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Los Inventos De Albert Einstein – Desde Teorías Hasta Un Refrigerador!

El físico más influyente de todo el siglo 20, Albert Einstein, realizó numerosas contribuciones basándose en sus teorías que han dado un giro al mundo hacia un contundente avance. Aunque Einstein no era un inventor de profesión, los únicos inventos de Albert Einstein fueron teorías, a excepción de un único aparato, un refrigerador, el cual funcionaba sin electricidad. Pues bien como ya se dijo muchos de los verdaderos inventos de Albert Einstein fueron sus conceptos teóricos que fueron  fundamentos para futuras investigaciones científicas en otros campos.

Inventos de Albert Einstein.

Albert Einstein

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Teoría de la relatividad especial.

Es la teoría de la relatividad especial uno de los inventos de Albert Einstein, es también llamada teoría de la relatividad restringida, es esta una teoría de la física publicada en el año 1905 por el mismo Einstein. Surge esta teoría de la observación de que la velocidad de la luz en el vacío es prácticamente igual en todos los sistemas de referencia inerciales y de lograr todas las consecuencias del principio de relatividad de Galileo, como cualquier experimento realizado, en un sistema de referencia inercial, se de manera idéntica desarrollará en cualquier otro sistema inercial.

Es la teoría “especial”, ya que esta sólo se aplica en el caso especial donde es despreciable la curvatura del espacio-tiempo debido a la gravedad. ​ Einstein con el fin de incluir la gravedad, formuló en el año 1915 la relatividad general. Es capaz la relatividad especial de manejar marcos de referencia acelerados, algo que con las teorías anteriores no era posible.

Estableció la Teoría de la relatividad especial nuevas ecuaciones que facilitan saltar de un sistema de referencia inercial a otro. Conducen las ecuaciones correspondientes a fenómenos que impactan con el sentido común, como son la dilatación del tiempo, la contracción espacial, un término universal a la velocidad, la equivalencia que hay entre masa y energía o la relatividad de la simultaneidad, entre otros, siendo la paradoja de los gemelos o la fórmula E=mc2 dos de los ejemplos más conocidos. Tuvo también un impacto en la filosofía la relatividad especial, excluyendo toda posibilidad de existencia de un espacio absoluto y de un tiempo en el conjunto del universo.

Teoría de la relatividad especial

Relatividad general.

Es la teoría general de la relatividad o la relatividad general una teoría de los sistemas de referencia generales y del campo gravitatorio, publicada en 1915 y 1916 por Albert Einstein.

Se debe el nombre de la teoría a que generaliza la denominada teoría especial de la relatividad. Son los principios básicos introducidos en tal generalización; el principio de equivalencia, que refiere la aceleración y la gravedad como aspectos diferentes de la misma realidad, el principio de covariancia generalizado y la noción de la curvatura del espacio-tiempo.

Fue la intuición básica de Einstein postular que en un punto concreto no se puede diferenciar experimentalmente entre un campo gravitatorio uniforme y un cuerpo acelerado uniformemente. Permitió también la teoría general de la relatividad reformular el campo de la cosmología.

Relatividad general

La historia relatividad general.

Poco después de la enunciación de la teoría de la relatividad especial en el año 1905, Albert Einstein empezó a trabajar en cómo describir los fenómenos gravitatorios con la ayuda de la nueva mecánica. En el año 1907, Einstein se convenció en buscar una nueva teoría relativista de la gravedad, esta carrera le duraría ocho años. Luego de numerosos desvíos y de falsos comienzos, culminó su trabajo en noviembre del año 1915 con la exposición de su artículo a la Academia Prusiana de las Ciencias, que contenía las que actualmente son conocidas como la “Ecuaciones de Campo de Einstein”. Forman estas ecuaciones el núcleo de la teoría y especifican cómo la energía y la densidad local de materia, determinan la geometría del espacio-tiempo.

Son no lineales y muy difíciles de resolver las ecuaciones de campo de Einstein. Utilizó Einstein los métodos de aproximación en la obtención de las predicciones preliminares de la teoría. Aunque ya en el año 1916, el astrofísico Karl Schwarzschild hayó la primera solución exacta y no trivial de las Ecuaciones de Campo de Einstein, la denominada Métrica de Schwarzschild. Sentó esta solución los cimientos para la descripción de las fases finales de un colapso gravitacional, y los objetos que actualmente conocemos como agujeros negros. Se iniciaron en el mismo año, las primeros gestiones hacia la generalización de la solución de Schwarzschild a los objetos que poseen carga eléctrica, obteniéndose de este modo la solución de Reissner-Nordström, asociada ahora con la carga eléctrica que poseen los agujeros negros.

cosmología relativista

En el año 1917, aplicó Einstein su teoría al universo en su conjunto, iniciando de este modo el campo de la cosmología relativista. En sincronía con el pensamiento contemporáneo, en el que se suponía que era el universo estático, a sus ecuaciones le agregó una constante cosmológica para representar esa “observación”. En el año 1929, aunque, el trabajo de Hubble y otros, demostraron que se está expandiendo nuestro universo. Es esto descrito fácilmente por las soluciones halladas por Friedmann en el año 1922 para la expansión cosmológica, que no demandan de una constante cosmológica. Utilizó Lemaître estas soluciones con el objetivo de formular la primera versión de los patrones del Big Bang, en la que nuestro universo se ha venido envuelto en una evolución desde un estado anterior extremadamente denso y caliente. Declaró Einstein luego que fue el mayor error de su vida el agregar esa constante cosmológica a sus ecuaciones.

Se mantuvo la relatividad general como una especie de curiosidad entre las teorías físicas, durante ese período. Fue superior claramente a la gravedad newtoniana, siendo consistente con la relatividad especial y respondía varios efectos que no eran explicados por la teoría newtoniana. Había demostrado el mismo Einstein en el año 1915 cómo su teoría podía explicar el avance del anómalo perihelio del planeta Mercurio sin ningún tipo de parámetro arbitrario. Del mismo modo, en una expedición del año 1919 que era liderada por Eddington confirmaron la predicción de la relatividad general para el desvío de la luz estelar por el Sol mediante el eclipse total de Sol ocurrido el 29 de mayo de 1919, haciendo instantáneamente famoso a Einstein. No obstante, ha entrado esta teoría en la corriente de la astrofísica y la física teórica, desarrolladas aproximadamente entre los años 1960 y 1975, conocido ahora como la edad de oro de la relatividad general. Empezaron los físicos a comprender el concepto de agujero negro, y también a identificar la manifestación de los objetos astrofísicos como son los cuásares. Precisas cada vez más, confirmaron las pruebas del sistema solar el poder predictivo de la teoría, y la cosmología relativista, se volvió también susceptible a orientar pruebas observacionales.

La historia relatividad general

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El movimiento browniano.

Es el movimiento browniano el movimiento aleatorio que en las partículas se observan, las que se encuentran en un medio fluido (gas o líquido), como resultado de los choques contra las moléculas de tal fluido. Recibe su nombre este fenómeno de transporte en honor al escocés Robert Brown, quien fue un biólogo y botánico. En el año 1827, mientras estaba miraba a través de un microscopio a las partículas que estaban atrapadas en los huecos dentro de un grano de polen en el agua, señala que se movían a través del líquido las partículas; aunque no fue capaz de establecer los mecanismos que provocaron tal movimiento.

Habían sido los átomos y las moléculas teorizadas como componentes de la materia, y publicó Albert Einstein un artículo en el año 1905, considerado por él como el Annus Mirabilis (en latín “año maravilloso”) donde con todo detalle explicó cómo el movimiento que Brown había mirado que venía siendo el resultado del polen siendo movilizado por moléculas de agua individuales. Sirvió esta explicación como prueba convincente de que los átomos y moléculas existen, y experimentalmente fue verificado por Jean Perrin en el año 1908. Fue Perrin galardonado con el Premio Nobel de Física en el año 1926 gracias a su trabajo acerca de la estructura discontinua de la materia (había recibido Einstein el premio cinco años antes por sus servicios a la física teórica ​​con una mención especial al efecto fotoeléctrico). Está cambiando constantemente la dirección de la fuerza de bombardeo atómico, y en momentos diferentes, es golpeada la partícula más en un lado que en otro, lo que conlleva a la naturaleza aleatoria del movimiento.

Se encuentra el movimiento browniano entre los procesos estocásticos más simples, y es análogo a otros dos procesos estocásticos más simples y más complejos: la vía aleatoria y el teorema de Donsker. Está estrechamente relacionada esta universalidad con la universalidad de la distribución normal. A menudo en ambos casos, es la conveniencia matemática, más que exactitud de los modelos, lo que lleva a la utilización de la normal distribución. Tanto la ósmosis como la difusión se basan en el movimiento browniano.

El movimiento browniano

El efecto fotoeléctrico.

Consiste el efecto fotoeléctrico en la manifestación de electrones por un material al incurrir sobre él una radiación electromagnética (en general, luz visible o ultravioleta). ​ Se incluyen a veces en el término otros tipos de interacción entre la luz y la materia:

La fotoconductividad: Es el incremento de la conductividad eléctrica de la materia o en los diodos provocados por la luz. Descubierta hacia la mitad del siglo XIX por Willoughby Smith en el selenio.

Efecto fotovoltaico: es la parcial transformación de la energía lumínica en energía eléctrica. Fue fabricada la primera célula solar por Charles Fritts en el año 1884. Estaba conformada por selenio recubierto de una capa fina de oro.

Fue descubierto y descrito el efecto fotoeléctrico por Heinrich Hertz, en el año 1887, al observar que el arco que entre dos electrodos conectados salta a alta tensión alcanza mayores distancias cuando con luz ultravioleta se ilumina, que cuando en la oscuridad se deja. Fue hecha por Albert Einstein la explicación teórica, quien publicó en el año 1905 el artículo revolucionario “Heurística de la generación y conversión de la luz”, fundando su formulación de la fotoelectricidad en una ramificación del trabajo acerca de los cuantos de Max Planck. Robert Andrews Millikan más tarde pasó diez años experimentando con el objetivo de demostrar que la teoría de Einstein básicamente no era correcta, para concluir finalmente que sí lo era. Permitió eso que Einstein y Millikan fueran premiados con Premios Nobel en los años 1921 y 1923, respectivamente.

Se podría decir que el efecto es lo opuesto a los rayos X fotoeléctrico, ya que indica el efecto fotoeléctrico que pueden los fotones transferir energía a los electrones. Los rayos X (no se lograba saber la naturaleza de su radiación, de ahí proviene la incógnita “X”) son la mutación en un fotón de toda o una porción de la energía cinética de un electrón que está en movimiento. Se descubrió esto casualmente antes de que los trabajos de Planck y Einstein se dieran a conocer (aunque para entonces no se comprendió).

El efecto fotoeléctrico

El refrigerador de Einstein.

Corrían los alegres 20, ya estaba Albert Einstein en Alemania y era muy famoso. Se topó un día con un periódico berlinés que traía consigo la noticia de la muerte de una familia entera: madre, padre e hijos. Habían sucumbido durmiendo ya que se escapó del compresor el gas venenoso de su refrigerador, e inundó toda la vivienda envenenándolos de muerte.

La mayoría de la gente en esos tiempos, para enfriar utilizaban cajas aisladas más o menos en las que por varias horas se mantenía el hielo. Tenían las más adineradas neveras, como la familia fallecida; eran los gases que comprimían los compresores: dióxido de azufre, amoníaco y metilo de cloruro. Todos estos son tóxicos. Pensó Einstein que se abriría un mercado grande  si se inventaba un refrigerador que fuera seguro.

El muy conocido Albert Einstein, dedicó algunos años al diseño de su refrigerador. En esos esfuerzos para mayor asombro, estaba acompañado nada menos que por Leó Szilárd, a quien consideran muchos, como el padre de la era nuclear, sólo que en aquellos días, estaba iniciando su carrera. Años más tarde Szilárd, cruzando una calle en Londres, se le sobrevino que si una partícula subatómica en lugar de desalojar del núcleo otra, desalojaba más bien dos y desalojaba cada una de ésas otras dos y así sucesivamente, entonces se tendría la conocida reacción en cadena liberando una gran cantidad de energía.

energía

Iba a ser difícil que el refrigerador se resistiera. Era la idea eliminar las partes mecánicas que se en el motor del refrigerador mueven pues como ya se sabe, sufren desgaste con el tiempo las que se mueven y llega un momento que, ya desgastadas, dejan escapar gas. Ambos científicos utilizaron sus conocimientos considerables de termodinámica y pusieron manos a la obra.

Luego de varios tropiezos llegaron al siguiente diseño: sellaron un recipiente metálico que tenía forma de cilindro, lo habían llenado antes de metal líquido y de gas refrigerante; enrollaron en el exterior del cilindro un alambre eléctrico en forma de espiral, bobina. Cuando el campo magnético en el alambre variaba (le suministraban corriente eléctrica alterna, la que cambia de positiva a negativa) se movía en una dirección o en la contraria el metal dentro del cilindro. Alternativamente comprimía y dejaba expandir al gas el movimiento del metal líquido dentro del cilindro. De este modo lograron un compresor sellado sin partes desgastándose y girando.

Como ya sabemos, la compresión y la expansión de un gas genera calor y frío, se fabrica la nevera tomando el frío. En el año 1926, Szilárd, ayudado por Albert Einstein que ya se sabía el procedimiento de solicitud de patentes de memoria, depositaron la primera de muchas (fueron más de 45) solicitudes de patentes. El 31 de julio del año 1931, su primer refrigerador funcionó como si fuera magia, de una forma impecable.

Vendieron a las firmas AB Electrolux, sueca, y a A. E. G alemana la patente, por la suma de un equivalente a 750 dólares. Esas firmas compraron la patente con el fin de evitar la competencia con sus propios diseños, por tanto, la de Einstein-Szilárd fue engavetada, y cuando se obtuvo un gas no tóxico, el freón, el refrigerador de Einstein definitivamente quedó enterrado. Fue incorporado posteriormente el diseño Einstein-Szilárd a los sistemas de enfriamiento de los reactores nucleares.

El refrigerador de Einstein

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