ELS TREBALLS D'EINSTEIN: LA RELATIVITAT
Tot va començar quan Albert Einstein, l'any 1901, va acceptar un lloc de treball a l'oficina de patents de Berna, Suïssa. Allà va començar a treballar i afortunadament ell no necessitva cap laboratori; tan sols un llapis, paper i la seva ment. L'any 1905 va ser el seu annus mirabilis, ja que va veure la publicació de cinc dels seus treballs que trataven de tres desenvolupaments de gran importància.
Un dels seus treballs estava relacionat amb l'efecte fotoelèctric, pel qual quan la llum incideix sobre alguns metalls estimula l'emissió d'electrons. Lenard havia trobat, l'any 1902, que l'energia dels electrons emitits no depenia de la intensitat de la llum. Una llum més poderosa podia produir l'emissió d'un major nombre d'electrons, però no la d'electrons més energètics. No existia, doncs, una explicació per aquest fenòmen a la física clàsica.
No obstant, Einstein va aplicar la teoria dels números quàntics descoberta cinc anys abans per Plank i abandonada des de llavors. Einstein mantenia que una certa longitud d'ona de llum, produïda per quants d'energia fixa, podia ser absorbida per un àtom d'un metall i ser capaç de desprendre un electró d'energia fixa i no un altre. Una llum més potent (més quants) podria llavors produir l'emissió d'un major nombre d'electrons, però amb el mateix contingut energètic. Tanmateix, la llum de longitud d'ona més curta tindria més quants d'energia i produiria l'emissió d'electrons més energètics. La llum que tingués longitud d'ona més llarga que un cert valor crític donaria lloc a quants tan dèbils que no produirien l'emissió de cap electró. El contingut energètic d'aquests fotons de longitud d'ona gran serien suficients per a desprendre els electrons dels àtoms dels quals formen part. Aquesta "longitud d'ona d'entrada" seria diferent, evidentment, per a cada metall. Per tant, les teories de Plank foren aplicades, per primer cop, a fenòmens físics que no podien explicar-se per les vies de la física clàsica. Això va obrir quasi tot el camí de l'establiment de la nova mecànica quàntica. Per aquest fet Einstein va rebre el premi Nobel de física l'any 1921, i aquest no era el seu treball més important d'aquell anys.
En el seu segon treball de 1905, publicat dos mesos després del primer, Einstein va desenvolupar un anàlisi matemàtic del moviment brownià, observat primerament per Brown tres quarts de segle abans. Einstein va demostrar que si l'aigua en la qual es deixaven en suspensió les partícules estava composta de mol.lècules que es movien a l'atzar, d'acord amb els requisits de la teoria cinètica de Maxwell i Boltzmann, aquestes partícules oscil.larien segons es podia observar. Svedberg havia suggerit aquesta explicació del moviment brownià tres anys abans, però va ser Einstein qui va proposar una explicació amb base matemàtica.
Quant major és el tamany medi de les mol.lècules, més gran serà el cos pel qual la diferència dels bombardeigs pot produir efectes detectables. Per tant, l'equació deduida per Einstein per descobrir el moviment brownià es pot emprar per establir el tamany de les mol.lècules, i per tant, el dels àtoms que les componen. Tres anys més tard, Perrin va portar a terme experiments sobre el moviment brownià que van confirmar els treballs d'Einstein i que van donar els primers valors acceptables del tamany de l'àtom. La teoria atòmica de Dalton tenia una antiguitat de cent anys per aquella època i havia estat acceptada per tots excepte alguns disidents com Ostwald, i efectivament aquest fou el primer cop que l'efecte de les mol.lècules individuals van poder-se observar directament. Fins Ostwald es va haver de rendir. Però la gran proesa d'Einstein aquell any estava relacionada amb la nova visió de l'Univers que substituïa les velles idees de Newton que havien governat el món durant dos segles i quart.
Aquests treballs d'Einstein van arrencar del famòs experiment de Michelson i Morley, que no havien estat capaços de detectar alguna diferència en la velocitat de la llum quan canviaba la seva direcció al seu pas a través de l'èter. Einstein, per tant, va començar a treballar amb el supost de que la velocitat de la llum al buit es sempre constant independenment del moviment de la font lluminosa o de l'individu que estigui realitzant les mesures. Posteriorment va suprimir l'eter, jutjant-lo innecessari, a l'establir que la llum es propagava en quants i que, per tant, tenia propietats corpusculars i no solament ondulatòries. Si la llum hagués consistit només d'ones, hauria requerit cert medi a través del qual pogués propagar-se. Les partícules lluminoses van rebre el nom de fotons i van representar un rebutj de la teoria ondulatoria de la llum i una volta enrera cap la vella teoria corpuscular de Newton, adoptant una posició intermitja molt més sofisticada, però molt més útil que qualsevol de les dues altres primitives teories.
Einstein també va considerar que sense l'èter no podia exitir res a l'Univers que es pogués considerar com "calma absoluta" ni cap moviment que pogués considerar-se com "moviment absolut". Tot moviment era relatiu al punt de referència escollit generalment per la seva conveniència i les lleis de la Natura romanien inmutables segons els punts de referència. La seva teoria, com que estableix que "tot moviment és relatiu", es va anomenar, per tant, relativitat. En aquest treball concret Einstein va tractar solament el cas especial dels sistemes de moviment uniforme, de manera que se la coneix amb el nom de "Teoria especial o restringida de la relativitat".
Va demostrar que a partir del simple fet de la constancia de la velocitat de la llum i de la relativitat del moviment, l'experiment de Michelson i Morley es podia explicar amb la conservació de les eqüacions d'electromagnètica de Maxwell. També va demostrar que l'efecte de la contracció de la longitud de FitzGerald i l'efecte de l'augment de masa de Lorentz podien deduir-se i que la velocitat de la llum en el buit era, per tant, la màxima velocitat a la qual es podia transmetre qualsevol tipus d'informació.
Com resultat de tot això van sorgir una sèrie de peculiars conseqüencies. El transcurs del temps variava amb la velocitat del moviment i un havia de prescindir de les nocions de simultaneitat, ja que no es podia dir que, sota certes condicions, A succeïa abans que B, després de B o simultàniament amb B. L'espai i el temps es van esvair com entitats separades fonint-se en una sola: "l'espai-temps". Totes aquestes idees semblaven anar en contra del sentit comú, però el sentit comú està basat en experiències limitades a objectes de tamany ordinari i que es mouen a velocitats també ordinàries. Sota tals condicions la diferència entre les teories d'Einstein i Newton (aquestes sí que hi son dintre del "sentit comú") resulta enormement petita i inapreciable. Tanmateix, dintre de l'Univers com un tot i en el petit món propi de l'àtom, el sentit comú no es pot prendre com guia i existeix una diferència apreciable entre els dos punts de vista. Llavors és el d'Einstein i no el de Newton el més útil.
En la teoria especial de la relativitat, Einstein va desenvolupar la relació existent entre la massa i l'energia en la famosa equació E=mc2, on E és l'energia, m la massa i c la velocitat de la llum en el buit. D'aquí podem deduir que com la velocitat de la llum és molt gran, una petita quantitat de massa és equivalent a una gran quantitat d'energia. Interpretant així la massa i l'energia com dos aspectes diferents d'un mateix fenòmen, ja no es podria parlar de la conservació de la massa de Lavoisier o de la conservació de l'energia de Helmholtz. Si es parla simplement de la conservació de l'energia s'ha d'entendre que la massa no es més que un aspecte de l'energia. Aquesta relació entre la massa i l'energia es va confirmar ràpidament gracies a tota una varietat de mides nuclears i des de llavors ha resultat fonamental als estudis atòmics. Solament un cop va semblar que la seva utilitat es debilitava i llavors Pauli va postular l'existència del neutrí per salvar-la.
Tot i l'allau de teories que havia desenvolupat, va continuar treballant en l'aplicació de la seva teoria de la relativitat, en el cas més general dels sistemes accelerats, i en això va desenvolupar una nova teoria de la gravetat, dins la qual la teoria clàsica de Newton no era més que un cas especial. Va publicar els resultats l'any 1915 en altre treball inmens que es coneix generalment amb el nom de "Teoria general de la relativitat". Les equacions establertes en aquesta teoria van permetre treure gran conclusions sobre l'Univers en conjunt i Sitter les va utilitzar amb resultats encara millors que els del propi Einstein. Per un costat, la nova teoria d'Einstein permetia un desplaçament en la posició del periheli d'un planeta, cosa que no permetia la teoria de Newton. Tan sols en el cas de Mercuri (el més proper al Sol i a la seva influència gravitatòria) la diferència era suficientment gran per què es fes notar i de fet, el moviment que Leverrier havia detectat i tractat d'explicar suposant l'existència d'un planeta inframercurià, fou explicat al punt per la teoria einsteniana. Tanmateix, aquest assumpte no va causar tanta impressió com hagués degut, ja que Einstein sabia que existiria la discussió en el moviment de Mercuri i podia haver "dirigit" la seva teoria cap a aquest fenòmen.
D'altra banda, Einstein va senyalar que la llum sotmesa a un intens camp gravitatori mostraria un desplaçament cap al vermell. Aquest fenòmen mai s'havia estudiat ni observat, de tal manera que l'horitzó estava clar per realitzar un exàmen just. Únicament els camps gravitatoris extremadament forts podien produir un desplaçament suficientment gran perquè es pogués mesurar i segons la suggerència d'Eddington, W. S. Adams va demostrar l'existència d'aquest desplaçament pel cas de l'estrella nana blanca, companya de Siri, que tenia el camp gravitatori més intens conegut fins llavors (durant els anys seixanta, gràcies al perfeccionament dels aparells de mesura es va poder mesurar el desplaçament de la llum del nostre propi Sol). En adicció a tot això, va resultar que el desplaçament de la longitud d'ona dels raigs gamma, establert per Mössbauer a finals dels anys 50, era en realitat un desplaçament dels d'Einstein i quan es van realitzar les mesures es va veure que coincidien amb la predicció.
Per tercer cop i de manera menys espectacular, Einstein va demostrar que la llum es desviaria per l'efecte d'un camp gravitatori molt més del que Newton havia suposat. Això va poder ser demostrat per les expedicions de la Royal Astronomical Society de Londres el dia 29 de març de 1919, una al nord de Brasil, i l'altra a l'illa Príncipe, en el golf de Guinea. Es van mesurar les posicions de les estrelles lluminoses més pròximes al Sol. Si la llum es corbava al seu pas per les proximitats del Sol, aquestes estrelles es trobarien en posicions lleugerament diferents de les que havien ocupat sis mesos abans quan la seva llum no passava a prop del Sol al seu camí cap a les altures en el cel de mitjanit. Aquesta comparació reafirmava de nou les teories d'Einstein.
Les últimes dècades de la seva vida, Einstein les va passar en va buscant una teoria que abarqués tant els fenòmens gravitatoris com els electromagnètics (teoria del camp unificat), però se li va anar de les mans a l'igual que a tots els que van intentar alguna cosa semblant. Tampoc va tenir èxit Einstein en acceptar tots els canvis que estavan arrasant al món de la física a pesar del seu paper d'intel.lectual revolucionari. No va acceptar el principi de la indeteminació de Heisemberg, per exemple, doncs no es podia creure que l'Univers estigués tan completament abandonat en mans de l'atzar. "Déu pot ser perspicaç", va dir algun cop, "però no és maliciós".