Eureka!

El nom d’Albert Einstein s’associa automàticament a la teoria de la relativitat, que va transformar els conceptes d’espai i de temps, i que relacionem amb la bomba atòmica a través de la que probablement sigui la formula més famosa de la física: E=mc². Aquesta, però, no va ser la seva única gran aportació a la física…

També val la pena destacar la seva aportació a la teoria atòmica de la matèria amb l’explicació que va donar a la descripció que els botànics feien quan observaven gotes d’aigua al microscopi. Destaca també la revolució que va provocar quan, per explicar l’efecte fotoelèctric, va proposar que la llum no es comportava com una ona sinó com una partícula; una idea per la qual, setze anys després, li atorgarien el Premi Nobel.

Moviment brownià

Per estrany que ens pugui semblar ara, a principis del segle XX no tots els físics creien en l’existència dels àtoms. Paral·lelament, els biòlegs continuaven sense trobar cap explicació al descobriment que el botànic Robert Brown havia fet a principis del segle XIX. Aquest deia que, observades amb microscopi, les partícules de pol·len de l’interior d’una gota d’aigua es movien d’una manera irregular, amb petits desplaçaments i canvis de direcció freqüents, una mica com el caminar erràtic d’una persona èbria.

L’any 1905 Einstein va explicar aquest fenomen vinculant-lo a la validesa de la teoria atòmica. Va proposar que el moviment i els canvis de direcció del pol·len eren fruit de la col·lisió amb les molècules d’aigua. Einstein va relacionar fets de camps aparentment inconnexos, la botànica i la física, i va aconseguir un objectiu doble: va explicar un fenomen que feia gairebé vuitanta anys que intrigava els botànics i va donar un argument de pes en favor de la teoria atòmica.

Efecte fotoelèctric

El 14 de desembre de 1900, Max Planck va posar la primera pedra al desenvolupament de la mecànica quàntica quan va explicar l’espectre d’emissió d’un cos negre amb la hipòtesi que la llum no s’emet de manera contínua sinó amb paquets d’energia (fotons). L’any 1905, Einstein es va basar en aquesta idea per explicar l’efecte fotoelèctric assumint la hipòtesi que —com l’emissió— l’absorció de la llum també es produeix de manera discreta.

L’efecte fotoelèctric és la capacitat de la llum d’ionitzar (és a dir, d’alliberar electrons) una superfície metàl·lica. Aquesta capacitat depèn de la freqüència de la llum, però no de la seva intensitat. L’explicació d’Einstein considera que l’energia de la llum només pot ser absorbida amb «paquets» (fotons) l’energia dels quals està relacionada amb la freqüència de la llum incident.

L’explicació d’Einstein va ser polèmica, perquè semblava contradictòria amb la visió de la llum com un fenomen ondulatori i un «retorn» al concepte que tenia Newton de la llum com a partícula, i que a principis del segle XX es considerava erroni.

Teoria especial de la relativitat

L’any 1905 la física considerava la llum com un fenomen ondulatori. L’única manera de fer compatible que qualsevol ona es propagués a través d’un medi i que la llum es propagués en el buit consistia a assumir que «el buit» estava constituït per una misteriosa substància anomenada èter.

L’any 1887, Michelson i Morley van intentar mesurar el moviment de la Terra en relació amb l’èter, però el seu experiment va donar uns resultats aparentment sense sentit, fins que, l’any 1905, Einstein va proposar que la velocitat de la llum era una constant per a qualsevol observador, amb independència de si es troba en repòs o en moviment.

Aquest fet, però, comporta la relativització tant del concepte d’espai com del de temps, que passen a dependre de l’observador. Una altra de les conseqüències d’aquesta teoria és la que probablement sigui la fórmula més famosa de la física, que relaciona massa amb energia a través de la velocitat de la llum:
E = mc²

Teoria general de la relativitat

Amb la teoria especial de la relativitat, Einstein havia canviat de soca-rel els conceptes clàssics d’espai i de temps: ambdós van perdre alhora el seu caràcter de referents absoluts i la seva independència. La física va deixar de considerar el temps independent de les tres dimensions espacials i va començar a plantejar les seves equacions en quatre dimensions: tres d’espacials i una de temporal.

Deu anys després de publicar la seva teoria especial de la relativitat, Einstein va fer un nou pas endavant amb la teoria general de la relativitat, en la qual la massa dels objectes es vincula a les equacions del sistema espai-temps. Conceptualment, la teoria general de la relativitat enterra el plantejament gravitacional de Newton, basat en forces d’atracció, i el substitueix pel de distorsió espai-temps. Qualsevol objecte distorsiona l’espai i el temps, de la mateixa manera que una lona elàstica es deforma quan al bell mig hi posem una gran bola de ferro. L’analogia es completa amb què succeiria si després deixéssim anar una bola petita en un extrem de la lona: rodolaria fins al punt més baix de la lona elàstica, just on és la bola gran. La bola petita no s’ha desplaçat cap a la gran perquè aquesta exercís una força atractiva sobre ella, sinó perquè l’hi ha dut la inclinació de la lona.

Una diferència entre les teories gravitacionals de Newton i d’Einstein és que mentre que la llum no queda afectada per la primera —perquè no té massa— sí que hi queda per la segona —perquè es desplaça en l’espai-temps. I justament la llum va aportar la primera prova experimental que corroborava la teoria d’Einstein: un equip britànic —liderat per Arthur Eddington, un dels astrofísics més reputats del moment— va fotografiar el cel durant un eclipsi de Sol i va comprovar que la trajectòria de la llum de les estrelles es desviava en passar a prop del Sol i en la magnitud predita per la relativitat general.

El funcionament del giroscopi i algunes tecnologies, com el GPS, són fruit d’aquesta teoria.

(Text publicat al web de la Generalitat per commemorar el 90è aniversari de la visita d’Einstein a Catalunya)