Einstein y la revolución científica del siglo XX.
Luis Enrique OTERO CARVAJAL.
Universidad Complutense de Madrid firstname.lastname@example.org.
RESUMEN.
En 1905 un joven desconocido llamado Albert Einstein publicó cinco artículos que cambiaron la física. La teoría de la relatividad destruyó el espacio y tiempo absolutos que habían caracterizado a la física moderna desde los tiempos de Newton. La relatividad general sustituyó a la cosmología moderna, el universo estático e infinito fue reemplazado por el universo finito y en expansión de la teoría del Big bang. La mecánica cuántica eliminó el principio de causalidad estricto sobre el que se había afirmado la representación determinista de la Naturaleza. La revolución científica del siglo XX cambió nuestra representación de la Naturaleza y los presupuestos epistemológicos sobre los que se asentaba la Razón moderna de la civilización occidental. Einstein desempeñó un papel protagonista en dicha revolución, aunque el carácter probabilista de la teoría cuántica, a la que había realizado contribuciones esenciales, le desagradó profundamente.
Palabras clave: Einstein. Relatividad. Teoría cuántica. Mecánica cuántica. Revolución científica.
Einstein and the Scientific Revolution of the 20th Century.
ABSTRACT.
In 1905 an unknown young man called Albert Einstein published five articles that they changed the Physics. The Relativity Theory demolished the absolute space and time that they had been characteristic of the Modern Physics from the times of Newton.The General Relativity replaced the Modern Cosmology, the static and infinite universe that it was replaced by the finite universe and in expansion of the Big Bang Theory. The Quantum Theory eliminated the strict principle of causality that it was the foundation of the deterministic representation of the Nature. The Scientific Revolution of the 20th century changed our representation of the Nature and the epistemological premises in which the modern Reason of the Western Civilization was laid down. Einstein performed a leading role in that Revolution, although the probabilistic character of the quantum theory displeased him deeply, even though he had contributed essential inputs to it.
Key Words: Einstein. Relativity. Quantum Theory. Quantum Mechanics. Scientific Revolution.
Texto de la conferencia pronunciada en el Congreso Internacional: Einstein. Centenario del año maravilloso de 1905. Dentro de la celebración del Año Internacional de la Física.
Organizado por el Departamento de Ciencias Físicas de la Universidad de Puerto Rico (Recinto de Entre Ríos) con la colaboración de la American Physical Society (APS), 29-31 de marzo de 2005, San Juan de Puerto Rico.
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A comienzos del siglo XIX el imperio de la Razón brillaba en todo su esplendor y, dentro del mismo, la representación determinista de la Naturaleza ocupaba un papel central, en virtud de la potencia y el vigor de los resultados de la visión mecanicista de la Naturaleza fundamentada en los enormes éxitos del sistema newtoniano1 . De hecho la aparición de la teoría evolucionista de Darwin fue interpretada como la culminación de dicha representación, como afirmó el gran físico vienés Ludwig Boltzmann el 29 de mayo de 1886: $\ll \mathrm { S i }$ ustedes me preguntan por mi convicción más íntima, sobre si nuestra época se conocerá como siglo del acero, o siglo de la electricidad, o del vapor, les contestaré sin dudar que será llamado el siglo de la visión mecánica de la naturaleza, el siglo de Darwin»2 .
Sin embargo, el desarrollo de la teoría electromagnética durante la segunda mitad del siglo XIX comenzó a crear problemas a una representación exclusivamente mecanicista de los fenómenos físicos. A la altura de 1850 las dificultades para explicar los fenómenos eléctricos y magnéticos de una forma satisfactoria persistían, hasta el punto de que «no se puede decir que existiese un acuerdo generalizado ni siquiera en cuáles deberían de ser los principios teóricos adecuados para poder desarrollar una electrodinámica»3 . Con la llegada de James Clerk Maxwell la situación cambió radicalmente, inspirándose en los trabajos de Michael Faraday, estableció la teoría unificada de los fenómenos eléctricos y magnéticos, para lo cual postuló la existencia del éter, que ocupando todo el espacio, constituiría el medio en el que se desarrollarían los fenómenos electromagnéticos4 .
En un principio Maxwell se apoyó en la imagen «cartesiana» del mundo, donde el medio omnipresente obedece las leyes de la mecánica de Newton... Y señaló, aunque no muy convincentemente, que su teoría podía deducirse a partir de los experimentos de.
Faraday. Maxwell abogó también por sus ecuaciones señalando que son consistentes con la hipótesis de un mecanismo... [mediante] una «ilustración dinámica» del mecanismo de la inducción electromagnética... Las consecuencias de este argumento no fueron precisamente las que Maxwell buscaba... La teoría expuesta en el artículo no depende realmente de la hipótesis de un mecanismo newtoniano. En lugar de ser el primer paso hacia la consecución de una teoría mecánica, resultó ser el primero en el sentido opuesto.5.
Conforme la teoría electromagnética se iba imponiendo en los círculos científicos durante el último tercio del siglo XIX, surgieron voces que reclamaban una revisión de los fundamentos de la Física clásica6 . Dos fueron las corrientes que sobresalieron en este período: el sensacionismo de Ernst Mach, cuyas posiciones se acercaban bastante a una fenomenología de la ciencia7 , y el energetismo, cuyo máximo exponente fue el químico William Ostwald8 . Ambas corrientes se enfrentaron con empeño a la representación mecanicista de la Naturaleza y, en particular, a las hipótesis atomísticas. Los fenomenistas rechazaban toda hipótesis que no se fundamentara directamente en la experiencia, eran, por tanto, defensores de un positivismo extremo, de ahí la influencia que ejerció Ernst Mach en los fundadores del Círculo de Viena y del neopositivismo9 . El energetismo trataba de construir una concepción metateórica que liberara a la ciencia de su dependencia respecto de la Física, mediante el desarrollo de una ciencia superior, la energética, que unificara en ella el resto de las ciencias10.
En el campo de la física esta crisis de los fundamentos se manifestó en científicos de la talla y el renombre de Ernst Mach, Gustav Kirchhoff, Hermann von.
Helmholtz, Heinrich Hertz y Ludwing Boltzmann11. La obra de Mach enraizaba en una amplia tradición, que en el último tercio del siglo había arrastrado a una parte de la intelectualidad alemana12. En más de una ocasión puso de manifiesto el propio Einstein que la lectura de las obras de Mach, especialmente El desarrollo histórico-crítico de la Mecánica, desempeñaron un notable influjo en su juventud. En esos años la posición epistemológica de Einstein podría ser considerada como la de un empirista, influenciado por Mach y Hume13. Einstein fue mostrándose cada vez más crítico respecto de los presupuestos epistemológicos y de la filosofía de la ciencia de Mach14.
La Teoría Especial de la Relatividad.
Las razones que movieron a Einstein para elaborar su famoso artículo de 1905 «Sobre la electrodinámica de cuerpos en movimiento»15 en el que desarrolló la Teoría Especial de la Relatividad no fueron esencialmente de carácter experimental16. «Poco a poco fui desesperando de poder descubrir las leyes verdaderas mediante esfuerzos constructivos basados en hechos conocidos. Cuanto más porfiaba y más denodado era mi empeño, tanto más me convencía de que solamente el descubrimiento de un principio formal y general podía llevarnos a resultados seguros»17. En dicho artículo Einstein señaló los motivos que le llevaron a escribirlo:
Ejemplos de este tipo [se refiere a algunos ejemplos esbozados en el párrafo anterior, referidos a la acción electrodinámica recíproca de un imán y un conductor], junto con los infructuosos intentos de detectar un movimiento de la Tierra con relación al «medio lumínico», llevan a la conjetura de que ni los fenómenos de la mecánica, ni tampoco los de la electrodinámica tienen propiedades que correspondan al concepto de reposo absoluto. Más bien, las mismas leyes de la electrodinámica y la óptica serán válidas [en la reimpresión de 1913 se añadió una nota que decía: «Lo que esto significa es, ‘serán válidas en primera aproximación’] para todos los sistemas de coordenadas en los que rigen las ecuaciones de la mecánica, como ya se ha demostrado para cantidades de primer orden. Elevaremos esta conjetura (cuyo contenido será denominado en adelante «el principio de relatividad») al estatus de un postulado e introduciremos también otro postulado, que es sólo aparentemente incompatible con él, a saber, que la luz se propaga siempre en el espacio vacío con una velocidad definida $\mathrm { ~ V ~ } [ c ]$ que es independiente del estado de movimiento del cuerpo emisor. Estos dos postulados bastan para conseguir una electrodinámica de los cuerpos en movimiento simple y consistente basada en la teoría de Maxwell para cuerpos en reposo. La introducción de un «éter lumínico» se mostrará superflua, puesto que la idea que se va a desarrollar aquí no requerirá un «espacio en reposo absoluto» dotado de propiedades especiales, ni asigna un vector velocidad a un punto del espacio vacío donde están teniendo lugar procesos electromagnéticos.18.
Para facilitar la comprensión de la Teoría Especial de la Relatividad, y que ésta se abriera camino en el mundo de la física, el propio Einstein acudió a posteriori a los resultados negativos del experimento de Michelson-Morley en respaldo de su teoría19. «La teoría especial de la relatividad debe su creación a las ecuaciones de Maxwell del campo electromagnético. Y a la inversa: estas últimas no son captadas formalmente de modo satisfactorio sino a través de la teoría especial de la relatividad»20.
La Teoría de la Relatividad Especial recurre al espacio cuadrimensional de Minkowski como la manera de representar «nuestro mundo cotidiano», mediante la inclusión de una cuarta coordenada: el «tiempo». La argumentación de Einstein proseguía con el análisis de la ley de inercia de la física newtoniana, señalando que ésta sólo era aplicable a los sistemas de coordenadas de Galileo y no constituía, por tanto, una ley de aplicación universal, como sostenía la Mecánica clásica21. Einstein formuló de manera explícita el principio de relatividad de Galileo, aclarando, además, que las leyes generales de la mecánica clásica son exactas exclusivamente en el marco de referencia del sistema de coordenadas galileano. «Mientras se mantuvo la creencia de que todos los fenómenos naturales se podían representar con ayuda de la Mecánica clásica, no se podía dudar de la validez de este principio de relatividad. Sin embargo, los recientes adelantos de la Electrodinámica y de la Óptica hicieron ver cada vez más claramente que la Mecánica clásica, como base de toda descripción física de la naturaleza, no era suficiente...»22.
El análisis de los conceptos de «espacio» y «tiempo» llevaron a Einstein a reformular el concepto de «simultaneidad»: «Sucesos que son simultáneos respecto al terraplén no lo son respecto al tren, y viceversa (relatividad de la simultaneidad). Cada cuerpo de referencia (sistema de coordenadas) tiene su tiempo especial; una localización temporal tiene sólo sentido cuando se indica el cuerpo de referencia al que remite»23. Por tanto, el concepto de «tiempo» en física sólo puede ser relativo, es decir, referido al «sistema de coordenadas» en el que se produce la localización temporal, desapareció así el tiempo absoluto característico de la física moderna. «Antes de la teoría de la relatividad, la Física suponía siempre implícitamente que el significado de los datos temporales era absoluto, es decir, independiente del estado de movimiento del cuerpo de referencia. Pero acabamos de ver que este supuesto es incompatible con la definición natural de simultaneidad; si prescindimos de él desaparece el conflicto, ..., entre la ley de propagación de la luz y el principio de la relatividad»24.
Siguiendo un razonamiento similar Einstein llegó a la conclusión de que no era defendible ni aplicable el concepto de «espacio absoluto» en física: «... en la física de Newton era imprescindible la noción del espacio absoluto, en el sentido de Descartes... La aceleración de Newton sólo se puede concebir, es decir definir, mediante el espacio absoluto.»25 El concepto de distancia espacial entre dos puntos de un cuerpo rígido se encuentra definido en función del sistema de referencia, por lo que el concepto de «espacio» en física sólo puede ser empleado en este sentido26.
... había que hacer de nuevo una elección similar y desesperada: para extender el principio de relatividad desde la mecánica (donde había funcionado) a la totalidad de la física, y explicar al mismo tiempo los resultados negativos de todos los experimentos ópticos y eléctricos sobre la corriente del éter, uno «solamente» necesitaba abandonar la noción de marco absoluto de referencia y, con ella el éter. Pero sin éstas el paisaje familiar cambiaba súbita y radicalmente en todos los detalles. La física se quedaba sin su vieja esperanza, satisfecha ya en parte, y en algunas ocasiones satisfactoriamente, consistente en explicar todos los fenómenos por medio de una teoría mecanicista y consistente.27.
El desarrollo de la electrodinámica por parte de Lorentz alcanzó los límites permisibles dentro de los presupuestos de la física clásica, avanzar más allá era imposible mientras no se eliminase el éter y, con él, la existencia de marcos de referencia privilegiados, «si al éter no le corresponde ningún estado de movimiento no hay ningún motivo para introducirlo junto al espacio como si fuera un ente de naturaleza especial. Sin embargo, los físicos no asumían esta forma o manera de pensar... Entonces llegó la teoría de la relatividad especial con el descubrimiento de la igualdad física de todos los sistemas inerciales.» 28.
Para Einstein todos los sistemas de referencia que se encuentran en movimiento con una velocidad relativa constante respecto de un sistema inercial determinado son equivalentes, y ninguno ostenta una posición de privilegio. De esta forma, las ecuaciones de transformación de Lorentz se convierten en ecuaciones de transformación relativista, que permiten que la información procedente de un sistema inercial de referencia sea traducida en información válida para otro sistema. La aplicación de «relojes sincronizados» y de «reglas rígidas» en dos sistemas de referencia $k$ (en reposo respecto del sistema $k ^ { \prime }$ ) y $k '$ (en movimiento uniforme respecto de $k$ ), conducen, conforme se aplican las ecuaciones de transformación de Lorentz, a la constatación de que: «... La regla rígida en movimiento [en k’] es más corta que la misma regla cuando está en estado de reposo, y es tanto más corta cuando más rápidamente se mueva... Si hubiésemos tomado como base la transformación de Galileo, no habríamos obtenido un acortamiento de longitudes como consecuencia del movimiento.»29.
Otro tanto ocurre con la medición del tiempo, como consecuencia del movimiento de sistema de referencia $\mathbf { k } '$ «el reloj marcha algo más despacio que en estado de reposo. La velocidad de la luz c desempeña, también aquí, el papel de una velocidad límite inalcanzable»30, mientras que en las ecuaciones de transformación de Galileo la medición del tiempo permanece inalterable. De aquí se deduce que el teorema de adición de velocidades no es el mismo para la física clásica que para la física relativista. Según Einstein el valor heurístico de la teoría de la relatividad se puede resumir, «... una vez en posesión de la transformación de Lorentz» y tomando en consideración el principio de relatividad, en: «Toda ley general de la naturaleza tiene que estar constituida de tal modo que se transforme en otra ley de idéntica estructura al introducir, en lugar de las variables espacio-temporales x, y, z, t del sistema de coordenadas original k, nuevas variables espacio-temporales x’, y’, z’, t’ de otro sistema de coordenadas $\mathbf { k } '$ , donde la relación matemática entre las cantidades con prima y sin prima viene dada por la transformación de Lorentz. Formulado brevemente: Las leyes generales de la naturaleza son covariantes respecto a la transformación de Lorentz.»31.
El impacto de la Teoría Especial de la Relatividad.
La aparición de la teoría especial de la relatividad dio lugar a una profunda polémica entre los defensores ardientes de la nueva teoría y sus detractores, aferrados a la visión clásica de la física; polémica que se prolongó durante años y que no culminó hasta avanzada la década de los veinte. En ella se esgrimieron desde argumentos estrictamente físicos hasta filosóficos, pasando por razones de carácter epistemológico, referentes a la nueva concepción que de las leyes de la mecánica proponía la teoría relativista. La aceptación de la Teoría Especial de la Relatividad por parte de los físicos no fue fácil, por cuanto significaba arrojar por la borda la imagen que del funcionamiento de la Naturaleza habían construido a partir de la Mecánica newtoniana. «La transición de un paradigma en crisis a otro nuevo del que pueda surgir una nueva tradición de ciencia normal, está lejos de ser un proceso de acumulación, al que se llegue por medio de una articulación o una ampliación del nuevo paradigma. Es más bien una reconstrucción del campo, a partir de nuevos fundamentos, reconstrucción que cambia algunas de las generalizaciones teóricas más elementales del campo, así como también muchos de los métodos y aplicaciones del paradigma... Cuando la transición [de un paradigma a otro] es completa, la profesión habrá modificado su visión del campo, sus métodos y sus metas.»32.
La recepción de la Teoría Especial de la relatividad, su aceptación o rechazo por parte de la comunidad científica, se encontró condicionada por las diferentes tradiciones científicas vigentes en cada país, mientras en determinados lugares la teoría de Einstein se abrió paso en los círculos académicos con mayor facilidad, caso de Alemania, en otros tropezó con mayores resistencias, caso del Reino Unido y Francia. Influyeron en ello el vigor de la crítica a la que anteriormente había estado sometida la mecánica clásica, en el caso alemán, que desbrozó el camino para la acogida de la teoría relativista; la pujanza de la visión clásica, en el caso británico lugar de origen de Newton y Maxwell; o incluso las dificultades de relación y comunicación entre las comunidades científicas de diferentes países, en este caso las dificultades provocadas por la ruptura de los canales de comunicación entre los alemanes y los británicos y franceses a raíz de la primera guerra mundial.
En Alemania la teoría einsteiniana fue ampliamente debatida en los círculos académicos a partir de 1909, contribuyendo numerosos e importantes físicos alemanes a su desarrollo posterior, destacaron en esta labor físicos de la talla de Max Planck, Max von Laue y Jakob Laub. El caso de Planck requiere una mención especial, catedrático en Berlín era uno de los editores de la revista Annalen der Physik, el lugar donde fue publicado originariamente el famoso artículo «Zur Electrodynamik bewegter körper». Planck se convirtió en uno de los principales defensores de la relatividad33. Otra de las personas que contribuyó a la difusión de la teoría relativista, aunque de manera mucho más indirecta que Planck fue Wilhem Wein, editor al igual que el anterior de la revista Annalen der Physik. Wein había manifestado su desacuerdo inicial con la relatividad y hasta 1909 no llegó a aceptarla; sin embargo, señaló a su discípulo Jakob Laub el interés de estudiarlo en profundidad. De esta forma, Laub entró en contacto con Einstein, fruto de lo cual publicaron tres artículos en colaboración en 1908 sobre la relatividad34; importante fue el artículo que Laub escribió en $1 9 1 0 ^ { 3 5 }$ . Transcurrieron varios años antes de que se pudiese decir que había una opinión preponderante a su favor, incluso entre los científicos alemanes, el cambio de rumbo fue la publicación, en 1909, de la comunicación de Hermann Minkowski Space and Time36.
La respuesta de los círculos científicos del Reino Unido, Francia y Estados Unidos fue en términos generales negativa, durante los primeros años para muchos físicos pasó inadvertida y, por tanto, ni siquiera produjo oposiciones. En el caso de Gran Bretaña37, la recepción de la Relatividad fue bastante negativa, cuando la hubo. Las razones hay que buscarlas en la fuerza que la teoría del éter tenía entre los físicos británicos. En fecha tan tardía como 1909 J. J. Thomson, premio Nobel y uno de los físicos más respetados de la época en Gran Bretaña, mantenía, en su «Presidential Address» a la British Association for the Advance of Science, que: «El éter no es una creación fantástica del filósofo especulativo; es tan esencial para nosotros como el aire que respiramos... [Es el] asiento de las fuerzas eléctricas y magnéticas... [y el] banco en el que podemos depositar energía y extraerla según nos convenga.»38.
En Estados Unidos la Teoría Especial de la Relatividad pasó prácticamente desapercibida en los años siguientes a su publicación, y cuando no ocurrió tal cosa la respuesta fue en general bastante negativa. La opinión de W. F. Magie, profesor de física en la Universidad de Princeton, era representativa de la actitud de rechazo a la relatividad, en su «Presidential Adress» a la American Association for the Advancement of Science del 28 de diciembre de 1911, reflejó con claridad tal situación: «El desarrollo del principio de la relatividad nos impulsa hoy a examinar de nuevo los fundamentos de nuestro pensamiento en punto a estos dos conceptos primarios [espacio y tiempo]... El principio de la relatividad, en esta su forma metafísica, pretende ser capaz de abandonar la hipó- tesis de un éter... de lo cual se sigue que el rumbo filosófico consiste en abandonar por completo el concepto de éter..., pero me aventuro a decir que, en mi opinión, el abandono de la hipótesis de un éter en el momento presente constituye un importante y serio paso atrás en el desarrollo de la física especulativa...»39. Incluso Michelson, cuyo experimento negativo sobre la corriente de éter fue posteriormente esgrimido como una de las pruebas experimentales confirmatorias de la Teoría Especial de la Relatividad, no llegó a aceptar completamente la teoría relativista, en sus Estudios de Óptica, proponía una «aceptación generosa» de la teoría de Einstein, aunque no sin reservas, «la existencia del éter parece ser inconsistente con la teoría», escribía: «Es de esperar que la teoría [se refiere a la teoría relativista] pueda ser reconciliada con la existencia de un medio, a través de una modificación de la teoría o, más probablemente, por medio de la atribución de las propiedades necesarias al éter.» 40.
En Francia la situación no fue muy diferente. La Relatividad Especial se encontró mediatizada por el influjo de la figura de Henri Poincaré, en aquellos años la máxima autoridad de la física francesa sobre electrodinámica. Poincaré consideró durante muchos años que la teoría de Einstein no era sino un mero desarrollo de sus propias teorías y de la electrodinámica de Lorentz, en las que ya estaba contenido lo esencial que la relatividad especial de Einstein presentaba como novedoso41. La excepción la constituyó Paul Langevin, quien en 1906 habló ya sobre la relatividad en un curso del Collège France42. Sin embargo, la posición dominante entre los físicos franceses fue la representada por Henri Poincaré. El estallido de la Primera Guerra Mundial no ayudó a la difusión de la teoría de Einstein en Francia.
En España la recepción de la relatividad especial fue debida a tres de las figuras más destacadas de la física española de la primera mitad de siglo, Esteban Terradas, Blas Cabrera y José María Plans. En el Primer Congreso de la Asociación Española para el Progreso de las Ciencias, celebrado en Zaragoza en 1908, los dos primeros presentaron sendas comunicaciones en las que por primera vez se exponían en nuestro país los fundamentos de la teoría de Einstein43, la actitud generalizada de los físicos españoles de la época se encontraba mejor representada por la postura negativa de J. Echegaray, en 1912 escribía: «¡Cuántos capítulos de la vieja mecánica habría que modificar profundamente si se aceptase como buena esta última negación! [se refiere a la inexistencia del movimiento absoluto]. $\gg ^ { 4 4 }$.
Especial atención merece la opinión de H. A. Lorentz, su posición es especialmente valiosa pues la teoría de Einstein supuso un avance sustancial respecto de la electrodinámica de Maxwell-Lorentz. En su obra The Theory of Electrons $^ { 4 5 }$ de 1909 reconocía el interés del enfoque de Einstein, pero no por ello renunciaba a su posición sobre el problema del éter. La posición de Lorentz respecto de la relatividad especial varió con el paso del tiempo, mereciéndole una opinión más favorable, en la segunda edición de su obra The Theory of Electrons, aparecida en 1915, incorporó una nota a pie de página en esta dirección, $\ll \mathrm { S i }$ tuviese que escribir ahora el último capítulo, sin duda que daría un lugar más prominente a la teoría de la relatividad de Einstein, en la que la teoría de los fenó- menos electromagnéticos en sistemas en movimiento gana una simplicidad que yo no fui capaz de conseguir. La causa principal de mi fracaso estuvo en mi fijación en la idea de que sólo la variable t puede ser considerada como el tiempo verdadero y que mi tiempo local t’ no debía considerarse más que como una cantidad matemática auxiliar.» 46. Lorentz puso el dedo en la llaga, al dejar al descubierto la distancia que separaba a sus planteamientos de 1899 de los de Einstein en 1905; atrapado como estaba por los principios de la física clásica no se le ocurrió que el tiempo local $t '$ era un tiempo real y no un mero formalismo matemático. Era necesario una nueva visión de la física, y para ello era necesario romper con el pasado y plantear los problemas desde un ángulo diferente. Esta fue la hazaña de Einstein, de ahí su grandeza y las incomprensiones que encontró la nueva teoría, para abrirse paso en sus primeros años de vida. Quizá comprendamos mejor el cambio que significó la Teoría Especial de la Relatividad si recordamos las palabras Herbert Butterfield sobre la revolución copérnico-galileana: «Efectivamente, encontraremos que, tanto en la física celeste como en la terrestre -...-, los cambios fueron producidos, no por nuevas observaciones, ni por pruebas de carácter nuevo o inusitado, sino por las transposiciones que estaban teniendo lugar en las mentes de los propios hombres de ciencia. En relación con esto, es pertinente e importante notar que de todas las formas de actividad mental, la más difícil de inducir, incluso en las mentes jóvenes, de las que se podría suponer que no habían perdido todavía la flexibilidad, es el arte de manejar un conjunto determinado de datos ya conocidos, pero situándolos en un nuevo sistema de relaciones entre sí, en una nueva estructura, todo lo cual significa, virtualmente, ponerse por un momento a pensar según líneas nuevas.»47 Esto es precisamente lo que hizo Einstein en 1905. «... la cuestión es que se originó [la relatividad] en los fallos de la teoría newtoniana, no surgió de sus éxitos, y el proceso que produjo la nueva física no fue un proceso de generalización, sino más bien un proceso de adopción de nuevas presuposiciones acerca de la estructura de la realidad física y de transformación de conceptos básicos con los que los científicos piensan y se relacionan con el mundo físico.»48.
El impacto filosófico de la Teoría Especial de la Relatividad.
No es extraño pues que la Relatividad Especial llamará la atención de los filósofos. En muchos casos la nueva teoría fue mistificada, distorsionando su verdadero significado. La Relatividad Especial sirvió de cobertura para el desarrollo y argumentación de sistemas filosóficos divergentes entre sí, cuando no total y radicalmente contradictorios, la novedad de la nueva teoría facilitó esta situación. «Es evidente que cada escuela filosófica selecciona de la teoría de la relatividad aquellas conclusiones filosóficas que le parecen interesantes desde el punto de vista de sus intereses particulares y acepta, rechaza o “interpreta” la teoría física según que dicha teoría concuerde o no con las doctrinas de la escuela... Esto explica la sorprendente variedad de opiniones, las controversias violentas acerca de la importancia, consistencia y aplicaciones científicas de los descubrimientos de Einstein.»49.
El mismo Mach acogió inicialmente con satisfacción la relatividad especial en el convencimiento de que se trataba de una confirmación de sus críticas respecto de la física newtoniana, esta posición varió con el tiempo, alejándose progresivamente hasta su rechazo final aparecido en una obra póstuma en $1 9 \hat { 2 } 1 ^ { 5 0 }$ . Petzoldt recibió con entusiasmo la teoría de Einstein, interpretándola como la confirmación desde la Física de los presupuestos filosóficos del neopositivis$\mathrm { m o } ^ { 5 1 }$ . Moritz Schlick fue uno de los primeros filósofos en aceptar las consecuencias epistemológicas y filosóficas de la teoría de la relatividad, para él constituía un ejercicio del análisis lógico trasladado al campo de la física. Su concepción de la teoría de Einstein descansaba sobre la base del convencionalismo de Poincaré, en su oposición al idealismo kantiano y en el empirismo filosófico52. Schlick ejerció una enorme influencia en la filosofía de los años veinte-treinta del siglo.
XX, al ser el impulsor del Círculo de Viena53. Relacionado con el Círculo de Viena estaba el grupo de Berlín que giró, bajo el nombre de Gesellschaft für empirische Philosophie, en torno a la figura de Hans Reichenbach. Reichenbach insistió al igual que Petzoldt en el carácter empírico de la relatividad especial54. Adolf Grünbaum, profesor de Filosofía de la Ciencia en la Universidad de Pittsburgh (EE.UU.), insistió en el origen empírico de la Relatividad, en fechas tan tardías como $1 9 6 1 - 1 9 6 4 ^ { 5 5 }$ .
Para Bertrand Russell la teoría especial de la relatividad era «el resultado de la combinación de tres elementos, de los que se hizo uso para la reconstrucción de los principios de la física: la experimentación escrupulosa, el análisis lógico y ciertas consideraciones epistemológicas»56. Russell compartía, en sus rasgos esenciales, la interpretación de la relatividad de Moritz Schlick y Hans Reichenbach, cuando escribió su obra Análisis de la Materia «... no hay que olvidar que los resultados experimentales fueron el motivo original de toda la teoría, y siguen siendo la base para emprender la tremenda reconstrucción lógica que suponen las teorías de Einstein.» 57.
El problema planteado a los neokantianos era de envergadura, pues surgió el interrogante de sí el análisis de las nuevas concepciones de espacio y tiempo, suponían una refutación de la filosofía de Kant. Ernst Cassirer abandonó la pretensión de los neokantianos radicales de interpretar la intuición pura de Kant como algo separado y sin conexión alguna con la intuición empírica. Para Cassirer el problema no estribaba tanto en salvar al pie de la letra la doctrina como en salvaguardar su método filosófico. En su obra «Zur Einsteinschen Relativitätstheorie», aparecida en 1921, mantenía que la relatividad instauraba una regla general más amplia que la determinada por el estrecho marco del espacio euclidiano y el tiempo uniforme kantianos, «Es verdad que hemos ido más allá de Kant. El estableció sus analogías de la experiencia de acuerdo esencialmente con las tres leyes fundamentales de Newton.» 58.
Henri Bergson en su obra Durée et simultaneité —Duración y simultane— dad-, publicada en 1922, se ocupó en extenso de la teoría de la relatividad59. Para Bergson el tiempo local de la relatividad no era más que un «tiempo respectivo» observado desde diferentes puntos de referencia, la dilatación del tiempo no sería sino un efecto de perspectiva por el cual el «tiempo local» permanecería inalterado. El hincapié en el carácter aparente de la dilatación del tiempo y los intervalos espaciales condujeron a Bergson a mantener que la dilatación relativista del tiempo, así como la modificación relativista de longitudes eran inobservables por principio, y que no podrían ser verificadas empíricamente jamás. La realidad ha sido bastante diferente y ambos hechos han sido verificados empíricamente.
En España, Ortega y Gasset se ocupó de la Relatividad como continuación y confirmación de su obra El tema de nuestro tiempo60, Ortega escribió $E l$ sentido histórico de la teoría de Einstein61. Para Ortega la relatividad «contiene en germen la integridad de una nueva cultura»62. El interés de la postura de Ortega no estriba tanto en la interpretación que de la relatividad hizo, como en su capacidad de influencia y de crear opinión en España y Latinoamérica.
En cuanto a la recepción por el marxismo en aquellos años, habría que decir con Loren R. Graham que «... la acogida dispensada por los soviéticos a la relatividad no fue particularmente hostil, si se la compara con la de otros países, y ello a pesar de que se pusiera de manifiesto alguna oposición a ella»63. Fue S. In. Semkovski, el primer marxista soviético que la estudio con detalle en 1926, llegando a declarar que la nueva teoría de Einstein suponía una confirmación brillante del materialismo dialéctico. «Los físicos soviéticos de la preguerra conocían perfectamente las controversias sobre la relación entre ciencia y filosofía, como consecuencia de la amplia aceptación que habían tenido las opiniones de científicos tales como Ernst Mach y Henri Poincaré, y no ignoraban que estos nuevos puntos de vista conceptuales habían sido importantes para el desarrollo por Einstein de la teoría de la relatividad. Aquellos físicos soviéticos que sabían que Mach había sido ampliamente criticado por Lenin podían albergar reticencias sobre la oportunidad de estudiar el trasfondo filosófico de la relatividad, pero en tanto que científicos se sentían tranquilizados por la cuidadosa distinción que hacia Lenin entre la ciencia y sus interpretaciones filosóficas.»64.
La Teoría General de la Relatividad.
La Teoría Especial de la Relatividad dejaba fuera de su campo toda una serie de problemas físicos, como los del campo gravitatorio y la no equivalencia de todos los cuerpos de referencia de cara a la formulación de las leyes naturales. Einstein dedicó los siguientes diez años de su labor científica a desarrollar un programa de investigación cuyo fin último consistió en generalizar la relatividad especial. Un camino plagado de dificultades y que no fue comprendido por la mayoría de los físicos de la época. «En el año 1905 había llegado yo, gracias a la teoría de la relatividad restringida, a la equivalencia de todos los llamados sistemas inerciales para la formulación de las leyes de la naturaleza. En esos momentos surgió de un modo natural el problema de si no existiría una equivalencia adicional para los sistemas de coordenadas. Para expresarlo en otras palabras: si sólo se puede adjudicar un significado relativo al concepto de velocidad, ¿debemos, con todo, seguir considerando la aceleración como un concepto absoluto $\gimel \gg$ 65. En 1907 Einstein escribió un artículo titulado $\ll E l$ principio de la relatividad y sus consecuencias» para la revista Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik66, a lo largo de sus páginas reflexionaba sobre las relaciones entre el principio de relatividad y la gravitación. Einstein consiguió integrar los resultados de la Teoría Especial de la Relatividad en un sistema de referencia de movimiento uniformemente acelerado de carácter homogéneo, esto es la aplicación de las ecuaciones relativistas a un campo gravitatorio homogéneo. En la sección XX «influencia de la gravitación en procesos electromagnéticos», Einstein presentó por vez primera una de las principales conclusiones de lo que posteriormente sería la Teoría General de la Relatividad: la influencia del campo gravitatorio sobre la velocidad de la luz, que a primera vista parecía un contrasentido respecto de la Teoría Especial de la Relatividad.
En 1911 publicó un artículo titulado «Sobre la influencia de la gravitación en la propagación de la luz»67. En este artículo Einstein centró su atención en posibilidad de la comprobación empírica de los resultados obtenidos en el artículo de 1907, sobre todo la curvatura en la trayectoria de los rayos lumínicos a su paso por un campo gravitacional intenso. En 1913 los trabajos de Einstein sobre la gravitación en su intento de generalizar la teoría de la relatividad no eran comprendidos por sus colegas68.
Habrían de transcurrir todavía dos años para que la Teoría General de la Relatividad encontrase su definitiva configuración, dos años en los que Einstein, en colaboración con Marcel Grossmann, matemático experto en geometría diferencial, viejo amigo, compañero de estudios y colega suyo en el Instituto Politécnico de Zurich, avanzó en la comprensión de la geometría riemanniana, que resultó fundamental para el desarrollo de la Teoría General69. Entre 1912 y 1913 Einstein llegó a la conclusión de la necesidad de abandonar el espacio-tiempo minkowskiano plano si quería tener éxito en la generalización de la relatividad. Las razones se encuentran en su percepción de la importancia, y las consecuencias físicas, de la curvatura de los rayos lumínicos por la acción de un campo gravitatorio, que evidenciaban una estructura espacial curvada por efecto de la gravitación. El problema al que se enfrentaba en 1913 Einstein, era encontrar o desarrollar una geometría que fuese capaz de dar cuenta y representar un espacio-tiempo curvado.
En 1914 Einstein estaba convencido de que el camino era el acertado70, entre mediados de 1914 y principios de 1915, Einstein se percató de que el camino emprendido, con el abandono de la covariancia general, no conducía a resultados plenamente satisfactorios71. Fue en el mes de noviembre de 1915 cuando Einstein llegó a la formulación definitiva de la Teoría General de la Relatividad. Culminaba así un largo período de diez años lleno de obstáculos. La exposición definitiva de la Teoría General la realizó en la Academia Prusiana de Ciencias en la sesión celebrada el 25 de noviembre de 1915, bajo el título: $\ll D i e$ Feldgleichungen der Gravitation»72; En 1916 publicó el artículo «Die Grundlage der Allgemeinen Relativitätstheorie» (Los fundamentos de la teoría de la relatividad general), en el que presentaba de forma completa y desarrollada la Teoría General de la Relatividad73.
Las consecuencias cosmológicas de la Teoría de la Relatividad General constituyen uno de los principales resultados de la nueva teoría. La visión del Universo procedente de la física newtoniana dejo paso a una nueva contemplación del Universo radicalmente diferente de la visión procedente de la Física moderna74. La representación geométrica de la relatividad general, regida por las coordenadas gaussinas, la geometría riemanniana y el desarrollo matemático de Ricci y Levi-Civita, dio lugar a una representación geométrica del continuo espacio-temporal bastante alejada de la representación euclidea. La existencia de diferentes grados de curvatura del continuo espacio-temporal viene determinada por la densidad de la materia en las diferentes regiones del continuo espacio-temporal. En regiones del espacio-tiempo con una alta densidad másica la curvatura será mayor que la existente en regiones de menor densidad másica, por la acción de los campos gravitatorios. La materia da lugar a una curvatura de la geometría del espacio-tiempo, pero también la materia del Universo se encuentra condicionada por la curvatura del espacio-tiempo o, lo que es lo mismo, la materia encuentra condicionado su movimiento debido a la curvatura del espacio-tiempo. Tras la comprobación de la existencia del fondo de radiación de microondas por Penzias y Wilson la teoría del Big Bang se afirmó como la representación del Universo coherente con la relatividad general75.
En 1919 la Royal Society organizó dos expediciones, bajo la dirección de los astrónomos ingleses Eddington y Crommelin, con el objeto de estudiar el eclipse solar del 29 de mayo de $1 9 1 \dot { 9 } ^ { 7 6 }$ . Eddington se convirtió de inmediato en un adalid de la relatividad en Gran Bretaña77; en marzo de 1917, sir Frank Watson Dyson, astrónomo real, señaló la excelente ocasión que se presentaba durante el eclipse solar del 29 de mayo de 1919 para observar la existencia o no de la curvatura de la $\mathrm { l u z } ^ { 7 8 }$ . Los resultados obtenidos por la doble expedición probaron que las predicciones establecidas por la Teoría de la Relatividad General, sobre la curvatura de la trayectoria de la luz bajo la acción de un campo gravitatorio, eran
76 W. DE SITTER publicó un artículo en la revista Observatory sobre la relatividad general, en el $ { \mathrm { ~ n ~ } } ^ { \mathrm { ~ o ~ } } \ 3 9 $ (1916), p. 412, igualmente publicó tres artículos en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, en los que De Sitter desarrollaba la relatividad general y señalaba la importancia del experimento propuesto por Einstein, estos artículos aparecieron en los números 76 (1916) y 78 (1917), que llamaron la atención de Eddington.
77 A. S. EDDINGTON presentó un informe a la Royal Astronomical Society en febrero de 1917 en el que señalaba la importancia de comprobar las predicciones de Einstein sobre la curvatura de la luz, fue publicado por la Monthly Notices of the Royal Astronomical Society en el número 77 de 1917, p. 377.
78 DYSON, Frank Watson: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, $\mathbf { n ^ { o } } 7 7$ , 1917, p. 445. Eddington, A. S.: Observatory, $\boldsymbol { \mathrm { n } } ^ { \circ } \boldsymbol { 4 } 2$ , 1919, p. 119. La expedición de A. C. D. CROMMELIN se dirigió a Sobral, al Norte de Brasil; la dirigida por A. S. EDDINGTON tomó como punto de observación la isla Principe, situada en el Golfo de Guinea.
correctas79. Estos resultados fueron presentados por Dyson, Crommelin y Eddington como la confirmación de la teoría de la relatividad, y así fueron acogidos por la comunidad internacional de físicos80. Fueron el cálculo exacto del avance del perihelio de Mercurio y, sobre todo, la expedición enviada por la Royal Society en 1919 los que abrieron el paso a la aceptación generalizada de la relatividad entre la comunidad de científicos (la comprobación empírica del desplazamiento hacia el rojo de los rayos lumínicos no jugó ningún papel, al producirse en fechas tan tardías como 1955 y 1960)81.
La Teoría Cuántica y la Discontinuidad en la Física.
A finales de 1894 Max Planck inició un programa de investigación cuyo objetivo perseguía explicar la igualdad existente entre la radiación emitida por un cuerpo negro y la radiación de equilibrio (esto es, la igualdad entre energía emitida y absorbida en un intervalo de tiempo) de una cavidad cualquiera, tal como fue definido por Kirchhoff entre 1859 y 1860 en la ley de radiación de Kirchhoff82. En el estudio de la radiación de cuerpo negro, y en la solución al problema de la intensidad de dicha radiación, entraban en juego la termodinámica, la teoría electromagnética y la mecánica estadística. Tres de las ramas de la física que constituían la vanguardia de la física de finales del siglo XIX. Tres campos de la física en los que Planck había trabajado con anterioridad. Entre diciembre de 1900 y enero de 1901 Planck publicó dos artículos, bajo el título «Zur Theorie des Gesetzes der Energievertheilung im Normalspectrum»83 y «Über das.
Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum»84. Fue en el artículo de diciembre de 1900 en el que Planck introdujo por primera vez el cuanto de acción, al definir el tamaño de los diferentes elementos de energía, a la hora de calcular la entropía de una distribución arbitraria de energía. Para ello recurrió al método seguido por Boltzmann a la hora de subdividir el continuo de energía en elementos de tamaño finito, pero fue mucho más allá al señalar que éstos debían de tener un valor constante y proporcional a la frecuencia, de esta manera introdujo el cuanto de acción en la física. Planck era consciente de que había encontrado la solución del problema del cuerpo negro, pero no fue capaz de comprender qué significaba dicha solución hasta después de 1906. En su obra Lecciones sobre la teoría de la radiación térmica aparecía un párrafo harto significativo:
Un rasgo de este resultado [se refiere a] que choca de inmediato es la entrada de una constante universal $h$ cuyas dimensiones son un producto de energía por tiempo. Supone una diferencia esencial respecto a la expresión de la entropía de un gas... Así pues, la termodinámica de la radiación no llegará a una conclusión enteramente satisfactoria hasta entender el pleno y universal significado de la constante h. Quisiera llamarle el «cuanto de acción» o el «elemento de acción», por tener las mismas dimensiones que la magnitud a la que el Principio de Mínima Acción debe su nombre. [el subrayado es añadido]85.
La fórmula de Planck $E = h n$ resultaba extraña para los físicos de la época, porque establecía una igualdad entre la energía concebida como discontinua y la energía considerada como continua, en función del carácter ondulatorio de la frecuencia. Sólo Einstein al postular en 1905 la existencia de partículas de luz (fotones) y con ello el carácter corpuscular y ondulatorio de la luz comprendió en toda su magnitud el alcance de la teoría de Planck86. Una posición que gozó de la animadversión del resto de los físicos que atrapados por la teoría ondulatoria de la luz podían concebir un comportamiento tan extraño, a primera vista tan contrario con los postulados de la física. A la altura de 1906 Planck había identificado el cuanto de acción con $h$ , estableciendo además que era una constante universal, pero aún no había llegado a la conclusión de que dicho descubrimiento suponía introducir la discontinuidad en la Física. Es posible que por estas razones los artículos de diciembre de 1900 y enero de 1901, junto con su obra Lecciones sobre la teoría de la radiación térmica aparecida en 1906, no fuesen valorados por los físicos de la época como una aportación que revolucionaría los cimientos de la física87. Tan sólo en 1922 con la introducción del efecto Compton88 y el desarrollo de la mecánica cuántica con Heisenberg, Schrödinger, Bohr, Born y otros la solución propuesta por Einstein se abrió camino y fue cabalmente entendida.
Para alcanzar el resultado de Planck era preciso establecer, señaló Ehrenfest, una restricción que constituía una ruptura con la teoría clásica, como era el limitar la energía de cada modo de vibración a múltiplos enteros del elemento de energía 89. En ello jugó un papel de primer orden la reinterpretación realizada por Ehrenfest de la combinatoria utilizada por Planck en su teoría del cuerpo negro90. A conclusiones similares, aunque por caminos diferentes, había llegado Einstein por las mismas fechas. Tres meses antes del artículo de junio de 1906 de Ehrenfest, había enviado Einstein su artículo: «Sobre la teoría de la emisión y la absorción de la luz»91.
En su artículo $\ll$ Über einer die Erzeugung und Verwardlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt» (Sobre un punto de vista heurística concerniente a la emisión y transformación de la luz)92, por el que luego le fue concedido el premio Nobel por explicar el efecto fotoeléctrico, analizaba la ley de Planck y su comportamiento a altas y bajas y bajas frecuencias93. Einstein se encontraba inmerso en una reflexión de carácter más general sobre algunos de los graves problemas que aquejaban a la física de su tiempo, el mismo año y en la misma revista publicaba el artículo donde exponía la Teoría de la Relatividad Especial94. Dentro de este programa general, la teoría desarrollada en $\ll U n$ punto de vista heurístico...» se encontraba íntimamente relacionada con el problema más general de la estructura de la luz, y dentro de ella aparecía la contradicción entre la naturaleza corpuscular de la materia, de carácter, por tanto, discreto y la naturaleza ondulatoria de la radiación, de carácter continuo. La contradicción existente entre la materia discontinua y la radiación que emite o absorbe de forma continua no podía dejar de desagradar a un físico como Einstein.
En su intento de resolver dicho problema dirigió su atención al análisis del fenómeno de la radiación del cuerpo negro. Einstein conocía la obra de Planck aunque en aquellos años (1905) no se mostraba muy satisfecho con ella. «Entonces me daba a mi la impresión [cuando publicó el artículo de $1 9 0 5 ~ \mathrm { u n }$ punto de vista heurístico] como si la teoría de Planck de la radiación fuese contradictoria en determinada relación con mi trabajo. Nuevas reflexiones,... me mostraron, empero, que las bases teóricas sobre las que descansa la teoría de la radiación del Sr. Planck, se diferencian de aquellas en que se basa la teoría de Maxwell y de la teoría de los electrones, y de hecho en que la teoría de Planck hace uso implícito de la hipótesis de los cuantos de luz que se acaba de mencionar.» 95, y conocía el fenómeno denominado catástrofe del ultravioleta96, que generaba fuertes sospechas sobre el supuesto de la distribución continua de la energía. Einstein conocía los trabajos experimentales de Philip Lenard sobre la absorción de alta frecuencia en ciertos metales. En este caso la transferencia de energía, procedente del rayo luminoso, es de tal magnitud que algunos de los electrones de la superficie del metal bombardeado son arrancados. Este fenómeno analizado por Einstein es conocido como efecto fotoeléctrico. Conforme aumentaba la frecuencia de la luz emitida sobre el metal aumentaba la energía, según la teoría clásica de la radiación los electrones arrancados de la lámina del metal deberían poseer una mayor energía, y, por tanto, alcanzar velocidades mayores que los electrones desprendidos a frecuencias menos elevadas. Sin embargo, Lenard observó que no ocurría así, los electrones poseían la misma energía, la única diferencia consistía en que a mayores frecuencias era mayor el número de electrones desprendidos.
Einstein interpretó de forma correcta estos resultados en su artículo de 1905, el efecto fotoeléctrico no podía ser interpretado desde la teoría ondulatoria de la luz; la luz debía de estar compuesta por partículas, fotones, que portarían una cantidad discreta de energía equivalente al valor del cuanto de acción de Planck. Quedaba así explicado el efecto observado por Lenard, puesto a que al incrementar la frecuencia del rayo luminoso emitido se incrementaba el número de fotones del mismo, pero estos no variaban su energía que es constante. Por tanto, se producía un mayor número de impactos de fotones sobre la lámina de metal, con lo que el número de choques de fotón/electrón del metal se incrementaba en razón del aumento de la frecuencia de la luz emitida y, por consiguiente, aumentaba el número de electrones desprendidos, pero no se producía un incremento de la energía de dichos electrones. Al permanecer constante la energía de los fotones se evitaba así la catástrofe del ultravioleta y el efecto fotoeléctrico quedaba explicado.
En contrapartida, era absolutamente necesario abandonar la idea de una energía continua e introducir la discontinuidad en la física, por cuanto la energía era emitida y absorbida de manera discontinua. Einstein iba más allá, en su artículo «Un punto de vista heurístico...» postulaba que la naturaleza de la luz no era sólo ondulatoria sino también corpuscular, por la existencia de partículas luminosas, los fotones, con ello se enfrentaba a la teoría dominante sobre la naturaleza de la luz, que postulaba su carácter ondulatorio. A cambio introducía una teoría absolutamente extraña en la que defendía la dualidad ondulatorio-corpuscular de la luz. La ruptura que proponía con la física clásica era de tan profundas consecuencias que su artículo no fue tomado en consideración hasta varios años después; cuando esto ocurrió, en 1910, sólo lo fue en lo referente a su explicación del efecto fotoeléctrico y en su defensa de la discontinuidad de la teoría de Planck.
Los artículos de Einstein y Ehrenfest señalaban con claridad que la ley de Planck hacía necesario proceder a una ruptura con la física clásica. Einstein fue quien con mayor claridad lo expuso en sus artículos de 1905, «Sobre un punto de vista heurístico concerniente a la emisión y transformación de la luz», y de 1906 «Sobre la teoría de emisión y absorción de luz», en los que señalaba con claridad que la introducción de cantidades discretas en la emisión de la radiación conllevaba necesariamente la discontinuidad. Esta posición era a la altura de 1906 una postura aislada y prácticamente reducida a Einstein y Ehrenfest, a la sazón dos jóvenes físicos prácticamente desconocidos por aquel entonces97.
La aceptación de la Discontinuidad por parte de la comunidad de físicos.
A la altura de 1908, el panorama comenzó a cambiar a partir de la reconsideración del problema por parte de Lorentz, convertido en aquellos años en el gran patriarca de la Física98, su conferencia de Roma de ese año, «La división de la energía entre materia ponderable y el éter» marcó el giro decisivo, a partir de ese momento Lorentz abandonó sus intentos de dar una explicación clásica de la radiación negra99. En 1908 Planck no había abandonado la esperanza de encontrar una solución satisfactoria de su teoría con la teoría de los electrones que respetara las ecuaciones de Maxwell100. Su apego a la visión clásica de la teoría electromagnética y a la teoría del éter condicionaba su visión, a pesar de que desde 1905 conocía la teoría especial de la relatividad. En 1909, Einstein publicó un nuevo artículo en el que insistió en los resultados alcanzados en su trabajo de $1 9 0 6 ^ { 1 0 1 }$ y la necesidad de proceder a una profunda revisión de la teoría clásica de la radiación: «Adoptar la teoría de Planck es, en mi opinión, rechazar los fundamentos de nuestra teoría de la radiación.»102.
En 1909 Einstein ya no era ese joven desconocido que en 1905 publicó varios artículos que revolucionaron la física del siglo XX, con la teoría especial de la relatividad y la explicación del efecto fotoeléctrico, en la conferencia de la Asamblea de Científicos Alemanes celebrada en Salzburgo llamó la atención de que la introducción de la discontinuidad excedía el marco de la interacción entre materia y radiación103. Sólo ante la evidencia abrumadora de la imposibilidad de reconciliar los fenómenos de la radiación con la física clásica logró imponerse progresivamente la discontinuidad en la física. «La mayoría de aquellos que introdujeron la constante h de Planck en otros campos no se percataron, al principio, del alcance de la ruptura involucrada. Hasta después de 1910, casi nadie que no hubiese bregado denodadamente con el problema del cuerpo negro estaba convencido de la necesidad de una nueva física discontinua.»104.
A partir de 1911 un nuevo tema apareció con fuerza en el desarrollo de la teoría cuántica, el problema de los calores específicos de los sólidos, su aparición se debió a un artículo publicado en 1907 por Einstein105, donde establecía una fórmula para el calor específico de los sólidos que para temperaturas muy bajas determinaba que la capacidad calorífica de todos los sólidos debía tender a cero conforme nos acercamos al cero absoluto, en clara contradicción con los resultados previstos por la teoría clásica106. El problema de los calores específicos implicaba la necesidad de formular una nueva mecánica, que debía de fundamentarse en el reconocimiento de las «condiciones cuánticas», donde los fenó- menos atómicos y moleculares encontrasen una explicación satisfactoria107.
El nacimiento de la Física Atómica.
Rutherford comprobó, al estudiar las propiedades ionizantes de la radiación emitida por las sales de uranio, que la radiación estaba era de dos tipos diferentes, una de ellas la denominó radiación alpha (a), que se caracterizaba por la facilidad con que era absorbida por la materia; la otra, que llamó radiación beta $( b )$ , tenía un mayor poder de penetración en la materia. Las propiedades y la naturaleza de estos dos nuevos tipos de radiación eran tan desconocidos como lo habían sido para Roentgen los rayos X. Rutherford encaminó sus esfuerzos investigadores a determinar la naturaleza de dicha radiación. En esas fechas Marie Curie, Henri Becquerel y otros investigadores habían desvelado la naturaleza de la radiación beta, ésta no era sino una corriente de electrones que se movían a grandes velocidades, próximas a la de la luz. Sin embargo, la naturaleza de la radiación alpha continuaba siendo un misterio. Debieron transcurrir diez largos años hasta que identificó en 1911 a las partículas alfa como átomos de helio con carga positiva (mejor habría que decir núcleos de Helio). Se había descubierto el núcleo del átomo. En paralelo a su investigación sobre la naturaleza de la radiación alfa, Rutherford estaba inmerso en la elaboración de una teoría general de la radiactividad. Rutherford y Soddy establecieron en 1903 la primera teoría general de la radiactividad. Quedaba así despejada la incógnita sobre el origen de la energía liberada por el átomo a través de la radiactividad. Habían establecido que la desintegración radiactiva era producto de una transformación interna del átomo, pero se desconocía que provocaba dicho cambio.
El modelo atómico de Rutherford se asemejaba a un sistema planetario, donde los electrones, de carga negativa, se movían alrededor del núcleo, de carga positiva, describiendo órbitas elípticas, aunque dicho modelo presentaba numerosas ventajas frente al de Thomson, no dejaba de plantear importantes problemas108. El electrón según el modelo de Rutherford el electrón debía emitir de forma constante radiación y, por tanto, los átomos debían emitir radiación electromagnética de manera continua, cosa que no sucedía. Además, si el electrón emitía radiación continuamente se produciría una pérdida paralela de energía, de tal manera que el electrón conforme perdiese energía iría disminuyendo el radio de su órbita hasta caer en el núcleo109. Hasta entonces los modelos atómicos desarrollados se habían fundamentado en la física clásica, la solución de las dificultades subyacentes en el modelo de Rutherford sólo comenzaron a encontrar solución cuando Niels Bohr aplicó los principios de la teoría cuántica de Planck110.
Bohr centró su atención en los problemas teóricos que subyacían en el modelo de Rutherford, dichas dificultades tenían una similitud con el fenómeno de la catástrofe del ultravioleta para el caso de la radiación. Bohr se interrogó si no ocurriría algo similar en el interior del átomo, los trabajos de Ehrenfest y, sobre todo, de Einstein de 1905 y 1909 habían puesto de manifiesto que la distribución discontinua de energía no era algo restringido al fenómeno de la radiación. De hecho entre 1910 y 1912 la discontinuidad se había abierto camino entre los físicos, y el problema de los calores específicos había ampliado notablemente su campo de aplicación. Bohr conocía tales investigaciones y se preguntó sino sería posible extender tales resultados al comportamiento de los electrones en el interior del átomo, de manera que introduciendo restricciones en la emisión y absorción de energía del átomo se eliminarían las dificultades subyacentes en el modelo de Rutherford111.
Bohr dio una explicación de la configuración del espectro de líneas del hidrógeno, algo que habían perseguido los físicos durante cerca de treinta años.112 Pero su contribución rebasaba con mucho tal logro. Bohr había conseguido resolver la dificultad del modelo atómico de Rutherford, explicando el por qué el átomo no emitía radiación de forma continua y los electrones no se precipitaban sobre el núcleo, sino que permanecían en órbitas estacionarias. Para ello, eso sí, tuvo que arrojar por la borda la teoría clásica y recurrir al cuanto de acción de Planck. Como contrapartida se obtenía una teoría del átomo que no contenía en sí misma elementos que la hiciesen inviable113. Como señaló el propio Bohr, en su teoría de 1913 «el postulado cuántico... afirma que cualquier cambio en la energía intrínseca del átomo consiste en una transición completa entre dos estados estacionarios», esto significaba que las transiciones entre los diferentes estados energéticos del átomo se producían mediante saltos discontinuos regidos por el cuanto de Planck, algo que resultaba absolutamente incompatible con la teoría clásica que postulaba transiciones continuas de un estado de energía a otro. La dificultad se veía agravada por el recurso en la misma teoría a los principios de la mecánica y del electromagnetismo clásicos a la hora de la definición de la carga y de la masa del electrón y del núcleo. La utilización dentro de la misma teoría de dos teorías, la clásica y la cuántica, incompatibles entre sí generaba enormes dificultades teóricas, para solventar dicho problema Bohr recurrió al establecimiento del principio de correspondencia que posteriormente desembocó en el principio de complementariedad.
La situación era lo suficientemente contradictoria como para que numerosos físicos no aceptaran en un principio dicho modelo atómico. Sólo cuando las pruebas experimentales, a raíz de los trabajos de Frank y Hertz en 1914, Millikan en 1916 y Compton en 1922, hicieron incuestionable la teoría cuántica de Bohr, el nuevo modelo atómico tuvo que ser admitido, aunque las reticencias y las dificultades no desaparecieron hasta el establecimiento de la mecánica cuántica en $1 9 2 5 - 2 7 ^ { 1 1 4 }$ .
La determinación de las reglas de cuantización constituía el problema central de la teoría. La solución al mismo se obtenía mediante un proceso intuitivo, se postulaban determinadas reglas y se comparaban los espectros de magnitudes cuantizadas con los resultados experimentales. La primera teoría cuántica se encontraba con un problema que ya había sido planteado en 1905 por Einstein en su artículo sobre el efecto fotoeléctrico: la dualidad existente entre el comportamiento ondulatorio y corpuscular de la luz. El interrogante planteado podría ser resumido en: ¿cómo conciliar la discontinuidad de la estructura de la luz y del átomo con la teoría ondulatoria, de naturaleza continua por excelencia, cuya aplicación se hacía también necesaria para comprender la naturaleza de la luz y el comportamiento de determinados fenómenos en el interior del átomo, como es el caso del fenómeno de dispersión? La solución a dicho dilema parecía poco menos que imposible, a la vista de la incompatibilidad existente entre los presupuestos epistemológicos de ambas teorías.
Hacia 1923 era casi evidente que la teoría de Bohr y la antigua teoría de los cuantos constituían solamente un estado intermedio entre las concepciones clásicas y concepciones muy nuevas que permiten penetrar más profundamente en el análisis de los fenómenos cuánticos. En la antigua teoría de los cuantos las condiciones de cuantificación eran en cierto modo superpuestas sobre los resultados de la mecánica clásica. La naturaleza esencialmente discontinua de la cuantificación,... presentaba un extraño contraste con la naturaleza continua de los movimientos considerados por la dinámica antigua, newtoniana o einsteiniana. Era necesario, evidentemente, llegar a construir una nueva mecánica en la que las ideas cuánticas vinieran a colocarse en la base misma de la doctrina y no a superponerse de un modo forzado como en la antigua teoría de los cuantos.115.
Einstein propugnó en $1 9 1 7 ^ { 1 1 6 }$ una nueva deducción de la fórmula de radiación de Planck, en la que el concepto clásico de intensidad de la radiación era sustituido por el concepto estadístico de probabilidad de transición de un estado estacionario a otro, que significó un importante progreso en el desarrollo de la teoría cuántica117. Einstein finalizaba su artículo «Quantentheorie der Strahlung» con unas palabras premonitorias: «Estos aspectos de los procesos elementales parece que hacen casi inevitable el desarrollo de una teoría propiamente cuántica de la radiación. Su debilidad reside en el hecho de que, de un lado, no nos ofrece conexión más estrecha con los conceptos ondulatorios, y de otro, deja al azar el instante y la dirección de los procesos elementales; no obstante, tengo plena confianza de que nos encontramos en el buen camino.»118 Sin embargo, las investigaciones sobre dispersión y difusión de la luz, realizadas entre 1921 y 1925 por Landenburg, Kramers y Heisenberg, en colaboración con el segundo, pusieron de manifiesto que la formulación introducida por Einstein en 1917 de la probabilidad de transición, basada en la Mecánica estadística, resultaba insuficiente para explicar la intensidad de una onda119.
En 1924 Kramers estableció una fórmula general de dispersión que dependía sólo de las energías de los estados estacionarios y de las probabilidades de transición espontánea entre los mismos, para ello se basó en la formulación de Einstein de las leyes estadísticas para predecir las transiciones inducidas por radiación entre estados estacionarios de un sistema atómico120. El estudio de los fenómenos de dispersión condujo de manera directa a Heisenberg a formular el principio de incertidumbre y con él a eliminar el concepto de órbita electrónica, iniciando lo que propiamente puede ser denominada segunda teoría cuántica o Mecánica Cuántica.
La publicación en 1925 del artículo de Werner Heisenberg «Über quantentheoretische Undeutung Kinematischer und Mechanicher Beziehungen»121 representó un notable avance para la resolución de las dificultades que aquejaban a la antigua teoría de los cuantos, al proponer un nuevo enfoque de los problemas analizados por Kramers. Heisenberg sostuvo que era preciso abandonar el concepto de órbitas electrónicas precisas, en función de su carácter inobservable. A partir de este postulado Heisenberg desarrolló un formalismo matemático que desembocó de forma inmediata, gracias al concurso de M. Born, P. Jordan y P. A. M. Dirac junto con Heisenberg, en la nueva mecánica cuántica122. El punto de vista heurístico por el que Heisenberg había llegado a la convicción de que era preciso abandonar el concepto de órbita electrónica, fue inspirado en la posición adoptada por Einstein en el artículo de 1905 en el que exponía la Teoría de la Relatividad Especial123. Paralelamente al trabajo de Born, Heisenberg y Jordan, W. Pauli analizó el caso del hidrógeno bajo la perspectiva de la nueva mecánica cuántica, obteniendo unos resultados que se mostraban en plena concordancia con los resultados experimentales. El trabajo de Pauli constituyó un fuerte espaldarazo para la nueva teoría124.
La interpretación ondulatoria de la Mecánica Cuántica.
El descubrimiento del efecto Compton en 1922 había inclinado sin lugar a dudas el fiel de la balanza en favor de la teoría de Einstein de 1905 sobre la naturaleza de la luz, asimismo en esa época se atisbaba que dicho dualismo no era un fenómeno exclusivo de los fotones sino que afectaba incluso al comportamiento de los electrones, fue Louis de Broglie quien explicitó en primer lugar tan extraña y contradictoria propiedad para la Física de la época.
En esta época [1923-1924] el descubrimiento del efecto Compton y el estudio del efecto fotoeléctrico de los rayos X acababan de aportar notables confirmaciones a la concepción einsteiniana de los cuantos de luz. La estructura discontinua de las radiaciones y la existencia de los fotones no podía ser ya discutida. Desde entonces se planteaba con intensidad extraordinaria el temible dilema de las ondas y de los corpúsculos en lo que se refiere a la luz. Había que admitir de buen o mal grado que la imagen de las ondas y la imagen de los corpúsculos debían ser, alternativamente, utilizadas para la descripción completa de las propiedades de las radiaciones y la relación entre frecuencia y energía que Einstein había colocado en la base de la teoría de los fotones indicaba claramente que esta dualidad de aspecto de las radiaciones estaba íntimamente vinculada a la existencia misma de los cuantos. Desde entonces se podía preguntar muy legítimamente si esta extraña dualidad de las ondas y de los corpúsculos, ..., no traducía en el plano de los fenómenos la naturaleza profunda y oculta del quantum de acción y si no debía esperarse que se volviera a hallar una dualidad del mismo orden en todas las partes en que la constante de Planck manifestase su presencia... Puesto que la existencia de los estados estacionarios para los átomos demuestra la intervención del cuanto de acción en las propiedades del electrón, ¿no debe suponerse que el electrón presenta una dualidad de aspecto análogo a la de la luz? A primera vista semejante idea parecía muy arriesgada, pues hasta allí el electrón se había mostrado siempre enteramente asimilable a un punto material cargado eléctricamente y obedeciendo las leyes de la dinámica clásica... Atribuir al electrón, en ausencia de toda prueba experimental, propiedades ondulatorias, podía parecer una fantasía de carácter poco científico.125.
El trabajo de L. de Broglie126 encontró pronto una brillante confirmación en los estudios de Davisson, Germer, Elsasser y George Thomson y Reid sobre la dispersión selectiva que sufren los electrones en los cristales127. Einstein se mostró de inmediato interesado por el trabajo de De Broglie, publicando tres artículos en los que ponía en relación la teoría de De Broglie con la teoría de la degeneración de los gases de Bose128. Einstein llamó la atención sobre ello a Max Born129.
La situación en el otoño de 1925 no podía dejar de ser más confusa. Por una parte, el desarrollo de la nueva mecánica cuántica por Heisenberg, Born y Jordan ofrecía una teoría que resolvía matemáticamente los problemas que habían aquejado a la primera teoría cuántica, mediante la formulación de una nueva mecánica que cuestionaba profundamente los fundamentos de la mecánica clásica; pero, y esto es importante, la nueva teoría se basaba en la consideración corpuscular del electrón, obviando su posible comportamiento ondulatorio. Por otra parte, la teoría de De Broglie postulaba la naturaleza dual, corpúsculo-onda, del electrón. De esta forma, dos teorías que en principio parecían radicalmente contradictorias daban cuenta de fenómenos similares. La aparición de los trabajos de Erwin Schrödinger durante los primeros meses de 1926 no hicieron sino complicar aparentemente la situación, hasta que se comprobó la equivalencia de las ecuaciones y resultados de la mecánica cuántica y de la mecánica ondulatoria130.
Schrödinger en sus trabajos de enero de 1926 «Quantisierung als Eigenwertproblem» desarrolló los fundamentos de la mecánica ondulatoria. En un artículo de febrero de 1926 publicado llamó la atención, no sin cierta sorpresa, sobre las analogías formales de su teoría con la mecánica cuántica de Heisenberg-Born-Jordan131. Schrödinger sostuvo que la mecánica ondulatoria proporcionaba una interpretación de los fenómenos atómicos que permitía eliminar el concepto de salto cuántico y con él la discontinuidad en los procesos ató- micos. En su interpretación de la mecánica ondulatoria, Schrödinger concebía la función de onda () de su ecuación desde la perspectiva de la teoría clásica de la radiación electromagnética. El hecho de que los resultados obtenidos de esta manera coincidieran con los resultados de la mecánica cuántica resolvía de una manera mucho más sencilla el problema del modelo del átomo de hidrógeno, por lo que otorgaron una gran audiencia a la interpretación clásica de Schrödinger, pues eliminaba el contrasentido de los saltos cuánticos que amenazaba a todo el edificio de la Física moderna132.
Dicha interpretación fue contestada desde Copenhague y Gotinga, tanto Bohr como Heisenberg y Born sostuvieron que no era posible sostenerla en función del contenido matemático de la ecuación de ondas. Esta cuestión fue posteriormente aclarada por Born con la publicación, el mismo año 1926, de la interpretación probabilista de la mecánica ondulatoria y su naturaleza equivalente con la mecánica cuántica, al señalar que el cuadrado de la función de ondas sólo determina la probabilidad de encontrar al electrón en una posición del espacio, no siendo posible una determinación exacta de la posición del electrón133. Para ello, Born partió de una idea original de Einstein134 al estudiar el comportamiento del choque de electrones con un átomo, en una serie de tres artículos publicados en 1926, titulados «Mecánica cuántica y procesos de colisión»135. Born sostenía que en los procesos individuales no era posible determinar con exactitud el estado de la partícula después de la colisión, sino que sólo podía establecerse la probabilidad del estado de la partícula después de la colisión. La interpretación probabilista de la mecánica cuántica realizada por Max Born, complementada por la teoría de transformación de Dirac y Jordan136, constituyó un avance sustancial en la comprensión del significado de la nueva mecánica cuántica, al establecer su carácter probabilístico137.
Como había señalado Einstein en su discusión con Heisenberg, mantenida en la primavera de 1926, la nueva teoría cuántica había renunciado al concepto de órbita electrónica, ahora bien, entonces ¿cómo explicar las trazas que los electrones dejaban en la cámara de niebla?, ¿no representaban acaso la trayectoria de éstos?, y si esto era así, ¿no significaba que existían órbitas electrónicas? Los interrogantes suscitados por Einstein tenían un alcance profundo y afectaban al conjunto de la teoría, urgía, pues, encontrar una respuesta satisfactoria. El problema planteado por Einstein remitía a la cuestión central del significado físico del concepto de estado138. La respuesta a este interrogante trajo como consecuencia la formulación del Principio de Incertidumbre y el establecimiento de las relaciones de incertidumbre por parte de Heisenberg en 1927.
El Principio de Incertidumbre de Heisenberg.
En su artículo «Über des anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematic und Mechanik» (El contenido intuitivo de la cinemática y mecánica cuánticas), publicado en $1 9 2 7 ^ { 1 3 9 }$ ,Werner Heisenberg estableció las relaciones de incertidumbre como un principio físico fundamental, al postular que no es posible conocer simultáneamente la posición y el impulso de una partícula (electrón). Si la interpretación estadística de la mecánica cuántica (y dentro de ella también de la mecánica ondulatoria) desarrollada por Max Born constituía una profunda ruptura con los conceptos y los fundamentos epistemológicos de la Física moderna; las relaciones de incertidumbre profundizaron el alcance de dicha fractura al romper radicalmente con la antigua pretensión de la Física moderna140. Sostener que no es posible físicamente conocer simultáneamente con exactitud determinista la posición y el impulso de cualquier clase de partícula elemental constituía una verdadera herejía respecto de los presupuestos epistemológicos de la Física moderna.
El principio de incertidumbre dio lugar al surgimiento de nuevos e importantes problemas filosóficos, que no se planteaban en la mecánica clásica. Como veremos, estos problemas contribuyeron a que los físicos decidieran renunciar al concepto de causalidad en el dominio atómico, adoptando así un punto de vista filosófico muy diferente al que había prevalecido hasta el advenimiento de la moderna teoría cuántica. Para poder apreciar el papel que desempeñó el principio de incertidumbre al ayudar a renunciar a la causalidad, recordemos que en la mecánica clásica son justamente los valores iniciales y los ritmos iniciales de cambio de todas las variables mecánicas, que definen el estado de un sistema dado, los que determinan los movimientos futuros del sistema en cuestión. Sin embargo, de acuerdo con el principio de incertidumbre, existe una limitación fundamental, derivada de las mismas leyes de la naturaleza en el nivel mecánico cuántico, que nos hace imposible obtener los datos necesarios para especificar en forma completa los valores iniciales de los diversos parámetros que determinan el comportamiento de dicho sistema mecánico.141.
No debe extrañar que la polémica surgida a raíz del desarrollo de la teoría cuántica se agudizase. Sus oponentes, entre los que se encontraba Einstein, no podían dejar de reconocer la validez de la nueva mecánica cuántica, pero a la vez no renunciaban a la esperanza de que un día dicha teoría y sus heréticos fundamentos fuesen sustituidos por un nueva teoría física, que restableciese los principios y presupuestos que la mecánica cuántica había osado derribar142. De una parte, se situaron los fundadores de la Mecánica cuántica: N. Bohr, M. Born, W. Heisenberg, P. A. M. Dirac, W. Pauli, etc., de otra parte sus detractores encabezados por A. Einstein, M. Planck, L. de Broglie y E. Schrödinger. El problema no se situaba en la renuncia o reformulación de tal o cual ley física por fundamental que esta fuese; el significado profundo, las consecuencias epistemológicas del Principio de Heisenberg, alcanzaba de lleno al corazón mismo de lo que había sido la Física desde los tiempos de Newton. Como señaló Niels Bohr lo que había quebrado con el Principio de Incertidumbre de Heisenberg era la vieja pretensión determinista, fundamentada en el concepto clásico de causalidad143.
La polémica Einstein-Bohr.
La posición de Planck en 1929 respecto de la nueva mecánica cuántica no podía dejar de ser negativa, en conformidad con su adhesión a los postulados fundamentales de la Física clásica, en $L a$ imagen del mundo en la física moderna explicitó su oposición a dicha interpretación:
A pesar de estos éxitos manifiestos, la relación de incertidumbre característica de la física cuántica ha suscitado las reticencias entre numerosos sabios, sobre todo del hecho de que la definición de las magnitudes, constantemente utilizadas en los cálculos, aparece en un cierto sentido como inexacta por principio. Y la introducción del concepto de probabilidad en la interpretación de las ecuaciones cuánticas acrecienta todavía más el malestar. Esta noción, en efecto, parece acarrear el abandono de la causalidad rigurosa en provecho de un cierto indeterminismo. Existen efectivamente en nuestros días físicos eminentes que se inclinan a excluir la noción de causalidad rigurosa del mundo de la física. Si una evolución tal llega a revelarse necesaria, la ambición de la investigación física se encontrará de golpe sensiblemente reducida. Porque, en mi opinión, si uno tiene que elegir, el determinismo debe ser preferido en todos los casos al indeterminismo, por la simple razón de que una respuesta determinada a una cuestión será siempre más preciosa que una respuesta indeterminada.[cursivas añadidas] 144.
Una posición similar mantuvo Albert Einstein a partir de 1920. Al igual que Planck los trabajos de Einstein de 1905, 1909 y 1917, por sólo citar algunos de los más importantes, habían sido fundamentales en el desarrollo de la teoría quántica. Las razones que llevaron a Einstein a contemplar críticamente los derroteros que tomaba la teoría cuántica hay que buscarlas en profundas razones epistemológicas, en su visión de la Naturaleza y el papel que juega la Física en la representación del mundo real. «El carácter aleatorio de los procesos espontáneos significaba que algo andaba mal con la causalidad clásica. Eso siempre había de perturbarlo profundamente.»145 La primera referencia de Einstein a su incomodidad con las consecuencias conceptuales de la teoría cuántica aparece en una carta dirigida a su amigo Michele Besso el 9 de marzo de 1917, en ella mencionaba su artículo «Quantentheorie der Strahlung»146.
Mucho más claro fue Einstein tres años después, cuando escribió a Max Born, «...Yo no creo que se halle la solución de los cuantos renunciando al continuo... Esto de la causalidad también me preocupa mucho. $\dot { \zeta }$ Pueden entenderse la absorción y emisión cuánticas de luz en el sentido de la cabal necesidad causal, o quedaría un residuo estadístico? Debo confesar que aquí me falta el valor para defender mis convicciones. Pero renuncio muy a disgusto a la causalidad total.»147 En esta carta Einstein expresaba en lo fundamental la postura que mantuvo hasta su muerte respecto de la mecánica cuántica. Más expresiva de su desazón fue la carta que escribió Einstein a Born el 29 de abril de 1924 «La opinión de Bohr sobre la radiación me interesa mucho. Pero no me obligarán a renunciar a la causalidad estricta sin defenderla más que hasta hora. La idea de que un electrón expuesto a la radiación elija por su propia voluntad el momento y la dirección en que dará el salto me resulta insoportable. En ese caso, preferiría ser zapatero o empleado de una timba y no físico. Verdad es que mis intentos de dar forma tangible a los cuantos hasta ahora me han fallado, pero no pierdo la esperanza. Y aunque no logre nada, siempre me quedará el consuelo de que no fue por culpa mía.»148.
La renuncia al principio de causalidad estricto se le antojaba a Einstein insoportable. Con el objeto de restituir la causalidad clásica en la Física, se embarcó en un programa de investigación destinado a elaborar una teoría del campo unificado. En 1922 Einstein completó su primer trabajo sobre la teoría del campo unificado, fue en un artículo escrito en colaboración con Grommer149. En 1923 publicó cuatro breves artículos en los que se refirió a la propuesta de Eddington de una teoría del campo unificado basada en el trabajo de 1918 de Hermann Weyl sobre el tema150. Einstein volvió a ocuparse de la teoría del campo unificado en 1925, en un breve artículo titulado: «Einheitliche Feldtheorie von Gravitation und Elektrizität»151, donde exponía su primera teoría del campo unificado, en la que depositó unas enormes expectativas que pronto fueron defraudadas, así lo reconoció en varias cartas enviadas a P. Ehrenfest: «Tengo una vez más una teoría de la gravitación-electricidad; muy hermosa pero dudosa»152. A pesar de este nuevo fracaso, Einstein no cambió su actitud sobre la teoría cuántica, el 4 de diciembre de 1926 escribió a Born: «La mecánica cuántica es algo muy serio. Pero una voz interior me dice que de todos modos no es ése el camino. La teoría dice mucho, pero en realidad no nos acerca gran cosa al antiguo secreto [debería decir: no nos acerca gran cosa al secreto del Viejo, en referencia a Dios, y no antiguo secreto]. En todo caso estoy convencido de que Él no juega a los dados.»153.
Fue en esas fechas cuando se celebró la V Conferencia Solvay en Bruselas, octubre de 1927, a la misma asistieron las principales figuras de la Física del momento relacionadas con la teoría cuántica: Planck, Einstein, Bohr, De Broglie, Heisenberg, Schrödinger, Born, Dirac, etc. La división de los físicos en torno a las dos interpretaciones de la nueva mecánica cuántica era evidente y la polémica suscitada cada vez más profunda. La atención de la V Conferencia Solvay pronto se centró en la famosa discusión entre Niels Bohr y Albert Einstein sobre el significado físico de la mecánica cuántica154. A lo largo de su discusión con Bohr Einstein insistió, mediante la proposición de experimentos imaginarios cada vez más complicados, en demostrar que las relaciones de incertidumbre de Heisenberg podían ser burladas, especialmente en lo que se refiere a la transferencia de energía y momento, de tal manera que fuese posible realizar una descripción detallada y completa, en el espacio y en el tiempo, de la transferencia de energía y momento en procesos individuales155. La conferencia concluyó con la conclusión de que no era posible rebasar los límites establecidos por la nueva mecánica cuántica en la descripción de los fenómenos atómicos, puesto que las relaciones de incertidumbre constituían un límite físico infranqueable en la descripción de los fenómenos cuánticos156.
Einstein aprovechó la VI Conferencia Solvay, celebrada en 1930, para proseguir su discusión con Bohr sobre los problemas epistemológicos de la mecánica cuántica. En esta ocasión Einstein desarrolló una nueva argumentación basada en la teoría de la relatividad, relativa a la relación existente entre masa y energía establecida por la relatividad. Con ello pretendía superar el límite fijado por las relaciones de incertidumbre para el conocimiento del estado del sistema. Bohr después de meditar profundamente sobre el problema suscitado por Einstein llegó a la conclusión de que no era posible eliminar la incertidumbre establecida por las relaciones de Heisenberg en la determinación de la energía y del tiempo157. Ello no significó una capitulación completa de Einstein, pues, aunque aceptó el formalismo matemático de la mecánica cuántica, continuó dudando del significado epistemológico defendido por Niels Bohr. Einstein centró su atención en demostrar la incompletud de la nueva teoría cuántica y no ya su inconsistencia matemática.
En 1931 Einstein volvió a ocuparse de los problemas epistemológicos planteados por la mecánica cuántica en un artículo escrito en colaboración con R. C. Tolman y B. Podolsky, titulado «Knowledge of past and future in quantum mechanics»158, antecedente directo del famoso artículo de Einstein-PodolskyRosen (EPR) publicado en $1 9 3 5 \ll \dot { \zeta }$ Puede considerarse completa la descripción de la realidad física por la mecánica cuántica $? \gg ^ { 1 5 9 }$ , cuestionaron seriamente la completud de la mecánica quántica. La argumentación sostenía que sobre la base del criterio de realidad física expuesto la mecánica cuántica no satisfaría el criterio de completud expuesto en el mismo artículo, por lo que se hacía necesario aceptar la incompletud de la mecánica cuántica160. Einstein mantuvo una opinión similar sobre la cuestión hasta su muerte en 1955, prueba de ello fue su reafirmación de las opiniones vertidas en el artículo de 1935 en el libro de homenaje dedicado a él en $\dot { 1 } 9 4 9 ^ { 1 6 1 }$ , o la carta que dirigió en 1950 a E. Schrödinger en la que manifestaba sentirse seguro de que: «el carácter fundamentalmente estadístico de la teoría es simplemente una consecuencia de la incompletud de la descripción»162. El artículo de Einstein, Podolsky y Rosen representó la culminación del largo debate con Niels Bohr y, en general, con algunos de los más significados físicos creadores de la mecánica cuántica como Werner Heisenberg y Max Born.
La publicación de la paradoja EPR, como es conocida la conclusión del artí- culo de 1935, generó una polémica cuyos ecos todavía no se han apagado163. Niels Bohr dedicó todos sus esfuerzos a desmontar la argumentación de Einstein, Podolsky y Rosen, unos meses más tarde publicó el artículo «Can quantummechanical description of physical reality be considered complete $? \rangle ^ { 1 6 4 }$ El trabajo de David Bohm de 1952 permitió someter a contrastación el experimento imaginario propuesto por EPR, posteriormente en colaboración con Aharonov en 1957 mejoraron la propuesta. Años después, en 1964, John S. Bell desarrolló el famoso teorema de Bell en su artículo $\ll O n$ the Einstein-Podolsky-Rosen para$d o x \gg ^ { 1 6 5 }$ en el que afirmaba que la mecánica cuántica no podía completarse con ninguna teoría de variables ocultas, cuya propuesta experimental fue mejorada por John F. Clauser, Michel A. Horne, Abner Shimony y Richard Holt permitiendo su verificación y la sorprendente confirmación de la no-localidad166, los experimentos de Alain Aspect fueron en ello determinantes167: «Casi todos los experimentos en conexión con el teorema [de Bell] han proporcionado un fuerte apoyo a la teoría cuántica y a la realidad del entrelazamiento y de la no-localidad»168. Probablemente a Einstein le desagradaría profundamente a donde ha conducido la conocida como paradoja $E P \breve { R ^ { 1 6 9 } }$ . «Al parecer, pues, Einstein estaba doblemente equivocado cuando afirmó que “Dios no juega a los dados”. Los estudios sobre la emisión de partículas desde agujeros negros permiten sospechar que Dios no solamente juega a los dados, sino que, a veces, los echa donde nadie puede verlos.»170