Einstein y el efecto fotoeléctrico

Con mi reconocimiento al amigo Pedro Crespo, que tanto ha contribuido a este artículo con sus ideas y comentarios.

Hablar de Einstein es pensar en seguida en la famosa fórmula E = mc², y a partir de ella, en la bomba atómica y en los sorprendentes aspectos de la teoría de la relatividad. El camino sin retorno que se inició hace un siglo no se ha limitado a reformular nuestro concepto de la materia y del universo: ha supuesto un cambio en nuestras concepciones más íntimas, las relacionadas con el mismo espacio y tiempo.

Todo el mundo sabe que Einstein fue Premio Nobel, pero menos conocido es que este galardón no le fue otorgado por la Teoría de la Relatividad, sino por otra revolucionaria aportación suya: la explicación del efecto fotoeléctrico, en ese año 1905 cuyo centenario conmemoramos. Durante mucho tiempo se pensó que en realidad esa máxima distinción por un descubrimiento “menor” pretendía remediar el fallo de no habérsele otorgado por su Teoría de la Relatividad, pero la reflexión que da la perspectiva de un siglo permite conceder más respeto a quienes fueron capaces de comprender, o al menos acertar con visión de futuro, con el alcance de la visión einsteiniana en ese otro campo, la más revolucionaria y original de todas.

Hagamos un poco de historia. El llamado “efecto fotoeléctrico” era conocido desde que fuera descubierto por Hertz en 1887: se sabía que un metal desprendía electrones al ser sometido a una radiación electromagnética. También, desde Maxwell (1864) se sabía que la luz era un caso particular de radiación electromagnética; su importancia especial para nosotros radica en que nuestros ojos son sensibles a esta “franja visible” de la radiación, que desde un punto de vista cualitativo, no difiere de la ultravioleta, de la infrarroja, de las ondas de radio o incluso de los rayos X.

También se sabía que en los metales hay electrones que se mueven más o menos libremente a través de la red cristalina. Estas partículas no escapan del metal a temperaturas normales porque carecen de energía suficiente, pero calentándolo, y aumentando por tanto la energía de éste, sí se producían desprendimientos electrónicos. Los electrones así "evaporados" se denominan termoelectrones, éste es el tipo de emisión que se da en las válvulas electrónicas.

El efecto fotoeléctrico consistió en ver que también se pueden liberar electrones (fotoelectrones) mediante la absorción por el metal de la energía de radiación electromagnética. Se suponía que este desprendimiento sería proporcional a la energía de la radiación, que se creía proporcional a su intensidad (nadie pensaba en que tuviera relación con la frecuencia), por lo que la explicación era primera vista fácil: al impacto contra el metal, la energía radiante sería transmitida, siempre de forma continua, a los electrones superficiales, que serían así desprendidos del resto del cuerpo cuando la hubieran absorbido en cantidad suficiente. Esos llamados “fotoelectrones” transportarían la energía “captada” de la luz incidente, de la misma forma que la ola que llega a la playa es capaz de mover piedras.

Pero el análisis más atento del fenómeno presentaba inesperadas dificultades. Pues la experimentación demostraba que para cada substancia existía una frecuencia mínima o umbral de la radiación electromagnética por debajo de la cual no se producían fotoelectrones por más intensa que fuera la radiación. Además, alcanzado ese umbral mínimo, la cantidad posterior de emisión electrónica sí aumentaba cuando se incrementaba la intensidad de la radiación que incidía sobre la superficie del metal.

Aquí radicaba lo extraño del fenómeno. En primer lugar, ¿por qué la emisión no empezaba hasta un determinado umbral de frecuencia? Podría pensarse que el tamaño de las piedras hacía precisa una altura mínima de “ola”. Planck había explicado la radiación del cuerpo negro mediante “efectos de resonancia”, pero siempre, en la ortodoxia, considerando que la energía de la radiación era continua. No estaba la cosa muy clara, pero era una línea de investigación. De hecho, el físico alemán Philipp Lenard llevaba tiempo trabajando en el fenómeno sin llegar a una conclusión satisfactoria.

Pero esto no valía, pues, como hemos dicho, aplicada la frecuencia de luz que arrancaba electrones a partir de esa energía umbral sí se daba la proporcionalidad esperada entre la intensidad de la luz y el número de electrones arrancados, así como la frecuencia y la energía promedia de los mismos. No había ningún efecto de “acumulación” de energía, pues, alcanzado el umbral, la emisión de electrones empezaba instantáneamente, y la energía de éstos aumentaba con la frecuencia; la intensidad influía sólo en el número de electrones arrancados. ¿Cómo podían explicarse estas paradojas? Los esfuerzos de los profesores universitarios se estrellaban contra ellas.

En 1905, el joven Albert Einstein era un empleado en la oficina de patentes suiza que vivía con su esposa Mileva en un pequeño apartamento en Berna con el hijo de ambos, Hans Albert. Manteniéndose al día a través de la lectura de cuantas revistas científicas caían en sus manos, su poderosa mente daba vueltas a todos los problemas de la física del momento. No sabemos en qué noche de reflexión se le ocurrió la idea, pero ésta fue similar al a que dos mil quinientos años antes tuviera Demócrito, aunque, a diferencia del abderiense, Einstein tuvo que luchar de momento con una fuerte oposición. Así como el griego, contra la evidencia sensorial, supusiera que la materia no era continua sino formada por elementos muy pequeños a los que llamó átomos, también Einstein aplicó la misma idea a la energía. ¿Por qué no suponer que ésta era transmitida por paquetes? Con esa hipótesis, todo pasaba a ser muy sencillo. Cada paquete o “cuanto de luz”, como él lo llamó (más tarde serían denominados “fotones”), tendría un contenido de energía proporcional a la frecuencia, y resultaba natural suponer que un átomo sólo sería arrancado si el cuanto transportaba una cantidad de energía suficiente para vencer su “resistencia umbral” a ser arrancado de la superficie metálica. A partir de ahí, es claro que aumentando la intensidad luminosa (número de cuantos) también lo haría el número de electrones arrancados.

Einstein, modestamente y con precauciones, presentó su trabajo con el título “Sobre una concepción heurística de la naturaleza de la luz” a la revista Annalen der Physik. Fue leído, pero su teoría provocó más polémica que admiración: de hecho, era un regreso a la teoría corpuscular de la luz de Newton, arrinconada desde que los experimentos de difracción habían establecido la naturaleza ondulatoria de ésta. De hecho, su teoría de los quanta no empezó a ser comprendida del todo hasta 1913, cuando Bohr expuso su teoría atómica. El premio Nobel de 1921, tras la comprobación de la Teoría de la Relatividad gracias al eclipse solar de 1919, fue el inicio de su reconocimiento como el mayor físico del siglo.

El mundo empezaba así a pensar de otra forma. Quien no le perdonó su formulación de los quanta fue el antes citado Lenard, que toda su vida consideró que Einstein le había “robado” su descubrimiento. El físico Millikan, que también ganaría con el tiempo el Premio Nobel, siguió investigando el fenómeno y procedió dentro de la máxima ortodoxia científica: pese a su escepticismo y a lo que él consideraba “falta de sentido” de la teoría einsteiniana, acabó aceptándola “porque explicaba la realidad”.

De hecho, 1905 fue el annus mirabilis en la vida de Einstein. En el mismo año emitió las teorías del movimiento browniano y de la relatividad especial, pero éstos son temas para otros autores.

***

Por encima del hecho del descubrimiento científico en sí, éste ilustra sobre algunos aspectos de la ciencia en los que no se medita lo suficiente. El primero sería que todo avance científico revolucionario se consigue apartándose de lo que dicta el “sentido común” (el propio Einstein definió éste como “el conjunto de prejuicios acumulados a través de los siglos”). Los antiguos creyeron siempre a pies juntillas que la Tierra estaba inmóvil en el centro del Universo, y los filósofos griegos, ateniéndose al sentido común, habían conjeturado que las leyes universales del movimiento implicaban una amortiguación progresiva de éste. En su día, Galileo, contra lo que dictaba el famoso “sentido común”, adoptó la teoría copernicana según la cual la Tierra giraba alrededor del Sol, y pocos años después Newton afirmaba, también contradiciendo esos mismos “prejuicios seculares”, que un cuerpo dotado de una velocidad inicial nunca detenía su movimiento rectilíneo y uniforme si no se le oponía una fuerza. Ambas ideas, con otras muchas, acabaron siendo aceptadas, y desde entonces forman parte del nuevo “sentido común” actual, transmitido en las aulas universitarias.

Es muy fácil criticar teorías científicas cuando fracasan, pero hay que ver en ellas por lo menos la audacia del que se internó en nuevas líneas de pensamiento. Un ejemplo: la teoría del éter, en el que creyeron los científicos del XIX simplemente porque su mente les llevaba hacia él. Poco importaba que esa fabulosa sustancia fuera tan ligera que resultaba indetectable con cualquier balanza, y que a la vez tuviera la rigidez del acero: la experimentación conducía, por el análisis de las propiedades de la transmisión de la luz, a concebir una entelequia semejante, y la idea sólo fue abandonada cuando surgieron otras explicaciones más eficaces (no más intuitivas) para los mismos fenómenos. Max Planck, un científico conservador, aunque no compartía las ideas de Einstein sobre la Relatividad, escribió a la Academia Prusiana a fin de apoyar su incorporación, pues de hecho, como manifestó, “es imposible introducir ideas nuevas en las ciencias más exactas sin correr riesgos de vez en cuando”.

La hipótesis de Einstein sobre el efecto fotoeléctrico, como el de la Relatividad, se internaba por caminos en los que la imaginación, libre de las muletas del mal llamado sentido común, es capaz de internarse por nuevos territorios que marcarán el paisaje de la humanidad durante los siglos siguientes. Sea reconocida una vez más, en este año del centenario de sus descubrimientos (y cincuentenario de su muerte) la genialidad del sabio, unánimemente declarado como la inteligencia más preclara del siglo XX.

Josep M. Albaigès i Olivart

Barcelona, febrero 2005