Fenómenos oscuros que Einstein convirtió en grandes descubrimientos

En serio, ¿cómo podría un “grano de polen” cambiar el mundo? Bueno, ¡sí que lo hizo! En 1827, Robert Brown, el principal botánico de Inglaterra antes de Charles Darwin, estaba estudiando la polinización de las plantas cuando notó que algo extraño pasaba bajo su microscopio. Un grano de polen se movía en una gota de agua. Brown observó con curiosidad el grano de polen a través de su microscopio durante mucho tiempo, y nunca dejó de moverse. Seguía temblando y estremeciéndose. No había ningún patrón en absoluto, solo un zigzag aleatorio y continuo. No podía entender por qué. Robert Brown trató diligentemente de averiguarlo. Intentó cambiar la temperatura de la gota en la que estaba suspendido el grano de polen. La enfrió. Este zigzagueaba menos. Calentó la gota de agua y zigzagueó más.

Brown escribió un artículo al respecto. Y ninguno de los científicos que leyeron su artículo pudo descubrirlo tampoco. La misteriosa causa invisible del “Movimiento browniano” desafiaba las soluciones. La ciencia estaba perpleja. Se ofreció una explicación. Algunos científicos sugirieron que la “energía” del agua hacía que se moviera. Pero no había ninguna prueba. La prueba es esencial para la ciencia; de lo contrario, todo es solo “ciencia ficción”. Y dado que no se pudo dar ninguna prueba de por qué el grano de polen continuó moviéndose, los científicos decidieron simplemente “olvidarlo”. El polen era demasiado duro para ellos. Durante 75 años, la ciencia ignoró el problema inexplicable del grano de polen zigzagueante, hasta que Albert Einstein se fijó en él.

"Debe haber alguna explicación para que estos granos de polen bailen esta danza del ’jitterbug’. Simplemente pondré un vaso de agua en mi escritorio, agregaré algunos granos de polen de una flor y veré si puedo averiguar qué está pasando. Los fenómenos invisibles pueden ser fundamentales, la gravedad, el magnetismo, lo que sea. Ah, pero ¿y si no es una energía invisible de la que los físicos nunca hemos oído hablar antes?. ’Cuanto más simple, mejor’, como siempre digo. Tal vez el grano de polen no baila; tal vez lo está empujando algo demasiado pequeño para ser visto, incluso en un microscopio. Déjame pensar. Para hacer una fórmula física, primero tendré que decidir qué quiero resolver. Si puedo predecir la distancia que se moverá el grano de polen, puedo calcular la fuerza de sus impulsores invisibles. Pero dado que el movimiento es aleatorio, mi predicción debe ser relativa a todas las condiciones. Todo es relativo.

¡Ajá! Comienzo a ver una fórmula que aparece en mi pantalla de visualización. Ah, todavía no tienen pantallas de visualización, pero las tendrán. ¿Dónde está mi lápiz?“. “Esto es lo que se me ocurrió: ¿no es encantador?”. Mostrando su brillante genio al combinar una gran variedad de fórmulas físicas, Einstein demostró que una partícula que se movía aleatoriamente cuando estaba suspendida en el agua, el grano de polen, obedecía leyes estadísticas de movimiento que dependían de la viscosidad del agua, la temperatura del agua, la distancia que se movía la partícula, la masa y el tamaño del grano de polen, su velocidad y la duración del tiempo de movimiento. El novedoso enfoque estadístico de Einstein para la mecánica de fluidos permitió una reducción computacional para producir una cifra para la masa de una sola molécula de H2O y, finalmente, para los átomos de hidrógeno y oxígeno.

El movimiento browniano fue resuelto, y Einstein abrió el siglo XX al mundo del átomo. El insignificante grano de polen, pasado por alto y oscilante, señaló el camino hacia la prueba de la existencia de los átomos. ¡Ese grano de polen merecía un Premio Nobel! El análisis estadístico de eventos aleatorios se ha convertido en una herramienta esencial en diversas aplicaciones científicas. Con una comprensión del movimiento browniano (fluctuaciones aleatorias), la ciencia finalmente puede obtener un control cuantitativo sobre los fenómenos meteorológicos, la teoría de juegos; flujo de tráfico; las fluctuaciones del mercado de valores, incluso la función de las células humanas, por nombrar solo algunas aplicaciones de la teoría estadística de Einstein. ¡Todo gracias a un incansable grano de polen! Y, sin embargo, había otra rareza que la ciencia había decidido olvidar y que llamó la atención de Albert Einstein. El planeta Mercurio estaba haciendo algo que nadie podía explicar.

Más de 200 años antes de los albores del siglo XX, sir Isaac Newton publicó su Ley Universal de la Gravedad. Realmente debería llamarse Teoría de la gravitación de Newton, no ley, porque Einstein iba a suplantar la gravedad newtoniana con su nueva teoría de la gravedad, en cuanto pudiera descifrar el misterio inexplicable de la peculiaridad orbital del planeta Mercurio. Newton reveló la fórmula de la atracción gravitatoria entre dos masas. Con la explicación matemática de la gravedad de Newton, la ciencia ahora sabía por qué los planetas giraban alrededor del Sol. En contraste, antes de Newton, la ciencia solo sabía “que” los planetas giraban alrededor del Sol, pero no sabía “por qué”.

Los astrónomos, después de Newton, se lanzaron alegremente a recalcular las órbitas de los planetas conocidos de acuerdo con la Teoría de la gravitación de Newton, y compararon sus cálculos con observaciones cuidadosas de los planetas con telescopios. Solo que Mercurio no cooperó. Como explicaré después de una breve digresión, Mercurio no estaba obedeciendo precisamente la fórmula matemática de sir Isaac Newton. En los primeros años después de Newton, la década de 1750 y más allá, solo había seis planetas conocidos: los visibles, Mercurio, Venus, la Tierra, Marte, Júpiter y Saturno. Ningún planeta o asteroide adicional había sido descubierto aún por telescopios en este momento. Y luego ocurrió algo genuinamente inusual, para lo cual la ciencia aún no tiene explicación. A fines de la década de 1760 y principios de la de 1770, dos astrónomos alemanes publicaron una serie numérica simple que ubicaba las trayectorias orbitales de todos los planetas conocidos, ¡y también de algunos desconocidos!

Johann Daniel Titius y Johann Elert Bode publicaron la siguiente rúbrica matemática. Suma el número 4 a cada uno de los siguientes números en esta serie progresiva: 0,3,6,12,24,48,96,192. Luego divide cada suma por 10. ¡Voilà! Obtienes las trayectorias orbitales de los planetas del sistema solar en unidades astronómicas. La distancia de la Tierra al Sol se considera una unidad astronómica. Es una aproximación útil y es un estándar de medición conveniente. La Tierra es el tercer planeta, por lo que toma el tercer número de la serie, 6, suma 4 y divide por 10. Obtienes una unidad astronómica, llamada UA. Probemos con Júpiter, es el número 48 en la serie Titius-Bode. 48 + 4 = 52, dividido por 10 = 5,2 unidades astronómicas. Ahí es exactamente donde se encuentra el camino orbital de Júpiter desde el Sol. ¿Sirve para Saturno también? Vamos a intentarlo. 96 + 4 = 100, dividido por 10 = 10 UA del Sol, diez veces más lejos del Sol que la Tierra. Ahí es donde orbita Saturno. La Ley de Titius-Bode funciona; el patrón es correcto.

Los astrónomos notaron rápidamente un número entre Marte y Júpiter, uno después de Saturno. La rúbrica Titius-Bode inspiró la búsqueda y el descubrimiento del planeta Urano por parte de William Herschel en 1781 y el descubrimiento del primer asteroide, Ceres, en 1801 por Giuseppe Piazzi. Esa es una pequeña progresión numérica extrañamente precisa. La ley de Titius-Bode se usa hoy para predecir la ubicación de las lunas de Saturno, el sistema lunar de Urano e incluso para indicar la ubicación de los exoplanetas alrededor de otras estrellas, aunque nadie sabe por qué funciona. Parece un buen misterio para que el joven Einstein lo resuelva. Pero estoy divagando. ¿Qué era eso de Mercurio?

Mercurio estaba haciendo algo que no cuadraba con la gravedad newtoniana. El punto de perihelio de la órbita de Mercurio, que es el lugar donde un planeta está más cerca del Sol, avanzaba un poco cada año. Era perceptible y no se explicaba por la fórmula de la gravitación de Newton. A menos que hubiera otro planeta en el sistema solar interior que afectara la órbita de Mercurio. Comenzó la búsqueda de un planeta dentro de esa zona. Los cálculos de su órbita potencial se distribuyeron en todo el mundo. Y ya se había elegido un nombre: Vulcano. Los telescopios de todo el mundo rastrillaron en los cielos al amanecer y al atardecer, en busca de Vulcano cerca del Sol. Pero nunca se encontró ningún planeta dentro de la órbita de Mercurio. Vulcano no existía. Lo siento, Sr. Spock. La ciencia se quedó perpleja de nuevo.

La precesión anómala del punto de perihelio de la órbita de Mercurio siguió siendo un misterio sin explicación durante más de 50 años, hasta que un día, cuando Einstein estaba tomando un café en una cafetería al aire libre con su compañero de trabajo en la oficina de patentes en Berna, Suiza. Michele Besso había sido compañero de clase de Einstein y sería su amigo de toda la vida.

Cuando Einstein publicó su Teoría de la relatividad especial en 1905, le dio crédito a Michele Besso por su invaluable contribución. Recientemente, las cartas que Michele Besso y Einstein intercambiaron en los años anteriores a que este último publicara su teoría general de la relatividad en 1915 se subastaron por 13 millones de USD! Tal vez quieras mantener a salvo esas cartas y mensajes de texto de tu mejor amigo. Podrían volverse valiosos algún día.