Albert Einstein: The Man in the Gray Suit (Bohemia, December 1, 2005)

World Year of Physics

The year 2005 was designated by UNESCO as World Year of Physics in order to encourage public dissemination and reflection on this influential, albeit disregarded, branch of science.

THE MAN IN THE GRAY SUIT
By: Iramis Alonso Porro

A CubaNews translation. Edited by Walter Lippmann.
http://www.bohemia.cubasi.cu/2005/dic/01/sumarios/cienciatecnologia/einster.html

In four articles he published a hundred years ago which changed the conceptions of world and matter, Albert Einstein confirmed the existence of atoms, laid the foundations of quantum physics and put forward his theory of relativity. It’s been 75 years since he visited Cuba.

In the spring of 1905, a 26-year-old physicist who worked in Bern’s patent office wrote to his friend Conrad Habitcht telling him to be ready to receive a number of articles that he defined as ‘unimportant babbling’.

“The first one is about the characteristics of radiation and very revolutionary,” he explained. “The second paper deals with the definition of atom’s true size… The third one proves that bodies suspended in a fluid and being a thousandth of a millimeter in size must undergo a disorderly motion induced by thermal agitation. The fourth article refers to the electrodynamics of bodies in motion through a modification of the space and time theory.”

All these articles reached the renowned journal Annalen der Physik and shook the world. Until then, Albert Einstein had gone unnoticed but to a few friends: Maurice Solovine and the addressee of the above letter, with whom three years before he had founded a society to discuss science and philosophy. Yet in seven months his name gained recognition, and the greatest scientists of that time took him as one of their own.

What’s seven months in the history of science? Barely the time it takes to snap one’s fingers. Then how come work done by just one man still in his thirties made 1905 to be labeled annus mirabilis (extraordinary year)? Some speculate that those articles were the outcome of a decade of deep thinking, which brings us round to believe that such uncommon complexities started to sprout in a 16-year-old’s mind.

As a child Albert was shy and hardly bright. Born in 1879 in Ulm, Germany, he uttered no word before his 3^rd birthday and is said to have been a slow learner. After this initial stage, however, he displayed a passion for equations owing to his uncle Jakov’s singular algebra lessons: “…if the animal we’re chasing can’t be caught we temporarily call it ‘x’ and keep hunting until we put it in our pouch.”

Once Einstein graduated without outstanding grades from Zurich’s Polytechnic School and his family allowance stopped coming, he had to look for a job, which made him go through hell and high water since he counted on no endorsement given that he got along with none of his teachers.

After several sporadic jobs he was accepted as a third-class technical expert by the Patent Office, where he devoted many hours to focus his analytical intuition on the scope of a question that had puzzled him years before: what would riding on a beam of light be like? The astounding mind that once said: “I have no special talents; I am only passionately curious” had set off in full throttle.

‘And all was light’

Albert Einstein’s foremost article in Annalen der Physik appeared in March under the title “About a heuristic viewpoint of light creation and transformation”, stating that light acts as if it consisted of discrete quantities of energy (later called photons).

His interpretation seemed to contradict the then-accepted theory that light was made of electromagnetic waves and the light-quanta could be used to describe several phenomena, for instance, the photoelectric effect, by which certain metals emit electrons when illuminated by light.

Such idea led to very deep waters. Einstein revived the theory of corpuscles without leaving wavelengths aside. Two opposing ideas were now unified, and it was not a matter of which was right or wrong: both were needed to explain the behavior of light’s nature.

The light-quanta theory was ironclad signal of a wave-corpuscle duality and that systems can simultaneously have undulatory and corpuscular properties. Einstein’s article formed the basis for much of quantum mechanics –deemed the most perfect of scientific theories– and his springboard to the Nobel Prize in 1921.

Nevertheless, Albert failed to fully understand the quantum theory’s profound significance. He felt especially uncomfortable about the ‘uncertainty principle’, consisting of an intrinsic limitation to the amount of information we can have about the world. For example, we can know an electron’s quantity of energy but not when it will be released.

Einstein refused to accept a universe defined by probabilities, if by nothing else. He expressed his feelings in a famous phrase: “God does not play dice with the Universe.”

Two months later, his gears well lubricated in the great fuss caused by his first text, Einstein sent his second work: “About the motion imposed by the kinetic theory of heat on particles suspended in fluids at rest”, where he clarified Brownian motion and established a new system to study atomic circulation.

Brownian motion had baffled scientists ever since 1828, when British botanist Robert Brown noticed through a microscope the erratic movement of pollen in water, something neither he nor anyone else could explain, and therefore Brownian motion remained a minor mystery until Einstein observed water molecules colliding with pollen, so lightly that its effect were visible despite the fact the molecules were too small to be seen even with the most powerful microscopes.

His paper elucidated the phenomenon statistically by means of the thermal movement of a fluid’s individual atoms. Thus he figured out the average trajectory of suspended particles. Prior to this article, atoms were regarded as a useful concept in Physics and Chemistry, but most scientists disagreed as to their real existence. This was the first empirical evidence that molecules existed.

The most famous formula

Since Galileo’s era, laboratory measurements were known to show no difference between a motionless device and another moving at constant speed in a straight line. The Italian savant himself had pointed at a certain concept of relativity by hinting that physical laws remain unchanged regardless of the frame of reference.

Still, the electromagnetic theory had it that light would not abide by this principle and any measurement of its speed would reveal effects of its movement, which no one could ever detect. Einstein believed absolute rest did not exist in the universe, convinced of relativity’s applicability to electromagnetism. As a result, in June he came up with his paper “About the dynamics of bodies in motion”, where he succeeded in reconciling such inconsistencies through a fresh approach to the concept of time and its relationship with space.

During World War II, and given that Germany was making an atomic bomb, he sent a letter to U.S. President Franklin D. Roosevelt urging him to do likewise. When the Manhattan Project began to bear fruit and Hiroshima and Nagasaki were nuked, the extent of such devastation led him to express his public rejection of the weapon he had helped create.

His theory concluded that the speed of light remained constant (300,000 km per second in vacuum) and suggested that distance and time were not absolute and depended instead on the observer’s movement. The special theory of relativity was thus born.

According to Einstein, all bodies provide equally valid frames of reference, so saying that a train is moving with respect to a station would be as right as saying that the station is moving with respect to the train. It is not as absurd as it sounds, because the station is moving too due to Earth’s rotation around both its axis and the Sun. In other words, motion is relative. Actually, if a system is analyzed from the point of view of its energy, it is possible to define who is moving with respect to whom, although for kinematic purposes, placing the frame of reference on the train or at the station is similarly valid.

But even the special theory of relativity had more to give, for history’s most famous formula was yet to come out.

“Is a body’s inertia dependent on the energy it contains?”, wondered Albert Einstein around September, 1905, stating that if a body gives out a certain quantity of energy then its mass should decrease accordingly, a mass-energy equivalence expressed in the formula E = m.c² (energy is equivalent to the mass of the object multiplied by the square of the speed of light) used to explain how nuclear energy is produced.

After these and other so overwhelming contributions that would require countless pages to describe, Albert Einstein’s celebrity grew without limits, to the extreme of being ranked together with Isaac Newton above the rest of science’s great names. Many might certainly find his ideas strange and far-fetched; he is even considered to be the symbol of incomprehensible genius, as reflected by British writer J. C. Squire who, in response to poet and fellow countryman Alexander Pope’s epitaph for Newton: “Nature and Nature’s laws lay hid in night; God said, ‘Let Newton be!’ and all was light”, coined the following epigram: “But it did not last: the Devil, howling ‘Ho! Let Einstein be!’, restored the status quo”.

Nonetheless, even the least interested in Physics recognize his perplexed ram-like face, unruly mane and very big eyes. What this man, who always wore gray suits so as to not waste time choosing his clothes, did in just one year of his life made us all a little less ignorant. As another Daedalus escaping from the Minotaur, Albert Einstein provided new exits to life’s labyrinth.

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IN HAVANA WITH A PANAMA HAT
By: Bárbara Avendaño

That December 19, 1930 promised to be a hot day, at least to an European, so ‘Alberto’ Einstein decided to buy a summer hat as soon as he arrived in Havana. It is said that the owners of the shop El Encanto gave the Nobel prizewinner the best Panama hat they had with no other charge than posing with them for a group photograph. Thus he started his program for a 30-hour stay on Cuban soil.

On the first day, the renowned scientist visited the Secretary of State and attended a solemn ceremony organized in his honor by Havana’s Academy of Physical and Natural Sciences and the Cuban Geographic Society. Accompanied by his wife Elsa, he enjoyed the attention lavished on him by the Hebrew Community in the island and a banquet at Hotel Plaza offered by the president of the Academy of Sciences.

Later on he went on a car tour around the Country Club and the Havana Yacht Club, as well as Santiago de Las Vegas[1], a ride to satisfy his intention of admiring Cuba’s countryside and other sites. Einstein and his group ended the day at a reception arranged by the Cuban Society of Engineers, but the never-ending requests for autographs forced him to flee in a headlong rush and seek refuge in the steamboat Belgenland, where he had traveled, deciding to spend the night on board despite an official invitation to stay at Hotel Nacional.

The professor had begun his voyage in Belgium a few days before, on December 2. He sailed to San Diego, U.S.A., and from there rode to Pasadena, invited by the Director of Caltech. As he told a Bohemia magazine journalist who interviewed him aboard, he would be able to drop by the nearby Mount Wilson astronomical observatory –up to then the world’s biggest reflecting telescope– for some research bound to provide new evidence of his general theory of relativity.

“British physicists Crommenlinck and Eddington’s works on the results of their latest observations of total eclipses,” he said, “cast no doubt about the curved trajectory of light beams in the gravity field, as established by my theories. However, I am confident that the powerful instruments at Mount Wilson will allow me to get undisputable astrophysical proof.”

The day after he arrived in Havana, the German savant, said by the journalist to dislike being asked about his brilliant findings, wanted to go slumming. After thanking his hosts for pleasing him in his odd undertakings, ‘Alberto’ Einstein bid farewell.

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(Published in Bohemia magazine, December 9, 2005. Year 97, No. 25)

[1] A small town south of Havana (T.N.).

En la primavera de 1905 un físico de 26 años que trabajaba en la oficina de patentes de Berna le escribía a su amigo Conrad Habitcht avisándole del envío de una serie de artículos a los que definía como "balbuceos sin importancia".

"El primero trata de las características de la radiación y es muy revolucionario –decía–. El segundo trabajo es la determinación del verdadero tamaño del átomo... El tercero demuestra que los cuerpos en suspensión en un fluido y de dimensiones de una milésima de milímetro deben experimentar un movimiento desordenado producido por la agitación térmica. El cuarto trabajo es sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento, empleando una modificación de la teoría del espacio y el tiempo."

Los artículos llegaron a la renombrada revista Annalen der Physik y estremecieron al mundo. Hasta ese momento, Albert Einstein pasaba inadvertido excepto para un puñado de amigos: Maurice Solovine y el destinatario de la misiva, con quienes había fundado tres años antes una sociedad para discutir de ciencia y filosofía. Pero en siete meses su nombre era reconocido por los grandes científicos de la época, quienes lo aceptaron como uno de los suyos.

¿Qué son siete meses en la historia de la ciencia? Apenas el tiempo que demora un chasquear de dedos. ¿Cómo fue posible entonces que el trabajo de un solo hombre que no rebasaba la treintena llevara a catalogar como annus mirabilis (año extraordinario) a 1905? Algunos especulan que aquellos artículos eran el resultado de una década de cavilaciones, lo cual nos pone frente a la insólita posibilidad de que tales complejidades comenzaran a germinar en una mente de 16 años.

El niño Albert fue tímido, poco avispado. Nacido en Ulm, Alemania, en 1879, no comenzó a hablar hasta los tres años y se cuenta que era lento para aprender. Sin embargo, superada esa etapa inicial, se mostró como un apasionado de las ecuaciones, cuyo aprendizaje inicial se debió a su tío Jakov, que lo instruyó en álgebra de forma peculiar: "... cuando el animal que estamos cazando no puede ser apresado lo llamamos temporalmente ‘x’ y continuamos la cacería hasta que lo echamos en nuestro morral".

Después de graduarse sin excesiva brillantez en el Politécnico de Zurich, Einstein tuvo que buscar trabajo pues la asignación que recibía de su familia llegó a término. Ello le costó profusos sudores ya que carecía de recomendaciones a causa de no estar en buenas relaciones con ninguno de sus maestros.

Luego de varios empleos esporádicos, logró un puesto como experto técnico de tercera clase en la Oficina de Patentes. Allí escamoteó las horas para focalizar sus intuitivos análisis sobre el alcance de una cuestión que lo había intrigado años antes: ¿Cómo sería cabalgar en un rayo de luz? Se ponía en vigorosa marcha esa máquina de despertar asombros que alguna vez dijo: "No tengo talentos especiales, pero sí soy profundamente curioso".

El primer artículo de Albert Einstein en Annalen der Physik apareció en marzo bajo el título "Sobre un punto de vista heurístico de la creación y transformación de la luz". Allí propuso que la luz actúa como si estuviese constituida por partículas discretas de energía (posteriormente denominadas fotones).

Su propuesta parecía contradecir la teoría aceptada hasta entonces de que la luz consistía en ondas electromagnéticas pues mostraba que con los cuantos de luz se podía explicar distintos fenómenos. Por ejemplo, cómo la luz consigue desprender electrones de los metales, el conocido efecto fotoeléctrico.

Tal idea llevaba a aguas muy profundas. Einstein reavivó la teoría corpuscular sin dejar de lado la longitud de onda. Ahora las dos ideas contradictorias andaban unidas. No se trataba de cuál era cierta y cuál no; las dos eran necesarias para explicar el comportamiento de la naturaleza de la luz.

La teoría de los cuantos de luz fue un fuerte indicio de la dualidad onda-corpúsculo y de que los sistemas pueden mostrar propiedades ondulatorias y corpusculares simultáneamente. Este artículo fue uno los pilares básicos de la mecánica cuántica –considerada la teoría más perfecta de la ciencia– y fue el que le valió a Einstein el premio Nobel en 1921.

No obstante, Albert no pudo llegar a comprender el profundo significado de la teoría de los cuantos. Le incomodaba en particular uno de sus postulados, el "principio de incertidumbre", que consiste en una limitación intrínseca de la cantidad de información que se puede tener sobre el mundo. Por ejemplo, es posible llegar a saber la cantidad de energía que tiene un electrón determinado, pero no por cuál posición va a salir.

Einstein no quería aceptar un universo definido, en última instancia, por probabilidades. Expresó lo que sentía en una célebre frase: "Dios no juega a los dados con el mundo".

Con los motores engrasados por la encendida recepción de su primer texto, dos meses después Einstein envió su segundo trabajo: "Sobre el movimiento que viene impuesto por la teoría cinética del calor a las partículas en suspensión en líquidos en reposo". Con él aclaraba el movimiento browniano y creaba un nuevo sistema para el estudio de la circulación de los átomos.

El movimiento browniano había desconcertado a la comunidad científica desde que en 1828 el botánico inglés Robert Brown observó en el microscopio cómo los granos de polen se movían constantemente en el agua dando como tirones alocados. Ni él ni ningún otro encontró explicación y el movimiento browniano siguió siendo un pequeño misterio hasta que Einstein comprendió que las moléculas del agua chocaban con los granos de polen y como eran tan ligeros se podía ver el efecto del choque a pesar de que las moléculas de agua eran demasiado pequeñas para ser observadas, incluso con el microscopio más potente.

El artículo explicó el fenómeno haciendo uso de las estadísticas del movimiento térmico de los átomos individuales que forman un fluido. Así, calculó la trayectoria promedio de una partícula suspendida. Antes de este trabajo los átomos se consideraban un concepto útil en Física y Química, pero la mayoría de los científicos no se ponían de acuerdo sobre su existencia real. Esta fue la primera prueba empírica de que las moléculas existían.

Desde tiempos de Galileo se sabía que las mediciones de laboratorio no mostraban diferencia entre un aparato en reposo y uno moviéndose a velocidad constante en una línea recta. El propio sabio italiano había señalado un cierto concepto de la relatividad al sugerir que las leyes físicas permanecen invariables independientemente del estado de movimiento del observador.

Sin embargo, la teoría electromagnética decía que la luz no obedecería a este principio y que las mediciones de su velocidad mostrarían consecuencias del movimiento, algo que jamás pudo detectarse. Einstein creía en la inexistencia del reposo absoluto en el universo; estaba convencido de que la relatividad debía ser aplicable también a los fenómenos electromagnéticos, así que en junio apareció con su propuesta "Sobre la dinámica de los cuerpos en movimiento", donde consiguió conciliar esas incompatibilidades mediante una nueva consideración del concepto de tiempo y su relación con el espacio.

Su teoría concluía que la velocidad de la luz era constante (300 mil kilómetros por segundo en el vacío) y proponía que la distancia y el tiempo no son absolutos, sino que dependen del movimiento del observador. Nacía la teoría especial de la relatividad.

Según Einstein, cualquier cuerpo aporta un sistema de referencia igualmente válido. De tal forma sería correcto afirmar tanto que el tren se desplaza con respecto a la estación como que la estación se desplaza con respecto al tren. Ello no es tan absurdo como parece, porque la estación también se mueve debido a la rotación de la Tierra sobre su eje y en torno al Sol. Es decir, el movimiento es relativo. En realidad si se analiza energéticamente un sistema sí se puede determinar quién se mueve con respecto a quien, aunque para el análisis cinemático es igual de válido colocar el sistema de referencia en el tren o en la estación.

Pero aún la teoría de la relatividad especial no había dado todo de sí. La fórmula más famosa de la historia estaba por surgir.

"¿Depende la inercia de un cuerpo de la energía que contiene?", se preguntaba Albert Einstein en septiembre de 1905. Y afirmaba que si un cuerpo emitía una cierta cantidad de energía, entonces la masa del cuerpo debía decrecer en un determinado monto. Esa equivalencia entre masa y energía quedó recogida en la fórmula: E= m.c2 (Energía = masa por la velocidad de la luz al cuadrado). La relación masa-energía se utiliza para explicar cómo se produce la energía nuclear.

Luego de tan apabullantes aportes, que no pararon ahí y darían para interminables cuartillas, la fama de Albert Einstein creció sin avistar límites. Junto a Isaac Newton se le ubicó por encima del resto de los grandes nombres de la ciencia. Es cierto que para muchos sus ideas son raras, alejadas de la cotidianidad; se le tiene incluso como símbolo del genio incomprensible, sensación que reflejó el escritor británico J. C. Squire cuando respondió al epitafio que escribió su coterráneo, el poeta Alexander Pope, para Newton: "La naturaleza y sus leyes estaban ocultas por la noche. Y Dios dijo: ‘¡Que se haga Newton!’ y todo se hizo luz. Pero no duró; cuando el diablo rugió: ‘¡Nada, que se haga Einstein!’, se restauró el status quo".

Sin embargo, aun el público menos interesado en la Física reconoce su rostro de carnero perplejo, su pelo rebelde, sus grandísimos ojos. Lo que hizo en solo un año de su vida este hombre que siempre usaba trajes grises para no perder tiempo en escoger vestido, nos hizo a todos un poco menos ignorantes. Como otro Dédalo al escapar del Minotauro, Albert Einstein mostró nuevas salidas a los laberintos de la vida.

Aquel 19 de diciembre de 1930 prometía ser caluroso, al menos para un europeo. Por esa razón "Alberto" Einstein pidió comprar un sombrero de verano apenas llegó a La Habana. Según se cuenta, los dueños de la tienda El Encanto le regalaron al premio Nobel el mejor jipijapa que tenían, solo a cambio de que posara para una foto. Así comenzó el programa de sus 30 horas de estancia en suelo cubano.

El primer día de su arribo, el ilustre científico visitó la Secretaría de Estado y asistió a un acto solemne en su homenaje, organizado por la Academia de Ciencias Físicas y Naturales de La Habana y la Sociedad Geográfica de Cuba. Junto a su esposa Elsa, recibió el agasajo de la comunidad hebrea de Cuba, y asistió a un banquete que en su honor brindó el presidente de la Academia de Ciencias, en el Hotel Plaza.

Ese mismo día recorrió en automóvil el Country Club y el Havana Yatch Club, así como el poblado de Santiago de las Vegas, viaje en el que satisfizo su interés de admirar el campo cubano, entre otros sitios. La jornada finalizó con la recepción que ofreció a Einstein y sus acompañantes la Sociedad Cubana de Ingenieros. La insistente solicitud de autógrafos durante la ceremonia hizo que huyera del recinto en estampida para refugiarse en el vapor Belgenland, donde viajó y decidió pernoctar, a pesar de haber sido invitado oficialmente a alojarse en el Hotel Nacional.

El profesor había iniciado aquel periplo en Bélgica unos días antes, el 2 de diciembre. En barco navegó hasta la ciudad de San Diego, en Estados Unidos y de allí se trasladó por carretera hasta la vecina Pasadena, invitado por el director del Instituto Tecnológico de California. En ese lugar, según explicó al periodista de BOHEMIA que lo entrevistó en la cubierta del buque, tendría la posibilidad de llegarse al cercano observatorio astronómico de Monte Wilson –donde se ubicaba el hasta entonces mayor telescopio de reflexión del mundo–, para realizar ciertas investigaciones que debían aportar nuevas pruebas a su teoría general de la relatividad.

"Los trabajos de los físicos ingleses Crommelinck y Eddington, sobre los resultados de los últimos eclipses totales que ellos observaron –dijo– no dejan dudas acerca de la trayectoria curva del rayo luminoso en el campo gravitatorio, exigido por mis teorías. Sin embargo, confío en que el poderoso instrumental de Monte Wilson me permitirá obtener pruebas astrofísicas indiscutibles."

Al otro día de su llegada a La Habana, el sabio alemán, de quien comentó el periodista que no le gustaba que le hablaran de sus descubrimientos geniales, quiso pasear por los barrios más pobres de la ciudad. Con un agradecimiento a sus anfitriones por haberlo complacido en sus raros empeños, "Alberto" Einstein se despidió.


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