Entre 1902 y 1904, Einstein publicó tres artículos en los que exponía una formulación genuina de la Mecánica Estadística, en la línea de Ludwig Boltzmann.
Un sutil razonamiento permite a Einstein dar con el sistema buscado: la radiación emitida por un Cuerpo Negro en equilibrio a cierta temperatura.
Hasta 1899, los datos experimentales obtenidos en el análisis de la Naturaleza y las propiedades de la emisión y absorción de la luz por un cuerpo negro eran acordes con la Ley de Wien, propuesta 3 años antes.
Pero en otoño de 1900, los experimentos realizados por Heinrich Rubens y Ferdinand Kurlbanm en Berlín con longitudes de onda más largas pusieron de manifiesto que no existía tal concordancia.
En unos días, Max Planck encontró una nueva fórmula que encajaba con todos los resultados experimentales obtenidos hasta la fecha.
Según esta nueva fórmula, el Cuerpo Negro emitía o absorbía radiación como si dicha radiación estuviese formada por partículas cargadas eléctricamente en permanente oscilación. En realidad Planck creía que eso era una característica del Cuerpo Negro, una especie de artificio matemático.
El tratamiento clásico de estos osciladores era incompatible con la Ley de Planck. O sea, su fórmula funcionaba en la práctica pero no en la teoría.
Es así como Planck, "en un acto de desesperación" (según sus propias palabras) decide aplicar los métodos estadísticos de Boltzmann al problema de la radiación. Método que no le gustaba en absoluto, pues implicaba el carácter probabilístico de las leyes de la Termodinámica, cuando él consideraba que las leyes de la Física deberían tener un carácter absoluto.
Para colmo, el resultado fue extrañísimo: Los osciladores planckianos de frecuencia ν no podían absorber y emitir cualquier cantidad de energía, como cabría esperar según los trabajos clásicos, sino sólo cantidades múltiplo de una unidad elemental -quantum- de valor E= h ν.
Poco después, Einstein publica « Über emem die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heugristichen Gesishtspunk » (Sobre un punto de vista heurístico acerca de la creación y la transformación de la luz), donde postula que la emisón de la energía en quantos no es una característica del Cuerpo Negro, sino de la propia energía electromagnética:
« Cuando un rayo de luz emerge desde un punto, la energía no está continuamente distribuida sobre un espacio cada vez mayor, sino que consiste en un número finito de quanta d energía que están localizados en puntos del espacio, que se mueven sin dividirse, y que sólo pueden ser absorbidos o producidos como un todo ».
La línea del razonamiento de Einstein fue la siguiente:
-Primero obtuvo la variación de la entropía de un gas ideal como consecuencia de una transformación reversible de su volumen, manteniendo constante la temperatura.
-Después repitió el cálculo para el mismo proceso, pero ahora con radiación en lugar de gas, y suponiendo válida la Ley de Wien, antes mencionada.
La analogía formal entre ambos problemas y la comparación entre los respectivos resultados permitió a Einstein llegar a una conclusión transcendente.
« La radiación monocromática de baja intensidad (dentro del rango de validez de la fórmula de Wien) se comporta desde el punto de vista de la teoría del calor como si estuviese constituida por quanta de energía, independientes unos de otros, de magnitud "hν" »
De esta cuantización de la energía luminosa extraía Einstein el fundamento que explicaba el fenómeno fotoeléctrico.
Sin embargo para Planck y sus colegas del club de los dinosaurios la emisión cuántica de la energía no dejaba de ser sino una extraña propiedad que sólo afectaba a ciertos osciladores, aceptar los postulados de Einstein suponía socavar los principios de la Teoría del Campo Electromagnético, formulada más de 30 años atrás por James Clerk Maxwell.
Menos mal que genios como Pauli apoyaban sin reservas la teoría einsteniana.
En 1916. Einstein, aplicando la "Navaja de Ockham" (Pluralitas non est ponenda sine necessitate), eliminó todo vestigio de los osciladores planckianos para pasar a entender la materia como un agregado de moléculas que sólo pueden existir en un conjunto discreto de estados energéticos. Las transiciones entre éstos eran la causa de la emisión y absorción de radiación por la materia. Todo muy en la línea del modelo de Bohr.
Desde esta perspectiva, Einstein logró deducir la Ley de Planck y también que la unidad para el intercambio de energía entre la molécula y la radiación monocromática de frecuencia ν habría de venir dada por el producto hν. También se obtenía la ya muy obsoleta
Ley de Wien.
Y lo más asombroso es que todo esto lo dedujo de un "gedanken", no necesitó un complejo laboratorio como Planck.
Pero aún hay más, analizando ciertas fluctuaciones en su experimento mental, Einstein llega a la conclusión de que el gas y la radiación no sólo intercambian energía sino también cantidad de movimiento en una dirección determinada.
Es el momento en que los viejos e imprecisos quanta de radiación, simples unidades de intercambio de energía, adquieren el status de auténticas partículas, más adelante llamadas fotones.
La interacción materia-radiación pasa a explicarse en términos de intercambio de fotones, y cada fotón, como cualquier partícula, tiene una energía y una cantidad de movimiento determinados.
La llegada del fotón, introducido por Einstein en 1916, trajo más problemas que soluciones, pues ponía en tela de juicio una teoría tan consolidada como la del electromagnetismo de Maxwell. Y supuso la oposición radical del club de los dinosaurios.
En 1923 se operó un cambio substancial como consecuencia de la explicación teórica del Efecto Compton a partir de la aplicación conjunta de la Teoría de la Relatividad y de la Teoría Cuántica al choque elástico entre un fotón y un electrón libre.
Recordemos que el efecto Compton consiste en el cambio de frecuencia de un fotón de rayos X tras colisionar con un electrón atómico débilmente ligado.
Aún así, Bohr y otros afamados físicos seguían empeñados en negar la realidad del fotón.
Por fin, en 1925, Walther Bothe y Hans Geiger demostraron experimentalmente cuán equivocado andaba Bohr y lo acertado que estaba D. Alberto.
En la primavera de 1924, un joven profesor bengalí, Nathan Bose, envió a Einstein un magnífico trabajo para que el genio de Ulm lo avalase: "La Ley de Planck y la hipótesis de los quanta de luz".
Einstein accedió impresionado por la calidad del mismo.
En esencia, la idea de Bose consistía en tratar los fotones como partículas "indistinguibles", contra la tradicional distinguibilidad de las moléculas, por ejemplo, que era como las consideraba la Estadística Clásica de Boltzman.
Esta fue la genialidad de Bose. A la hora de calcular el número de los repartos de fotones entre posibles estados, bose lo hacía como si, por ejemplo, estuviese distribuyendo monedas de un euro entre personas: las monedas son indistinguibles a todos los efectos, pues sólo interesa la cantidad asignada.
Bose no se dio cuenta de que acababa de establecer las bases de la nueva Mecánica Estadística, herramienta fundamental que permitió desarrollar hasta sus últimas consecuencias la Mecánica Cuántica.
Pero Einstein sí era un físico estadístico consumado, e inmediatamente percibió las implicaciones del trabajo de Bose. Si tratando a los fotones como indistinguibles, éste había obtenido una fórmula (la de Planck) de la Teoría Cuántica de la Radiación, Einstein pensó en volver a la analogía que ya había explotado en 1905 entre gas y radiación, sólo que ahora en sentido contrario.
Es así como logró elaborar la Teoría Cuántica de los gases, largamente anhelada como posible solución a problemas pendientes ligados con ciertos comportamientos termodinámicos a muy bajas temperaturas.
Y de este modo nació la Mecánica Estadística de Bose-Einstein. La cual predecía un extraño fenómeno que posteriormente sería bautizado como "Condensado de Bose-Einstein", y que consistía en que a una temperatura cercana al cero absoluto, los átomos se comportaban como una sola partícula.
Otra consecuencia de esta nueva estadística fue la división de las partículas en bosones (tienen espín entero: 0, 1... etc.) y fermiones (de espín semi-entero: 1/2, 3/2, 5/2...). Las características de los bosones fueron predichas por la Estadística de Bose Einstein, mientras que los fermiones obedecían a la Mecánica Estadística de Fermi-Dirac.
Pero no había hecho más que empezar. Considerar a las moléculas como indistinguibles suponía que debían ser consideradas como ondas. Y así lo defendía también Louis De Broglie.
Schrödinger tomó el testigo de Einstein y De Broglie, como él mismo reconoció, y formuló su Mecánica Ondulatoria a comienzos de 1926, proporcionando una base para abordar de forma sistemática los problemas asociados con el comportamiento ondulatorio de la materia.
Aunque el nuevo formalismo de Schrödinger fue muy bien acogido por Einstein, la alegría sólo duró una semana. El motivo fue la introducción por Born de la interpretación probabilística de la Función de Onda.
Y a partir de aquí, Einstein comienza a abominar de la Mecánica Cuántica. Es famosa la carta que le escribe a Born:
« La Mecánica Cuántica es ciertamente impresionante. Pero una voz interior me dice que no constituye aún la última palabra. La Teoría explica muchas cosas, pero realmente no nos acerca más al secreto de "El Viejo". Yo, en cualquier caso, estoy convencido de que Él no juega a los dados »
Niels Bohr, le respondió: “Einstein, deja de decirle a Dios lo que ha de hacer con sus dados.”
Einstein se negaba a aceptar que Dios es un ludópata empedernido.
Disgustado como estaba, se negó a aceptar la invitación de Lorentz para que presidiera en 1927 el mítico "V Congreso de Solvay", y se limitó a asistir como un ponente más, aunque las malas lenguas afirman que declinó la invitación porque era un vago redomado.
En este Congreso se exhibieron todas las grandes aportaciones habidas hasta la fecha, siendo especialmente fructíferas y revolucionarias las de los dos últimos años.
La Pléyade de genios fue espectacular:
Fue aquí donde comenzó un largo y fructífero debate entre Bohr y Einstein en torno a la correcta interpretación del formalismo cuántico.
Un debate entre dos posiciones irreconciliables: el "realismo" (y localismo) preconizado por Einstein, frente a la ortodoxa "Escuela de Copenhague", encabezada por Niels Bohr.
Hasta el final de sus días, Einstein intentó, sin éxito, una nueva teoría acorde con sus premisas.
