En este año se cumplieron 50 años de la muerte de Albert Einstein, acaecida el 18 de abril de 1955, y 100 años de la aparición de su primer trabajo en la denominada Relatividad Especial, el primero sobre la mecánica estadística aplicada a la radiación, con la hipótesis del quantum de luz y la explicación del llamado efecto fotoeléctrico. Asimismo, en este prolífico año de investigaciones y debates sobre el físico alemán, aparecieron sus trabajos sobre el movimiento browniano.
Por otra parte, se conmemoran los 80 años de su visita a nuestro país, donde permaneció un mes a partir del 25 de marzo de 1925, para viajar después a Uruguay y Brasil.

Causa admiración la explosión de genio y originalidad que Einstein ya había insinuado en sus primeros trabajos realizados entre 1902 y 1904, motivados en gran medida por la necesidad de encontrar caminos para la demostración de la existencia de los átomos, e imaginando varios métodos para la determinación del número de Avogadro. Conviene recordar que aún científicos destacados, como Mach y Ostwald, a fines del siglo XIX, no creían en la existencia de los átomos. La misma tesis doctoral de Einstein, aceptada en julio de 1905, discurrió “sobre una nueva determinación de las dimensiones moleculares”. En otro orden, cabe aclarar que todos los trabajos citados fueron realizados por Einstein cuando trabajaba, curiosamente, como ¡experto técnico de tercera clase! en la Oficinas de Patentes en Berna, Suiza.

Si bien es cierto que la mayoría de sus trabajos fundamentales y revolucionarios corresponden al campo de la física teórica, no significa que no haya tenido predisposición o que no haya valorizado el trabajo experimental o la posibilidad de aplicar los conocimientos científicos para el diseño de nuevos dispositivos y procesos. En este sentido, desde el INTI se rescata una faceta poco difundida de Einstein como físico experimental e inventor.

Los trabajos experimentales en colaboración

Albert Einstein realizó el primer trabajo experimental junto al físico holandés Wander Johannes de Haas, aprovechando una estadía a la que fue invitado en el Physikalisch Technische Reichanstalt (PTR, actualmente PTB) en Charlottenburg, en 1915. Junto a otros físicos distinguidos, algunos de ellos ganadores del Premio Nobel, Einstein formó parte del “Curatorium” de dicho Instituto.
Durante esta instancia, determinaron experimentalmente la rotación de un cilindro de hierro suspendido verticalmente de un hilo, conformando una balanza de torsión, cuando se lo magnetiza de modo abrupto mediante una bobina concéntrica y que se conoce como efecto Einstein-de Haas.
Einstein describe en una carta los resultados obtenidos: “científicamente, he realizado este semestre un maravilloso trabajo experimental, junto con el yerno de Lorentz (de Haas). Hemos logrado una prueba de la existencia de las corrientes moleculares de Ampere”. Debe recordarse que Ampere, demostrando una extraordinaria intuición, ya alrededor de 1820, había sostenido la hipótesis de que el magnetismo podría ser causado por la electricidad en movimiento.
La relación entre el momento magnético M y el momento angular J se denomina relación giromagnética. Entre los valores calculados de esa relación a partir de los datos experimentales, había uno cercano a la unidad y otro próximo a 2. Einstein y de Haas suponían sólo el movimiento orbital del electrón, adoptando como correcto el valor 1.
En realidad, el valor correcto es cercano a 2. El ferromagnetismo es un fenómeno cuántico que depende de una propiedad de los electrones denominada “espin”, que fue postulado 10 años después de la experiencia por Uhlenbeck y Goudsmit.
Por otra parte, de acuerdo a la teoría electromagnética, un electrón acelerado debido al movimiento circular orbital, debe irradiar y perder por lo tanto su energía, lo que anularía el momento magnético. En cierto modo, este trabajo experimental fue una confirmación de la teoría de Bohr sobre las órbitas estacionarias.

En otro campo, Einstein realizó en 1923, junto con su amigo, el médico Hans Mühsam, experiencias para la determinación de la permeabilidad de filtros. El objetivo de los experimentos era la determinación del diámetro máximo de componentes de suero sanguíneo que podían atravesar un elemento filtrante. Para ello, sumergiendo el filtro en éter, determinaron la presión necesaria para la formación de la primera burbuja de aire que aparece en la superficie del filtro. Esta sobrepresión es directamente proporcional a la tensión superficial del líquido e inversamente proporcional al diámetro del poro. Método que está normalizado por la American Society For Testing Materials (ASTM), en la norma E 128- 99.

Las patentes de invención

El conocimiento sobre un accidente ocurrido con un refrigerador familiar con salida de gases tóxicos del compresor, parece haber inducido a Einstein y Szilard a ocuparse del tema de la refrigeración por absorción.
Los fluidos refrigerantes típicos en los comienzos de la refrigeración eran cloruro de metilo, amoníaco y dióxido de azufre. Todos eran tóxicos y la cantidad disponible podía ser mortal si se producía una pérdida. En una de sus patentes proponían la utilización de otros fluidos, tales como amoníaco como medio auxiliar, agua como medio de absorción y butano como refrigerante. En la actualidad, los equipos comerciales de refrigeración por absorción utilizan agua como fluido refrigerante y bromuro de litio como solución absorbente, lo que requiere el funcionamiento en condiciones de vacío.

Interesados por mejorar las condiciones de seguridad y atenuar el ruido de los compresores, la primera patente a nombre de Einstein y Leo Szilard aborda el modelo de una bomba que podía ser utilizada en la transferencia de líquidos o para la compresión de fluidos refrigerantes. Dos patentes inglesas, la Nº 303.065, aceptada el 26 de mayo de 1930 y la 344.881, aceptada el 3 de marzo de 1931.
Se trata de una bomba de tipo electrodinámica, donde un metal líquido, como el mercurio o el sodio, se hace circular verticalmente al ser sometido a la acción de un campo magnético espacial y temporalmente variable. El campo magnético es producido por 4 bobinas por las que circula una corriente alterna. Un esquema similar al que se utiliza en el bobinado de los motores eléctricos.
La corriente eléctrica inducida en el metal líquido por el campo magnético variable, interactuando con el campo magnético, produce la fuerza ponderomotriz, cuya dirección sigue la conocida regla de la mano izquierda: los dedos extendidos indican la dirección de la corriente, el campo magnético penetra por la palma de la mano y el pulgar indica la dirección de la fuerza. En la patente se cita además que el líquido está libre de vórtices, una característica interesante porque implica una reducción en la disipación de la energía.
En un esquema de utilización, el dispositivo complementa a las denominadas bombas de chorro o trompas de agua, que aún se utilizan para producir vacío o comprimir vapores y gases, pero que utilizan la presión hidrostática de agua.
En lugar de sodio o potasio puros, proponen utilizar mezclas con una concentración entre el 60 y el 85% de potasio, lo que hace que la mezcla se mantenga líquida hasta 12º C. Este líquido conductor acelerado por la acción electromagnética comprime, directa o indirectamente, el agente frigorífico.
Es interesante señalar que este tipo de bombas se utilizan actualmente para hacer circular sodio en estado líquido como refrigerante en centrales nucleares.

En otra patente de los EEUU, Nº 2.058.562, del 11 diciembre de 1935, Einstein junto a Gustav Bucky de Nueva York, exponen un esquema de cámara fotográfica con un ajuste automático de la intensidad luminosa que llega al film sensible. Además del objetivo, un elemento mecánico puede rotar en torno a un eje en correspondencia con la variación de la luz que incide sobre una célula fotoeléctrica. Una pantalla en forma de sector circular de un material del tipo del celuloide, con una transparencia variable, desde un extremo claro a otro negro pasando por el tono gris, permite rotar en función de la señal de salida de la célula fotoeléctrica. Se señala que las partes móviles deben ser lo suficientemente livianas debido a la pequeña potencia de salida disponible en la célula fotoeléctrica.
Reivindican también en esta patente el uso de otra clase de células fotosensibles, como por ejemplo, las celdas de selenio alimentadas con una batería.

En otra patente, Nº 590783, iniciada en Alemania en 1929 y aprobada en diciembre de 1933 cuando Einstein ya no vivía en ese país, aparece después de una curiosa nota titulada, “Dr. Albert Einstein, anteriormente en Berlín, actualmente lugar de residencia desconocido...”. Se trata de un dispositivo reproductor de sonidos basado en la denominada magneto-estricción que implica la variación de la longitud de una pieza cilíndrica de un cierto material ferromagnético cuando se lo somete a un campo magnético.

En noviembre de 1914, Einstein fue convocado judicialmente como experto por una disputa sobre el tema de las brújulas giroscópicas entre la empresa alemana Anschütz y la norteamericana Sperry Co. La firma alemana acusaba a la norteamericana de infringir dos de sus patentes. Las brújulas giroscópicas se utilizaban en los barcos de guerra y significaban un avance respecto de las brújulas magnéticas porque podían apuntar al norte geográfico, no necesitaban correcciones e implicaban una mayor eficiencia en la navegación, especialmente cuando se trataba de submarinos cerca del polo Norte.
Einstein quedó vinculado a la empresa Anschütz y después de la Primera Guerra viajó en varias oportunidades a los laboratorios de la empresa en Kiel. En 1920 colaboró en el diseño de un nuevo modelo de brújula giroscópica. En reemplazo del montaje mecánico soporte, propuso utilizar una esfera flotante, sin fricción, centrada en su posición fija mediante campos magnéticos. Al principio, mediante 8 electroimanes ubicados en la parte inferior de la esfera, pero luego sugirió reemplazarlos por una sola bobina en el interior de la esfera. Einstein recibió algunas sumas de dinero por sus contribuciones científicas y técnicas, incluido un porcentaje sobre las ventas. La relación comercial se formalizó después mediante un contrato con la empresa holandesa Giro, una subsidiaria de Anschútz, que significó el 3% de las ventas de cada instrumento. Al estallar la Segunda Guerra Mundial, la mayoría de las naves de guerra, excepto las anglosajonas, estaban equipadas con brújulas giroscópicas Anschútz.

Como corolario, es sugestivo resaltar que el mayor físico teórico del siglo XX tenía un gran respeto por la física experimental y las aplicaciones del trabajo científico, como lo muestran sus patentes y experimentos en muy diversas áreas. Es interesante recordar la opinión de Einstein sobre la Oficina de Patentes de Berna, en una carta a su amigo Michele Besso del 12 de diciembre de 1919: “...Me ha interesado vivamente el hecho de que proyectes volver a la Oficina de Patentes, a ese claustro entre los hombres donde incubé mis mejores ideas y donde pasamos juntos días tan dichosos. Después nuestros niños se han hecho mayores y nosotros nos hemos convertido en niños viejos.”

Su biografía nos revela un ser humano con todas sus contradicciones y preocupaciones, incluso las correspondientes a su propia economía doméstica. Esta faceta poco conocida de Einstein es la que nos parece más apropiada para conmemorar los 100 años de la Teoría de la Relatividad y los 80 años de su visita a nuestro país, así como también para recordar los 50 años de su muerte.

Autores: Luis Bassani y Ricardo García

Contacto: rigarcia@inti.gov.ar

Se agradece la valiosa colaboración para este artículo de Alicia, Facundo y Pedro, de la Biblioteca del INTI, así como también los aportes del Prof. Rafael Steinberg.