayo Un punto de vista heurístico sobre la producción y transformación de la luz (el efecto fotoeléctrico) y no por su Teoría especial de la relatividad, aunque si el Comité del Nobel hubiese sido flexible, como lo fue con John Bardeen (el único que ganó dos veces, en 1956 y en 1972; Marie Curie tuvo dos, pero uno en Física y otro en Química), tal vez le habría concedido un segundo premio, porque aún recibió otras 17 postulaciones en 1922 –una de ellas de Max Planck– y dos más en 1923, para acumular 66 desde 1910.

Einstein (1879-1955), entonces de 42 años y adscrito al Kaiser Wilhelm-Institut für Physik de Berlín (hoy Max Planck Institut), recibió el premio en 1922, que se justificó “por sus servicios a la Física teórica y especialmente por el descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico”. La pelea por el Nobel durante la década de 1910 a 1920 estuvo muy reñida y Einstein no era el gran favorito, sino Planck (74 nominaciones), Niels Bohr (22) y Henri Poincaré (51 de 1904 a 1912 y nunca ganó).

Además de merecer el premio, según los archivos desclasificados de la organización, de 1919 a 1954 Einstein también postuló ocho nominaciones al Nobel de Física: Max Planck (1919); James Franck y Gustav Hertz (1924); Arthur Compton (1926); Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger (1932); Schrödinger (1933); Otto Stern e Isidor Rabi (1940); Wolfgang Pauli (1945) y Walther Bothe (1954), y una al de Química, Carl Bosch (1929). Todos ellos ganaron el codiciado premio en su especialidad.

El anuncio de los Nobel 2021 será en la semana del lunes 5 al lunes 11 de octubre, aunque la entrega será del 6 al 12 de diciembre. Y el de Física, que conmemora el siglo de Einstein (en Literatura es también un siglo del de Anatole France), se dará a conocer el martes 5 de octubre.

Desde 1901 se han otorgado 114 premios Nobel de Física a 216 científicos, solo 4 a mujeres: Marie Curie (1903), María Goeppert-Mayer (1963), Donna Strickland (2018) y Andrea M. Ghez (2019). Lawrence Bragg ha sido el más joven en recibirlo, a los 25 años, en 1915, cuando Einstein publicó su teoría general de la relatividad, a los 36 años.

Para la doctora Karen Patricia Volke Sepúlveda, del Instituto de Física de la UNAM, quizás haya razón para que se valorara en principio más el ensayo sobre el efecto fotoeléctrico que el de la relatividad.

“Creo que es porque estaba explicando una observación experimental; no había duda de que la explicación era la correcta. La teoría de la relatividad igualmente transformó la Física y nuestra comprensión del Universo, pero al principio parecía solo eso, una bella teoría que reemplazaría a la de Newton sobre la gravitación universal, que del mismo modo había sido muy exitosa para explicar observaciones y experimentos. ¿Entonces por qué reemplazarla? Porque la relatividad es capaz de explicar lo mismo que la teoría de Newton en un cierto límite, pero puede explicar muchas otras cosas más. Fue hasta que se pudieron comprobar observaciones que solo podían ser explicadas por la teoría de la relatividad que ésta tomó su verdadera dimensión”, dice la experta en óptica y física cuántica.

Explica que Einstein sacudió con su ensayo a la teoría clásica de la luz, que para ese entonces tenía un fuerte sustento teórico y que además había sido muy exitosa para explicar un sinnúmero de experimentos que demostraban que la luz está formada por ondas electromagnéticas.

“El hecho de que los resultados experimentales del efecto fotoeléctrico no se pudieran explicar de esa forma y sí mediante una teoría cuántica de la luz, en términos de fotones, imponía un nuevo paradigma en la Física”, plantea Volke Sepúlveda, que entre otras líneas de investigación se enfoca al estudio de propiedades dinámicas y topológicas de la luz, las propiedades ópticas no lineales de suspensiones de nanopartículas, la micromanipulación óptica y la interacción de radiación con sistemas de átomos fríos.

Para su propio trabajo en el Instituto de Física, sostiene que los descubrimientos de Einstein hace 116 años sobre el efecto fotoeléctrico son una herramienta muy importante en su investigación con ciertos tipos de cámaras digitales. “Pero, además, yo trabajo con láseres, y el láser también es un desarrollo que tiene su origen en investigaciones y propuestas teóricas de Albert Einstein”, dice en entrevista.

Precisa como los principales hallazgos de Einstein que le valieron el Nobel, que planteó que la luz está compuesta por fotones en lugar de ondas, y que la energía de cada fotón es proporcional a la frecuencia. Esto último –expone la investigadora– puede sonar contradictorio, ya que la frecuencia es una propiedad asociada a la vibración de las ondas. El efecto fotoeléctrico reveló que la luz se puede comportar como ondas en algunas circunstancias y como un flujo de partículas en otros casos, precisa.

“Hay una frase muy bonita, que es atribuida a Einstein precisamente, que dice que la luz es como el filósofo francés Voltaire, que nació en el seno de una familia católica, luego, a lo largo de su vida, se convirtió en protestante, pero justo antes de morir, se volvió católico otra vez; la luz nace como un fotón cuando es emitida, luego, vive como una onda cuando se propaga, y al final, muere como un fotón, cuando es absorbida por un átomo. Así es como podemos entender el proceso en que cada fotón le transfiere su energía a un átomo o a un electrón del metal en el efecto fotoeléctrico”, expone la físico.

—Un siglo después del Nobel ¿qué aplicaciones tienen los hallazgos sobre el efecto fotoeléctrico?

El efecto fotoeléctrico tiene un sinfín de aplicaciones prácticas. Mientras los metales emiten electrones cuando se iluminan con fotones de frecuencias suficientemente altas, como el violeta o ultravioleta, hoy en día se utilizan muchos materiales que emiten la corriente fotoeléctrica con radiación de frecuencias menores. Por ejemplo, sirve para generar electricidad mediante paneles solares. También los pixeles de las cámaras digitales son fotodetectores que se basan en este efecto, así como muchos de los sensores de movimiento que controlan la apertura automática de puertas o la salida de agua en los lavabos.

—¿Qué papel jugó Einstein para definir su vocación como física y quién es él hoy para usted?

Cuando inicié mi carrera aún no podía dimensionar la grandeza de Einstein, me tomó algunos años poder entender su genialidad y la manera en la que su obra revolucionó la física y con ello nuestra comprensión del Universo, desde lo más pequeño con la física cuántica hasta lo más grande con la relatividad. Sin duda es el personaje que más admiro en la ciencia.

Efecto fotoeléctrico

—¿Podría explicarnos qué es el efecto fotoeléctrico, sobre el que escribió Einstein el ensayo por el que obtuvo el Nobel?

Cuando iluminamos una superficie metálica con luz, los electrones que se encuentran en la superficie del metal adquieren energía suficiente para liberarse del material y quedar como cargas negativas libres. Si el metal se encuentra en una región donde existe un campo eléctrico, los electrones liberados se van a acelerar hacia el polo positivo del campo eléctrico, generando una corriente eléctrica que puede ser detectada y, hoy en día, utilizada para operar, por ejemplo, algún tipo de interruptor.

De acuerdo con la teoría clásica del electromagnetismo, la luz está formada por ondas electromagnéticas que tiene una frecuencia de vibración característica para cada color. La frecuencia del rojo es más alta que la del infrarrojo, pero más baja que la del verde, y ésta a su vez es más baja que la del azul, mientras que la de la radiación ultravioleta es más alta que la de cualquier color visible.

Como resultado de la teoría clásica se esperaba que la cantidad de electrones liberados del metal solo dependiera de la intensidad de la luz, ya que ésta es proporcional a la energía de las ondas, es decir, mientras más intensa la luz, mayor la corriente eléctrica detectada. Pero esto no fue lo que se observó.

Para sorpresa de los científicos, se observó que, si la luz era roja o verde, por más intensa que fuera, no había ninguna señal de corriente eléctrica y, en contraste, luz menos intensa pero de una frecuencia mayor, como violeta o ultravioleta, sí lograba arrancar a los electrones del metal.

Este resultado, aparentemente contradictorio, solo se lograba explicar con una teoría cuántica de la luz, es decir, asumiendo que la luz está compuesta por partículas, como paquetitos de energía, que hoy en día llamamos fotones, y que la energía de un fotón es proporcional a la frecuencia de la luz. Así, al incidir sobre el metal, los fotones les transfieren su energía a los electrones, pero si son de luz roja o verde, su energía no es suficiente para liberar a los electrones, aún si son muchos (alta intensidad de la luz), mientras que, si son de una frecuencia mayor como el violeta, cada fotón tiene suficiente energía para liberar a un electrón, aún si son pocos (baja intensidad de la luz). Esto es el efecto fotoeléctrico.

ÁSS