Krahg Helge - Generaciones Cuanticas

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Generaciones cuánticas Una historia

□٤ LA FÍSICA EN EL· SIGLO XX

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Traducción

Daniel D uque Campayo Ana G ranados Sanandrés M anuel Sangüesa Lazcano Revisión científica de

José Alberto Pérez Diez

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índice

Prólogo

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Primera parte: de la consolidación a la revolución l

Física finisecular: un modelo cambiante del mundo 2

El mundo de la física

4

6

/ H5SV 3

Arquitectura atómica

27

44

La lenta ascensión de la teoría cuántica

5

7

Física a bajas temperaturas

58

73

La relatividad de Einstein y de otros 8

Una revolución fallida

86

103

La física en la industria y en la guerra

9

lis

Segunda parte: de la revolución a la consolidación

10

Ciencia y política en la República de Weimar 11

13

Saltos cuánticos

135

150

El surgimiento de la física nuclear

12

14

13

Descargas en gases y lo que siguió

3

3

168

De dos partículas a muchas antipartículas

184

Implicaciones filosóficas de la mecánica cuántica 15

El sueño de Eddington y otras heterodoxias La física y las nuevas dictaduras

16 17 18

Fuga y ganancia de cerebros

Del enigma del uranio a Hiroshima

222 237 249

199 211

Tercera parte: progreso y problemas 19

20 21

Temas nucleares

269

Militarización y megatendencias

285

Descubrimientos de partículas 22

Teorías fundamentales

302

322

La cosmología y el renacimiento de la relatividad Elementos de la física del estado sólido

24

356

Física de ingeniería y electrónica cuántica

25

La ciencia atacada, ¿la física en crisis?

26

27

Unificaciones y especulaciones

371

384

399

Cuarta parte: una mirada atrás 28 29

La física Nobel

417

Un siglo de física en retrospectiva

Apéndice. Lecturas recomendadas Bibliografía

453

443

431

Prólogo

Este trabajo fue escrito en tre 1996 y 1998, ante la sugerencia de P rinceton U niversity Press. O riginalm ente, cu an d o acepté la invitación p ara escribir u n libro sobre la h isto ria de la física d u ra n te el siglo xx, pensé q u e sería u n a m ateria relativam ente fácil. P ro n to m e espabilé. D ebería h ab er sabido q u e sim plem ente n o es posible escribir u n relato de u n volum en equilibrado y razonablem ente com pleto de la física del siglo xx. Lo que sigue es u n su stituto, u n a descripción bastan te breve y m uy condensada de lo que creo que han sido los desarrollos m ás significativos en u n siglo de pensam iento y experi m entación físicos que pued e d en o m in arse com o el más im p o rta n te siglo de la física. El libro está e stru c tu ra d o en tres p artes esencialm ente cronológicas. La p rim era parte cubre el desarrollo e n tre la década de 1890 a ap ro x im adam ente 1918, al final de la P rim era G u e rra M undial. La segunda p a rte se co n cen tra en el desarrollo en tre las dos guerras, sobre 1918-1945, y la tercera p a rte se dedica al desarrollo en el resto del siglo. La división en p erio d o s n o debería ser co n tro v ertida, com o tam p o co lo debería ser la decisión de em pezar a m ediados de la década de 1890 m ás que en 1900. Se acep ta en general q u e la «física m o d ern a» em pezó co n los grandes d escubrim ientos de los años 1890 y n o con la in tro d u cció n de la d isco n tin u id ad cuántica de Planck de 1900. M e he esforzado en escribir u n relato q u e llegue hasta el presente y que tam b ién in cluya partes de m u y reciente progreso q u e n o rm a lm e n te se consideraría «no histórico todavía». Surgen pro b lem as al escribir de m an era histórica sobre hechos recientes, pero éstos son pro b lem as prácticos y n o en raizados en la ciencia co n tem p o rán ea yen do m ás allá del análisis histórico. El lib ro tiene u n a fo rm a y tam añ o que excluye cual q u ier am bició n de exhaustividad, p o r n o decir co m p letitud. En cu alquier caso, una historia «com pleta» de la física del siglo xx n o te n d ría sentido al ser im posible de res cribir desde u n p u n to de vista práctico. C o m o la m ayoría de los trabajos históricos, éste es selectivo y lim itad o en su alcance y contenido. Las selecciones ind u d ab lem en te p u e den ser criticadas. El m aterial que he elegido h a sido incluido p o r variadas razones, siendo u n a de ellas la d isp o n ib ilid ad de escritos y análisis históricos. El objetivo del li

V III

Generaciones cuánticas

b ro es dar c u en ta del desarrollo de la física d u ra n te u n p erio d o de cien años que sea d i gerible, info rm ativ o y suficientem ente representativo. Existen, inevitablem ente, m u chos objetos de estudio y subdisciplinas que n o he incluido, en p a rte p o r falta de espa cio y en p arte p o r falta de fuentes secundarias. E ntre los tem as que h abía con tem p lad o incluir en prin cip io , pero que al final tuve que dejar fuera, están la óptica, la ciencia de m ateriales, la física quím ica, la geofísica, la física m édica, la física en los países del Ter cer M u n d o y el debate p o ste rio r a 1950 concern ien te a la in terp retació n de la m ecán i ca cuántica. Sin em bargo, pienso que lo q u e se ha incluido n o desm erece seriam ente, a pesar de los criterios de selección m ás o m en o s arb itrario s, las tendencias generales en el progreso de la física m o d ern a. El p ro b lem a de escribir u n in fo rm e eq u ilib rad o es difícil, n o solam ente en relación con las subdisciplinas y sus p ro p o rcio n es sino tam b ién con relación a las naciones. La física siem pre ha sido internacional, p ero sin d u d a algunas naciones h an co n trib u id o m ás al p rogreso científico que otras. M i d escripción es básicam ente u n a h isto ria de la física en E uropa y N orteam érica, con alguna m en ción tam b ién a las co n tribuciones ja ponesas. Esto es sim p lem en te u n reflejo de que las co n trib u cio n es im p o rtan te s de la fí sica se h a n d istrib u id o en tre las naciones y regiones geográficas. G uste o no, la m ayo ría de las naciones del m u n d o p rácticam en te n o h an desem peñado papel alguno en el desarrollo de la física m o d ern a. U na de las tendencias significativas del p eriodo de la p o sguerra ha sido la p red o m in an cia de los físicos estadounidenses en u n a ciencia que originalm ente era europea. D ebido a esta pred o m inancia, y p o r la fuerte posición que los investigadores estadounidenses tien en en la h istoria de la ciencia, el conocim iento histórico de la física m o d e rn a estad o u n id en se es m u ch o m ás rico que el de la de E uro p a y o tras regiones, incluyendo la an tig u a U nión Soviética. Es b astante posible que la p red o m in an cia relativa de escritos sobre físicos estadounidenses haya causado que m i descripción se centre d em asiado en la escena estadounidense, pero ten ien d o en cu en ta las circunstancias, n o p o d ía hacer m u ch o p a ra evitarlo. T om ados co n ju n tam en te, los veintinueve capítulos cubren u n am plio espectro de la física, n o sólo con respecto a los géneros y disciplinas, sino tam b ién con respecto a las p ro p o rcio n es de la física. Siem pre debería ten er presente que la física (o las ciencias físicas) es u n área rica y de m ú ltiples facetas que tiene im plicaciones m ucho m ás allá de los aspectos p u ra m e n te científicos relacionados con la física fu n dam ental. Q uise es cribir u n libro am plio, p ero n o ta n am plio com o p ara que p erdiera el n o rte de qué es d istintiv am en te el m u n d o de la física. Este libro n o está consagrado solam ente a los as pectos científicos o intelectuales de la física, pero tam p o co se con cen tra en la historia social e institu cio n al. Trata de in teg rar las distintas aproxim aciones o al m enos in cluirlas de u n m o d o razo n ab lem en te equilibrado. Tam bién he prestado m ás atención a la física aplicada o de ingeniería de lo q u e es habitual. Ig n o ra r la interfase física-tec nología y con cen trarse en la llam ad a física fu n d am en tal solam ente, sin d u d a d aría una descripción d isto rsio n ad a de có m o se h a desarrollado la física en este siglo. N o es sólo que la m ayoría de los físicos del m u n d o está o cu p ad a con aspectos aplicados de su ciencia, y así h a sido d u ra n te la m ayor p arte del siglo, sino que ta m b ié n en su m ayoría

Prólogo

IX

h an sido las aplicaciones tecnológicas la vía p o r la que la física se ha convertido en u n a fuerza im p o rta n te del cam b io social. El público objetivo de este libro n o es principalm ente físicos o especialistas en la his toria de la ciencia. Es m i deseo que atraiga a u n colectivo de lectores m ucho m ás am plio y que pueda servir com o libro de texto en cursos de naturaleza interdisciplinar o en cu r sos introductorios de física y de historia. C on unas cuantas excepciones, he evitado las ecuaciones, y aunque el libro presupone algo de conocim iento de física, está escrito en su m ayor parte a u n nivel elem ental. M i decisión de evitar el aparato de las notas que a m e nudo se ve com o u n distintivo de los que se llam an a sí m ism os libros académ icos es un intento de hacer que el texto sea m ás accesible a los lectores que no están familiarizados con el sistema de notas (a veces bastante artificial) de libros m ás eruditos. En casi todas las citas, he incluido referencias en el texto a fuentes d onde pueden encontrarse con facilidad. Más que referirm e a la fuente original, en m uchos casos he hecho referencia a u n a fuente posterior, secundaria, m u y a m en u d o el lugar d o n d e recogí la cita. En u n libro de estas ca racterísticas, no tiene sentido incluir num erosas referencias a antiguos artículos científi cos de Annalen der Physik o de Philosophical Magazine; el lector que quisiera ahondar en la fuente original puede hacerlo a través de la fúente de la que he obtenido la cita. Todo el libro está, en gran m edida, basado en fuentes secundarias, sobre todo los num erosos b u e nos libros y artículos escritos p o r historiadores de las ciencias físicas. Tam bién he extraí do con libertad y de m an era extensa de algunos de m is trabajos anteriores sobre la histo ria de la física m oderna, la quím ica, la tecnología y la cosmología. El p ro b lem a de las fuentes es b astan te d istin to en relación con la física en el últim o tercio o cu arto de siglo. M ientras q u e existe u n a ab u n d an cia de fuentes secundarias que lidian con progresos m ás antig u o s en la física, escritos bien p o r h istoriadores o bien p o r particip an tes, sólo hay u n o s cuan to s análisis históricos de la física p o ste rio r a 1960 (la física de altas energías es u n a excepción). En esta p arte de la cronología, he te nido que cim en tar m i in fo rm e en el m aterial ú til q u e existe, en las recopilaciones de los físicos m ás o m enos in fo rm ad o s de la h isto ria y en u n análisis no m u y sistem ático de lo que he p o d id o e n c o n tra r en artículos y reseñas científicas. Physics Today ha sido una fuente fiable; las referencias a esta p u b licació n en la tercera p arte están abreviadas com o PT. La bibliografía y el apéndice de «lecturas recom endadas» recogen u n a b u e na selección de la literatu ra que los lectores quizá deseen co n su ltar p a ra p o d er p ro fundizar en los tem as cubiertos p o r este libro. El títu lo de trab ajo del libro era o rig in alm en te Revolución a través de la tradición. C on este títu lo q u ería referirm e a la dialéctica en tre las teorías existentes y los cam bios revolucionarios q u e h a n sido característicos de la física d u ra n te el siglo xx. D esde lu e go que ha h ab id o revoluciones en las estru ctu ras teóricas de la física, pero éstas no h a n sido rechazos en b loque de las trad icio n es clásicas, m u y al co n trario , h a n estado sóli dam ente enlazadas con partes esenciales de la física de N ew ton, M axwell y H elm holtz. La teoría de la relatividad y la m ecánica cuántica, in d u d ab lem en te las dos m ayores re voluciones del p en sam ien to físico del siglo xx, se co n struyeron cuidadosam ente para corresponderse con las teorías clásicas d e n tro de los lím ites clásicos.

X


El respeto p o r las trad icio n es h a sido asim ism o u n hilo c o n d u cto r en los m ayores cam bios teóricos q u e h a n o cu rrid o después de com pletar la m ecánica cuántica. H asta el p u n to de que éstas p u e d a n ser calificadas com o revolucionarias, h a n sido revolucio nes conservadoras. Los cam bios h an sido m u ch o m en o s im p o rtan te s en el ám bito m e todológico q u e en el cognitivo. H an o cu rrid o algunos cam bios, pero n o de u n a n a tu raleza fu n d am en tal. Básicam ente, los m éto d o s aceptados p o r la ciencia de los años noven ta del siglo xx son los m ism os m éto d o s aceptados en los años noventa del siglo xix. Si b uscam o s cam bios realm ente radicales d u ra n te los tres últim os cu arto s de siglo, n o deberíam os fijarnos en los m étodos, sino m ás bien en el p ro p io tejido del m u n d o , la ontología de la física: o deb eríam o s m ira r hacia las dim ensiones social, económ ica y política. En té rm in o s de m a n o de o b ra, organización, dinero, in stru m en to s y valor p o lítico (y m ilitar), la física ex p erim en tó u n salto m arcado en los años siguientes a 1945. Los cam bios sociopolíticos h icieron de la física de 1960 u n a ciencia m uy diferente de la que h abía sido u n siglo antes, p ero n o causaron el co rresp o n d ien te salto en los es tándares m etodológicos y cognitivos. En cualq u ier caso, éste n o es el lugar p a ra d eb a tir a n in g ú n nivel estos tem as m ás am plios. E n el libro que sigue he descrito, m ás que analizado, p artes im p o rta n te s del p rogreso de la física entre 1895 y 1995. Los lectores que estén interesados en co n tem p lar u n a foto global, o evaluar los cam bios revolucio nario s y hacer com paracio n es a lo largo del curso de u n siglo, deberían estar m ejor equipados con el m aterial y la in fo rm ació n que se presen tan aquí. M e g ustaría expresar m i ag rad ecim ien to a m i colega O le K nudsen, que leyó el m a nu scrito y sugirió varias m ejoras. Helge Kragh Aarhus, D inam arca

Primera parte: de la consolidación a la revolución

C A P ÍT U L O 1

Física finisecular: un modelo cambiante del mundo

El filósofo y m atem ático Alfred N o rth W h iteh ead se refirió u n a vez al ú ltim o cu arto del siglo xix com o «una era de o rto d o x ia científica exitosa, n o m olestada p o r n in g ú n pensam iento m ás allá de las convenciones [...] u n o de los m o m e n to s del p en sam ien to m ás a b u rrid o s desde los tie m p o s de la P rim e ra C ruzada» (W h iteh e ad 1925, p. 148). Todavía es co rrien te creer que la física de fin de siglo fue u n asu n to algo a b u rrid o , que se co n stru ía firm e y com placien tem en te sobre la cosm ovisión determ in ista y m ecán i ca de N ew ton y sus seguidores. N os cu en tan que los físicos no estaban en absoluto p re parados para las conm o cio n es que o c u rrie ro n en dos etapas: p rim ero , el inesperado descubrim ien to de los rayos X, el electrón y la radiactividad; y después la verdadera re volución, que consistió en el d escu b rim ien to p o r p a rte de Planck del cuanto de acción en 1900 y la teo ría de la relatividad de E instein en 1905. D e acuerdo con este aceptado p u n to de vista, n o sólo la m ecánica n ew to n ian a gobern ó soberana hasta que fúe hecha añicos p o r las nuevas teorías, sino que la generación v ictoriana de físicos creía in genua m ente que todas las cosas que m erecía la p en a saber ya se sabían o se sabrían p ro n to si guiendo el cam ino de la física existente. A lbert M ichelson, el gran físico experim ental am ericano, dijo en 1894 que «parece probable que la m ayoría de los grandes principios fundam entales h an sido esencialm ente establecidos y que los futuros avances se deben buscar sobre to d o en la aplicación rigurosa de estos principios a to d o s los fenóm enos que nos interesen» (Basash 1972, p. 52). C uán irónico, pues, que los nuevos rayos del profesor R óntgen - e l p rim ero de varios d escubrim ientos que se resistían a u n a explica ción basada en los «grandes principios fu n d am en tales» - se anu n ciaran tan sólo u n año después. Y cuánto m ás im p o rta n te parece la nueva física de principios del siglo xx si se com para con p u n to s de vista com o los de M ichelson. El p u n to de vista aceptado es en p arte u n m ito pero, com o la m ayoría de los m itos, está basado en hechos. Por ejem plo, M ichelson n o era el único físico de la década que expresó la sensación de q u e la física estaba esencialm ente com pleta y que lo que q u e daba era, o b ien física aplicada, m ás en concreto m edidas, o d escubrim ientos relativa

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m ente m enore$. C u an d o M ax Planck ingresó en la U niversidad de M ú n ich en 1875, un profesor de física le ad v irtió que la especialidad q u e había elegido estaba m ás o m enos te rm in ad a y que n o cabía e s p e r a r que se descu b riera nada nuevo. Sin em bargo, a pesar de que esta sensación ciertam en te existía en tre los físicos, es cuestionable cóm o de exten d id a estaba. M uy pocos físicos teóricos de los 1890 parecen h ab er aceptado el p u n to de vista de M ichelson, y tras los increíbles d escu b rim ientos de R óntgen, H en ri Becq u e re l,‫ر‬. j. T h o m so n y los C urie, incluso el físico experim ental m ás conservador se vio obligado a darse cu en ta de su falacia. ¿Qué decir de la afirm ación de q u e la física de hace cien años descansaba en la © ٢ todoxia y la aceptación com placiente de ‫ ظ‬m ecánica new toníana? ¿Existía u n a cosm ovisión m ecanicista, o siquiera alguna cosm ovisión c o m ú n m en te aceptada? M ientras que la cuestión de la co m p letitu d p u ed e ser discutida, es ab so lu tam en te falso que los físicos se aferraran o b stin ad am en te a la cosm ovisión m ecanicista hasta que Eínstein les enseñara u n a lección en 1905 (o Planck en 1900). La tendencia no m ecanicista m ás ím p o rta n te se basaba en la teo ría electrom agnética, p ero n o sólo era esto u n a de las señales del deseo general de c o n fro n ta r la cosm ovisión m ecanicista y buscar nuevos fund am ento s que o bien se o p u sieran a ella o bien frieran m odificaciones radicales de ella. De acuerd o con el m o d elo del m u n d o de la m ecánica clásica - la versión laplaciana del new to n ism o (que n o debe confu n d irse con las propias ideas de N e w to n )- el m u n d o consistía en átom os, q u e eran los lugares d o n d e se dab an diversas fuerzas de largo y corto alcance y en d o n d e actu ab an éstas. La fuerza g ravitatoria era el ejem plo paradigm ático de tales fuerzas, actu an d o a cierta distancia sobre el espacio vacío. C on la llegada de la te o ría de cam pos, la m ecánica de ‫ ط‬pro p ag ación de fuerzas cam bió, pero M axwell y la m ayoría de los o tro s físicos de la teoría de cam pos co n tin u a ro n b u scan d o u n a base m ecánica p ara sus m odelos. El d esplazam iento conceptual m ás im p o rta n te fue quizá el su rg im ien to - d e h ech o ,‫ ط‬n e c e sid a d - de u n éter universal com o el casi h ip o tético m edio co n tin u o q u e in u n d a to d o a través del cual las fuerzas se pro p ag an a velocidad finita. En 1902, en la p a rte final de u n libro de texto sobre óptica, M ichelson declaró que creía que «no parece lejano el día en el que las líneas convergentes de m uchas regiones de pen sam ien to ap aren tem en te lejanas se e n cu en tren en [...‫ ل‬terren o com ún». ¥ contin u ó , «entonces la n aturaleza de los áto m o s y las fuerzas involucradas en su u n ió n ‫؛‬٩ ٧ m ica; las in teracciones en tre estos áto m o s [...‫ ا‬com o se m anifiestan en el fenóm eno de la luz y la electricidad; la e stru c tu ra de las m oléculas y los sistem as de m oléculas de los cuales los áto m o s son las unidades; ‫ ط‬explicación de la cohesión, elasticidad y gravedad: to d o esto será clasificado d e n tro de u n solo cu erpo com pacto y consistente de con o cim ien to científico» (M ichelson 1902, p. 163). Y éste era el m ism o M ichelson que, ocho años atrás, h ab ía sugerido q u e la física estaba cercana a su fin. ¿Fueron los descu b rim ien to s del electró n y la rad iactiv id ad los que cau saro n su cam bio de actitud? ¿O fue quizá el d escu b rim ien to de Planck de la ley de la radiación, basada en la n o ció n de la cuantización de la energía? N ada de eso; estos recientes descu b rim ien to s no se m encionaban en el libro. El entu siasm o de M ichelson tenía su raíz en «una de las m ás gran-

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can, to d o s los fe n ó m e n o s físicos serán u n a ra m a de la m a te m ática p u ra (Inform e del B A A S 1895, p. 595).

C om o verem os, parecidos p u n to s de vista siguieron desem peñando u n papel im p o r tante a lo largo del siglo xx. A pesar de que m uchos de los contem poráneos de Hicks h a b rían suscrito su filosofía, en 1895 la m ayoría de los físicos había aban d o n ad o la teoría de vórtices de los átom os. Décadas de trabajo teórico no habían llevado a u n progreso real y el gran pro g ram a de los vórtices estaba degenerando en m atem áticas estériles. Algo m u y parecido se p u ed e decir de o tra teo ría atóm ica hid ro d in ám ica, la teoría del «chorro de éter», d esarrollada p o r el m atem ático Karl Pearson en los años 18801890. D e acuerd o con esta teoría, el áto m o definitivo era u n p u n to en el éter a p a rtir del cual el nuevo éter fluía de m a n e ra c o n tin u a en todas las direcciones del espacio. C om o los teóricos de vórtices, Pearson aplicaba su teoría a u n a serie de problem as, y creía q u e sería capaz de explicar - e n p rin c ip io - la gravitación, el electrom agnetism o y los fen ó m en o s quím icos. A pesar de que la teo ría de Pearson no suscitó el m ism o in terés q u e la teo ría de vórtices, m erece la p en a m en cionarla p o rq u e incluía, no sólo las fuentes, sino ta m b ié n los su m id ero s del éter; esto es, u n a especie de m ateria negativa. G ravitato riam en te, la m ateria «negativa», que repele la m ateria o rd in a ria pero atrae o tra m ateria negativa, hab ía sido d eb atid a prev iam ente en los años 1880 p o r H icks, e n m arcad a en la teo ría ató m ica de vórtices, y el ex traño concepto reapareció en la teoría de Pearson, así com o en o tro s debates de la física finisecular. Por ejem plo, el físico b ri tánico A rth u r Schuster especuló de m an era algo ligera que p o d rían existir sistem as es telares enteros de an tim ateria, indistinguibles del n u estro a excepción de que dos siste m as estelares se repelerían en tre sí en lug ar de atraerse. N o sólo in tro d u jo los no m b res «antim ateria» y «antiátom os» en 1898, sino que tam b ién sugirió que la m ateria y la a n tim ateria se a n iq u i la r ía n u n a a ia o tr a aj c o lis io n a r, a n ticip a n d o p o r tan to u n im p o r ta n te concepto de la física cu án tica posterior. En la versión de an tim ateria de Pearson, el éter en trab a p o r u n ch o rro y desaparecía de n u estro m u n d o p o r u n sum idero. ¿De d ó n d e venía el éter en p rim e r lugar? Según Pe arson escribió en 1892, n o aparecería sim plem ente de la nada, sino que probablem ente vendría de u n a cu arta d im en sió n a la que volvería de nuevo. Aquí tenem os o tro con cepto q u e n o rm alm en te se observa com o u n invento de la teoría de la relatividad del si glo xx, apareciendo de m an era in esperada en la física de la cosm ovisión antigua. En rea lidad, las ideas de hiperespacios y su posible significado en la física no eran nuevas en los años 1890. En 1870, el m atem ático b ritán ico W illiam K ingdon Clifford utilizó el concepto debido a R iem ann de geom etría curva no euclídea para sugerir que el m ovi m iento de la m ateria y el éter era en realidad la m anifestación de u n a variación de la cu rv atu ra del espacio. Esta idea general de u n a «geom etrización de la física» era bien co nocida a finales del siglo xix e inspiró a varios físicos, astró n o m o s y m atem áticos, p o r no m en cio n ar a escritores de ciencia-ficción com o H . G. Wells. Por ejem plo, en 1888, el em inente astró n o m o estadounidense Sim ón N ew com b propuso u n m odelo del éter b a sado en el espacio hiperdim ensional, y en 1900 el alem án Karl Schw artzschild utilizó ex-

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sicos, incluyendo a Pierre D u h em en Francia, arg u m en tab an que la creencia en átom os y m oléculas era m etafísica y que to d o s los fen ó m enos em píricos se p o d ían explicar sin la hipótesis atóm ica. El p ro g ra m a de la energética se consideró u n reto al p u n to de vista trad icio n al m ecánico -m o lecu lar lo b astan te grande com o p ara q ue se a d o p ta ra com o tem a de discu sión en el en cu en tro an u al de la A sociación A lem ana de C ientíficos N aturales y Físicos en Lübeck, 1895. El e n c u e n tro co n tó con u n a fam osa discusión entre B oltzm ann, que atacó a los energeticistas, y H elm y O stw ald, que arg u m en taro n c o n tra la visión m eca nicista del m u n d o . Es in teresante n o ta r que n i B oltzm ann ni los otros presentes en el en cu en tro sim p lem en te defen d ieran la cosm ovisión m ecánico-clásica o suscribieran de lleno el p u n to de vista que H elm y O stw ald criticaban. B oltzm ann declaró que la cosm ovisión m ecanicista estaba en vía m u e rta y q ue la «visión de que n in g u n a o tra ex plicación p u ed e existir excepto la del m o v im ien to de los p u n to s m ateriales, las leyes de los cuales vienen d eterm in ad as p o r fuerzas centrales, ha sido generalm ente a b a n d o n a da m u c h o antes de los co m en tario s del señ o r O stw ald» (Jungnickel y M cC orm m ach 1986, p. 222). En cualq u ier caso, B oltzm ann n o veía n in g ú n m érito en el p ro g ra m a de los energeticistas y prefirió tra b a ja r sobre u n a base m ecánica, sin tien d o que p o r sí sola estaba lo suficientem ente d esarrollada com o p a ra asegurar el progreso científico. La alternativa energética recibió u n apoyo sólo m odesto entre físicos y quím icos, p ero la crítica de la teo ría atóm ica y el énfasis en lo fu n d am en tal del concepto de e n e r gía se rep itiero n tam b ién p o r p arte de m uchos científicos n o d irectam ente asociados con el p ro g ram a de la energética. El p rin cip al físico francés, Pierre C urie (quizá m ás conocido com o el m a rid o de M arie C urie) p o d ría ser u n ejem plo. D e acuerdo con su p u n to de vista positivista de la ciencia, C urie se ap artab a de las hipótesis m aterialistas y atóm icas y favorecía u n fenom enalism o in sp irad o en las leyes de la term o d in ám ica. Él y algunos o tro s físicos franceses m a n te n ía n q u e la term o d in ám ica era el ideal de te o ría física. Sostenían que la energía, n o la m ateria, era la esencia de u n a realidad que sólo p o d ría ser en ten d id a com o procesos o acciones. Desde el prin cip io de la década de 1880 en adelante, el físico-filósofo au stríaco E rnst M ach defendía u n a in terp retació n fenom enológica de la física, de acu erd o a la cual las teorías y conceptos físicos eran m a neras económ icas de o rganizar datos sensoriales. M ach ad m itía la u tilidad de la m ecá nica m olecular, p ero n o la co n sid erab a u n a teo ría fu n d a m e n tal ni que expresara la realidad física. D esde u n p u n to de vista fu n d am en tal, él prefería los p rin cip io s energe ticistas a las leyes de la m ecánica. D e nuevo de acuerdo con O stw ald y sus aliados, M ach m a n te n ía q u e los áto m o s n o eran sino ficciones convenientes. A dem ás M ach c ri ticaba el corazó n m ism o de la m ecánica, la idea de fuerza expresada m ed ian te la se gunda ley de N ew ton. H einrich H ertz e m p ren d ió u n a crítica fun d am en tal de la m ecá nica en cierto m o d o sim ilar, desde u n p u n to de vista positivista, y apoyándose sólo en las concepciones fun d am en tales de espacio, tie m p o y m asa. Sin em bargo este tip o de análisis crítico de la m ecánica n o involucraba necesariam ente u n deseo de ab a n d o n a r la cosm ovisión m ecánica. Sí era así en el caso de M ach, pero para H ertz las nuevas ver siones de la m ecánica sim p lem en te afirm ab an esta cosm ovisión. D e hecho, u n a de las


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principales m etas de la m ec‫؛؛‬nica libre de fuerza$ de H ertz era establecer u n a teoría m ecánica del éter electrom agnético. ‫ ﻣﺎ‬cosm ovisión m ecánica se consideraba estancada en la década de 1890, y hasta los tradicionalistas tenían que ad m itir que n o disfrutaba de u n éxito universal. A parte de la tu rb u len ta relación entre la m ecánica y la ley de ‫ ط‬entropía, había u n problem a m ás antiguo relacionado con ‫ ط‬teoría cinética de los gases. Tan p ro n to com o en 1860, Maxwell había observado que los cocientes que se m edían entre los calores específicos de los gases diatóm icos a presión constante (،:٢) y a volum en constante (cv) no estaban de acuerdo con el teorem a de equipartición basado en ‫ ظ‬teoría m ecánica. f)e acuerdo con esta teoría, y = cp/cv= 1 + 2/», d o n d e n es el n ú m ero de grados de libertad de la m olécula. £1 problem a era que el resultado que se predecía p ara gases diatóm icos se ajustaba a los experim entos (que p roporcionaban y = ‫ل‬,‫ زه‬sólo si se asum ía que la m olécula era rígida y no tenía partes internas; esta suposición parecía inconsistente con los resultados de la espectroscopía que indicaban claram ente vibraciones internas que intercam biaban energía con el éter. £1 problem a se tratab a com o u n a anom alía pero p o r supuesto hacía falta m ás que u n a sim ple anom alía p ara conm o cio n ar el p u n to de vista m ecánico. Y sin em bargo el fallo aparente del teorem a de equipartición se consideraba lo bastante serio com o para figurar com o u n o de los dos n u b arro n es de la fam osa conferencia N ineteenth Century Clouds Over the D ynam ical Theory o fH e a t and Light (N ubarrones del siglo diecinueve sobre la teoría dinám ica del calor y la luz) que Lord Kelvin im partió frente a ‫ ظ‬Instltución Real (Poyal Institu tio n ) en abril de 1900. La o tra am enaza era el fracaso de la explicación del m ovim iento de la tierra a través del éter según se m ostraba en el experim ento del flujo del éter de M ichelson y Edw ard Morley. (Sobre esto referim os al capítulo 7.) La nuev a física q u e surgió d u ra n te los p rim e ro s años del siglo XX n o fue u n a revolución c o n tra u n a cosm ovisión n ew to n ian a petrificada, algo análoga a la revolución de Galileo c o n tra el aristotelísm o. Ya en 1905, la cosm ovisión m ecanícista había sufrido ataques d u ra n te m ás de u n a década, y solam ente p o r esta razón nun ca h u b o dem asiado conflicto en tre £ in stein y N ew ton. Incluso m ás im p o rta n te que la oposición inspirada p o r la te rm o d in á m ic a y la energética fue la nueva y vigorosa tendencia de la teoría electrom agnética que caracterizó la década de 1890. T ratarem os con m ás detalle esta d e n o m in a d a cosm ovisión d e c tro m a g n é tica en el capítulo 8, y aq u í sólo enfatizam os su im p o rta n c ia y sus elem entos clave. £1 p ro b lem a básico de la física a finales del siglo XIX fue quizá la relación en tre éter y m ateria: ¿era el éter el su strato fun d am en tal a p a rtir del cual se construye la m ateria? o , p o r el co n trario , ¿era la m ateria u n a categoría ontológica m ás fu n d am en tal de la cual el éter era sim plem ente u n caso partícular? £1 p rim e r p u n to de vista, en el q u e se d ab a la prim acía a las estru ctu ras en el éter, se file volviendo m ás c o m ú n en el cam bio de siglo, cu an d o los m odelos m ecánicos del éter fueron reem plazados p o r m odelos electrodinám icos. Si el electrom agnetism o era m ás fu n d am en tal que la m ecánica, tenía sentido íntentar derivar las leyes m ecánicas de las del electrom agnetism o, y esto era precisam ente lo que in ten ta b a n m u ch o s físicos teóricos. £1 electro m ag n etism o se consideraba u n p rin cipio u n ificad o r de to d a la ciencia, n o m u y d istin to del papel que se le asignaba a la

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energía en la energética de O stw ald. La m an era en la que O stw ald y sus aliados e n er geticistas h ablaban de la «m ateria su b o rd in ad a a la energía» y de que «todos los sucesos [eran] al final n ad a m ás que u n cam bio en la energía» era so rp rendentem ente sim ilar a la retórica de los electrodinám icos sólo que con el «éter» o «cam po electrom agnético» sustituyendo a la «energía». En am b o s casos, el m aterialism o se descartaba y la m a te ria se declaraba u n epifenóm eno. Joseph L arm or, el em in en te teórico británico, no te nía dificultades en im aginar u n m u n d o basado en u n éter inm aterial y trascendente. A dm itía, com o escribió en 1900, que esto p o d ría parecer «dejar la realidad atrás» pero defendía su cosm ovisión etérea a rg u m e n ta n d o que describía u n a realidad in tern a que no era d irectam en te accesible a los sentidos (L arm or 1900, p. vi). Éste era u n a rg u m en to que M ach, O stw ald y o tro s fenom enalistas no h ab rían aceptado. Al p rincipio del nuevo siglo, la im agen del m u n d o m on ista y electrom agnética fue aceptada p o r una proporció n creciente de físicos de vanguardia en A lem ania, Inglaterra, Francia y los Es tados U nidos. La física consistía en la física de la m ateria y la física del éter electrom ag nético y la ten d en cia a evitar este dualism o n o deseado era identificar m ateria con éter m ás que al revés. Esto n o quiere decir que n o h u b iera voces disidentes o que la d o c tri na electrom agnética p erm eara to d o el cam p o de la física. H abía físicos que - a ñ o s a n tes que E in ste in - rechazaban el éter com o u n concepto m etafísico y algunos c o n tin u a ban bu scan d o m odelos m ecánicos del éter o incluso consideraban el éter u n estado especial de la m ateria o rd in aria. Los libros de texto de este p erio d o p o r lo general se fu n d am e n ta b a n en u n a base m ecánica y n o reflejaban el cam bio de la cosm ovisión que se discutía en la física teó rica p u n te ra . Así es com o son p o r lo general los libros de tex to: p o r n atu raleza conservadores y cautos en su actitu d frente a las ideas m odernas. La tendencia en la física teórica alrededor de 1900 era m ás u n desplazam iento en ideas fu ndam entales desde la m ecánica a la term o d in ám ica y la electrodinám ica, y era m ás que el resultado de u n a serie de d escubrim ientos espectaculares. Era p arte de un cam bio en la cosm ovisión que tenía ram ificaciones fuera de la física y que fue alim en tad o en p arte p o r el Zeitgeist p articu lar del periodo, u n espíritu del tiem po a veces ca racterizado com o n eo rro m án tico . El h isto riad o r Russell M cC orm m ach resum ió con acierto la situación com o sigue: «Toda la configuración cultural d u ran te el cam bio de siglo estuvo im plicada en el cam bio del pensam ien to m ecánico al electrom agnético. Los conceptos electrom agnéticos inm ateriales resultaban atractivos en la m ism a m anera que la im aginería inerte y m aterial de la m ecánica resultaba desagradable» (M cC orm m ach 1970, p. 495). U n elem ento im p o rta n te de esta configuración cultural fue u n a n tim aterialism o generalizado. T om ando distintas form as en las distintas naciones cientí ficas, la d o c trin a an tim aterialista consistía en creer que «la m ateria está m uerta». Si la m ateria n o era la realidad últim a sino ta n sólo la m anifestación de u n éter inm aterial no parecía irracional d isp u tar o tras d o ctrin as establecidas que se derivaban de la física de la m ateria, incluyendo la p erm an en cia de los elem entos quím icos y las leyes de la con servación de la m ateria y la energía. En efecto, en algunas esferas, las m ism as cualidades de perm an en cia y conservación se consideraban sospechosas den tro de u n a im agen del m u n d o que enfatizaba la tran sfo rm ació n , la evolución, y el devenir.


‫اا‬

C om o ejem plo, considerem os ‫ ؛ة‬psicólogo y físico aficionado francés Gustave LeBon, quien en 1896 a n u n ció el d escu b rim ien to de lo que él m ism o d e n o m in ó «luz negra», u n nuevo tip o de rad iació n invisible que él creía diferente de, pero quizá relacionada con, los rayos X y catódicos. A unque a la alegación del descu b rim ien to de LeBon no le fue b ien , sus ideas generales de la m ateria, la rad iación y el éter se recibieron fav orablem ente p o r p arte del público y fueron hasta cierto p u n to representativas del Zeitgeist del p erio d o en círculos científicos. En su libro La Evolución de la M ateria, un éxito del cual se im p rim ie ro n doce ediciones y se v endieron 44.000 ejem plares, LeBon concluía q u e to d a la m ateria es inestable y q u e co n stan tem en te em itía radiación o «efluvios». Se sostenía que las cualidades m ateriales eran epifenóm enos que la m ateria exhibía en el proceso de tran sfo rm arse en el éter im p o n d erab le a p a rtir del cual fuera originada. Según LeBon, n o existía d u alid ad en tre energía y m ateria, que ' representab an distintas etapas en u n proceso evolutivo, el resultado final del cual era el estado p u ro etéreo. E ntre sus m u ch o s arg u m en to s a favor de la degradación co n tin u a de la m ateria en éter, LeBon co nsideraba q u e la radiactividad era p a rticu la rm en te convincente. C o m p artía el p u n to de vista de m u ch o s físicos de que ‫ ط‬radiactividad es una p ro p ied ad que p resen ta to d a la m ateria. E ntonces, si to d o s los elem entos quím icos em itían radiaciones etéreas, ¿no se acabarían deshaciendo y n o p ro b aría esto lo inm aterial de la m ateria? ‫ ه‬com o LeBon expresó bastan te m ás drásticam ente, ¿no representaría el éter «el n irv an a final hacia el cual todas las cosas reto rn a n después de una existencia m ás o m en o s efímera?» (LeBon 1905, p. 315). LeBon y m u ch o s de sus conte m p o rán eo s creían que, de hecho, éste era el caso. Las especulaciones cuasicientíficas de LeBon ten ían u n atractivo considerable para los m ucho s científicos q u e n o estaban satisfechos con los ideales positivistas y ansiaban u n a ciencia n o d o g m ática y m ás juvenil que satisficiera lo que ellos asociaban con el espíritu h u m an o . Sus ideas to caro n u n p u n to sensible en u n p erio d o que ha sido descrito com o «una revolución c o n tra el positivism o» e incluso - p e r o con m enos justifica ció n - «una revolución c o n tra la razón» (M acLeod 1982, p. 3). E ntre los sim patizantes de los arg u m en to s de LeBon estaba el g ran H em i Poincaré. ? ero LeBon n o era u n físico teórico y sus p u n to s de vista, au n q u e de m o d a, n o eran p articu la rm en te m odernos. Si los físicos de fuera de Francia n o le to m a b a n dem asiado en serio, p u d o haber sido p o rq u e n o in c o rp o ró al éter electrom agnético en sus especulaciones. A unque es razonable h ab lar de u n esp íritu general de la física alred ed o r del final de siglo, el grado de consenso n o debería exagerarse. H abía diferencias considerables entre los p u n to s de vista de los físicos principales y tam b ién existían im p o rta n tes diferencias nacionafes. En A lem ania y Francia, p o r ejem plo, la reacción c o n tra la cosm ovisión m ecanicista se asociaba con las v irtu d es positivistas e ideales term o d ín ám íco s m ás a m e n u d o que en Inglaterra. Los físicos britán ico s p o r lo general no m o strab an sim patía p o r el p u n to de vista de la ciencia positivista y o rien tad o a los hechos que defendían Pierre C urie, D uhem , O stw ald, M ach y otros. En 1896, en u n co m en tario crítico a la energética de O stw ald, el físico irlandés G eorge FitzG erald distinguía en tre el estilo britán ico m etafísicam ente receptivo y el estilo alem án inductivo y poco filosófico. «Un b ritán ico q u ie

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re em oción», escribió, «algo q u e suscite entusiasm o, algo con interés h u m an o » (W ynne 1979, p. 171). El g rito de g u erra p id ien d o em ociones, acciones y procesos evoluti vos «con interés h u m an o » se rep etiría en los n e o rro m á n tico s franceses q u e c o n tra sta b a n su estilo con el de los alem anes, su p u estam en te poco im aginativos. Al m ism o tiem p o , se o p o n ía n al estilo b ritán ico de física, q ue en co n trab an dem asiado m ecanicista y con falta de esprit.

C A P ÍT U L O 2


Personal y recursos ¿Quiénes eran los físicos sobre 1900? ¿Cuántos había y cóm o estaban distribuidos según naciones e instituciones? ¿En qué tipo de física trabajaban? ¿Quién los financiaba? Examinem os prim ero el nú m ero de físicos, es decir, de la gente que contribuía al avance de la física bien directam ente, com o los investigadores, bien indirectam ente, com o los profesores. N o se sabe dem asiado sobre el ento rn o social de los físicos alrededor del cam bio de siglo, pero u n estudio sobre los físicos alem anes m ostró que el físico joven alem án típico provenía de los estratos sociales m ás altos, las clases m edia y alta.‫ اج‬- y siem pre era «él»- era socialmente indistinguible del académ ico hum anista joven. Eos quím icos en cam bio - y en particular, los quím icos orgánicos- procedían m ás frecuentem ente de la com unidad de negocios (tabla 2.1) .‫ ﻣﺤﺎ‬diferencia probablem ente reflejaba la conexión cercana entre quím i‫ ﻟﻪ‬e industria alem ana, u n a conexión que todavía n o era firerte en lo tocante a ‫ ظ‬física. El significado del té rm in o «físico» ha cam biado, p o r supuesto, con el tiem po, pero en 1900 el significado de la palabra n o difería d em asiado del actual; la física había alcanzado p o r aquel entonces u n nivel profesional que presentaba m ás sim ilitudes con lo que llegaría a ser en 1990 q u e con lo que hab ía sido en 1810. La gran m ayoría de los físicos, es decir, aquellos que c o n trib u ía n a la literatu ra de investigación física, eran profesionales en el sen tid o de q u e se g an ab an la vida com o m iem b ro s académ icos de in stitu to s físicos en universidades o escuelas politécnicas (com o las Technische Hochschulen en A lem ania). A ficionados con talento, profesores de secundaria, e individuos adinerados todavía te n ía n u n cierto papel, p ero era p eq u eñ o y d ism in u ía ráp idam ente. U n gran n ú m e ro de ingenieros y expertos técnicos se o cu p ab an de la física aplicada (in d u strial y m édica, p o r ejem plo) y p o d ría n ser clasificados razonablem ente com o físicos tam b ién . D e to d o s m o d o s nos lim itarem o s a aquellos que o cu p ab an puestos de enseñanza explícitam ente dedicados a la física, los físicos llam ados académ icos. C om o sucede g en eralm en te con la ciencia, la física era u n fen ó m e n o casi exclusivam ente

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TABLA 2.1. C ontexto social de los científicos d o ctorados alem anes N .° de doctorados

Clases C om u nid a d de profesionales negocios (% ) m edias y altas (% )

Agricultura (% )

C am po

Ano

Física

1899

56

52

36

9

1913

68

53

40

7

1899

19

53

39

16 0

M atem áticas y a stro n o m ía Q uím ica orgánica Q u ím ica

1913

8

50

50

1899

99

25

66

8

1913

99

33

57

10

1899

77

29

61

10 14

in o rg án ica

1913

42

40

45

H u m an id ad e s

1899

64

50

44

6

1913

441

50

38

4

Nota: Los datos para e ‫ ا‬año 1899 son la media de 1896-1902. Datos basados en Pyenson 1979.

T A B L A 2 .2 . F ís ic o s a c a d é m ic o s a lr e d e d o r d e 1900 M iem bros facultativos y asistentes

N ° de físicos, por m illón

Gastos (en miles de marcos), p o r físico

P roductividad total (anual), p o r físico

A u stria-H u n g ría

64

1,5

560

8,8

Bélgica

15

2,3

150

10

R eino U nido

114

2,9

1.650

14,5

290

2,2

Francia

105

2,8

1.105

10,5

260

2,5

A lem ania

145

2,9

1.490

10,3

460

3,2

63

1,8

520

8,3

90

1,4

8

0,2

Países Bajos

21

4,1

205

9,8

55

76

8,5

240

1,1

Italia Japón

Rusia

35

0,3

300

E scandinavia

29

2,3

245

8,5

Suiza

?7

8,1

220

8-7.

215

2,8

2.990

14,0

E stados U nidos

Nota: El equivalente de 1.000 marcos en 1900 era de aproxim adam ente 240 dólares. Datos resumidos de Form an, Heilbron y Weart 1975.


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eu ro p eo -estad o u n id en se, a pesar del auge de Japón y del trab ajo que se llevaba a cabo en las colonias inglesas, alem anas, holandesas y o tras (m ayoritariam ente p o r blancos). Q ueda claro a p a rtir de la tabla 2.2 que, en p rim e r lugar, la física en 1900 era u n p a ñuelo. El n ú m e ro to tal de físicos académ icos en el m u n d o estaba probablem ente entre 1.200 y 1.500. (En com paración, en 1900, el n ú m e ro de m iem bros en las sociedades n a cionales quím icas de Inglaterra, A lem ania y Francia, superaba los 3.500.) A dem ás este pañuelo estaba d o m in a d o p o r u n o s pocos países, de los cuales G ran Bretaña, Francia, A lem ania y los Estados U nidos eran con m u ch o los m ás im portantes; su n ú m ero total de unos 600 físicos representaba casi la m itad de la población m u ndial de físicos. En se gun d o lugar en la jerarq u ía estaban países com o Italia, Rusia y el Im perio austrohúngaro; y después, en u n tercer grupo, naciones m ás p equeñas com o Bélgica, H olanda, Sui za y los países escandinavos. H ay que destacar que en 1900 los Estados U nidos ya contaban con m ás físicos que cualquier o tro país, y que la densidad de físicos entre los «cuatro grandes» era la m ism a (sobre 2,9 p o r m illón de habitantes) y considerable m ente m enos que en Suiza y Países Bajos. A unque Estados U nidos lideraba cu an titati vam ente la física, estaba m u y p o r detrás de las tres potencias europeas en cu an to a p ro ductividad e investigación original. Esto se debía en p arte al clim a en las principales universidades am ericanas que era todavía ajeno - d e hecho a veces h o stil- a los ideales alem anes de investigación y pertenencia al m u n d o académ ico com o elem entos esencia les de la carrera de profesores de universidad. En 1889, el presidente del M assachusetts Institute o f Technology (M IT ) declaró que «nuestro objetivo debe ser: la m ente del es tudiante, no el descu b rim ien to científico, n o el logro profesional», u n p u n to de vista que difícilm ente p o d ía llevar a m uchos d escubrim ientos científicos (Kevles 1987, p. 34). Diez años después, en los u m b rales del siglo xx, H en ry R ow land dio u n discurso ante la recién fo rm ad a Sociedad A m ericana de Física (A m erican Physical Society). F ir m e p a rtid a rio de la ciencia p u ra , R ow land co m p a rtía el ideal alem án de la física com o cu ltu ra e investigación libre. «Form am os u n p eq u eñ o y único cu erp o de hom bres, u n a nueva varied ad de la raza hu m an a» , dijo R ow land a su audiencia. El nuevo cu erp o era «una aristocracia n o de riqueza, n o de pedigrí, sino de intelecto e ideales, la cual m a n tiene en la m ás alta estim a a aquel q u e m ás a u m e n ta n u estro co n ocim iento o a quien lucha p o r él com o el m ás alto bien». Row land sabía m u y bien que m uchos de sus c o m patrio tas n o c o m p artían su p u n to de vista. D ep lo rab a que «gran p arte del intelecto de este país todavía se desperdicia en la actividad de la llam ada ciencia práctica, la cual atiende a n u estras necesidades físicas, [m ientras que] tan sólo poca atención y poco d i nero se destin a a la m ayor p arte del asunto, q u e atrae ta n sólo a n u estro intelecto» (R ow land, 1902, p. 668). En tiem p o s del discurso de Row land, las cosas estaban cam b ian d o ráp id am en te y la física estad o u n id en se estaba en cam ino de convertirse en un factor p rin cip al d e n tro de la física m u n d ial. En 1893 apareció el p rim e r n ú m e ro de Physical Review, en 1899 se fú n d ó la Sociedad A m ericana de Física y dos años después el C ongreso au to rizó 250.000 dólares p a ra c o n stru ir la N ational Bureau o f Standards. En este m ism o año, A ndrew C arnegie p ro p o rc io n ó la en o rm e sum a de 10 m illones de dólares p a ra fú n d a r u n a institu ció n que estim u lara la investigación básica. El resulta-

16


P ro d u cció n anu al de d o cto rad o s en física estadounidenses

Gráfico 2.1. El auge de la física en los Estados Unidos, com o m uestra el núm ero de físicos estadounidenses que obtuvieron el doctorado en física entre 900 ‫ ا‬y 1940. Fuente: Weart 1979a, 296; N. Reingold (ed.), The Sciences in the American Context: № ١٧ Perspectives. Smithsonian Institution Press, derechos reservados 1979. Usado con permiso del editor.

do, la C arnegie In stitu tio n , tuvo u n efecto estim u lante en la investigación en las u n iversidades estadounidenses. El n ú m e ro de m iem b ro s de la Sociedad A m ericana de Física indica el crecim iento de la profesión de físico en los Estados U n id o s.D e m enos de u n centenar de m iem bros en 1899, diez años después el n ú m e ro se hab ía in crem en tad o a 495. En 1914 superó los 700, y d u ra n te la siguiente década ‫ ظ‬tasa de crecim iento fue incluso m ás elevada (véase figura 2.1). Sobre 1910, la física estad o u n id en se estaba ab an d o n an d o la so m b ra de E uropa, a pesar de que el país todavía era débil en física teórica y de que la m ayoría de las co n trib u cio n es q u e aparecían en Physical R eview n o alcanzaban la calidad de revistas A nnalen der Physik o Philosophical M agazine. A pesar de físicos em inentes com o R obert W ood, A lbert M icheison, R obert M iilikan y G ilbert Lewis, la física estadounidense era todavía relativam ente p rovinciana y d ep en d ien te de lo que sucedía en E uropa. Lndwig B oltzm ann visitó la U niversidad de C alifornia, Berkeley, en 1905. E n co n tró la naturaleza bella y las m ujeres robustas, pero se q uedó m en o s im p resionado del ni-

18


TABLA 2.3 D istrib u ció n de cam pos de estudio de artículos invitados en la C onferencia de París de 1900 N ú m ero

Porcentaje

E lectricidad y m ag n etism o

22

24

Física m ecánica y m o lecu lar

19

20

C uestiones generales; m ed id as y u n id ad es

15

16

Ó p tica y te rm o d in ám ica

14

15

Física cósm ica

9

10

M ag n eto -ó p tica, rayos catódicos, rayos de u ra n io

8

9

Física biológica

5

6

C am pos de estudio

del siglo xx (véase tabla 2.4). E ntre 1890 y 1914 se co n struyeron 22 nuevos la b o rato rios de física en A lem ania, 19 en el Im p e rio britán ico, 13 en los Estados U nidos y 12 en Francia. A unque fue A lem ania la que erigió m ás instituciones, las inversiones b ritá n i cas y estadounidenses fu ero n sustancialm ente m ayores. M ientras que A lem ania in v ir tió u n to tal de 10.300 m arcos p o r físico y año, las inversiones estadounidenses fueron el equivalente a 14.000 m arcos y las británicas, a 15.500. P or supuesto esto son p ro m e dios, y existían grandes variaciones de físico a físico y de in stitu to a in stitu to , con los experim entales m u ch o m ás caros de m an ten er q u e los teóricos. Por ejem plo, m ientras

TABLA 2.4. In stitu to s de física y facultades

A u stria-H u n g ría

№ de institutos

Facultades, 1900

Facultades, 1910

18

48

59

Bélgica

4

9

10

R eino U nido

25

87

106

Im p erio b ritán ico , otro s

7

10

13

Francia

19

54

58

A lem ania

30

103

139

Italia

16

43

51

Japón

2

6

17

Países Bajos

4

10

13

E scandinavia

7

18

26

8

17

23

21

100

169

Suiza E stados U nidos

Nota: Basado en datos de Form an, H eilbron y Weart 1975.


19

que el in stitu to de física de ١٤١ U niversidad de Berlín recibía 26.164 m arcos en 1909, el ^ q u e ñ o in stitu to de Planck p a ra física teó rica ten ía que apañárselas con u n presupuesto de 700 m arcos. El auge en las instalaciones físicas estaba m u y relacionado con el m arcado cam bio reacia la investigación com o la p rin cip al función de la educación superior, que ten ía sus raíces en A lem ania y fue co m p letam en te aceptada en la m ayoría de o tro s países sólo .-،acia 1900. Por aquel entonces, el estu d ian te de investigación se convirtió en u n a figura central en cu alquier in stitu ció n física con ' y con la llegada de estud ^ t e s de investigación surgió la necesidad de m ás espacio de laboratorio. Los datos de la U niversidad de Leipzig son reveladores: cu an d o el in stitu to de física se construyó en 1835, el 12 p o r 100 del área se p laneó p a ra el uso de lab o rato rio ; en 1873 el in stitu:o se expandió p o r u n factor de 4, y el espacio de lab o rato rio se in crem en tó al 46 p o r 100; o tra expansión, en 1904, y p o r u n factor de 3, resultó en u n 60 p o r 100 p a ra laborato rios y despachos p a ra estud ian tes de d o cto rad o . Así pues, d u ra n te u n p erio d o de “0 años, el espacio p ara la investigación se h abía in crem entado unas 60 veces. El trarajo de investigación com o p arte de los estu d io s de d o c to ra d o se rem o n ta al laboratorio de quím ica de Justus Liebig en Giessen, en la década de 1830, y se ' en física en m uchas universidades alem anas en tre 1870 y 1890. Pero n o era u n a m edida evidente p o r sí m ism a, incluso en las p rincipales ' alem anas. El instituto de física de ‫ ط‬U niversidad de T ubinga se erigió al final de la década de 1880, y p o r aquel entonces «no se esperaba q u e los estudiantes del in stitu to llevaran a cabo invesfigaciones científicas independientes», com o frie d ric h Paschen relataba en 1906, añadiendo que «a este respecto, la situación se h a alterado esencialm ente en los últim os 10 años» (F orm an, H eilb ro n y W eart 1975, p. 103). H asta ap ro x im ad am en te 1890, en los E stados U nidos y m uchos o tro s países ni siquiera se esperaba q u e los profesores llevaran a cabo investigaciones científicas independientes. El lab o rato rio físico Jefferson de la U niversidad de H arv ard se com pletó en 1884. A lbergaba lab o rato rio s y u n a g ran aula, y su objetivo era ta n to la enseñanza com o la investigación. John Trow bridge, el d irecto r del lab o ra to rio de 1888 a 1910, tenía bien presente que iba siendo h o ra de seguir la tra d ició n alem ana en la física. En 1884 advirtió c o n tra «el sistem a de clases o recitaciones n o apoyado p o r trabajo de laboratorio» todavía ta n co rrien te, e inició cursos basados en el lab o rato rio para los cuales el nuevo lab o rato rio venía perfecto. D oce años después, Trow bridge p o d ía m irar atrás sobre u n p e rio d o de cam bios ta n to en la docencia com o en la investigación: «Hoy en día se espera u n a cierta can tid ad de trab ajo original de [el profesor de física en H arvard]. D u ran te los ú ltim o s diez años se ha hecho m ás investigación original en la U niversidad de H arv ard q u e en los 200 años previos» (A ronovitch 1989, pp. 95 y 99).

Publicaciones de ‫؛؛‬sica ¿Qué se obtuvo entonces de las inversiones en física? Los físicos, com o otros científíeos, p ro d u c e n artículos; el n ú m e ro de artículos de investigación es la m ed id a m ás d i

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recta de la p ro d u ctiv id ad científica. H asta 1900 las publicaciones periódicas de física existían m ás o m en o s en el m ism o fo rm ato q u e hoy, p ero p o r supuesto en m e n o r n ú m ero y m u ch o m en o s especializadas. A un q u e la m ayor y m ás sustancial parte de la in vestigación física se publicaba en revistas especiales de física, tam b ién h u b o m uchos a r tículos que aparecían en revistas o an u ario s que adem ás cu b rían o tras disciplinas. Por ejem plo, Comptes Rendus, p u blicada p o r la A cadem ia de Ciencias en París, los G óttingen Nachrichten p u blicada p o r la Sociedad C ientífica de G otinga y los Proceedings o f the Am erican Association fo r the A dvancem ent o f Science. M uchos países co n tab an con re vistas locales dedicadas a la física, g eneralm ente escritas en el lenguaje local y a m e n u do publicadas p o r la sociedad de física local, pero raras veces aparecían artículos de in vestigación co n significación in tern acio n al en revistas de países m ás pequeños. Estos artículos g eneralm ente se incluían en las principales revistas de física de las grandes n a ciones occidentales que e ra n Philosophical M agazine (Inglaterra), Journal de Physique (Francia), A nnalen der Physik (A lem ania), N uovo C im ento (Italia) y Physical Review (Estados U nidos). La tabla 2.5 p ro p o rc io n a el n ú m ero de artículos de física en 1900 y m u estra que A lem ania iba claram en te p o r delante de los otros países ta n to en p ro d u c ción de artículos co m o en p ro d u ctiv id ad p o r físico. La fuerte posición de A lem ania en física, ta n to cuantitativa com o cualitativam ente, era incuestionable. En lo to can te a la calidad, o lo que los historiadores venideros de la ciencia h a n juzgado com o im p o rta n te s co n trib u cio n es a la física, el fidedigno Dictionary o f Scientific Bibliography lista 197 físicos que ten ían m ás de 20 años en 1900. De ellos, 52 eran alem anes y 6 austríacos. Las nacionalidades de los o tro s físicos en cabe za q u e se incluyen en el D ictionary son: G ran B retaña con 35, Francia con 34, Estados U nidos con 27, Rusia con 9, H o lan d a e Italia am b os con 7 y Suecia con 5. Ésta es bási cam ente la m ism a lista que aparece en o tras evaluaciones. En su m ayor p arte, la inves tigación física de alta calidad se co n cen trab a en las cu atro potencias económ icas y p o líticas del m u n d o . Éstas co n tab an con el 75 p o r 100 de los físicos im p o rtan tes histó ricam en te del perio d o . Si A ustria-H u n g ría, H o la n d a y Escandinavia se incluyen TABLA 2.5 Revistas de física en 1900

País

Principal revista de física

Artículos, 1900 Porcentaje

Productividad

Philosophical M agazine

420

19

2,2

Francia

Journal de Physique

360

18

2,5

A lem ania

A n n a len der Physik

580

29

3,2 1,4

G ran B retaña

Italia

N uo vo C im ento

120

6

E stados U nidos

Physical Review

240

12

1,1

-

280

14

-

T odos los dem ás

Nota: La última colum na m uestra el núm ero medio de artículos p o r físico académico.


21

en u n g ru p o germ ánico, los n ú m ero s son 86 p o r 100 p ara los «cuatro grandes» y 38 p o r 100 p a ra el b lo q u e germ ánico. Los datos de los p rem ios N obel c u en ta n aproxim ad am ente la m ism a historia. I)e los veinte ganadores en tre Í 901 y 1914, dieciséis eran de los c u atro grandes (au n q u e sólo u n o estad o u n id en se), y tam b ién lo eran el 77 p o r 100 de los can d id ato s propuestos. La revista principal de física en la p rim e ra década del siglo XX era probablem ente A nnalen der Physik, a u n q u e en el m u n d o an g lo p arlan te ten ía com o rival a la Philosophical M agazine. A nnalen se re m o n ta b a a 1799, cu an d o su n o m b re era A nnalen der Physik u n d Chemie, p ero cu an d o Paul D ru d e se con v irtió en e d ito r en 1900 se elim inó el «Chem ie»; ya h ab ía suficientes revistas de q u ím ica y física-quím ica, y hacía tiem p o que A nnalen hab ía em pezado a concen trarse en la física p u ra. '‫<؛‬٤١$ la m u e rte de D ru de en 1906, W ilhelm W ien se con v irtió en editor, m ien tras que Planck c o n tin u ó siendo co editor y responsable de física teórica. D ado que A nnalen era u n a revista alem ana, n a tu ralm en te la g ran m ayoría de los autores eran alem anes, pero tam b ién había m u chas con trib u cio n es de físicos austríacos, escandinavos y holandeses. A nnalen era una revista prestigiosa p a ra la investigación p u ra y casi to d o s sus artículos provenían de físicos universitarios o físicos de los principales lab o rato rios, com o el ‫ب‬ nische R eichsanstalt (In stitu to Im perial de Física y Tecnología) de Berlín. A pesar de lo prestigioso de A nnalen, n o era sin em bargo especialm ente difícil conseguir pu b licar en él. La revista incluía u n g ran n ú m e ro de artículos a b u rrid o s e insígniñeantes, a m e n u d o disertaciones doctorales experim entales apenas abreviadas. En drástico contraste con las prácticas editoriales posteriores, en 1906 la tasa de rechazo, de acuerdo con la estim ación de Planck, era sólo del 5 al 10 p o r 100 de los artículos enviados. £1 crecim iento en física se reflejaba en la expansión gradual de Annalen, que ‫!؛‬١crem entó sus n ú m e ro s anuales de doce en 1900 a dieciséis en 1912. A dem ás de la revista, d o n d e se publicaba investigación com pleta en artículos que a m e n u d o eran m uy largos, se p u blicaba co m o secuela u n a revista con resúm enes, la Beiblatter zu der A nnalen der Physik. Es bien sabido q u e la característica de la literatu ra física, y de la cien-

TABLA 2.6 P ublicaciones sobre espectroscopia, 1890-1910 1890

1895

1900

1905

1910

167

144

17)

62

73

69

41

42

74

53

37

44

70

67

A lem ania

81

105

In g laterra

52

60

F rancia

32

E stados U nidos

٩١

Italia

5

11

11

13

11

O tro s

17

33

39

42

41

Total

218

287

365

416

412

Fuente: Kayser 1938.

22


tífica en general, es u n crecim iento exponencial. Sin em bargo, hay m otivos para creer que esta tan discu tid a «ley» de crecim iento exponencial es válida sólo para la ciencia a p a rtir de 1920. En lo concern ien te a la física, el n ú m e ro de artículos revisados en las principales revistas de resúm enes era ap ro x im ad am en te constante d u ra n te el periodo 1900-1910. Las Beiblatter de 1900 revisaban 2.469 artículos en sus 1.358 páginas; diez años después, la revista incluía 2.984 artícu lo s en sus 1.312 páginas. El n ú m ero de artículos q u e ap arecían en Fortschritte derP hysik fluctuaba de m an era sim ilar entre 872.‫ل‬ y 2.825 d u ra n te este perio d o . N o había n in g ú n sín to m a de crecim iento sistem ático, exponencial o de o tro tipo. D u ran te la p rim e ra década del siglo, los A nnalen se fueron o rie n ta n d o hacia el tipo de física teó rica q u e Planck q u ería fom entar. A parecieron m u ch o s artículos sobre teoría electrónica, relatividad, teo ría cuántica, term o d in ám ica y teorías de la gravedad. D u ran te dos décadas, la revista fue el em blem a de las nuevas tendencias en física teórica. Estas tendencias se reflejaban ta m b ié n en el bisem anal Physikalische Zeitschrift, q ue se em pezó a pub licar en 1899 y especializado en artículos m ás cortos. Sin em bargo, esta revista n o llegaba a te n e r la calidad de los A nnalen y era utilizada frecuentem en te p o r autores cuyos m an u scrito s h ab ían sido declinados p o r Planck y W ien. © tra nueva revista alem ana de física era el Ja h rb u ch fü r R adioactivitat un d Elektronik, fundada en 1904 y ed itad a p o r Johannes Stark. C om o se indica en su n o m b re, el Jahrbuch se especializaba en la física con o rigen en los grandes descubrim ientos de la década de 1890, especialm ente la rad iactividad, los rayos X y la física electrónica. (Elektronik o «electrónica» significaba entonces la física del electrón y todavía no había a d q u irid o el significado de ingeniería posterior.) El Jahrbuch de Stark estaba dedicado casi en su totalidad a tem as experim entales y n o incluía teorías electrom agnéticas del electrón o sim ilares en su definición de «electrónica». Si es que cabe h ab lar de u n cam po y u n a técnica física que caracterizase to d a la dísciplina, quizá u n b u e n can d id ato sería la espectroscopia: ésta, tan to ‫ظ‬

'

com o la teórica, era en m u ch o s sentidos el cam po p u n te ro de la física, y co n tin u ó

OCU-

p a n d o u n a posición sobresaliente d u ra n te dos décadas. Los artículos sobre espectroscopia, clasificados bajo las e n tra d a s «espectros» y «efecto Z eem an», c o m p o n ía n el 3,2 p o r 00 ‫ إ‬de to d o s los artículos resum idos en Science Abstracts en 1898. En 1908 el n ú m e ro se hab ía in crem en tad o hasta el 6,2 p o r 100. El espectroscopista H eínrích Kayser se jactab a de poseer u n a colección com pleta de artículos en su área de investigación. En 1938 el físico de 85 años publicó u n estudio estadístico sobre el desarrollo de la espectroscopia (tabla 2.6). Los datos no sólo m uestran u n a im agen del desarrollo de la espectroscopia, sino que ta m b ié n p ro p o rc io n a n u n a c ru d a indicación de la distrib u ción de la física en distintas naciones en el p erio d o de 1890 a 1910.

[Jna mirada japonesa a la física europea La física prácticam ente n o existía en Japón antes de 1870; incluso en el cam bio de siglo, los institutos de investigación científica eran pocos y m al equipados. La física se ense


23

ñaba en la Universidad de Tokio, fundada en 1877, pero se daba u n a prioridad m uy baja a ‫ ظ‬inveîgación. «No había partidas en el presupuesto universitario para la investigación», recordaba u n físico de las condiciones en los prim eros año,‫ ؟‬del nuevo siglo. «En ‫ظ‬ facultad de ciencias de ‫ ظ‬Universidad de Tokio de aquellos días, el presupuesto operativo era de sólo unos 000.‫ ة‬yenes (sobre 2 .0 0 ‫ ق‬dólares) p ara física y 4.000 yenes para química. Esto apenas era suficiente para cubrir los instrum entos, com puestos químicos, libros, revistas, m uestras, carbón, gas y electricidad que se necesitaban para enseñar a los estudiantes, y m ucho m enos para realizar investigación» (Nakayama, Swain yYagi 1974, p. 166). H an taro N agaoka (de q u ien h ablarem os m ás en el capítulo 4) fue u n o de los pióñeros de la física japonesa. Se licenció p o r la nueva U niversidad de Tokio en 1887 y de 1893 a 1896 se em barcó en u n viaje profesional p o r Europa, co n tin u a n d o sus estudios en las universidades de M ú n ich , Berlín y Viena. En julio de 1910, siendo entonces p ro fesor de la U niversidad Im p erial de Tokio (que era com o se hab ía rebautizado a la ‫؛‬٧ ٨ versidad de Tokio) y el p rin cip al físico de Japón, p a rtió de nuevo hacia E uropa en u n viaje profesional. Asistió a congresos in ternacionales, visitó varios de los m ás em inentes in stitu to s de física, rin d ió h o m en aje a los héroes de la física (m u erto s o vivos) y estableció contactos con im p o rta n te s físicos. Eo que N agaoka vio en su viaje y n a rró en sus cartas es u n a m u e stra b astan te representativa de lo que sucedía entre los prin cip ales físicos europeos; y p o r aquel entonces la física era todavía, en gran m edida, equiv'alente a la física europea. C o m o investigador activo en los aspectos de la física ta n to ex'

co m o teóricos (y co m p eten te en francés, alem án e inglés), N agaoka

estaba bien cualificado p a ra d a r u n a n a rra c ió n fiable sobre el estado de la física en Europa, y quizá m ás objetivam ente que las n arracio n es de los pro p io s europeos. En una carta de noviem bre de 1910 al físico italiano A ugusto Righi, u n experim ental que trabajaba en electricidad y ó ptica, N agaoka m en cio n ab a que él había ido de Bolonia (d o n d e había estado con R ighi) a R om a, y de allí a G inebra, Z urich, M únich y Berlín. Éstas son algunas de sus im presiones: E n el la b o ra to rio del ‫؛‬٣ ٢ ٠ . Weiss en Z u rich se están llevando a cabo m u c h o s Ínter(*santes tra b a jo s sobre m ag n etism o ; allí h e v isto u n elec tro im án p ro p o rc io n a r m ás de 80.000 gauss. En M ú n ic h , E bert está tra b a ja n d o en p royectos co n ectad o s co n la electricidad atm o sférica y se están realizan d o varias investigaciones in teresa n tes en el lab o rato rio de R 6 n tg en y en el In s titu to de Física T eórica b ajo la d irecció n de S om m erfeld. El T echnische H o chschule de M ú n ic h tien e ta m b ié n u n in stitu to d e física técnica, d o n d e se investiga el efecto Joule-K elvin en el escape d e gases a través de válvulas po ro sas, y se h a ex am in ad o ya el calor específico del v a p o r b ajo alta p resió n y te m p e ra tu ra , en co n ex ió n con la significación

[ sí'c ]

del uso d e las tu rb in a s de vapor. El ú n ico p u n to de diferencia

con u n la b o ra to rio físico o rd in a rio p arece ser el uso d e m á q u in a s d e g ra n p o ten cia, y en ‫ ظ‬co o p eració n de ingen iero s m ecán ico s con los físicos. (C arazza y K ragh, 1991, p. 39)

En la m ism a carta, N agaoka lam en tab a la falta de interés que los físicos europeos h ab ían m o stra d o ante su teo ría ató m ica de 1904 (véase capítulo 4) y daba a en ten d er

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que este desprecio era el resultado de la posición d o m in a n te de J. J. T h o m so n com o a u to rid a d en teo ría atóm ica. «El im p o rta n te n o m b re del em in en te físico inglés m e p are ció lo suficientem ente pesado p ara su p rim ir el trab ajo de u n físico oriental», se q u eja ba. N agaoka era siem pre ag u d am en te consciente de ser u n oriental en u n cam po d o m in a d o p o r blancos, y luchó d u ra m e n te p o r d e m o stra r que la ciencia japonesa no era necesariam ente in ferio r a la de O ccidente. En u n a carta de 1888 escribió, «no hay m otivo p o r el cual los blancos d eb an ser tan superiores en to d o y [...J espero que sea m os capaces de su p erar a esos ya ttya hottya [pom posos] en u n o s 10 ó 20 años» (Koizum i, 1975, p. 87). Para la nueva g eneración de científicos japoneses, la rivalidad cien tífica n o p o d ía separarse del to d o de la rivalidad racial. El o cu p ad o viajero japonés tam b ién visitó a Ernest R utherford en M anchester, a Heike K am erlingh O n n es en Leiden, a Pieter Z eem an en A m sterdam y a E douard Sarasin en G inebra; y en A lem ania añadió a M únich y Berlín las universidades o politécni cas de B onn, Estrasburgo, A quisgrán, H eidelberg, W ürzburg, K arlsruhe, Leipzig, G otinga y Breslau. Relató detalles de m uchas instituciones a R utherford. Estaba im presionado con el lab o rato rio de bajas tem p eratu ras de K am erlingh O nnes y especuló sobre si la d e sintegración radiactiva perm anecería inalterada a los pocos grados p o r encim a del cero absoluto que se p o dían o b ten er allí. En A m sterdam , N agaoka «vio a Z eem an investi gando el efecto que lleva su nom bre» y en Leiden escuchó a H endrik Lorentz «discu tiendo el curioso resultado de [Félix] E hrenhaft sobre la carga de los electrones», es d e cir, la existencia de sub-electrones; cu an d o visitó el instituto de física en B e rlín ,«[Erich] Regener estaba repitiendo el experim ento de E hrenhaft y an unció que el resultado era com p letam en te erróneo». Es obvio a p a rtir de la n arración de N agaoka que él conside raba a A lem ania la n ació n p u n te ra en física. D escribió el institu to radiológico de Philipp Lenard en la U niversidad de H eidelberg com o «quizá u n o de los m ás activos de Alemania» y añadió que «el profesor Lenard y la m ayoría de sus estudiantes están tra b a jan d o sobre fosforescencia y acción fotoeléctrica». De entre las actividades de G otinga, destacó la investigación sism ológica de W iechert y el lab oratorio de W oldem ar Voigt, el cual «es ju stam en te celebrado p o r los n um erosos trabajos que están conectados con la física de los cristales y la m agneto y electro-óptica. Hay m ás de 20 estudiantes de inves tigación». D escribió el in stitu to de L um m er en Breslau, que estaba especializado en ó p tica, com o «espléndido». Pero n o to d o eran alabanzas: «El in stitu to físico de Leipzig es quizá el m ayor de A lem ania; pero veo que lo m ayor no es siem pre lo m ejor. Por m uy pobre que sea el laborato rio , florecerá si tiene investigadores serios y u n director capaz. El tam añ o y el eq u ip am ien to del lab o rato rio en m i o p in ió n tienen u n papel secundario en las investigaciones científicas» (B adash 1967, p. 60). El relato de N agaoka se lim itab a a la física clásica. N o m en cio n ab a la teoría c u á n ti ca y la teoría de la relatividad sólo de pasada: «En M únich [...] tam b ién existe u n in s titu to de física teórica bajo la dirección de Som m erfeld, q u ien tam b ién trabaja en el prin cip io de la relatividad». Esto n o se debía a que N agaoka fuera u n conservador que n o había d escubierto la revolución q u e en teo ría había acontecido en la física d u ra n te la p rim era década del siglo. La física clásica era co m pletam ente d o m in a n te p o r aquel

□ mundo de la física

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entonces, y de u n a m an era saludable y progresista; las nuevas teoría,‫ ؟‬de los cuantos y de la relatividad se cultivaban sólo p o r u n a m u y p eq u eñ a m in o ría de la c o m u n id ad física y eran apenas visibles en el paisaje general de la física. Si es que había u n a revolución en cam ino, pocos eran conscientes de ello. Esta im presión se confirm a en u n análisis de la d istrib u ció n de especialidades físicas to m adas de revistas principales de resúm enes. Así, los 2.984 artículos incluidos en el v o lu m en de 1910 de los Beiblatter zu den A nnalen der Physik (véase tabla 2.7) m u e stra n q u e casi la m ita d de las publicaciones eran de ó ptica (16 p o r 100) y electricidad y m ag n etism o (31 p o r 100). La categoría de «física cósm ica» p o d ría llevar a p en sar en astrofísica o cosm ología física en el sentido m o d ern o , pero eso sería u n anacronism o. Los tem as de astrofísica y cosm ología sí que aparecían en la categoría, pero tam b ién la espectroscopia astronóm ica, la geofísica, la m eteorología, la electricidad atm osférica y el geom agnetism o. En la revista de resúm enes de la Sociedad Física de Berlín, Fortschritte der Physik, la «física cósmica» se in tro d u jo en 1890, a la vez q u e el té rm in o «geofísica». («Astrofísica» es u n térm in o m ás antiguo, que apareció p o r p rim e ra vez en 1873.) La física cósm ica era u n in ten to interdisciplinario de llevar éstos y o tro s fen ó m enos al d o m in io de la física. Era u n a ra m a p o p u la r de la física alred ed o r del cam bio de siglo cu an d o Svante A rrhenius, el quím ico físico sueco, escribió su influyente Lehrbuch der kosmischen Physik (1903). D iez años después, sin em bargo, la física cósm ica había sido relegada a la periferia de la física. La com po sició n general de los tem as físicos p ro p o rc io n ad a p o r los Beiblatter se co nfirm a con los Science Abstraéis n o rteam erican o s, q ue listaban 1.810 publicaciones de física en 1910. Las diferencias son debidas p rin cip alm en te a las distintas m aneras de clasificar los tem as, ? o r ejem plo, m ien tras la m ayoría de los artículos del g ru p o llam ado en los Beiblatter « constitución y e stru c tu ra de la m ateria», tra tab a n de q u ím ica fíTABLA 2.7 D istrib u ció n de especialidades en el volum en de 1910 de Beiblatter Especialidad

N ú m ero

Porcentaje

E lectricidad y m ag n etism o

913

31

Ó p tica

488

16

C o n stitu ció n y e stru c tu ra de la m a teria

351

17

Física cósm ica

321

11

C alor

293

10

M ecánica

264

9

R adiactividad

182

6

M edidas y pesos

60

2

G eneral

59

2

A cústica

27

١

H istó rico y bibliográfico

26

1

26


sica, Science Abstracts definía el área m ás estrecham ente y añadía u n a lista separada de «física quím ica» (lo cual n o era lo m ism o que la física quím ica m o d ern a, u n a subdisciplina p o sterio r a 1930). C ada u n a de las áreas principales se dividía en u n n ú m ero de subentidades. La com p o sició n de la categoría « constitución y estru ctu ra de la m ateria» m u estra claram ente q u e el co n ten id o n o era la física atóm ica y m olecular, sino lo que llam aríam os q u ím ica teórica. Las subdivisiones se d ab an com o sigue: general; m asa, densidad; peso atóm ico; peso m olecular; elem entos [quím icos]; com puestos; reaccio nes; afinidad, equilibrios; soluciones; absorción, adsorción; coloides; soluciones sóli das, aleaciones; cristales; y fluidos cristalinos. En n in g u n a de las revistas de resúm enes co n tab an dem asiado los artículos sobre fí sica atóm ica, y se p u e d e n buscar en v ano e n trad as sobre tem as com o «estructura a tó mica», «teoría cuántica», «relatividad», o n o m b re s asociados. Por supuesto, aparecían artículos que tra ta b a n de estos tem as, p ero estaban ocultos bajo o tras entrad as y eran pocos. P or ejem plo, los artículos sobre relatividad se incluían p o r lo c o m ú n bajo el tí tu lo «general» y los relacionados con los cu an to s aparecían en las secciones de «calor» y «óptica». U n exam en de los títu lo s en las dos revistas de resúm enes lleva a la estim a ción de que, en 1910, m en o s de cu aren ta artícu lo s tra ta b a n de la teoría de la relativi dad y m enos de veinte de la teoría cuántica. La «nueva física» era todavía u n a actividad m arginal, pero n o lo sería p o r m u ch o tiem po. La im presión de la d o m in ació n de la fí sica clásica experim en tal se co n firm a de m an era adicional m ed ian te u n recuento de los artículos en el N uovo C im ento italiano. E ntre 1900 y 1904 la física clásica (definida com o m ecánica, ó ptica, acústica, te rm o d in á m ic a y electrom agnetism o) y la física apli cada rep resen tab an el 33 p o r 100 y el 22 p o r 100 de las publicaciones, respectivam en te; diez años después los porcentajes eran de 32 y 17. La m ayoría de las publicaciones eran experim entales, en concreto 86 p o r 100 en 1900-1904 y 77 p o r 100 en 1910-1914. Los artículos sobre relatividad y teo ría cu án tica eran m uy escasos, m enos de 10 en el p erio d o de cinco años 1910-1914.

C A P ÍT U L O 3


U no de los encan to s de la física es que tra ta de la n atu raleza y la naturaleza guarda sus secretos. Existen fen ó m en o s naturales, o fenóm enos reproducibles en el lab o rato rio (que son en to d o caso natu rales) de los cuales los físicos, en cierto m o m en to , n o tie nen conocim iento. El d escu b rim ien to de nuevos fen ó m enos tiene a veces im p o rta n te consecuencias p a ra n u e stra im agen del m u n d o . Los físicos de la década de 1890, que creían que el fu n d a m e n to de la física estaba fijado de u n a vez p o r todas, asum ían im plícitam ente que tod o s los fen ó m en o s de la naturaleza im p o rta n tes ya eran conocidos. Les esperaba u n a sorpresa, co m o se d em o stró de m a n e ra n o to ria con la serie de des cub rim ien to s de en tre 1895 y 1900. Leyendo el cap ítu lo 1, u n o p u ed e haberse q u e d a d o con la im p re sió n de que la m ayoría de los físicos de la d écada de 1890 estab an o cu p a d o s con p ro fu n d a s p re g u n tas teóricas acerca de los fu n d a m e n to s de la física. Sin em bargo, esto está lejos de ser el caso. La g ra n m ay o ría e ra n ex p erim en tales in vestigando, p o r ejem plo, m éto d o s de m ed id as eléctricas, fe n ó m e n o s térm ico s, esp ectro scopia y descargas eléctricas en gases. A u nqu e los p rim e ro s ex p erim en to s con descargas en tu b o s de v id rio al vacío se realizaron ta n p ro n to co m o a finales del siglo xvm , fue sólo en la década de 1850 que el área a tra jo serio in terés, sob re to d o co m o resu ltad o del tra b a jo p io n e ro del suizo A uguste de la Rive y del alem án Julius Plücker. Jo h an n W ilhelm H itto rf, u n es tu d ia n te de Plücker, investigó de m a n e ra sistem ática la luz q u e aparecía en los tu b o s, y la id entificó co n rayos q u e se em itían del cáto d o y se m ovían en línea recta a tr a vés de u n espacio libre de cam pos; es decir, co n los rayos catódicos, u n n o m b re que in tro d u jo p o r vez p rim e ra el físico b erlin és Eugen G oldstein en 1876. El te m a se h a bía co n v ertid o p o r aquel en to n ces en u n a im p o rta n te p arte de la física; recibió a te n ció n adicion al de los ex p erim en to s realizados p o r W illiam C rookes en Ing laterra. En 1879, C rookes lanzó la h ip ó tesis de q u e los rayos catódicos e ra n corpusculares: u n a c o rrie n te de m olécu las electrificadas, o lo q u e el llam ab a u n «cu arto estado de la m a

cne$ Generac cuánticas‫؛‬ 28

teria». El joven H e in ric h H ertz fue u n o de los m u ch o s que sen tían el atractivo reto que p re se n ta b a el n u ev o cam p o , sob re to d o p o rq u e parecía ofrecer u n a vía ráp id a hacia el re co n o cim ien to , p ero ta m b ié n p o rq u e los fe n ó m en o s de descarga e ra n enigm áticos y sim p lem en te fascinantes de m irar. «En m edio de todo», escribió acerca de sus p rim e ro s e x p e rim e n to s en 1882, «se halla la lu m in o sa cam p a n a en la cual los gases re p re se n ta n las m ás en lo q u ecid as trav esu ras bajo la in flu en cia de las descargas y p ro d u c e n los fe n ó m e n o s m ás e x trañ o s, v ariad o s y coloridos. R ealm ente, m i hab itació n se parece m u c h o en estos m o m e n to s a la cocina de u n a bru ja» (B uchw ald 1994, p. 132). Eos a p a ra to s clave en las cocinas de b ru ja de H e rtz y de o tro s investigadores de los rayos cató d ico s eran u n a serie de tu b o s de vacío específicam ente diseñados, pro v isto s de electro d o s, u n a b o b in a de in d u c c ió n de R u h m k o rff p a ra g en erar la alta ten sió n necesaria y, p o r ú ltim o - p e r o n o p o r ello m en o s im p o rta n te -, las vitales b o m b a s de vacío. V isto en retrospectiva, la p re g u n ta sobre la n atu raleza de los rayos catódicos era ‫ظ‬ m ás im p o rta n te en esta área de investigación. Sin em bargo, n o se co n sid erab a un asu n to de crucial im p o rta n c ia . M uchos físicos se o c u p ab a n de o tro s aspectos de los fen ó m en o s de descarga, co m o las zonas o tu b o s de luz coloreada y su c o m p o rtam ien to bajo la acción de cam p o s m agnéticos. Al final de la década de 1890, algunos físicos creían h a b e r hallado u n nuevo tip o de rayos catódicos, a veces d en o m in a d o s «rayos m agnéticos», p ero la p ro clam ació n de este d escu b rim ien to n o fue generalm en te aceptada. El fracaso de H ertz en d etectar una deflexión de los rayos catódicos cu a n d o éstos cru zab an el cam p o eléctrico de u n c o n d en sa d o r p lan o le llevó a concluir que los rayos e ra n eléctricam en te n e u tro s y q u e no eran u n efecto p rim a rio de la descarga. D e acu erd o con esto p u n to de vista, fluía u n a co rrie n te eléctrica p o r d e n tro del tu b o , p ero los rayos catódicos o b servados eran d istintos de la co rrie n te que generaba los rayos com o u n a especie de flujo ٧ o n d a en el éter. Las conclusiones de H ertz eran co n tra ria s a la hipótesis co rp u scu lar de C rookes y otro s investigadores b ritánicos, pero era apoyada p o r la m ayoría de los físicos alem anes. Recibió u n fuerte apoyo exp erim e n ta l p o r p a rte de los ex p erim en to s realizados en 1894 p o r el e stu d ian te de H ertz, R hilipp L enard, q u ien colocó u n a delgada película de m etal com o ven tan a en el tu b o y m o stró q u e los rayos catódicos p o d ía n atravesarla. Si los rayos fu eran haces de partícu las atóm icas o m oleculares está p e rm eab ilid ad n o p o d ía explicarse. Toda el área era confusa, con evidencia ex p erim en tal en desacuerdo con to d o s los p u n to s de vista rivales, y n in g u n a q u e p u d ie ra d isc rim in a r c laram en te e n tre ellas. P or ejem plo, el m ism o añ o en el q u e L enard p ro p o rc io n ó apoyo ex p erim en tal a la hipótesis del pulso del é te r ,}. j. T h o m so n en In g laterra a rg u m e n tó que la velocidad de los rayos catódicos era ta n sólo u n a m ilésim a de la luz; si los rayos fueran procesos e le c tro im á n ¿ ticos en el éter, cabía esp erar q u e la velocidad fuera m u y cercana a la de la luz. Los ex perim en to s de L enard, y la situ ació n indecisa en la investigación general de los rayos catódicos, h iciero n que m u ch o s físicos alem anes a b o rd a ra n el problem a. U no de ellos fue W ilhelm C o n ra d R óntgen, u n p ro feso r de física relativam ente poco distinguido de la u n iv ersid ad de ^ 'ü r z b u r g .


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Un nuevo tipo de rayos Inspirado p o r los hallazgos de Lenard, R óntgen em pezó a investigar la penetrabilidad de los rayos catódicos en el o to ñ o de 1895. C om o otros físicos que experim entaban con los rayos, utilizaba u n a pantalla con p latin o -cian u ro bario para detectar la fluores cencia causada p o r los rayos catódicos. La pantalla, que se suponía no desem peñaba n in gún papel en el experim ento particular, se colocaba a cierta distancia del tubo, que se cu b ría con cartó n negro y se operaba en u n a habitación a oscuras. El 8 de noviem bre de 1895, R óntgen n o tó , p ara su sorpresa, que la pantalla em itía fluorescencia, u n fenóm e no que no p o d ía ser causado p o r los rayos catódicos en absoluto. Tras confirm ar que el fenóm eno era real, em p ren d ió u n a investigación sistem ática de lo que p ro n to em pezó a considerar u n nuevo tipo de rayos, distintos tan to de la luz com o de los rayos catódicos. En palabras del pro p io R óntgen, de su com unicación original de enero de 1896, su o b servación fue ésta: «Si pasam os la descarga de u n a b o b ina de R uhm korff a través de un [tubo de] H itto rf o u n aparato de Lenard, Crookes o sim ilar que esté suficientem ente ex h austo y cub rim o s el tu b o con u n m an to que se ajuste bastante, o con cartón negro del gado, observam os en u n a habitación totalm en te oscura que u n a pantalla de papel cu bierta con cian u ro -p latin o -b ario se ilu m in a brillantem ente y em ite fluorescencia tanto si se orien ta su lado tratad o com o el o tro hacia el tu b o de descarga» (Segré 1980, p. 22). El 8 de noviem bre es el aniversario oficial de los rayos X, pero p o r supuesto es dem asia do sim plista afirm ar que R óntgen sim plem ente descubrió los rayos la tarde de esta fe cha. Se percató de u n fenóm eno sorp ren d en te, y tran sfo rm ar la observación original en u n descubrim iento requirió trabajo d u ro y m u ch a reflexión. Sólo fue a finales del año que R óntgen estuvo seguro de que realm ente había descubierto u n nuevo tipo de rayos y entonces anu n ció su descubrim iento. Llam arlo el d escubrim iento de año, incluso de la década, no sería n in g u n a exageración. C o n trariam en te a la práctica de u n a generación de físicos posterior, R óntgen n o convocó u n a conferencia de prensa. De hecho, trabajó solo y m an tu v o su d escubrim iento en secreto hasta que apareció publicado. Los nuevos rayos de R óntgen causaron u n a en o rm e conm oción, sobre to d o entre fí sicos y doctores de m edicina, pero tam b ién entre el público en general. La preg u n ta n ú m ero u n o en tre la co m u n id ad de físicos se refería a la naturaleza de los nuevos rayos, cuya categorización y com p ren sió n parecía incluso m ás difícil que la de los rayos cató dicos. Es sus investigaciones prelim inares, R óntgen había hallado que los rayos co m p artían algunas de las propiedades de la luz, en el sentido de que seguían líneas rectas, afectaban a las placas fotográficas y no eran influidos p o r cam pos m agnéticos; p o r otro lado, no exhibían n i reflexión ni refracción y p o r ta n to parecían ser distintos tan to a la luz com o a las ondas electrom agnéticas hertzianas. Sugirió tentativam ente que los rayos p o d rían ser vibraciones longitudinales del éter, u n a idea que recibió apoyo de varios fí sicos d u ran te u n tiem po. Sin em bargo, ni ésta ni o tras ideas, incluyendo la sugerencia de que los rayos X eran u n tip o extrem o de radiación ultravioleta, ganó reconocim ien to general. D u ran te m ás de u n a década, los físicos trab ajaron felizm ente con los rayos X sin saber con qué trabajaban. Esta falta de co nocim iento no im pidió que se establecie ra u n creciente cuerpo de co nocim iento em pírico sobre los nuevos rayos, ni im pidió

nes Generac cuánticas‫©؛‬ 30

que los rayos se utilizaran com o h e rram ien ta en física experim ental. Por ejem plo, pronto se advirtió que los tu b o s de rayos X eran idóneos para ionizar gases y, p o r esta capacidad, los nuevos tu b o s se utilizaban am pliam en te en experim entos. El debate sobre la naturaleza de los rayos X co n tin u ó hasta q u e se acum ularon ‫ ظ‬suficientes evidencias ap u n ta n d o a que se tratab a de u n a especie de o n d a electrom agnética (transversal), posiblem ente con u n a lo n g itu d de o n d a extrem ad am ente corta. Esta creencia se hizo más ftrerte cu an d o el físico b ritán ico C harles Barkla concluyó, a p a rtir de experim entos de dispersión en ¡905, que los rayos X m o strab an polarización. M as el asunto n o estaba resuelto en absoluto, y o tros experim entos parecieron contradecir la hipótesis o n d ulatoria y favorecer u n tip o de rad iació n corpuscular, com o sostuvo W illiam Bragg en ¡907. C on la ventaja de u n p u n to de vista posterior, pod em os decir que la confusa situación experim ental reflejaba la d u alid ad o n d a-co rp ú scu lo sólo aclarada con la llegada de la m ecánica cuántica. Eos rayos X son tan to partículas com o rayos, así que no es extraño que los físicos de principios de siglo o b tu v ieran resultados am biguos. Sobre 1910, parecía que los rayos X p o d ría n ser sim plem ente ondas electrom agnéticas de lo n g itu d de o n d a m u y corta. Si esto fuera así, la difracción de los rayos requeriría u n a red con u n esp aciam iento igualm ente corto, y en 1912 M ax von Laue se dio cuenta de que estos espaciam ientos se en co n trab an en las distancias in teratóm icas entre los iones de u n cristal. El experim ento fue llevado a cabo p o r el físico de M únich W alter Friedrich y su estudian te Paul K nipping en [٤١prim avera de 1912. La colaboración entre el teórico Laue y los experim entales Friedrich y K nipping resultaron en el p rim e r p a tró n de difracción de rayos X de la historia. Esto p ro p o rcio n ó , a la vez, u n a p ru eb a decisiva de que los rayos X eran ondas electrom agnéticas, con u n a lo n g itu d de on d a con u n o rden de magn itu d de 10~13 m . A p a rtir de los experim entos de M ú n ich surgió u n a nueva ram a enorm e de investigación en rayos X, el uso de la difracción de rayos X en cristalografía. Con pioneros com o W illiam H. Bragg y su hijo W illiam L. Bragg, entre otros, la ram a p ronto pasó a ser de gran im p o rtan cia en quím ica, geología, m etalurgia e incluso biología. Por ejem plo, la cristalografía de rayos X fue u n elem ento clave en la celebrada determ inación en 1953 de la estru ctu ra de doble hélice de la m olécula de ADN. A finales de la década de 1890, el sensacional d escu b rim ien to de R óntgen causó una revolución m e n o r en la física e in sp iró a m u ch o s físicos a em pezar a investigar el nuevo fenóm eno. Raras veces se ha recibido u n d escu brim iento de m a n e ra ta n entusiasta ta n to p o r científicos com o p o r n o científicos. D e acuerdo a ‫ ط‬bibliografía, sólo en 1896 aparecieron 1.044 publicaciones sobre rayos X, incluyendo 49 libros. E ntre los m uchos físicos que se uniero n a la tendencia de los rayos X estaba H enri Becquerel, profesor de física en el M useo de Fíistoria N atu ral de París-

De

١٠$ rayos de Becquerel a la radiactividad En enero de 1896, el d escu b rim ien to de R óntgen se discutió en la A cadem ia Fran-

cesa de las Ciencias, d o n d e Poincaré sugirió que la causa de los rayos p o d ría n o ser eléctrica, sino relacionada con la p arte fluorescente del tu b o de vidrio. Si eso era así,


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des generalizaciones de la ciencia m o d e rn a [...] que to d o s los fenóm enos del universo físico n o so n sino m anifestaciones diferentes de los distintos m o d o s de m o v im ien to de u n a sustancia que to d o lo in u n d a: el éter». M axwell consideró la posib ilid ad de explicar la gravedad según su teo ría electro m agnética, p ero a b a n d o n ó tras darse cu en ta de que entonces te n d ría que a trib u ir u n a en o rm e energía in trín seca al éter. O tro s físicos V ictorianos se desan im aro n m enos fá cilm ente y, en el ú ltim o c u arto del siglo, h u b o n u m ero so s in tentos de explicar o revi sar la divina ley de la gravedad de N ew ton. A lgunos de estos in ten to s se basaban en m o delos electrodinám icos y o tro s en hidrod in ám ico s. Por ejem plo, en los años 1870 el físico n o ru eg o C ari A. Bjerknes estudió el m ov im ien to de cuerpos en u n fluido infinito e incom presible, llegando a la conclusión de q u e dos esferas pulsantes darían lugar a fuerzas entre ellas que cam biarían con el inverso de la separación entre sus centros. C onsideró esto com o u n a posible explicación h id ro d in ám ica de la gravedad, o al m enos u n a analogía interesante. El trabajo de Bjerknes fúe reto m ad o p o r algunos teóricos b ri tánicos y en 1898 fúe revivido p o r el alem án A rth u r K orn de la U niversidad de M únich, quien desarrolló u n a teo ría h id ro d in ám ica de la gravitación. En ese m o m ento, sin em bargo, el enfoque estaba puesto en la electrodinám ica y los com plejos m odelos h id ro dinám icos del estilo de Bjerknes y K orn n o d esp ertaro n m u ch o interés. Relacionados co n el p en sam ien to de la h id ro d in ám ica, pero de m ayor im p o rta n cia y gran d io sid ad (si b ien n o con m ayor éxito), fú ero n los in ten to s de c o n stru ir el m u n d o ú n icam en te a p a rtir de estru ctu ras en el éter. La teo ría m ás im p o rta n te de las n o electrom agnéticas fue la teo ría ató m ica de vórtices, o riginalm ente sugerida en 1867 p o r W illiam T h o m so n (m ás tard e, L ord Kelvin) y d esarrollada u lterio rm en te p o r to d a una escuela britán ica de físicos m atem áticos. De acuerdo con esta teoría, los átom os eran m odos de m ovim iento de los vórtices en u n fluido prim itivo, perfecto, norm alm ente identificado con el éter. En su ensayo de 1882, p rem io Adam s, el joven J. J. T h o m so n re lató de m an e ra elab o rad a la teo ría de vórtices y la extendió a problem as quím icos, in cluyendo la afin id ad y la disociación. La teo ría tam b ién se aplicaba al electrom agnetis m o, la gravitación y la ó ptica y era u n in te n to am bicioso de establecer u n a «teoría del todo» u n ita ria y c o n tin u a basada ú n icam en te en la d in ám ica del éter. Tan tard e com o en 1895, W illiam H icks p resen tó u n in fo rm e o p tim ista sobre lo m ás novedoso del á to m o de vórtices en el en cu en tro an u al de la A sociación B ritánica p a ra el Avance de la C iencia (BAAS en sus siglas en inglés, British A ssociation for th e A dvancem ent o f Science). Vale la p en a dedicarle algo de espacio a u n a cita de H icks que expone su p u n to de vista sobre la m eta de la física teórica: M ien tras, p o r u n lado, la fin alid ad d e la investigación científica es el d e sc u b rim ie n to d e leyes, p o r el o tro , la ciencia h a b rá alcan zad o su m áx im o o bjetivo c u a n d o haya re d u c id o las leyes a u n a o dos, cuya necesidad está fu era d e la esfera de n u e stro e n te n d i m ien to . Estas leyes ú ltim a s - e n el d o m in io d e la ciencia física al m e n o s - serán las leyes de la d in ám ica d e la relación d e m a te ria a n ú m e ro , espacio y tiem p o . Los ú ltim o s d ato s serán los m ism o s n ú m e ro , m ateria, espacio y tiem p o . C u a n d o estas relaciones se co n o z-

Física finisecular: un mcdele cambiante del mundo

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tensivam ente la geonietría n o euclídea p ara su trabajo en astronom ía. A pesar de que estos y otro s trabajos eran, p o r 1© general, especulativos y siem pre hipotético،‫؟‬, a finale,‫ ؟‬de siglo existió u n g ru p o p eq u eñ o de investigadores que consideraron los m odelos de éter hiperespaciales o que si n o in te n ta ro n relacionar el espacio " con p ro blem as de interés físico. Especulativos o no, estos intentos se consideraban legítim os en el m arco del espíritu de la física característico de los años 1890. Eos m od elo s h id ro d in ám ico s del éter diferían del p ro g ra m a laplaciano de la física, pero en to d o caso se apoyaban en u n a base m ecánica y n o eran in ten to s de d erro car la im agen del m u n d o n ew to n ian a. D espués de tod o , la h id ro d in á m ic a es la ciencia m ecánica de los fluidos. La term o d in ám ica, la ciencia del calor y de otras m anifestaciones de energía, co n stitu ía u n p ro b lem a m u ch o m ás difícil p a ra la cosm ovisión clásica. A veces se arg u m en tab a q u e esta ra m a de la física n o sólo era diferente de la m ecánica en principio, sino q u e adem ás tenía p rio rid a d sobre ésta com o u n a base m ás sólida sobre ‫ ط‬que sería posible c o n stru ir to d a la física. En los años 1890, ju n to con la electrodinám ica, la te rm o d in á m ic a em pezó a co m p etir con la m ecánica en lo relativo a problem as de base. En esta d écada se d ab a u n debate co n tin u o sobre la unidad de la física, y no estaba en abso lu to claro qué disciplina p o d ría servir m ejo r com o base de la u n id ad que casi to dos los físicos creían que su ciencia debía tener. M ientras q u e la ley de conservación de la energía se explicaba con éxito en térm ¡nos m ecánicos, la segunda ley de la term o d in ám ica n o su cu m b ió ta n fácilm ente a éstos. Para em pezar, las leyes de la m ecánica son reversibles, o sim étricas en el tiem po, m ien tras q u e la segunda ley de la te rm o d in á m ic a establece u n cam bio irreversible en la entropía. En su fam osa teo ría m ecánico-estadística de la en tro p ía, desarrollada prim ero en 1872 y m ás co m p letam en te en !877, Ludw ig B oltzm ann creía que h abía reducido la segunda ley a p rin cip io s m ecánico-m oleculares, pero su in terp retació n fue pu esta en d u d a y se con v irtió en objeto de g ran controversia. U no de sus críticos, el físico alem án E rnst Z erm elo, basándose en el así llam ado teo rem a de recurrencia de Poincaré, a rg u m en tó en 1896 que la segunda ley n o p o d ría derivarse de la m ecánica y, p o r lo tan to , que era in co m p atib le con u n a im agen m ecanicista unificada del m u n d o . B oltzm ann negó la validez del a rg u m en to de Z erm elo y siguió convencido de que no había u n desacuerdo profirndo en tre la m ecánica y la term o d in ám ica. De acuerdo con el físico G eorg Eíelm y con el quím ico Ludwig O stw ald, am bos alem anes, la energía era el m ás im p o rta n te de los conceptos unificadores de la ciencia física. Por tan to , se m an ten ía que u n a term o d in ám ica generalizada ten d ría que reem plazar a la m ecánica co m o base de la física. H elm y O stw ald llegaron a esta conclusión alrededor de 1890 y llam aro n a su nuevo p ro g ra m a la energética. En m uchos sentidos la nueva ciencia de la energética era c o n traria a la cosm ovisión m ecanicista y se veía com o u n a revuelta c o n tra lo que se llam aba «m aterialism o científico». Esta revuelta incluía la p o stu ra de que la m ecánica tenía q u e ser so m etida a las leyes m ás generales de la energética; en el sentido de q u e se m an ten ía que las leyes m ecánicas debían ser reducibles a p rin cip io s energéticos. O tro aspecto de la energética era su negación del atom ism o, excepto com o ú til represen tació n m ental. O stw ald y algunos otros quím icos fí-


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vel local en física teórica. C o m o escribió en el ensayo p o p u lar El viaje de un profesor alemán a El Dorado» p o r p rim e ra vez p u b licad o en 1905: «En efecto, Estados U nidos conseguirá g randes cosas. C reo en esta gente, incluso después de haberles visto tra b a jan d o en u n e n to rn o que n o es el m ás favorable p a ra ellos: in teg ran d o y derivando en u n sem inario de física teó rica [...]» (B oltzm ann 1992, p. 51). La física siem pre ha sido in tern acio n al y los contactos entre físicos de distintas n a cionalidades, incluyendo en cu en tro s y colaboraciones, eran frecuentes en el siglo xix. Sin em bargo, las conferencias organizadas de ám b ito m ás am plio eran escasas, y hasta el v erano de 1900 n o se convocó el P rim er C ongreso In tern acio n al de Física, en París. Al m ism o tiem p o , y en la m ism a ciudad, 200 m atem áticos p articip ab an en el C o ngre so In tern acio n al de M atem áticas, el segundo de su tipo. La conferencia de física e stu vo organizada p o r la Sociedad Francesa de Física, en conexión con la Exposición U n i versal de París ese año. Las actas del congreso en tres volúm enes incluían 70 reseñas científicas escritas p o r físicos de quince países. N o es so rp ren d e n te que la m ayoría de los artículo s (36) fu eran franceses. A éstos les seguían 10 co n trib u cio n es alem anas y 6 británicas, m ien tras q u e la c u a rta de las principales naciones científicas, los Estados U nidos, c o n trib u ía sólo con d os artículos. T am bién estaban representados físicos de H o landa (4 artículos), Rusia (4), Italia (3), A u stria-H u ngría (3), D inam arca (2), N o ruega (2), Suecia (2), Bélgica (2) y Suiza (2); los n o blancos estaban representadas p o r artículos p ro p o rc io n a d o s p o r u n jap o n és y u n indio. P or supuesto la fuerte represen tación francesa en el congreso de París n o deb ería to m arse com o u n a posición equiva len tem en te fuerte en la física m u n d ial; de hecho, la física francesa, y especialm ente la física teórica, estaba en declive p o r aquel entonces y ya n o era com petitiva de la física en A lem ania y G ran Bretaña. Los tem as tra ta d o s en el congreso de París cu b rían u n am plio espectro, au n q u e n o fuera to d a la gam a de la física co n tem poránea. La tabla 2.3 m u e stra los tem as de los artículos invitados. H u b o sem inarios sobre m etrología, elas ticidad, fen ó m en o s críticos, pro p ied ad es m ecánicas y térm icas de sólidos y líquidos, es pectroscopia, p resió n lum ínica, o n d as h ertzianas, m ag n eto-óptica, electricidad a tm o s férica, física solar, biofísica y gravitación. T am poco se olv id aro n los m ás recientes descubrim ientos: H en ri Becquerel y los C urie h ab la ro n de radiactividad, W ilhelm W ien y O tto L um m er sobre la radiación del cu erpo negro (desde el p u n to de vista teó rico y experim ental respectivam ente), Paul V illard sobre rayos catódicos y J. J. T h o m so n sobre la teoría de los electrones y la cons titu c ió n atóm ica. La discusión de los rayos catódicos de V illard es difícil que satisficie ra a T h o m so n , o a la m ayoría de los o tro s físicos que asistían. Tres años después de la celebrada id entificación p o r p a rte de T h o m so n de los rayos catódicos con los electro nes libres, el físico francés arg u m en tab a q u e los rayos catódicos n o consistían en elec trones sino en iones de h idrógeno. C o m p ara d a con los niveles q u e alcanzaría, la física era u n a actividad rid icu la m en te b arata, p ero desde la perspectiva de la financiación co n tem p o rán ea h ab itu al de la ciencia, las cosas parecían diferentes. A los gastos de salarios y eq uipo se añ ad ían los m u ch o s nuevos lab o rato rio s q u e se crearo n en la década de 1890 y los p rim ero s años


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había razones p ara su p o n e r que to d o s los cu erpos fu ertem en te fluorescentes em itían rayos X adem ás de sus rayos lum ínicos. Los co m en tario s de P oincaré fueron asum idos p o r Becquerel, u n experto en fluorescencia, y el 24 de febrero co m unicó a la academ ia que u n a sal doble de u ran io , sulfato potásico de u ran io , fluorescente, em itía lo que él creía que eran rayos X. H abía colocado la sal sobre u n a placa fotográfica envuelta en papel negro, la h abía expuesto a la luz solar d u ra n te varias horas, y había observado e n tonces u n b ien definido oscurecim ien to de la placa cu an d o fue revelada. ¿Se había des cu b ierto la radiactiv id ad en este m o m en to ? N o del to d o , ya que Becquerel creía que los pen etran tes rayos eran u n resultado de la fluorescencia y que la exposición al sol era p o r ta n to crucial. U na sem ana m ás tarde, cu an d o repitió el experim ento, pero el sol no brillaba, se dio c u en ta de que la sal de u ra n io em itía los rayos hasta en ausencia de luz solar. E nten d ió p o r fin q u e h ab ía hecho u n d escu b rim iento, en concreto que la sal de u ra n io em itía p en etran tes rayos sin acción eléctrica y sin la acción de la luz solar. El nuevo fen ó m en o era al parecer d istin to ta n to de los rayos X com o de la fluorescencia. A dem ás, ráp id a m e n te d escu b rió q u e los rayos tam b ién eran em itidos p o r o tras sales de u ra n io e incluso m ás fu ertem en te p o r el u ran io m etálico, no fluorescente. D e ahí que los rayos se llam aran o rig in alm en te a m e n u d o «rayos de uranio». El d esc u b rim ie n to de la rad iactiv id ad p o r p arte de Becquerel fue afo rtu n a d o , pero n o accidental. Al c o n tra rio q u e R ón tg en , el físico francés se guió p o r u n a hipótesis que q u ería co m p ro b ar, en p articu lar, q u e los cu erp o s in ten sam en te fluorescentes em iten rayos X. Pero la m ayoría de los m ateriales fluorescentes n o son radiactivos, así que ¿por qué se c o n c e n tró en las sales de u ran io ? Su elección h a sido tra d icio n a lm en te a trib u id a a la su erte, p ero n o se d ebía a la su erte en absoluto. A n te rio rm en te , ju n to con su p ad re E d m o n d Becquerel (q u ien tam b ién era profeso r en el M useo de H isto ria N atu ral de París), h ab ía estu d iad o los espectros de fluorescencia de co m puestos de u ra n io y o b serv ad o q u e las b an d as espectrales obed ecían a u n a n o table regularidad. Es pro b ab le q u e esta reg u larid ad , p ecu liar de las sales de u ra n io fluorescentes, in sp i ra ra a Becquerel la idea de q u e la im agen visible del sol era trasfo rm a d a en las m u ch o m enores lo n g itu d es de o n d a características de los rayos X. Esta tran sfo rm a ció n está p ro h ib id a de acu erd o a la ley de Stokes, d escu b ierta p o r G abriel Stokes en 1852. De acuerdo a esta ley, los cu erp o s fluorescentes ta n sólo p u ed e n e m itir radiación de una lo n g itu d de o n d a m ay o r q u e la de la rad iació n q u e los excita. La ley de Stokes es co rrecta - s e sigue de la teo ría cu án tica de la rad iació n —p ero en la ú ltim a p a rte del siglo xix se diero n m u ch as co m u n icacio n es de «fluorescencia anóm ala», es decir, excepcio nes a la ley de Stokes. La ley n o se co n sid erab a ab so lu ta y, de acu erdo a u n a teo ría su gerida p o r el físico alem án E ugen L om m el, la fluorescencia an ó m a la debería te n e r lu gar en sustancias q u e ex h ib ían el tip o de espectros regular que Becquerel había observado en las sales de u ran io . Si ésta era de h echo la m a n e ra de ra z o n a r de Bec querel, n o es ento n ces ta n ex trañ o que escogieran co m p u esto s de u ra n io p a ra su in vestigación. Su o b serv ació n o rig in al de los rayos p e n etra n tes em a n a n d o de sales de u ra n io expuestas a la luz solar p o d ría ta n sólo h ab er co n firm a d o lo que él m ás o m e no s anticip ab a. Los sucesos p o sterio res n o lo h icieron.

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Los rayos de u ran io n o eausaron ta n ta sensaeión com o ‫؛‬os rayos X y d u ra n te u n año o dos, Becquerel fue u n o de u n p u ñ a d o de físicos que estudiaba activam ente el nuevo fenóm eno. D espués de to d o , los efectos de los rayos de u ra n io eran débiles y m uchos físicos los co n sid erab an ta n sólo u n tip o especial de rayos X, au n q u e con u n origen cuya explicación se resistía. D esde ‫ ظ‬perspectiva de Becquerel, que creía que los rayos de u ra n io estaban relacionados con los peculiares espectros de los com puestos de uranio, n o h ab ía razó n p a ra su p o n e r q u e los rayos tam b ié n fueran em itidos p o r otros com puestos. Sólo cu an d o M arie y P ierre C urie d escubrieron sustancias m u ch o m ás activas q u e el u ra n io la rad iactiv id ad llegó a los titu lares y se convirtió en u n fenóm eno de gran im p o rta n c ia p a ra los físicos. La rad iactiv id ad del to rio se an u n ció en la prim avera de 1898, de m an era ‫؛‬n depend iente p o r p a rte de M arie C urie y del alem án G erh ard Schm idt. M ás tard e en el m ism o año, M arie y Pierre C urie d escu b riero n en m inerales de u ra n io dos elem entos desconocidos hasta entonces, a los q u e p ro p u siero n llam ar p o lo n io y radio. El radio, ex trao rd in a riam e n te activo, d escubrió la radiactividad para el gran público e inició u n a nueva y excitante fase en el estudio de los rayos de Becquerel. Por cierto, los térm inos «radiactividad» y «sustancias radiactivas» fueron in tro d u cid o s p o r M arie C urie el m ism o año, 1898. D u ra n te los siguientes años, u n n ú m e ro creciente de físicos en Europa y ” asu m iero n el estudio de la radiactividad, que p ro n to pasó a ser u n a de las áreas de la física de m ás rá p id o crecim iento. «D ebo seguir adelante, dado que siem pre hay gente siguiéndom e», escribió R u therford a su m adre en 1902. «Debo p u blicar m i trab ajo actual lo antes posible p ara m an ten erm e en la carrera. Los m ejores velocistas en esta carretera de la investigación son Becquerel y los C urie en París, quienes h a n llevado a cabo gran can tid ad de trab ajos im p o rta n tes sobre el tem a de los cuerpos radiactivos d u ra n te estos ú ltim o s años» (Pais 1986, p. 62). Los prim eros trabajos sobre radiactividad eran principalm ente experim entales y de exploración. ¿Qué sustancias eran radiactivas? ¿Cóm o encajaban en el sistem a periódico de los elementos? ¿Cuáles eran los rayos em itidos p o r los cuerpos radiactivos? ¿Se veía afectada la actividad p o r cam bios físicos o quím icos? Éstas eran algunas de las preguntas que los físicos p ro p o n ían a finales del siglo - y n o sólo físicos, ya que la radiactividad les preocupaba a los quím icos p o r igual-, ¥ ‫؛‬١fueran físicos o quím icos, su enfoque era fenom enológico y de exploración; es decir, centrado en la recolección y clasificación de datos. Fue u n perio d o de g ran confusión y de callejones sin salida. Por ejem plo, du ran te los prim eros ocho años del siglo, aproxim adam ente, se creía p o r lo general que todos los elem entos eran radiactivos. D espués de todo, era difícil creer que la propiedad estaba confinada a u n o s pocos elem entos pesados, y los crudos m étodos de detección parecían ‫!؛‬١dicar que, en efecto, se p o d ia en co n trar radiación débil en todas partes. D e los m u ch o s tem as d e n tro del estudio de la radiactividad, la natu raleza de los rayos era u n o de los m ás im p o rtan tes. Ya en 1901 se había establecido que los rayos eran com plejos, ya que consistian en tres especies de diferente p e n e tra b‫؛‬hda،i. Los rayos beta, fáciles de deflectar en u n cam p o m agnético, se identificaron ráp id am en te com o electrones veloces, m ien tras se acabó d escu b rien d o (sobre 1912) que los rayos gam m a,


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neu tro s, eran o n d as electrom agnéticas sim ilares a los rayos X. La naturaleza de los ra yos alfa era b astan te m isteriosa. Los p rim e ro s exp erim entos in d icab an que no se deflectaban a través de cam pos eléctricos y m agnéticos y eran p o r lo ta n to neu tro s, u n p u n to de vista que R utherford, en tre otro s, m an tu v o d u ra n te u n breve periodo. Sin em bargo, ex perim entos adicionales, llevados a cabo sobre to d o p o r R u therford en la U niversidad M cG ill en M ontreal, m o stra ro n que las p artículas ten ían carga positiva y de u n a m asa com p arab le a la del á to m o de hidró g en o . Sobre 1905, se había acu m u la do evidencia de q u e las partículas alfa eran áto m o s de helio doblem ente cargados, H e2+. La hipótesis se co n firm ó b rillan tem en te en 1908, m ed ian te u n ex p erim en to que R utherford, a h o ra en M anchester, realizó ju n to con su asistente T hom as Royds. R u th e rfo rd y Royds p ro b a ro n m ed ian te espectroscopia q ue se p ro d u c ía helio a p a rtir de las partículas alfa em itidas p o r el rad ó n . Junto con los datos de la deflexión m agnética de los rayos alfa, esta identificación resolvió el asunto. Incluso m ás im p o rta n te que la n atu raleza de los rayos fue la evidencia de que la ra diactividad n o es u n fen ó m en o p erm an en te, sino q u e decae con el tiem po. U na sus tancia radiactiva se convierte en o tra sustancia en el sentido de que los átom os cam b ian - s e tra n s m u ta n - de u n elem ento a o tro. Éste era el co n ten id o básico de la ley de tran sfo rm a c ió n sugerida p o r R uth erfo rd y p o r el quím ico Frederic Soddy en 1902. De acuerdo con esta ley, n o sólo los áto m o s se tra n sm u ta n , sino que tam b ién lo hacen aleatoriam en te, lo cual se expresa p o r el hecho de que la tran sfo rm ac ió n posea u n a con stan te de d esintegración (X) que d ep en d e sólo de la naturaleza del elem ento ra diactivo. Si el n ú m e ro de áto m o s era o rig in alm en te N ٠, tras u n tiem p o t el n ú m e ro se vería reducid o a N (t) = N 0e x p ( - \t) . C o m o R u th erfo rd dejó claro, esto significa que la p ro b ab ilid ad de d esintegración de u n á to m o es in d ep en d ien te de la edad de éste. Éste era u n fen ó m en o m u y peculiar, y se hizo m ás p eculiar aún cu an d o se descubrió en 1903 que la energía liberada c o n tin u a m e n te p o r el ra d io era enorm e: unas 1.000 calo rías p o r gram o p o r ho ra. ¿De d ó n d e prov en ía la energía? Si la radiactividad procedía en efecto de cam bios su batóm icos, ¿cuál era la causa de los cam bios? La m ayoría de los científicos evitaban cuestiones teóricas de este tipo, p ero se consideraban legítim as en to d o caso, y varios físicos y quím icos estaban dispuestos a especular sobre el origen de la radiactividad. D e acuerd o con u n a hipótesis am p liam en te aceptada, basada en el m o d elo atóm ico de J. J. T h o m so n , la rad iactiv id ad estaba causada p o r cam bios en la configuració n in te rn a del átom o. D esde 1903, este tip o de m odelo dinám ico cualitati vo lo p ro p u sie ro n , en diferen tes versiones, T h o m so n , O liver Lodge, L ord Kelvin, Ja m es Jeans y otros. R u th erfo rd hab ía abogado p o r u n m ecanism o sim ilar desde tan p ro n to com o 1900, y en 1904, en su clase bakeriana, argüyó que «los átom os de los ra dio-elem en to s se p u ed en su p o n e r co m puestos de electrones (partículas (3) y gru p o s de electrones (p artículas a ) en ráp id o m o v im ien to , y m an te n id o s en equilibrio p o r sus fuerzas m utuas.» Los electrones acelerados ra d ia ría n energía y esto «debe p e rtu rb a r el equilibrio del á to m o y resu ltar o bien en u n a nuev a d isposición de sus p artes co nsti tutivas o en su d esintegración final» (K ragh 1997a, p. 18). A unque R u therford p ro n to decidió que el estado de la teo ría ató m ica n o p erm itía u n a explicación bien definida de

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la radiactividad, ni él n i ©tros investigadores d n d a b a n que la radiactividad p u d iera ser explicada causalm ente en té rm in o s de la d in ám ica subatóm ica. D e hech©, estos fútiles in tentos pro sig u iero n hasta m ed iad o s de la década de 1920. Sabem os que la radiactiv id ad es u n fen ó m en o ^© b ab ilístico que desafía una explicación causal y que su n atu raleza pr© babil‫؛‬s t‫؛‬ca se expresa m ed ian te ‫ ظ‬ley de desintegración. Esto tue vagam ente sugerido p o r R u th erfo rd y Soddy en 1902 y ad u cido m ás co m pletam en te p o r Egon v on Schw eidler en 1905. D esde este p u n to de vista, parece extraño q u e los físicos, R u th erfo rd y T h o m so n incluidos, buscaran a pesar de to d o explicaci©nes causales en té rm in o s de cam bios subatóm icos. P o r aquel entonces, sin em bargo, n o h ab ía m otivo p a ra sospechar que la rad iactividad era causalm ente inexplicable p o r p rin cip io . La teo ría estadística n o se asociaba con la acausalidad, sino con otros fenóm enos estadísticos com o el m ovim ient© br©wnian©, d©nde la naturaleza estadística pued e ser resuelta, en p rin cip io , en micr©pr©ce$©s determ inistas. L©$ in ten to s de d iseñ ar model©s atóm icos que explicaran la radiactividad sobre u n a base m ecanicista n o tu v iero n éxito. En 1910, la m ayoría de los físicos o bien ign©raba© el p ro b le m a o ad© ptaban u n a a c titu d p ra g m á tic a de acuerd© con la cual las leyes fenom enológicas co b rab an p rio rid a d sobre las explicaciones '' Per© la naturaleza estadística de la rad iactiv id ad n o se in terp retab a c«m© u n a característica irreducible q u e hacía necesario u n rechazo de los model©s causales p©r principio. Tal interp retació n v in o s(')lo con la m ecánica cu án tica y, p©r esta razón, sería u n e rro r ver la radiactividad com© el p rim e r ejem plo c.©n»cid© de u n fen ó m en o acausal.

Rayos espurios, más o menos La rad iactividad, los rayos X y los rayos catódicos n o eran ‫ ط‬única clase de rayos que atraían aten ció n en los años alred ed o r de 1900. A raíz de estos fam osos descubrím ie n tas apareciero n diversas afirm aciones sobre el d escu b rim ien to de rayos que n o se co n firm a ro n de m a n e ra satisfactoria y que, de hecho, no existen. Si b ien estas afirm aciones, algunas de las cuales fúeron recibidas con g ran interés y aceptadas p o r m uchos físicos d u ra n te u n p erio d o de tiem p o , n o son m en o s parte de la física que esos otros d escubrim ien to s que clasificam os com o «reales» h o y en día. C onsiderem os, p o r ejem pío, la «luz negra» que fue an u n ciad a a p rin cip io s de 1896 p o r el físico aficionado francés Gustave LeBon, u n psicólogo y sociólogo que era u n im p o rta n te m iem b ro de u n o de los círculos intelectuales de París, y que ta m b ié n incluía a varios científicos p ro m inenies. LeBon afirm aba h a b e r detectad o u n n u eva e invisible rad iación que em anaba de u n a caja de m etal cerrad a irra d ia d a p o r u n a lá m p ara de aceite; la rad iació n po d ía p ro d u c ir u n a im agen en u n a placa fotográfica d e n tro de la caja. LeBon halló, adem ás, que la luz n eg ra -c o m o él la d e n o m in a b a - n o p o d ía desviarse en u n cam po m agnético y concluyó que n o p o d ía tratarse de rayos X o catódicos. En artículos y libros publicados d u ra n te la siguiente década, LeBon d efendió su d escubrim iento, realizó nuevos experim entos co n la luz n eg ra y la in te rp re tó com o u n a m anifestación de la desm aterialización g rad u al de la m ateria en la que él y m u ch o s o tro s creían (véase ta m


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bién el capítulo 1). A unque las afirm aciones de LeBon se recibieron fríam ente entre la m ayoría de los físicos y quím icos, n o fu ero n ignoradas en la literatu ra científica. En 1896 la A cadem ia de las C iencias de París escuchó la lectura de catorce artículos sobre luz negra, a co m p a ra r con los tres sobre los rayos de u ran io de Becquerel. E ntre los sim patizantes con las afirm aciones de LeBon estaba H enri Poincaré, el biofísico Arséne d ’Arsonvalle y el físico y p o ste rio rm e n te p re m io N obel G abriel L ippm ann. Sin em bargo, a u n q u e estos y o tro s científicos e n c o n tra b a n interesantes las especulaciones de LeBon sobre la m ateria, la electricidad y la energía, co n sideraban que la evidencia ex p erim en tal a favor de la luz n eg ra era poco convincente. A lrededor de 1902, el tem a de sapareció de las revistas científicas. El falso d escu b rim ien to de los rayos N en 1903 tiene varias características en com ún con el caso de la luz negra, p ero es incluso m ás n o tab le p o r la significante can tid ad de afirm aciones de q u e estos inexistentes rayos se h ab ía n confirm ado. Al c o n trario que LeBon, René B lo n d lo t de la U niversidad de N ancy era u n físico experim ental de gran rep u tació n cu an d o llegó a la conclusión, en la prim av era de 1903, de que se em itía una nueva radiació n de los tu b o s de descarga. Los rayos N (la «N» viene de N ancy) p o d ían atravesar m etales y m ad era y p o d ían ser enfocados, reflejados, refractados y d ifracta dos. B londlot y o tro s investigadores de los rayos N , m u ch o s de ellos en Nancy, p ro n to en co n traro n q u e los rayos se em itían ta m b ié n p o r q u em ad o res de gas, el sol, lám paras eléctricas incandescentes, m etales bajo defo rm acio n es y - lo m ás sensacional— p o r el sistem a nervioso h u m a n o . C o m o el d etecto r B londlot em pleaba las variaciones en el brillo de u n e n tre h ie rro y, m ás adelante, ta m b ié n p antallas con sulfuro de calcio lu m i noso. C on éstos exam inó el espectro de los rayos N , concluyendo que el fen ó m en o era com plejo y q u e existían d istin to s tipos de rayos N con distintos índices de refracción. Los rayos N n o existen, p ero d u ra n te algunos años esto no fue en absoluto evidente. D e hecho, al m en o s cu aren ta p ersonas «vieron» los rayos y p o r ta n to co n firm a ro n la afirm ación de B lo n d lo t y u n a p a rte sustancial de los cerca de 300 artículos que se p u blicaron sobre el te m a en tre 1903 y 1906 acep tab an q u e los rayos existían. ¿C óm o p o d ía ser esto posible? N o cabe d u d a de q u e p a rte de la respuesta debe en co n trarse en factores psicológicos y en la e stru c tu ra social característica de la c o m u n i dad científica francesa. U no de los investigadores de los rayos N era el joven Jean Bec querel (hijo de H en ri B ecquerel), q u ien m u ch o s años m ás tard e explicaría sus errores iniciales de esta m anera: «El m éto d o p u ra m e n te subjetivo utilizado para co m p ro b a r los efectos [de los rayos N] es anticientífico. Es fácil e n te n d er la ilusión que engañaba a los observadores: co n u n m éto d o tal siem pre ves el efecto esperado cu an d o estás p e r suadido de q u e los rayos existen, y tienes, a priori, la idea de que tal o cual efecto p u e de producirse. Si pides a o tro o b serv ad o r q u e co n tro le la observación, él tam b ién la ve (siem pre que él esté convencido); y si u n o b serv ad o r (que no está convencido) no ve nada, concluyes que n o tiene u n ojo sensible» (Nye 1980, p. 153). El hecho de que los rayos N eran en realidad efectos psico-fisiológicos (y psico-sociológicos) fue tam b ién la conclusión de críticos com o H ein rich R ubens y O tto L u m m er en A lem ania, Jean Pe r ó n en Francia y R o b ert W ood en los Estados U nidos. Los experim entos de B londlot

se hicieron «con rad iació n tan débil q u e n in g ú n observad©[- fuera de Francia ha sido capaz de detectarla en absoluto», co m o objetó u n escéptico. La co m binación de las críticas y de los fallos en p ro d u c ir nuevos resultados consistentes con los rayos N tuvo el efecto de q u e p ara 1905 se alcanzara el consenso de que los rayos no existían. En Nancy, los rayos sobrevivieron u n o s pocos años m ás. Todo este episodio sería visto m ás adelante co m o u n caso de «ciencia patológica», p ero ésta n o es u n a característica razonable. La m a n e ra en la q u e la investigación de los rayos N se desarrolló, no diferia fund am en talm en te de los p rim ero s desarrollo¿ de la física de la radiactividad o de los rayos cósm icos. U n n ú m e ro relativam ente g ran d e de físicos creía que los rayos N existía n y q u e h abía m otivos p ara tal creencia, p ero al final las razones n o fíreron lo bastan te fuertes y fu ero n co n trad ich as p o r o tro s experim entos. El episodio ilustra la potencia de ‫ ط‬subjetividad y la ilusión en la ciencia, pero ta m b ié n ilustra la ftrerza de la objetividad o b ten id a m ed ian te la repetición crítica de experim entos. La luz negra y los rayos N eran tan sólo dos de los varios rayos esp u rio s anu n ciados en elperiodo 1896-1910. La radiación producida en los tubos de rayos catódicos colocados en u n cam p o m ag n ético fu erte se h ab ía estu d iad o desde la década de 1850 y, al final del siglo, algunos físicos a p o rta ro n p ru eb as de u n a nueva clase de rayos catódicos qu e se c o m p o rta b a n co m o p ulsos de em an ació n m agnética. Estos «rayos m agneto-cató d ico s» a tra je ro n u n co nsiderable interés; los físicos discutían sobre si eran realm ente u n nuevo tip o de rad iació n eléctricam en te n e u tra o si se p o d ía n explicar m ed ian te la n o ció n de electrones de los rayos catódicos o rd in ario s. El d istin g u id o físico italian o A ugusto Righi creía en 1908 q u e h ab ía e n c o n tra d o evidencia innegable de lo que él llam ab a «rayos m agnéticos» y los explicaba co m o co rrien tes de dobletes n eu trales co m p u esto s de electrones u n id o s d éb ilm en te a iones positivos. D e 1904 a 1918, se p u b lic a ro n 65 artícu lo s sobre los rayos m agnéticos, dos tercios debidos a Righ i y o tro s físicos italianos. Si los rayos N eran franceses, los rayos m agnéticos eran rayos italianos. M ien tras q u e casi to d o s los artícu lo s italianos apoyaban el p u n to de vista de Righi sob re los rayos m agnéticos, n in g u n o de los de fuera de Italia aceptaba su afirm ación. La contro v ersia te rm in ó en 1918, c u a n d o nuevos exp erim en to s m o straro n que la afirm ació n de Righi n o p o d ía ser correcta. M ien tras que los fe n ó m en o s en los cuales se basaba la afirm ació n de los rayos N eran espurios, los exp erim en to s de Righi con rayos m agnéticos n o se discu tían . Su in te rp reta ció n fue lo ú n ico que se prob ó com o falso. Los info rm es sobre rayos cósm icos n o estaban inicialm ente m ejo r fim dados que los de los rayos N . Las m edidas de iones libres en la atm ósfera em pezaron sobre 1900, cu an d o se creía g eneralm ente q u e los iones ten ían su o rigen en la radiactividad, ya fuera de la tie rra o de sustancias gaseosas en el aire. Existían especulaciones ocasionales sobre u n posible o rigen extraterrestre, p ero d u ra n te u n tie m p o las m edidas eran todas dem asiado im precisas p a ra sostener esta conclusión. Si la fuerza de la radiación atm osférica fuera la tierra, la in ten sid ad debería decrecer con la altitud; si el origen fuera cósm ico, debería in crem entarse. Los experim entos que se realizaron alrededor de 1910 -a lg u n o s desde globos aerostáticos, algunos desde lo alto de la Torre Eiffel- sólo


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p ro d u je ro n confusión: algunas m edidas n o m o stra b a n n in g u n a variación apreciable con la altitu d , algunas m o stra b a n u n d ecrecim iento, y algunas u n increm ento. N o fue sino h asta 2‫ل‬9 ‫ ل‬cu an d o el físico austriaco V ictor Hess obtuvo resultados m ás fiables d u ran te u n vuelo en globo que lo llevó a u n a a ltitu d de 5.350 m . Hess halló que la intensidad de la reacción p rim e ro decrecía pero luego, a altitudes m ayores de 1.500 m , em pezaba a ascender m arcad am en te según la a ltitu d se increm entaba. Hess concluyó «que u n a rad iació n de m u y alto p o d e r p e n e tra n te e n tra en n u e stra atm ósfera desde arriba» (Xu y B row n 1987, p. 29). La conclusión fue co n firm ad a p o r el alem án W erner K ohlhórster quien llevó su globo a u n a altitu d m áx im a de 9.300 m etros en 1913-1914. C on estas m edidas, la existencia de u n a rad iació n cósm ica p en e tran te de naturaleza desconocida q u ed ó establecida, p ero hizo falta u n a década p ara que la m ayoría de los físicos se convencieran de q u e la radiació n era real. C u an d o M illikan llevó a cabo m edidas desde vuelos en globo sin trip u la c ió n en 1922-1923, no consiguió co n firm ar los resultados de Hess y K ohlhóster y concluyó q u e la rad iación p en etra n te n o existía. Dos años después, sin em bargo, en c o n tró la rad iació n altam ente p en etran te , acuñó el térm ino «rayos cósm icos», y dejó de d ar crédito en sus inform es a los resultados que se habían o b te n id o en E u ro p a m u c h o antes. En los Estados U nidos, se referían a los rayos con frecuencia com o «rayos de M illikan» y M illikan n o protestaba, ?e ro Hess fue al final reconocid o com o el verdadero d escu b rid o r de la radiación y en 1936 recibió el preTABLA 3.1 R eivindicaciones de descub rim ien to s, 2‫ ةا‬95 - ‫ل‬9 ‫ ل‬y su estado en 1915 Estado en 1915

E ntidad

Año

Científicos

A rgón

1895

Rayleigh y W. R am say

acep tado

Rayos X

1896

W. R ón tg en

acep tad o

R adiactividad

1896

H . B ecquerel

acep tad o

E lectrón

1897

J. J. T h o m so n

acep tad o

Luz negra

1896

G .L eB o n

rechazado

Rayos de canal

1898

W. W ien

acep tad o

E terio

1898

C. B rush

rechazado

Rayos N

1903

R. B londlot

rechazado

Rayos m agnéticos

1908

A. Righi

en d u d a

Rayos M oser

1904

J. Blaas y R C zerm ak

re in te rp re ta d o

E lectrones positivos

1908

J. Becquerel

re in te rp re ta d o

Rayos cósm icos

1912

V. H ess

in cierto

Nota: Los rayos de canal, o rayos positivos, fueron identificados en tubos de rayos catódicos p or Eugen Goldstein en 1886; se encontró que consistían de iones de gas positivos. Eterion fue el nom bre de un elemento quím ico consistente puram ente de éter que Charles Brush reivindicaba haber descubierto. Los rayos de Moser o metálicos, propuestos por prim era vez por el físico L. F. Moser en 1847, a veces se pen saba que eran rayos em anantes de los metales ilum inados y de otras sustancias. El fenóm eno fue expli cado como foto y electroquímico en la naturaleza.

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m ió N obel p o r su descu b rim ien to . Véase tabla 3.1 p ara u n resum en de las afirm acio nes de d escu b rim ien to s principales en el p erio d o de 1895-1912.

El electrón antes de Thomson A p esar de que se reconoce 1897 co m o el añ o del n a cim ien to oficial del electrón, sería dem asiad o sim plista a firm a r q u e J. J. T h o m so n sim plem ente d escu b rió la p a rtí cula en ese año. El electró n tien e u n a in teresan te y com pleja p re h isto ria cuya pista p u ed e rem o n ta rse razo n ab lem en te h asta la p rim e ra p arte del siglo xix. D e acuerdo con el p u n to de vista de la teo ría eléctrica favorecida en el co n tin e n te, la m ateria c o n sistía en, o incluía, co rp ú scu lo s eléctricos q u e in te ra c tu a b an in stan tá n ea m en te. Esta versión de la electricid ad y el m ag n etism o se re m o n ta a A nd ré-M arie A m pére y O ttaviano M o sso tti en la d écada de 1830, y se p u ed e e n c o n tra r en u n a fo rm a ru d im e n ta ria tan p ro n to co m o 1759, en u n tra b a jo del científico ru so Franz TEpinus. M ás a d e lan te en el siglo xix fue d esarro llad a m u ch o m ás p o r varios físicos alem anes, incluyendo a R u d o lf C lausius, W ilhelm W eber y K arl-F riedrich Z óllner. En estas te o rías, se co n sid erab a q u e los constituyentes fu n d am en tales ta n to de la m ateria com o del éter era n h ip o téticas p artícu las eléctricas. En este sentido, las p artícu las se co rres p o n d ía n co n los electrones p o sterio res. D u ra n te la década de 1850 y m ás adelante, W eber y o tro s in te n ta ro n c o n stru ir m o d elo s de la m a teria y del éter a p a rtir de p a r tí culas de carga p ositiva y negativa +e y - e , sien d o e u n a u n id a d de carga desconocida. Sin em bargo, co n la creciente p o p u la rid a d de la teo ría de cam pos m axw elliana (d o n de n o hay sitio p a ra las p artícu las eléctricas) las teo rías fú ero n ab a n d o n ad as p o r la m ayoría de los físicos. U na fuente b astan te d istin ta del concepto m o d e rn o de electrón se p u ed e en c o n tra r en la in terp retació n co rp u scu lar de las leyes electrolíticas de M ichael Faraday, espe cialm ente com o las en u n ciaro n G eorge Johnstone Stoney en Irlan d a y H erm a n n von H elm holtz en A lem ania. En 1874, Stoney p ro p u so el «electrino» com o u n id a d de car ga eléctrica, y en 1891 in tro d u jo el «electrón» com o u n a m ed id a de la u n id a d de carga atóm ica. In d e p e n d ie n te m en te de Stoney, H elm h o ltz discutió la causa de los «átom os de electricidad» en su sem in ario Faraday de 1881. El electrón de S toney-H elm holtz p o día ser ta n to u n a carga positiva com o negativa y, al co n trario del concepto de electrón posterior, se concebía com o u n a u n id a d de can tid a d de electricidad m ás que com o u n a partícu la que residiera en todas las fo rm as de la m ateria. En algunos de sus escritos, sin em bargo, Stoney asoció su electrón n o sólo con la electrólisis sino tam b ién con la e m i sión de luz. En 1891 sugirió que los electrones ro ta n d o en m oléculas o áto m o s p o d ría n ser responsables de las líneas espectrales, u n a idea q u e estaba cercana a la que se acep taría p o r teóricos del electró n posteriores. U na tercera versión em ergió a p rin cip io s de la década de 1890 en conexión con las «teorías del electrón», in tro d u cid as p rin cip alm en te p o r H e n d rik A. Lorentz en los Paí ses Bajos y Joseph L arm o r en Inglaterra. (Las teorías de L orentz y L arm o r diferían en m u ch o s aspectos, p ero p a ra n u estro s p ro p ó sito s ig n o rarem os las diferencias.) Al c o n


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trario que las o tras versiones, el electrón de L o ren tz-L arm or era parte de la teoría del cam po electrom agnético y se concebía com o u n a e stru c tu ra en el éter continuo. Estas estructuras con características de p artícu la se d en o m in a b an h ab itu alm en te «partículas cargadas» o «iones», p ero en su teo ría de 1894, L arm o r in tro d u jo el té rm in o de Stoney electrón» p a ra referirse a u n a sing u larid ad en el éter electrom agnético. C ualquiera que fuese el n o m b re, el concepto in tro d u c id o p o r L orentz y L arm or era al p rincipio una en tid a d altam en te ab stracta q u e n o se m anifestaba n ecesariam ente com o u n a p a r tícula real y observable. Sus partículas cargadas eran de carga y m asa n o especificadas y generalm ente n o se pen sab a que fu eran subatóm icas. El electrón electrom agnético de Larm or era p rin cip alm en te u n a e stru c tu ra libre en el éter, pero desde ap ro x im ad a m ente 1894, em pezó a co n sid erar a los electrones tam b ién com o unidades p rim o rd ia les de m ateria, con carga o b ien positiva o b ien negativa. P or ejem plo, en 1895 sugirió que «una m olécula [átom o] p o d ía estar fo rm ad a de, o involucrar, u n a configuración estacionaria de electrones girando» (L arm o r 1927, p. 741). Los electrones electrom ag néticos hab ían hecho su e n tra d a en la teo ría atóm ica, a u n q u e hasta entonces de u n a m anera laxa. H asta 1896, n in g u n a de las tres ru tas hacia el electrón que se h an m e n cionado o p erab an con partículas q u e tu v ieran u n a razó n carga/m asa (e/m ) m u ch o m ayor que las razones de los iones d eterm in ad as m ed ian te electrólisis. En 1896 tuvo lugar u n cam bio crucial en la conceptualización del electrón, con el descu b rim ien to de Pieter Z eem an de la influencia m agnética sobre la frecuencia y p o larización de la luz. Z eem an observó u n en san ch am ien to de las líneas espectrales a m a rillas del sodio, u n resultado q u e era n o sólo im previsto para la teoría sino tam bién ap aren tem en te co n trad icto rio con las teorías de la em isió n de luz asociadas con las te o rías del electró n de L orentz y L arm or. C u an d o Z eem an co m unicó su resultado a Lo rentz, su an tig u o p ro feso r y en ese m o m e n to colega en la universidad de Leiden, éste respondió q u e «eso tiene m u y m ala pin ta; n o está de acuerdo en absoluto con lo que cabe esperar» (A rabartzis 1992, p. 378). Sin em bargo, lo que al prin cip io aparen tab a ser u n a seria anom alía, ráp id am en te se co nvirtió en u n a b rillan te confirm ación de la te o ría del electrón. Según Lorentz, la em isión de luz era consecuencia de «iones» v ib ra n do. C u an d o se en c o n tró con el d escu b rim ien to de Z eem an, calculó en u n caso sencillo q ué efecto te n d ría si u n cam po m agnético actu ara sobre la fuente de luz. El resultado fue que la frecuencia original b ien definida se sep araría en dos o tres frecuencias dis tintas con u n en san ch am ien to q u e d ep en d ería de la razó n e/m del ión. Lo que Z eem an había observado era u n d esdibujam iento, n o u n a separación de las líneas, pero guiado p o r la predicción de Lorentz, e n c o n tró las líneas separadas en experim entos p o ste rio res. A dem ás, a p a rtir del en san ch am ien to observado, se en co n tró u n valor de e/m n o tablem ente gran d e a p a rtir de la teo ría de Lorentz; en concreto, de u n o rd en de m ag n itu d 107 em u/g, o ap ro x im ad am en te 1.000 veces el valor electrolítico del h id rógeno (1 em ú, o u n id a d electrom agnética, equivale a 10 culo m bios). M ientras que la p rim e ra reacción de L orentz h abía sido con sid erar el valor «m uy m alo» p ara su teoría, se dio cuen ta que teo ría y ex p erim en to se p o d ía n reconciliar si los osciladores iónicos (los electrones) tu v ieran esta razó n e/m ta n grande. O tro resultado im p o rta n te se seguía del

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análisis de Lorentz: que la polarización o bservada de los com p o n en tes requería que los osciladores estuvieran cargados negativam ente. El efecto Z eem an, ju n to con fen ó m en o s tales com o la co n d u ctiv id ad eléctrica y las propiedad es ópticas de los m etales, llevaron a L orentz y a o tro s a u n a n o ció n m ás res trin g id a y d efinida del electrón: a h o ra se veía cada vez m ás com o u n a p artícu la su b a tó m ica y de carga negativa con u n a razó n carga/m asa un as m il veces su p erio r al valor n u m érico del ió n hidró g en o . Este valor ta n g ran d e p o d ía significar, o bien u n a carga m u y g ran d e, o b ien u n a m asa m u y peq u eñ a, o u n a co m binación de las dos. A ntes del descu b rim ien to de Z eem an, L arm o r h abía a trib u id o al electrón u n a m asa com parable a la del á to m o de h idrógeno; tras el descu b rim ien to , y ju sto antes de los experim entos de J. J. T h o m so n , estaba dispuesto a consid erar u n electrón m ucho m ás p eq u eñ o que el áto m o de hidró g en o . En u n o s pocos m eses to d o este asunto a d q u irió u n a nueva perspectiva gracias a los resultados o b ten id o s del estudio experim ental de los rayos ca tódicos.

La primera partícula elemental C om o hem o s visto, cu an d o J. J. T h o m so n llevó a cabo sus celebrados experim entos en 1897, el electrón era u n a p artíc u la b ien conocida, au n q u e hipotética. Sin em bargo, esto n o significa que T h o m so n d escubriera ex p erim en talm en te lo que Lorentz y otros h ab ían pred ich o teóricam en te. La p artícu la de T h o m so n al p rin cip io se consideraba distinta a las versiones anteriores del electrón, e hicieron falta varios años para que las dis tintas im ágenes confluyeran en u n a concepción del electrón singular y unificada. La cuestión sobre la n atu raleza de los rayos catódicos -¿ e ra n procesos corp u scu la res o etéreo s?- n o se discutía m u ch o en In g laterra hasta 1896, cu a n d o el descu b ri m ien to de R óntgen hizo que los rayos catódicos ad q u irieran p ro m inencia. Fue sobre to d o este d escu b rim ien to el q u e hizo q u e T h o m so n asum iera el problem a; p o r lo ta n to, pued e arg u m en tase q u e n o sólo la radiactiv id ad se debe a los rayos X, sino que ta m b ién el electrón, au n q u e de u n a m a n e ra m en o s directa. C onvencido de que los rayos catódicos e ra n corpusculares, T h o m so n decidió m ed ir su velocidad y su valor de e/m . En su p rim e ra serie de experim entos, m id ió las dos cantidades co m b in a n d o la defle xión m agnética con u n m éto d o calorim étrico (term oeléctrico) de m ed ir la energía ci nética de los rayos. Ya q u e los experim entos in dicaban que el valor de e/m era in d e p en d ien te ta n to del m aterial del cáto d o com o del gas en el tu b o , sugirió que las partículas de los rayos catódicos eran constituyentes subatóm icos universales de la m a teria. P or aquel entonces todavía n o hab ía d eco n stru id o el ex p erim en to de H ertz, que era u n a rg u m en to c o n tra la hipótesis corpuscular. Pero esto n o le p reocupaba, puesto que estaba convencido de que H ertz h ab ía fallado p o rq u e el tu b o de descarga no se h a bía evacuado lo suficiente y que la falta de deflexión observada era resultado de la c o n ductiv id ad en el gas residual. Fue sólo en u n ex p erim en to p o ste rio r cu an d o T h o m so n p ro b ó su caso, deflectando electrostáticam ente rayos catódicos en u n tu b o altam ente vaciado. M an ip u lan d o los

Descargas en gases y‫ﻩ؛‬

rayos en u n cam p o cruzad o m agnético y '

que siguió 41

ten ía a su disposición o tro m é-

todo de d e te rm in a r e/m; el resultado que o b tu v o estaba de acuerdo con el del m éto d o original. En su fam oso artícu lo pub licad o en Philosophical M agazine en octu b re de 1897, T h o m so n reiteraba y am plificaba su conclusión an te rio r sobre la naturaleza y significación de los rayos catódicos. P rim ero , en c o n tró que e/m era de u n o rd e n de m ag n itu d de 107em u /g , lo cual in te rp re tó al p rin cip io com o u n a co m binación de u n a m asa p eq u eñ a y u n a carga elevada. P ro n to cam bió de o p in ió n y a rg u m en tó que la carga era igual a la u n id a d de carga electrolítica, lo cual significaba que la m asa de la partícula de los rayos catódicos era u n as 1.000 veces m e n o r que la del á to m o de hidrógeno. En segundo lugar, lanzó la arriesgada hipótesis, a p a rtir de la escasa evidencia, de que la partícu la era la constitu y en te de to d a la m ateria, la protyle ta n to tiem p o buscada, «que tan to s quím icos h a n co nsiderado favorablem ente». T h o m so n sugirió que u n a disociación del á to m o ten ía lug ar en el in ten so cam po eléctrico cerca del cátodo, en concreto que los áto m o s del gas (n o del cáto d o ) se ro m p ía n en sus «átom os p rim o rdiales» constituyentes, «que p o r brevedad llam arem os corpúsculos». P ara T h o m so n , la elucidación de la n atu raleza de los rayos catódicos era im p o rta n te sobre to d o den tro del contexto de la teoría atóm ica: «En los rayos catódicos ten em o s m ateria en u n nuevo estado, u n estado en el q u e la subdivisión de la m ateria se lleva m u c h o m ás allá que en estado gaseoso o rd in ario : u n estado en el q u e to d a la m ateria [...] es de u n a m ism a clase; esta m ateria es la sustancia de la cual to d o s los elem entos quím icos se co n stru yen» (D avis y Falconer 1997, p. 169). La afirm ación de T h o m so n sobre la universalidad de los corpúsculos era u n a hipótesis arriesgada con sólo u n a base experim ental escasa. Estaba lejos de ser u n a conclusión derivada inductivam ente del experim ento, pero era u n a conclusión para la cual T hom son estaba bien preparado. D u ran te m uchos años, había considerado ideas similares a las de «m uchos quím icos» y existían sorprendentes sim ilitudes entre sus corpúsculos subatóm icos de 1897 y la teoría atóm ica de vórtices que había sostenido m uchos años antes. M enos de u n año antes de sus prim eros experim entos sobre e/m , sugirió, en u n a discusión sobre la absorción de los rayos X, que «esto parece favorecer ‫ ط‬idea de P rout de que los distintos elem entos son com puestos de u n elem ento prim ordial» (T hom son 1896, p. 304). En lo tocante a ‫ ط‬inspiración, la afirm ación de su descubrim iento y el concepto del corpúsculo parecen deber poco a la teoría del electrón contem poránea. W illiam P rout, N o rm an Lockyer y Crookes fueron m ás im p o rtan tes que Larm or, Z eem an y Lorentz. La conclusión de Z eem an-L orentz sobre los electrones subatóm icos estaba de acuerdo con el p u n to de vista de T hom son, pero no influyó m u ch o sobre éste. T h o m so n llam ó a sus partículas p rim o rd iales «corpúsculos». D ado que el n o m b re de «electrón» ya se utilizaba y que la teo ría del electrón iba de cam in o a convertirse en u n a ram a de m o d a en física teórica, ¿por q u é n o llam ó a las partículas con ese n o m bre? Para ser breves, T h o m so n n o creía q u e su p artícu la fuera idéntica a la p artíc u la de Lorentz-Larm or y enfatizó la diferencia escogiendo o tro nom bre. D e acuerdo con T h o m son, los corpúsculos de los rayos catódicos n o eran etéreos -ca rg a s sin m ateria, com o dirían los teóricos del e le c tró n - sino partículas m ateriales cargadas, p ro to -á to m o s de

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n atu raleza quím ica. En su artícu lo de o ctu b re de 1897, T h o m so n consideraba breve m en te la posibilidad de som eter a la m ateria co rp u scu lar a «investigación quím ica d i recta», pero rechazaba la idea p o rq u e la can tid ad de sustancia co rp u scu lar p ro d u cid a en u n tu b o de rayos catódicos era, con m ucho, dem asiado pequeña. La identificación de los corpúsculos con los electrones libres fue sugerida p o r p rim e ra vez p o r G eorge FitzG erald, in m ed ia ta m e n te después de que T h o m so n an u n ciara su descubrim iento. D e m an e ra característica, F itzG erald consideraba la rein terp retació n u n a ventaja p o r que «no su p o n e que el electró n sea u n a p a rte constituyente del átom o, ni que estem os d iso cian d o á to m o s, n i qu e, en consecu en cia, estem os sig u ien d o el c am in o de los al quim istas» (F alconer 1987, p. 273). Sin em bargo, esto es exactam ente lo que T ho m so n asum ía. D e acuerdo con él, los áto m o s n o sólo se co m p o n ían de corpúsculos, sino que tam b ién p o d ía n d escom ponerse en corpúsculos. A T h o m so n se le conoce com o el d e sc u b rid o r del electrón p o rq u e sugirió que los corpúsculos eran constituyentes subató m ico s de la m ateria, partículas elem entales; p o rq u e a p o rtó alguna evidencia experim en tal a esta sugerencia; y p o rq u e sus co n te m p o rán eo s y los físicos posterio res acep taro n y su stan tivizaron esta afirm ación. N o des cu b rió el electró n sim p lem en te m id ie n d o el valor de e/m de los rayos catódicos. Estas m edidas, m ás precisas que las de T h o m so n , las estaban llevando a cabo al m ism o tie m po Em il W iechert y W alter K aufm ann en A lem ania. El p rim e r resultado de W iechert fue e/m = 2 x 107 em u /g y K aufm ann o b tu v o inicialm ente u n o s 107 em u/g, lo cual, m ás avanzado el m ism o año, m ejo ró a 1,77 x 107 em u/g. El valor m edio de T h o m so n era 0,77 X em u/g, a co m p a ra r con el valor m o d e rn o de 1,76 x em u/g. A unque K aufm ann, com o T h o m so n , varió el m aterial del cáto d o y del gas en el tu b o , n o sugirió a p a rtir de sus datos q u e los rayos catódicos fu eran corpusculares. W iechert sí lo hizo, pero no hizo las m ism as am plias generalizaciones de su colega de C am bridge, y así perd ió u n o de los m ás im p o rta n te s d escu b rim ien to s de la h isto ria de la física. La idea de T h o m so n sobre co rpúsculos o electrones recibió p ro n ta confirm ación gracias al estu d io de u n a am plia v aried ad de fenóm enos. E lectrones con valores de e/m ap ro x im ad am en te com o los sugeridos p o r T h o m so n se detectaro n en fotoelectricidad, radioactiv id ad b eta y fen ó m en o s term o ió n ico s, y fu ero n inferidos en m agnetoóptica, co nducció n m etálica y reacciones quím icas. Para asentar la cuestión de la m asa del electrón, su carga debía d eterm in arse. Esto se llevó a cabo en los años finales del siglo p o r T h o m s o n y sus a so c ia d o s d e l la b o r a to r io C a v e n d ish , e sp e c ia lm e n te C h arles T. R. W ilson y John Tow nsend. En 1899, hab ía o b ten id o u n valor cercano al del h i d rógeno en la electrólisis, lo cual co rresp o n d ía a u n a m asa de electrón 700 veces m e n o r que la del á to m o de hidró g en o . D u ra n te el m ism o co rto p e rio d o el concepto del electrón se estabilizó y a finales de siglo la identificación corp ú scu lo -electró n se acep taba generalm en te y se olvidó la resistencia inicial de T h o m so n a la idea. T h o m so n se q uedó casi solo utilizando el térm in o «corpúsculo» p ara lo que otros físicos d en o m in a b an electrón. P or aquel entonces, concebía que la m asa de las partículas era electrom ag nética, lo cual ayudó a fo rm ar u n a visión de consenso del electrón. El electrón se había convertido en u n a p artícula m ad u ra, pero otros cam bios aguardaban en el futuro.


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O tra im p o rta n te consecuencia de los sucesos en tre 1896-1900 fue u n a aceptación general de u n a asim etría en tre cargas positivas y negativas. El electrón de Z eem an era negativo, y tam b ién el co rp ú scu lo de T h o m so n . Los electrones positivos de teorías electrónicas anterio res se co n v irtiero n en p artícu las h ipotéticas y se ab a n d o n a ro n d u rante los p rim ero s años del siglo xx. U nos p oco físicos m a n tu v iero n h a b er en co n trad o evidencia de electrones positivos, p ero sus afirm aciones no se to m a ro n m uy en serio. «Si hay u n a cosa q u e la investigación reciente sobre electricidad h a establecido», escri bió N o rm a n C am pbell en 1907 en su M o d e rn Electrical Theory, «es la diferencia fu n d am ental en tre electricidad positiva y negativa» (K ragh 1989b, p. 213). Para resum ir, el electrón de p rin cip io s del siglo xx te n ía carga negativa y u n a m asa sobre u n a m ilésim a la del áto m o de h id ró g en o ; la m asa se p en sab a q u e ten ía u n origen parcial o to ta lm e n te electrom agnético. El electrón p o d ía existir lib rem en te o estar ligado a la m ateria y se reconocía com o u n constituyente de to d o s los átom os, quizá incluso el único co n sti tuyente.

C A P ÍT U L O 4


El átomo de Thomson Se p u e d e n e n c o n tra r ideas especulativas sobre la con stitu ció n de los áto m o s m uchas décadas antes del d escu b rim ien to del electrón, p ero sólo con la nueva partícu la a d q u i rie ro n los m odelos atóm icos u n estatus m ás realista. El electrón se aceptó general m ente com o u n b lo q u e constitu y en te de la m ateria, lo cual co n d u jo directam en te al p rim e r m o d elo elab o rad o del in te rio r del átom o. El im p o rta n te m odelo del «pudín de ciruelas» de T h o m so n , consistente en electrones m an ten id o s en posiciones de equili b rio p o r u n fluido positivo, se en u n ció p o r p rim e ra vez en su artículo de 1897, pero es tab a en d e u d a con trab ajo s llevados a cabo m u ch o s años antes. U na de las fuentes im p o rta n te s era la teo ría ató m ica de vórtices, de acuerdo con la cual los áto m o s se concebían com o vórtices en u n fluido perfecto que invadía todo. O tra fuente fue u n ex p erim en to q u e realizó el físico estadounidense A lfred M . M ayer en 1878. M ayer som etió a agujas im an tad as id én ticam ente que flotaban en agua a la fuerza atractiva de u n electro im án cen tral y observó que las agujas asu m ían posiciones de equilibrio en círculos concéntricos. Lord Kelvin (entonces todavía W illiam T hom son) se dio cuenta in m ediatam ente de que el experim ento proporcionaba u n a buena analo gía con la teoría atóm ica de vórtices. La analogía fue asum ida p o r el joven J. J. T ho m so n en su ensayo g an ad o r del p rem io A dam s de 1883, d o n d e se o cu p ó con gran detalle m a tem ático de la teo ría de vórtices de Kelvin. En este trabajo, T h o m so n (a p a rtir de a h o ra, «T hom son» se referirá a J. J.) exam inó teó ricam en te la estabilidad de u n n ú m ero de vórtices dispuestos en intervalos iguales alrededor de la circunferencia de u n círculo. P ara m ás de siete vórtices, d o n d e los cálculos se volvían altam en te com plejos, refería a los exp erim en to s de M ayer con im anes com o guía. T h o m so n asum ió que sus vórtices elem entales eran de la m ism a fúerza, lo cual n o sólo sim plificaba los cálculos sino que tam b ién estaba de acu erd o con su inclinación hacia u n a teo ría m o n ista de la m ateria. H ay u n a clara analogía en tre su d istrib u ció n de vórtices de 1883 y su d istrib u ció n de


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electrones posterior. A unque T h o m so n , co m o la m ayoría de los otros físicos, a b a n d o nara la teo ría ató m ica de vórtices sobre 1890, la idea le siguió atrayendo. En 1890 e n lazó el sistem a p erió d ico de los elem entos con el m o d elo atóm ico de vórtices y señaló la sugerente sim ilitu d en tre u n a d istrib u ció n de vórtices en colum nas y la regularidad que se e n co n trab a en tre los elem entos quím icos: «Si im aginam os que las m oléculas [átom os] de to d o s los elem entos están com puestas del m ism o átom o p rim o rd ial [p ar tícula elem ental], e in te rp re ta m o s q u e u n n ú m e ro ató m ico ascendente indica u n in crem ento en el n ú m e ro de estos áto m o s, entonces, desde este p u n to de vista, según se in crem en ta c o n tin u a m e n te el n ú m e ro de áto m o s, ciertas peculiaridades en la estru c tu ra serán recurrentes» (K ragh 1997b, p. 330). C laram ente, T h o m so n se inclinaba p o r concebir el á to m o com o u n sistem a co m p u esto de elem entos p rim ordiales años antes del descu b rim ien to del electrón. En su artícu lo de o ctu b re de 1897, T h o m so n sugirió que los áto m o s consistían en u n gran n ú m e ro de corpúsculos (electrones), q u e posiblem ente se m an ten ían ju n to s p o r u n a fuerza central. A poyándose en el ex p erim en to de Mayer, indicó que la confi guración de electrones era u n a e stru c tu ra an u lar y que tal configuración p o d ría expli car el sistem a periódico. En esta p rim e ra versión del m o d elo de T h o m so n , la im agen del áto m o era sim p lem en te u n agregado de electrones y «huecos», así pues, su p o n ie n do fuerzas de C o u lo m b en tre los electrones, n o existía fuerza atractiva que im pidiera que el áto m o explotara. D os años después, T h o m so n p resentó u n a hipótesis m ás defi nitiva, en la cual fo rm u lab a explícitam ente lo q u e p ro n to pasaría a conocerse com o el m odelo ató m ico de T h o m so n : «C onsidero que el áto m o contiene u n gran n ú m e ro de cuerpos m ás peq u eñ o s, los cuales llam aré corpúsculos [...] En el áto m o no rm al, este agregado de corpúsculos fo rm a u n sistem a que es eléctricam ente n eu tro . A unque los corpúsculos individuales se c o m p o rta n co m o iones [cargas] negativos, a u n así, c u a n do están agregados en u n á to m o n e u tra l el efecto negativo está co m p en sad o p o r algo que causa q u e el espacio a través del cual los corpúsculos están rep artid o s actúe com o si tuviera u n a carga de electricidad positiva igual en can tid a d a la su m a de las cargas negativas en los corpúsculos» (K ragh 1997b, p. 330). T h o m so n em pezó a desarrollar u n m o d elo cuan titativ o a p a rtir de esta idea sólo en 1903, poco después de que tu v ie ra conocim ien to de u n m odelo en cierto m o d o sim ilar p ro p u esto p o r Lord Kelvin. La esencia del m odelo atóm ico clásico de T h o m so n , según se presentaba en libros y artículos en tre 1904 y 1909, era ésta: p o r razones de sim plicidad, T h o m so n re strin gía su análisis sobre to d o a anillos ro tato rio s de electrones restringidos a u n plano y su jetos a la fúerza elástica d ebida a u n a esfera h o m o g én ea de electricidad positiva. M e diante cálculo directo, exam inaba la estabilidad m ecánica de las configuraciones de equilibrio, rech azan d o aquellas q u e n o fú eran estables. Los com plicados cálculos de es tabilidad de T h o m so n eran b astan te sim ilares a los q u e h abía utilizado en su trab ajo sobre el áto m o -v ó rtice m ás de veinte años antes. Los com plejos cálculos, los cuales su plían con u n m éto d o m ás ap ro x im ad o p a ra u n n ú m e ro m ayor de electrones, m o stra b an que los electrones estarían dispuestos en u n a serie de anillos concéntricos de tal m an era qu e el n ú m e ro de p artícu las en u n anillo se in crem en taría con el radio del ani-

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lio. Ejem plos de sus eonfiguraciones de equilibrio de 1904 son 1, 8, 12, 16 p ara n = 37 y 1, 8, 12, 16, 19 p a ra n = 56. Eos electrones acelerados em itirían energía electrom agnética, y T h o m so n tuvo, p o r lo tan to , que asegurarse de que sus áto m o s no fueran inestables " ' y se colapsaran. A plicando u n a fó rm u la derivada p o r L arm o r en 1897, p u d o m o stra r que la rad iació n crecía d rásticam ente con el n ú m e ro de electrones en los anillos y pod ía, p o r lo tan to , a to d o s los efectos, ignorarse. El áto m o original de T h o m so n era estable m ecánicam ente, adem ás de ser radiativam ente estable. T h o m so n se dio cu en ta de que su m o d elo p lan o del á to m o debería generalizarse a u n m odelo esférico, p ero n o veía razó n p a ra em barcarse en los cálculos hercúleos que tal extensión requeriría. D espués de tod o , el n ú m e ro de electrones en los áto m o s reales era desconocido, así q u e u n a co m p aració n detallada con las propiedades fisicoquím icas de los elem entos se p o d ía descartar. El m o d elo era sin d u d a el m odelo atóm ico m ás p o p u la r en el p e rio d o 1904-1910, cu an d o m uch o s físicos lo co n sideraban una buena ' de la verd ad era co n stitu ció n de los átom os. En u n a clase en G otinga en 1909, M ax B orn la alabó d iciendo que «es com o u n extracto para p ian o tom ad o de las g randes sinfonías de los áto m o s lum inosos». R u therford y Lorentz tam b ién co n sid erab an que el m o d elo era atractivo y lo u tilizaron en sus pro p io s trabajos. Las características atractivas del m o d elo estaban p a rtic u larm en te relacionadas con su n atu raleza m o n ista, que p ro m e tía n u n a red u cció n de to d a la m ateria a electrones, de acuerdo con el p u n to de vista electrom agnético. A dem ás, los cálculos de T h o m so n dota ro n al m o d elo de u n a g ran a u to rid a d m atem ática, au n q u e la m ayoría de los físicos prestaro n poca aten ció n a los detalles de las c o n f in a c io n e s electrónicas. En lo tocante a credenciales em píricas, sin em bargo, el m odelo era m enos im presionante. £ ra capaz de explicar, de u n a m an era cualitativa y vaga, fenóm enos com o la radiactividad, fotoelectricidad, dispersión, em isión de luz, efecto Z eem an n orm al, y, no m enos im p o rtan te, el sistem a periódico. D e m a n e ra adicional, p ro m etía ilu m in ar m uchos hechos quím icos y era, p o r este m otivo, p o p u la r en tre m u ch o s quím icos, ?e ro en la m ayoría de los casos, las explicaciones eran analogías sugerentes m ás que deducciones basadas en los detalles del m odelo. Era evidente desde el p rin cip io que el m o d elo de T h o m so n era problem ático, tan to conceptual com o em p íricam en te. U no de los p u n to s débiles era la electricidad positiva, su p u estam en te sin fricción n i m asa, y a la p o stre u n a m anifestación de los electro n es negativos. C o m o T h o m so n escribió a O liver Lodge en 1904, «siem pre he tenido la esperanza (todavía n o satisfecha) de ser capaz de arreglárm elas sin e le c tific ac ió n positiva com o u n a en tid ad separada, y reem plazarla p o r alguna p ro p ie d ad de los corpúsculos. [...‫ ا‬U no presiente, yo creo, q u e la electrificación positiva al final acabará siendo su perflua y que será posible o b te n e r los efectos que a h o ra le a trib u im o s a ella de alguna p ro p ie d a d de los corpúsculos» (D ahl 1997, p. 324). T h o m so n n u n ca consiguió explicar la electricidad positiva com o u n epifenóm eno, ? o r el co n trario , a p a rtir de distintas clases de evidencia experim ental, concluyó en 1906 que el n ú m e ro de electro n es era com parable al peso atóm ico, u n a conclusión que se aceptó p ro n to en general. D u ra n te u n o s pocos años posteriores, u n c u erp o de creciente de pru eb as indicaba


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que el n ú m e ro p o d ía ser incluso m enor, posib lem en te corresp o n d ien te al n ú m e ro de ordenaciún en el sistem a periódico. Esta conclusión era m olesta, ya que entonces la esfera positiva debería resp o n d er de la m ayor p arte de la m asa del átom o, lo cual contradecía la concepción electrom agnética de la m asa. (La inercia electrom agnética varía inversam ente con el rad io de la carga y, p o r tan to , debería ser despreciable p a ra u n cuerpo de d im en sio n es atóm icas.) N o es so rp ren d en te que Lodge llam ara a la estim ación de T h o m so n sobre el n ú m e ro de electrones «el m ás serio golpe p ro p in ad o p o r ah o ra a la teo ría eléctrica de la m ateria». El p eq u eñ o n ú m e ro de electrones resu ltab a u n p ro b lem a n o sólo p ara ‫ ظ‬visión '

de la m ateria, sino tam b ién , y en particular, p a ra la credibilidad del

m odelo de T h o m so n . En 904‫ ل‬T h o m so n n o necesitaba u n a com p aració n exacta entre sus átom os m odelo y los que realm ente existían, ya q u e con varios m iles de electrones hasta en los áto m o s m ás ligeros n o había m a n e ra en la cual tal co m paración p u d iera establecerse. A lrededor de 1910, h abía b u e n o s m otivos p a ra creer que el á to m o de h‫؛‬dró geno conten ía sólo u n electrón, en á to m o de helio dos, tres o cu atro, etcétera; esto significaba que los cálculos del m o d elo de T h o m so n n o se p o d ían c o n fro n tar con las propiedades quím icas y físicas de los elem entos reales. En el caso de los elem entos m ás ligeros, ya n o se p o d ía a rg u m e n ta r que el n ú m e ro de electrones era dem asiado grande o que los cálculos trid im en sio n ales no eran posibles técnicam ente. A unque T h o m so n co n tin u ó com o si el p ro b lem a n o existiera, estaba claro que la deseada corresp o n d en cia en tre el m o d elo y la realidad sim p lem en te n o existía. H abía o tro s p roblem as de u n a n aturaleza m ás em pírica. En particular, el m odelo de T h o m so n era incapaz de explicar, sin suposiciones artificiales, las conocidas regularidades de los espectros de líneas, com o la ley de Balmer. En efecto, la m ayoría de los espectros parecían p lan tear p roblem as, ya q u e de acu erd o a T h o m so n , ‫ ظ‬luz se em itía p o r las vibraciones de los electrones y esto req u ería q u e el n ú m e ro de electrones fuera del m ism o o rd en que el n ú m e ro de líneas espectrales observadas. ¿Cóm o p o d ían entenderse los m iles y m iles de líneas halladas en m u ch o s espectros m etálicos a p a rtir de las vibraciones de cien o m en o s electrones? N uevos ex perim entos añ ad iero n pro b lem as al áto m o de T h o m so n . T h o m so n explicaba la dispersió n de las partículas b eta asu m ien d o dispersión m últiple, es decir, que la dispersión o b servada era el resultado colectivo de m u chas dispersiones individuales en los electrones atóm icos. Sobre esta base, consiguió explicar de m an e ra b astan te satisfactoria los d ato s experim entales, ? e ro la teo ría de dispersión de T h o m so n fallaba cuan d o se co n fro n tab a con los resultados de los ex perim entos sobre dispersión alfa, ? o r o tro lado, éstos se explicaban m u y b ien m ed ian te la idea de R utherford de u n n ú cleo atóm ico; p o r esta razón, los ex perim entos de d ispersión alfa se h an co ntem plado trad icio n alm en te com o el exam en crucial en tre las dos teorías de e stru ctu ra atóm ica. Sin em bargo, p o d ría llevar a confusión co n sid erar que la caída del átom o de T h o m so n sim plem en te se debe al resu ltad o de los exp erim en to s sobre dispersión alfa de M anchester. U na teo ría n o se refirta sólo p o rq u e deje de explicar algunos experim entos. La refinación de la teo ría atóm ica de T h o m so n fue u n proceso gradual, d u ra n te el cual se

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acu m u laro n anom alías y se fue hacien d o m ás y m ás evidente que el m odelo n o se podía desarro llar hacia u n estado s a tis f a c to r io . Sobre 1910, antes de que R u therford propusiera su núcleo atóm ico, el m o d elo de T h o m so n h abía p erd id o gas y ya no se consideraba atractivo p o r la m ayoría de los físicos. U nos pocos, incluyendo Erich Eiaas en ‫ل‬9 ‫ ﻫﻞ‬y Ludwig FOppl en 1912, c o n tin u a ro n investigando el m odelo, pero las investigaciones eran p rin cip alm en te m atem áticas y n o te n ían relevancia p ara los áto m o s reales que estu d iab an los experim entales. En u n trab ajo de 1910, Haas, u n físico austríaco, sugirió relacionar la co n stan te de ? la n c k co n las dim ensiones de u n áto m o de h‫؛‬،lrógeno de T h o m so n . U tilizando algunas suposiciones b astante arb itrarias, obtuvo fórm uías p a ra la co n stan te de Planck y la de Rydberg en té rm in o s del ta m a ñ o del áto m o y la m asa y carga del electrón. Su m odelo fue el p rim e r in ten to de aplicar la teoría cuántica a la e stru c tu ra de los átom os, p ero el enfoque de Eíaas era esencialm ente clásico: qu ería explicar el cu an to de acción en té rm in o s de ‫ ظ‬teoría ató m ica en vez de explicar la e stru c tu ra del áto m o m ed ian te la teo ría cuántica. En el segundo C ongreso de Solvay en 191‫ق‬, los físicos asistieron a los ú ltim o s colétazos del m o d elo atóm ico de T h o m so n . T h o m so n aplicó u n m odelo convenientcm ente m odificado p a ra explicar ta n to la d isp ersió n alfa com o la relación lineal en tre la energía de los fotoelectrones y la frecuencia de la luz incidente que los experim entos indicaban. S u p o n ien d o que la d en sid ad de carga de la esfera positiva decrece desde el centro, y hacien d o o tras suposiciones ad hoc, consiguió o b ten er la ley fotoeléctrica con la con stan te de Planck expresada en té rm in o s de la carga y la m asa del electrón. Sin em bargo, to d o el p ro ced im ien to era ta n ad hoc y artificial que les debería h a b er parecido a sus oyentes lo que era: u n ú ltim o in te n to de salvar u n m o d elo atóm ico que una vez fue ú til y de evitar las características n o clásicas de la teoría cuántica. Pocos, p o r no decir n in g u n o , de los físicos reu n id o s en Bruselas q u e d a ro n convencidos de que el átom o de T h o m so n m erecía sobrevivir.

Otros modelos atómicos tempranos A un q u e el m o d elo de T h o m so n era con m u c h o el m odelo atóm ico m ás im p o rta n te de la p rim e ra década del siglo, n o era el único. El reconocim iento del electrón com o u n con stituyente universal de la m ateria estim uló que los físicos p ro p u sie ra n u n a variedad de m odelos, la m ayoría de corta vida y algunos m eras especulaciones. F u e sobre to d o en G ran B retaña d o n d e estos m od elo s atóm icos tu v iero n su origen y fu ero n debatidos. En E u ro p a y en A m érica del N o rte, el interés p o r la e stru ctu ra atóm ica era lim itado . La inclusión de los electrones era c o m ú n a to dos los m odelos; lo que los d‫؛‬stin g u ía eran las p ro p u estas de có m o d istrib u ir la necesaria carga positiva. La sugerencia de T h o m so n de colocar los electrones en u n a esfera de fluido positivo fue hecha in d ep en d ien tem en te p o r Kelvin en 1901. El m odelo de Kelvin tenía evidentem en te m u c h o en c o m ú n con el de T h o m so n , pero era m ás cualitativo y no utilizaba el concepto m o d e rn o de electrón. Kelvin prefería llam ar a sus partículas negativas «electriones», po sib lem en te p a ra d istinguirlas de los electrones de T h o m so n , L orentz y Lar-


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m or. En artículos escritos en tre 1902 y 1907, el an cian o Kelvin (que m u rió en 1907 a los 83 años) aplicó su m odelo a u n a v ariedad de fen ó m enos, incluyendo la radiactividad, la cual pensaba que era activada p o r u n agente externo, quizá ondas etéreas. Intro d u c ien d o fuerzas n o co u lo m b ian as en su m odelo, consiguió evitar, p ara su gran satisfacción, la «totalm ente im posible» conclusión de q u e la radiactividad era energía alm acenada en los átom os. Las ideas de Kelvin fueron edu cad am en te ignoradas p o r otro s físicos británicos. El m odelo de K elvin-T hom son fue u n a de las hipótesis sobre e stru c tu ra atóm ica que I,©dge incluyó en su libro de 1906 Electrons. © tro era la idea de que los átom os «consisten en u n a especie de m ezcla entrelazada de electricidad positiva y negativa, indivisible e inseparable en unidades». Ésta era la im agen del áto m o que Lenard favorecía, de acuerdo a q u ien las estru ctu ras básicas era «dinám idos» en ráp id a rotación, u n a especie de doblete eléctrico. L enard desarrolló la idea en varios trabajos en tre 1903 y 1913, p ero n o consiguió a tra e r el interés de o tro s físicos. O tra de las hipótesis candidatas de Lodge era q u e «el grueso del á to m o p o d ría consistir en u n a m u ltitu d de electro n es positivos y negativos, entrem ezclados, p o d ría m o s decir, y sujetos en u n agregado p o r sus atracciones m utuas» (p. 148). A unque se aceptaba generalm ente que los electrones positivos n o existían, en 1901 Jam es Jeans p ro p u so sin em bargo esta im agen p ara explicar el m ecanism o de los espectros de líneas. C on el objeto de evitar la objeción de que n o existe n in g ú n sistem a en equilibrio p a ra u n sistem a de partículas cargadas, Jeans sugirió q u e la ley de C o u lo m b debería fallar para distancias m u y cortas. Im p e rté rrito p o r las m ed id as de los ex p erim en tales de la carga y m asa del electró n , Jeans consideró u n á to m o ideal en el cual h ab ía u n n ú m e ro casi in finito de electrones ' ' ' sin m asa) co n cen trad o s en ‫ ظ‬capa exterior del átom o. Los electrones positivos estarían de m a n e ra efectiva, y conveniente, escondidos d e n tro del átom o. M ed iante estas suposiciones a rb itrarias, y algunas otras, consiguió derivar líneas espectrales sem ejantes a las observadas. U n m odelo b astan te sim ilar fue p ro p u esto p o r Lord Rayleigh cinco años después, de nuevo con el solo p ro p ó sito de calcular frecuencias espectrales. En to d o s los m odelos atóm icos de 1913, la em isión de luz se su p o n ía el resultado de electrones vibrantes. Es interesante n o ta r q ue Rayleigh, al final de su artículo, consideró la posibilidad de q u e «las frecuencias observadas en el espectro p o d ría n n o ser en absoluto frecuencias de p e rtu rb a c ió n o de oscilaciones en el sentido h ab itual, sino m ás b ien fo rm a r u n a p a rte esencial de la con stitu ció n original del átom o según sería d e te rm in a d a p o r co n d icio n es de estabilidad» (C o n n y T u rn e r 1965,

p. 125). Sin em bargo, n o desarrolló la sugerencia, la cual fo rm aría m ás tard e u n a parte crucial del áto m o cuántico de Bohr. O tro tip o de m od elo s ató m ico s m en cio n ad o s p o r Eodge era la im agen del átom o com o u n a especie de sistem a solar, con los electrones o rb ita n d o («com o asteroides») alred ed o r de u n cen tro de electricidad positiva concen trada. La p rim e ra sugerencia de este tip o fue a n u n ciad a p o r el quím ico y físico francés Jean P errln en u n p o p u la r artículo de 1901. P errin sugirió q u e el m o d elo p o d ría explicar la radiactividad y em isión de luz, pero la sugerencia era p u ra m e n te cualitativa y no prestó atención al problem a

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de la estabilidad de su áto m o planetario. La analogía m icro -m acro en tre áto m o s y sistem as solares o galá€ticos era p o p u la r p o r aquel entonces y parece haber sido u n a de las p rincipales razones p o r las que los m odelos atóm icos planetarios recibieron alguna atención. £ l in te n to m ás elab o rad o fue el de H an taro N agaoka, cuyo m odelo «saturníno» fue pub licad o en 1904, en el m ism o v o lu m en de Philosophical M agazine en el que apareció la teo ría de T h o m so n . El m o d elo de N agaoka tenía in sp iració n astronóm ica, en el sentido de q u e se apoyaba fu ertem en te en el análisis de M axwell de 1856 sobre la estabilidad de los anillos de S aturno. El físico jap o n és su p o n ía que los electrones estab a n colocados u n ifo rm e m e n te sobre anillos q u e se m ovían alred ed o r del centro atraetivo de u n núcleo positivo. C o m o T h o m so n y to d o s los o tro s co n structores de m odelos, N agaoka protegió sus conclusiones añ ad iendo que «la disposición real en un áto m o quím ico pued e p resen tar com plejidades que están m u ch o m ás allá del alcance del tra ta m ie n to m atem ático» (C o n n y T u rn er 1965, p. 113). Los cálculos de N agaoka co n d u cían a sugerentes fórm ulas espectrales y a u n a explicación cualitativa de la radiactividad. Sin em bargo, fu ero n severam ente criticados p o r G eorge A. Schott, u n fí$ico britán ico , que a rg u m en tó q u e las suposiciones de N agaoka eran inconsistentes y que el m o d elo n o p o d ía co n d u c ir al acuerdo con los datos x p e rim e n ta le s que se afirm aba. El m odelo sa tu rn in o desapareció del p a n o ra m a y sólo reapareció, en u n a fo rm a totalm en te distinta, con la teo ría nuclear de R utherford. En 1911 fo h n w . N ichofson, u n físico-m atem ático del lab o rato rio C avendish, sugírió u n m o d elo ató m ico algo sim ilar al de N agaoka. El am bicioso objetivo de Nicholso n era d eriv ar to d o s los pesos ató m ico s de los elem entos quím icos a p a rtir de com binacio n es de p ro to -á to m o s, los cuales, su p o n ía, existían solam ente en las estrellas. C onsid erab a q u e la carga positiva era de o rigen electrom agnético, p o r lo tan to , m ucho, m ás p eq u eñ a q u e el electrón, y que estaba situ ad a en el centro del átom o. Los electrones ro tab an en esferas alrededor del núcleo (com o él llam aba a la carga central). Al c o n tra rio de la m ayoría de los dem ás co n stru cto res de m odelos, N icholson intentaba d ar cu en ta de la e stru c tu ra de los áto m o s reales, si bien u tilizan d o hipotéticos pro to átom os. Así, en su esquem a, el h id ró g en o con tenía u n anillo de tres electrones, con el p ro to -á to m o m ás sencillo, q u e era el sistem a de dos electrones, que él llam aba «coronio». M ediante varias suposiciones, conseguía explicar los pesos atóm icos de la m ayoría de los elem entos. C o m o Elaas antes q u e él, N icholson in tro d u jo conceptos de la teoría cu án tica de Planck p a ra explicar los espectros de líneas. Acabó llegando a u n a explicación ató m ica de la co n stan te de Planck y a la conclusión de que el m o m en to anguiar de los p ro to -á to m o s debía ser u n m ú ltip lo de esta constante. Es decir, llegó a la regla de cu an tizació n I = n h/2n. Esto p u ed e parecer m uy sim ilar al razo n am ien to de B ohr de dos años después, p ero el m o d elo de N icholson n o era realm ente u n a teoría cuán tica del átom o. Se fu n d ab a en la m ecánica clásica y el electrom agnetism o y estaba m uch o m ás cercano al en foque de T h o m so n que al de Bohr. N icholson c o n tin u ó desarro llan d o su teo ría en artículos en tre 1911 y 1914 y recibió cierta respuesta positiva de otro s físicos britán ico s. Sin em bargo, sobre 1915 era evidente que el m odelo de N icholson p erten ecía al p asado y n o al futuro.


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El átomo nuclear de Rutherford D u ra n te sus fértiles años en M o n treal de 1898 a 1907, E rnest R u therford n o estaba p a rtic u larm en te interesado en m od elo s atóm icos. En la m ed id a en la que expresaba interés, estaba generalm en te a favor de la teo ría de T h o m so n , la cual en c o n tra b a útil para en te n d e r fen ó m en o s radiactivos. Fue sólo en 1910 cu an d o R u therford se volcó seriam en te en la teo ría atóm ica, p rin cip alm en te com o resultado de su p ro fu n d o interés en el c o m p o rta m ie n to y la n atu raleza de las partículas alfa. En 1908 había m o stra d o de m an era precisa q u e la p artíc u la alfa era idéntica a u n ión de helio d o b lem en te cargado. El m ism o año, Fians Geiger, u n físico alem án que trab ajab a con R u therford en M anchester, an u n ció resultados prelim in ares sobre la dispersión de partículas alfa p o r lám inas m etálicas. G eiger n o tó u n a dispersión apreciadle; el año siguiente investigó el asu n to con m ás detalle en u n a co laboración con E rnest M arsden, entonces u n estudi ante de carrera de veinte años. E n c o n tra ro n q u e los m etales pesados eran m u ch o m ás efectivos com o reflectores que los ligeros y q u e u n a lám ina de alu m in io delgada reflejaba (esto es, dispersaba, m ás de 90°) u n a de cada 8.000 partículas alfa que chocaban c o n tra ella. C u an d o R u th erfo rd su p o de estos resultados, se dice que lo consideró «el suceso m ás increíble que m e h a o cu rrid o en m i v ida [...] casi ta n increíble com o si dispararas u n proyectil de 40 cen tím etro s a u n a h o ja de papel y se volviera p a ra im pactar contigo». R u th erfo rd hizo esta observación frecu en tem ente citada en 1936, pero no p u d o h ab er sido su m a n e ra de reaccionar en 1909-1910. El c o m en tario tiene sentido desde la perspectiva de u n núcleo ató m ico casi vacío, pero R u therford n o ten ía esta idea en 1909, cu an d o todavía consideraba al áto m o com o algo lleno, al estilo de T hom son. En cualquier caso, los experim en to s in d u je ro n a R u therford a investigar la dispersión de las partículas alfa y co m p a ra r los resultados con la teoría de T h o m so n sobre la dispersión de las partículas beta. Esta teoría, de acu erd o a la cual los electrones beta se dispersaban m ú ltiples veces en p e q u eñ o s ángulos deb id o a los electrones atóm icos, parecía con co rd ar b ie n con los experim en to s que sugerían que el n ú m ero de electrones era ap ro x im ad am en te tres veces el peso atóm ico. Según T h o m so n , la p artíc u la alfa ten ía dim en sio n es atóm icas y contenía u n o s diez electrones. R utherford, p o r o tro lado, creía que la p artícu la alfa debía considerarse u n a partícu la p u n tu a l, com o el electrón, (]orno la p artíc u la alfa era u n áto m o de helio desprovisto de dos electrones, este p u n to de vista im plicaba, de hecho, u n m odelo nuclear del áto m o de helio. R u th erfo rd alcanzó esta im p o rta n te conclusión antes de desarrollar su teo ría de la d ispersión, la cual se apoyaba en su idea de partículas alfa p u n tu a les. La teoría que R u th erfo rd p resen tó en 1911 ten ía su base experim ental en las observaciones de G eiger-M arsden de dispersión hacia ángulos grandes, que R utherford en co n trab a incom patibles con la teoría de T h o m so n de m últiples dispersiones p o r electrones. Para p ro d u c ir las deflexiones observadas de m ás de 90o, la dispersión debía ten er lugar en u n ú n ico e n c u e n tro en tre la p artícu la alfa y u n a m asa altam ente cargada y co ncen trad a. R u th erfo rd p o r lo ta n to sugirió q u e el áto m o consistía en u n a carga m asiva Ze ro d ead a p o r u n a n u b e de electricidad opuesta. Ya que los resultados de sus cálculos eran in d ep en d ien tes del signo de la carga, el n úcleo p o d ría ser perfectam ente

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u n a co n cen tració n de electrones inm ersa en u n fluido positivo, algo sim ilar a u n caso especial del á to m o de T h o m so n . En palabras de R utherford: «C onsiderem os u n átom o q ue con tien e u n a carga ± N e en su cen tro ro d ead o p o r u n a esfera de electrificación que contien e u n a carga - N e q u e su p o n em o s u n ifo rm em en te d istrib u id a sobre u n a esfera de rad io R [...] p o r conveniencia el signo [de la carga central] se su p o n d rá positivo» (C o n n y T urn er 1965, p. 138). B asándose en su im agen nuclear del átom o, R utherford derivó la fam osa fó rm u la de d ispersión, q u e p ro p o rcio n a la dependencia de la probabilid ad de dispersión (sección eficaz) en el ángulo de dispersión, la energía de las partículas alfa que incidían, y el g ro so r y carga del m aterial que dispersaba. El á to m o nuclear de R u th erfo rd se reconoce con justicia com o u n hito en la hístoria de la físíca. Sin em bargo, u n o b serv ad o r de 1911 ó 1912 jam ás lo hab ría pensado. C u an d o el m odelo se in tro d u jo en la p rim av era de 1911, en co n tró indiferencia y escasa consideración de que fuera u n a teo ría sobre la constitu ció n del átom o. La nueva concepción del á to m o n o se m en cio n ó en las actas del congreso Solvay de 1911 (en el cual R uth erfo rd p articip ó ) n i fue am p liam en te d ebatido en las revistas de física. Al pa~ recer, ni siquiera el m ism o R u th erfo rd co nsideraba que el núcleo atóm ico tuviera gran im p o rtan cia. P or ejem plo, en su libro de texto sobre radiactividad de 1913, titulado Sustancias radiactivas y sus radiaciones, sólo el 1 p o r 100 de las 700 páginas del libro tra ta del nuevo d escu b rim ien to y sus im plicaciones. El núcleo era p eq u eñ o pero, según R uth erfo rd , n o p u n tu a l. P or el co n trario , R u th erford lo im aginaba com o u n cu erp o alta m e n te com plejo m a n te n id o p o r lo que acabarían llam ándose fuerzas nucleares: «Prácticam ente to d a la carga y m asa del á to m o están concentradas en el centro, y está n p ro b ab lem en te confinadas en u n a esfera de radio no m ayor de 10-12 cm . Sin duda el centro p ositivam ente cargado del á to m o es u n com plicado sistem a de m ovim iento, consistente en p a rte en áto m o s de helio e h id ró g enos cargados. Parecería com o si los áto m o s de m ateria positiv am en te cargados se atrajeran entre sí a distancias m uy cortas ya q u e de o tro m o d o es difícíl ver có m o las p artes constitutivas del centro se m antienen juntas» (p. 620). Elabía b u en as razones p a ra la falta inicial de interés en el núcleo atóm ico, ya que R uth erfo rd p resen tab a su teo ría p rin cip alm en te com o u n a de dispersión, y sólo secu n d a ria m e n te com o u n a atóm ica. C o m o teo ría de dispersión, tenía u n éxito m oderado, p ero su apoyo experim en tal era lim itad o e indirecto; y com o teoría atóm ica, era incom pleta y p o d ía aparecer incluso ad

‫ﺀرﺀاﻟﻢ‬

de m o d o irrem ediable. R u therford había

a rg u m en tad o a p a rtir de datos de dispersión que la m asa del áto m o estaba concentrada en u n núcleo m inúsculo, p ero n o p o d ía ofrecer sugerencias sobre cóm o estaban d ispuestos los electrones. P or razones de sim plicidad, su p o n ía que la electricidad negativa fo rm ab a u n a atm ósfera h o m o g én ea alrededor del núcleo, pero dad o que los electrones n o te n ía n im p o rta n c ia en la dispersión, esta im agen era sim plem ente arbítraria. «No es necesario co n sid erar la cuestión de la estabilidad del á to m o pro p u esto €٢، esta etapa», escribió, «ya que esto d ep en d erá o b v iam ente de la estru c tu ra detallada del átom o , y del m o v im ien to de las partes cargadas constituyentes» (C o n n y T u rn er ‫ل‬96 ‫ئ‬. p. 138). R u th erfo rd n o sugirió u n á to m o p lan etario en 1911, y su m odelo era p o r lo


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'‫ © س‬co m pletam en te im p© tente en 1© to can te a cuestiones quím icas com© el enlace y a tabla periódica. T am poco era much© m e‫©؛‬r en 1© co n cerniente a cuestiones físicas, 5‫ﺀك‬ ‫ه؛ﺀت‬

com o regularidades espectrales y d ispersión. La característica que definía al m©de R uth erfo rd , el n úcleo atóm ico, n i siquiera era nueva, puesto que ya se habían

propuesto m©delos nucleares. N icholson, q u e sugirió in d ep en d ien tem en te su p ro p io ‫© ت‬del© nuclear, co nsideraba al de R u th erfo rd m era m e n te «un resu rgim iento de u n a ‫^؛‬gerencia de N agaoka de u n sistem a atóm ico sa tu rn in o sencillo, involucrando sólo u n único núcleo positivo» (H eilb ro n 1968, p. 303). ? ٥٢ cierto, R uth erfo rd escribió ©riî-a im e n te sobre u n a «carga central»; la p alab ra «núcleo» parece hab er sido utilizada prim ero p o r N icholson. £1 destino del model© atóm ico de R utherford cam bió en 1913, cu an d o G eiger y M arsden pu b licaro n nuevos d ato s sobre la dispersión de partículas alfa, incluyendo un A lie n to to tal de cien m il escim ll‫؛‬iclones. Sus ‫ ةهﺀا؛اا‬estaban en excelente acuerdo con ‫ ط‬fó rm ula de dispersión de R u th erfo rd y p ro p o rcio n ab an «fuerte evidencia de 1© C O 're cto de las suposiciones subyacentes de q u e u n á to m o contiene u n a carga fuerte en ‫ ة ؛‬centro de d im ensiones, peq u eñ as c© m paradas con el d iám etro el átom o» (Stehle 1994, p. 221). A un así, esto era sólo u n a co n firm ació n del model© atóm ico de R utherford visto com© u n a teoría de la d ispersión, n o de ©tros aspectos del m odelo. Los re‫ ؛‬altados de G eiger-M arsden eran tan irrelevantes p a ra las configuraciones electrónicas com o el m odelo de R u th erfo rd silencioso p a ra ellas. U n a teo ría atóm ica era conslderada realm ente convincente sólo si incluía el sistem a electrónico. D espués de todo, era esta p arte del áto m o la que era responsable de la g ran m ayoría de los fenóm enos atóm icos que p o d ía n ser p ro b ad o s experim en talm en te. £ste im p o rta n te aspecto, ausente del trabaj© de los físicos de M anchester, fue p ro p o rc io n a d o de m an e ra inesperada p o r ‫ ص‬joven físico danés que tra n sfo rm ó la im agen de R u therford del áto m o nuclear en una teoría ap ro p iad a del áto m o nuclear.

Una teoría cuántica de la estructura atómica Nlels B ohr n o estaba interesado en la teo ría atóm ica al principio; escribió su tesis doctoral sobre la teo ría electrónica de los m etales y e n c o n tró que esta teoría, según estaba desarrollada p o r Lorentz, 1. ]. T h o m so n y otros, era insatisfactoria ta n to en sus detalles com o en sus principios. «La causa del fallo es m u y pro b ab lem en te ésta: que la teoría electrom agnética n o está de acuerdo co n las co ndiciones reales en ‫ ظ‬m ateria», « c rib ió en su tesis de 1911, p u b licad a sólo en danés. B ohr sugirió que se debían intra d u c ir restricciones n o m ecánicas, o lo q u e él d e n o m in a b a «fuerzas en la naturaleza de u n tipo co m p letam en te d istin to de la clase m ecánica usual», p a ra hacer que la teon a electrónica de los m etales estuviera de acuerd o con la naturaleza in te rn a de los átomos. Pero en 1911 n o consideró ‫ ظ‬e stru c tu ra ató m ica y n o tenía u n a idea clara del tipo de restricción o hipótesis que se necesitaba. Pasó el añ o académ ico 1911-1912 en In‫ ؛‬laterra, p rim e ro con I. I. T h o m so n en C am bridge y luego con R u therford en M anchester, al prin cip io co n tin u a n d o sus estudios de la teo ría electrónica de los m etales

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pero p ro n to co n cen trán d o se en la nueva im agen del á to m o que R u therford había propuesto y que B ohr en co n tró altam ente atractiva. Se dio cuenta de que el á to m o nuclear necesitaba com pletarse con u n a e stru c tu ra electrónica y que esto req u eriría alguna hipótesis n o m ecánica p a ra hacer al á to m o estable. £1 p en sam ien to de B ohr tuvo com o resultado el « m em o ran d o de M anchester», u n d o cu m e n to del verano de 1912 en el cual co m u n icó sus ideas a R utherford. En este m em o ran d o , B ohr sugirió que el átom o se estabilizaría m ecán icam en te si la energía cinética de los electrones orbitales estuviera con fin ad a a ser p ro p o rc io n a l a sus frecuencias de rotación. C om o con stan te de pro'

escogió u n a can tid ad cercana a la constante de Planck. En esta etapa,

B ohr estaba p reo cu p ad o p o r la estabilidad m ecánica, no p o r la electrodinám ica. En el m e m o ra n d o de M anchester, B ohr se o cu p ó de configuraciones electrónicas, m oléculas y volúm enes atóm icos, p ero n o de espectros. «No m e ocupo en absoluto de la cuestión del cálculo de las frecuencias co rresp o n dientes a las líneas en el espectro visible», escribió a R u th erfo rd el 31 de enero de 3 ‫ ا‬9 ‫ل‬, co n tra stan d o su teo ría con la de N icholson (B ohr 1963, p. xxxvii). Poco después, u n colega en C openhague le preguntó cóm o se relacio n ab an sus ideas con la fó rm u la de Balm er p ara las líneas del hidrógeno, con la cual Bohr, de m a n e ra b astan te so rp ren d en te, n o parecía fam iliarizado, o de la cual quizá se hab ía o lv id a d o .‫آ‬.‫ ا؛‬p reg u n ta fue reveladora y B ohr in m ediatam ente se dio cu en ta de có m o sus ideas p o d ía n ser extendidas p a ra p ro p o rc io n a r u n a explicación de los espectros discretos. Su g ran artícu lo «O n the C o n stitu tio n o f A tom s and M olecules» apareció en tres partes en la Philosophical M agazine en el verano y otoño de 1913. El á to m o de h id ró g en o era el objeto de la p rim e ra p arte, d o n d e in tro d u jo sus fam osos postu lad o s, que son: ( l ) l a n o ció n de estados estacionarios, d o n d e la m ecánica o rd in aria es válida p ero la electro d in ám ica es inválida y (2) la suposición de que la radiació n se em ite o ab sorbe cu an d o el á to m o pasa de u n estado estacionario a otro. El proceso de tran sició n n o se p o d ía e n ten d er de m a n era clásica, señaló Bohr, «pero parece ser necesario p a ra d a r cu en ta de los hechos e ^ e rim e n ta le s» . N otab lem en te, e in sp irad o p o r la teo ría de Planck, B ohr supuso que la frecuencia de la luz (v) n o estaba relacionada d irectam en te con las frecuencias de los electrones orbitales, sino q u e estaba d ad a p o r la diferencia de energías en tre dos estados estacionario s p o r la ecuación ‫ رج‬- E.= hv. A p a rtir de esta suposición básica, B ohr consiguió derivar la fó rm u la de B alm er p ara las frecuencias del espectro del hid ró g en o de una m an era b ie n cono cid a gracias a los libros de texto básicos de física. La derivación no reprod u cía m e ram en te u n a ley em p írica conocida, sino que tam b ién prop o rcio n ab a u n a expresión de la co n stan te de R ydberg en té rm in o s de constantes m icrofísicas de la naturaleza, en concreto, la carga y m asa del electró n y la constante de Planck. El resultad o de B ohr fúe ‫ = 'ا‬R c ( l/n 2 - 1/m 2), siendo R = 2Z2n 2m e4/h 3y n y m son núm eros cuánticos enteros que caracterizan los estados estacionarios; z es la carga nuclear, 1 p ara el h idrógeno. En el veran o de 1913, las líneas que estaban de acuerdo con la fórm u ía se cono cían com o n = 2 (serie de B alm er) y ٢١ = 3 (serie de Paschen); B ohr predijo la existencia de líneas adicionales co rresp o n d ientes a n - l y n m ayor que 4, «series respectivam ente en el ultravioleta extrem o y el u ltra-ro jo extrem o que no se han


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observado, p ero cuya existencia puede esperarse». Esta seguridad se vio justificada cu an d o l'h e o d o re Lym an an u n ció en 1914 líneas de acu erdo con n = l . E l potencial de ionización de u n á to m o de h id ró g en o en su estado base (n = 1) se seguía directam ente de la expresión de Balmer. B ohr obtuvo u n valor de u n o s 13 voltios, lo cual com paró con la estim ación experim en tal de 1. ]. T h o m so n de 11 voltios. (M edidas posteriores y m ás precisas estuvieron en com pleto acu erd o co n el valor de Bohr.) Para el radio de u n á to m o de h id ró g en o en su estado base, lo que se conocería m ás tard e com o el rad io de Bohr, o b tu v o 0,55 án g stro m , el o rd e n de m a g n itu d correcto p ara u n átom o. Q uizá la co n firm ació n m ás im p resio n an te de la teo ría de B ohr p a ra los átom os con u n electrón fue su d em o stració n de que las «líneas de Eickering» que se en c o n tra b an en espectros estelares y g eneralm ente se a trib u ía n al h idrógeno, en realidad se debían a átom os de helio con u n a sola carga. Estas líneas satisfacían la expresión de tip o Balm e ry = R [1/22 —l/( m + l/2 ) 2] ,la cual, si firera d ebida al hidrógeno, co n trad iría la teoría de Bohr, de acuerdo a la cual el estado sem icuántico era inadm isible. B ohr convirtió esta am en aza en u n triu n fo sim p lem en te rescribiendo la expresión com o

V

=

4 1 / 4 2 ]‫ — آﺛﻢ‬l / ( 2 m + l ) 2] y atribuyéndosela al ió n He*. Su predicción de que las lín eas de Pickering d eberían aparecer en tu b o s de descarga con helio p u ro fue confirm ada rápidam en te p o r los espectroscopistas. Sin em bargo, el acuerdo en tre las longitudes de o n d a m edidas y las q u e B ohr predecía n o era perfecto y según A lfred Fowler, u n espectroscopista britán ico , la p eq u eñ a discrepancia era lo bastan te g ran d e p ara cuestion ar la validez de la teoría. La respuesta de Bohr, p u blicada en N ature en el o to ñ o de 1913, fue o tro ejem plo b rillan te de lo q u e el filósofo ‫] ا‬٦٦re Lakatos h a d en o m in ad o ajuste m o n stru o so : con v ertir u n co n traejem p lo en u n ejem plo. B ohr señaló que la cantid ad m en la expresión p ara R en realidad deb ería ser la m asa reducida, m M /(m + M ), do n d e M es la m asa nuclear, y con esta corrección la discrepancia desaparecía. Bohr derivó la fó rm u la de Balm er de distintas m aneras, incluyendo una p rim era aplicación de lo que m ás tarde se conocería com o el prin cipio de correspondencia. B ohr observó que, p ara n ú m ero s cuánticos grandes, casi n o existía diferencia entre la frecuencia de rotació n antes y después de la em isión de u n cuanto; «y de acuerdo a la electro d in ám ica ordinaria, deberíam os p o r ta n to esperar que la razón entre la frecuencia de la radiación y la frecuencia de revolución tam b ién sea casi igual a 1» (B ohr 963 ‫ل‬, p. 13). En u n a ponen cia ante la Physical Societ)' en C openhague en diciem bre de 1913, B ohr enfatizó que au n q u e en general n o existía conexión entre las frecuencias clásicas de revolución y las frecuencias que se en co n trab an u tilizando la teo ría cuántica, «en u n caso, sin em bargo, p o d em o s esperar u n a conexión con los conceptos ordinarios, en concreto, que será posible calcular la em isión de oscilaciones electrom agnéticas lentas basándo n o s en la electrodinám ica clásica» (Jam m er 1966, p. 110). Éste fue el germ en del prin cipio de correspondencia, que ten d ría u n papel crucial en el desarrollo p o sterio r de la teoría atóm ica y su tran sfo rm ació n en m ecánica cuántica (véase capítulo 11). La teoría de B ohr n o era sim p lem en te la teo ría de los átom os con u n electrón, sino que estaba p lan ead a con m u ch a m ás am bición. En la segunda y tercera p arte de la trilogia, B ohr aplicó su teo ría a áto m o s quím icos m ayores que el hidrógeno, y tam b ién a

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m oléculas: sugirió disposiciones de electrones p a ra los elem entos m ás ligeros y creyó que sus m odelos p ro p o rc io n a b a n al sistem a p eriódico su p rim e ra explicación fiable. A dem ás, extendió su trab ajo a m oléculas sim ples, concibiendo el enlace covalente en la m olécula de h id ró g en o com o dos electrones d a n d o vueltas en la m ism a ó rb ita entre los dos núcleos de hidró g en o . Esta p arte de su trab ajo tuvo m u c h o m en o s éxito y su impacto fue relativam ente p equeño. Sin em bargo es digno de m en ció n , ya que era la prim era vez que se p ro p o n ía n m odelos atóm icos claros para áto m o s reales. El enlace COvalente resultó q u e d a r fuera del alcance de la teo ría cuántica de Bohr p ara los átom os, pero en 1913 él n o ten ía razones p a ra sospecharlo. P or el c o n trario , existían indicaciones de q u e la quím ica p ro n to q u ed aría red u cid a a u n a ram a de la nueva física de Bohr. Por ejem plo, B ohr calculó el calor de fo rm ació n del hid ró g en o m olecular com o 60 kcal p o r m ol, en acu erd o cualitativo p ero desde luego n o cuantitativo con las 130 kcal por m ol d eterm in ad as ex p erim en talm en te p o r Irv in g Langm uir. C u an d o L angm uir volvió a estim ar el valor experim en tal o b ten ien d o 76 kcal p o r m ol poco después, y B ohr recalculó el valor teó rico o b ten ien d o 63 kcal p o r m ol, parecía que la m olécula de hidrógeno estaba p rácticam en te explicada. Pero estaba lejos de ser cierto. La ftrerza de la teo ría de B ohr n o era su base teórica, que para m u ch o s parecía poco convincente e incluso extravagante, sino su co n firm ación experim ental en una am plia gam a de fenóm enos. P or ejem plo, en 1913-1914 el joven físico b ritán ico H enri M oseley estudió los rayos X característicos em itidos p o r distintos elem entos y m o stró que ‫ظ‬ raíz cu ad rad a de las frecuencias era p ro p o rcio n al al n ú m ero atóm ico. El diagram a de M oseley se conv irtió ráp id am en te en u n a im p o rta n te h erram ien ta p a ra d e term in ar el lugar de u n elem ento en la tabla p eriódica, y tam b ién se convirtió en u n a im p o rta n te confirm ació n de la teo ría de Bohr. El m ecan ism o de M oseley para la em isión de rayos X se apoyaba en la teo ría de B ohr y, adem ás, en u n a serie de trabajos desarrollados a p a rtir de 1914 en M ú n ich , W alther Kossel explicó los espectros de rayos X en com pleto acuerdo con la teoría. O tra im p o rta n te co n firm ación fueron los experim entos con b o m b ard eo de electrones de v ap o r de m ercu rio q ue Jam es Franck y G ustav H ertz realizaron en G otinga en tre 1913 y 1916. En 1925, los dos físicos fú eron galardonados con el p rem io N obel p o r h ab er verificado las hipótesis de B ohr y haberlas p o r lo tanto transfo rm ad o en «hechos experim entalm ente probados», com o Cari O seen expresó en su discurso de p resen tació n en Estocolm o. Iró n icam ente, Eranck y H ertz n o relacionaro n al p rin c ip io sus ex p erim en to s co n ‫ ط‬teo ría de B ohr y, cu an d o lo hicieron p o r prim era vez, arg u m e n ta ro n q u e sus m edidas n o p o d ía n explicarse p o r la teoría. F ranck y H ertz m id iero n lo q u e ellos creían q u e era el potencial de ionización, o b ten ien d o 4,9 voltios, p ero en 1915 B ohr a rg u m en tó que h a b ía n m alin terp retad o sus resultados y que n o hab ían m ed id o u n potencial de ionización en absoluto, sino la diferencia de energía en tre estados estacionarios en los áto m o s de m ercurio. Fue sólo tras la intervención de B ohr cu an d o F ranck y H ertz se d iero n cu en ta de que in ad v ertid am en te hab ían p ro p o rcio n ad o u n fuerte“ apoyo a la teo ría ató m ica de Bohr. La línea roja del espectro de h id ró g en o tien e u n a e stru c tu ra de doblete, com o m ostra ro n p o r p rim e ra vez M ichelson y E d^’ard M orley n ad a m enos que en 1887. A unque


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en 1913 la separación de e stru c tu ra fina se había m ed id o varias veces, B ohr parece que n o había ten id o co n o cim ien to de este fenóm eno, p a ra el cual n o había sitio en su te o ría. Pero de nuevo u n a aparen te an o m alía se conv irtió en u n a confirm ación, au n q u e esta vez req u irió u n a extensión considerable de la teoría. La extensión fue realizada p o r A rnold S om m erfeld en M ú n ich qu ien , en 1915-1916 in tro d u jo la teoría especial de la relatividad en la m ecánica del á to m o de Bohr. D e esta m an era, llegó a u n áto m o con dos cuantos en el q u e las ó rb itas electrónicas se describían con n ú m ero s cuánticos principales y azim utales, y u n a expresión p a ra la energía que d ep endía de los dos n ú m eros cuánticos. D e acuerd o con la teo ría m ás sofisticada de Som m erfeld, existían m uchos m ás estados estacionarios que en la teo ría de B ohr de 1913, y esto hacía posi ble u n a explicación de la e stru c tu ra fina. Som m erfeld derivó u n valor para la separa ción de e stru c tu ra fina, q ue fúe co m p letam en te co n firm ado m ed ian te experim entos realizados p o r Friedrich Paschen de la U niversidad de T ubinga en 1916. El notable acuerdo entre teoría y ex p erim en tació n se consideró u n gran éxito de la teoría de B ohr-Som m erfeld y tam b ién de la teo ría de la relatividad. D e hecho, la relación entre teoría y ex p erim en tació n era b astan te o scura p o rq u e la teoría p erm itía el cálculo de frecuencias p ero n o de intensidades; sin em bargo, au n q u e el éxito fuera cuestionado p o r u n o s pocos físicos en A lem ania, p a ra la m ayoría el trab ajo de S om m erfeld y Pas chen resultaba u n a aso m b ro sa co n firm ació n de la teo ría cu án tica de los áto m o s de Bohr. ١

C A P ÍT U L O 5


La ley de la radiación de los cuerpos negros La teo ría cu án tica debe su o rigen al estu d io de la radiación térm ica, en p articu lar de radiación del «cuerpo negro» que R obert K irchhoff había definido p o r p rim e ra vez ez 1859-1860. D e acuerd o con K irchhoff, u n cu erp o negro perfecto es aquel que absorbe to d a la rad iació n que incide sobre él; la energía em itida será in d ep en d ien te de la n a tu raleza del cu erp o y d ep en d ien te sólo de su te m p e ra tu ra. El físico austríaco Josef Stefan sugirió en 1879 que la energía de la rad iació n calorífica ideal de K irchhoff variaba se gú n la cu a rta poten cia de la te m p e ra tu ra absoluta. Su sugerencia obtuvo u n a prueba teórica cinco años después cu an d o su c o m p a trio ta Ludwig B oltzm ann co m binó la se g u n d a ley de la te rm o d in á m ic a con la electro d in ám ica de M axwell p a ra m o stra r que w = o T 4, siendo u la d en sid ad to tal de energía y a u n a constante. La p rim e ra de varias leyes de la rad iació n del cu erp o negro, la ley de S tefan-B oltzm ann, ayudó a dirigir l¿ atenció n hacia la nueva área de la física teórica y experim ental. La d istrib u ció n espec tral de la radiación, u n a cuestión acerca de la cual la ley de Stefan-B oltzm ann no te n u nada que decir, p ro n to em ergió com o u n p ro b lem a im p o rtan te y am pliam ente deba tido. U n im p o rta n te paso hacia la solución del p ro b lem a se dio p o r parte de W ilhelm W ien, quien m o stró en 1894 que si la d istrib u ció n espectral de la radiación del cuerpo negro era conocida p ara u n a te m p e ra tu ra, p o d ría ser deducida para cualquier otra. La fu n ció n de d istrib u ció n u ( \,T ) n o d ep en d ería de T y de la lo n g itu d de o n d a X p o r se parado, sino del p ro d u c to XT m ed ian te cierta fu nción d>(XT), en concreto m ediante w(X, T) = X-5 (٠)(XT). La ley de desplazam iento de W ien - a s í d e n o m in a d a p o rq u e im plica que el pico de la fu n ció n m(X,T) será desplazado hacia longitudes de o n d a m ás pe q ueñas cu an d o T a u m e n te - resultó estar en excelente acuerdo con los experim entos. Se reconoció q u e la fu n ció n ٢١ ) (XT) ten ía u n significado universal, pero ni la fo rm a de la fu n ció n n i su explicación eran conocidas. En 1896 W ien en c o n tró u n a posible solu ción, concretam en te, que 4>(XT) tu v iera la fo rm a ex p (-a/(X T ), siendo a u n a constante


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universal. La ley de rad iació n de W ien parecía ser correcta y se aceptó en general, so bre to d o tras recib ir co n firm ació n m ed ian te u n a serie de delicados experim entos rea lizados en Berlín en tre 1897 y 1899. A unque la ley de W ien parecía em píricam ente convincente, se apoyaba sin em bargo sobre arg u m en to s teóricos de naturaleza insatis factoria, y p o r este m otivo se b u scaba u n a derivación m ás rigurosa. Aquí es d o n d e M ax Ludwig Planck, el sucesor de K irchhoff com o profesor de física en la universidad de Berlín en tró en escena. Planck era u n especialista en term o d in ám ica y estaba p ro fu n d am en te interesado en la segunda ley y sus aplicaciones en física y quím ica. Su prin cip al ocupación a p rin c i pios de la década de 1890 n o era la física teórica, sino m ás bien la term o d in á m ic a q u í mica, a la cual in te n tó d o ta r de u n o s cim ientos m ás rigurosos basados en la segunda ley. En este trab ajo , los conceptos de e n tro p ía e irreversibilidad eran centrales. El n ú cleo del p ro g ram a de investigación de Planck era u n in te n to de explicar los procesos irreversibles sobre u n a base estrictam en te term o d in ám ica, es decir, sin in tro d u c ir n in g una suposición estadística o atom ística a la m a n e ra de B oltzm ann. Al c o n trario de su colega austríaco de m ayor edad, Planck creía firm em en te en la validez absoluta de la segunda ley y negaba que p u d ie ra existir relación alguna entre e n tro p ía y probabilidad. En 1895 el razo n am ien to de Planck le llevó a exam in ar la relación en tre te rm o d in á m i ca y electrodinám ica. A tacó la cuestión de la irreversibilidad desde u n p u n to de vista electrodinám ico y a rg u m en tó que la irreversibilidad de los procesos de radiación era un resultado de la falta de sim etría tem p o ral en las ecuaciones de Maxwell. Sin e m b a r go, el enfoque term o d in á m ic o resultó n o ten er éxito. C om o B oltzm ann m o stró dos años después, la electro d inám ica no es m ás asim étrica te m p o ra lm en te - n o p ro p o rc io na u n a «flecha te m p o ra l» - q u e la m ecánica, así q u e Planck tuvo que bu scar o tra m a n era de d e te rm in a r el espectro de la radiació n del c u erp o negro. El resultado de los re novados inten to s de Planck fue u n a serie de seis artículos sobre procesos de radiación irreversibles p ublicados en A nnalen der Physik en tre 1897 y 1900. En 1899 en co n tró u n a expresión p a ra la en tro p ía de u n oscilador m ed ian te la cual p u d o derivar la ley de radiación de W ien. Esto era lo que P lanck esperaba y, si no h u b iera sido p o r los expe rim entales, lo h ab ría dejado aquí. En el m ism o añ o en que Planck derivó la ley de W ien, los experim entos d e m o stra ro n q u e la ley n o era co m pletam ente correcta, al co n trario de lo que Planck y la m ayoría de los o tro s físicos habían supuesto. En la histo ria de la rad iació n del cu erp o negro, y p o r lo ta n to en el nacim ien to de la teoría cuántica, los ex perim entos n o e ra n m en o s im p o rtan te s que la teoría. La m a yoría de los exp erim en to s decisivos se realizaron en el Physikalisch-Technische Reichsanstalt (In stitu to Im p erial de Física y Tecnología) de Berlín, d o n d e el espectro preci so de la rad iació n del c u erp o negro era u n asu n to de interés m u ch o m ás que académ ico. Se pensaba q u e co n d u ciría a u n co n o cim ien to que sería útil a las industrias alem anas de electricidad y calefacción, q u e estaban entre los m ayores clientes del Reichsanstalt. E xperim en to s realizados p o r O tto L u m m er y E rnst P ringsheim en 1899 indicaban que la ley de W ien era in co rrecta p ara altas lo ngitudes de onda. E x perim en tos adicionales de H ein rich R ubens y F erd in an d K urlbaum , publicados en el o to ñ o de

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Gráfico 5.1. Espectros de cuerpo negro a diferentes tem peraturas medidos p or Lumm er y Pringstein en noviem bre de 1899. Para los valores altos de \T , la curva m edida (línea continua) está sobre la curva calculada (curva discontinua), indicando la inadecuación de la ley de radiación de W ien. Fuente: Kangro 1976, p. 176.

1900, p ro p o rc io n a ro n u n a p ru e b a clara de q u e la «ley de W ien-Planck» era sólo a p ro x im ad am en te cierta (véase figura 5.1). De acuerdo a esta ley, la densidad de energía de la rad iació n u(v,T ) ten d ería hacia cero p a ra valores m uy pequeños de v / T = c/XT, m ien tras que los experim en to s de R ubens y K urlbaum m o stra b an que u(v,T) tendía hacia T. C o m o consecuencia de estas nuevas m edidas, se p ro p u sie ro n varias nuevas le

La lenta ascen$‫؛‬ón de la teoría cuántica

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ves em píricas, p ero éstas n o te n ía n im p o rta n c ia p ara los teóricos. El interés p rin cip al de Planck n o era en c o n tra r u n a ley em p íricam en te correcta, sino derivarla de prim eros principios. Se veía ah o ra forzado a reco n sid erar su trabajo. Algo estaba m al en su derivación de la ley de W ien, p ero ¿el qué? ¿C óm o p o d ía c o n stru ir a p a rtir de principios fundam en tales de ‫ ط‬física u n a ley de d istrib u ció n q ue satisficiera la expresión de W ien p a ra valores g randes de W T p e ro tendiese a T p a r a valores pequeños? Las reconsideraciones de Planck le llevaron ráp id am en te a su p o n e r u n a nueva expresión p ara la en tropía de u n oscilador, si b ien u n a que n o ten ía justificación teórica clara. Sobre esta expresión se ha co m en tad o , con justicia, « nunca en la h isto ria de la físíca ha hab id o una in terp o lació n m atem ática n o evidente con consecuencias físicas y filosóficas de tan gran alcance» (Jam m er 1966, p. 18). C on su nueva expresión p a ra la en tro p ía, Planck p u d o derivar lo que él consideraba sim plem en te u n a versión m ejo rad a de la le)' de W ien. La nueva le)' de d istrib u ció n - la ley de radiació n de Planck, pero todavía sin n o ció n de cuantos de e n e rg ía - se ‫؛‬١٨٧٨ció en u n en cu en tro de la A cadem ia de C iencias de Berlín el 19 de o ctu b re de 1900. De acuerdo a esta p rim e ra versión co rrecta de ‫ ط‬ley de la radiación del c u erp o negro, la d ensidad de energía espectral varía com o ‫ م‬d ividido p o r la cantidad e x p (p w r) - 1. La le)' parecía estar en com pleto acuerd o con los datos experim entales y era, en este sentido, la respuesta q u e se había buscad o d u ra n te ta n to tiem po. Sin em bargo, ya que la nueva ley se apoyaba en u n a expresión p a ra la en tro p ía que era poco m ás que u n a suposición inspirada, n o era satisfactoria teó ricam en te y p o r lo tan to Planck se vio obligado, de nuevo, a co n sid erar p o r q u é la fó rm u la d isfru tab a de tan to éxito. N o podía descansar satisfecho h asta que com p ren d iese la nueva ley. En su in te n to de o b ten er u n a co m p ren sió n satisfactoria, Planck se dio cu enta de que tenía que in tro d u c ir u n nuevo enfoque, en concreto, volver a la idea de B oltzm ann de en tro p ía com o expresión de caos m olecular. Esto n o significa que Planck se rindiera a las nociones de e n tro p ía e írreversíbílidad probabílístícas de B oltzm ann. En vez de aceptar estas ideas, Planck reín terp retó la teo ría de B oltzm ann a su m an era no probabilísta. Basó su nueva línea de ataque en la fam osa «ecuación de Boltzm ann», 5 = /‫ ؛‬log

w,

d o n d e k es la co n stan te de B oltzm ann y W es u n a expresión co m b in ato ria p ara el desorden m olecular. En realidad, la ecuación n o era de B oltzm ann, sino que apareció en esta fo rm a sólo con el tra b a jo de Planck; y tam b ién fue P lanck quien in tro d u jo p o r p rim era vez la «constante de B oltzm ann» com o u n a im p o rta n te constante de la naturaleza. Para en co n tra r ‫ ﺑﻤﺎ‬Planck in tro d u jo lo que d e n o m in ó «elem entos de energía», es decir, la suposición de q u e la energía to tal de los osciladores del cu erpo negro (E) se dividía en porciones finitas de energía e En palabras de Planck: «C onsidero E [...] com puesto de u n n ú m e ro co m p letam en te d e te rm in a d o de partes iguales finitas, y para este propósito utilizo la co n stan te de la n atu raleza h = 6,55 X 10~27 (erg seg). Esta constante, u n a vez se m ultiplica p o r la frecuencia c o m ú n de los resonadores, p ro p o rc io n a el elem ento de energía £ en ergios, y m ed ian te división de E p o r ‫ ﺀ‬obten em o s el n ú m ero de elem entos de energía p que h a de ser d istrib u id o en tre los N resonadores» (D arrigol 1992, p. 68). La nueva derivación se co m u n icó en o tro en cu en tro de la Academ ia

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de Berlín, el 14 de diciem bre de 1900, u n a fecha señalada m uchas veces com o ‫ ط‬del nacim ien to de la teo ría cu án tica p o rq u e fue aquí cu ando, según se ve en retrospectiva, se sugirió p o r p rim e ra vez la hipótesis cuántica. Sin em bargo, Planck no en tendía realm en te la in tro d u c c ió n de elem entos de energía com o u n a cuantización de la energía, es decir, que la energía de los osciladores p u d ie ra ten er sólo valores discretos. Planck no enfatizó la d isc o n tin u id a d cu án tica en abso lu to y consideraba e = hv com o u n a hipótesis m atem ática ‫ ؛‬in realidad física detrás. Era, creía, u n aspecto tem p o ral de la teoría que debería ser b o rra d o de la fo rm u lació n final. D e esta m an era describía Planck la ru ta que le había co n d u cid o a la ley de radiación en u n a carta de ‫ ا‬9 ‫ أت‬al fisico am erican o Iôbert W ood: E n resu m en , to d o 1‫ ه‬q u e sucedió p u e d e describ irse c©m© sim p le m en te u n acto de d esesperación [...] P ara en to n ces llevaba seis a ñ o s^ d e s d e 1894) lu c h a n d o sin éxito con el p ro b lem a del e q u ilib rio e n tre rad ia c ió n y m a teria y sabía q u e este p ro b le m a era de im p o rta n c ia fu n d a m e n ta ، p a ra la física. T am bién co n o cía la fó rm u la q u e expresa la d is tr‫؛‬b u c ió n de en erg ía en espectros n o rm ales. Se debía e n c o n tra r p o r lo ta n to u n a in te rp re tació n teó rica a c u alq u ier coste [...] [El nuevo] en fo q u e se m e p resen tó m e d ia n te el m a n te n im ie n to de las leyes d e la te rm o d in á m ic a [...] q u e d eb en , eso m e p arece a m‫؛‬, m an ten erse en to d as las circu n stan cias. P ara lo d em ás, estaba d isp u esto a sacrificar cada u n a de m is convicciones prev ias so b re las leyes físicas. B o ltzm an n h a b ía explicado có m o el eq u ilib rio te rm o d in á m ic o se establece m e d ia n te u n e q u ilib rio estadístico, y tal enfoque se aplica al eq u ilib rio e n tre m a te ria y rad iació n , u n o e n c u e n tra q u e la p é rd id a contin u a de energía en ra d ia c ió n se p u e d e im p e d ir a su m ie n d o q u e la energía está forzada, desde el p rin cip io , a p e rm a n e c e r ju n ta en d e te rm in a d o s c u an to s. Esta era u n a suposición p u ra m e n te fo rm al y realm en te n o reflexioné m u c h o sobre ella excepto que, a cualq u ier coste, deb ía p ro p o rc io n a r u n resu ltad o positivo. (E íerm an n 1971, p. 23)

Para Planck y sus co n tem p o rán eo s, la d isco n tin u id ad cuántica al p rin cip io era considerada u n a característica que n o m erecía seria atención. Lo que im p o rta b a era más bien la im p resio n an te precisión de ‫ ظ‬nueva ley de radiación, co n firm ada p o r m uchos experim entos posteriores, y el hecho de que incluía la ley de S tefan-B oltm ann, la le}' de desplazam iento de W ien y, en el lím ite de valores v u /T grandes, la ley de rad iación de W ien. Planck enfatizó las constantes de la n atu raleza involucradas en su ley y la utilizó p a ra derivar valores p a ra k, N (el n ú m e ro de Avogadro) y e (la carga elem ental). A partir de las m edidas del cu erp o negro p u d o e n c o n tra r k, y com o k = R /N , d o n d e R es la constan te de los gases, N se p u d o derivar; adem ás, d e e = F /N , d o n d e F es la constante de Faraday, conocida a p a rtir de la electrólisis, p u d o hallar e. Las d eterm inaciones num éricas de Planck eran m u y superiores a las estim aciones b astante crudas que se obten ían m ed ian te o tro s m éto d o s p o r aquel entonces. En diciem bre de 1900 P lanck n o reconoció que la nueva ley de radiación hacía necesaria u n a ru p tu ra con la física clásica. T am poco lo hicieron, en to d o caso, otros físi،‫؟‬٠ . Vale la p en a fijarse en q u e n in g u n a «catástrofe ultravioleta» estaba involucrada en

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la fo rm a ció n de la ley de ra d ia c ió n de Planck. La base de esta «catástrofe» es que el teo rem a de eq u ip artició n de la m ecánica clásica, cu an d o se aplica a los osciladores de un cu erpo negro, lleva a u n a d en sid ad de energía de la fo rm a V2T y así, cu an d o se integra sobre to d as las frecuencias, a u n a energía to tal infinita. En este sentido, existe u n conflicto en tre la física clásica y el espectro del cu erp o negro, pero el conflicto no tuvo nin g ú n papel en los sucesos q u e realm en te c o n d u jero n a la hipótesis de Planck. La ley de radiació n m en cio n ad a fue o b ten id a p o r L ord Rayleigh en el verano de 1900, aunque él añad ió u n factor a d hoc de exp(-aW T ) con el objeto de hacer que la fó rm u la estuviera m ás de acu erd o con los datos. La fó rm u la u ~ V2T se conoce hoy día com o la ley de Rayleigh-Jeans p o rq u e fue vuelta a derivar p o r Rayleigh en 1905 y provista de una corrección n u m érica p o r Jam es Jeans eJ m ism o año. A unque R ubens y K urlbaum incluyeron Ja fó rm u la de Rayleigh en su artícu lo de 1900, Planck Ja ignoró, así com o el teorem a de b i p a r t i c i ó n . La ley de Rayleigh-Jeans, sin el factor exponencial, es obvia^ e n te inco rrecta p a ra altas frecuencias, pero Ja discrepancia no se veía com o u n gran r'o b le m a p a ra Ja física clásica. P or aquel entonces m u ch o s físicos, incluyendo a Ray‫ي‬:‫ أﻟﻮ‬y Jeans, d u d a b a n q u e el teo rem a de eq u ip artició n fuera generalm ente válido.

Primeros debates sobre ■a hipótesis cuántica Si o c u rrió u n a revolución en la física en 1900, nadie pareció darse cuenta, y Planck 1‫ ؛‬que m enos. D u ra n te los p rim ero s cinco años del siglo, había u n silencio casi com r ’eto sobre la hipótesis cuántica, q u e de m a n e ra algo oscura estaba involucrada en la ،privación de PJanck de la Jey de rad iació n del cu erp o negro. La m ism a ley p o r o tro 0‫ ﻧﻢ‬, fue ráp id a m e n te ad o p tad a p o r su convincente acuerdo con Jos experim entos. Tan ;·ronto com o en 1902, Ja fó rm u la de la Jey de rad iació n de Planck aparece en eJ segúndo v o lum en del fidedigno M a n u a l d e esp ectro sco p ia de H eínrích Kayser, pero sin m end o n alguna sobre Ja n aturaleza de Ja suposición cuántica. A unque a veces surgía alguna crítica, en 1908 eJ resultado de Planck era f e r a l m e n t e aceptado com o la correcta respuesta a Ja cuestión del espectro del cu erp o negro. Sólo u n p u ñ a d o de teóricos consideró que valía Ja p e n a e n tra r en los detalles de los cálculos de PJanck y preguntarse por qué la fó rm u la era correcta. U no de elJos era H en d rík A. Lorentz, q u e em pezó a concentrarse en Ja teo ría del cu erp o n eg ro en 1903, c u a n d o d eriv ó de m a n e ra in d e p e n d ie n te la ley de R ayleighJeans, basán d o se en la teo ría electrónica. EJ resultado Je desconcertó. C inco años m ás tarde, en u n congreso m atem ático en R om a, p resen tó u n a p an o rám ica del problem a deJ cu erp o negro o, en su term inología, la división de Ja energía en tre m ateria p o n d erabie y éter. Según lo veía Lorentz, la elección estaba en tre, p o r u n lado, Ja fó rm ula de ~ teó ricam en te satisfactor‫؛‬a p ero em p íricam en te in adecuada y, p o r otro, la fó rm ula de Planck, em p íricam en te co n firm ad a p ero teó ricam en te insatisfactoria. " prefería Ja p rim e ra o p ció n y sugirió vagam ente que se necesitaban nuevos experim en to s p a ra decidir en tre Jos dos candidatos. Los experim entales alem anes sabían m ás de esto. C onvencidos de que el a su n to estaba firm em ente resuelto, n o q u e

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rían saber n ad a de la ley de Rayleigh-Jeans y p ro testaro n c o n tra la sugereneia de Planck. En consecuencia, L orentz se vio forzado a aceptar la fó rm ula de Planck y a inten tar e n te n d e r su verdadero significado. R econociendo que teoría de Planck presen^ taba algunas características n o clásicas, L orentz se convirtió en u n o de los líderes de la nueva teo ría cuántica. C om o resultado del sem inario de Lorentz en Rom a, las consecuencias «catastróficas» de la ley clásica de Rayleigh-Jeans se hicieron m ás conocidas en la com u n id ad física; fue sólo a p a rtir de entonces cuando Ja «catástrofe ultravioleta» com enzó a desem peñar un papel im p o rtan te en Jas discusiones. (La expresión fue in tro d u cid a p o r Ehrenfest en 1911 y se convirtió en u n tem a p o p u lar en los libros de texto de física.) La teoría del electrón era la teoría m icroscópica d o m in an te y de m ayor éxito de la época, así que era tentador creer que esta teoría p o d ría de algún m o d o resolver Jos enigm as de Ja radiación del cuerpo negro. Esto fue Jo que Lorentz intentó en 1903, sóJo para acabar con Ja Jey de Rayleigh-Jeans. Por u n tiem po, Planck siguió Ja idea de que Jos cuantos de electricidad podían con d u cir cuantos de energía. P or ejem plo, en 1905 escribió a Paul Ehrenfest, «no me parece im posible que esta suposición (la existencia de u n cuanto elem ental de electricidad) ofrezca u n p u en te a la existencia de u n cuanto de energía elem ental h, en particular po rq u e h tiene la m ism as dim ensiones que e2/c»(K uhn 1978, p. 132). A quí tenem os, au n q u e sea sólo im plícitam ente, eJ p rim e r p resentim iento de Ja constante de estructura fina In trlh c. Sin em bargo, n ad a se obtuvo de esta idea ni de otros intentos de deducir el cuanto de acción de teorías existentes. Si b ien vaJe Ja pena fijarse en eJ profundo interés de Planck en las constantes universales de la naturaleza y su posible interrelación. En ‫س‬ artículo de f899 - e l p rim ero en el que la constante de Planck aparece im p lícitam en ten o tó que todos los sistemas de unidades o rdinarios estaban basados en «las necesidades especiales de n uestra cultura terrestre» y sugirió com o alternativa un sistem a basado en lo correspondiente a las constantes h, ،:y G. Estas unidades, escribió, «necesariam ente reten drían su significación de m an era independiente a cuerpos y sustancias especiales, para todo tiem po y toda cultura, incluso las extraterrestres y extrahum anas». Las unidades que Planck p ro p u so n o tenían valor práctico y fueran ignoradas largo tiem po. Sin em bargo, con la llegada de las teorías de gravedad cuántica de los años setenta, fueron am pliam ente discutidas y hoy, a finales del siglo XX, la m asa de Planck (10-5 gram os) y el tiem po de Planck (lO"43 segundos) son im p o rtan tes m agnitudes en la teoría cosm ológica (véase tam bién el capítulo 27). D u ra n te casi u n a década, Planck creyó q u e su le)' de radiación p o d ría reconciliarse con la m ecánica clásica y la electrodinám ica y que las discontinuidades eran características de los osciladores atóm icos, n o del in tercam bio de energía com o tal. Se dio cuenta de q u e algún tip o de cu antización estaba involucrado, pero no en el sentido que los valores de la energía de los osciladores estuvieran lim itados a un c o n ju n to discreto hv, 2hv, 3hv, ... En sus p rim ero s artículos, había escrito la ecuación de la energía E = nhv (n = 0 ,1 ,2 ,...) pero con £ significando la energía total de los osciladores, sin req u erir que la energía de los osciladores individuales estuviera restringida del m ism o m odo. Fue sólo sobre 1908 cuando, en p arte com o resultado de su correspondencia con Eorentz, se

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convirtió al p u n to de vista de que el cu an to de acción era u n fenóm eno irreducible m ás allá del enten d im ien to de la física clásica. H asta entonces pensaba en hv com o ‫ ط‬parte m ás peq u eñ a del co n tin u o de energía m ás que com o algo que pudiera exist‫؟‬r p o r sí solo, u n cuanto de energía análogo al cu an to eléctrico, el electrón. C om o escribió a Lorentz en 1909, aho ra ad o p tab a la hipótesis de que «el in tercam bio de energía entre electrones y éter libre ocu rre sólo en n ú m ero s enteros de cuantos hv» (K uhn 1978, p. 199). A finales de la p rim e ra década del siglo XX, la teo ría cu ántica todavía se en tendía de m anera m uy po b re y era estudiada seriam en te ta n sólo p o r unos pocos físicos teóricos. Estos incluían a Lorentz, L hrenfest, Jeans, Línstein, L arm or y, p o r supuesto, Planck. Hasta 1906, E instein era el único que se d ab a cu en ta de la naturaleza radical y no clásica de la teo ría de Planck, pero cu atro años después, la m ayoría de los especialistas reconocían que la cuan tizació n de la energía era real y hacía necesario algún tip o de ru p tu ra con la física clásica. D u ra n te la p rim e ra década, la teoría cuántica era en su m ayor parte idéntica a la teo ría de la rad iació n del c u erp o negro, y el p eq u eñ o cam po no tuvo un gran im pacto en la co m u n id ad física. Esto se ilustra en el gráfico 5.2, que p ro p o rciona el n ú m e ro de au to res q u e publicaba sobre tem as cuánticos en tre 5‫ل‬9 ‫ ه‬y 1914. Antes de entonces, es decir, de 1900 a 1904, el n ú m e ro de autores sobre teo ría cuántíca era o bien cero o u n o (el único que c o n trib u ía era Planck, en 1900 y 1901). La figura ilustra no sólo la lenta ascensión de la teo ría cuántica, sino tam b ién el d o m in io de la física del cu erp o negro hasta 1910, cu an d o publicaciones sobre calores específicos y, a p a rtir de 1913 ap ro x im ad am en te, física ató m ica y m olecular, em pezaron a cam biar tan to la com posición com o el ritm o de la teo ría cuántica.

Gráfico 5.2. La ligera ascensión de la teoría cuántica. Los círculos en negro indican el núm ero de auto res que publicaron sobre temas de cuántica. Los círculos en blanco se refieren al núm ero de autores que lidiaban con la teoría de los cuerpos negros, un subgrupo de la tem prana física cuántica. Fuente: redibujado de T. S. Kuhn, Black-Body theory and Quantum Discontinuity. Derechos reservados © 1978 por Oxford University Press. Usado con perm iso de Oxford University Press.

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Einstein y el fotón Se ha afirm ad o que, incluso si Planck n o h u b iera en co n trad o su fó rm ula para la ra diación del cu erp o negro q u e inició la p rim e ra teo ría cuántica, la teo ría h ab ría llegado de to dos m o d o s en los p rim ero s años del siglo xx. El candidato com o hipotético des cu b rid o r de la teoría cuántica es Einstein, quien es m ás conocido, p o r supuesto, p o r su invención de la teoría de la relatividad. Si b ien el joven Einstein tam b ién hizo c o n tri buciones a la p rim e ra teo ría cu ántica de tal im p o rta n cia - y en 1905, el m ism o año que in tro d u jo la re la tiv id a d - q u e p o d ría n justificar la afirm ación. D e hecho, Einstein p a re ce h ab er con sid erad o su teoría de los cu an to s incluso m ás im p o rta n te que su trabajo in m ed iatam en te p o ste rio r sobre relatividad especial. En u n a carta de m ayo de 1905 a su am igo C o n ra d H abicht, se refiere a su p ró x im o artículo sobre «la rad iación y las p ropiedad es energéticas de la luz» com o «m uy revolucionario». Al artículo en p re p a ració n sobre relatividad especial se refería m ás m o d estam en te com o «una electro d in á m ica de cu erp o s m óviles q u e utiliza u n a m odificación de las ideas de espacio y tie m po». M ien tras q u e Planck, com o se ha dicho, se convirtió en u n revolucionario en co n tra de su v o lu n tad , E instein reconoció las im plicaciones revolucionarias de la h i pótesis cu án tica m u ch o m ás claram en te y actuó v o lu n tariam en te com o u n profeta de la revolución cuántica. H ay m u ch a verd ad en la afirm ación de que la teo ría cuántica em pezó en serio sólo en 1905, con las obras de Einstein. ¿Cuál era, entonces, la esencia del au to p ro clam ad o revolucionario trab ajo de E in stein sobre la rad iació n p u b licad o en A nnalen der Physik el 9 de ju n io de 1905? P rim e ro, el en foque de E instein difería d rásticam en te del de Planck y apenas se apoyaba en la ley de rad iació n de Planck y su cu a n to de acción asociado. Einstein sí m en cio n ó la ley, pero sin utilizarla; en vez de eso, se cen tró en la antigua ley de W ien en su régim en ex p erim en talm en te confirm ad o , es decir, p a ra altas frecuencias y bajas tem p eratu ras. Einstein dejó claro que ésta era la p arte in teresante y problem ática del espectro, la que requería nuevas hipótesis físicas. La teo ría clásica co n d u ciría a la ley de Rayleigh-Jeans, enfatizó E instein, y fácilm ente derivó esta ley, incluyendo el factor correcto delante de v 2T. Teniendo en c u en ta las p rio rid ad es, la ley p o d ría llam arse de R ayleigh-Einstein o de Einstein (o, ya puestos, au n q u e sería m ás aparatoso, la ley de Rayleigh-Lorentz-Einstein-Jeans). Sin em bargo, fue la ley de W ien la q u e consideró Einstein en su trab ajo de 1905. U tilizando arg u m en to s term o d in ám ico s sencillos pero ingeniosos, y utilizando al m áxim o la probabilística de B oltzm an n (la expresión de la en tro p ía S = k logSW ), calculó la p ro b ab ilid ad de que la energía to tal de la radiación en u n co n te n ed o r esté co n ten id a en u n a p arte p e q u eñ a del v o lu m en total. A p a rtir de su resultado razonó, m ediante u n a analogía con la teo ría clásica de los gases, que «la radiación m o n o c ro m ática de baja d en sid ad se c o m p o rta -s ie m p re q u e la ley de radiación de W ien sea válid a - [...] com o si consistiera en cu an to s de energía m u tu a m e n te independientes de m a g n itu d R fiv/N ». Es decir, según Einstein, la p ro p ia radiación tenía u n a estru ctu ra discreta o atom ística, u n a hipótesis q u e iba m u ch o m ás allá de la sugerida p o r Planck. A dem ás, según E instein, la energía de los osciladores responsables de la em isión y ab sorción de la luz cam biaría de m an era discreta, en m últiplos de hv. O bsérvese que el


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sím bolo |3 d en o ta h/k, igual que Planck lo usaba antes de que in tro d u je ra la hipótesis de cuantización y explícitam ente, el cu a n to de acción, en diciem bre de 1900. N o fue u n accidente que E instein n o u tilizara la n o tació n de Planck ni su teo ría m ás m a d u ra de la radiació n de cu erp o negro. P or aquel entonces, E instein creía que no se p o d ía hacer que la teoría de Planck estuviera de acu erd o con la idea de cu antos de luz, u n e rro r que corrigió en u n artícu lo de 1906. C on k = R /N y (3 = h/k, obten em o s la fo rm a habitual de los cu an to s de radiación, E = hv. Einstein era m u y consciente de la n aturaleza radical de su «enfoque heurístico» de la radiació n libre com o consistente en cu an to s discretos, o, com o se les d e n o m in ó m ás tarde, fotones. (El n o m b re fue sugerido p o r el quím ico estadounidense H ilb ert Lewis en 1926.) D espués de to d o , existía u n a im p resio n an te evidencia a favor de la teo ría o n du lato ria de la luz y, p o r esta razón, Einstein enfatizó que su concepto de cu antos de luz era provisional. Sin em bargo, estaba convencido de la realidad de los cu antos de luz e in ten tó con g ran em p eñ o m o stra r que su hipótesis era em píricam en te fructífera. En concreto, co n sid eran d o el efecto fotoeléctrico com o un proceso de in tercam b io de energía en el cual se liberan electrones de la superficie de u n m etal ilu m in ad o p o r luz, consiguió explicar los exp erim en to s realizados p o r P hilipp L enard en 1902. A dem ás, se seguía directam en te de la teo ría de Einstein, q u e la energía m áxim a (£) de los electro nes generados p o r la luz debe relacionarse linealm ente con la frecuencia de la luz inci dente. La ecuación de E instein era E = hv - P, siendo P u n a fu n ción de trab ajo que d e pende del m etal del ánodo. Por aquel entonces, ni Lenard ni otros hab ían m edido E com o fu n ció n de v , y la ecuación fotoeléctrica de E instein era p o r lo ta n to u n a p red ic ción realm ente novedosa. La teo ría de E instein n o era u n a respuesta a u n a anom alía experim ental que la teo ría clásica n o p u d iera explicar, ya que en 1905 el efecto fo toe léctrico n o se consideraba p roblem ático. Fue sólo u n o s años después cu an d o los expe rim entales asu m iero n la relación en tre E y v . Y cu a n d o lo hicieron, n o fue con el p ro pósito de co m p ro b ar la teo ría de Einstein. En lo concern ien te a los datos experim entales, d u ra n te varios años m o stra ro n u n a confusa d isp arid ad , yendo de relaciones cuadráticas a logarítm icas y a lineales (es d e cir, de E ~ v 2 a E ~ logi' a E ~ v). Sólo alred ed o r de 1914 se acu m u laro n evidencias a favor de la ley lineal, y con la fam osa serie de ex perim entos de 1916 de R obert M illikan p o r fin se o b tu v o u n consenso. Q u ed ó entonces establecido m ás allá de cualquier d u d a que la energía m áx im a de los electrones em itid o s en efecto varía linealm ente con la frecuencia de la luz, ju sto com o E instein predijo en 1905. Podría quizá creerse que esto hab ría sido recibido com o u n g ran éxito de la teoría de Einstein y h abría hecho que la m ayoría de los físicos acep taran la hipótesis de los cu antos de luz. En este caso, se estaría equivocado. N in g u n o de los experim entales concluyó a favor de la «hipótesis arriesgada, p o r n o decir tem eraria, de Einstein», com o M illikan la calificó en 1916. Lo que M illikan había co n firm ad o era la ecuación de Einstein, no su teoría, y no existía un a relación unívoca en tre teoría y ecuación. Era posible derivar la ecuación c o n fir m ada ex p erim en talm en te sin la hipótesis del cu an to de luz, y cu an d o estas alternativas m ás o m enos clásicas, (y, de hecho, m ás o m en o s ad hoc) resultaron ser insostenibles,

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siem pre existía la o i b i l i d a d de declarar el efecto fotoeléctrico inexplicado p o r el m om entó: esto es lo que sucedió. La teo ría de los cu an tos de luz fue o bien ig n o rad a o bien rechazada ta n to p o r los experim entales com o p o r los teóricos. £ ra u n a hipótesis simplem en te dem asiado radical. En 1913, cu an d o E instein fue pro p u esto com o m iem bro de la prestigiosa A cadem ia de las Ciencias ? ru sia n a (o de B erlín), los que le nom inaron, en tre ellos ? lan ck y W alther N ernst, ensalzaron a E instein, pero tam b ién m encion aro n que «puede h ab er erra d o a veces el tiro en sus especulaciones, com o, p o r ejem pío, en su hipótesis sobre los cu an to s de luz» (Jam m er 1966, p. 44). Im pasible ante la fría respuesta al cu an to de luz, Einstein co n tin u ó trab a ja n d o en la teoría cu án tica,‫ ط‬cual fue su p rin cip al área de o cu p ació n profesional d u ra n te los años 1906-1911, y de m ayor im p o rtan cia p ara él q u e la teoría de la relatividad. En u n artículo de 1909, Einstein derivó las fluctuaciones energéticas de la radiación del cuerpo negro. Su fórm ula consistía en dos térm in o s, u n o que él atrib u ía a la naturaleza cuántico-corpuscular de la radiación y o tro q u e él in terp retab a com o u n térm in o o n d ulatorio clásico. Así pues, desde el p u n to de vista de Einstein, la radiación electrom agnética incluía am bas características, que trad icio n alm en te se consideraban contradictorias. En 1909 la ftrsión de E instein de la teoría de partículas y ondas era altam ente provisional, pero u n a serie de trabajo s posteriores, desarrolló la idea y, tras 1925, pasaría a ser una p arte integ ral de la m ecánica cuántica, © tro aspecto del trab ajo de Einstein de 1909 m erece m en ció n , en concreto el q u e consid erara fluctuaciones de m o m e n to ju n to con fluctuaciones de energía. U na p artíc u la real tiene m o m en to adem ás de energía, y en 1909 Einstein claram en te p ensaba en el cu an to de luz com o u n a p artíc u la en el m ism o sentido en q u e los átom o s y los electrones son partículas. Sin em bargo, au n q u e el m om entó del cu an to de luz (p = h v/c) se sigue d irectam en te de la teoría de la relatividad, Einstein escribió la expresión sólo en 1906.

Calores específicos y el estad© de la teoría cuántica en 1913 Al igual que E instein fue el p rim e ro en ex ten d er el significado de la teoría cuántica al cam po de la radiación, tam b ién fue el p rim e ro en extenderlo a u n problem a de lo que m ás tard e sería co n o cid o com o física del estado sólido. H izo esto en 1907, cuando aplicó la te o ría cu án tica al cálculo de los calores específicos de los sólidos. Se sabía desde 1819 que existe u n a relación peculiar en tre los pesos atóm icos de los elem entos SÓlidos y sus capacidades caloríficas específicas, en concreto que (en lenguaje m o d e rn o ) la capacidad calorífica m o la r es b ásicam ente u n a constante, de unas 6,4 calorías p o r m ol p o r grado. En 1876 la ley de D ulo n g -P etit, llam ada así p o r sus descubridores franceses, recibió u n a explicación teó rica sólida gracias a B oltzm ann, quien m o stró que se derivaba del teo rem a de eq u ip artició n de la física m ecánica. A unque se consideró generalm en te u n g ran éxito del p u n to de vista m ecánico-atóm ica de la m ateria, el éxito n o era com pleto. Existen u n as pocas excepciones a la ley de D ulong y Petit, com o el carb o n o (d iam an te), b o ro y silicio. La an o m alía del c arb o n o se conocía desde 1841, cu an d o los experim en to s m o stra ro n que el calor específico m o lar del d iam an te era de

La lenta ascensión de ia teoría cuántica

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8, ‫ ل‬ap roxim ad am en te, en vez de lo6,4 ‫ ؟‬q u e p o d ían esperarse de la regla de D ulong-?etit. A dem ás, ex perim entos realizados a p a rtir de 1870 m o stra ro n que los calores específicos se in cre m e n ta n con la te m p e ra tu ra y, en el caso del diam ante, de m an era basta n te considerable. En 1875 el físico alem án H einrich W eder estableció que el calor específico del d iam an te se in crem en ta en u n factor de 15 en el rango de -1 0 0 ° c a +1.000 ° c , y exp erim en to s posteriores p ublicados en 1905 p o r el quím ico escocés Jam es D ew ar m o stra ro n q u e los calores específicos casi se an u lab an a tem p e ra tu ras cercanas a 20 K. Eos in ten to s de explicar la variació n fallaron, y p o r ta n to el pro b lem a de los calores específicos resultaba u n a an o m alía hasta q u e Einstein lo atacó en 1907, con b astante éxito. U tilizando la ley de d istrib u ció n de Planck en su trab ajo de 1907, Einstein encontró u n a expresión p a ra la energía m ed ia de u n áto m o en u n cristal v ib ran d o en tres dim ensiones con ‫ ط‬m ism a frecuencia. Esta expresión p ro p o rcio n ab a el valor clásico 3k T p ara altas te m p eratu ras, y p o r ta n to llevaba a la le}' de f)u lo n g y Petit pero decaía ex'' cu an d o A te n d ía a cero. En este régim en, el teo rem a clásico de equip a rtició n - l a base de la ley de D ulong y P e tit- n o p o d ía aplicarse. C o m p a ra n d o su fórm uía p ara la capacidad calorífica con los datos o bten id o s p o r Weber, Einstein consiguió aju star la frecuencia de v ib ració n de m an era que se o b ten ía u n acuerdo con los experim en to s p ro m eted o r, au n q u e n o perfecto. La teoría de Einstein fue ‫؛‬m p o rta n te p o rq u e atrajo interés hacia la teo ría cuántica; sin em bargo era sólo aproxim ada y necesitaba claram en te m odificaciones, sobre to d o cu an d o nuevos experim entos m ostra ro n que la variació n a bajas te m p e ra tu ras estaba en desacuerdo cuantitativo con la teoría. U na versión m u ch o m ás sofisticada de la teoría de Einstein fue desarrollada en 1912 p o r el teórico h o landés Peter L)ebye y su versión p ro d u jo u n a sim ilitud m uy cercana a los experim entos. La teoría de los calores específicos ayudó a acercar la teoría cuántica hacia áreas de la física m ás tradicionales y la hizo conocida p ara los m uchos físicos que no estaban interesados o no com pren d ían los detalles m ás finos de la radiación del cuerpo negro: a este respecto, fue m u ch o m ás im p o rtan te que la teoría de los cuantos de luz. Sin em bargo, su im pacto no fue instantáneo. D e hecho, hasta 1910-1911, la teoría de Einstein de los calores específicos estaba tan ausente de la literatu ra científica com o su teoría de los cuantos de luz. Fue sólo entonces cuando los físicos em pezaron a darse cuenta de ella y, bastan te repentinam ente, la teo ría cuántica de los calores específicos fue reconocida com o u n área de investigación im p o rtan te. En 1913 había m ás ‫؛‬m blicaciones sobre este tem a que sobre ‫ ظ‬teo ría del cuerpo negro. P or aquel entonces, la teoría cuántica era todavía un área de la física bastante esotérica, pero ah o ra se to m ab a en serio p o r u n n ú m ero ereciente de físicos. Además, tam bién se em pezó a sentir su presencia en la quím ica: W alther N ernst, el pionero alem án de la quím ica-física, fue crucial en el surgim iento del interés en ‫ ط‬teoría cuántica. M ientras que Planck y otros estudiosos de la radiación del cuerpo negro se cen traro n en el cam po de la radiación, y consideraban u n a ventaja que este cam p o fuera independiente de la estru ctu ra de la m ateria, p ara N ernst la teoría cuántica era im p o rtan te p o rq u e podía ayudar a en ten d er la estru ctu ra de la m ateria. Su trabajo sobre

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la term odin ám ica quím ica en la región de bajas tem p eraturas apoyaba la teoría de Einstein de los calores específicos. En 1911 N ernst sugirió que la teoría debía ser aplicable tam bién a las vibraciones de m oléculas de gas, u n a idea que foe asum ida p o r Niels Bjerru m , u n joven quím ico danés que trabajaba en el laboratorio de N em st en Berlín. En trabajos realizados entre ‫ ا‬9 ‫ ﻟﻞ‬y 4 ‫ل‬9 ‫ ا‬, B jerrum aplicó la teoría cuántica tan to a los calores específicos de gases com o a los espectros de absorción infrarroja de moléculas. En concreto, en 1 9 2 ‫ ل‬cuantizó la energía rotacional de u n a m olécula diatóm ica y utilizó el resultado p ara p ro p o n er u n a teoría de los espectros m oleculares que rápidam ente recibió confirm ación experim ental. El trabajo de B jerrum , una p rim era contribución al área de investigación m ás tard e conocida com o física-quím ica, fue u n im p o rtan te éxito de la teoría cuántica. D u ran te la m ayor p arte de la década de ‫ل) اوا‬, las m oléculas frieron más im portantes que los átom os para la disem inación de la teoría cuántica. El creciente in terés en teo ría cuántica p u ed e ilustrarse p o r el C ongreso Solvay de física, celebrado en Bruselas en nov iem b re de 1911, el cual fue el p rim e ro de u n a im p o rta n te serie de en cu en tro s intern acio n ales de física. E rnest Solvay, u n in d u strial y fílá n tro p o belga que había am asado fo rtu n a in v en tando u n nuevo m éto d o p ara la p ro d u cció n de refrescos, ten ía u n interés p ro fu n d o , si bien algo amateur, en la física teórica. La co m b in ació n del d in ero de Solvay y la iniciativa de N ernst dió com o resultad o el congreso de 1911 sobre la p ro b lem ática relación en tre la teo ría cuántica, la teoría cinética de los gases y la teo ría de la radiación. L orentz presidió la conferencia y entre los 21 p articip an tes invitados estaban los m ejores físicos europeos, incluyendo a ?lan ck , N ern st, Som m erfeld, M arie C urie, R utherford, Poincaré y Einstein. N o se invitó a n in g ú n estadounidense. A unque las discusiones en Bruselas n o resu ltaro n en ning u n a respuesta concreta a las m uchas p reg u n tas form uladas, ftreron útiles en el sentído de hacer q u e los pro b lem as de la rad iació n y la teoría cuántica q u ed a ra n m ás definidos. E instein a p u n tó q u e el congreso «tenía u n aspecto sim ilar a las lam entaciones en las ruinas de (e™‫>؛‬alén», pero al m enos lo en co n tró socialm ente estim ulante. «Fue m uy interesante lo de Bruselas», escribió a su am igo H einrich Zangger, «Lorentz es un m ilagro de inteligencia y tacto; u n a o b ra de arte viviente [...] Poincaré estuvo en general llanam ente negativo respecto a la teo ría de la relatividad [...] Planck es intratable acerca de ciertas ideas preconcebidas que son, sin lugar a dudas, erróneas [...] Todo ello habría sido una delicia p ara los diabólicos padres jesuitas» (M ehra 1975, p. xiv). A nim ado por el éxito de la conferencia, Solvay decidió establecer u n a institución perm anente, a la que dotó con u n m illón de francos belgas. El Instituto Internacional de Física, fundado en 1912, estaba dirigido p o r u n consejo que consistía en nueve prom inentes físicos de cinco países. El p rim e r com ité científico consistía en Lorentz y Kam erlingh C n n es de los Países Bajos, M arie C urie y Marcel Krillouin de Francia, M artin K nudsen de D inam arca, R obert G oldschm idt de Bélgica, N ernst y Emil W arburg de A lem ania y R utherford de G ran Bretaña. D u ran te m ás de dos décadas, las conferencias Solvay eran los encuentros m ás prestigiosos y científicam ente im p o rtan tes de los físicos de elite. El encuentro de 1911 fue organizado principalm ente p o r N ernst, quien creía que había llegado el m o m en to p ara u n a conferencia sobre problem as de m ateria y radiación a


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la luz de la teoría cuántica. Principalm ente com o resultado del trabajo de Einstein sobre calores específicos, N ernst se había convencido de la revolucionaria im portancia de la teoría cuántica, u n a teoría a la que no había prestado atención anteriorm ente. En julio de 1910 escribió a Solvay, el benefactor de la planeada conferencia, «parece que estam os en estos m o m en to s en m itad de una reform ulación revolucionaria de los cim ientos de la teoría cinética de la m ateria hasta ah o ra aceptada [...] Esta concepción [de los cuantos de energía] es tan extraña a las ecuaciones de m ovim iento que se utilizaban anteriorm ente que su aceptación debe estar acom pañada sin d u d a de u na am plia reform a de nuestra in tuición fundam ental» (K uhn 1978, p. 215). Planck,¿:on quien N ernst debatió el plan, es taba de acuerdo con que la teoría cuántica era u n reto im p o rtan te para los conceptos clá sicos de la física, pero al principio era escéptico acerca de celebrar la conferencia tan p ro n to com o en 1911. En ju n io de 1910 escribió a N ernst, «soy de la o p inión de que ape nas la m itad de los conferenciantes en los que está pensando son conscientes de u n a p re ocupación suficientem ente activa acerca de la urgente necesidad de una reform a [de la teoría] com o p a ra justificar que asistan a la conferencia. En cuanto a los m ayores (Rayleigh, Van d er Waals, Schuster, Seeliger) n o discutiré en detalle si estarán em ocionados p o r la idea. Pero incluso entre la gente m ás joven la urgencia y la im portancia de estas cuestiones apenas ha sido reconocida. E ntre tod o s los que he m encionado creo que, aparte de nosotros, sólo Einstein, Lorentz, W. W ien y L arm or estarán seriam ente intere sados en el asunto» (M ehra 1975, p. 5). A unque la conferencia de Bruselas sobre «teoría de la radiación y los cuantos» incluía todas las figuras clave de la teoría cuántica, no to dos los participantes se ocupaban de problem as cuánticos. Dos de los inform es, realizados p o r Jean Perrin y K nudsen, n o tratab an con aspectos de la teoría cuántica. Los títulos de los inform es presentados en la conferencia dan u n a im presión de qué m aterias se consi deraban im p o rtan tes en el área escogida de la física teórica: -

A plicación del teo rem a de eq u ip artició n de la energía a la radiación (p o r H. A.

-

Lorentz, 58 años). Teoría cinética del calor específico según M axwell y B oltzm ann (p o r J. H . Jeans, 34 años).

-

La ley de la rad iació n del c u erp o negro y la hipótesis del cu an to de acción ele m en tal (p o r M. Planck, 53 años).

-

La teoría cinética y las pro p ied ad es experim entales de los gases perfectos (p o r

-

M. K nudsen, 40 años). La p ru e b a de la realidad m olecu lar (p o r J. P errin, 41 años).

-

Aplicación de la teoría cuántica a problem as fisicoquímicos (por W. Nernst, 47 a ñ o s).

-

El cu a n to de acción y fen ó m en o s m oleculares no periódicos (p o r A. S om m er-

-

feld, 42 años). El p ro b lem a de los calores específicos (p o r A. Einstein, 32 años).

La conferencia de Solvay n o p ro p o rc io n ó nuevas perspectivas im p o rtan tes, pero a pesar de ello, los inform es y las discusiones ay u d aro n a establecer u n e n ten d im ien to

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c o m ú n de cuáles eran los pro b lem as clave de la teo ría ،:uántica. La actitu d general era cauta y algo escéptica. Q u e d ó claro q u e los enigm as del cu an to estaban lejos de ser resueltos y que el estado de la teo ría cu án tica seguía siendo insatisfactorio. «La enferm ed ad h parece cada vez m ás incurable», escribió £ in ste‫؛‬n a Lorentz poco después del congreso. En o tra carta del m ism o p e rio d o concluyó que «nadie sabe nada en realidad» (B arkan 1993, p. 68). Sin em bargo pocos especialistas reconocieron que la teo ría cuántica había llegado p a ra q u edarse y q u e m arcaba el inicio de u n nuevo capítulo en la histo ria de la física. El sen tim ien to fue bien expresado p o r el conservador Planck en un discurso de 1911 an te la Sociedad A lem ana de Q uím ica: «Es seguro que la m ayor parte del trab ajo está sin hacer», Planck dijo, «pero el p rin cip io está hecho: la hipótesis de los cu an to s n u n c a desaparecerá del m u n d o [...] N o creo que esté yendo dem asiado lejos si expreso la o p in ió n de que con esta hipótesis se establece el cim iento p a ra la construcció n de u n a teoría que está d estin ad a algún día a p erm ea r los rápidos y delicados sucesos del m u n d o m olecular con u n a nueva luz» (Klein 1966, p. 302). El carácter in d efin id o de la teo ría cu án tica p o d ría ilustrarse p o r los in ten to s de Planck en tre 1911 y 1914 de revisar la teo ría p a ra reten er lo m ayor posible de la teoría clásica de la electrodinám ica. Su nueva p ro p o sició n era a b a n d o n a r la hipótesis de que la energía de u n oscilador está cu an tizad a en el sentido de que los procesos de absorción y em isió n de energía sean procesos discretos. C om o alternativa, Planck sugirió que la absorción era u n proceso c o n tin u o , m ien tras que la em isión se consideraba disc o n tin u a y regulada p o r u n a ley probabilística. Sobre esta base, Planck p u d o derivar la ley de rad iació n del c u erp o negro de u n a m an era que consideraba m ás satisfactoria. Al c o n trario q u e la teo ría original de 1900, en la teo ría de 1912 la energía de u n oscilador no era n ula a te m p e ra tu ra cero. Para r = 0 e l resultado se convierte en E = h\’H , de ahí el n o m b re de «energía del p u n to cero». Esta so rp ren d en te idea d espertó g ran interés }' p ro n to fue aplicada a u n a v ariedad de fenóm enos, incluyendo radioactividad, superco n d u ctiv id ad y esparcim iento de rayos X. N ern st utilizó ‫ ظ‬idea incluso en especulaciones cosm ológicas. La existencia de u n a energía del p u n to cero fue al final confirm ad a y d ed u cid a de u n a m a n e ra n a tu ra l a p a rtir de la m ecánica cuántica en los años veinte. Pero h istó ricam en te, se o rig in ó en ‫ ط‬incorrecta teoría de Planck de 1912.

C A P ÍT U L O 6

Física a bajas temperaturas

La carrera hacia el cero La criogenia es el estudio de los fenóm enos y propiedades m ateriales a m uy bajas tem peraturas, y especialm ente de los m étodos para p ro d u cir estas tem peraturas. A lrededor de 1880, la criogenia era u n a ciencia viviendo su infancia. A lo largo del siglo xix, había existido interés en la condensación de gases y, en particular, en la licuefacción de los cons tituyentes del aire. El p rim e r resultado im p o rtan te en esta área ocu rrió en 1877, cuando u n ingeniero de m inas francés, Louis Cailletet, anunció en u n en cuentro de la Academia de Ciencias de París que había observado gotitas de oxígeno líquido. El descubrim iento resultó ser doble, ya que dos días antes de que Cailletet hiciera su anuncio, u n físico sui zo, Raoul Pictet, había telegrafiado a la A cadem ia en u n inform e que había conseguido condensar oxígeno. Fue u n o de los m uchos descubrim ientos sim ultáneos in d ep en d ien tes en la historia de la ciencia. Los dos investigadores utilizaron m étodos diferentes, pero en am bos experim entos se enfrió oxígeno p u ro bajo presión y después se le perm itió ex pandirse bruscam ente. U nos pocos días después de haber causado la condensación de oxígeno, Cailletet repitió su éxito con el o tro constituyente de la atm ósfera, el nitrógeno. U na cantidad m ayor de oxígeno líquido fue producida en 1883 p o r los científicos pola cos Szygmunt Wrobleski y Karol Olszewski, quienes m odificaron el m étodo de Cailletet de tal m anera que la rápida expansión del gas no era necesaria. De esta m anera pudieron ob servar el líquido hirviendo y n o tan sólo gotitas form adas p o r el gas. El quím ico W robles ki y el físico Olszewski trabajaban en la Universidad Jagielloniana de Cracovia, que era uno de los centros m undiales de investigación criogénica a finales del siglo. (Wrobleski m urió trágicam ente en 1888, en u n incendio en su laboratorio.) La tem peratura m ás baja regis trada en los prim eros experim entos de Cracovia era de unos 55 K, unos 35 K por debajo del p u nto de ebullición del oxígeno a presión norm al, sin em bargo, los m étodos utilizados por la prim era generación de físicos de bajas tem peraturas eran poco eficaces y no conse guían producir grandes cantidades de gases líquidos. La situación cam bió en la década de

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1890, cuando se desarrollaron nuevas tecnologías de refrigeración, principalm ente por Cari von Linde en Alemania, W illiam H am pson en Inglaterra y George Claude en Francia. Lin de fue un pionero de la ingeniería de refrigeración y el fundador de una com pañía de éxi to que desarrollaba refrigeradores para usos industriales. En 1895, a los 71 años de edad, inventó u n eficaz m étodo para la licuefacción de gases basado en el efecto Joule-Thom son. Los trabajos de Linde, H am pson y Claude se dirigían principalm ente a la producción de aire líquido con propósitos industriales, pero tam bién fueron im portantes para otros fines científicos. En general, la ciencia y la tecnología se desarrollaron m ano a m ano en las áreas de la criogenia y la física de bajas tem peraturas. Por ejemplo, la Association Internationale du Froid (Asociación Internacional de la Refrigeración), fundada en 1909, era una organi zación para los aspectos tanto científicos com o industriales de las bajas tem peraturas. O tro rasgo característico de la p rim era fase de la criogenia fue la naturaleza interdisciplinar del cam po, q u e en g lo b ab a a quím icos, físicos e ingenieros. U n tercer rasgo caracterizaba el cam po, en concreto, que era m uy caro com parado con lo habitual en la física experi m ental de aquella época. Sólo unos pocos laboratorios de física podían perm itirse iniciar una investigación sobre bajas tem peraturas. A finales del siglo xix, existía u n interés creciente en alcanzar tem peraturas aun más bajas, tan cerca del cero absoluto com o fuera posible. La licuefacción del hidrógeno, que se pensaba que poseía el p u n to de ebullición m ás bajo de todos los gases, se convirtió en una m eta atractiva de la física de bajas tem peraturas, y los intentos para licuar el gas p ro n to se transfo rm aro n en u n a carrera. Los principales participantes en la carrera eran cien tíficos en G ran Bretaña (Londres), Polonia (Cracovia) y H olanda (Leiden). C om o resul tado de la presión com petitiva y del prestigio que suponía ser el prim ero en licuar el hidrógeno, y después el helio, la carrera tuvo lugar en una atm ósfera de litigio, controver sia sobre quién había sido el p rim ero y afirm aciones de éxito dem asiado apresuradas. U no de los participantes fue el quím ico escocés James Dewar, quien trabajaba en la Royal Institu tio n en Londres. A caballo entre la quím ica y la física experim ental, D ew ar había in vestigado las bajas tem peraturas desde 1874, y en 1892 inventó u n o de los aparatos crio génicos m ás útiles, el criostato al vacío o vaso Dewar; o, en u n lenguaje m enos científico, el term o. En 1898, utilizando una m odificación del m étodo de Linde, Dewar tuvo éxito donde sus com petidores habían fallado. El resultado de sus esfuerzos fueron veinte milili tros de hidrógeno líquido hirviendo, la tem p eratu ra del cual estim ó sería de unos 20 K. H abiendo obtenido hidrógeno líquido prosiguió p ara producir el elem ento en su estado sólido, lo cual consiguió en 1899. El p u n to triple del hidrógeno (donde las tres fases se en cuentran en equilibrio) se había alcanzado, pero su tem peratura no se pudo determ inar directam ente. D ew ar estim ó que la tem p eratu ra sería de unos 16 K, pero probablem ente había alcanzado tem peraturas incluso m ás bajas en sus experim entos, quizá sólo 12 gra dos sobre el cero absoluto. Dewar estaba com pitiendo conscientem ente con Olszewski en Cracovia y K am erlingh O nnes en Leiden, y tras su victoria con el hidrógeno la carrera continuó hacia su siguiente objetivo, la licuefacción del helio. El elem ento helio era bastante novedoso p o r aquel entonces. A unque su n om bre y existencia fueran ya sugeridos en 1868, cuando N o rm an Lockyer interpretó una línea no

Física a bajas temeperaturas

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identificada en el espectro solar com o evidencia de u n nuevo elem ento, fue sólo en 1895 cuando WiDiam Ram say descubrió helio en ،fiemes terrestres. Al principio se creía que era -uno de los elem entos m ás escasos», com o el quím ico Clem ens W inkler dijo en 1897. Algunos años después, en 1903, se encontró que el helio era abundante en pozos de gas natural estadounidenses, pero llevó varios años desarrollar la tecnología necesaria para extraer el helio gaseoso hasta u n nivel comercial. De ‫ س‬precio de 2.500 dólares p o r pie cúbico de helio en 1915, se bajó a u n precio de 3 centavos p o r pie cúbico en 1926. En los prim eros años del siglo, cu ando el helio era escaso y caro, los científicos sospechaban que su p u n to triple estaba p o r debajo del p u n to del hidrógeno: en consecuencia, los tísicos de bajas tem peraturas dedicaron sus estúerzos a licuarlo. A la com petición entre Dewar, Olzsewski y Kam erlingh O nnes se unieron Ramsay y su asistente M orris Travers. Ramsay y Travers eran los líderes m undiales en gases inertes, pero p o r desgracia no se llevaban bien con el irascible Dewar. El p rim e r A ten to de licuar el helio p o r parte de Olzsewski tuvo lugar ya en 1896. Fracasó, com o tam bién lo hicieron los intentos posteriores de D ewar y Travers. Estos prim eros experim entos eran de ensayo y error, en el sentido de que se llevaban a cabo sin saber cóm o de baja era la tem p eratu ra que se necesitaba. Tan sólo en 1907 se estim ó de m an era fiable la tem p eratu ra crítica del helio, entre 5 K y 6 K . Esto era tan sólo ligeram ente m e n o r que las tem peraturas más bajas obtenidas en los centros europeos de criogenia de la época, y el éxito parecía p o r lo tanto estar al alcance. Los científicos británicos y polacos fueron derrotados cuando Kamerlingh O nnes anunció triunfantem ente en julio de 1908, para gran vejación de Dewar, que había licúado el gas. El experim ento em pezó a las 5:45 a.m. del 10 de julio con 75 litros de aire líquido; éste file utilizado para condensar 20 litros de hidrógeno, que fue a su vez utilizado para licuar 60 mililitro s de helio bajo presión reducida. La p rim era licuefacción del helio se consiguió trece horas m ás tarde. K am erlingh O nnes describió el clímax de esta m anera: «Fue u n m om en to m aravilloso cuando el líquido, que parecía casi inm aterial, se vio p o r p rim era vez [...] Estaba exultante cuando p ude m o strar el helio licuado a m i am igo Van der Waals, cuya teoría h abía sido m i guía en la licuefacción hasta el final» (11984 ‫ اﻣﺤﺪ‬, p. 2). Kam erlingh © nnes intentó inm ediatam ente determ inar si podría solidificar el elem entó m ediante evaporación bajo presión reducida: fracasó, y los intentos posteriores no tuvieron m ás éxito. El helio sólido se consiguió al final en 1924, p o r Willem Keesom en el laboratorio de Leiden. A un así, K am erlingh O nnes había p roducido el prim er helio líquido de la historia y en el proceso alcanzó u n a nueva tem p eratura récord, obteniendo tem peraturas tan bajas com o 1 K en 1910. En este p u n to , cuando resultó técnicam ente ‫؛‬m posible reducir m ás la tem peratura, tom ó una pausa y decidió investigar las propiedades físicas de las sustancias en el régim en de tem peraturas ahora accesible entre l K y 6 K .

Kamerlingh Onnes y

٠١ laboratorio

de Leiden

Heike K am erlingh O nnes, director y cabeza indiscutible del laboratorio de Leiden desde 1882 hasta su jubilación en 1922, había em pezado su trayectoria en la física con estu

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dios bajo la dirección de K irchhoff en Heidelberg a com ienzos de la década de 1870. Su cátedra en Física experim ental en la Universidad de Leiden fue la prim era de su clase en H olanda. A lrededor de 1893, se em barcó en u n pro gram a de investigación criogénica a gran escala y p ro n to la m ayor p arte del trabajo en el laboratorio estaba centrado en bajas tem peraturas (pero no totalm ente: fue aquí d o n d e Zeem an descubrió el efecto m agnéti co sobre las líneas espectrales en 1896). K am m erlingh O nnes planeó su program a de in vestigación a largo plazo sistem áticam ente y con grandes dotes com o gerente, com o un general o u n ejecutivo. Al contrario de los laboratorios tradicionales de u n Róntgen, un R utherford o un(a) Curie, K am erlingh O nnes convirtió su departam ento en u n a fábrica científica dirigida eficazm ente y bien financiada, donde la pericia técnica y logística con taba tan to com o la im aginación científica. Por ejem plo, en vez de depender de partes de aparatos de fabricación casera, Kam erlingh O nnes im p o rtó técnicos extranjeros y organi zó una escuela de fabricantes de instrum entos y sopladores de vidrio. La organización profesional del lab o rato rio de Leiden, su stentada p o r am plios re cursos económ icos asegurados en p arte gracias a las conexiones personales del direc to r con industriales holandeses, lo hiciero n su p e rio r a las in stituciones rivales en C ra covia, Londres y París. En 1906, el lab o rato rio o p eraba u n eficiente licuefactor de hidrógen o , capaz de p ro d u c ir 4 litros p o r h o ra , y d u ra n te u n a década después de 1908 tenía el m o n o p o lio m u n d ia l de helio líquido. Fue sólo tras el fin de la gu erra cuando el helio líq u id o em pezó a p ro d u cirse en o tro s sitios, p rim ero en la U niversidad de Toro n to , luego en el N ational B ureau o f S tandards en W ashington y en el PhysikalischTechnische R eichsanstalt en Berlín. Incluso entonces, Leiden seguía sin rival com o el centro m u n d ia l de física de bajas tem p eratu ras. El su m in istro de helio, p o r aquel en tonces todavía u n elem ento raro y caro, era de crítica im p o rta n c ia p a ra el lab o rato rio de Leiden. K am erlingh O n n es o btuvo su p rim e r helio calentando arena de m onacita radiactiva de C aro lin a del N o rte y p u rifican d o p o ste rio rm en te el gas liberado. O tros su m in istro s del precioso gas se d erivaban de la to rian ita, o tro m ineral radiactivo, o se recibían com o regalos de com pañías q u ím icas extranjeras. K am erlingh O n n es era u n d irecto r au to crático de la vieja escuela, clasista y p ro fu n d a m e n te conservador. D irigía el lab o rato rio com o u n «déspota benevolente», com o H e n d rik C asim ir, el físico h o lan d és y m ás tard e d irector de los L aboratorios de Inves tigación Philips, le describiera u n a vez. Sin em bargo el déspota era apreciado y capaz de estim u lar en sus em pleados científicos y técnicos u n espíritu de co m p ro m iso y co laboración. P ara asegurar la am plia circulación del trab ajo del laboratorio, en 1885 Ka m erlin g h O n n es fu n d ó la revista in tern a Comunicaciones del Laboratorio Físico de Lei den, cuyos artículos se p u b licab an en inglés o, m enos frecuentem ente, en francés y alem án. Los artículos eran g eneralm ente trad u ccio nes o revisiones de artículos p u b li cados en las Actas de la Real Sociedad (de A m sterdam ) y se re im p rim ían m uchas veces en revistas extranjeras. T anto si h ab ía p articip ad o d irectam ente en la investigación com o si no, K am erlingh O n n es consideraba ten er el derecho, com o director, de apare cer com o co au to r de to d as las publicaciones que salían del lab o rato rio , u n a política que po d ría explicar su so rp ren d en te p ro d u ctiv id ad de artículos científicos.


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Según el lab o rato rio ascendía p a ra convertirse en el p rincipal centro m u n d ial de física de bajas te m p eratu ras, atraía u n n ú m e ro cada vez m ayor de visitantes que querían utilizar sus instalaciones únicas. Siem pre que se necesitaba investigar u n fen ó m en o a m u y bajas te m p eratu ras, Leiden era el sitio p a ra hacerlo, y existieron m u ch o s fenóm enos así. Para m en c io n a r sólo u n o s pocos ejem plos, en los p rim ero s años del nuevo siglo, M arie C urie realizó exp erim en to s en Leiden p ara m ed ir si la vida m edia de las sustancias radiactivas se veía influida p o r el ‫؛‬rio extrem o. (P ierre C urie investigó el m ism o prob lem a, p ero fue a L ondres a tra b a ja r con D ew ar.) En 1 9 0 8 Jean Becquerel de París exam inó el c o m p o rta m ie n to de fen ó m en o s m ag n eto -ó p tico s hasta 14 K y halló que los experim ento s con h id ró g en o líq u id o apoyaban sus controvertidas hipótesis sobre los electrones positivos. Becquerel y, n o m in alm en te, K am erlingh O nnes concluyeron que «las observaciones en h id ró g en o líq u id o parecen p ro p o rc io n ar u n ftrerte apoyo al argu m en to a favor de la existencia de electrones positivos» (K ragh 1 9 8 9 , P . 2 1 7 ) . Esta vez, K am erlingh O n n es p ro b ab lem en te se arre p in tió de su au to m ática coautoría. El «ftrerte apoyo» n o fue aceptado p o r o tro s físicos q u e d eclin aro n aceptar la existencia de electro n es positivos. La id en tid ad del la b o ra to rio de Leiden n o estaba fo rm ad a sólo de edificios, aparatos y organización, sino tam b ién del tip o de credo m etodológico que se derivaba de la perspectiva de la ciencia de su director. Se p o n ía gran énfasis en el valor de m edidas cuantitativas y precisas, ya que se m a n te n ía q u e éstas e ra n la esencia de la ciencia, m ien tras que la teoría y observaciones cualitativas se consideraban m enos im p o rtan tes. En 1 8 8 2 , en su clase in au g u ral en la U niversidad de Leiden, K am erlingh O nnes expresó el credo de esta m anera: «De acuerdo con m i p u n to de vista, perseguir investigaciones cuantitativas, es decir, establecer relaciones en tre m edidas y fenóm enos, debería ten e r preferencia en la práctica experim en tal de los físicos. Por la m edida hacia el conocimiento [door m eten ‫؛؛‬٠ weten], m e gustaría escribir com o lem a sobre la en trada de to d o s los lab o rato rio s de física» (C asim ir 1 9 8 3 , p. 1 6 0 ) . Esta actitud, una p arte im p o rtan te del esp íritu de Leiden, era p o r su p u esto co m p artid a p o r o tro s científicos adem ás de K am erlingh O nnes. El énfasis en las m edidas cuantitativas era u n a característica típica de la física de en tre siglos. Al físico alem án Friecirich K ohlrausch, u n im p o rta n te o rg an izad o r de in stitu to s físicos y escrito r de libros de textos influyentes, se le conocía com o «el m aestro de ‫ ط‬física de la m edida». De acuerdo con K ohlrausch, la m ed id a estaba en el co razó n de la física. «M edir la n atu raleza es u n a de las actividades características de n u estro tiem po», p ro clam ó en 1 9 0 0 (C ahan 1 9 8 9 , p. 1 2 9 ) . La actitud de K ohlrausch y K am erlingh O n n es estaba extendida en tre los experim entales y quizá en p articu lar en tre los espectróscopos. P or ejem plo, q u edó expresada m uy claram ente p o r el com ité N obel en 1 9 0 7 , cu an d o el p rem io fue entregado a M ichelson: «En cuanto a la física, se h a desarrollado n o tab lem en te conio u n a ciencia de precisión, de tal m añ e ra que p o d em o s afirm ar justificadam ente q u e la m ayoría de los grandes descubrím ientos en física están basados en su m ayor p a rte en el alto grado de precisión que p u ede obtenerse ah o ra en m edidas to m ad as d u ra n te el estudio de los fenóm enos físiCOS. [La precisión de l a m edida] es la au tén tica raíz, la co ndición esencial, de nuestra

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pen etració n en ،as p ro fu n d id ad es de ‫؛‬as leyes de la física, n u estra fínica vía hacia nuevos descubrim ientos» (H o lto n 1988, p. 295). La predilección p o r la m ed id a de alta precisión no im plica necesariam ente u n a devaluación de la teo ría ni de la observación. En algunos casos, los experim entos pueden parecer justificados p o r sí m ism os, pero en o tro s se consideraban dirigidos a propósitos m ás elevados, com o el d escu b rim ien to y el avance del e n ten d im ien to de la n a tu ra leza. E ntre siglos, se arg u m en tab a a m e n u d o q u e las m edidas de precisión co nducirían a fenóm enos cu alitativam ente nuevos y de este m o d o p ro p o rcio n aría u n a tran sfo rm ación dialéctica de can tid ad en cualidad (p o r u sar u n a expresión m arxista clásica). Esto es lo que el com ité del N obel sugirió al p resen tar el p rem io a M ichelson, y era ciertam ente u n a idea n ad a ex trañ a p ara el físico estadou n id ense. En un co m en tario de 1902 sobre las leyes fun d am en tales de la física y la p o sibilidad de d escubrim ientos futuros escribió: «Se ha e n c o n tra d o q u e existen aparentes excepciones a la m ayoría de estas leyes, y esto es cierto en p articu lar cu a n d o se llevan las observaciones al lím ite, es decir, cada vez que las circunstancias del ex p erim en to son tales que se p u ed en exam inar casos extrem os». Tras m en c io n a r algunos ejem plos así, M ichelson con tin u ab a, «se pod rían m en cio n ar o tro s m u ch o s ejem plos, pero éstos son suficientes p ara justificar la afirm ación de que «nuestros d escu b rim ien to s fu tu ro s d eb erán buscarse en la sexta posición decim al». Se sigue que to d o m éto d o q u e facilite la precisión de la m edida es un posible facto r en el d escu b rim ien to futuro» (M ichelson 1902, p. 24). Esto es lo que se ha d e n o m in a d o «el ro m an ce del sexto decim al»: la creencia o esperanza de que si los científicos conocen u n d o m in io de la n atu raleza hasta cierta escala, u n in crem en to en el p o d er de observación q u e p ro p o rcio n e acceso a u n escala ligeram ente su p erio r pueda llevar a nuevos y espectaculares resultados. Si los científicos co n tin ú an realizando sus experim en to s de m an era u n p oco m ás sofisticada, con m ás precisión, a energías m ás altas, te m p e ra tu ras m ás bajas, m ás resolución, y en consecuencia a m ayor coste, valdrá claram en te la pena. N atu ralm en te, el proceso n o es autom ático, n o hay garantía de que u n m ayor precisión o gam a ex p erim en tal vaya a co n d u cir a descubrim ientos, ? o r o tro lado, el p u n to de vista de M ichelson de h echo ten ía ciertam en te u n a base; es decir, estaba apoyado en la h isto ria de la ciencia. La física p o sterio r ha co n tin u ad o prop o rcio n a n d o evidencias a favor del ro m an ce del sexto decim al. M ichelson claram ente veía que su ex p erim en to sobre la co rrien te del éter, que de acuerdo a él condujo a la teoría de la relatividad, p ertenecía a esta clase. El d escu b rim ien to de la su p erconductiv id ad en 1911 es quizá u n ejem plo aú n m ejor. La filosofía de Leiden de que la m edida co n d u cía al conocim iento se ha den o m in ado «fenom enalism o sofisticado» y debería d istinguirse del cru d o em pirism o en el que los experim en to s reem plazan, en vez de servir de su p lem en to a la labor teórica. A pesar de su énfasis en ex perim entos de precisión, el p ro g ram a de investigación de Kam erlingh O n n es estaba relacionado co n ‫ ط‬teoría. Lo que pued e parecer u n a obsesión con la co n q u ista de nuevas gam as de bajas te m p e ra tu ras no estaba m otivado tan sólo p o r sim ple cu rio sid ad o p o r u n deseo de reclam ar te rrito rio ignoto antes que sus com p etidores (a u n q u e estos factores tu v iero n sin d u d a su papel). Al c o n trario que Micfíel-


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>)n y otros archiexperim entales, K am erlingh O n n es co n tab a con u n a sólida educación en m atem áticas y estaba p ro fu n d a m e n te in sp irad o p o r teóricos holandeses com o Lorentz y Johannes van d er W aals. A ntes de iniciar su g ran p ro g ram a en críogenia, había trabajado en te rm o d in á m ic a y física m olecular, y estaba especialm ente interesado en com probar las consecuencias de la teo ría m olecular de Van der W aals. E n 880 ‫ ا‬Van der Waals había fo rm u lad o la «ley de estados correspondientes», que K am erlingh O nnes ;esarro lló in d ep en d ien tem en te al añ o siguiente. D e acuerdo con esta ley, todas las sus:ancias obedecen a la m ism a ecuación de estado cu an d o su presión, te m p e ra tu ra y ٧٠am en se expresan com o m últiplos de los valores q u e estas variables tien en en el p u n to crítico. En 1894 K am erlingh O nnes fo rm u ló de m an era clara la base teórica p ara em barcarse en u n p ro g ram a de licuefacción de gases: «Me vi encam in ad o a trab ajar con gases conden sad o s deb id o al estudio de la ley de estados co rrespondientes de Van i e r Waals. M e parecía altam en te deseable analizar las líneas isotérm icas de los gases ' especialm ente del h id ró g en o , a m u y bajas tem peraturas» (G avroglu y G oudaroulis 1989, p. 51). El m ism o m ensaje, la ín tim a conexión entre los experim entos a bajas t e m p e r a t u r a s de I.eíden y las teorías de Van d er W aals, estaba co n ten id o en ‫ دل‬afirm ación de K am erlingh O n n es en 1908 a rrib a citada, después de conseguir licuar el helio con éxito.

$uperconduct‫؛‬vidad U na de las pro p ied ad es investigadas en el lab o rato rio de Leiden era la conductividad eléctrica en los m etales. La teoría g eneralm ente aceptada entonces se basaba en u n trabajo que el físico alem án 1‫ ا الآل‬D ru d e había pub licad o en 1900, en gran p arte la m ism a teoría que se p resen ta hoy en día en los libros de texto de nivel universitario. D ru de sugirió qu e la co n d u cció n m etálica era el resultado del m o v im iento de electrones libres bajo la influencia de u n cam p o eléctrico externo, y que los electrones que originalm en te su p u so llevaban cargas ta n to positivas com o negativas, ten ían propiedades com o las de u n gas. En u n m etal, los electrones de co nducción se su p o n ían en equilibrio térm ico con los iones y áto m o s n eu tro s. S u p o niendo p o r sim plicidad que todos los electrones poseen la m ism a velocidad técnica u, y que u es m u ch o m ayor que la velocidad de flujo, D ru d e derivó p a ra la co n d u ctiv id ad eléctrica (la inversa de la resistividad) u n a expresión de la fo rm a CT = e2nX T~1/2; aquí, X es el cam ino libre m edio y n el n ú m e ro de electrones libres p o r u n id a d de v olum en. En 1905 L orentz desarrolló una teo ría m ás sofisticada sustitu y en d o la suposición poco realista de electrones de igual velocidad p o r velocidades electrónicas d istrib u id as de acuerdo a la ley de M ax" Sin em bargo, tras largos cálculos, llegó a u n a fó rm ula que difería de la de D ru d e sólo en u n factor num érico. La te o ría de la con d u cció n eléctrica se contin u ó desarro llan d o en versiones au n m ás sofisticadas de j. ١. T h o m so n , O w en R ichardson, Niels B ohr y otros. En estas versiones, de 1910 a 1915, los electrones en u n cond u c to r m etálico se concebían com o u n gas o v ap o r que satisfacían la ley de los gases ideales. Se esperaba de esta m an era e n c o n tra r u n m ecanism o p a ra la interacción entre

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electrones y áto m o s del m etal que explicara la ley de rad iación del c u erp o negro; sin em bargo n o se e n c o n tró u n a explicación satisfactoria y las teorías electrónicas no obtu v iero n m ás éxito a la h o ra de explicar con precisión la variación de la resistencia con la tem p eratu ra. Se sabía ex p erim en talm en te q u e la resistencia de los m etales p u ro s variaba p ro p o rcionalm en te con la te m p e ra tu ra absoluta, es decir, a ~ T~l , al m enos p o r encim a de los 20 K. £sto presen tab a u n pro b lem a, ya que estaba de acuerdo con la fó rm u la de D rude-L orentz sólo si se su p o n ía a rb itra ria m en te q u e nk ~ ‫ا‬/‫أ’~ن‬ , y ni la teoría de □ ru d e ni sus sucesoras eran capaces de calcular n y X co m o funciones de T. A dem ás, exper‫؛‬m entos realizados a m uy bajas te m p e ra tu ras d u ra n te la p rim e ra década del siglo estab an en desacuerdo ta n to con la depend en cia de T~1/2 com o con la de T"1. Investigadones realizadas p o r D ew ar y o tro s sobre la dependencia de la resistencia con la te m p e ra tu ra en u n e n to rn o del p u n to de ebullición del h id ró g en o indicaban que la resistencia com o fd n ció n de la te m p e ra tu ra p resen taba u n a tendencia a aplanarse para tem p era tu ras m u y bajas. Esto se to m ó com o u n a im plicación de u n a de dos posibilidades: o b ien la resistencia ten d ería a u n valor d istin to de cero asintóticam ente, o alcanzaría u n m ín im o y entonces, p ara te m p e ra tu ras incluso m ás bajas, se increm entaría indefin id am en te. Se su p o n ía de m a n e ra general que la segunda posibilidad estaba bien de acu erd o con la teoría. C erca del cero abso lu to se su p o n ía que los electrones libres «se congelarían» y se co n d en sarían sobre los átom os; entonces la densidad de electro n es libres ten d ería a cero y, de acuerdo con la fó rm ula de D rude-L orentz, la resistencia se in crem en taría drásticam ente. K am erlingh O nnes, en tre otros, en co n trab a esta hipótesis atractiva. En 1904 la describió com o sigue: Parece co m o si el v a p o r de electro n es q u e llena el espacio del m etal a bajas tem p eratu ra s se co n d en sa m ás y m ás sobre los áto m o s. P or lo ta n to , la c o n d u c tiv id a d , c o m o Kelv in expresó p o r p rim e ra vez, alcan zará u n m á x im o a u n a te m p e ra tu ra m u y baja, dism in u irá en to n ces de n u ev o h asta q u e se alcance el cero ab so lu to , en el cual u n m etal no c o n d u ciría en abso lu to , igual q u e u n vid rio . La te m p e ra tu ra del m á x im o d e la con d u ctiv id ad [se en cu en tra ] p ro b a b le m e n te varias veces p o r d eb ajo de la del h id ró g en o líquido. A u n a te m p e ra tu ra m u c h o m e n o r aú n , n o q u e d a ría n in g ú n elec tró n libre, la eiecttic idad estaría congelada, p o r así decir, en el m etal. (D ah l 1984, p. 6)

A rm ad o con sus cantidades de helio líq u id o recientem ente producidas, K am erlingh O nnes decidió en 1910 ex am in ar la cuestión de m a n e ra sistem ática. Los experim entos se efectu aro n en co laboración con C ornelis D orsm an y Gilíes H olst, y fue H olst quien realm ente llevó a cabo las m edidas. Sin em bargo el artículo fue firm ado sólo p o r Kam erlingh O nnes. Los holandeses al p rin cip io utilizaron u n a resistencia de platino }· c o m p a ra ro n sus datos con m edidas anterio res de resistencias de oro de pureza conocída. Los resultados hiciero n que K am erlingh O n n es concluyera, «parece que deseend ien d o a te m p e ra tu ras de helio la resistencia dism inuye au n m ás, pero que cu an d o estas te m p e ra tu ras se alcanzan, la resistencia ad quiere u n valor constante bastante


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ind ep en d ien te de ‫؛‬٤١ te m p e ra tu ra individual a ‫ ظ‬€ ‫ ااﺋال‬h a sido llevada» (ibid.). Se dio cuenta de que incluso las pequ eñ as im purezas p o d ia n afectar al resultado significativ am ente y creyó que éstas enm ascaraban la verdadera variación de la resistencia con la tem peratura. O b servando que la m u estra m ás rica en o ro m o strab a m enos resistencia q ue la o tra, sugirió que la resistencia de los m etales p u ro s se haría cero asintóticam ente cuando la te m p e ra tu ra se aproxim ara a cero y sería p rácticam ente cero a 5 K. Ésta era u na suposición arriesgada y, com o la m ayoría de las suposiciones arriesgadas, era falsa. En los nuevos exp erim en to s de 1911 se usó m ercu rio , que se p o d ía o b ten er en u n a form a altam en te purificada. U n ex p erim en to inicial, an u n ciad o en abril, parecía confirm ar la sospecha de K am erlingh O nne^ sobre u n a resistencia que se anulaba a$intóticam ente, ?e ro cu a n d o se llevaron a cabo exp erim en to s m ás precisos al m es siguiente, éstos m o stra ro n u n a v ariación que era to talm en te inesperada: u n cam bio a b ru p to a resistencia cero a u n a te m p e ra tu ra cercana a 4,2 K (gráfico 6.1). En su discur,‫ ©؟‬del N obel de 1913, K am erlingh O n n es describió el d escu b rim ien to com o sigue: «El expe-

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Gráfico 6.1. La superconductividad al descubierto: curva de Kamerlingh Onnes de 1911 de resistencia de m ercurio versus tem peratura.

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rim en to no dejaba d u d a de que, d e n tro de la precisión de la m edida, la resistencia desaparecía. Al m ism o tiem p o , sin em bargo, sucedía algo inesperado. La desaparición no ten ía lugar g rad u alm en te sino abruptam ente. D esde 1/500 la resistencia a 4,2 K cae a u n a m illo n ésim a parte. A la te m p e ra tu ra m ás baja, 1,5 K, se p u d o establecer que la resistencia había p asado a ser m en o s q u e u n a diezm illonésim a p arte de la correspondiente a te m p e ra tu ra n o rm al. Así pues, el m ercu rio a 4,2 K h a e n trad o en u n nuevo estado, el cual, deb id o a sus prop ied ad es eléctricas particulares, p u ed e ser d en o m in a d o estado de u p e rc o n d u c tiv id a d » . E xperim entos adicionales efectuados en tre ‫ل‬9 ‫ ﻟﻞ‬y 1913 p ro b a ro n q u e la su p erco n d u ctiv id ad del m ercu rio era definitiva, m ien tras que ni el platin o ni el o ro m o strab an u n c o m p o rta m ie n to similar. Sin em bargo, el m ercurio no era u n a anom alía, ya q u e en diciem bre de 1912 resultó que el estaño y el p lo m o eran tam b ién superconductores; la d esaparición de la resistencia se e n c o n tró en 3,78 K para el estaño y 6,0 K p ara el p lom o. Al c o n tra rio de lo q ue se esperaba, se vio que las im purezas n o ten ían n in g ú n efecto en el nuevo fenóm eno. A dem ás, quedó definitivam en te co n firm ad o que la d esaparición de la resistencia o cu rría a b ru p ta m e n te y que las «rodillas» en la cu rv a de resistencia eran efectos ' El té rm in o «superconductividad» apareció p o r p rim e ra vez en u n artículo escrito p o r K am erlingh O n n es a com ienzos de 1913. A h o ra h abía u n n o m b re p ara el desconcertante fenóm eno, pero hab ía u n a to tal falta de e n ten d im ien to de lo que el n o m b re ocultaba. D u ra n te u n tiem p o , K am erlingh O n n es n o se dio cu enta del to d o de la novedad del fen ó m en o y co n tin u a b a co n sid erán d o lo u n caso extrem o de conducción eléctrica o rd in aria, es decir, d e n tro del m arco de la teo ría de D rude-L orentz. Q u‫؛‬zá> pensaba, estaba causado p o r u n b rusco in crem en to en el cam ino libre m edio de los electrones. Esta idea, ju n to con los resultados o b ten id o s para el p lo m o y el estaño le lievaró n a creer q u e la su p erco n d u ctiv id ad p o d ría ser u n estado general a bajas tem peratu ras p a ra to d o s los m etales, ? e ro éste era u n asu n to que sin d u d a había que decidir experim en talm en te, y los ex perim entos p ro b a ro n que la su p erco nductividad estaba lim itad a a u n o s cuan to s elem entos. D e n tro del área de la superco n d u ctiv id ad experim en tal se progresó ráp id am en te, a pesar de la falta de en ten d im ie n to teórico. En 1913 se construyó el p rim e r im án su p e rc o n d u c to r en Leiden y en 1914 K am erlingh O nnes y su eq u ip o co m en zaro n u n estudio del efecto de fúertes cam pos m agnéticos en el estad o sup erco n d u cto r. U na nuev a d isco n tin u id ad apareció, en concreto, la existencia de u n cierto valor crítico del cam p o p o r en cim a del cual la resistencia n u la desparecía de m a n era a b ru p ta y m isteriosa. Se co m p ro b ó que la fuerza del cam po crítico se increm en tab a a te m p e ra tu ras m ás bajas. El efecto de u n cam po m agnético supercrítico tenía p o r lo ta n to el m ism o efecto que calen tar el m etal. Y otro nuevo fenóm eno se dejaba para los desconcertados teóricos. Se afirm a a veces que K am erlingh O n n es tam b ién descubrió la superfluidez en 1911. La débil base de esta afirm ació n es q u e el g ru p o de Leiden realizó m edidas de la variación de la d ensidad del helio líq u id o con la te m p e ra tu ra y obtuvo resultados que sugerían u n a d en sid ad m áxim a cercana a los 2,2 K. Sin em bargo, el cam bio brusco en den sid ad - u n a m anifestación de la superfluidez del h e lio - quedó establecido ta n sólo


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varios años tra s la ? rim e ra G u erra M undial, en 1924. Incluso entonces, K am erlingh O n n es n o lo consideró u n fen ó m en o p a rtic u la rm en te interesante que m ereciera u n estu d io detallado: au n q u e lo q u e observara en 1911 era realm ente u n a p ro p ied a d superfluida, hicieron falta m u ch o s años hasta q u e q u ed ó claro que era u n a m anifestación de u n fen ó m en o g en u in am en te nuevo. La observación es u n a p reco ndición necesaria pero n o suficiente p a ra el d escu b rim ien to , y fue sólo en 1938 cu a n d o la superfluidez consiguió el estado de d escubrim iento. A unque el d escu b rim ien to de la su p erco n d u ctiv id ad fue u n b rillan te pico en el trabajo del lab o rato rio de Leiden, fue sólo u n a p arte de m uchas en u n p ro g ram a de ‫ ه؛‬vestigación de am plias m iras. Lam o antes com o después de 1911, K am erlingh O n n es y su g ru p o pasaban la m ayor p arte del tie m p o investigando otras propiedades a bajas tem p eratu ras, incluyendo el efecto Hall, la p iezoelectricidad,‫ ط‬ley de Curie, la m agneto -ó p tica y la radiactividad. Fue p o r «sus investigaciones de las propiedades de la m ateria a bajas tem p eratu ras que condu jero n , en tre otras, a la p ro ducción de helio liquido» p o r lo que K am erlingh O nnes o btuvo el prem io N obel en 1913. La superconductividad, en retrospectiva con m u ch o el d escu b rim ien to m ás im p o rtan te , no se m en cio n ab a ex‫)؛‬lícitam ente en el discurso de p resentación. El hecho de que la superco n d u ctiv id ad no causara u n a co n m o ció n tam b ién q u ed ó reflejado en el p rim e r congreso Solvay en 19! I, que tuvo lugar m edio añ o después del descu b rim iento. En Bruselas, K am erlingh O nnes p ro p o rc io n ó u n a explicación detallada sobre m edidas de la resistencia eléctrica en el cual sugirió vagam ente q u e la desap arició n de la resistencia p o d ría explicarse con la ayuda de la teo ría cuántica. En su discurso del N obel sugirió de m an era sim ilar que la superco n d u ctiv id ad p o d ía estar conectada con «la energía de los vibradores de Flanck». El breve debate que siguió a la explicación de Solvay, lim itada a u n a pregunta de ?au l Langevin, indica que los físicos reu n id o s en Bruselas n o estaban particu larm ente interesados en el fenóm eno. R ápidam ente tra s el d escu b rim ien to de 1911 ap arecieron in ten to s de aplicar la teoría cuántica p ara d esarrollar u n a teo ría m ejo rad a de la co n ducción eléctrica, y así explicar la supercond u ctiv id ad . U na de las teoría,‫ ؟‬m ás p ro m eted o ras, pro p u esta p o rW ilhelm W ien en 1913, se basaba en la su posición de que la con d u cció n eléctrica estuviera esencialm ente d ete rm in a d a p o r el cam ino libre m edio de los electrones. A bajas tem p eratu ras, la teo ría cuántica de W ien llevaba a u n a d ep en dencia cuadrática de la resistencia con la te m p e ra tu ra, pero n o conseguía explicar la a b ru p ta caída en la resistencia de los m etales su p erco n d u cto res. O tras aplicaciones de la teoría cuántica sugerida p o r Keesom en 1914 y F rederick L in d em an n en 1915 n o tu v iero n m ás éxito. ¿Cuál era la causa del ab ru p to cam bio en la resistencia? ¿Por qué estaba el fenóm eno restringido a u n o s pocos de los m etales en la tabla periódica? La teo ría n o lo podía explicar; sin e¡nbargo, a pesar del fracaso, n o h ab ía u n sen tim ien to de crisis debido a la anom alía. Si la su p erco n d u ctiv id ad n o se p o d ía e n te n d e r teóricam ente, quizá p o d ría usarse tecnológicam ente. En su origen, los físicos de Leiden se d iero n cu en ta de la posibilidad de c o n stru ir pod ero so s electroim anes superco n d u cto res, en los que n o hu b iera pérdida p o r calor incluso p ara corrientes m u y altas. Estos p o derosos im anes no eran sólo in-

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teresantes científicam ente, sino que tam b ién serían de gran u tilidad en la ind u stria electrotécnica. Resultó sin em bargo que los fuertes cam pos m agnéticos actu ab an en c o n tra del estado su p erco n d u cto r; el su eñ o de los ' tuvo p o r tanto que ser archivado, al m en o s p o r el m o m en to . A p rin cip io s de 1 1 4 ‫ و‬, se realizaron experim en to s con u n anillo de p lo m o su p e rc o n d u c to r al cual se le aplicó u n cam po m agnético variable de u n a firerza de hasta 10 kilogauss. A pequeñas fuerzas del cam po la resistencia era cero, p ero a u n valor crítico de u n o s 600 gauss ia resistencia se increm en tab a espectacularm ente, de u n a m a n e ra análoga a la variación de la resistencia con la tem peratura. «La resistencia se increm enta [...] com o si la introducción del cam po m agnético tu v iera el m ism o efecto q u e calentar el co n d u ctor», escribió K am erlingh O nnes. Un exam en m ás detallado de la relación en tre resistencia y cam po m agnético tuvo que esperar h asta los años veinte. C o n la llegada de la P rim e ra G uerra M undial, el sum inistro de helio a Leiden se co rtó te m p o ra lm e n te y, sin helio liquido, n o se p o d ían estu d ia r ex p erim en talm en te ni la su p erco n d u ctiv id ad ni o tro s fenóm enos a tem p eratu ras p o r debajo de 5 K. Los ex perim entos a bajas te m p e ra tu ras en Leiden co n tin u a ro n después de que la guerra te rm in a ra y se aseguraran nuevos su m in istro s de helio. En 1919 se estableció que o tro s dos m etales, el talio y el uran io , eran superconductores. Se co m p ro b ó que las te m p eratu ras de d esaparición eran 2,32 K p ara e‫ ؛‬talio y u n o s 7,2 K p a ra el u ran io . Por el lado teórico, siguieron los in ten to s de e n ten d er el fenóm eno, pero desde luego no se progresaba. Las p rim eras dos conferencias de Solvay tras la guerra pued en ilu strar el estado poco satisfactorio del co n o cim ien to de la su p erconductividad. En la conferencia de ‫ ا‬9 2 ‫ ل‬K am erlingh O n n es im p a rtió u n sem in ario sobre «los su p erconductores y el m odelo de R utherford-B ohr», en el cual in fo rm ab a sobre los últim os experim entos de Leiden. Sugirió que la su p erco n d u ctiv id ad era u n fen ó m en o no clásico que sólo podía enten d erse en té rm in o s del á to m o cuán tico de B ohr, pero ni K am eriingh O n n es ni otros p o d ía n decir de qué m an era. R esum ía su in fo rm e con ocho p reguntas, que ind u ía n «dado q u e los áto m o s de R u th erfo rd -B o h r se u n e n p a ra fo rm ar ‫ ﻫﻮ‬m eta\, ،qué sucede co n sus electrones■‫¿ ؛‬Pierden to d a o sólo p a rte de su energía cinética?». El te m a del c u arto congreso de 1924 fue «la co n d uctividad eléctrica de los metales» y en é‫ ؛‬varios p articip an tes d iscu tiero n sobre superconductividad. Lorentz, que habió sobre la teo ría electrónica de los m etales, concluyó con vaguedad que las ó rbitas electrónicas en los estados su p erco n d u cto res deb en ser irregulares o «particulares». Kam erh n g h O n n es discu tió u n a posible co nexión en tre las teorías eiectrónicas de ios poeos elem entos su p erco n d u cto res de acuerd o con la nueva teoría de B ohr para el sistem a periódico, i.angevin sugirió q u e la d esaparición disco n tin u a de la resistencia era quizá el resultado de u n cam bio de fase en el m aterial. Al parecer, no ten ía constancia de q u e la sugerencia ya se hab ía co m p ro b ad o ex p erim entalm ente en Leiden, do n d e los análisis con rayos X de Keesom p ro b a ro n que n o había cam bio de fase. Owen R ichardson p ro p u so u n m o d elo de acuerd o al cual ‫؛‬os electrones se m overían librem ente a ،o largo de órb itas tangentes en tre sí y A uguste Piccard se p reg u n ta b a si quizá los relám pagos eran u n fen ó m en o su p e rc o n d u c to r a tem p eratu ras norm ales.


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Las d‫؛‬scusi©ne$ de Solvay y o tro s in ten to s c o n tem p o rán eo s para en ten d er la superco nductividad hicieron q u e el tem a estuviera m ás cerca de u n a explicación que antes de la guerra. C o m o E instein escribió en 1922, en su ú n ica c o n trib u ció n a la literatu ra sobre supercon d u ctiv id ad , «con n u estra am plia ig n o ran cia sobre la m ecánica cuántica de sistem as com puestos, estam os lejos de ser capaces de co m p o n e r u n a teoría con estas vagas ideas. Sólo p o d em o s ap oyarnos en los experim entos» (D ahl 1992, p. 106). ? ٠٢ cierto, ésta es posib lem en te la p rim e ra vez que el té rm in o «m ecánica cuántica» aparecía en u n a publicación científica. C u an d o la am plia ignoran cia sobre m ecánica cuántica dism inuyó drásticam ente después de 1925, resultó q u e u n e n ten d im ien to teórico de la su p erco nductividad n o se seguía de m an e ra sencilla de la nueva teo ría de los cuantos. La superco n d u ctiv id ad reribió al final u n a explicación m ecán ico -cu án tica satisfactoria, pero hizo falta m ucho tiem po y m u ch o s in ten to s fallidos h asta q u e el ex trañ o fen ó m en o fuera to talm en te entendido. U na teo ría fenom enológica fúe desarrollada en 935‫ ل‬p o r los h erm an o s Fritz y H einz L ondon , y en 1957 la s u ^ rc o n d u c tiv id a d fúe finalm ente explicada en térm in o s m icroscópicos p o r los estad o u n id en ses John Bardeen, León C o o p er y R obert Schríeft'er. E xam inarem os este desarrollo p o ste rio r en el capítulo 24.

CAPÍTULO 7

La relatividad de Einstein y de otros

Las transformaciones de Lorentz La teoría de la relatividad tiene sus raíces en la ó ptica del siglo xix. C on el éxito de b teoría o n d u la to ria de la luz de A ugustin Fresnel, to m ó relieve el problem a de los cuer- j pos m o viéndose a través del éter. D e acuerdo con u n a teo ría que Fresnel había pro-

puesto en 1818, u n cu erp o m óvil tra n sp a re n te a rra stra ría parcialm ente al éter. En tal ١ caso, la velocidad de la luz que se p ro p ag ara a través de u n cu erp o que se m ueva coz u n a velocidad v relativa al éter sería m odificada p o r u n a fracción de la velocidad d d J cuerpo, que d ep en d ería de la can tid ad v/c, d o n d e c es la velocidad de la luz en el vacie

La teoría de Fresnel explicaba u n g ran n ú m e ro de experim entos ópticos posteriores, j que m o stra b a n que era im posible detectar, al p rim e r o rden en v/c, el m o v im ien to de b ١ tie rra a través del éter. C u an d o las teorías elásticas de la luz se reem plazaron p o r la teoría electrom agnética de M axwell, la situación era la m ism a: cualquier teoría de la elec- i

tro d in á m ic a de cu erp o s m óviles te n ía que in c lu ir el « a rrastre de Fresnel». En sa ١ p rim e ra teo ría electrónica de la teo ría de Maxwell, publicada en 1892, Lorentz inter p retab a el arrastre de Fresnel com o u n resultado de la interacción de la luz y las paro- j culas cargadas («iones», m ás tard e electrones) en el cu erpo m óvil. Sin em bargo, Lorentz estaba p reo cu p ad o p o r que su teoría n o fuera capaz de explicar u n experim ente

que el físico am erican o A lbert M ichelson y su colaborador Edw ard M orley habían reali- 1 zado cinco años antes y que M ichelson h abía realizado p o r p rim era vez en 1881. El fam oso ex p erim en to de M ichelson-M orley en 1887 fue u n in ten to de m edir eí I m o v im ien to de la tierra relativo al éter m ed ian te u n a técnica de in terfero m etría avan- j zada. El ex p erim en to se desarrolló en la Case School for A pplied Science en Cleveland- j O hio, d o n d e M ichelson era profesor de física. Se esperaba que no se detectaran efecto‫؛‬ de p rim e r o rd en , pero el ex p erim en to de M ichelson-M orley ten ía u n a precisión de se- j g u n d o o rd en , es decir, con d ependencias de la m in úscula can tid ad (v/c)2. Según la teo

ría de Lorentz, el arrastre del éter debería ser detectable a este ord en de precisión, al ١


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contrario del resultado n u lo del ex perim ento. La falta de u n m o v im ien to detectable de ،a tierra a través del éter m u n d ia l fue u n a sorpresa ta n to p a ra teóricos com o p ara ex?■erimentales. En vez de aceptar el resultado, d u ra n te u n tiem p o M ichelson consideró di experim en to u n fracaso. «D ado q u e el resultado del experim ento original fue nega tivo, el p ro b lem a todavía requiere u n a solución», m a n te n ía (H o lto n 1988, p. 284). El desacuerdo en tre teo ría y ex p erim en tació n causó q u e L orentz m odificara su teo ría su p o niendo lo que m ás tard e se d en o m in ó la co n tracció n de L orentz, es decir, que la lond tu d de u n c u erp o q u e se m ueva en la d irección de la tie rra se red u cirá en u n factor - = (1 - P2)-1/2 o, a segundo o rd en de (3 = v/c, 1 - j2/ 2‫؛؛‬. A la can tid ad y se la conoce com o el factor de Lorentz. Sin q u e L orentz lo supiera, el físico irlandés G eorge FitzG erald h a ría pro p u esto u n a explicación sim ilar en 1889, au n q u e sin in clu ir la fórm ula; p o r esta razón, a veces se d e n o m in a com o la co n tracció n de FitzG erald-L orentz. Tanto FitzG e rald com o L orentz su p o n ían que la h ip o tética co n tracció n estaba causada p o r cam bios en las fuerzas m oleculares, pero en ese m o m e n to n in g u n o de los dos po d ía p ro p o rc io nar u n a explicación de la suposición. La p rim e ra explicación del resultado de M ichelson p o r p arte de L orentz fue clara m ente ad hoc y ni siquiera estaba basada en su teoría electrodinám ica. D u ran te la si guiente década avanzó m u ch o en el desarrollo de la teoría, y en 1899 el teórico holandés fue capaz de derivar la contracción en lo n g itu d a p a rtir de fórm ulas de tran sfo rm ació n m ás generales en tre las co o rd en ad as de u n cu erp o que se m ueve a través del éter y las de u n o que está en reposo con respecto al éter. L orentz escribió estas tran sform aciones en una form a m ás com pleta en 1904, la m ism a fo rm a en la que las conocem os hoy, pero no fue, sin em bargo, el p rim e ro en p u b licar las « transform aciones de Lorentz» com pletas. C om o u n a tra n sfo rm a c ió n p u ra m e n te m atem ática, se p u e d e n en c o n tra r en un trabajo sobre el efecto D o p p ler publicad o p o r W oldem ar Voigt ya en 1887. M ás al caso, en 1900 L arm o r derivó las ecuaciones a p a rtir de su p ro p ia versión de la teoría electrónica. M ediante las tran sfo rm acio n es de L orentz-L arm or, el resultado n u lo del experim ento de M ichelson-M orley se p o d ía explicar fácilm ente. De hecho, se seguía de la teoría de L orentz q u e n o p o d ía n existir efectos detectables de u n m o vim iento u n i form e a través del éter, n o solam ente al segundo o rd e n en v/c, sino tam b ién a to dos los órdenes. Las tran sfo rm acio n es de L orentz constitu y ero n el n úcleo form al de la teoría espe cial de relatividad, y en u n a p rim e ra im p resió n p o d ía p o r ta n to parecer que la teoría de Einstein hab ía sido precedida p o r las teorías electrónicas de L orentz y Larm or. Sin em bargo, esto no fue así en absoluto. A pesar de h ab er o b te n id o las m ism as tra n sfo r m aciones qu e E instein en 1905, L orentz las in te rp re ta b a de u n a m a n era m uy diferen te. P rim ero, la teo ría de L orentz era dinám ica, ya que las tran sfo rm acio n es se p o d ía n derivar de u n a causa física: la interacción en tre el éter y los electrones del cu erp o en m ovim iento. La co n tracció n en lo n g itu d se veía com o u n efecto de com pensación que se debía al m o v im ien to del c u erp o a través del éter. La tierra, según Lorentz, se m ovía realm ente a través del éter, sólo que el vien to del éter n o era m ensurable, de acuerdo con el resultado de M ichelson. En segundo lugar, el éter de Lorentz era u n a p a rte esen-

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cial de su teoría, ya que fu n cio n ab a com o u n m arco de referencia absoluto, Por ejem pío, m a n te n ía (de m a n e ra im plícita en 1904 y explícita en 1906) la existencia de la sim u ltan eid ad absoluta. £1 hech o de que esto concepto no esto de acuerdo con las Ínterp retaciones m o d e rn a s de la tra n sfo rm a c ió n del tiem p o sólo p o n e de m anifiesto la diferencia en tre las teorías de L orentz y Linstein. £ ٨ am bas teorías, la tran sfo rm ació n se escribe vx/c1), siendo ‫ ' ﺍ‬el tie m p o en el sistem a que se m ueve con velocid ad V con respecto al sistem a (x,t). ?ero L orentz consideraba esta tran sfo rm ació n una h e rram ie n ta m atem ática, y que el «tiem po local» t ’ n o ten ía significado real. Sólo existía, creía él, u n tiem p o real t (q u e él llam aba tiem p o general). O tro aspecto en la diferencia de in terp retacio n es era q u e L orentz n o llegaba a la fó rm ula relativista para la sum a de velocidades, la cual, en el m arco relativista, se sigue directam ente de las transform aciones cinem áticas. A unque Lorentz, L arm o r y la m ayoría de los dem ás físicos seguían apegados al éter y los conceptos asociados de espacio y tie m p o absolutos, tam b ién había voces disidentes. £ rn s t Nlach había criticado fu ertem en te el concepto de N ew ton de espacio absoluto, y su crítica, de base filosófica, era b ien conocida, p o r supuesto tam b ién p o r el joven £instein. M ach tam b ién criticaba la n o ció n de N ew ton de un tiem p o absoluto (com o otros antes que él), que m an ten ía era m etafísica ya que no se apoyaba ni en la experiencia ni en la in tu ició n . R efiriéndose a la crítica de M ach de la cosm ovisión m ecánica en su libro The Science ofM echanics de 1889, Einstein recordaba en sus no tas autobiográficas que «este libro ejerció sobre m í u n a p ro fiin d a influencia a este respecto cuan d o era estudiante» (Schilpp 1949, p. 21). N in g ú n boceto de la p reh isto ria de la relatividad, p o r breve que sea, p u ede evitar m en cio n ar a H en ri ?o in caré a la vez que a Lorentz. Basándose en su concepción convencionalista de la ciencia, sobre 900 ‫ ا‬el m atem ático francés p reg u n ta b a si a la sim ultan eid ad de dos eventos se le p o d ía o to rg ar algún significado objetivo. Ya en 1898 escribió, «la luz tiene u n a velocidad co nstante [...] esto postu lad o no p u ede ser verificado m ed ian te la experiencia [...] p ro p o rc io n a u n a nueva regla para ‫ ظ‬definición de sim ultaneidad» (C ao 1997, p. 64). Dos años después, en el congreso m u n d ial de física de París, Poincaré discutió sobre si el éter realm ente existía. A unque no respondió negativam ente a la p reg u n ta, era de la o p in ió n de q u e el éter era com o m ucho u n m arco abstracto de referencia al cual n o p o d ían adscribirse p ropiedades físicas. £ ٨ su Science andH ypothesis de 1902, Poincaré declaraba q u e la cuestión del éter era m etafísica, sim plem en te u n a hipótesis có m o d a q u e algún día se rechazaría com o inútil. En su com unicado al congreso de San Luis en 1904, exam inó críticam ente la idea de m o vim iento absoluto, postufo que el tiem p o focal de L orentz ( t’) no era m enos irreal que su tiem po general (t) y fo rm u ló lo q u e d e n o m in ó el p rin cip io de relatividad, es decir, la im posibilidad de detectar el m o v im ien to u n ifo rm e absoluto. Vale la pena citar su fo rm u lación de 1904: «De acuerdo al P rincipio de la Relatividad, las leyes de los fenóm enos físicos deben ser las m ism as p ara u n o b serv ad o r “fijo” que para u n observador que tiene u n m o v im ien to de traslación u n ifo rm e con respecto a él [...] debe obtenerse u n tipo de dinám ica to ta lm e n te diferente, q u e se caracterizará p o r encim a de to d o p o r la regla


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de que n in g u n a velocidad pued e sobrepasar la velocidad de la luz» (Sopka y M oyer 1986, p. 293). H asta este p u n to , la in terv en ció n de Poincaré en la discusión había sido p rogram ática y sem ifilosófica. En el veran o de 1905, sin conocer el in m in e n te artículo de Einstein, desarrolló u n a teo ría electro d in ám ica q u e en m u ch o s aspectos iba m ás allá de la de Lorentz. Por ejem plo, co m p ro b ó la ley relativista de su m a de velocidades, cosa que Lorentz n o h abía hecho, y tam b ién p ro p o rc io n ó la fó rm u la de tran sfo rm ac ió n co rrecta para la d en sid ad de carga. A dem ás de refo rm u lar el prin cip io de la relatividad com o «una ley general de la naturaleza», Poincaré m odificó el análisis de L orentz y pro b ó que las tran sfo rm acio n es de L orentz fo rm a n u n g ru p o con la im p o rta n te p ro piedad de q u e la m a g n itu d x 2 + y 2 + z2 - ،٠٧ es invariante, es decir, perm anece igual en cualquier m arco de referencia. Incluso se dio cu en ta de que el invariante se p o d ía es cribir en la fo rm a sim étrica x 2 + y 2 + z 2 + t 2 si se in tro d u cía la coord en ad a pa ra el tie m po im aginario t = icí. La teo ría de Poincaré fue u n a im p o rta n te m ejora, u n a teo ría de la relatividad, de hecho, p ero n o la teo ría de la relatividad. D e m an era extraña, el m a tem ático francés n o prosiguió con sus im p o rta n te s pesquisas ni m o stró n in g ú n interés en la teoría de la relatividad de E instein d esarrollada sim u ltáneam ente p o r éste.

La relatividad de Einstein C uando A lbert Einstein, con 26 años, constru y ó la teoría especial de la relatividad en ju n io de 1905, era u n desconocido en la co m u n id ad física. El artículo que envió a A nnalen der Physik era notable en m u ch o s aspectos, ap arte p o r supuesto de su estatus po sterio r com o trab ajo que revolucionó la física: p o r ejem plo, no incluía u n a sola re ferencia y p o r lo ta n to oscurecía las fuentes de la teoría, u n asu n to que h a sido investi gado p o r histo riad o res de la ciencia posteriores. E instein no estaba fam iliarizado con la literatu ra y llegó a su teo ría de m an era ab so lu tam en te independiente. C onocía algo de los trabajo s n o técnicos de Poincaré y del trab ajo de Lorentz de 1895, pero nada de la derivación de L orentz (o de L arm or) de las ecuaciones de tran sform ación. O tro as pecto so rp ren d en te del artícu lo de E instein es que n o hacía m en ció n del experim ento de M ichelson-M orley ni tam p o co o tro s ex perim entos ópticos que no consiguieron d e tectar u n vien to de éter y que se discu tían ru tin a ria m e n te en la literatu ra sobre la elec tro d in ám ica de cu erp o s en m ov im ien to . Existen, sin em bargo, evidencias convincen tes no sólo de que E instein ten ía constancia del ex p erim ento de M ichelson-M orley cuando escribió su artículo, sino de que el experim ento no tenía especial im portancia para él. N o desarrolló su teoría con el objeto de explicar u n enigm a experim ental, sino que trabajó a p a rtir de consideraciones m u ch o m ás generales de sim plicidad y sim etría. Éstas estaban p rin cip alm en te relacionadas con su p ro fu n d o interés en la teoría de M ax well y su creencia de que n o debería haber diferencia en principio entre las leyes de la m ecánica y las que g o biernan los fenóm enos electrom agnéticos. En la ru ta de Einstein hacia la relatividad, los experim entos m entales eran m ás im p o rtan tes que los reales. Lo que era m enos usual p o r aquel entonces es que la crucial p rim e ra parte del a r tículo de Einstein era cinem ática, n o dinám ica. C om enzaba con dos postulados, el p ri

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m ero, el p rin cip io de relatividad, fo rm u lad o com o «las m ism as leyes de la electro d in á m ica y la ó p tica serán válidas p a ra to d o s los m arcos de referencia p a ra los cuales las ecuaciones de la m ecánica son válidas»; el o tro p o stu lad o era «que la luz se propaga siem pre en el espacio vacío con u n a cierta velocidad c que es indep en d ien te del estado de m o v im ien to del cu erp o em isor». E n cu an to al éter, Einstein lo rechazaba rápida m ente p o r superfluo. A p a rtir de este cim ien to axiom ático, procedía hacia considera ciones sobre conceptos ap aren tem en te elem entales com o longitud, tiem po, velocidad y sim ultaneidad. Su p ro p ó sito era aclarar estos conceptos fundam entales; m ed ian te a r gum en to s m u y sencillos, p rim e ro m o strab a que la sim u ltan eid ad no se p u ede definir de m an e ra absoluta sino que d ep ende del estado de m o v im ien to de los observadores. A co n tin u ació n aplicaba esta observación p ara m o stra r que no p o d ía n existir nociones consistentes de tiem p o absoluto y lo n g itu d absoluta de u n cuerpo. Las tran sfo rm acio nes (de Lorentz) en tre u n sistem a estacionario y o tro m oviéndose u n ifo rm em e n te con respecto a él se d erivaban de u n a m a n e ra p u ra m e n te cinem ática. Al c o n tra rio q u e las fórm ulas de L orentz y Poincaré, las de Einstein se aplicaban a coorden ad as espaciales y tem p o rales reales y físicam ente m ensurables. U n sistem a era ta n real com o el o tro. A p a rtir de las ecuaciones de tran sfo rm ac ió n se seguía la fó rm u la p ara la sum a de velocidades, la co n tracció n de cu erpos en m o vim iento y la dilación tem p o ral, es decir, q u e los intervalos tem p o rales son relativos a la velocidad del obser vador. El tie m p o tra n sfo rm a d o de E instein era ta n real com o cualquier o tro y era, en este sentido, m u y d istin to del tiem p o local de Lorentz. La sum a de dos velocidades u y v p ro p o rc io n a la velocidad final V = (u + v)/( 1 + uv/c2) y, com o Einstein n o tó , esto im plica el resultado a n ti-in tu itiv o de que la velocidad de la luz es indep en d ien te de la ve locidad de su fuente. Los fu ndam entos de la teoría de la relatividad estaban contenidos en la parte cine m ática y, m ás específicam ente, en sus dos postulados. Sólo en la segunda parte justifica ba Einstein el títu lo de su artículo, «sobre la electrodinám ica de los cuerpos en m ovi m iento». D erivó las fórm ulas de tran sfo rm ació n p ara cam pos eléctricos y m agnéticos, que, de acuerdo con Einstein, eran cantidades relativas del m ism o m o d o que las coorde nadas espaciales y tem porales; pero au n q u e las cantidades de los cam pos eran relativas al estado de m ovim iento, la ley que las gobernaba n o lo era: Einstein dem ostró que las ecuaciones de M axw ell-Lorentz tienen la m ism a fo rm a en cualquier m arco de referencia. Son invariantes relativam ente. De acuerdo con la teoría de Einstein, m uchas cantidades físicas son relativas al m ovim iento del observador, pero otras cantidades (com o la carga eléctrica y la velocidad de la luz) y las leyes básicas de la física perm anecen iguales, y son estos invariantes los que son fundam entales. Por esta razón, Einstein al principio habría preferido llam ar a su teoría «la teoría de invariantes», u n n om bre que hubiera im pedido m uchos m alentendidos. El n o m b re de «teoría de la relatividad» fue in troducido por Planck en 1906 y aceptado rápidam ente. Irónicam ente, Planck consideraba que la esen cia de la teoría de Einstein era sus rasgos absolutos, no los relativos. En 1892 L orentz h ab ía p o stu lad o la fuerza que actúa sobre u n a carga q que se m u e ve en u n cam p o m agnético (la fuerza de Lorentz, F = qv x B/c). E instein m antuvo la


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.ev pero cam bió su estatus. Fue capaz de d educirla de u n a m a n era sencilla a p a rtir de >us tran sfo rm acio n es y reducirla así a u n a ley derivada. AI final de su artículo, £‫؛‬nste‫؛‬n consideraba la m asa y energía de cargas eléctricas en m ovim iento, electrones. Sus electrones diferían de los que se investigaban en electrodinám ica co n tem p o rán ea, ya que para Einstein eran cantidades prim itivas; n o estaba interesado en cuestiones de su form a o e stru c tu ra in tern a. Predijo que la energía cinética de u n electrón variaría con su velocidad com o m()c2 (y - 1), d o n d e m 0 es la m asa de u n electrón que se m ueve lentam ente, su m asa en reposo. D esde este resultado, sólo hay u n p eq u eñ o paso hasta la equivalencia en tre m asa y energía, u n paso q u e E instein dio en o tro artículo de 1905. Allí derivó la que es, p o siblem ente, la ley física m ás fam osa, E = me2. En palabras de Efostein, «la m asa de u n c u erp o es u n a m ed id a de su co n tenido energético; si la energía cam bia en L, la m asa cam bia de la m ism a m an era en L/9 X 1 0 2°, m edida la energía en ergios y la m asa en gram os». La m ayoría de los lectores del artículo de Einstein pro b ab lem en te lo co nsideraron una c o n trib u c ió n a la teo ría electrónica ta n de m o d a p o r aquel entonces y p restaron m enos aten ció n a su p arte cinem ática. Pero E instein n o era u n teórico electrónico y su teoría era, de acu erd o con los postu lad o s sobre los cuales se construía, totalm en te general. Se m an ten ía que los resultados eran válidos p ara to d o tip o de m ateria, eléctrica o no. Einstein ind icab a su distancia de la teo ría electrónica co n tem p o rán ea al escribir que sus resultados, au n q u e se d eriv aran de la teo ría de M axw ell-Lorentz, eran «tam bién válidos p ara p u n to s m ateriales ponderab les, ya que un p u n to m aterial p o n d erable tam b ién pued e convertirse en u n electrón (en n u estro significado de la palabra) m ed ian te la ad ició n de u n a carga eléctrica, sin im portar cuán ‫ﺳﻮةم‬ ،‫( » أ‬M iller 1981, p. 330; cursiva en el original). Este tip o de «electrón» n o tenía lugar d en tro de la visión del m u n d o electrom agnética. La equivalencia en tre m asa y energía era bien conocida en 1905, pero en u n a in terp retació n electrom agnética m ás lim itada (véase capítulo 8). La expresión de Einstein, E = me2, era co m p letam en te general. La teoría de E instein fue asum ida y deb atid a con b astan te rapidez, especialm ente en A lem ania. Su v erdadera n atu raleza n o se reconoció in m ed iatam en te, sin em bargo, y m uchas veces se supuso q u e era u n a versión m ejo rad a de la teoría electrónica de Lorentz. Se utilizaba co m ú n m e n te el n o m b re de «teoría de L orentz-Einstein», que se puede e n c o n tra r en la literatu ra h asta los años veinte. El m ás im p o rta n te de los p rim ero s defensores de la relatividad fúe M ax Planck, que fue crucial n o sólo p o r p o n e r su auto rid ad tras la teoría, sino p o r desarrollarla técnicam ente. Planck estaba m uy im presionado p o r la estru ctu ra lógica de la teoría y sus características unificadoras. La reconocía com o u n a teoría fu n d am en tal que abarcaba tan to m ecánica com o electrom agnetism o y le fue grato cu an d o descubrió, en 1906, que la teo ría de la relatividad se p o d ía presentar en u n p rin cip io de m ín im a acción. Planck tam b ién desarrolló la din ám ica de las partículas de acuerd o con la teoría de E instein y fue el p rim ero en escribir las leyes de tran sfo rm ació n p a ra la energía y el m o m en to . O tro im p o rta n te defensor de la teoría era el m atem ático de G otinga H erm an n Nfinkowski quien, en u n sem inario en 1907, p resentó la teo ría de la relatividad en u n m arco geom étrico te tra d‫؛‬men،>ional con u n

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fuerte atractivo m etaf‫؛‬$ic©. M inkow ski in tro d u jo la noción de la línea del m u n d o de u n a p artícu la y explicó con entu siasm o la ru p tu ra radical con el pasado que su p o n ía la teoría de la relatividad: «De aquí en adelante el espacio p o r sí m ism o, y el tiem p o por sí m ism o, están co n d en ad o s a desvanecerse en m eras som bras, y sólo u n tip o de u n ió n de los dos conservará u n a realidad independiente» (G alison 979 ‫ا‬, p. 97). Sin em bargo, M ikowski consideraba que la teo ría de E instein com pletaba la de Lorentz y la Ínterpretaba, de m an era erró n ea, com o si estuviera d e n tro del m arco de la cosm ovisión electrom agnética. G racias a los trab ajo s de ?lanck, M inkow ski, Ehrenfest, Laue y otros, en 1910 la teoría de la relatividad de E instein hab ía o b ten id o u n firm e apoyo y era aceptada probablem ente p o r u n a m ayoría de los físicos teóricos de elite. A nnalen der Physik se convir-tió en la p rin cip al revista p ara u n creciente n ú m e ro de artículos en los que se p o n ía a p ru e b a la teoría, se la exam inaba conceptual y técnicam ente, se aplicaba a nuevas áreas, y se refo rm u lab a la vieja física d e n tro del m arco relativista. Fuera de A lem ania la recepción fue m ás lenta y m ás dubitativa, pero ta n to si se aceptaba la teo ría en un sentido físico com o si no, en 1910 m u ch o s físicos utilizaban sus ecuaciones. F or aquel entonces, la teo ría era poco conocida fuera de la c o m u n id a d física. Llevó algún tiem po que la relatividad se d ifu n d iera hasta el físico m ed io y, n atu ralm en te, aú n m ás para que llegara a los libros de texto de física. La creciente fam iliaridad de la teo ría especial de la relatividad q u ed a ilu strad a en el fam oso A tom bau und spektrallinien de Som m erfeld, q ue era u n libro de física atóm ica dirig id o sobre to d o a estudiantes y n o a expertos. En las prim eras tres ediciones, de 1919 a 1922, Som m erfeld com enzaba su capítulo sobre la teo ría de la e stru c tu ra fina con u n a in tro d u c c ió n de dieciocho páginas a la teo ría de la relatividad. En la edición de 1924, reem plazó la in tro d u cció n con el o p tim ista CO m en ta rio de que la teoría de la relatividad era a h o ra u n co n o cim iento c o m ú n a todos los científicos.

De la relatividad especial a la general M í p rim e r p e n sa m ie n to acerca de la te o ría general de la relativ id ad fue co ncebido d o s añ o s después, en 1907. La idea se m e o c u rrió de rep en te [...] m e d i c u e n ta de q u e todas las leyes n atu rales excepto la ley de la grav ed ad se p o d ía n d iscu tir d e n tro del m arco de ‫ ظ‬teo ría especial d e la relatividad. Q u e ría e n c o n tra r la ra zó n de esto, p e ro n o m e resu ltó fácil co nseguir este o bjetivo [...] £l avance fu n d a m e n ta l v in o d e rep e n te u n día. Estab a sen tad o en u n a silla en m í o ficina de p ate n te s en B erna. De rep en te, m e fu lm in ó u n p en sam ien to : si u n h o m b re cae lib rem en te, n o sen tiría su peso. Me q u ed é sobrecogido. £ ste sencillo ex p erim e n to m en tal ١٦٦،' causó g ra n im p resió n . Esto١١!‫؛‬

c o n d u jo a la teoría

de la gravedad (E instein 1982, p. 47).

Así era co m o E instein, en u n a co m u n icació n de 1922, describía el prin cip io de la ru ta que le co n d u ciría a u n a de las teorías m ás fu n d am entales que jam ás ha conocido la historia de la ciencia. A pesar de co n trib u cio n es técnicas interesantes de D avid Híl-


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b ert, G u n n a r N o rd stro m y algunos m ás, la relatividad general fue sobre to d o ٧١٦ trabajo de E instein. De aeuerdo al p rin cip io de equivaleneia, n in g ú n experim ento m eeánieo puede d istin g u ir en tre u n cam po grav‫؛‬ta to r‫؛‬o co nstante (no acelerado) y hom ogéneo y u n m arco de referencia u n ifo rm e m e n te acelerado en el cual no hay fuerza gravitatoria. En 1907 E instein fo rm u ló este p rin cip io de u n a m an era generalizada, que seria válida p a ra to d o tip o de experim entos, m ecánicos o no. D esde este p u n to de vista, no hay diferencia esencial en tre inercia y gravitación. E instein no c o n tin u ó ¡nm ed iatam en te con esta idea, pero en 1911 p ro d u jo u n a p rim era versión de u n nuevo program a de investigación qu e consistía en e n c o n tra r u n a nueva teo ría de la gravitación que co ndu jera ta n to al p rin cip io de equivalencia com o a u n a teoría extendida de la relatividad. Esta p rim e ra generalización del p rin cip io de la relatividad p ro p o rcio n ab a dos notables predicciones: en p rim e r lugar, q u e la gravedad afectaba a la propagación de la luz y, en segundo, tal y com o E instein ya había observado en su articulo de L907, que el ritm o de u n reloj se frena cerca de u n a m asa g ravitatoria grande. En cu an to a la p rim e ra predicción, E instein halló q u e p ara u n rayo que pasara tan gente al disco solar,

‫ ظ‬deflexión

seria algo m e n o r que u n segundo de arco, 0,83”. El reloj en la segunda pre-

dicción p o d ría ser u n á to m o que em itiera luz, m id ién dose m ediante u n a línea espectral m on o cro m ática, y en este caso E instein calculó que la lo n g itu d de o n d a recibida se in crem en taría (avanzaría hacia el rojo) con el cam p o ^ v i t a t o r i o . El resultado, consecuencia directa del p rin cip io de equivalencia, era Δ λ/λ = Δ φ /c2, siendo Δ φ la diferencia entre los potenciales gravitacionales d o n d e la luz se em ite y d o n d e se recibe. Einstein se dio cu en ta de que su teoría de 1911 era tan sólo u n paso hacia la teoría que buscaba. D u ran te los siguientes cu atro años se sum ergió to talm en te en la búsqueda aú n m ás com pleja de la nueva teo ría relativista de la gravitación. La clave del problem a resultó estar en las m atem áticas. «En to d a m ‫ ؛‬vida no he trab ajad o ni la m itad de duro», escribía a Som m erfeld en 1912; «He ad q u irid o u n g ran respeto p o r las m atem áticas, cuya p arte m ás sutil yo hab ía considerado, en m i sim pleza, com o u n p u ro lujo hasta ahora» (?ais 1982, p. 216). A yudado p o r su am igo, el m atem ático M arcell G rossm ann, reconoció que el in stru m e n to m atem ático ap ro p iad o para la teoría era el cálculo diferencial absoluto (o análisis tensorial), que se originaba con los trabajos del siglo XIX de G auss y R iem ann. En colaboración con G rossm ann, Einstein desarrolló un a teoría tensorial de la gravitación en la cual el espacio-tiem po no se veía ya com o u n inerte fo n d o de los elem entos físicos, sino que estaba él m ism o sujeto a cam bios deb idos a la presencia de cu erp o s gravitatorios. A h o ra ab an d o n ó to talm en te el elem ento de línea de la relatividad especial y lo reem plazó con u n a expresión tensorial más com pleja que en general consistía en diez té rm in o s cuadráfícos: ds2 = Xgmt¡d xmdx". D e m añera sim ilar, ya n o basaba su teo ría en las tran sfo rm acio n es de Lorentz, las cuales quería reem plazar con u n g ru p o de invariancia m ás general. En 1913, Einstein discutió los requisitos de covariancia general, es decir, que las ecuaciones de cam po deben ten er la m ism a form a en to d o m arco de referencia. C onsid eraba que las leyes físicas que satisficieran este requisito serían preferibles, ya que esto m inim izaría la arb itraried ad y m axim izaría la sim plicidad de la cosm ovisión. Sin em bargo, tras fo rm u lar el prin cip io de

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Generacienes cuánticas

covariancia general, lo a b a n d o n ab a y en vez de eso p ro p o n ía u n co n ju n to de ecuaciones de cam po q u e n o poseían esta p ro p ied ad . La p rincipal razón de Einstein p ara este paso re tró g rad o era que sus ecuaciones con covariancia general no se reducían al lím ite new to n ian o p a ra cam pos g ravitatorios estáticos débiles. D esarrolló u n argum ento, que sería m ás tard e co nocido com o «el arg u m en to del agujero», que le convenció de que u n a teo ría basada en ecuaciones con covariancia general n o p o d ía p ro p o rcio n ar la respuesta correcta. La razón era que u n a teo ría tal, pensaba e rró n eam en te Einstein, infringiría el d eterm in ism o y la causalidad. H icieron falta dos años de p ro fu n d o pensam ien to antes de que se viera forzado a reconocer que la covariancia general era en efecto la clave de tocio,‫ ؟‬sus problem as. Esta fase cu lm in ó d u ra n te el verano y o to ñ o de 1915 y en noviem bre de ese m ism o añ o presen tó ante la A cadem ia de Ciencias de Berlín la fo rm a final de sus ecuaciones de cam p o g eneralm ente covariantes p a ra la gravitación; era, escribió a Som m erfeld, «el m ás valioso d escu b rim ien to que he hecho en m i vida». El artícu lo de Einstein del 18 de nov iem b re de 1915 no sólo incluía u n nuevo grupo de ecuaciones de cam p o gravitatorio que eran generalm ente covariantes y lógicam en te satisfactorias, sino q u e tam b ién utilizaba su nueva teoría p a ra concluir que su an terio r p redicción p ara la deflexión g ravitatoria de la luz estaba equivocado en u n facto r de 2. De acu erd o con la teo ría m ejo rad a, u n rayo de luz que pasara cerca del sol sufriría u n a deflexión con u n ángulo de 1,7”. A p arte de la atractiva estru ctu ra lógica de la teoría, fue o tra predicción la que realm ente hizo que Einstein sintiera que su teoría era correcta, y esta vez se tra ta de la p redicción de u n efecto conocido: la precesión an óm ala del perihelio de M ercurio. Se sabía desde 1859 que M ercurio no se m ueve alred ed o r del sol exactam ente com o debería de acu erdo a la m ecánica new toniana. Su perihelio precede len tam en te alred ed o r del sol, com o explica la m ecánica celeste, pero con u n a velocidad de rotació n ligeram ente distinta. La anom alía era de sólo 43” p o r siglo (u n 8 p o r ]()() de la precesión observada), p ero era suficiente p a ra co n stitu ir un pro b lem a p a ra la teo ría de la gravitación de N ew ton. Einstein n o fue el p rim e ro que buscó explicar la an o m alía de M ercurio, p ero fue el p rim ero en p ro p o rc io n a r u n a explicación cu an titativ a basada en u n a teoría fu n d am en tal que no se había co n stru id o ex profeso p ara resolver el problem a. Su valor calculado para la precesión estaba casi perfectam ente de acuerdo con el observado. E instein sabía desde hacía tiem p o que el problem a del perihelio de M ercurio sería u n a p ru eb a ineludible para cualquier nueva teoría de la gravitación. Ya el día de N avidad de 1907 escribió a su am igo C o n rad H abicht: «Espero aclarar los cam bios seculares de la lo n g itu d de perihelio de M ercurio, hasta ah o ra inexplicados [...] [pero] de m o m e n to n o parece fim eionar». A p rin cip io s de 1916, m ien tras E uropa se desangraba en la ? rim e ra C u e rra M undial, E instein p rep arab a su teo ría general de la relatividad. Pocos físicos fu ero n capaces de en ten d er (o n i siquiera te n e r acceso a) la teo ría d ad a su com plejidad y form ulación m atem ática poco fam iliar, p ero la teo ría p ro p o rcio n ab a tres predicciones, las cuales p o d ían m edirse p ara juzgar si la teo ría era en verdad físicam ente correcta y no sim plem ente el su eñ o de u n m atem ático im aginativo. La predicción del avance del perihelio de M ercurio fue u n gran éxito, pero estaba lejos de ser suficiente com o p a ra convencer


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a los eseépticos de la verdad de la teo ría de Einstein. D espués de todo, Einstein sabía de la anom alía desde hacía tiem po, así q u e quizás hab ía in c o rp o ra d o el resultado de alguna m a n e ra d e n tro de su teoría. ¿Y n o p o d ía el resultado correcto obtenerse sin ‫ط‬ ayuda de la d u d o sa teo ría de la relatividad? Esto era lo que unos pocos

'

alem anes m an ten ían , refiriéndose a u n a teo ría que Paul G erber había publicado en 1902 en la cual había o b ten id o la m ism a expresión p ara el avance del perihelio de u n planeta que la de E instein en 1915. E rn st G ehrcke, u n o de los principales antirrelativistas alem anes, hizo q u e se volviera a publicar el artículo en 1917 p a ra utilizarlo contra la teoría de la relatividad y la p rio rid a d de Einstein. El resultado fue u n a co n tro versia m en o r, pero pocos físicos, incluso en tre los antirrelativistas, fireron llevados a engaño. La teo ría de G erber era sim p lem en te e rró n ea y su expresión correcta para el perihelio p u ra m e n te u n a coincidencia. El co rrim ien to al rojo gravitatorio, el m ism o en ‫ ا‬9 ‫ ﻗﺈ‬que en L9L1, era extrem adam ente difícil de m edir, sobre to d o p o rq u e las líneas espectrales m edidas provenían de la caliente atm ósfera solar, d o n d e u n co rrim ien to al rojo no po d ía ser d istinguido fácilm ente de o tro s efectos com o el D oppler. E ntre ‫ ا‬9 ‫ ﻗﻞ‬y 1919, varios investigadores tra ta ro n de verificar el «efecto Einstein», pero en to d os los casos fracasaron a la h o ra de en c o n tra r u n efecto de la m a g n itu d p redicha p o r Einstein. Por o tro lado, en 1920 dos físicos de la U niversidad de B onn, A lbert Bachem y L eonhard G rebe, publicaron resultados q u e estaban esencialm ente de acuerd o con la predicción. N o es sorprendente que E instein apoyara ráp id am en te los resultados de B achem -G rebe. A unque la afirm ación alem ana fuera criticada p o r o tro s experim entales y to d o el asunto no fuera aclarado hasta m u ch o m ás tard e, a p a rtir de 1920 ap roxim adam ente, m uchos físicos llegaron a la conclusión de que la p redicción de Einstein estaba razonablem ente de acuerdo con las observaciones, o, al m enos, que n o había u n desacuerdo claro. Por ejem plo, el a stró n o m o am erican o C harles E. St. John del O bservatorio Solar de M o u n t W ilson creía, en tre 1917 a 1922, q u e sus cuidadosas observaciones se desviaban de Ja teoría de Einstein, pero en 1923 se «convirtió» a Ja relatividad y decidió que había confirm ado la p redicción de Einstein. H ay m otivos p a ra su p o n er que el cam bio de actitu d de St. John, com o el de m u ch o s o tro s investigadores, era en gran parte el resultado de una tercera p ru eb a, las m edidas del eclipse de 1919 que tan espectacularm ente confirm ara la predicción sobre la deflexión de la luz. Poco después de la p rim e ra (e in correcta) p redicción de 1911, u n o s pocos astró n o m os in ten ta ro n co m p ro b a r la predicción m id ien d o la posición de las estrellas cerca del b o rd e solar d u ra n te u n eclipse. Las expediciones al eclipse de 1912 en Brasil y de 1914 en el sur de R usia n o p ro d u je ro n resuJtado alguno, en el p rim e r caso p o r Ja persistente lluvia y en segundo p o r el estallido de la guerra. En 1918 astró n o m o s am ericanos del O bservato rio Licl< consiguieron to m a r fotografías del eclipse que atravesó los Estados U nidos. El inform e, que incluye datos en conflicto co n la predicción de 1915, en to d o caso no fue publicado. En vez de eso, fue la expedición britán ica dirigida p o r F rank Dyson y A rth u r E ddington y p laneada en 1917 la que p ro d u jo los resultados positivos. El eclipse solar to tal de 1919 fue estu d iad o en dos lugares, en la Isla Príncipe frente a Ja

96


costa de Á frica occidental (p o r D yson) y en Sobral en Brasil (p o r E d dington). Se tom a ró n fotografías en las dos expediciones; cu an d o se analizaron, m o straro n una deflexión de la luz en excelente (au n q u e n o perfecto) acuerdo con la teoría de Einstein. D yson, que in fo rm ó de los resultados en u n en cu en tro co n ju n to de la Royal Society y ‫ ط‬Royal A stro n o m ical Society el 6 de n o v iem b re de 1919, concluía: «Se h a o b ten id o un resultado m u y claro de que la luz es deflectada de acuerdo con la ley de gravitación de Einstein» (E arm an y G ly m o u r 1980a, p. 77). Ésta era, de hecho, u n a conclusión deniasiado o p tim ista, que p o d ía obten erse sólo m ed ian te u n tra tam ie n to de los datos disponibles que rayaba en la m an ip u lació n , incluyendo el rechazo de datos que no estab a n de acuerdo co n ‫ ظ‬p red icció n de E instein. E ddington, ‫ ظ‬a u to rid a d b ritá n ica sobre la relatividad y pro feta de ésta, estaba to ta lm e n te convencido de la verdad de la teoría general de la relatividad y su visión preconcebida n u b ló ‫ ظ‬conclusión. En cualquier caso, la teoría fue aceptada p o r la m ayoría de los físicos y astró n o m o s, au n q u e no por todos. Al igual que G ehrcke, hab ía invocado la an tigua teoría de G erber com o u n a alternativ a a los cálculos de E instein p a ra el perihelio de M ercurio, conservadores com o W iechert y L arm o r sugirieron elaboradas explicaciones electrom agnéticas de deflexión de la luz al p rin cip io de los años veinte. Pero co m p arad o s con el en o rm e interés en la teoría de E instein, éstos y o tro s in ten to s n o relativistas atrajero n poca atención. La expedició n al eclipse de 1919 se co nvirtió en u n p u n to crucial en la historia de la relatividad, au n q u e fuera desde u n p u n to de vista social m ás que científico. D e acu erd o con las m em o rias de Use R osenthal-Schneider, que era u n a estudiante de filosofía y física en la U niversidad de Berlín en 1919, cu an d o Einstein recibió la noticia de la co n firm ació n de l } ^ n - E d d in g to n , se qu ed ó «bastante im p ertérrito » . Le dijo a ella, «sabía q u e la teo ría es correcta. ¿Es que tú lo dudabas?». A la p reg u n ta de R osenthal-S chneider de qué h ab ría dicho si las observaciones h u b ie ran estado en desacuerdo con la teoría, E instein respo n d ió , «Tendría que hab er com padecido a nuestro p o bre D ios. La teo ría es correcta en to d o caso» (R osenthal-S chneider 1980, p. 74). La im agen de E instein de u n racionalista om nisciente y algo arrogante a quien no le im p o rta b a n los experim en to s está sin d u d a m u y extendida y es parte del m ito de Einstein. Pero es básicam ente in correcta, al m en o s en lo que se refiere al joven Einstein. Por el co n trario , Einstein estaba p ro fu n d a m e n te interesado en las pruebas experim entales de sus teorías y tra ta b a m uchas veces de o rg anizar estas pruebas. P or ejem plo, cu an d o E instein predijo en 1911 que la luz sería deflectada en cam pos gravitacionales, fue él q u ien in te n tó interesar a los a stró n o m o s p ara que c o m p ro b a ra n la predicción. Einstein enfatizó la e stru c tu ra cerrada y lógica de su teoría general de la relatividad, q ue para él im plicaba no ta n to que debía ser, p o r tan to , correcta, sino que no po d ía ser m odificada p a ra aco m o d ar alguna refutación experim ental. En u n a carta a E ddington de 1919 escribía, «estoy convencido de q u e el co rrim ien to hacia el rojo de las líneas espectrales es u n a consecuencia de la teo ría de la relatividad ab so lutam ente inevitable. Si se p ro b a ra que este efecto n o existe en la n aturaleza, se te n d ría que ab an d o n a r to d a la teoría» (H entschel 1992, p. 600). Se expresó de m an era sim ilar en lo to can te a la predicción sobre la deflexión de los rayos de luz; lejos de quedarse «im pertérrito», expre

La relatividad de Einstein y de ©tros

97

só gran alegría cu an d o le llegaron notieias de los resultados. La h isto ria de R osenthalSehneider no es de confianza. £1 hecho de q u e m ás tard e £instein llegara a a d o p tar u n a actitud platónica y racionalista acerca de los experim entos frente a las teorías m atem áticas es o tro asunto.

Recepción La teoría de la relatividad de £instein tenía en co m ú n con la biología evolutiva de D arwin, los rayos invisibles de R ontgen y el psicoanálisis de Freud el hecho de que fue recibida con u n enorm e interés firera, adem ás de dentro, de la com unidad científica. Se convirfió en un o de los sím bolos del m odernism o del período de entreguerras y, com o tal, su im portancia se extendió m ucho más allá de la tísica. La teoría de Linstein file catalogada de «revolucionaría», u n térm in o co m únm ente asociado al paso de la física new toniana a La teoría de ‫ ظ‬relatividad era de hecho u n a especie de revolución concep-

‫ ظ‬de £instein.

tual y, a principios de los años veinte, la m etáfora revolucionaría, asociada librem ente con revoluciones políticas, se convirtió en u n em blem a de la teoría de £instein. Era u n estigm a que desagradaba a Einstein. Einstein n o se consideraba u n revolucionario; en sus artículos y com unicaciones, enfatizó repetidam ente la naturaleza evolutiva del desarrollo de

‫ ظ‬ciencia. La teoría

de la relatividad, decía m u y a m enudo, era el resultado natural de los fundam entos de la física trazados p o r N ew ton ٢ Max^velL Así, en u n artículo de 1921, Ein-

stein hacía notar, «hay algo atractivo en presentar la evolución de u n a secuencia de ideas de ‫ ظ‬form a m ás breve posible, y todavía de u n a m anera suficientem ente com pleta para conservar en todo m om ento ‫ ظ‬continuidad del desarrollo. Intentarem os lograr esto para ‫ظ‬ teoría de la relatividad, y m ostrar que toda la ascensión se com pone de pequeños y casi autoevidentes pasos del pensam iento» (H entschel 1990, p. 107). £1 público general -in c lu y e n d o a m uchos científicos y a la m ayoría de los filósofosdescubrió la teo ría de la relatividad ta n sólo tras el fin de la ? rim e ra G uerra M undial, en p arte cóm o resultado de la m u y p u b licitad a expedición del eclipse, que an u n ció la confirm ación de la teo ría de Einstein. U na g ran p arte de la literatu ra sobre relatividad en los años veinte estaba escrita p o r n o científicos que, en la m ayoría de los casos, no entendían en absoluto la teo ría y d iscutían sus im plicaciones en áreas d o n d e no se podía aplicar con legitim idad. A lgunos autores «aplicaban» la relatividad a la teoría del arte, algunos a teorías psicológicas y o tro s establecían am plias consecuencias filosóficas y éticas a p a rtir de la teo ría de Einstein. N o era p oco c o m ú n que se sostuviera que el relativism o ético se seguía de la teo ría de la relatividad y que p o r esta razón se declaraba non grata en ciertos círculos. ¿No hab ía afirm ad o Einstein que to d o es relativo y que nin g ú n p u n to de vista es su p erio r a n in g ú n otro? El em in en te filósofo español losé © rtega y G asset fue u n o de los que utilizaron m al la teoría de E instein p a ra d iscu tir a favor de su filosofía p articular, a la cual den o m in aba «perspectivism o»; he aquí u n a m uestra: «La teoría de Einstein es u n a m aravillosa prueba de la a rm o n io sa m ultip licid ad de to d o s los p u n to s de vista posibles. Si la idea se extiende a la m o ra l y a la estética, llegarem os a ex p erim en tar ‫ ط‬Eíistoria y la vida de

Generaciones cu¿nt eas‫؛‬ 98

u n nuevo m o d o [„.‫ ا‬En vez de eon sid erar bárb aras a las culturas no europeas, em pezarem os a respetarlas com o m éto d o s de enfrentarse al cosm os que son equivalentes a los nuestros. H ay u n a perspectiva china que está justificada ta n to com o la occidental» (W illiam s 1968, p. 152). ?٥٢ cierto, el perspectivism o de O rtega y Gasset sería aceptado m ás adelante p o r m u ch o s occidentales co m o p olíticam ente correcto y utilizado p a ra criticar la cosm ovistón científica. Sean cuales sean los m éritos del p e r,^ e c t‫؛‬vi$mo o del relativism o, estas ideas n o tien en n ad a que ver con la teoría de la relatividad. El gráfico 7.1 m u e stra la d istrib u c ió n an u al de libros alem anes sobre relatividad en tre 1908 y 1944, con u n pico ag u d o en 1921, cu a n d o el deb ate p ú b lico alcanzó su cim a. El gráfico se refiere ta n to a lib ro s de tex to de física com o a lib ro s y panfletos po p u lares, filosóficos y an tirrelativ istas; esta ú ltim a categoría rep resen tab a aproxim a d a m e n te tres c u a rta s p artes del n ú m e ro to ta l de títu lo s pu b licad o s d u ra n te los años del pico, 1920-1922. ? o r su p u esto , los físicos h ab ían «descubierto» la relativid ad m u c h o s años antes de 1921, en la fo rm a de la teo ría especial, au n q u e, co m o se ha m en c io n a d o , h asta 1913 ap ro x im a d a m e n te m u ch o s físicos n o d istin g u ían claram e n te e n tre relativ id ad e in sten ian a y las ecuaciones de las teorías electrónicas. La estru c tu ra fina de las p rim e ra s p u b licacio n es sobre relatividad se m u e stra en el gráfico 7.2, q u e c u rio sa m e n te com ien za en 1900. Es de n o ta r el d o m in io alem án, la falta de lite ra tu ra francesa h asta 1912 a p ro x im a d a m e n te y la caída en el n ú m e ro to ta l de p ub licacio n es e n tre 1910 y 1915 (véase ta m b ié n la tab la 7.1). Esta ú ltim a característica p ro b a b le m e n te refleja que, en 1911, la te o ría especial de la relativ id ad era am p liam en te acep tad a e n tre los físicos y n o se co n sid erab a que estuviera en la van g u ard ia de la física. Fue sólo tra s la a p a ric ió n de la te o ría ex ten d id a en 1915 c u a n d o se rec u p e ró el im p u lso .

Gráfico 7.1. Libros alemanes sobre relatividad, 1908-1943. Fuente: G oenner 1992. Reelaborado con el perm iso de Einstein Studies, editores de serie D on Howard y lohn Stachel.

La relatividad de Einstein

‫ﻣﺮ‬de ©tres

99

Gráfico 7.2. Distribución de publicaciones sobre la relatividad, 1900-1920. Fuente: Reimpreso de 1 . ‫'زارا‬, · Revolution‫ ؟‬in a l
Las recepciones de la relatividad d ep en d ían de los e n to rn o s particulares nacionales V culturales. En Francia, la teo ría de E instein fue recibida al prin cip io con silencio, u n hecho sin d u d a relacionado con el sistem a de educación e investigación francés, rígido V centralizado y, p o siblem ente, con la influencia de Foincaré. Salvo p o r Paul Langevin y unos pocos de sus estudiantes, los físicos franceses descubrieron la relatividad sólo cu an d o la observación del eclipse de 1919 llegó a los titulares internacionales. Incluso entonces, la relatividad se recibió g eneralm ente con ciertas sospechas; d u ra n te los años posteriores a la P rim era G u erra M undial, n o se dejó de ten er la sensación de que la relatividad era u n a teo ría alem ana La situación en los Estados U nidos n o era m u y diferente, au n q u e p o r distintos m otivos. Es significativo que el p rim e r estu d io serio fuera u n artículo de 1909 escrito p o r dos quím icos-físicos, G ilbert N. Lewis y R ichard c . Tolm an. Estos, com o casi todos los

100


TABLA 7.1 D istrib u cio n es nacionales de publicaciones científicas sobre la relatividad hasta 1924 País

N ° de autores

N ° de publicaciones

A lem ania

350

1.435

Inglaterra

185

1.150

Francia

150

690

E stados U nidos

128

-

Italia

65

215

Países Bajos

50

126

A ustria (-H u n g ría)

49

-

Suiza

37

-

Rusia (URSS)

29

38

Nota: Datos de Hentschei 1990, p. 67.

otros científicos estadounidenses q u e ten ían constancia de la teoría de la relatividad, ten d ían a p resen tar la teo ría de acuerdo con las n o rm as positivistas. Para ellos, la teo ría de la relatividad era u n a generalización ind u ctiva a p a rtir de datos experim entales, u n a a c titu d m uy d istin ta de la que E instein y sus colegas alem anes m an ten ían . El p u n to de vista de M illikan, que «la teo ría especial de la relatividad se p u ed e describir com o si em pezara esencialm ente con u n a generalización del experim ento de M ichelson», era co m p a rtid a p o r casi to d o s los físicos n o rteam erican o s (H o lto n 1988, p. 280). En los Es tados U nidos, en particu lar, era c o m ú n criticar la teo ría de Einstein p o r ser «antide m ocrática» y estar c o n tra el sen tid o c o m ú n popular. W illiam M agie, u n profesor de fí sica de la U niversidad de P rin ceto n , era u n portavoz de este tip o de oposición cuasipolítica. En u n co m u n icad o de 1912, arg u m en tab a que las teorías físicas fu n d a m entales «deben ser inteligibles p a ra to d o el m u n d o , ta n to p a ra el h o m b re co m ú n com o p a ra el académ ico form ado». M an ten ien d o , de m an e ra algo .poco realista, que «todas las teorías físicas anterio res h an sido así de inteligibles», M agie sugería que los p rin cip io s d em ocráticos de la ciencia se asen tab an en «los conceptos p rim ario s de fuerza, espacio y tiem p o , tal com o son en ten d id o s p o r to d a la raza hu m an a» , pero la teoría de E instein n o se apoyaba en estos conceptos naturales, lo cual llevaba a que M a gie p reg u n tara, retó ricam en te, «¿acaso n o ten em o s el derecho de p e d ir de estos líderes del pensam ien to , a quienes d ebem os el desarrollo de la teo ría de la relatividad, que [...] prosigan su b rillan te trayectoria hasta q u e consigan explicar el p rin cip io de relatividad red u cién d o lo a u n m o d o de acción q u e esté expresado en térm in o s de los conceptos p rim ario s de la física?» (H entschei 1990, p. 75). La relatividad llegó a Rusia u n poco antes q u e a los E stados U nidos y el tem a fúe discutido en el sem in ario teórico de Paul Ehrenfest en San Petersburgo a p a rtir de 1907, ap ro x im ad am en te. Poco después de la g u erra civil, cu a n d o Rusia se convirtió en la U nió n Soviética, se ofrecieron cursos sobre la teoría extendida de la relatividad en


101

San Petersburgo, d o n d e A lexander F ried m an n estableció u n a im p o rtan te escuela de física teórica e hizo co n trib u cio n es ftm dam entales a la cosm ología relativista. Al co ntrario de la situ ació n en los años tre in ta y cu aren ta, la relatividad no se contem plaba com o u n a teo ría co n tro v ertid a ideológicam ente; au n q u e algunos defensores de la fe m arxista o rto d o x a rechazaban la teo ría de la relatividad en n o m b re del m aterialism o dialéctico, las objeciones filosóficas y políticas n o in terfirieron en el estudio científico de la relatividad q u e tu v o lugar en San Petersburgo (o, a p a rtir de 1924, Leningrado) y en otros lugares del am p lio im p erio co m u n ista (véase tam b ién el capítulo 16). La teoría de la relatividad era, sobre to d o , u n a teoría alem ana y quizá, com o algunos h an arg u m en tad o , u n a teoría ju d eo alem an a. En com p aració n con las anim ada¿ discusiones en A fem ania y las im p o rta n te s co n trib u cio n es de este país, los físicos británicos ta rd a ro n en resp o n d er co n stru ctiv am en te a la nueva teoría. P arte del problem a fue el rechazo de E instein del éter, u n concepto al cual se a d h erían ‫ ظ‬m ayoría de los físicos britán ico s y q u e les costaba ab an d o n ar. El p rim e r libro de texto sobre la relatividad escrito p o r u n b ritán ico fue The Principie o fR e la tivity de Ebenezer C u n n in g h am , publicado en 1914. Este libro, con el cual el joven Paul L)‫؛‬rac ap rendió relatividad, todavía incluye vestigios de la cosm ovisión etérea. Por ejem plo, el prin cip io de la relatívidad se fo rm u la com o «la hipótesis general, sugerida p o r la experiencia, de que sea cual sea la n atu raleza del m edio etéreo n o p o d em o s o b ten e r u n a estim ación de las velocidades de los cu erp os relativas a él m ed ian te n in g ú n experim ento concebible» (Sánchez-R on 1987, p. 52). En Inglaterra, igual que en todas partes, la relatividad realm ente triu n fó sólo después de 1919, a h o ra con E ddington com o ab an d erad o de la teoría. A parecieron varios m onográficos sobre teoría de la relatividad en 1920-1923, de los cuales space, Tim e a n d Gravitation (1920) y The M athem atical Theory o fR e la tiv ity ( 9 2 3 ‫ )ل‬se co n v irtiero n en grandes ventas internacionales. El ráp id o crecim iento del interés en la relatividad pued e h ab er reflejado, de alguna m a n e ra ,‫ ظ‬situación cu ltural general después de la G ran G uerra. Esto es lo q u e □ ira c recordaba: Es fácil ver la ra z ó n d e este tre m e n d o im p acto . A cabam os de e x p e rim e n ta r u n a terrib le y m u y seria g u e rra [...] to d o el m u n d o q u ería olvidarla. Y en to n ces ap areció la relativ id ad c o m o u n a m arav illo sa idea q u e co n d u cía a u n n u ev o te rrito rio del pensam ien to . E ra u n escape de ‫ ظ‬g u e rra {...١ la relativ id ad e ra u n tem a sob re el cual to d o el m u n d o se sentía con la co m p ete n c ia p a ra e scrib ir d e m a n e ra general y filosófica. Los filósofos sólo d estaca ro n el p u n to d e vista seg ú n el cual to d o ten ía q u e ser co n sid erad o relativo a o tra cosa, y m ás b ien a firm a b an q u e ellos h a b ían sab id o d e relatividad siem pre. (K ragh 1990, p. 5).

Los recuerdos de D irac en 1977 se ven apoyados p o r fuentes p rim arias, com o un editorial del p erió d ico b ritán ico The M orn in g Post del 27 de septiem bre de 1922, que ofrece o tra explicación posibíe: «U no de ios resultados de la guerra, en la cual se m o vilizaron con ta n b u en p ro p ó sito los cerebros científicos de este país, es u n apreciable in crem en to del interés público en los logros de la ciencia, sean teóricos o prácticos. En

102


los días previos a la g uerra, n i el h o m b re de la calle ni el h o m b re en la ventana del c،ub social p o d ría h a b e r sido p ersu ad id o p ara leer artículos sobre la controversia de Einstein c o n tra N ew ton» (Sánchez-R on 1992, p. 58). ?ero fue en la E uropa g erm an o p arlan te d o n d e realm ente pasaron cosas. N o sólo era éste el m u n d o de E instein, sino ta m b ié n el m u n d o de ?lanck, Eaue, Weyl, H ilbert, M inkowski, M ié, B orn, L orentz y ? a u l‫؛‬. U n debate constructivo m atem ática y conceptualm en te in fo rm a d o sólo tuvo lugar en A fem ania; y tam b ié n fue allí d o n d e la destructiva discusión antirrelativ ista floreció p rim e ro y d u ró m ás. La teo ría de la relatividad se veía atacada p o r u n inconexo g ru p o de físicos alem anes de derechas que no sólo estaban políticam en te en la extrem a derecha, sino que tam b ién apoyaban virtudes científicas conservadoras, tales co m o el m ecanicism o clásico, la causalidad, la predictibilidad y la in sp iració n física basada en experim en to s m ás q u e en la teoría (véase tam b ién el capítu lo ١٥). Los m iem b ro s m ás activos y radicales de la facción antirrelativista y tam bién, a veces, an ticu án tica eran ? h ilip p Lenard, Johanne$ Stark y E rnst Gehrcke, todos ellos físicos de ren o m b re. L enard y Stark eran p rem io s N obel, y G ehrcke, a p a rtir de 1921 profesor o rd in a rio del ?hysikalisch-T echnische Re‫؛‬ch$anstah, era u n reconocido exp e rto en ó p tica ex p erim ental. Los físicos antirrelativistas rechazaban las teorías de Einstein, las cuales co n sid erab an absurdas, e s ^ itu a lm e n te peligrosas y carentes de confirm ació n experim ental. Si se co n firm ab a alg una de las ecuaciones relativistas, arg u m en tab an que las ecuaciones p o d ía n derivarse igual de bien a p a rtir de u n fundam e n tó clásico. El espacio -tiem p o tetrad im en sio n al, el espacio curvado y la parad o ja de los gem elos estaban en tre los conceptos que fuero n declarados abstracciones m atem áticas desprovistas de significado físico. D esde 1920, la cruzada alem ana c o n tra la reíatividad se aceleró con u n en cu en tro an ti-E instein en Berlín organizado p o r Paul Weyland, u n activista político, y con G ehrcke co m o orador. El en cu en tro causó una c o n tu n d e n te respuesta pública p o r p a rte de E instein, en la que señalaba que el a n t‫؛‬$em ifism o era p a rte de la agenda de la cam p añ a antirrelativista. D u ran te algunos años m ás, Lenard, Stark, G ehrcke y sus aliados siguieron atacando a Einstein y a la teoría de la relatividad en u n g ran n ú m e ro de artículos, panfletos y libros. Según ellos, la relatividad no era u n a teo ría científica en absoluto, sino u n a ideología, u n astuto ilusionism o cam uflado p o r E instein y sus am igos con p o d er en la física alem ana. U no de los panfletos an tirrelativistas de G ehrcke se titu lab a, La teoría de la relatividad: una ilusión de masas científica (1920). A un q u e ru id o so s y b astan te num erosos, los ’ no consiguieron im p ed ir el progreso de la física teórica alem ana en los años veinte y, en lugar de eso, se m arg in aro n a sí m ism os. Fue sólo después de 1933, cu a n d o u n nuevo sistem a p olítico hab ía to m ad o el poder, cu an d o el antirrelativism o to m ó alguna relevancia, a u n q u e lim itada, en la ciencia alem ana.

C A P ÍT U L O 8


En los capítulos anteriores hem os m encionado m uchas veces la cosm ovisión electrom agnética com o el principal co m p etid o r del p u n to de vista m ecánico de la física. Puede parecer extraño que tratem os esta cosm ovisión incorrecta después de h ab er descrito la llegada de la correcta teoría de la relatividad, ya que después de 1905 los físicos seguram ente deberían h ab er reconocido que la teoría electrónica (en el sentido m ás am plio) era inferior a la de la relatividad. Puede que h u b ieran debido hacerlo, pero no lo hicieron. De hecho, la cosm ovisión electrom agnética experim entó su cénit justo después de 1905, e hicieron falta al m enos cinco años m ás hasta q u e se reconociera que este form idable intento de fo rm u lar u n a nueva base para la física era probablem ente insostenible.

El concepto de masa electromagnética C om o se m en cio n ó en el capítulo 1, en el cam bio de siglo la cosm ovisión m ecánica estaba siendo atacada y de cam in o a ser reem plazada p o r u n a im agen basada en cam pos electrom agnéticos. La versión m ás radical y elaborada de la nueva concepción, conocida com o la cosm ovisión electrom agnética, em ergió sobre 1900 y floreció d u ran te u n a década aprox im ad am en te. La esencia de su p ro g ram a era la reducción total de la m ecánica al electrom agnetism o, u n a nueva física en la cual la m ateria habría desaparecido co m o sustancia y h ab ría sido reem plazada p o r los efectos de los cam pos electrom agnéticos: los electrones. El p ro g ram a se basaba en desarrollos en electrodinám ica de las décadas de 1880 y 1890, u n p erio d o d u ra n te el cual em ergió u n a im agen de la naturaleza electrom agnética m en o s com pleta, que p ro d u jo las teorías electrónicas de L arm or, L orentz y W iechert. En este proceso, d esem peñaron u n papel im p o rtan te dos tradiciones: un a, de im p o rta n c ia sólo p ara L orentz y W iechert, era la trad ición electrodinám ica co rp u scu lar de W eber y sus seguidores, que o p eraba con partículas eléctricas en interacción in stan tán ea, pero sin concepto de cam po; la o tra trad ició n , p o r el co n trario , ten ía sus raíces firm em en te afincadas en la ele ctro d in ám ‫؛‬-

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Generac¡©nes cuánticas

ca de cam pos de ‫ااﺳﻬﻞ ^د‬

. Ya en 1894, W iechert h abía expresado claram ente la convic-

ción de que la m asa m aterial p o d ía ser u n ep ifen ó m eno y que la única m asa verdadera era de o rigen e le c tro ra g n é tic o , consistente en las hipotéticas partículas eléctricas que describía com o excitaciones en el éter. La sugerencia de W iechert anticipaba la im agen electrom agnética del m u n d o , p ero su trab ajo en esta área se vio en p a rte

OSCU -

recido p o r los trab ajo s de Lorentz y de teóricos alem anes com o M ax A braham y A dolf Bucherer. En ‫ل‬8 8 ‫ رل‬el joven j. j. T h o m so n m o stró que cu an d o u n a esfera cargada se m ueve a través del éter, a d q u irirá u n a especie de m asa aparente, de m a n era análoga a u n a estera que se m ueve a través de u n fluido in co m p rim ib le. Para u n a esfera de carga e y radio R, en c o n tró que la m asa in d u cid a electro m ag n éticam ente sería m ’ = 4/15 e2/R 2c. £ sta p rim e ra in tro d u cció n de la m asa electrom agnética sería m ejorada p o r el excéntrico ingeniero e inventor b ritán ico Olíve H eaviside, quien en 1889 derivó la expresión trí = 2/3 e2/R 2c. Al co n trario que T h o m so n , q u ien n o pensaba que la «m asa aparente» fuera real, H eaviside la consideraba ta n real com o la m asa m aterial. Era p a rte de la m asa m en su rab le o «efectiva». W ilhelm W ien obtuvo u n a m ejora adicional en 1900, en u n artícu lo titu lad o s ^ f i c a t i v a m e n t e «Sobre la p osibilidad de u n a fun d ació n electro m ag n ética de la m ecánica». W ien co n firm ó la expresión de H eaviside en el lím ite de bajas velocidades y añadió el im p o rta n te resultado de que la m asa electrom agnética debería d e p en d er de la velocidad y diferir de la de H eaviside si la velocidad se aproxim ab a a la de la luz. La m a n e ra exacta en la que la m asa de u n electrón, o cualquier partícula cargada, debería d e p e n d e r de la velocidad se convirtió p ro n to en u n problem a de crucial im p o rta n c ia en la nuev a física electrónica. El artículo de W ien en 1900 se ha considerado el p rim e r p ro n u n c ia m ie n to claro de la cosm ovisión electrom agnética, lo cual (a p esar de la fo rm u lació n a n te rio r de W iechert) está justificado dad o que W ien asum ió que to d a m asa era de n atu raleza electrom agnética. La m ateria, arg u m en tó W ien, consistía en electrones, y los electrones eran p artículas de la electricidad, no m inúsculas esferas en las cuales residía la electricidad. A dem ás, sostuvo que las leyes de la m ecánica de N ew ton ten ían que en tenderse electro m agnéticam ente y que, si no se podía conseguir u n a co rresp o n d en cia com pleta, la teoría electrónica era la m ás profirnda y firndam ental de las dos teorías. El p rim e r m odelo electrónico detallado fue co n stru id o p o r M ax A braham , u n ‫؛'؛‬síco de G otinga que se había g rad u ad o con Planck en 1897. Según escribía A braham en 1902, la cuestión m ás im p o rta n te de la física era ésta: «¿Se puede explicar com pletam en te la inercia de los electrones m ed ian te la acción dinám ica de su cam po sin utilizar la ayuda de u n a m asa q u e sea in d ep en d ien te de la carga eléctrica?» (G oldberg 1970, p. 12). Era, en p arte, u n a p re g u n ta retórica. A brah am creía que la respuesta debía ser afirm ativa. Llevó a cabo u n detallado estu d io de la d inám ica del electrón en u n artículo de 1903, que en m u ch o s aspectos co n trastab a con el artículo de Einstein sobre reíatividad de dos años m ás tarde. M ien tras que el artículo de Einstein era sim ple m atem áticam en te, el de A brah am era u n tour de forcé m atem ático; y m ien tras que el de Einstein o cu p ab a 31 páginas, el de A braham , n ad a m enos que 75. A m bos trabajos a p a


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recieron en A nnalen der Physik, u n a revista que frecuentem ente incluía artículos de una longitud que sería inaudita en u n a revista de física m oderna. En sus trabajos de 19021903, A braham arg u m en tab a que el ú n ico tip o de electrón que p o d ía entenderse totalm ente en té rm in o s electrom agnéticos era u n a esfera rígida con u n a d istrib u ció n de carga superficiai o v o lu m étrica u n ifo rm e. Para u n electrón tal, calculó su m asa (deb¡da exclusivam ente a los p ro p io s cam pos del electrón) y en c o n tró u n a variación con la velocidad que, a p rim e r o rd en en ٣ = (v/c)2, p u ed e escribirse m = m 0 ( l + 2/5 p2).A quí, ” ‫ ؛‬d en o ta la m asa electrom agnética en reposo, 2/3 e2l{R 2c). Volverem os en breve al im p o rta n te trab ajo de A braham , q u e n o fúe la ú n ica teo ría electrónica de la época. La idea de q u e la m asa variaba con la velocidad era p arte del p ro g ra m a de investígación de L orentz tal com o lo desarrolló a p a rtir de 1899. El enfoque de Lorentz difen a del de V ien y A braham , y era reacio a seguirles en su creencia de que to d a m asa es electrom agnética. En 1904, sin em bargo, su p eró su precaución n atu ral y en su teoría del electrón de ese añ o apoyó la cosm ovisión electrom agnética: n o sólo era la m asa de sus electrones de o rigen electrom agnético, sino q u e tam b ién a rg u m e n tó que to d a m ateria en m o v im ien to (consistente en electrones o n o ) debe obedecer la variación de la m asa característica de los electrones. En 1906, en u n a clase im p a rtid a en la Universidad de C olu m b ia, afirm ó «yo en p a rtic u la r estaría b astante dispuesto a a d o p ta r una teoría electrom agnética de la m ateria y de fuerzas en tre partículas m ateriales». C ontinuó: «En lo to can te a la m ateria, m u ch o s arg u m en to s co nducen a la conclusión de que sus partículas elem entales siem pre p o rta n cargas eléctricas y de que éstas no son m eram ente accesorias sino esenciales. In tro d u c iría m o s lo que a m í m e parece u n dualism o innecesario si con sideráram o s estas cargas y lo dem ás que p u d iera h ab er en estas partículas com o cosas to talm en te d istin tas en tre sí» (L orentz 1952, p. 45). El electrón de Eorentz era, sin em bargo, d istin to de la p artícu la rígida de A braham . E ra u n e]ectró n deform able, lo cual q u ería decir que se co n traería en la dirección del m ovim iento y así ad q u iriría u n a fo rm a elipsoidal en lugar de la form a esférica que ten d ría en reposo. A braham se o puso a este aspecto de la teo ría de Lorentz p o rq u e la estabilidad del electrón req u eriría alguna fuerza no electrom agnética; esto, sostenía A braham , atentaba c o n tra el esp íritu de la cosm ovisión electrom agnética. En qué consistía exactam ente este espíritu, sin em bargo, era algo q u e p o d ía debatirse; no to d o s los físicos veían en la teoría de A b rah am la esencia de la cosm ovisión electrom agnética. Así, en 1908 M inkowski co nsideraba al electrón rígido «un m o n stru o » co m p arad o con las ecuaciones de M axwell y observaba ingeniosam ente que «acercarse a las ecuaciones de M axwell con el concepto del electró n rígido m e parece la m ism a cosa que ir a u n concierto con los oídos ta p o n a d o s con algodones» (M iller 1981, p. 350). Para las variaciones de la m asa, L orentz d ed u jo la fam osa expresión del inverso de la raíz cu ad rad a que todavía se asocia h o y en día co n la teo ría de la relatividad de E‫؛‬nstein: m - m () ( 1 - p2)~l/2 o, ap ro x im ad am en te, m = m g ( 1+ 1/2 p 2). Se ve ráp id am en te que la diferencia práctica en tre las fórm ulas de L orentz y A braham es pequeña, y que se requieren electrones a m u y altas velocidades p a ra d istin g u ir ex p erim en talm en te entre ellas.

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Los electrones rígidos de A braham y los deform ables de Lorentz eran los m o d e k » 1 m ás im p o rtan tes, pero n o los únicos. El físico alem án A dolf Butcherer, e independien- j tem ente Paul Langevin en París, p ro p u siero n en 1904 o tro m odelo m ás, caracterizad،» 1 p o r u n v olum en invariable d u ra n te el m ovim ien to , de tal m anera que la co n tracc io · | del electrón en u n a d im en sió n se vería com p en sad a p o r u n a inflación en la otra. La j teoría de B ucherer-L angevin cond u cía a u n a relación m asa-velocidad d istinta tan to de j la de A braham com o de la de Lorentz. C on el objeto de decidir en tre las distintas teo- ١ rías (incluyendo la de Einstein, que se veía g eneralm ente com o u n a variante a la de Lo- ١ rentz), se apelaba a los ex perim entos de precisión. A ntes de seguir con el tem a de u te o ría y los e x p erim en to s, c o n sid erarem o s alg u n o s de los aspectos m ás generales de ١ la cosm ovisión electrom agnética.

La teoría electrónica como una cosmovisión En 1904 la cosm ovisión electrom agnética hab ía despegado y h abía surgido com o u n a su stitu ía altam en te atractiva de la visión m ecánica, que se percibía generalm ente com o desfasada, m aterialista y prim itiva. C o m o indicativo de la fuerza de la nueva teo ría, no sólo era discu tid a en revistas especializadas, sino que tam b ién em pezó a apare cer en libros de texto de física. P or ejem plo, B ucherer in tro d u jo su teo ría electrónica en u n libro de texto de 1904. D e m ás im p o rta n c ia era el libro de texto de electrodinám i ca que A b rah am p u b licó el m ism o añ o y que, d u ra n te sucesivas ediciones, llegó a ser am p liam en te u tilizado ta n to en A lem ania com o en el exterior d u ra n te m ás de veinte años. El trab ajo era u n a revisión de u n libro de texto sobre la teo ría de M axwell escri to p o r A ugust Fóppl en 1894 (utilizado por, en tre otros, el joven Einstein), pero m ien tras que Fóppl había p ro p o rc io n a d o u n a derivación m ecánica de las ecuaciones de M axwell, A braham utilizó su versión revisada p a ra invertir la p rio rid a d de Fóppl entre m ecánica y electrom agnetism o. En u n v o lu m en anexo de 1905, A b raham se m anifestó sin m uchas reservas com o u n m isio n ero de la cosm ovisión electrom agnética. En co n m em o ració n del centenario de la co m p ra del territo rio de Luisiana p o r p a r te de los Estados U nidos, se celebró u n C ongreso de las Artes y las Ciencias en San Luis en septiem bre de 1904. E ntre los delegados físicos se en co n trab an varios físicos in ter nacionalm ente conocidos, incluyendo a R utherford, Poincaré y B oltzm ann. El m ensaje general de m uchas de las com unicaciones fue que la física estaba en u n m o m en to deci sivo y que la teo ría electrónica estaba en cam in o de establecer u n nuevo paradigm a de la física. En su info rm e general sobre los problem as de la física-m atem ática, Poincaré habló de la «ruina general de los principios» que caracterizaban a la época. Poincaré m ism o era u n im p o rta n te contribuyente a la teoría electrónica y ah o ra estaba dispues to a concluir que «la m asa de los electrones, o, al m enos, de los electrones negativos, es de origen exclusivam ente electro-dinám ico [...] n o existe o tra m asa m ás que la inercia electro-dinám ica» (Sopka y M oyer 1986, p. 292). La com unicación de o tro físico fran cés, Paul Langevin, de tre in ta y dos años, fue m ás detallada, pero no m enos grandiosa, no m enos elocuente y n o m en o s a favor de la cosm ovisión electrom agnética. Langevin


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argum entó a favor de su m odelo del electrón (y el de B ucherer), si bien la estru ctu ra d e tallada del electrón n o era realm ente lo que im p o rtab a, lo im p o rta n te era la llegada de u n a nueva era de la física. C om o explicaba Langevin al final de su exposición: La ráp id a perspectiv a q u e acab o de b o sq u e ja r está llena d e p ro m esas, y creo q u e r a ras veces en la h isto ria d e la física se h a te n id o la o p o rtu n id a d de m ira r ta n lejos hacia el p asad o o ta n lejos hacia el fu tu ro . La im p o rta n c ia relativa de las p artes de este in m en so y apenas ex p lo rad o d o m in io p arece d iferen te h o y en día d e lo q u e parecía en el siglo a n terio r: d esde el n u ev o p u n to d e vista, los d istin to s p lan es se d isp o n en en u n n uevo o r den. La idea eléctrica, la ú ltim a d escu b ierta, aparece h o y en d ía co m o d o m in a n d o al res to, c o m o el lugar de elección d o n d e el ex p lo ra d o r siente q u e p u e d e fu n d a r u n a c iu d a d antes de avanzar h acia nuevos te rrito rio s [...] La te n d e n c ia actu a l de h a ce r q u e las ideas electrom agnéticas o c u p e n u n lu g a r p re p o n d e ra n te está ju stificad a, co m o h e in te n ta d o m o strar, p o r la solidez del d o b le fu n d a m e n to en la cual se apoya la idea del elec tró n [las ecuacion es de M axw ell y el ele c tró n em p írico ] [...] A u n q u e a ú n m u y recien te, las c o n cepciones de las cuales he in te n ta d o p ro p o rc io n a r u n a idea re su m id a so n suficientes p a ra p e n e tra r h asta el m ism o c o razó n de to d a la física y p a ra serv ir c o m o fértil g erm en en to rn o al cual cristalizar, en u n n u ev o o rd e n , h ech o s m u y d istan tes e n tre sí [...] Esta id ea h a ex p erim en tad o u n in m e n so d esarro llo en los ú ltim o s años, lo cual h a cau sad o q u e el m arco de la vieja física se haya h ec h o añicos, y q u e el o rd e n de ideas y leyes esta blecidas haya sido d esb an cad o , con el o b jeto d e q u e se ra m ifiq u en de n u ev o en u n a o r ganización q ue u n o predice será sim ple, arm o n io sa y fru ctífera. (Ibid., p. 230)

Se pu ed en e n c o n tra r en la literatu ra de alrededor de 1905 abundantes evaluaciones similares a las de Langevin, y m uchas veces u tilizando los m ism os códigos e im aginería. Raras veces incluían referencias a la teo ría cuántica o a la nueva teoría de la relatividad. La m etod o lo g ía tras el p ro g ram a de investigación electrom agnético era m arcad a m ente reduccionista. Su objetivo era establecer u n a teo ría u n itaria de to d a la m ateria y de las fúerzas que existen en el m u n d o . La base de la teoría era la electrodinám ica m axw elliana, posib lem en te en u n a versión m odificada o generalizada; era u n p ro g ra m a en o rm e m e n te am bicioso. C u an d o se com pletara, nada quedaría sin explicar, al m e nos en princip io . En este sentido, era claram ente u n ejem plo de u n a «teoría del todo». Las partículas elem entales, los fenóm enos atóm icos y cuánticos, e incluso la gravita ción se co n tem p lab an com o m anifestaciones del su strato fún d am en tal del m u n d o : el cam po electrom agnético. Los in ten to s de explicar la gravitación en térm in o s de in te racciones electrom agnéticas se re m o n ta b a n a la década de 1830, cu an d o el físico ita liano O ttavian o M ossotti p ro p u so u n a teo ría de este tipo. M ás avanzado el siglo, la idea se desarrolló con detalles m atem ático s p o r los alem anes W ilhelm W eber y Friederich Zóllner, que b asaban sus teorías sobre la n o ció n de p artículas eléctricas en interacción instantánea. Las teorías electrogravitatorias se co n tin u a ro n d ebatiendo después de que la electrodin ám ica de cam pos se convirtiera en el m arco d o m in a n te de la electricidad y el m agnetism o. P or ejem plo, en 1900 L orentz derivó, basándose en su teoría electro-

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nica, u n a ley g ravitatoria que consideraba u n a posible generalización de la de Newtor. Los in ten to s de u n ificar las dos fuerzas básicas de la naturaleza, generalm ente m ed ian te la reducción de la gravitación al electrom agnetism o, eran p arte del p ro g ram a elec trom agn ético , pero a pesar de m u ch o trabajo, n o se en co n tró n in g u n a solución satis factoria. La cosm ovisión electrom agnética fue tam b ién u n tem a de interés fuera de la física, y tam b ién se discutía en círculos filosóficos. Llegó a influir incluso en la política, como queda ilu strad o p o r M aterialism o y crítica empírica de Lenin, u n trab ajo político-filosófico q u e Lenin escribió cu an d o era u n exiliado en G inebra y Londres, en 1908. En su inten to de fo rm u la r u n a concepción de la n atu raleza dialéctico-m aterialista, Lenin ci taba párrafos de Poincaré, Righi, Lodge y o tro s físicos para m o strar que la física estab¿ en un estado de crisis. «El electrón», escribió el que sería líder de la U nión Soviética, «es tan inexhaustible com o el átom o; la n aturaleza es infinita, pero existe infinitam ente». No está del to d o claro lo que Lenin quería decir con esto, pero quizá no pretendía que que dara claro. La atm ósfera revolucionaria de la física teó rica queda ilustrada ta m b ié n p o r u n en cu en tro de la A sociación A lem ana de Científicos y M édicos que tuvo lugar en Stuttgart en 1906, es decir, tras la in tro d u cció n de la relatividad de Einstein. La m ayoría de los p rincipales teóricos electrónicos p a rtic ip a ro n y la o p in ió n general estaba a favor de la cosm ovisión electrom agnética en su fo rm a p u ra , p o r ejem plo com o la desarrollada por A braham . Se criticó la teo ría de L orentz p o r su necesidad de u n a fuerza estabilizadora no electrom agnética; ta n sólo Planck defendió la teo ría de L orentz (y de E instein) con tra esta objeción teórica. El electrón rígido era in co m patible con el postu lad o de rela tividad, a rg u m en tó Planck, y esto hablaba en favor de la teoría de Lorentz. Para A bra h am y sus aliados, hablaba en co n tra. E ntre los aliados estaba A rnold Som m erfeld, de tre in ta y siete años, que m ás tard e se co nvertiría en u n destacado físico cuántico y a tó m ico, pero que p o r aquel entonces se h ab ía especializado en la teoría electrónica ta n de m oda. Som m erfeld dejó claro que consideraba la teoría de L orentz-E instein irrem e diablem ente conservadora, u n in te n to de salvar lo p oco que podía salvarse de la vieja y m o rib u n d a cosm ovisión m ecanicista. A unque Planck ad m itió que el p ro g ram a elec tro m ag n ético era «m uy bello», n o dejaba de ser sólo u n p ro g ram a todavía, respondía, y u n o qu e sería difícil de co m p letar de m a n e ra satisfactoria. Para Som m erfeld, esta ac titu d era de u n injustificado «pesim ism o». Las escaram uzas generacionales son m uchas veces p arte de los m o v im ientos revo lucionarios y, de acu erd o con Som m erfeld, el nuevo parad ig m a en la física ofrecía un especial atractivo a la generación joven: «sobre la cuestión de principios fo rm u lad a por el señ o r Planck», dijo Som m erfeld, «Sospecharía que los caballeros p o r debajo de cua renta años p referirían el p o stu lad o electrodinám ico, y los m ayores de cuarenta, el po s tu lad o m ecánico-relativista» (Jungnickel y M cC o rm m ach 1986, p. 250). La generaliza ción era p ro b ab lem en te bastan te justa, au n q u e h abía excepciones. U na de ellas era Einstein, diez años m ás joven q u e Som m erfeld. O tra era Lorentz, m u y p o r encim a del lím ite de los cu aren ta años. M enos de u n a década después del en cu en tro de Stuttgart,


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la situación en tre revolucionarios y conservadores se había invertido. A hora, A braham escribía en 1914, «los físicos de ‫ ظ‬vieja escuela tien en que m en ear la cabeza y d u d a r de esta revolución en la concepción de la m asa [...] Los jóvenes físicos m a tem‫ ^؛‬ic o s que llenaban las aulas en la época de su influencia estaban entusiasm ados con la teoría de la relatividad. Los físicos de la generación a n te rio r [...] en su m ayoría co ntem plaban con escepticism o a los atrevidos jóvenes que in te n ta b a n defenestrar los fiables fundam entos de todas las m edidas físicas b asándose en u n o s pocos experim entos que todavía eran deb atid o s p o r los expertos» (G oldberg 1970, p. 23). U no de los tem as m ás debatidos en to rn o a la cosm ovisión era el estatus del éter. Lxistía u n a am plia y confusa variedad de p u n to s de vista acerca del éter y su relación con la teoría electrónica, pero sólo u n a m in o ría de físicos quería deshacerse del éter. £1 p u n to de vista m ayoritario sobre ‫ل‬9 )‫ ﻗﺮ‬parece h ab er sido que el éter era u n a parte indispensable de la nueva física electrónica: de hecho, o tra expresión m ás del cam po e‫؛‬ectrom agnético. Por ejem plo, en sus clases de 1906 en la U niversidad de C olum bia, Lorentz hablaba del éter com o «el receptáculo de la energía electrom agnética y el vehículo para m uchas y quizá todas las ftrerzas que actú an sobre la m ateria ponderable [...] no tenem os m otivo p ara h ab lar de su m asa o de ftrerzas que se le aplican» (Lorentz 1952, p. 31). £1 éter sobrevivió al ataque c o n tra ‫« ط‬vieja física», pero era u n éter altam ente abstracto, desprovisto de atrib u to s m ateriales. Así, en 1909 Planck escribía que «en vez de lo que se d en o m in a éter libre, existe el vacío absoluto C reo que el único p u n to de vista consistente es el que n o adscribe n in g u n a p ro p ied ad física al vacío absoluto com o el único consistente» (Vizgin 1994, p. 17). Planck n o era el único que utilizaba el térm ino «vacío» com o u n sin ó n im o de «éter». D esde esta posición, sólo hay u n p equeño paso para declarar al éter inexistente. £sta era precisam ente la conclusión del físico alem án £m il C ohn, u n especialista en electrodinám ica que desarrolló su pro p ia versión de la teoría electrónica sin éter entre 1900 y 1904. U no p o d ía oponerse al p rincipio de relatividad y al éter, com o hizo C ohn; u o ponerse al p rin cip io de relatividad y aceptar el éter, com o hizo A braham ; o aceptar ta n to el p rin cip io de relatividad com o el éter, com o hizo Lorentz; o aceptar el prin cip io de relatividad y o ponerse al éter, com o hizo £instein. N o es de ex trañ ar que m u ch o s físicos estuvieran confúsos.

Exper‫؛‬mento$ sobre la variación de la masa La respuesta a la con fú sió n eran, o b viam ente, los experim entos. En p rin cip io , al m enos, debía ser posible co m p ro b a r las predicciones de las distintas teorías y, de esta m anera, decidir cuál se acercaba m ás a la verdad. D e hecho, los p rim ero s experiinentos realizados con el objeto de d e te rm in a r ‫ ط‬d istrib u ció n entre m asa electrom agnética y m ecánica ya se h ab ían realizado cu an d o A braham p ro p u so su m odelo electrónico. W alter K aufm ann, el físico de G o tin g a q u e h ab ía m ed id o en 1897 la ra zó n carga/m asa de los rayos catódicos a la vez que T h o m so n , com en zó u n a serie de ex p erim en to s en 1900, en los q u e deflectaba haces de electrones en cam pos eléctricos y m agnéticos. Para e n c o n tra r la p a rte de la m asa del electró n q u e d e p e n d e de la velocidad (es decir,

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Ja m asa electro m ag n ética), se necesitaban electrones a velocidades extrem as; con este objeto, K au fm an n utilizó ray©$ beta, q u e h ab ían sido recien tem en te identificados com o electrones m o v ién d o se a velocidades de hasta u n 90 p o r 100 o m ás de la velocidad de la Juz. K aufm ann, q u e n o sól© era u n excelente ex perim ental sino u n capaz teórico, fue u n p io n ero p a rtid a rio de Ja teoría electrónica y la cosm ovisión electrom agnética. H ay pocas dud as de que su entu siasm o p o r la nuev a física alteraba sus in terpretaciones de sus datos experim entales. En 1901 concluyó que ap ro x im ad am en te u n tercio de la m asa del electrón era de o rigen electrom agnético. C u an d o se vio expuesto a la nueva teoría de A braham , ráp id am en te volvió a in te rp re ta r sus datos y consiguió llegar a u n a conclusión b ien distinta; que to d a Ja m asa deJ electrón era ' de acuerdo con eJ p u n to de vista de A braham . K aufm ann y A braham eran colegas en la Unlversídad de C otin g a y esta relación personal, adem ás de la p ro fu n d a sim patía de K aufm ann p o r ‫ ط‬cosm ovisión electrom agnética, llevó a K aufm ann a conclusiones que n o estaban justificadas tan sólo con sus datos. En 1903 concluyó que no sólo los electrones de los rayos beta, sino ta m b ié n los de los rayos catódicos, se c o m p o rta b a n de acuerdo con la teoría de A braham . Tras 1905, cu an d o la teo ría de L orentz (o la «teoría de ' apareció com o co n trin c a n te a Ja de A braham , K aufm ann llevó a cabo nuevos experim entos con el objeto de resolver la cuestión sobre la variación de la m asa con la velocidad. Los com plejos experim en to s co n d u cían a resultados que ap a ren tem en te refutaban la teoría de L orentz, p ero que estaban en razonable acuerdo con la de A braham y tam b ién con las predicciones de B ucherer y Langevin. A la vista de los nuevos datos, K aufm ann concluyó que el in te n to de cim e n ta r Ja física sobre el p o stu lad o de relatividad «se consideraría u n fracaso». Sus exp erim en to s se d iscu tieron an im a d am e n te en el en cu en tro de 1906 en S tu ttg art, d o n d e la m ayoría de los p articipantes estaba del lado de Kaufm an n , a favor del electrón rígido y c o n tra eJ electrón deform able y el prin cip io de relatividad. Q u ed ó paten te, en to d o caso, que la in terp re tació n correcta de los experim entos estaba lejos de ser directa, y P lanck alertó de que existían m uch o s aspectos inciertos y cuestionables en el análisis de K aufm ann, p o r Jo que sugirió que Jos experim en to s n o eran capaces de decidir en tre Jas teorías de A braham y L orentz y que se necesitaban o tro s nuevos. La reacción de Jos teóricos variaba. A brah am estaba con ten to con aceptar Ja conclusión de K aufm ann, y Lorentz, con m u ch o m e n o r entusiasm o, tam b ién la aceptaba. L orentz sentía que to d a su teo ría estaba am enazada, de hecho, que se había p ro b ad o errónea. C o m o escribió a P oincaré, «por desgracia, m i hipótesis sobre el aco rtam ien to de Jos electrones está en contradicción con los nuevos resultados de K aufm ann, y debo abandonarla. No tengo, p o r tanto, n i idea de qué hacer» (M iller 1981, p. 337). En térm inos filosóficos, Lorentz actuaba com o u n «faJ$acionista», de acuerdo con la filosofía de la ciencia de Karl Popper. N o fue así con Einstein, cuya respuesta estaba bastante de acuerdo con las recom endaciones del filósofo Im re Lakatos. Einstein ignoró aJ principio la presunta refutación de K aufm ann, pero sospechaba que en la reducción e interpretación de

Ona

‫ﺅ؛ﺳﺎﻣمسﺂ‬

fallida 111 ^

los dato$ se h ab ían com etid o errores. Sí, los exp erim en tos estaban en desacuerdo con ‫ ط‬teo ría de la relatividad p ero no, eso no im plicaba q u e ‫ ظ‬teoría fuera errónea: ft)rzosám ente significaba que los experim en to s eran erróneos. «En m i opinión», escribía £instein en 1907, «am bas teorías [la de A braham y la de " tienen u n a p ro b ab ilid ad m u y peq u eñ a, p o rq u e sus suposiciones esenciales sobre la m asa de electrones en m o v im ien to n o son explicables en té rm in o s de sistem as teóricos que abarquen u n m ayor ran g o de fenóm enos» (ibid., p. 345). La actitu d de Einstein (y de ?lanck tam b ién ) n o consistía sim plem ente en negar la validez del experim ento de Kaufm a n n p o rq u e n o estuviera de acu erd o con u n a teoría favorecida. Einstein y Planck indagaron p ro fu n d a m e n te en los detalles experim entales, analizaron la situación global cuidadosam en te y p o r fin concluyeron que h abía b u en as razones para sospechar de errores sistem áticos. En cualq u ier caso, la juvenil confianza de E instein en su teo ría p ro n to resultó confirm ada. En experim en to s en 1908, Bucherer, ta n co m p etente com o K aufm ann tan to en teoría com o en experim entos, m id ió la deflacción eléctrica y m agnética de los rayos beta de u n a m an era disfinta a K aufm ann. Sus resultados tam b ién eran distintos y conducían a u n a confirm ació n de la teo ría de L orentz-E instein. Respecto al hecho de que B ucherer m ism o h u b iera p ro p u esto u n a teo ría electrónica rival, que había recibido cierto apoyo p o r los ex perim entos de K aufm ann, es n o table que n o d u d a ra en criticar estos experim en to s y en conclu ir a p a rtir de los suyos q u e sólo la teoría de Lorentz era viable. P or aquel entonces, B ucherer hab ía p erd id o confianza en su p ro p ia teoría del electrón de v o lu m en co n stan te p o rq u e la co n trad ecían los fenóm enos de dispersión. Por lo tan to , consideraba que su ex p erim en to era u n a p ru e b a entre sólo dos alternativas, la de A braham y la de Lorentz. Los exp erim en to s de B ucherer eran m ucho m ás tran sp aren tes que los de K aufm ann y m ás difíciles de criticar. Pero p o r supuesto no estab an p o r encim a de la crítica y n o co n stituyeron u n ex perim ento crucial a favor a la teoría de Lorentz-E instein. D u ra n te los años siguientes los experim entos '' sobre to d o en A lem ania, e hizo falta cierto tie m p o p ara que la situación

'

se estabilizara con el resultado de que q u ed ó g eneralm ente aceptado que ‫ ة؛‬variación de la m asa de L orentz-E instein estaba co n firm ad a ex perim entalm ente. En 1914 la cuestión estaba resuelta en su m ayor parte. Sin em bargo, no era u n a ' com pleta, y las discusiones co n tin u a ro n m u ch o s años después de que la teoría de Einstein firera aceptada y de que la cosm ovisión electrom agnética cayera en el olvido. N o seguirem os con esta h isto ria salvo p a ra m en cio n ar que la cuestión de la variación de la m asa ad q u iriría u n a d im en sió n política después de 1920, cu an d o em pezó a florecer el a n t‫؛‬rrelat‫؛‬vism o en algunas facetas de la vida cu ltu ral alem ana. M uchos fís‫؛‬eos c o n se rv a d o re s a n sia b a n la llegada del d ía en el q u e la te o ría d e E in stein fu era reem plazada p o r u n a teo ría basada en el éter o en conceptos electrom agnéticos. Iró n‫؛‬cam ente, entre estos conservadores se hallaban algunos de los antiguos p artid ario s de la cosm ovisión electrom agnética que, años atrás, se h ab ían considerado a sí m ism os audaces progresistas en su lucha c o n tra el a n ticu ad o '' A braham , o tro ra a h ir r e v o lu c io n a r io , fue u n o de los que n u n c a aceptó la relatividad y que protestó

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co n tra u n a física sin éter. Bucherer, o tro de los revolucionarios electrom agnéticos, que con trib u y ó de m ala gana a la victoria de la relatividad, se convirtió en los años veinte en u n ardiente antirrelativ ista en el ala derecha de la física alem ana. A nte esta situación, se llevaron a cabo nuevos experim en to s sobre la variación de la m asa del electrón, m u chas veces con claras in ten cio n es de refu tar la teo ría de la relatividad y, de hecho, algu nos de los antirrelativistas concluyeron que sus experim entos confirm aban la vieja teoría de A braham y refutaban la de Einstein. O tro s físicos, incluyendo a Becherer, aceptaban la fó rm u la de L orentz-E instein pero eran cuidadosos al d istinguir entre la fó rm ula y la teoría de E instein. «Hoy», escribía B ucherer en 1926, «la confirm ación de la fó rm u la de Lorentz n o se p u ed e a d u cir com o u n a p ru e b a de la teo ría de la relatividad einsteiniana» (K ragh 1985, p. 99).

El declive de una cosmovisión Los ex perim entos electrónicos fu ero n u n factor en el declive de la cosm ovisión electrom agnética, pero fo rm ab an sólo u n factor en tre otros m uchos. M ientras que los experim en to s están sujetos a p ru eb as experim entales, las cosm ovisiones n o lo están. De hecho, la p o sibilidad de u n a física to talm en te electrom agnética, que englobara to dos los aspectos de la realidad física, n u n ca fue p ro b ad a com o errónea, sino que se des vaneció según fue p erd ien d o su atractivo inicial. Es difícil ser revolucionario p o r un p erio d o largo, especialm ente si las elevadas esperanzas de u n fu tu ro m ejo r no m ues tra n señales de hacerse realidad. En 1914 com o m u y tarde la cosm ovisión electrom ag nética había p erd id o su m agia y el n ú m e ro de sus p artid ario s dism inuyó a u n p e q u e ño g ru p o en la periferia de la física convencional. Poco después del estallido de la P rim era G u erra M undial, Em il W arburg editó u n libro en u n a serie d e n o m in ad a Cul tura contemporánea (K ultur der Gegenwart), con tre in ta y seis artículos resum iendo distintas áreas de la física. E n tre los autores de esta o b ra sem ioficial se co n tab an físicos p ro m in en tes de la cu ltu ra alem ana, incluyendo a W iechert, Lorentz, R ubens, W ien, Einstein, K aufm ann, Z eem an y Planck. El co n ten id o del libro p u ede servir com o in d i cativo de la co m posición de la física en aquellos tiem pos: M ecánica

79 páginas

Acústica C alor

22 páginas 163 páginas

E lectricidad

249 páginas

Ó ptica P rincipios generales

135 páginas 85 páginas

Los capítulos sobre el calor incluían n o sólo la radiación del cu erp o negro, sino tam b ién el artícu lo de E instein sobre «A tom ística teórica», es decir, la teoría cinética de la m ateria. E ntre los trece artículos de la categoría sobre electricidad, había u n o sobre telegrafía in alám brica, u n o sobre rayos X y dos sobre radiactividad. El artículo sobre la


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teoría de la relatividad, escrito p o r Einstein, estaba colocado en la categoría de P rin ci pios generales. La cosm ovisión electrom agnética apenas era visible y aparecía tan sólo indirectam en te en el artícu lo de L orentz sobre «La teo ría de M axwell y la teoría elec trónica». ¿Por qué p erd ió v ap o r el p ro g ram a electrom agnético? El proceso del declive fue com plejo, e involucró ta n to m otivos científicos com o razones relacionadas con cam bios en el clim a cultu ral de la época. C o m o se ha m en cionado, las predicciones expe rim entales, com o las q u e se d erivan de la teo ría de A braham , no estaban de acuerdo con los resultados de los experim entos reales. Por o tro lado, ésta no era realm ente u n a causa princip al del declive, ya que el electrón rígido n o era u n ingrediente necesario de la cosm ovisión electrom agnética: de m ayor im p o rta n c ia era la com petición de otras teorías que o bien se o p o n ía n a la im agen electrom agnética o am enazaban con co n vertirla en superflua. A unque la teo ría de la relatividad se con fu n d ía a veces con la te o ría electrónica de L orentz o se m a n te n ía que era co m patible con la cosm ovisión elec trom agnética, alrededor de 1912 era evidente que la teo ría de Einstein era de naturaleza m u y d istinta. N o ten ía casi nada q u e decir sobre la e stru ctu ra de los elec trones y con el creciente reco n o cim ien to del p u n to de vista relativista, esta cuestión -alg u n o s años antes considerada esen cial- cam bió d rásticam ente de estatus. Para m u chos físicos, se co nvirtió en u n a p seu d o -cu estió n . Igual que el su rg im ien to de la teoría de la relatividad hacía la vida difícil p ara los en tusiastas electrom agnéticos, tam b ién lo hacía el surg im ien to de la teo ría cuántica. Sobre 1908, Planck llegó a la conclusión de que existía u n conflicto fu n d am en tal en tre la teo ría cu ántica y la electrónica, y recibió un cauto apoyo de L orentz y o tro s expertos. Parecía que no había m an era de derivar el espectro del cu erp o negro sobre u n a base p u ra m e n te electrom agnética. Según la te o ría cuántica fue g an an d o en im p o rtan cia, la teoría electrónica iba p erdiéndola p o r m o m entos: lo p e o r que le p u ed e o c u rrir a u n a revolución p ro clam ad a es que n o sea n e cesaria. En general, la teo ría electrónica tenía que c o m p etir con otros desarrollos en la físi ca que no dep en d ían de esta teoría y después de 1910 los nuevos desarrollos en la física sustrajeron interés de la teo ría electrónica. Tantos nuevos e interesantes sucesos o c u rrían que ¿por q u é m olestarse con el com plicado y d em asiado am bicioso in ten to de fu n d ar to d a la física en cam pos electrom agnéticos? El áto m o nuclear de R utherford, los isótopos, la teo ría ató m ica de Bohr, la difracción de rayos X p o r cristales, el descu b rim ie n to de S tark del d esd o b lam ien to de las líneas espectrales, la interp retació n del sistem a periódico de M oseley basada en rayos X, la extensión de Einstein de la relati vidad a la gravitación y o tra s innovaciones ab so rb iero n la energía intelectual de los fí sicos y dejaron atrás la cosm ovisión electrom agnética. Era u n bello sueño, de acuerdo, pero ¿era física? Se avanzaba ráp id am en te en física atóm ica y, m ientras que se entendía cada vez m ejo r la estru ctu ra del átom o, iba siendo cada vez m ás difícil m an ten er la cos m ovisión electrom agnética. La carga positiva había sido u n problem a de la teoría ató m ica desde 1896, cu an d o el efecto Z eem an indicó que los electrones llevan carga nega tiva. U na teoría de la m ateria en arm o n ía con cosm ovisión electrom agnética necesitaba

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electrones positivos, p ero n o se en c o n tró n in g u n o . En 1904, u n físico británico, H aroid A. W ilson, sugirió que la p artícu la alfa era el electrón positivo («exactam ente sim ilar en carácter a u n electrón negativo o rd in ario » ) y que su m asa era de origen puram en te ' es decir, satisfacía la expresión 2/3 e2IR 2c. El precio que había que pagar era q u e la p artícu la alfa debía ten er entonces u n radio varios m iles de veces m en o r que el del electrón negativo. C o n ‫ ا؛ ا‬id entificación de las partículas alfa con los átom os de helio, el precio resultó ser d em asiado alto. O tras sugerencias p ara in tro d u c ir electrones positivos electrom agnéticos n o tu v iero n m ayor éxito y con el descu b rim ien to de R utherfo rd de las verdaderas partículas positivas -lo s núcleo$ atóm icos de m asa m uchos m iles de veces la del e le c tró n - la atractiva sim etría en tre cargas elem entales positivas y negativas $c p erdió. P or o tra parte, los avances en física ató m ica p o d ían ser in terp retad o s (com o de hecho a veces se hacía) de tal m a n e ra que estuvieran cualitativam ente de acuerdo con la visión electrom agnética. R u therford m ism o se inclinaba p o r esta idea, de que to d a la m ateria era de n aturaleza eléctrica, y en 1914 a rg u m en tó que la pequeñez del núcleo de hid ró g en o era ju stam en te lo que cabía esperar si era de origen enteram en te electrom agnético. O tro s investigadores p io n ero s de física n u clear le siguieron, y no fue sino hasta los años veinte en que la m asa electrom agnética desapareció de esta área de la física. Esto n o significa, sin em bargo, que R u th erfo rd y sus colegas fueran p artid ario s de la cosm ovisión electrom agnética o de la teo ría electrónica en el sentido continental. No ' es u n accidente que la m ayoría de los que co n trib u y ero n a la teoría electrónica fueran alem anes y que m u y pocos, si es que alguno, fueran ingleses. Existían sutiles diferencias en tre las actitudes alem ana y b ritán ica. U na cosa era creer en la teoría electrónica de la m ateria, com o hacían m u ch o s físicos britán ico s, y o tra elim inar todos las leyes ٢ conceptos m ecánicos en favor de o tro s electrom agnéticos, com o los que A braham y sus aliados in te n ta b a n alcanzar. En to d o caso, la hipótesis de que los núcleos atóm icos eran de origen electrom agnético se apoyaba en la fe y n o en u n a evidencia experim ental. Ai co n trario que los electrones, los núcleos o iones n o p o d ían acelerarse a las velocidades extrem as que eran necesarias p a ra p ro b a r q u é p arte de su m asa era electrom agnética ٢ qué p arte m ecánica.

Teorías de campo unificadas En 19f0, el p ro g ra m a electrom agnético original de W ien, A braham y sus aliados había e n c o n tra d o serios problem as, en p arte p o r su oposición a la progresista teoría de la relatividad. N o existía necesariam ente co n trad icción alguna entre ‫ ط‬visión electrom agnética y la relatividad especial, sin em bargo, y en la segunda década del siglo, u n o‫؛‬ pocos físicos revitalizaron el p ro g ram a electrom agnético in co rp o rán d o lo d en tro de ‫ط‬ teoría de la relatividad de E instein. El m ism o E instein estaba m u y interesado en este tip o de teo ría electrom agnética unificada, que tam b ién atraía el interés y respeto de otros físicos m atem áticos, incluyendo a H ilb ert, Pauli, Som m erfeld, B orn y Weyl. El fisico alem án G ustav M ié, de la U niversidad de Greifswald, fue el m ás pro d u ctiv o y em i-


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nente de ,‫؟‬ ‫؛‬٢١ contrib u y en tes a la ú ltim a fase del p ro g ra m a electrom agnético. Al contra-

I ‫؛‬

n o que A brah am y la m ayoría de los p a rtid a rio s de la p rim e ra fase del p ro g ram a, M ié r e p ta b a la teo ría de la relatividad y utilizaba al m áxim o sus conceptos y m étodos m atem áticos. P or ejem plo, la invar‫؛‬anc،a de L orentz y la noción de u n espacio-tiem po te‫؟‬

:^ d im e n s io n a l eran partes im p o rta n te s de la teo ría de M ié. Sin em bargo. M ié estaba 3‫ ﺀ‬com pleto acuerdo con la visión física de sus predecesores: que en ú ltim o té rm in o el

:^ u n d o consiste en estru ctu ras en u n éter electrom agnético. La siguiente descripción de 1911 p ro p o rc io n a la esencia de la cosm©vi$ión electrom agnética y m u estra que el

p u n to de vista de M ié era básicam ente el m ism o que el de físicos anteriores com o Larm or, W ien, L orentz y A braham : Las p artícu las elem entales m ateriales [...] son sim p le m e n te lugares singulares en el éter en los q ue cnnvergen las líneas de esfuerz© eléctrico del éter; b rev em en te, son « n u dos» del cam p o eléctrico en el éter. Es m u y n o ta b le q u e estos n u d o s estén siem p re confinados en estrechos lím ites, es decir, en lugares llenos de p artícu las elem en tales [...]. Toda la diversidad del m u n d o sensible, a p rim e ra v ista sólo u n d e so rd e n a d o espectáculo d e brillan tes colores, se red u ce e v id en tem e n te a procesos q u e tie n e n lu g ar en u n a ú n ica sustancia m undial: el éter. ¥ los procesos m ism o s, a p esar de to d a su increíble com plejid ad , satisfacen u n a rm o n io so sistem a de u n as pocas leyes sim ples y m a tem áticam en te tran sp aren tes. (V izgin 1994, p p . 18 y 27)

La teoría de M ié, q u e desarrolló en tres largos artículos en 1912-1913 (que sum ahan 132 páginas), era p rim e ra m e n te u n a teo ría de las partículas elem entales. M ié quen a incluir ta m b ié n la gravitación en su teoría, p ero n o consiguió d ar cu enta del cam ‫ ﻟﻢ‬gravitatorio m ed ian te las m‫؛‬،smas ecuaciones electrom agnéticas que utilizaba en su teoría de la m ateria M ié creía q u e el electrón era u n a m in ú scu la p o rc ió n del éter en u n «estado singu،ar particular» y lo rep resen tab a co m o si consistiera en «un núcleo que tien d e cuntínuam en te a u n a atm ósfera de carga eléctrica q u e se extiende hasta el infinito» (Vizgin 1994, p. 28). Es decir, estrictam en te el electrón n o tenía u n radio definido. C erca del centro del electrón, la fuerza de los cam pos electrom agnéticos sería en o rm e y M ié pensaba que en tales circunstancias las ecuaciones de M axwell ya n o serían válidas. P or lo tanto, desarrolló u n co n ju n to de ecuaciones electrom agnéticas n o lineales generalizadas que, a distancias relativam ente grandes del n úcleo del electrón, se co rrespondían con las ecuaciones del electro m ag n etism o ordinarias. A p a rtir de las ecuaciones fundam entales de M ié, era posible calcular las cargas y m asas de las partículas elem entales, expresadas m ed ian te u n a «función del m u n d o » . Éste era u n avance n o table y la prim era vez que u n m odelo de cam pos p a ra partículas se h abía desarrollado de u n a m an era m atem áticam en te precisa. Es interesante que M ié, al desarrollar el form alism o, utilizara m éto d o s m atriciales, u n a ra m a de la m atem ática aplicada que ^ s te r io r m e n te se in tro d u c iría en la m ecánica cuántica. El avance estaba lim itad o al p ro g ram a m atem ático, sin em bargo, y la g ran d io sa teo ría era claram ente estéril en lo to can te a la fí-

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sica real. En 1913 se cono cían dos partículas elem entales, el electrón y el p ro tó n , y sus propiedad es se p o d ían derivar de la teo ría en principio. Lástim a que, de m o m en to , era sólo en p rin cip io , ya q ue la fo rm a de la función del m u n d o que aparecía en las ecuaciones era desconocida. Por o tro lado, tam p o co se p odía p ro b ar que no hubiera funciones del m u n d o com patibles con la existencia de electrones y p ro tones, y los creyentes en el p ro g ra m a de M ié p o d ían p o r lo ta n to sostener que fatu ro s desarrollos p o d ían llevar al éxito. A unqu e la teo ría de M ié n u n c a llegó a los resultados que se esperaban, no dejó de ten er consecuencias. Influyó en algunos de los trab ajos de Einstein, H ilbert, Weyl y otros y h asta tan tard e com o los años trein ta, M ax B orn reconsideró la teoría de M ié com o u n can d id ato p ara u n m arco clásico p ara el desarrollo de u n a

'

cuántica consistente. Lo q u e atraía a algunos físicos m atem áticos de los años veinte no era tan to los detalles de la teo ría de M ié co m o su esp íritu y m étodos. C om o Weyl expresó en 1923: «Estas leyes físicas [de M ié], p o r tan to , nos p e rm iten calcular la m asa y carga de los electrones, y los pesos atóm icos y cargas atóm icas de los elem entos individuales m ien tras que, hasta ah o ra, siem pre hab íam o s aceptado a estos últim os constituyentes de la m ateria com o cosas dadas, con sus propiedades num éricas» (Vizgin 1994, p. 33). El objetivo de u n a teo ría unificad a es e n te n d e r la riqueza y diversidad del m u n d o en té rm in o s de u n ú n ico esquem a teórico. La m asa y carga del electrón, p o r ejem plo, se consid eran g eneralm ente prop ied ad es contingentes, es decir, sim plem ente resulta que las cantidades son las que son («cosas dadas»). N o se siguen de m an era única de n in g u n a ley física y, p o r esta razó n , es posible q u e p u d iera n ser distintas de lo que son. D e acuerd o al p u n to de vista de los unificacionistas, la m asa y carga de u n electrón (y, en general, las pro p ied ad es de to d as las p artícu las elem entales) deben derivarse en últim a instancia de la teoría; deb en d ejar de ser cantidades contingentes para convertirse en cantidades gobernadas p o r leyes. N o sólo esto, sino que tam b ién el n ú m ero y tipo de partícu las elem entales debe seguirse de la teoría; n o sólo las partículas que se conocen en u n m o m e n to dado, sino las q u e todavía no se h a n descubierto. En otras palabras, u n a teo ría u n ificada v erd ad eram en te de éxito debería ser capaz de predecir la existencia de partículas elem entales; ni m ás de las que existen en la naturaleza, ni m enos. £ sta es u n a tarea form idable, especialm ente p o rq u e las teorías físicas no pueden evitar apoyarse en lo q u e se conoce em p íricam en te y p o r lo ta n to deben reflejar lo m ás p u n te ro de la física experim ental. En 1913 se conocían el electrón y el p ro tó n , y por ta n to M ié y sus co n tem p o rán eo s d iseñaron sus teorías unificadas de acuerdo con la existencia de estas p artículas, ? e ro las im p resio n an tes teorías del pro g ram a electrom agnético n o ten ían p o d e r predictivo real. C o n to d a su grandeza y avanzada m aquin aria m atem ática, la teo ría de M ié era u n fru to de su época y no estaba en absoluto p rep arad a p a ra la avalancha de d escu b rim ien to s de partículas que sucedió en los años treinta. C u an d o C ustav M ié m u rió en 1957, el m u n d o de las partículas y cam pos era radicalm en te diferente del de 1912. Era m u ch o m ás com plejo y m ucho m enos atractivo p ara la d a se de grandes teorías unificadas de las que él había sido u n p io n ero en la


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rn m e ra p arte del siglo. U nas décadas después de la m u erte de M íe, p o r o tra parte, las ‫ ؛‬randes teorías unificadas volverían al p rim e r p lan o de la física y pro m ete ría n u n a cosm ovisión unificada que, en u n sentido general, co m p artía algunas de sus característi:as con el antiguo p ro g ra m a electrom agnético. Para m ás info rm ació n sobre estas te o rías unificadas m o d ern as, véase el capítulo 27.

CAPÍTULO 9


La física industrial La física n o es sólo la académ ica, enseñada y cultivada en universidades e instituciones sim ilares con el p ro p ó sito de p e n e tra r a u n m ás p ro fu n d am e n te en los secretos de la n a turaleza. U na g ran e im p o rta n te p arte de la física consiste en la aplicación del conoci m ien to físico con fines tecnológicos, o m ás bien en desarrollar nuevas clases de co n ceptos, teorías y aparatos que p u ed en utilizarse p ara tales fines. La física aplicada o de ingeniería h a resultado ser esencial en m u ch as ocasiones para el progreso tecnológico, pero sólo en raros casos h a n surgido nuevas tecnologías d irectam ente a p a rtir del co n o cim ien to científico. En la m ayoría de los casos de las llam adas tecnologías basadas en ciencia, la conexión en tre ciencia básica y tecnología es com pleja e indirecta. La utilid ad de la física n o es, p o r supuesto, u n asunto m oderno. Por el contrario, la idea de que la física pued a llevar a innovaciones tecnológicas beneficiosas para la h u m an id ad es u n a p arte integral de la historia de la física desde los días de Bacon y Galileo. Sin em bargo fue sólo en la segunda m itad del siglo xix cuando, de m anera apreciable, la retórica iba seguida de la práctica. Según el siglo tocaba a su fin, iba siendo todavía m ás evidente que la física p o d ría ten er u n potencial tecnológico de la m ism a m ag n itu d que la quím ica, la ciencia que hab ía p ro b ad o su carácter de fuerza p ro d u c ti va antes y m ás visiblem ente. Éste era u n im p o rta n te elem ento en el creciente apoyo a la investigación física de la época y era u n a o p in ió n co m partida p o r m uchos físicos. Uno de ellos era Em il W arburg, el director de u n nuevo in stituto de física en la U niversidad de Friburgo. C on ocasión de la in au g u ració n del in stitu to en 1891, argum entaba: «En lo tocante a la física, la llam ada ascensión de las ciencias naturales, que caracteriza los tiem pos m o d ern o s, n o se basa en el n ú m e ro y significación de los descubrim ientos ni en los principios de investigación. Se debe m u ch o m ás al efecto m u ch o m ayor que esta ciencia ejerce sobre la vida civil y sobre las ram as de la tecnología que dependen de ella. Y, p o d ría m o s añ ad ir, a los co n traefecto s q u e resu ltan a su vez» (C ah an 1985, p. 57).

La física en la industria

‫ﻣﺮ‬en

la guerra

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A p artir de esa época, u n n ú m e ro creciente de físicos em pezó a trabajar en física a p li' cada, técnica o industrial, b ien en industrias privadas, en instituciones politécnicas o en instituciones de investigación sin án im o de lucro. La «física industrial» despegó en los años veinte, pero aú n antes del estallido de la P rim era G uerra M undial esta clase de fí$ica no académ ica, y otras, se establecieron firm em ente en los países m ás im portantes. Las áreas de la física m ás adecuadas p a ra la aplicación in d u strial eran los cam pos clásicos com o te rm o d in ám ica, electrom agnetism o, ó ptica y ciencia de m ateriales; la nueva física», con cam pos conro radiactividad, relatividad y teo ría cuántica y atóm ica, no pro d u cía in m ed iatam en te aplicaciones prácticas a gran escala. Pero hasta u n cam po nuevo y exótico co m o la radiactiv id ad era de interés in d u strial, y el trab ajo con « tá n d a re s de rad iació n se co nvirtió en u n a p arte im p o rta n te de los p rim ero s laboratorios que se especializaron en m edidas radiactivas. M arie (]urie se suele p re se n tar tra” co m o la h ero ín a de la física p u ra, p ero la pureza de su trab ajo n o im pidió que estuviera bastan te o cu p ad a estableciendo u n están d ar in ternacional del radio ١■asegurando

lazos con la in d u stria francesa del radio. Para C urie, el trab ajo con orientación a la in d u stria era u n a p a rte n a tu ra l e integ rad a de su trab ajo científico. A p artir de 1905 ap ro x im ad am en te existían estrechos lazos en tre el lab o rato rio de los C urie y la com p añ ía de A rm et de Lisie, u n in d u stria l quím ico. La d im en sió n in d u strial se extendía al lab o rato rio y a los cursos sobre rad iactividad ofrecidos en el In stitu í ‫ ﻧﺎل‬Radiu m en París, que a traían a m u ch o s científicos q u e trab ajab an en la in d u stria. «No era poco co m ú n q u e los colaboradores de C urie llevaran u n a doble vida en ciencia e in-

dustria», observaba u n reciente estudio (R oqué 1997b, p. 272). £1 o tro centro principal d e ‫ ط‬investigación radiactiva inicial, el In stitu to de Investigación del R adio en Viena, fu ndado en 1908, servía a funciones indu striales y m etrológicas sim ilares a las del institu to de París. Los físicos vieneses co o p erab an con la C o m p añ ía Auer, que procesaba m inerales de u ra n io con el fin de o b ten er el valioso ra d io (en fo rm a de clo ru ro de radio) que era de ta n g ran in terés p a ra la ciencia y la in d u stria. £1 Physikalisch-Technische Reichsanstalt en Berlín, ftrndado en 1887 p o r iniciativa de W erner von Siem ens y H e rm a n n v o n H elm holtz, era quizá la m ás im p o rta n te de las instituciones p io n eras de física aplicada. £1 objetivo del in stitu to de Berlín era aplicar la física a innovaciones técnicas útiles p a ra la in d u stria alem ana y así, p o r im plicación, para el país. Ya que, com o Siem ens escribió al g obierno p ru sian o , «en la com petición entre naciones, que en estos m o m e n to s se incentiva ta n activam ente, el país que p rim ero explora nuevos cam inos [científicos] y p rim e ro los desarrolla en ram as establecidas de la in d u stria, es el que tiene u n a ventaja decisiva» (H oddeson etal. 1992, p. 13). H elm holtz, el p rim e r p residente del R eichsanstalt, estaba ansioso p o r convertirlo en u na in stitu ció n de investigación y n o m eram en te u n sitio d o n d e el co n ocim iento establecido se aplicara pasivam ente a la resolución de p roblem as industriales. Su sucesor, Friedrich K ohlrausch, en el cargo en tre 1895 y 1905, expandió considerablem ente la in stitu ció n y la conv irtió en el p rin cip al cen tro m u n d ia l de física aplicada y m edidas de precisión. En 1903 el R eichsanstalt consistía en diez edificios y daba em pleo a 110 personas, de las cuales 41 se o cu p ab an del trab ajo científico. La im p o rta n cia del Reich-

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sanstalt en p ro m o v er y asistir a las in d u strias de alta tecnología era tam b ién recon،*:‫؛‬da en o tro s países, y o tras naciones establecieron instituciones sim ilares. £1 £ab©ratorio Físico N acional en In g laterra (1898), la O ficina N acional de £stándare$ de los Estad o s U nidos (1901) y el In stitu to de Investigación Física y Q u ím ica en Japón (1917 . frieron to d o s fo n d ad o s im ita n d o al Reichsanstalt. A unque en el in stitu to se llevaba ‫ق‬ cabo m u cb a investigación original, ta n to básica com o aplicada, las tareas p r‫؛؛‬cticas, por ejem plo, p ruebas, eran de m ayor im p o rta n c ia económ ica y se llevaban gran parte de los recursos. U n e n o rm e n ú m e ro de p ru eb as se realizaron, especialm ente de term óm etros y tóm paras eléctricas (p o r ejem plo, en tre 1887 y 1905, se p ro b aro n casi 250.‫س‬ te rm ó m e tro s). £ ste trab ajo ru tin a rio co n trib u y ó al declive científico del Reichsanstalt y a la deserción de científicos de talento hacia la universidad, lo cual fue u n problem a especialm ente d u ra n te la p residencia de E m il W arbnrg (1905-1922). D o n d e m ás avanzada era la aplicación de la física en las in d u strias privadas era en los £stad o s U nidos, d o n d e varios lab o rato rio s de investigación in d u strial se ftindaron en ‫ ط‬p rim e ra p a rte del siglo, p rin cip alm en te en la in d u stria eléctrica. Al co n trario que en los lab o rato rio s tradicio n ales de p ru e b a y co n tro l de calidad, la investigación científica o cu p ab a u n lug ar p ro m in e n te en los nuevos lab o ratorios, cuyo p ersonal estaba fo rm ad o en universidades, m u ch as veces con grados doctorales. Tam bién al co n trario que la situ ació n en m u ch o s países europeos, existían estrechos contactos en tre físicos académ icos estad o u n id en ses y los que trab ajab an p a ra grandes industrias. Los físicos académ icos trab ajab an a m e n u d o com o consultores para la in d u stria, y los físicos aplicados c o n trib u ía n frecu en tem en te a la lite ra tu ra científica académ ica. La diferencia entre física p u ra y aplicada p o d ía ser difícil de d istin g u ir a veces. En 1913 los físicos de lab o rato rio s indu striales c o m p o n ía n el 10 p o r 100 ap ro x im ad am en te de los m iem bros de la A m erican Fhysical Society; siete años después, cu an d o el n ú m ero de m iem b ro s se había doblado, c o m p o n ía n el 25 p o r 100 ap ro x im adam ente. La im p o rta n cia científica de los lab o rato rio s ind u striales q u ed a ilu strad a ad icionalm ente p o r la d istrib u ció n de artículos en Physical Review. En 1910, sólo el 2 p o r 100 de los artículos ten ían su origen en la b o ra to rio s in d ustriales; cinco años después, la p ro p o rció n se había elevado drásticam en te al 14 p o r 100 y en 1920 el n ú m e ro era del 22 p o r 100. Las com pañías con investigación m ás intensiva eran, con m ucho, los dos gigantes electrotécnicos, General Electric y A m erican Telephone an d Telegraph C om pany (AT&T), que contribuían m ás a la física p u ra que m uch as universidades. La ftierza científica de las dos com pañías q u ed a ilu strad a p o r las cifras de los años 1925-1928, cu an d o 27 co n tribuciones a Physical R eview p ro v en ían de G eneral Electric y 26 de Bell Telephone Laboratories, la ram a de investigación de AT&T. E n co m p aració n , la U niversidad de C o lum bia contribuyó con 25 artícu lo s y Yale co n 21 (el p rim e ro era el In stitu to de Tecnología de California, co n 17 artícu lo s). En aquella época, Bell L aboratories era la in stitu ció n más g rand e y m ás rica del m u n d o p a ra la investigación industrial. C on u n personal técnico de 3.390 perso n as y u n p erso n al de investigación de 600 científicos e ingenieros, Bell Laboratories inició la era de la g ran ciencia. Los gastos de AT&T en investigación y desarrollo, m ed id o s en dólares de 1948, crecieron de 6,1 m illones en 1916 a 10,8 m illo


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nes en 1920; en 1926 los gasto$ fuero n 16,6 m illones y en 1930 la cifra se in crem e n tó a 31,7 m illones. (A pesar de q u e las cifras sean ta n altas, son sólo u n prelu d io al desarrollo a u n m ás explosivo que o c u rrió después de 1945. En 1981, poco después de que AT&T fuera sentenciada a d escom ponerse en varias com pañías m enores e independientes, el n ú m e ro de em pleados de Bell L aboratories era de 24.078, de los cuales 3.328 tenían grado de doctor. En ese año, AT&T p ro p o rc io n ó a Bell L aboratories n o m enos de 1.630 m illones de dólares. A unque AT&T era excepcional, era sólo u n a de u n n ú m ero creciente de com pañías estadounidenses q u e em p leaban a científicos. En 1931, m ás de 1.600 com pañías inform aró n al C onsejo de Investigación N acional sobre lab o rato rio s que em pleaban casi 33.000 personas. N ueve años después, m ás de 2.000 em presas ten ían lab o rato rio s de investigación, q u e em p leaban a u n to tal de u n as 70.000 personas. Las in d u strias europeas siguieron la ten d en cia estadounidense, pero n o al m ism o ritm o e intensidad. Los relativam ente escasos físicos de lab o ratorios industriales en Europa no co n trib u y ero n m u ch o a la lite ra tu ra de física p u ra. La c o m p añ ía electrom ecánica m ás g ran d e de E uropa, la co m p añ ía Siem ens en A lem ania, reconocía el valor de la investigación científica aplicada p ero n o ten ía u n d e p a rtam en to central de investigación com parable a los de sus rivales estadounidenses. Sólo en 1920 se fo rm ó tal departam ento, bajo el físico H ans G erdien, fo rm ad o en G otinga. El nuevo lab o rato rio de investigación p u blicaba su p ro p ia revista, titu lad a Wissenschaftliche Veróffentlichungen aus dem Siem ens-Konzern, sim ilar en m iras y co n ten id o al The Bell System Technical Journal. Sin em bargo, la revista de Siem ens n o tuvo la m ism a im p o rta n cia científica que su co n tra p a rte estadou n id en se. C on sid erarem o s a co n tin u ació n dos im p o rta n tes casos de física aplicada, los dos relacionados con aspectos de la electrónica.

Electrones trabajando, I: la telefoNÍa a larga distancia El teléfono de A lexander G rah am Bell n o fue u n p ro d u cto de la ciencia. D u ra n te las p rim eras dos décadas de la telefonía, el nuevo sistem a de telecom unicaciones se desarrolló de m an era em pírica, guiado (m u ch as veces, e rró n eam en te) sólo p o r la teoría telegráfica q u e ^ 'illia m T h o m so n hab ía in tro d u c id o en 1855. C u an d o resultó que era difícil conseguir u n a b u e n a co m u n icació n de voz a distancias de m ás de u n o s pocos cientos de kiló m etro s, los ingenieros su g iriero n red u cir la resistencia y capacidad del sistem a de línea. La au to in d u c ta n c ia se consideraba ' de u n a can tid ad dañina, que se p o d ía red u cir p asan d o de hilos de h ierro a hilos de cobre; sin em bargo, estos m éto d o s p a ra extender la distancia p a ra h ab lar tu v iero n u n efecto b astante lim itado y sobre 1895 q u ed ó cada vez m ás claro q u e los m éto d os em píricos de los ingenieros telegráficos n u n c a p ro d u c iría n telefonía de calidad a largas distancias. E ra el m o m en to de aplicar p ro ced im ien to s m ás científicos basados en la física. D e hecho, estos p ro ced im ien to s se ha b ía n aplicado ya en 1887, cuan d o “ en Francia y ©liver Heaviside en In g laterra analizaron teóricam ente la tran sm isió n de corrientes telefónicas a p a rtir la teo ría eléctrica fu n d am en tal, © b tu v iero n fórm ulas

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p a ra la v ariación de la aten u ació n y d isto rsió n con los parám etro s eléctricos de la línea y concluyeron que la au to in d u ctan cia era beneficiosa: cuanto m ás hubiera en u n a línea, m ejor. Los trab ajo s de Vaschy y H eaviside n o se m aterializaron en m étodos prácticos sino hasta m u ch o después y, en Inglaterra, las recom endaciones de base científica de H eaviside e n c o n tra ro n la resistencia de ingenieros p ertenecientes al poderoso Servicio de C orreos. Fue en Estados U nidos y, en u n a escala m e n o r en D inam arca, d o n d e la teoría de Vaschy-H eaviside se tra n sfo rm ó en tecnología práctica p o r p rim e ra vez. N o se d ab a alta p rio rid a d a la investigación científica en los p rim ero s años de la Bell Telephone C om pany, pero H a m m o n d ! layes, u n físico fo rm ado en la universidad que era em pleado de Bell, u rg ió a q u e la co m p añ ía p u siera m ás énfasis en la investigación. En 1897 c o n tra tó a G eorge C am pbell p a ra que desarrollara el tip o de cables de alta indu ctancia que h ab ía sugerido H eaviside. En su en foque y form ación, C am pbell era distim o de los ingenieros y técnicos que trab ajab an entonces en telegrafía y telefonía, y esta diferencia fue de crucial im p o rta n c ia p ara su éxito. C am pbell tenía u n a ftrerte fo rm ació n en física teórica, o b ten id a en el M IT, H a rv ard y tres años en E uropa, do n de estudió con em inencias com o Foincaré, B oltzm ann y Félix Klein. Totalm ente familiarizado con los trabajos de Vaschy y Heaviside, C am pbell utilizó sus habilidades m atem áticas para desarrollar u n a teo ría de cables (o antenas) «cargadas» con bobinas de inducció n espaciadas discretam ente. El resultado, com pletado en el verano de 1899, fue u n análisis m atem ático de la línea cargada de bobinas, que predecía dó n d e colocar las bobinas en el circuito, cu án to cargarlas, y la d istrib u ción de cobre m ás eficaz entre el cable y las bobinas. C am pbell se dio cuen ta de que la solución tecnológica n o p o d ía obtenerse m ediante m étodos em píricos y que sería interesante para la com pañía atacar el problem a a través de ‫ ط‬física teórica. C om o escribió en u n m em o ra n d o de 1899, «por econom ía, hay que avanzar la teoría lo m ás posible y dejar lo m enos posible a m étodos de ensayo y error» (Kragh 1994, p. 155). La innovación de C am pbell tenía u n objetivo práctico, pero n o era p o r ello m enos científica. Publicó su teoría de cargas en 1903, no en u n a revista de ingeniería, sino en la distinguida revista de física Philosophical Magazine. M ichael P u p in , u n p ro feso r de ingeniería eléctrica de la U niversidad de C olum bia nacido en Serbia, o btuvo a la vez, e in d ep en d ien tem en te, resultados m uy sim ilares a los de C am pbell. C o m o C am pbell, P u p in tenía u n a firerte fo rm ació n en física teórica (había estu d iad o bajo K irc h h o ffy H elm h o ltz) y n o confiaba en los m étodos de ensayo y erro r que todavía d o m in a b a n gran p a rte de la p rofesión ingenieril. Poseía la ventaja frente a C am pbell de que era u n investigador de u niversidad libre, no u n h o m b re de em presa y, p o r esta razón, en tre otras, consiguió en 1900 o b ten er u n a p aten te para su sistem a de carga de b o b in as (o «pupinización», com o se conocería). Tras u n a larga disp u ta legal, AT&T co m p ró los derechos p ara explotar la p aten te y la p aten te alem ana de P u p in fue sim ilarm en te co m p rad a p o r Siem ens y Halske. La p rim e ra línea cargada con b o b in as se co n struyó en 1901; a lo largo de la siguiente década el sistem a de carga se co nvirtió en el esqueleto de u n gran n ú m ero de líneas de larga distancia, ta n to en A m érica com o en Europa. La innovación basada en el trab ajo de C am pbell y P u p in fue u n g ran éxito com ercial y u n a gran propaganda


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para la utilid ad de la física teórica. A finales de 1907, el g ru p o de com pañía$ Bell Telephone había eq u ip ad o 138.000 km de circuito de cable con u n as 60.000 bo b in as de carga. C u atro años m ás tard e, cu an d o el n ú m e ro de b o b in as se había in crem en tad o a 130.000, la co m p añ ía estim ó que hab ía a h o rra d o u n o s 100 m illones de dólares con la invención de circuitos cargados de inducció n . Al igual que los físicos y quím icos desem p eñ aro n u n papel p ro tag o n ista en la invención y desarrollo del sistem a de carga en Estados U nidos, tam b ién lo hiciero n en E uropa, d o n d e las com pañías alem anas eran las líderes del cam po. La p rim e ra línea telefónica eu ro p ea eq u ip ad a con bobinas P u p in la construy ero n Siem ens y Haíske en 1902, basándose en experim entos de A ugust Ebeling y Friedrich Dolezalek. Sus carreras ind ican los crecientes contactos entre físicos de la in d u stria y académ icos: Ebeíing hab ía estu d iad o con H elm holtz, trab ajad o con W ern er von Siem ens y p asado cinco años en el Physikalisch-Technische R eichsanstalt hasta que se co n v irtió en u n in g en iero p rin c ip a l en Siem ens y H alske; D olezalek había estudiado co n N ern st y, tra s u n p e rio d o con Siem ens y H anske, volvió al m u n d o académ ico p a ra su stitu ir a su an tig u o profesor com o d irector del in stitu to de quím ica física en la U niversidad de G otinga. En el caso de A lem ania y la m ayoría de los o tro s países europeos, había o tro factor im p o rtan te q u e faltaba en la escena estadounidense: instituciones gubernam entales. La tecnología de telecom unicaciones alem ana estaba apoyada p o r el R eichpost, que tenía su p ro p io eq u ip o de investigadores cualificados. Su D ep artam en to Im perial de Pruebas Telegráficas, fu n d ad o en 1888, incluía a F ranz Breisig, u n antiguo estudiante de H einrich H ertz y p o siblem ente ‫ اة‬principal experto europeo en teoría de com unicaciones eléctricas. La ^ p in iz a c ió n , o carga de bob in as, era el m é to d o m ás im p o rta n te de extender la distancia de la telefonía, p ero n o era el único. Para cables, y especialm ente para cables subm arino s, la alternativa era enrollar d en sam en te los alam bres de cobre con h ierro blando. La idea de la carga c o n tin u a se rem o n tab a a H eaviside, pero hicieron falta quince años hasta que se im p lem en tó com o tecnología práctica. Esto fue llevado a cabo p o r u n ingeniero danés, C ari E. K rarup, que diseñó el p rim e r cable su b m a rin o cargado, que se ten d ió en tre D in am arca y Suecia en 1902. K rarup, que había sido estudiante de investigación bajo W ilhelm W ien en la U niversidad de W ürzburg, pertenecía a la nueva generación de ingenieros con fo rm ació n científica. Los cables c o n tin u o s del tipo de K rarup se utilizaro n extensivam ente d u ra n te tres décadas, p o r ejem plo, en 1921 en el cable de Cayo O este a La H abana, de 190 km . C on el éxito del m éto d o de carga, se hizo im p o rta n te diseñar las bo b in as P u p in lo m ás eficazm ente posible, es decir, con u n a m áxim a p erm eabilidad m agnética y u n a m ín im a pérd id a de energía d ebida a corrientes de F oucault secundarias. La ciencia de los m ateriales em pezó a ser de crucial im p o rta n c ia p a ra las em presas telefónicas. Ya en 1902, D olezalek hab ía o b ten id o u n a p aten te p a ra u n núcleo de in ducción com puesto de u n polvo de h ierro finam ente m ezclado con u n a sustancia aglu tin ad o ra aislante, pero la idea se tra n sfo rm ó en u n a innovación ta n sólo u n a década después. En 1911, AT&T había organizado u n a ram a d e n tro de su d e p a rtam e n to de Ingeniería en We$-

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te rn Electric con el p ro p ó sito de aplicar la ciencia básica a problem as de telefonía de m an era sistem ática. U no de los p rim ero s fru to s del nuevo p ro g ra m a de investigación fue la invención en 1916 de u n núcleo de polvo de hierro. Éstos se em pezaron a prod u c ir con fines com erciales ráp id a m e n te en las plantas de fabricación de W estern Electrie en H aw th o rn e, Illinois, que en 1921 alcanzaría u n a p ro d u cció n sem anal de 25.000 libras de polvo de hierro. Al m ism o tiem p o , los investigadores de W estern Electric trabajaban p ara e n c o n tra r u n su stitu to del h ierro con propiedades m agnéticas superiores com o m aterial de carga. G u staf Elm en, nacido en Suecia, desarrolló u n m éto d o de calen tar y en friar aleaciones de níq u el y h ierro de tal m an era que sus perm eabilidades fueran elevadas y su p érd id a p o r histéresis baja; el resultado fue la « ^ rm a le a c ió n » que consistía en ap ro x im ad am en te 20 p o r 100 h ierro y 80 p o r 100 níquel. En los 20 esta aleación reem plazó al h ierro en los núcleos P u p in y, sobre 1930, las com pañías AT&T p ro d u cía n m ás de u n m illón de núcleos de b obinas de perm aleación p o r año. D e u n a im p o rta n c ia sim ilar fue la aplicación de la p erm aleación com o m aterial de carga p a ra telegrafía tran satlán tica. E n W estern Electric se desarrolló u n a teoría fiable p a ra este p ro p ó sito , p rin cip alm en te p o r ©liver Buckley, u n físico educado en Cornel، que se h abía in c o rp o ra d o a la co m p añ ía en 1914 p a ra trab ajar con válvulas de vacío ١٢ m ateriales m agnéticos. Tras m u ch o trab ajo teórico y experim ental, se obtuvo u n a teoría realista q u e p o d ía guiar la co n stru cció n de cables telegráficos cargados de alta velocidad. C u an d o en 1924 se p ro b ó el cable de 3.730 k m entre N ueva York y las Azores, o p erad o p o r la W estern U n io n Telegraph (]o m p an y y m an u fac tu rad o p o r u n a com pañ ía britán ica de cables, cu m p lió todas las expectativas. La velocidad operativa de 1.920 letras p o r m in u to era de c u atro veces su p e rio r al récord de los cables convencionales de tipo Kelvin. La increíble velocidad su p eró la capacidad de los equipos term inales existentes e hizo necesaria la co n stru cció n de grab adoras de alta velocidad para estar a su altura. El éxito de éste y o tro s cables cargados con perm aleación revitalizó la telegrafía tran so ceán ica y d em o stró , u n a vez m ás, el valor práctico y económ ico de la investigación física. En 1924, reflexionando sobre su larga trayectoria com o investigador en el sistem a Bell, C am pbell concluía q u e «‫ ظ‬electricidad es ah o ra sobre to d o u n cam p o p a ra las m atem áticas, y to d o s los avances en él se logran p rin cip alm en te m ediante las m atem áticas».

Electrones trahajanrin^ II: válvulas de vacío El tu b o de electrones (o tu b o de radio, o válvula) es u n a de las m ás im p o rtan te s invenciones del siglo XX. Su h isto ria se re m o n ta a 1880, cu an d o E dison se dio cu enta de que si u n a p lancha se d erretía en u n a de sus bom billas lum ínicas recién inventadas, u n a peq u eñ a co rrien te fluía desde el filam ento a la plancha. El efecto E dison atrajo el interés de ingenieros eléctricos. U no de ellos, el inglés John A m brose Flem ing, dem ostró en 1889 q u e las p artícu las em itidas p o r el filam ento te n ían carga negativa. U na década después, se llegó a la conclusión de que estas partículas eran electrones. En 1904, Flem ing, entonces p rofeso r de ingeniería eléctrica en el U niversity College de Londres


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con su lto r técnico de la C o m p añ ía M arconi de Telegrafía In a ^ m b ric a , descubrió que las lám paras q u e u sab an el efecto E dison p o d ía n utilizarse com o detectores de ondas electrom agnéticas de alta frecuencia. Flem ing co n stru yó la p rim e ra válvula de vacío, u n d iodo que fue p a te n ta d o p o r la C o m p a ñ ía M arco n i en 1905, pero el invento no tuvo éxito. El d io d o resultó dem asiad o p oco sensible co m o p ara hacer práctico su uso com o d etector en telegrafía inalám brica; en lug ar de ello, fue el estadounidense Lee De Forest quien construyera la p rim e ra válvula de vacío práctica. A unque al prin cip io no fuera u n gran éxito com ercial, el invento de D e Forest en 1906 del trio d o (o «audión») fue el com ienzo de la era electrónica. El austríaco R obert von Lieben, o tro de los pióñeros de las válvulas, constru y ó d iodos, y m ás tard e trio d o s, p a ra su utilización com o am plificadores en telefonía. F or aquel entonces, el té rm in o «válvula de vacío» era equívoco, p o rq u e n i De Forest, n i Lieben, n i o tro s reconocieron al prin cip io la im p o rta n cia de u n elevado vacío. El d iodo original de D e Forest era en efecto u n a válvula de vacío, pero n o estaba altam en te evacuada; creía q u e los restos de gas eran esenciales p ara el correcto fu n cio n am ien to de la válvula. Las de Lieben de 1910 estaban sólo parcialm ente vaciadas y o p erab an con u n v ap o r en rarecid o con m ercurio. Las válvulas de vacío se co n v irtiero n en m aravillas tecnológicas en 1912, principalm ente gracias a la investigación de com pañías privadas. El experto en el área de AT&T era H arold A rnold, u n joven físico con u n d o c to ra d o recién ob ten id o con M illikan en Chicago. C u an d o De Forest m o stró su trio d o a la Bell T elephone C om pany, A rnold se ،fío cuen ta de que el tosco dispositivo se p o d ía desarro llar p a ra c o n stru ir u n p o tente am plificador o repetidor. R áp id am en te con stru y ó su p ro p ia versión m ejo rad a, en p articular m ed ian te u n com p leto vaciado con u n a de las nuevas b o m b as de alto vacío inventadas p o r W olfgang G aede en A lem ania. (La electrónica de válvulas, igual que otras partes de la física aplicada y ex p erim ental, d ep en d ía crucialm ente del progreso en la tecnología del vacío.) M ien tras q u e los p rim e ro s tipos de válvulas hab ían sido «blan،las» -c o n u n vacío im p e rfe c to - el trab ajo en Bell L aboratories p ro d u jo trio d o s «duros», en los q u e la co rrien te pasaba de m a n e ra p u ra m e n te term o ió n ica y n o p o r ionización. O tras m ejoras realizadas p o r A rn o ld y su eq uipo incluían el reem plazo del fílam ento can d en te p o r u n cáto d o recu b ierto de óxido de calcio o de bario; estos cátodos, con stru id o s p o r p rim e ra vez p o r el físico A rth u r W ehnelt en 1904, p o d ían op erar ‫ ه‬tem p e ra tu ras m ás bajas, y así p ro lo n g ab an la vida de las válvulas. Les llevó m enos de un año desarro llar válvulas rep etid o ras operativas; éstas se p ro b a ro n en la línea telefónica N ueva Y o r l^ ^ s h in g to n en 1913, y dos años m ás tard e d e m o stra ro n su valor

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m ercial asegurando las conversaciones telefónicas a través de la p rim e ra línea tran scontinental, en tre N ueva York y San Francisco. R obert M illikan, que p articip ó en la cerem onia de in au g u ració n , escribió en su autobiografía: «A p a rtir de esa noche, el electrón -h a s ta entonces básicam ente u n jug u ete de cien tífico s- había en tra d o sin du d a en el cam p o com o u n p o ten te agente en el su m in istro de las necesidades com erd a le s e indu striales del h o m b re [...] La válvula electrónica am plificadora es ah o ra el cim iento en la to talid ad del arte de com unicaciones, y esto a su vez es, al m en o s en p arte, lo que h a hecho posible su aplicación a u n a docen a de o tras artes. Fue u n gran día

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tant© p a ra la ciencia com o p a ra la ‫؛‬n d u $ tr‫؛‬a, cu a n d o q u e d aro n enlazadas m ed ian te el desarrollo del tu b o am plificador electrónico.» (M illikan 1951, p. 136). M illikan no m en cio n ó q u e el g ran avance real en la tecnología de válvulas de vacío vino com o resultado de la d e m a n d a d u ra n te la P rim era G u erra M undial. C u an d o los Estados Unidos e n tra ro n en la g u erra en 1917, la p ro d u cció n sem anal no pasaba de 400 válvulas; dos años después, la p ro d u cció n era de u n as 80.000 p o r sem ana. Los desarrollos en A lem ania eran paralelos a los de Estados U nidos, pero m enos rápidos y m en o s eficaces. C u atro de las m ayores com pañías electrotécnicas (Siem ens ١ Halske, Allgem eine Elektricitats-G esellschaft, Felten u n d G uilleaum e y Telefunken fo rm a ro n u n consorcio en 1912 que a d q u irió las patentes de f ‫؛‬eben con el fin de desarrollarlas com ercialm ente. Fue u n e rro r centrarse en las válvulas llenas de gas de Lieben. Fíicieron falta dos años p a ra que los alem anes se dieran c u en ta de que el futuro eran ¡as válvulas de alto vacío; entonces, Telefunken com enzó la p ro d u cció n de triodos de vacío. D u ra n te la g uerra, los esfuerzos alem anes p a ra perfeccionar la tecnología de las válvulas de vacío se aceleró (com o lo hizo en o tro s países beligerantes). U no de los físicos q u e investigaban los tu b o s e ra W a lter Schottky, u n estudiante de Planck que rep a rtía su talen to en tre relatividad general y electrónica. T rabajando a tiem p o parcial p ara Siem ens y Halske, Schottky desarrolló y m ejo ró ‫ ظ‬válvula de vacío ’ u n a red adicional en tre el á n o d o y la red de co n trol habitual. A unque el trabajo de Schottky en esta área n o co n d u jo in m ed iatam en te a u n tu b o práctico, fue im p o rta n te p o rq u e incluía u n estudio de la física fu n d am en tal de las válvulas de vacío y condujo al descu b rim ien to de efectos de ru id o discreto, que Schottky explicó m ed ian te una c o n trib u c ió n a la teo ría de la in fo rm ació n que es ah o ra clásica. La visión de Schottkv fue consid erab lem en te d esarrollada p o r investigadores posteriores, '' F íarry N yquist (en 1928) y C laude S h an n o n (en 1948), am bos de Bell L aboratories. En los E stados U nidos, n o sólo AT8‫؛‬T se o cu p ab a de la tecnología de válvulas, sino ta m b ié n G eneral Electric. En 1912 W ilham Coolidge, u n físico fo rm ad o en la universidad que trab ajab a en el L abo rato rio de Investigación de la G eneral Electric, había desarrollado las p rim eras lám p aras incandescentes con filam ento de tu n g sten o y había iniciado trab ajo s p a ra m ejo rar los tu b o s de rayos X. Su asistente, Irving ^ n g m u ir , había estud iad o q u ím ica física con N ern st en G otinga, d o n d e tam b ién siguió las clases m atem áticas de Félix Klein. D espués de u n o s años com o profesor en u n in stitu to politécnico estadou n id en se, llegó a G eneral Electric en 1909 y siguió allí d u ra n te m ás de cu aren ta años. Fue el p rim e r científico de em presa en ganar u n p rem io N obel (el de Q uím ica, en 1932) y p ro b ab lem en te el ú n ico en c o n tar con u n a m o n ta ñ a bautizada con su n o m b re - e l m o n te L angm uir en A laska-. En G eneral Electric, L angm uir com enzó u n p ro g ra m a de investigación sobre descargas eléctricas en gases y vacíos que le co n d u jo a sugerir que la in tro d u c c ió n de gases in ertes en la bom billa incandescente extendería la vida de la bom billa. El d escu b rim ien to se convirtió ráp id am en te u n una innovació n altam en te rentable. Al m ism o tiem p o , estudió la em isión de electrones en u n vacío com o u n m ecanism o del tu b o de vacío. L an gm uir se dio cu en ta de que el proceso esencial en los d iodos y trio d o s era la em isión de electrones, que requería u n alto


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vacío. Ha$ta entonces, los ingenieros q u e trab ajab an con los nuevos tu b o s ten ían u n escaso en ten d im ie n to de los m ecanism os físicos, a u n q u e u n a teoría general de la em isión de electrones p o r cu erp o s calientes hab ía sido p u b licad a p o r el físico b ritán ico O w en R ichardson en trab ajo s de 1 0 1 ‫ و‬a 1903. R ichardson, estu d ian te de j. j. T h o m so n y especialista en teo ría electrónica, acuñó el term in o «term oiónico» en 1909 y fo rm u ló u n a ley em pírica que relacionaba el ritm o de em isión term o ió n ica con la te m p e ra tu ra del m etal; d u ra n te la siguiente década, trabajó inten sam en te p ara p ro b a r y perfeccionar la «ley de R ichardson». La teoría fede R ichardson acabó siendo reconocida com o la explicación científica de las válvulas de vacío, p ero d u ra n te los años de fo rm ación de los tubos, 1904-1908, su papel fue insignificante. Fue sólo m ás tard e cu an d o la teo ría asum ió u n a im p o rtan cia fa n d a m e n ta‫ ؛‬en la electrónica de válvulas. C u an d o R ichardson ganó el p rem io N obel en 929‫ل‬, C ari O seen enfatizó, en su discurso de presentación, la estrecha conexión entre el trab ajo de R ichardson en física p u ra y el increíble progreso en la tecnología de com unicación: E n tre los g ran d es p ro b lem as q u e ١٠$ científicos q u e tra b a ja n en la investigación en electrotécnica están in te n ta n d o resolver h o y en día, está el d e p e rm itir q u e los h o m b re s p u e d a n conversar e stan d o cad a u n o de ellos en cu a lq u ier p a rte del m u n d o . En 928 ‫ ل‬las cosas h a b ía n alcanzado u n estad o en el q u e p o d ía m o s em p e z a r a establecer c o m u n icación telefónica e n tre Suecia y N o rte a m é rica [...] C ad a d u e ñ o de u n a p arato recep to r de v á i d a s sabe de la im p o rta n c ia de la válvula en el a p a ra to - l a válvula, cuya p a rte esencial es el filam en to in c a n d e sc e n te - [...] El h ec h o m ás im p o rta n te es q u e la o p in ió n del se ñ o r R ichardson sobre el fe n ó m e n o te rm o ió n ic o con leyes fijadas fue c o n firm a d a totalm en te. M ed ian te este h ech o se o b tu v o u n a sólida base p a ra la ap licació n p ráctica del fen ó m en o . El tra b a jo del se ñ o r R ich ard so n h a su p u e sto el a rra n q u e y fo m e n to de la activ id ad técnica q u e h a co n d u c id o al p ro g reso del cual acab o de h ab lar

La presentación del trab ajo de R ichardson p o r p arte de O seen com o la base científica a p artir de la cual se consiguieron m aravillas tecnológicas es exagerada. Fíasta L9L3, aproxim adam ente, la tecnología de válvulas se apoyaba m u y poco en teorías científicas, y el m ism o R ichardson m o stró poco interés en cuestiones tecnológicas. En su discurso del N obel, n o m en cio n ó n i la válvula de vacío n i la tecnología electrónica de la cual se suponía que era el padre científico. For o tro lado, L angm uir conocía bien la teoría de R‫؛‬chardson, la cual utilizó p ara o b ten er u n proftrndo co nocim iento del ftm eionam iento de las v á le la s de vacío. En particular, L angm uir confirm ó la expresión de R ichardson para la corriente term o ió n ica y co m p ro b ó de m o d o concluyente que la em isión de electrones no requería u n gas residual. El conocim iento científico del trio d o que L angm uir poseía fue u n im p o rta n te factor en el desarrollo de la válvula p o r p arte de G eneral Electric. Los investigadores de G eneral Electric, liderados p o r L angm uir y su colega Saúl L)ushman, tuvieron lista su válvula de alto vacío m ejorada en 1913. U no de los resultados fue u n litigio de patentes p rolongado en el tiem p o con AT&T.

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El descu b rim ien to de la difracción de electrones en 1927, que v a ld r ía u n prem io N obel, tuvo su p u n to inicial en la investigación que estaba en conexión con la dem anda A rn o ld -L an g m u ir sobre las patentes. C lin to n j. D avisson, u n estudiante de doctorad o de R ichardson, se había in c o rp o ra d o al d e p a rtam e n to de ingeniería de W estern Electric en 1917. D os años después D avisson y su asistente, Lester C erm er, com enzaro n a trab ajar sobre la em isión te rm o ió n ica de los cátodos de W ehnelt. A unque su trabajo n o influyera en el resultado del proceso legal, co m o A rnold y D avisson esperaban al princip io , acabó d esarrollándose de u n a m an era m u y satisfactoria y to talm en te inesperada. E n su p ro g ram a de investigación extendido, D avisson y G erm er em pezaron a estudiar las em isiones de electrones desde superficies m etálicas bajo b o m b ard e o electrónico. En 1924 estos exp erim en to s de dispersión electró n -electró n p ro d u jero n patro n es qu e D avisson in te rp re ta b a com o u n efecto de la e stru ctu ra cristalina del metal, p ero n o parecía que se o b tu v iera n ad a m ás de los experim entos. Eos físicos de Bell no en te n d ía n los electrones co m o ondas. Se tuvo q u e esperar a la p rim avera de 1926, cu an d o D avisson pasó u n as vacaciones en Inglaterra, y p o r casualidad supo de las id e ^ de Louis de Broglie de 924‫ل‬: q u e los electrones p o d ría n ser difractados m ed ian te cristales, ? o r aquel entonces, D avisson n o conocía la n ueva m ecánica cuántica, pero sus colegas euro p eo s le co n ta ro n q u e la teo ría de S chródinger p o d ría ser la clave p ara ente n d e r sus experim entos. M ien tras volvía a N ueva York, estudió la nueva m ecánica ond u lato ria. En u n a carta a R ichardson, escribió, «Estoy tra b ajan d o todavía sobre Schródinger y o tro s y creo q u e estoy em p ezan d o a te n e r u n a idea de lo que va todo. En p artic u la r creo q u e sé el tip o de ex p erim en to que deb eríam os realizar con n u e stro aparato de esparcim iento p a ra p ro b a r la teoría» (Russo 1981, p. 145). La nueva dirección del viejo p ro g ram a de investigación p ro d u jo el fam oso exper‫؛‬m e n tó de D avisson-G erm er, q u e p ro b ó ex p erim en talm en te la fó rm ula de D e Broglie de que a los electrones q u e se m ueven a velocidad V se les p u ede adscribir u n a longitu d de o n d a X = h/m v. G om o era ap ro p iad o , el p rim e r in form e com pleto del descubrím ien to se p u b licó en la edición de abril de 1927 del Bell Laboratories Record. Diez años después, D avisson, ju n to con G eorge R T h o m so n , recibió el p rem io N obel p o r el descubrim ien to .

Físicos en la guerra de los químicos H asta el estallido de la P rim era G u erra M un d ial en 1914, la m ayoría de los científi cos se co n sid erab an m iem b ro s de u n a clase su p ran acional, u n a república del a p ren d i zaje d o n d e la n acio n alid ad era m en o s im p o rta n te que los logros científicos. C u an d o la ideología del su p ran acio n alism o chocó co n la realidad de la guerra, sin em bargo, que dó casi in m ed iatam en te d estru id a y fue ráp id a m e n te reem plazada con u n chovinism o n o m eno s p rim itiv o que el jaleado p o r o tro s g ru p o s en las naciones europeas. A ntes del final de 1914, h ab ía em pezado u n a g u e rra de p ro p ag an d a d en tro de la real, u n a guerra co m b atid a sobre el papel p o r científicos y o tro s académ icos. Los físicos n o eran ya sim plem ente físicos, a h o ra eran físicos alem anes, físicos franceses, físicos austríacos o físi-


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eos b ritánicos. U n im p o rta n te factor en la Krieg der Geister (la guerra de los sabios) fue u n m anifiesto publicad o en o ctu b re de 1914 en el cual noventa y tres científicos, a rtis tas y académ icos alem anes tra ta b a n de justificar las acciones de su ejército, incluyendo su ataque sobre la n eu tral Bélgica y la destru cció n de Lovaina. En el A u fr u f o m anifiesto «Al m u n d o civilizado», los au to p ro clam ad o s «heraldos de la verdad» alem anes negaba que A lem ania h u b iera causado la g u erra y qu e los soldados actu a ra n sin la disciplina y h o n o r que se esperarían del ejército de u n a n ació n civilizada. Se m an ten ía que todas esas acusaciones eran infam es m en tiras. Para los científicos alem anes, m ilitarism o y cultu ra estaban insep arab lem en te ligados: «Si n o fuera p o r el m ilitarism o alem án, la ci vilización alem ana h ab ría sido ex tirp ad a hace tiem p o [...] ¡Tengan fe en nosotros! C ré annos, llevarem os esta g u erra hasta el final com o u n a n ació n civilizada, p a ra la cual el legado de u n G o eth e, u n B eethoven y u n K ant es ta n sag rad o com o sus p ro p io s co razones y hogares» (N icolai 1918, p. xii). E n tre los firm an tes del m an ifiesto estaban varios físicos y q u ím ico s d estacados, in clu y en d o a P lanck, N ern st, O stw ald, H aber, L enard y R óntgen. E instein, u n o de los p ocos físicos q ue se o p o n ía a la g u erra y al clim a general de ch o v in ism o , n o firm ó . P o r el c o n tra rio , firm ó u n c o n tra m a n ifiesto a favor de la paz y la co o p e ra c ió n q u e u n fisiólogo, G eorg N icolai, h ab ía esbozado. Sin em bargo , el « L lam am iento a los europeos» n o tu v o éxito: sólo firm a ro n c u atro personas. El m anifiesto alem án provocó c o n tu n d e n te s réplicas de científicos en Inglaterra y Francia. Por ejem plo, se su sp en d ió su cond ició n de m iem b ro s extranjeros a los cien tí ficos alem anes de la A cadem ia de Ciencias de París que firm a ro n el m anifiesto. Poco después, los académ icos franceses atacaro n a sus colegas del o tro lado del Rin y a to d o lo que defendían, o lo q u e los franceses pen sab an que defendían. A unque se adm itía que los alem anes eran b u e n o s o rganizadores de la ciencia, según la p ro p ag an d a fran cesa les faltaba orig in alid ad y ten d ían a ap ropiarse ideas que se orig in ab an en otros lu gares. En algunos casos, los científicos franceses sostenían que la ciencia alem ana era in trínsecam en te d istin ta de, y p o r su p u esto in ferio r a, la ciencia de naciones civiliza das com o Francia. D e acuerdo con el físico y quím ico Pierre D uhem , la Science allem ande tenía su p ro p io carácter y estaba m arcad a p o r las deplorables características m entales de la raza alem ana. Los físicos alem anes eran sim plem ente incapaces de p e n sar in tu itiv am en te y les faltaba el sen tid o c o m ú n q u e era necesario p ara enlazar las te orías físicas abstractas con el m u n d o real. C om o típico ejem plo de teoría abstracta ale m ana, D u h m m en cio n ab a la teo ría de la relatividad, con su ab surdo postu lad o de la velocidad de la luz com o lím ite su p e rio r de velocidad. O tro a u to r francés, u n biólogo, escogía la teo ría cu án tica com o u n ejem plo de «delirio m atem ático-m etafísico» ale m án. En u n libro de 1916, escribía: «El p rin cip io de la relatividad es el cim iento de u n a evolución científica que se pued e c o m p a ra r especialm ente con el fu tu rism o y el cubis m o en las artes [...] en c o n tra m o s u n b u e n ejem plo de este delirio m atem ático -m etafí sico en la teo ría de los cuan to s de M ax Planck, catedrático de física en Berlín y u n o de los 93 intelectuales del o tro lado del Rin. Planck [...] in tro d u ce [...] áto m o s de calor, de luz, de energía m ecánica (!),d e hecho, de energía en general; com o resultado de la te o

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ría de la relatividad estos áto m o s poseen incluso u n a m asa do tad a de inercia (!!)» (Klein e rt 1978, p. 520). Es irónico que las teorías q u e los científicos franceses patrióticos considerab an en 1916 típicas de la m en te alem ana fu eran exactam ente las m ism as que los científicos alem anes nazis, veinte años después, co nsiderarían los principales ejem plos de u n a m en te ju d ía, n o alem ana. La reacción c o n tra la ciencia alem ana era algo m ás m o d erad a en G ran B retaña, pero n o existía u n en ten d im ie n to y no se llevaron a cabo in ten to s de reconciliación. En u n artícu lo en N ature en o ctu b re de 1914, W illiam Ramsay, p rem io N obel de Q uím ica, escribió que «los ideales alem anes están infinita m en te alejados de la concepción del verdadero h o m b re científico». A unque Ram say re conocía la brillantez de científicos alem anes individuales, globalm ente la ciencia m undial p o d ría p rescin d ir fácilm ente de los alem anes: «Los m ayores avances en el pen sam ien to científico n o h a n sido realizados p o r m iem b ro s de la raza alem ana», escribió. «Por lo que se pued e ver, de m o m en to , la restricción de los teutones aliviará al m u n d o de un alud de m ediocridad». C u an d o se declaró la gu erra, m u ch o s científicos en los países beligerantes ofrecie ro n sugerencias a los m ilitares acerca de cóm o p o d ría n em plear sus calificaciones al servicio de la nación. Las au to rid ad es políticas y m ilitares eran reacias a aceptar las ofertas y en m u ch o s casos o p ta ro n p o r ignorarlas. Los oficiales m ilitares eran tra d icio nalm ente escépticos acerca de la utilid ad de la investigación científica, especialm ente si la investigación era llevada a cabo p o r científicos civiles. En A lem ania y en el Im perio austro h ú n g aro , los científicos m ás jóvenes se co n sideraban soldados o rd in ario s, que servían en los cam pos de batalla co m o cu alquier o tro g ru p o de reclutas. En la p rim e ra fase de la g uerra, n o existían planes de em plear físicos u otro s científicos en proyec tos de gu erra o aprovechar sus co nocim ientos de o tra m anera; esto sólo vino después, y au n q u e el reco n o cim ien to de la im p o rta n c ia de la ciencia se in crem en tó d u ra n te la g uerra, p erm an eció a u n nivel lim itado. El m ayor y m ejo r conocido de los proyectos alem anes de g uerra, el proyecto de g u erra de gases quím icos bajo la dirección de Fritz H aber, em pleaba a varios físicos. D u ra n te p erio d o s de tiem p o cortos o largos, James Franck, O tto H ah n , E rw in M adelung y G ustav H ertz trab ajaro n en el proyecto. H ahn ex p erim en tó con gases venenosos en el in stitu to Kaiser W ilhem en Berlín y desarrolló nuevos gases en la In d u stria Q uím ica Bayer en Leverkusen. O tra institu ció n m ilitar d o n d e los físicos e n c o n tra ro n em pleo fue la C o m isión de P ruebas de A rtillería (A rtillerie-P rüfungs-K om m ision, o APK) en Berlín; allí se investigaron d istintos m étodos de m ed ir distancias: ópticos, acústicos, sism om étricos y electrom agnéticos. M ax B orn pasó p arte de la g u erra tra b a ja n d o en APK, y ta m b ié n Alfred Landé, Fritz Reiche, Ferd in a n d K urlbaum y R u d o lf L adenburg. La idea de u tilizar m edidas sonoras com o m é to d o de d e te rm in a r la posició n de la artillería enem iga provino de L adenburg quien, com o cap itán de caballería, logró p ersu ad ir a los m ilitares p a ra que o rg anizaran un g ru p o de científicos que tra b a ja ran con el pro b lem a. E ntre o tras cosas, B orn estudió la influencia del cam bio del v ien to con la altitu d en la p ropagación del sonido m ediante m étodos de d in ám ica h am ilto n ian a. «Soy de la o p in ió n de que fúe u n b u e n trab ajo de m atem ática aplicada», reco rd ó B orn (B orn 1978, p. 171).


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O tros físicos alem anes aú n trab ajab an con pro b lem as de telecom unicaciones, u n cam po que al p rin cip io era despreciado p o r el ejército alem án. M ax W ien, el cated rá tico de física en la U niversidad de Jena, o rganizó u n a u n id a d de físicos e ingenieros p a ra tra b aja r en el uso de la co m u n icació n sin cable en aviones. S om m erfeld investigó d u ra n te u n tie m p o sobre la posibilidad de escuchar co m unicaciones telefónicas en e migas d etectan d o débiles «corrientes de tierra» que se pro p ag arían p o r el suelo. In s tru m e n to s de escucha am plificados p o r válvulas basados en la investigación de S om m erfeld eran capaces de detectar señales a m ás de u n kilóm etro de u n a línea y p ro b aro n ser de considerable valor p a ra el ejército alem án. (La física técnica no era u n cam po extrañ o p a ra el teórico Som m erfeld, que hab ía publicado a n te rio rm e n te sobre p roblem as electrotécnicos y i a teo ría h id ro d in ám ica de la lubricación.) En Inglaterra, la m ovilización de la ciencia y la tecnología com enzó en el verano de 1915 con el C o m m ittee o f th e Privy C ouncil for Scientific an d In d u strial Research que, al año siguiente, pasó a ser el D ep a rtm e n t for Scientific an d In dustrial Research (DSIR). El objetivo del DSIR era prom over, financiar y c o o rd in a r la investigación científica y técnica de significación in d u strial y m ilitar. A unque estaba enfocada a la pro d u cció n de m ateriales útiles, com o p ro d u cto s quím icos y v id rio óptico, el DSIR reconocía que el objetivo requ ería inversiones en ciencia p u ra . C om o N ature ap u n tó en 1916, «el ab an d o n o de la ciencia p u ra p o d ría com p ararse con el arad o y estercolado de u n te rreno, seguidos de la o m isió n de a rar y sem brar». El L aboratorio N acional Físico, que desde 1902 hab ía o p erad o bajo la su pervisión de la Royal Society, fue tran sferid o al nuevo d e p a rta m e n to en 1918. Al estallar la g uerra, el lab o rato rio tenía 187 em pleados. D u ran te los cuatro años siguientes, se dio alta p rio rid a d al trabajo con fines m ilitares y, a finales de 1918, el n ú m e ro de p ersonas que trab ajab an en el lab o rato rio se había increm en tad o a u n o s 550. El D SIR fue el m ás im p o rta n te de los p rim ero s organism os británicos de política científica, y sería el so p o rte esencial para la física y las dem ás ciencias d u ra n te las siguientes tres o cu atro décadas. C o m o sus co n trap artes alem anes, los físicos b ritán ico s se o cu p ab an de c o m p ro b a r y de d esarrollar m étodos de m edidas de distancia. W illiam H . Bragg y o tro s físicos investigaron m étodos sonoros p ara loca lizar a rm am e n to alem án tras las líneas de trinch eras. En el D ep a rta m en to de Inven ciones de M uniciones, R alph Fow ler y el joven E dw ard M ilne trab ajaro n con in stru m entos ópticos d iseñados p ara guiar el fuego antiaéreo. U n p ro b lem a si cabe de m ayor im p o rta n c ia p a ra los b ritánicos era la am enaza de los su b m arin o s alem anes. El trab ajo en esta área tuvo lugar en el D ep artam en to de In venciones e Investigación (BIR) de la M arin a Real, q u e se creó en el verano de 1915. R utherford era u n o de los físicos q u e se o cu p ab an de d esarrollar m étodos de detección de los tem id o s su b m arin o s. H izo que p a rte de su lab o rato rio de M anchester se convir tiese en u n g ran ta n q u e de agua, d o n d e desarrolló n u m ero so s experim entos. D e acu er do con el biógrafo de R uth erfo rd , sus inform es sistem áticos al alm irantazgo no sólo m arcan el n acim ien to de la ciencia m ilitar su b m arin a, sino que, «lo que R utherford dijo sobre caza de su b m arin o s en 1915 sigue siendo cierto en los años ochenta» (W ilson 1983, p. 348). R u th erfo rd aconsejó q u e la detección acústica era la única m an era

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práctica de )©calizar su b m arin o s, y él y ©tr©s físicos tra b aja ro n d u ra m e n te p ara desarro llar eficaces «hidrófonos» y o tro s ap arato s de escucha. Su trab ajo tam b ién incluía investigación sobre la utilización de cuarzo piezoeléctrico para la p ro d u cció n de sonido de alta frecuencia p a ra la detección de su b m arin os. Esta linea de investigación, que fue rep ro d u cid a de m an era in d ep en d ien te p o r Paul Langevin en Francia, se tran sfo rm ó m ás tard e en la tecnología del sónar. A veces se considera que la invención del sónar se re m o n ta al trab ajo d u ra n te la g u erra de Langevin y R utherford. C o m o en el caso de Inglaterra, la g u erra in d u jo a que el gobierno estadounidense com enzara u n p lan científico. En ju n io de 1916 se estableció u n C onsejo de Investigación N acional (N R C ) con el p ro p ó sito de o rganizar y p ro m o v er la investigación para la «seguridad y el bien estar nacionales». C o m o en Inglaterra, se dio alta p rio rid a d a la detección de su b m a rin o s y se escogió a M illikan co m o presidente del com ité del NRC co n tra su b m arin o s. El trab ajo de los estad o u n id en ses en esta área estuvo, hasta cierto p u n to , co o rd in ad o con el trab ajo consid erab lem en te m ás avanzado de sus aliados en Francia e Inglaterra. En ju n io de 1917 u n a m isión franco-británica, que incluía a Ruth erfo rd , visitó a sus colegas de Estados U nidos. M ientras que la investigación estad o u n id en se ta n to en detección su b m a rin a com o en artillería era inferior a la de sus aliados, en el cam p o de las co m unicaciones era superior. C u an d o se declaró la guerra en abril de 1917, el ejército de Estados U nidos com isionó a John C arty de AT&T y a un n ú m ero selecto de o tro s científicos e ingenieros com o oficiales en los C uerpos de Señales. C arty o rganizó u n a D ivisión de C iencia e Investigación, encabezada p o r M illigan, que incluía científicos e ingenieros de universidades y em presas privadas. En unos pocos m eses, AT&T p ro p o rc io n ó 4.500 ingenieros y o p eradores organizados en 14 batallones, trip lican d o p o r ta n to al perso n al de los cu erpos de señales. La eficacia de los sistem as de co m unicaciones del ejército de Estados U nidos, ta n to p o r cable com o inalám bricos, dep en d ía de los desarrollos en tecnología de válvulas de vacío realizados p o r ©liver Buckley, el físico de AT&T que estaba encargado del lab o rato rio de los cuerpos de señales en Parí‫؟‬ En co m p aració n con la Segunda G u erra M u n d ial -« la gu erra de los físicos»- los físicos tu v iero n u n papel relativam ente secu n d ario en la P rim era G uerra M undial, que se d e n o m in a con justicia «la g u erra de los quím icos». Sus co n tribuciones n o fueron de n in g ú n m o d o de im p o rta n c ia decisiva y el tip o de física que se utilizó en el esfoerzo bélico tenía poca conexión con la investigación de vanguardia en las ciencias físicas. Por o tro lado, era la p rim e ra vez en la h isto ri‫ ؟‬q u e los físicos se hacian visibles y útiles en u n conflicto m ilitar im p o rta n te . C u an d o te rm in ó la guerra, estaba claro que la física p o d ía ser de im p o rta n c ia considerable p ara los m ilitares y que el apoyo del gobíerno era necesario p ara q u e la física se p u d ie ra aplicar con p ropósitos de seguridad. Aunque la «física m ilitar» se estableció p o r lo tan to en 1918, nadie po d ría haberse im aginado el papel crucial que los físicos d esem p eñ arían en la guerra poco m ás de dos décadas después, y au n m en o s p o d ría n haberse im ag in ad o la m ilitarización de la física que sería u n aspecto ta n p ro n u n c ia d o en el m u n d o de la física d o m in a d o p o r Estados U nidos en los años cin cu en ta (véase capítulo 20).

Segunda parte: de la revolución a la consolidación

CAPÍTULO 1 0

Ciencia y política en la República de Weimar

A lem ania fue ]a prineipal n ación científica del m u n d o d u ra n te la p rim era parte del siglo XX y en m uchos aspectos servía com o m odelo p ara otros países. Fue en A lem ania donde m uchas de las grandes innovaciones en física y las otras ciencias exactas tuvieron su origen. El año 1918 m arcó u n h ito en la historia alem ana y m undial: debido a su derro ta en la gu erra y al hum illan te T ratado de Versalles apareció el m alestar social en el país, falta de alim entos, asesinatos políticos, u n a drástica caída en la econom ía del país y u n a hiperinflación que d u ró hasta 1923, cu an d o u n a b a rra de p an de centeno costaba m edio billón de m arcos. A lem ania sufría u n severo estado de crisis, económ ica, política y espiritualm ente. Sin em bargo, en co n tra de cualquier expectativa, a la física alem ana le fue n o tab lem en te b ien d u ra n te estos años difíciles y consiguió m an ten er su elevada posición internacional. En algunas de las nuevas y excitantes áreas, com o teoría atóm ica y cuántica, los físicos alem anes m arcaro n la agenda internacional. Las semillas de la m ecánica cuántica se sem b raro n d u ran te los p rim ero s años de la república de Weim ar, a pesar de todas sus dificultades y de las m iserables condiciones de vida.

Política científica y ap©y© financiero ‫ ط‬c o m u n id a d científica alem ana p erm an eció in tacta tras la guerra, pero era u n a c o m u n id a d p o b re y en desesperada b ú sq u ed a de dinero. N o sólo era A lem ania u n a nación relativam ente p o b re d u ra n te la posg u erra, sino que sus científicos frieron tam b ién excluidos de colaboraciones internacionales. La falta de m o n e d a extranjera se añadía a los problem as de los alem anes, p o rq u e hacía casi im posible la co m p ra de literatu ra e in stru m en tal extranjeros. Las universidades presen ciaro n u n drástico in crem en to en el nú m ero de estudiantes, m u ch o s de ellos antig u o s com batientes, para los cuales no ten ían espacio, profesores n i dinero. Los presu p u esto s de los in stitu to s estaban m u y p o r detrás de sus niveles de antes de la g u erra y ta m b ié n los salarios del personal científico; debido a la inflación, los ah o rro s p o d ían p e rd e r su valor de u n día p a ra otro. O tto

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H ah n recordaba có m o M ax von Laue y él se to m a ro n unas vacaciones de u n a sem ana en el su r de A lem ania en 1923: «Al final de aquel co rto viaje, M ax von Laue se percató que le faltaban u n m illón de m arcos p ara pagar el billete de vuelta. ¥٠ p u d e prestarle el dinero. En años posteriores, cu a n d o el d in ero hab ía vuelto a ten er su valor n o rm al en A lem ania, le solía reco rd ar de vez en cu an d o que todavía m e debía u n m illón. Al final m e pasó u n billete de cin cu en ta m il m illones, d iciendo que ahí estaba, ju n to con los intereses, sim ple y com puesto» (H a h n 1970, p. 137). Los principales científicos alem anes se d a b an cu en ta de que necesitaban legitim ar sus ciencias de u n a nueva m an era, ta n to p a ra satisfacerse com o p a ra atraer m ás convincentem en te a potenciales p atro cin ad o res del gobierno. A lem ania había p erd id o la guerra, el káiser había h u id o , los b u en o s tiem p o s eran cosa del pasado. ¿Q ué era lo que qued ab a para p o d e r a p o rta r a la n ació n nuevo h o n o r y dignidad? D e acuerdo con m uchos científicos (com o es de esperar), la respuesta era la ciencia. En u n co m u n icad o a la A cadem ia ? ru sia n a de las Ciencias en nov iem b re de 1918, M ax Pianck lo dejó claro: «Si el enem igo h a su straíd o de n u estra p a tria to d a defensa y potencia, si nos h an sobrevenido serias crisis in tern as y quizá n os esperan crisis todavía m ás serias, existe algo que n in g ú n enem igo in te rn o o ex tranjero h a p o d id o sustraer aún: la posición que la ciencia alem ana o cu p a en el m u n d o . A dem ás, es la m isión de n u estra academ ia p o r encim a de todo, com o la in stitu ció n científica del estado m ás distinguida, m an te n er esa posición y, si fuera necesario, d efenderla con to d o s los m edios disponibles» (Form an 1973, p. 163). E ra u n tem a q u e se oía a m e n u d o en la joven República de W eimar. Flanck, que p o r aquel entonces surgía com o u n p ortavoz oficioso de la ciencia alem ana, repetía el m ensaje en u n artícu lo de p ren sa de 1919: «M ientras que la ciencia alem an a p u ed a co n tin u a r com o an tig u am en te, es im pensable que A lem ania p u e d a apartarse del gru p o de las naciones civilizadas» (H eilbron 1986, p. 88). La ciencia debería fom entarse, decía Planck, p rin cip alm en te n o p o rq u e co n d u jera al progreso tecnológíco y económ ico (au n q u e esto tam b ién era u n m otiv o ), sino p o rq u e era el principal bien cu ltural alem án. La ciencia debía verse com o u n p o rta d o r de cu ltu ra, u n Kulturtrager en alem án. Era algo de lo que el país debía estar orgulloso, que p o d ía servir com o sustitu to p a ra el p o d er político y m ilitar que, p o r desgracia, ya no existía. La ciencia se veía co m o u n m ed io p a ra la restau ració n de la d ignidad nacional y los ‫ ظ‬m osos científicos alem anes se co n v irtiero n en in stru m e n to s de las políticas culturales nacional e intern acio n al, a la p a r de los poetas, co m positores y artistas del país. R ecurrir a los valores culturales y políticos de ‫ ط‬ciencia no era ‫ ظ‬sólo retórica de u n o s pocos científicos b u scan d o financiación. S o rp ren d en tem en te, en vista de la tradicional legitim ación u tilitaria dé la ciencia, estaba en co nsonancia con el p u n to de vista de m u ch o s políticos y académ icos de h u m an id ad es, que favorecían u n a a c titu d antiu tilitarista y an tim aterialista an te ‫ ط‬ciencia. La posesión m ás preciosa en la lucha por el reconocim ien to cu ltu ral in tern acio n al era quizás E instein, que, com o alem án (en cierto sen tid o ), p o d ía ser u tilizado con p ro p ó sito s p ropagandísiticos siem pre que se qu ed ara en A lem ania. Planck, en tre otros, tem ía que E instein dejara A lem ania, lo cual hu b iera significado u n a p érd id a n o sólo p a ra la ciencia alem ana, sino tam b ién p a ra la


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‫{*؛‬، ‫؛‬tica cu ltu ral alem ana. £1 a su n to se deííneb con claridad en u n in fo rm e del 2 de septiem bre de 1920 del consejero alem án de la E m bajada en L ondres al m in istro de Exteriores en Berlín. Tras m en cio n ar ru m o re s en los periódicos b ritánicos de que Einstein podría a b a n d o n a r A lem ania e irse a A m érica, el encargado de negocios a p u n tó , «especialm ente en estos m o m en to s, el profesor £ in stein cu en ta com o u n factor cu ltural de prim era m ag n itu d p a ra A lem ania, ya que su n o m b re es am pliam ente conocido. N o deheríam os provocar que u n h o m b re así se vaya de A lem ania, le p o d ríam o s usar p ara u n a efectiva p ro p ag an d a de Kultur. Si el profesor Einstein realm ente estuviera in ten tan d o ab an d o n a r A lem ania, yo vería deseable en in terés de la rep u tació n alem ana en el extran jero que se p u d iera convencer al fam oso sabio de q ue se q u ed ara en A lem ania». £ste in form e era sólo u n o de m uchos. C ada vez q u e Einstein viajaba al extranjero a im p artir clases, u n fo n cio n ario de la em b ajad a o del consulado alem án enviaba inform es secretos a Berlín. Los inform es, de ?arís, C o p enhague, Tokio, M adrid, ©slo, C hicago y otros lugares, p restab an especial aten ció n a có m o la p ren sa extranjera conectaba al fam oso físico con A lem ania. U n d ip lo m ático alem án en M ontevideo in fo rm ab a con satisfacción el 4 de ju lio de 1925 q u e ya que E instein «ha sido celebrado to d o el rato com o u n “sabio alem án ” (su ciu d ad an ía suiza, q u e ta m b ié n posee, apenas se m encionaba), su visita h a sido ex trem ad am en te valiosa p a ra la causa alem ana» (K irsten y Tred e r l9 7 9 , p p . 207 y 234). En la A lem an ia w ilh e lm ia n a , la cien cia acad ém ica recib ía fin an c iac ió n p rin c ip álm en te de los estad o s alem an es (a los cuales p e rte n e c ían las u n iv ersid ad es) p e ro no del g o b ie rn o fed eral de B erlín. E n las p re c a rias co n d icio n e s existentes d espués de 1918, las o rg an izacio n es científicas alem an as te n ía n q u e e n c o n tra r nuevas fuentes de fin a n ciac ió n p a ra ev itar la q u ie b ra . La m ás im p o rta n te de las nuevas agencias centrales cien tífico -p o líticas era la N o tg em ein sch aft d e r d e u tsc h e n W issenschaft, fo n d ad a en 1920. Esta o rg a n iz a c ió n re p re se n ta b a varias in stitu c io n e s científicas alem anas, in clu y e n d o a la K aiser-W ilhelm G esellschaft, las u n iv ersid ad es y escuelas técnicas, las acad em ias de ciencias, y la S o ciedad de C ientíficos y M édicos A lem anes. La p rin c ip a l a c tiv id a d de la N o tg e m e in sc h a ft era la de re c a u d a r y p ro p o rc io n a r d in e ro p a ra la investig ació n de to d o tip o : en las ciencias n a tu ra les, en in g en iería, en ciencias sociales y en h u m a n id a d e s. La N o tg e m e in sc h a ft fin an cia b a a científicos individuales y a p ro y ecto s de in v estig ació n a p a r tir de sus m é rito s y las becas se p ro p o r c i o n a b a n in d e p e n d ie n te m e n te de la u n iv e rsid a d del d e stin a ta rio . Las so licitudes eran ju zgadas p o r u n a co m isió n de ex p erto s, sin in te rfere n cia del g o b ie rn o cen tral. De 1922 a 1934, M ax v o n Laue e ra el d ire c to r del c o m ité de física, u n p u esto influvente en la p o lític a cien tífica alem an a. C o n d iferen cia, la m ay o r p a rte de los rec u rsos de la N o tg e m e in sc h a ft p ro v e n ía n del g o b ie rn o de B erlín, p ero existían ta m b ié n su stanciosos d o n a tiv o s del e x tra n je ro , in clu y en d o im p o rta n te s c o n trib u c io n e s de la G eneral E lectric y de la F u n d a c i ó n R ockefeller en E stados U nidos. Sólo u n a p a rte m e n o r p ro v e n ía de la in d u s tria alem an a, q u e p refería can alizar su apoyo a la co m p e tid o ra so cied ad H e lm h o ltz o a p ro y ecto s cien tífico s in d iv id u ales de n a tu ra le z a m ás técnica.

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La N otgem einschaft estaba controlada p o r científicos de Berlín y, en lo tocante a la fisica, favorecía el tip o de física teórica p u ra que Planck consideraba culturalm ente (y por tanto, a su entender, políticam ente) im p o rtan te. C om o m iem bro del com ité ejecutivo de ‫ ط‬N otgem einschaft, P lanck hizo posible que los teóricos atóm icos en G otinga y Múnicfa recibieran fondos suficientes. En general, sin em bargo, u n a gran parte de las becas de investigación se concedieron a físicos de Beriín. P or ejem plo, du ran te 1924-1926, los físieos de Berlín recibieron a p r o b a d a m e n t e la m itad de las becas, u n hecho que enfurec‫'؛‬a m uchos físicos conservadores de fuera de la capital, que acusaron a la N otgem einschaft de favoritism o con respecto a Berlín. A lo largo de los años veinte, Johannes Stark y otro‫؛‬ físicos conservadores in ten taro n ganar influencia en la N otgem einschaft, pero fueron resueltam ente repelidos p o r Laue y Planck. A pesar de ‫ ظ‬predilección de la Notgemeinschaft p o r la física teórica m o d ern a, había suficiente dinero y ra g n a n im id a d para financiar tam bién a antirrelativistas com o Stark, Lenard y R udolf Tomaschek. El com ité de Electrofísica, u n subcom íté de la N otgem einschaft basado en las donaciones de la G eneral Electric, fue esencial p a ra la física atóm ica alem ana. De 140 solicitudes de beca q u e recibió en tre 1923 y 1923, ap ro b ó 71, la m ayoría de ellas en físíca atóm ica y cuántica. El d in ero era d o n a d o o stensiblem ente para ayudar a la física técnica y ex p erim ental, pero los m iem b ro s del com ité (que incluían a Planck com o director) a m e n u d o q u erían utilizarlo p a ra teo ría atóm ica. «Claro que el dinero está designado com o “en especial p ara investigación ex p erim ental”», escribió Planck a Som m erfeld en 1923, «pero tu p royecto p u ed e presen tarse com o la elaboración de una ' experim ental. Lo p rin cip al p o r sup u esto es tu nom bre» (H eílbrom 1986, p. 92). En física, co m o en o tro s cam pos, es b u e n o ten er u n n o m b re y ten er am igos. La m ecánica cu án tica h ab ría llegado sin d u d a, con o sin apoyo de la N otgem einschaft. Pero H eisenberg y B orn estuvieron financiados con d inero de la N otgem einschaft, y es com presible que el co m ité de Electrofísica se co n g ratu lara en 926‫ ا‬cu a n d o la m ecáníca cuántica d em o stró su valor (en to d o s los sentidos). El din ero y la filosofía de la N otgem einschaft h ab ían sido rentables con creces: «C om o es bien sabido, la m ecánica cuántica o cu p a el cen tro de la aten ció n en tre los círculos de física de todas las naciónes. El trab ajo de H eisenberg y B orn, que el com ité de Electrofísica h a financiado y sin el cual el trab ajo es p robable que n o se h u b iera realizado en A lem ania sino en o tra parte, ha m o stra d o la u tilid ad del co m ité de Electrofísica en el desarrollo de la física en A lem ania» (Cassidy 1992, p. 160). D u ra n te 1921-1925, la N otgem einschaft financió proyectos en ciencias físicas con becas anuales de u n o s 100.000 m arcos de oro, que era u n a sum a m u y sustancial; adem ás, p atro c in ó u n p eq u eñ o n ú m e ro d e becas de investigación. La im p o rta n cia de la organización p ara la física alem ana se refleja en las publicaciones de investigación. Se ha estim ado que al m en o s u n a c u a rta p arte de las 8.000 publicaciones aparecidas en las tres principales revistas de física alem anas en tre 1923 y 1938 se basaban en investigación financiada to tal o p arcialm ente p o r la N otgem einschaft. En u n to n o m enos estadístico, considérese el caso de W erner H eisenberg, u n p ro m e te d o r estudiante de física de vein tiú n años en 1923. H eisenberg era la clase de físico que la N otgem einschaft q u e


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ría m a n ten e r en el cam p o y recibió financiación de la © rganización en Í923-Í925, a u n que n o la suficiente p a ra vivir de ella. Su profesor en G otinga, M ax B orn, p ro p o rcio n ó ayuda adicional. G om o m uch o s o tro s profesores, B orn tenía am igos en tre los índu$tríales alem anes y filántropos ex tranjeros, alguno de los cuales ayudaban con la financiación de su institu to . B orn recibió generosas co n trib u cio n es de u n financiero .de N ueva York, H en ry G o ld m an , y u tilizó el d in ero p a ra ayudar a sus estudiantes y asístentes, en tre ellos H eisenberg. H ay m uchas m an eras de sobrevivir d u ra n te los años difíciles, algunas m ás regulares q u e otras. El ?lty¿kalisch-T echnische R eíchsanstalt fue u n a de las organizaciones centrales de física que sobrevivieron a la guerra, p ero n o recu p eró su an te rio r gloria y posición com o u n o de los principales in stitu to s m undiales de física p u ra, Por el co n trario , cuando el R eichsanstalt se o rie n tó todavía m ás hacia las p ru eb as y la física técnica, se deterio ró científicam ente, Poco después de que Fríedrích Paschen se convirtiera en dírecto r del R eichsanstalt en Í924, se quejaba a Som m erfeld de que «el trab ajo p ro p iam en te científico se ha acabado aquí». C o n tin u ab a, «el in stitu to se h a vuelto m ás y m ás técnico. La investigación p u ra m e n te científica está en retirada. La m ism a a ctitu d de los funcionarios científicos es m u y técnica. En la m ayoría de ellos, la física m o d ern a no ha dejado huella» (K ragh 1985, p. ١١٨١ -

Rela€¡©ne$ ¡nterna€¡©nales En u n congreso de m edicina en C open h ag u e en 1884, Louis ? asteu r confirm ó la n e u tra lid a d e in tern acio n alid ad de la ciencia. «La ciencia n o tiene país de origen», dijo, pero c o n tin u ó después, «incluso si la ciencia n o tiene n in g ú n país de origen, el cíentífico debería ocuparse en p a rtic u la r con lo q u e p ro p o rc io n a h o n o r a su país. En cada gran científico siem pre en co n trareis a u n g ran p atrio ta» (K ragh 1980a, p. 293). La problem ática am bivalencia en tre p a trio tism o e in tern acio n alism o científico fue totalm en te evidente d u ra n te y después de la P rim era G u erra M undial, cu an d o resultó que el patrio tism o era el m ás fu erte de los dos ideales (véase ta m b ién el capítulo 9). En u n a carta a G eorge H ale en 1917, el físico e inventor estad o u n id en se M ichael P u p in escribió, «la ciencia es la m ás alta expresión de u n a civilización. La ciencia aliada es, p o r lo tanto, radicalm ente d istin ta de la ciencia teu tó n ica [...] vem os h o y m ás claram ente que n u n ca, q ue ‫ ظ‬ciencia n o p u ed e ser disociada de los d istim os estados de á n im o y sentim iem os del h o m b re [...] Creo que los h o m b res científicos so n p rim e ro ho m b res y después científicos» (P o rm an 1973, p. 158). D u ran te la ú ltim a fase de la g uerra, científicos franceses, b ritánicos y estadounidenses discu tiero n la e stru c tu ra de u n a nueva organización científica internacional que reem plazaría a la A cadem ia In tern acio n al de las C iencias. Las principales figuras en estas negociaciones eran el a stró n o m o n o rte a m e rica n o G eorge Hale, el físico b rítánico (nacido en A lem ania) A rth u r Schuster y el m atem ático francés C harles Em ile PÍcard. El resultado fue la fo rm ació n , en verano de 1919, del In tern atio n al Research C ouncil (IRC), cuyos m iem b ro s al p rin cip io p o d ían p ro ceder tan sólo de las potencias

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aliadas y las naciones asociadas con ellas o que se h ab ian opuesto a los alem anes. Los países m iem b ro s eran: Francia, Inglaterra, Estados U nidos, Bélgica, Italia, Australia, C anadá, N ueva Z elanda, Sudáfrica, Japón, Brasil, Grecia, Polonia, Portugal, R um ania y Serbia; u n a selección sin d u d a política y n o basada en el m érito científico. La m em bresía de las u n io n es científicas bajo el IRC, com o la planeada In te rn a tio n al U n io n o f Puré a n d A pplied Physics (IUPAP) tam b ién debía ser de estos países. La IUPAP se form ó en 1922, con rep resen tan tes de trece n aciones y W illiam H . Bragg com o p rim e r presidente. Le siguió M illikan y, d u ra n te los difíciles años de la guerra, M anne Siegb ah n , de Suecia. La IUPAP n o fue m uy activa hasta 1931, cu an d o se reorganizó en CO n exión con el cam bio del IRC al ICSU, In te rn a tio n a l C ouncil o f Scientífic U nions (C onsejo In tern acio n al de U niones C ientíficas). Por aquel entonces, la IUPAP era una de las ocho organizaciones científicas bajo el consejo, las otras eran de astronom ia, geodesia y geofísica, quím ica, m atem áticas, ciencia de radio, biología y geografía. D ebido al o d io y a la sospecha suscitada p o r la terrib le guerra, A lem ania, A ustria, H u ngria y Bulgaria q u ed aro n ap artad as del IRC, e incluso los países neutrales quedaro n fuera. El núcleo d u ro tem ía q u e los países neutrales p u d ie ran alterar el equilibrio de p o d e r en el IRC y v o tar a favor de la ad m isió n de las antiguas potencias centrales. Sólo se adm itiero n algunos países neutrales en 1922, en tre ellos H o landa y los países escandinavos. Las sospechas francesas pareciero n justificadas, ya que fueron estos p‫؛‬úses los que p rim e ro ab o g aro n p o r la aceptación de Jas potencias centrales. En 1925 Lorentz sugirió, en n o m b re de las delegaciones holandesa, noru eg a y danesa, que se anulara ‫ ط‬política de exclusión. A un q u e la resolución recibió apoyo de G ran B retaña y los E stados U nidos, y ta m b ié n recibió diez votos de dieciséis en la A sam blea G eneral, no consiguió la m ayoría necesaria de dos tercios de to d as las naciones. (Por aquel en to n ces, eJ IRC incluía veintinueve naciones, de las cuales sólo dieciséis estaban presentes, así que ni siquiera u n voto u n á n im e hubiese cam biado los estatutos.) El viento cam bió al año siguiente, después de que el T ratado de L ocarno asegurara u n a atm ósfera p olítica m ás b en ig n a en E uropa. E ntonces, los científicos principales del IRC, incluyendo a Schuster, H ale y Picard (que era el presidente), aceptaron la adm isión alem an a y se enviaron invitaciones a A lem ania y a los países a n te rio rm en te enem igos. Sin em bargo, cu an d o la invitación p o r fin llegó, fue rechazada p o r los científicos alem anes y austriacos. El resultado fue q u e los dos países q u e d a ro n fuera del c u erp o oficial de ciencia in tern acio n al hasta después de la Segunda G u erra M undial. H u ngría ingresó en el IRC en 1927 y B ulgaria en 1934. La exclusión de A lem ania del IRC fue sólo u n a de las m aneras con las que los ganadores de la g u erra in te n ta b a n aislar y d ism in u ir la im p o rta n cia de la ciencia alem ana. D esde 1919 hasta ap ro x im ad am en te 1928, la ciencia alem ana sufrió u n bo ico t internacional, en el sentido de q u e n o se p e rm itió a los científicos alem anes asistir a m uchas conferencias internacionales. D u ra n te los p rim ero s años, el b o icot fue bastante efectivo, con la exclusión de los alem anes de la m ayor p arte de las conferencias internacionales; de 275 conferencias científicas intern acio n ales en tre 1919 y 1925,165 no tu v iero n p articip ació n alem ana (véase figura 10.1). M uchos in stitu to s, oficinas e instí-


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Gráfico 10.1. Núm،'ro de congresos ‫آ؛‬€^،‫آ؛؛‬ 0‫ ة‬internacionales (línea discontinua) y núm ero de aquélíos de los cuales Alemania ‫ ﻟﻪ‬،.‘ excluida (línea de puntos). La línea continua m uestra el porcentaje de congresos que excluyeron la participación alemana. Fuente: Red‫؛‬bu¡‫؛‬ido a partir de Schróder-Gudehus 1966.

tuciones intern acio n ales a b a n d o n a ro n el te rrito rio alem án. En 1914, había 60 organizaciones de este tip o , de las cuales 14 estaban en A lem ania y 18 en Francia; en 1923, el n ú m ero se h ab ía in crem en tad o a 85, a h o ra con 37 en Francia y sólo 6 en A lem ania. Estas organizaciones internacionales creían que n o sólo debía ser boicoteada la ciencia alem ana, sino tam b ién el id io m a y las publicaciones científicas en alem án. En la m ayoría de las conferencias internacionales, n o se aceptaba el alem án com o id io m a oficial. D espués de tod o , com o se expresaba en Science en 1920, «el alem án es, sin duda, u n lenguaje b á rb a ro que acaba de su rg ir de la etap a del prim itivo carácter gótico y [...‫ا‬ sería provechoso p a ra la ciencia tra ta rlo de esta m a n e ra a p a rtir de la fecha del 1 de agosto de 1914». C om o se p reten d ía, el b o ico t sí causó alguna inconveniencia a la ciencia alem ana, au n q u e el d a ñ o fuera m ás psicológico que m aterial, ? ro b ab le m en te hizo m ás dañ o a las naciones q u e boico teab an , que tu v iero n que apañárselas sin alem anes en conferencias dedicadas a tem as en los cuales los científicos alem anes e ra n los expertos indíscutibies. Los congresos de Solvay de 1921 y 1923, sobre «átom os y electrones» y «conductividad eléctrica de m etales», respectivam ente, n o incluyeron a físicos alem anes, lo cual claram en te devaluó el valor de estos en cu en tro s. El b o ico t n u n c a fúe com pleto, ya que n o lo apo y aro n n i los Países Bajos n i E s c ^ d ín a v ía . En 1919 la A cadem ia Sueca de

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Ciencias decidió o to rg ar el p rem io Nobel de Física a Planck y Stark, y ‫ اع‬p rem io en Q uím ica a Fritz Fíaber. Se consideró en general ofensivo que los prem ios recayeran en tres científicos alem anes; el p rem io a Fíaber fue especialm ente co n tro v ertid o p o r su particip ació n en la in d u stria bélica alem ana de gases. D esde la perspectiva de Francia, los suecos h ab ían hecho u n a elección política en u n esfuerzo de rehabilitar la ciencia alem ana. Fíaber, que co m p artía el p u n to de vista de Planck y m uchos otros científicos alem anes sobre la ciencia com o M acht-Ersatz, parece h ab er estado de acuerdo. Planck consideraba el p rem io «un trib u to a los logros de la ciencia alem ana p o r p arte de colegas profesionales en Suecia», co m o escribió a la A cadem ia Sueca de Ciencias (W idm alm 1995, p. 351). Einstein era u n o de los pocos científicos alem anes que era bienvenido en las conferencias internacionales. N o sólo era el científico m ás fam oso del m u n d o , sino tam bién u n pacifista y d em ó crata, y no se le consideraba u n «verdadero» alem án. (Por aquel entonces, Einstein o sten tab a doble ciudadanía, suiza y alem ana.) Pero incluso u n ju dío pacifista su izo-alem án p o d ía resu ltar d em asiado co n tro v ertid o a p rin cip io s de los años veinte. C u an d o E instein accedió a u n a invitación de Paul Langevin p a ra hablar en París en la prim av era de 1922, fue co n d u cid o a la capital francesa en secreto para evitar m anifestaciones. A dem ás, tuvo que cancelar u n sem inario ante la m u y digna A cadem ia de las Ciencias p o rq u e tre in ta m iem b ro s ten ían p lan eado ab an d o n a r el au d ito rio tan p ro n to com o e n tra ra Einstein. Para ellos, era lo b astan te alem án p a ra no ser grato. Eos in ten to s de u tilizar a E instein p o líticam en te c o n tra sus colegas alem anes n o tu vieron m ás éxito que los in ten to s alem anes de utilizarlo p ara sus pro p io s fines polítiPor ejem plo, los organizadores del congreso de Solvay de 1923 qu erían que F.instein p articip ara, p ero E instein rehusó cu an d o se dio cu en ta de que otros científicos COS.

alem anes n o estaban invitados. C om o escribió a L orentz, «[Som m erfeld] es de la opin ió n de que n o está b ien que yo p articip e en el congreso de Solvay p o rq u e m is colegas alem anes están excluidos. En m i o p in ió n n o está bien in tro d u c ir la política en asuntos científicos, y los in d iv id u o s n o d eb erían considerarse responsables p o r el gobierno del país al cual da la casualidad que pertenecen. Si to m a ra parte en el congreso, m e convertiría p o r im plicación en cóm plice de u n a acción que de m an e ra m u y fuerte considero in q u ie ta n te m e n te injusta» (M ehra 1975, p. xxiii). En u n artículo titu lad o «Todo sobre la relatividad» de la m ism a época, la p o p u la r revista inglesa »»‫؛‬ ٧ ’، / Fair escribía, superficialm ente: «Y, en to d o caso, E instein es u n alem án, y to d o este asunto es sin du d a u n plan alem án p a ra re to m a r el co n tro l del com ercio de tin te de anilinas [...] C ontesta a u n a p re g u n ta con otra. Pero aq u í es cu an d o e n tra lo alem án del asunto. Lástim a que su d escu b rim ien to n o se deba a u n rep resen tante de u n o de los am istosos aliados (p reg u n ta p ara u n a lectura colateral: n o m b re cinco aliados que sean am istosos en estos m om entos).» (H entschel 1990, p. 125). El com entario de Vanity Fair era irónico, pero la iro n ía ap u n tab a a u n p ro b lem a real en el contexto político de la ciencia de esa época. © tro caso ilu stra el m ism o concepto de d istin to m odo. En enero de 1923, el h ú n garó G eorfe Hevesy y el h o landés D irk C oster a n u n c ia ro n que h ab ía n descubierto el

Ciencia

‫ﻣﺮ‬política en

la República de Weimar

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elem ento n ú m e ro 72 m ien tras trab ajab an en el in stitu to de Niel‫ ؛؛‬B ohr en C openhague. £1 an u n cio del d escu b rim ien to del h afnio (H f), com o llam aro n al elem ento, causó u n a im p o rta n te controversia sobre p rio rid ad es co n los científicos franceses, que aducían que ya h ab ía n d escubierto el elem ento, al que llam aro n celtio (C t). £l hecho de que la controversia em p ezara a p rin cip io s de 1923, u n m o m en to en el que las reíaciones francoalem anas estaban al b o rd e de la ru p tu ra com o resultado de la ocupación francobelga de la región del Ruhr, le o to rg ó u n sabor distintivo. £1 descu b rim ien to del hafnio, y especialm ente el consiguiente descrédito infligido a la ciencia francesa, se consideró en tre los científicos aliados m ilitantes u n a co n spiración c o n tra la gloire francesa, u n siniestro in ten to de p ro p o rc io n a r a A lem ania u n a venganza intelectual de su d erro ta m ilitar. C u an d o Hevesy, siguiendo el consejo de R utherford, envió u n artículo sobre el hafn io a la revista Chemical News, profrancesa y proceltío, su editor, w . R W ynne, respondió: «Nos ad h erim o s a la palab ra original, celtio, asignada a él p o r U rbain com o rep resen tan te de la g ran n ació n francesa, q u e fue leal a no so tro s d u ra n te la totalidad de la guerra. N o aceptam os el n o m b re o to rg ad o p o r los daneses, que se lim itaro n a em bolsarse los despojos tras la guerra» (K ragh 1980a, p. 294). A unque n in g ú n científico alem án había c o n trib u id o al d escu b rim ien to del hafnio, fue asociado de to d o s m odos con la «ciencia teutónica». Hevesy era h ú n g aro , p o r ta n to u n a n terio r enem igo, y C oster era u n h o lan d és que h ab ía pasado la m ayor p arte de su carrera científica en Suecia y D in am arca, países a los q u e se acusaba de ser proalem anes. A unque el estatus de Niels B oh r en el m u n d o académ ico im p ed ía cualq u ier crítica directa a sus activRiades, a m u ch o s p a rtid a rio s radicales de la linea de b oicot les pareció dem asiado b lan d o con los alem anes. D u ra n te la gu erra, y tam b ién después, B ohr h abía m a n te n id o reíaciones norm ales y am istosas con sus colegas alem anes, y d u ra n te el cénit del boicot, fireron frecuentes las visitas en tre C openhague y A lem ania. B ohr dio clases en A lem ania, p a rticip ó en conferencias n o autorizadas, y iue el a n fitrió n de m uch o s físicos alem anes; siem pre fue cuidadoso en reconocer los resultados de sus colegas alem anes; y publicó m u ch o s de sus m ás im p o rta n te s artículos en revistas alem anas, ig n o ran d o así los esfirerzos de aislar al alem án com o u n lenguaje ind ig no para la co m unicación científica. Todo esto hacía q u e B ohr y la física de C open h ag ue parecieran proalem anes en algunos círculos e in crem en tó el vago sen tim ien to de teu to n ísm o que rodeaba al hafnio. £1 asu n to era delicado p ara el C o m ité In tern acio n al de £lem en to s Q uím icos, u n a ram a del IRC sin representantes de países neutrales. £ l celtio carecía de credibilidad científica, pero p o r razones políticas el com ité e n c o n tró im posible san cionar al hafnio. Sólo se aceptó oficialm ente en 1930. A lem ania n o fue el ú n ico país d o n d e la ciencia sufría p o r culpa de la guerra. Las condiciones m ateriales eran incluso peores en la joven U nión Soviética, que quedó aislada de o tro s países de m an era m u ch o m ás efectiva que A lem ania. £1 su frim iento y la m u erte p o r m aln u trició n , tifus y la g u erra civil n o distinguía en tre científicos y no científicos. Las co ndiciones de p en alid ad física d u ra n te los terribles años entre 1918 y 1922 hacían m u y difícil que los físicos c o n tin u a ra n sus actividades investigadoras y construyeran m arcos institucionales. La A sociación Rusa de Físicos se fundó en ‫واوا‬

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p rin cip alm en te gracias a los esfuerzos de © rest K hvol’son y A b ra m Ioffe, pero la organización resultó in ad ecu ad a p a ra la tarea de n o rm alizació n de la física. D u ran te u n periodo, la falta de p apel im p ed ía o retrasab a m u ch o las publicaciones científicas. Por ejem plo, el p rim e r libro de texto ruso sobre relatividad general, com pletado en 1922 p o r A lexander F ried m an n y Vsevelod Frederiks, apareció p o r p rim e ra vez en 1924 p o r la escasez de papel. La revista de física soviética m ás im p o rta n te (.Z hR F K hO ) apareció de m an e ra in te rm ite n te en tre 1918 y 1923, sin aparecer en 1920 ni en 1921. Los intentos de los físicos rusos de reco n stru ir su disciplina y ro m p e r su aislam iento de los países occidentales consiguió sólo u n éxito parcial a p a rtir de 1922, ap roxim adam ente. Ese año, la U nión Soviética estableció relaciones diplo m áticas con A lem ania y, com o resultado, los contactos en tre físicos alem anes y rusos se in crem en taro n . Ioffe, fu n d ad o r del In stitu to Físico-Técnico de L eningrado, fue a Berlín a encargar los libros científieos, las suscripciones a revistas y los in stru m e n to s q u e ta n to se necesitaban. El y otros físicos alem anes ftreron recibidos con gran sim p atía p o r sus colegas alem anes, que estab an deseosos de establecer conexiones profesionales en tre los países parias, a pesar de sus diferencias políticas. En 1922 la Sociedad A lem ana de Física eligió al físico de L eningrado K hvol’son com o su único m iem b ro h o n o rario . A p a rtir de 1925 aproxim ad am en te, los contactos con el © este se in cre m e n ta ro n au n m ás y m u ch o s físicos soviéticos visitaro n A lem ania y otro s países occidentales, incluyendo Estados U nidos. Los físicos soviéticos estaban deseosos de p u b licar en revistas occidentales y escogieron a la alem ana Z eitsch riftfü r Physik com o su revista favorita. A finales de los años veinte, m ás del 12 p o r 100 de los artícu lo s en Z eitschrift estaban escritos p o r rusos, que co n trib u yeron u n total de 592 artículos en tre 1920 y 1936. U n torció de los artículos estaban firm ados p o r físicos del In stitu to Físico-Técnico de L eningrado, el institu to de física más im p o rta n te de ‫ ظ‬U n ió n Soviética.

‫ ﺩﺍ‬comunidad

de (a física

C om o se h a in d icad o p reviam ente, a p rin cip io s de los años veinte la co m u n id ad física alem ana estaba dividida en cuestiones de ciencia, política e ideología. El am plio g ru p o de derechas incluía a fascistas co m o Stark y Lenard, adem ás de físicos m enos com o W ilhelm w‫؛‬en y © tto Lum m er. Los físicos de derechas co m partían básicam ente las m ism as ideas políticas, incluyendo el chovinism o, el u ltr^ o n s e rv a d u rism o, y oposición a la república de W eim ar. El an tisem itism o tam b ién era c o m ú n a la m ayoría de ellos. En 1922, cu an d o Paschen p ro p u so a Afíred Landé com o profesor asociado en Tubinga, u n b astió n conservador, Paschen n o tó que sus colegas ten ían prejuicios negativos n o sólo p o rq u e Landé fuera u n teórico atóm ico «progresista», sino tam b ién p o rq u e era judío. (Estos incidentes, y el an tisem itism o en general, no e ra n exelusivos de A lem ania; ‫ ظ‬d iscrim in ació n c o n tra los ju d ío s era c o m ú n tam b ién en universidades de E stados U nidos y o tro s países.) M ien tras que existía u n a facción derechista identificable en la física alem ana, n o existía u n a izquierdista con sim patías socialistas. C u an d o m o stra b a n algún interés en política, Paschen, Planck, Laue, Som -


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m erfeld y la m ayor p arte de los o tro s físicos progresistas establecidos, m an ten ían p o s tu ra s conservadoras y an tig u b ern am en tales. E instein y B orn fu ero n excepciones a la regla. El conserv ad u rism o burg u és de la física o rd in a ria alem ana sólo parecía liberal si se co m p arab a con las extrem as posiciones de los derechistas. La generación joven de fí sicos que no h ab ían servido en la gu erra, incluyendo a Eleisenberg, Jordán y Pauli, era sobre to d o apolítica. Los pu n to s de vista científicos de los físicos derechistas eran considerablem ente p a ralelos a sus ideas políticas, am bos conservadores. Se m an tuvieron leales a las posturas de la ciencia w ilhelm iana y opuestos al Zeitgeist del p erio d o de W eimar. La m ayor parte de los físicos derechistas se m an tu v iero n d en tro de la cosm ovisión del m ecanicism o clá sico y el electrodinam icism o, incluyendo nociones tales com o el éter, el determ inism o, la causalidad y la objetividad, que pasaron de m o d a a principios de los veinte. Sin em bar go no estaban en com pleta falta de sintonía con el Zeitgeist de W eimar. Su predilección p o r la claridad de visualización (Anschaulichkeit) y la cam paña p o r sustituir la perspicaz com prensión física en lugar del razonam iento m atem ático abstracto tenían el m ism o va lor para conservadores y «progresistas» que adap taro n sus pu n to s de vista al Zeitgeist. Las posturas de los derechistas se m anifestaban en u n a disociación m ás o m enos directa con respecto a las teorías cuánticas y de la relatividad y u n a preocupación p o r los experi m entos a expensas de la teoría. N o tod o s los experim entales eran conservadores, y no todo los teóricos eran «progresistas», pero existía u n a clara conexión en to d o caso. H asta cierto p u n to , la división en tre «progresistas» y «reaccionarios» reflejaba la ten sió n entre los p o derosos físicos de Berlín y los in stitu to s de física en las universida des provinciales. Sin em bargo, la división n o era m arcada, com o q u eda ilustrado p o r las im p o rta n te s escuelas teóricas en M ú n ich y G otinga. Era u n estereotipo que no se ajustaba en absoluto a la m ecánica cuántica, q u e tenía su origen fuera de Berlín (en G otinga), y d o n d e la m ayoría de los físicos de Berlín estaba a favor de la versión c o n servadora de S chródinger antes q u e de la versión radical de H eisenberg. A pesar de esto, con o sin justicia, p a ra m u ch o s físicos «Berlín» llegó a significar teo ría abstracta, intelectualism o judío, arrogancia y m al gusto. La Sociedad A lem ana de Física estaba d o m in ad a p o r físicos de B erlín y, p o r esta razón, se consideraba sospechosa en ciertos entornos. Einstein hab ía sido p residente en 1916-1918 y fue sucedido p o r Som m erfeld después de q u e M ax W ien, u n ex p erim en tal de la U niversidad de Jena, declinara el car go. En 1920 Stark organizó u n a o rganización rival, la A sociación de Profesores de Físi ca A cadém ica A lem ana (Fachgem einschaft D eutscher H ochschullehrer d er Physik), pero la im p o rta n c ia de la nueva asociación era lim itada; con el físico W ihelm W ien, de M únich, com o p resid en te de la Sociedad de Física, las acusaciones de «Berlinerei» eran m enos convincentes. O tra cuestió n que dividía a los físicos alem anes involucraba la aplicación de la físi ca a las necesidades técnicas industriales. Estas aplicaciones eran ajenas al a n tiu tilita rism o del Zeitgeist de W eim ar y, de hecho, la m ayoría de los físicos convencionales res petaba poco la física técnica. P or o tro lado, m u ch o s físicos de derechas estaban deseosos de aplicar su ciencia a p ro p ó sito s técnicos. U n alto porcentaje de físicos ale

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m anes se había o cu p ad o de físíca in d u strial o m ilitar d u ra n te la guerra y sentía que su trab ajo no recibía suficiente respeto en la Sociedad de Física. C u an d o se fu n d ó en 191 ‫و‬ la Sociedad A lem ana p ara la Física T écnica, fue en p a rte com o reacción c o n tra lo que se percibía com o u n p re d o m in io de la teoría en la Sociedad A lem ana de Física, dom in ad a p o r Berlín. A lo largo de u n año, el n ú m e ro de m iem bros de la nueva sociedad ascendió a 500, y en tre 1925 y 1935 p o d ía p re su m ir de te n er ta n to s m iem b ro s com o la Sociedad de Física, u n o s 1.300 (véase figura ١٠.2). G ehrcke, el antirrelativista, era uno de los firndadores de la Sociedad p a ra la Física T écnica y publicaba frecuentem ente en su revista, el Z eitsch riftfü r technische Physik. F n tre las prestigiosas revistas p ara publicaciones académ icas, los físicos de derechas p referían los A nnalen der Physik. Si n o p o d ían p u b licar en los A nnalen, preferían publicar en revistas m en o s prestigiosas, o incluso oscuras, que en el Z eitsch riftfü r Physik, la o tra revista im p o rta n te de física en A lem ania. £1 Zeitschrift, fu n d ad o en 1920 p o r la Sociedad de Física y asociados con p u n to s de vista liberales y vanguardistas, era la revista favorita de la joven generación de físicos cuánticos pero sufría p rácticam ente un b o ico t p o r p a rte de los «reaccionarios», p a ra los cuales significaba la decadencia y el d o gm atism o de la física m o d ern a. N o resultó ser n in g u n a coincidencia que los artículos de Schródinger sobre m ecánica o n d u la to ria aparecieran en los A nnalen y no en los

Gráfico 10.2. M iembros de la Sociedad Física Alemana desde su origen en 1845 hasta 1986. Fuente: Redibujado de Mayer-Kuckuk 1995, con perm iso de Wiley-VCH Verlag GmbH.


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Zeitschrift. C u an d o se lanzó Z eitschrift en 1920, se planeaba que estuviera lim itada a tres volúm enes anuales con u n m áx im o de 1.440 páginas, ? ero su éxito hizo que se exp an d iera p o r encim a de las expectativas m ás o ptim istas. En 1924 incluyó diez volúm enes con u n to tal de 4.015 páginas, y en 1929 sus siete gruesos volúm enes incluían 6.094 páginas. El lenguaje de la revista era el alem án y su éxito fue u n gran argum ento a favor de la im p o rta n c ia del alem án com o lenguaje intern acio n al de la física. En 1925, resultaba evidente q u e los esfirerzos franceses y b ritánicos de lim itar el alem án com o lenguaje científico h ab ían fracasado. C u an d o u n artículo en inglés, escrito p o r el físico indio R. N. G hosh apareció en Z eitschrift en 1925, causó vehem entes protestas de m uchos físicos alem anes. El ed ito r de la revista, el capaz Karl Scheel, se vio forzado a p ro m eter qu e to d o s los artículos d eb ían estar escritos en alem án. Para Lenaed, que detestaba to d o lo britán ico , la p ro m esa llegó d em asiado tarde. A b andonó la sociedad com o pro testa y desplegó u n cartel en su in stitu to de física en H eidelberg con el m ensaje: «Se p ro h íb e la e n tra d a a los m iem b ro s de ‫ ط‬q u e se hace llam ar Sociedad Alem ana de Písica» (B eyerchen 1977, p. 98).

Zeitgeist y la cosmovisión física D u ran te el decenio p o sterio r a 1918, la física en A lem ania se enfrentó n o sólo a dificultades económ icas, sino tam b ién a u n m ed io intelectual distinto, que en m uchos aspectos era h o stil a los valores tradicio n ales de la física. A la física, y a la ciencia en general, se la acusaba cada vez m ás de ser desalm ada, m ccanícista y co n tra ria a los valores hu m an o s. Estas acusaciones n o eran nuevas, n i en A lem ania ni en otros lugares, pero em pezaro n a ser m ás frecuentes y a form ularse con m ás au to rid ad en la República de W eim ar. Las actitudes n o científicas, o anticientíficas, eran populares en filosofía, psicología y sociología, y florecieron la astrología, la cabalística y otras variedades del m isticism o. En 1927 Som m erfeld escribió: «La creencia en u n o rden m u n d ial racional se ha visto sacudida p o r la m an era en la que la g u erra te rm in ó y en que la paz fue dictada; en consecuencia, u n o busca la salvación en u n o rd en m u n d ial irracional [...] p o r lo tan to nos vem os ev identem ente co n fro n tad o s de nuevo con u n a ola de irracional¡d ad y ro m an ticism o com o la que reco rrió E uropa hace cien años com o u n a reacción contra el racionalism o del siglo XVIII y su ten d en cia a hacer la solución del enigm a del universo quizá d em asiado fácil» (F o rm an 971 ‫ ؛‬,p. 13). M uchos físicos sentían que el Zeitgeist de la época era básicam ente antagónico a su ciencia y que lo que contaba p ara el público ed ucado eran ideas extrañas a la m en te científica. Los autores y filósofos enfatizaban la Lebenphilosophie y la W eltanschauung m ás que los resultados cicntíficos, los cuales identificaban con u n m aterialism o trasn o ch ad o y u n a creencia injustificada en la causalidad y el co n o cim ien to objetivo. El holism o, la intu ició n , el relativism o y el ’ estaban a la o rd en del día, n o así el análisis m atem ático, los experim entos con tro lad o s y las explicaciones causales. El p ro g ram a new age se presen tó de m an era m ás influyente en el so m brío pero en o rm em en te p o p u la r libro de O sw ald Spengler ٠٤٢ Untergang des Abendlandes (La

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decadencia de Occidente) que, de 1918 a 1926, fue im preso en u n o s 100.000 ejem pla res. D e acuerdo al am p lio análisis de Spengler de los altibajos de las civilizaciones, la ciencia m o d e rn a estaba en u n estado de p ro fu n d a crisis, pero sólo po rq u e no había conseguido ad aptarse a la nueva cultu ra. R echazando nociones anticuadas com o cau salidad y objetividad, Spengler sostenía q u e la ciencia era an tro p o m o rfa y sim plem en te u n a expresión de u n a cu ltu ra p a rtic u la r en u n m o m e n to p articu lar; la física era re lativa a la cu ltu ra y la h istoria, y n o existía física separada de, o in d ep en d ien te de, los en to rn o s culturales locales; p u ed e q u e el lector detecte u n a asociación con p u n to s de vista que fuero n p o p u lares en las ú ltim as décadas del siglo. Spengler, cuyo conoci m ien to de física co n tem p o rán ea n o era m u y satisfactorio (pero pocos de sus lectores se h ab rían d ad o cu en ta), creía q u e h abía llegado el m o m en to para u n a nueva física que unificara p en sam ien to y espíritu. Sin em bargo, la nueva física n o p o d ía construirse so b re la vieja; h aría falta u n a civilización to talm en te nueva: «La vasta y cada vez m ás gas tada y carente de sentido tela tejida p o r la ciencia n a tu ra l se d esm orona. N o era, des pués de to d o , n ad a m ás que la e stru c tu ra in tern a de la m en te [...] pero hoy, en el ocaso de la época científica, en la etapa del escepticism o victorioso, las nubes se disuelven y el plácido paisaje de la m a ñ a n a reaparece con to d a su nitidez [...] agotada tras su lu cha, la ciencia occidental vuelve a su h o g ar espiritual» (F o rm an 1971, p. 37). La filoso fía de Spengler era quizá confúsa y m al arg u m en tad a, pero era representativa del Zeitg e isty fue m u y influyente en las discusiones culturales de la época. P rácticam ente todos los alem anes educados, incluyendo los físicos, la conocían. D ado que este clim a an tirracio n alista y antipositivista d o m in ó u n a gran p arte de la cu ltu ra de W eim ar, y d ado que cuestio n ab a la legitim idad m ism a de la ciencia tra d i cional, era n a tu ra l q u e los físicos se sin tieran forzados a resp o n d er a las nuevas ideas. Y esto es lo que h icieron, g eneralm ente n o defen d ien do los valores tradicionales de la ciencia sino, en m u ch o s casos, cediendo ante el nuevo Zeitgeist. U n resultado de la adap tación, com o se h a m en cio n ad o , fue q u e m u ch o s físicos se abstuvieron de justificar su ciencia p o r su u tilid ad y en lug ar de esto en fatizaron q ue la física es esencialm ente cul tu ra. A lgunos físicos teóricos «capitularon» an te los nuevos p u n to s de vista de Spen gler en el sentido de que asim ilaron sus valores in co n scientem ente a lo que ellos p er cibían com o el nuevo Zeitgeist. P or ejem plo, a p rin cip io s de los años veinte varios físicos alem anes p lan tearo n la cuestión de la crisis en la física y sostuvieron que el p rin cipio de causalidad n o p o d ía ya considerarse u n a base de las teorías físicas. Este rep u dio de la causalidad n o estaba b asado en desarrollos experim entales o teóricos especí ficos de la física. La m ecánica cu án tica que apareció en 1925 era u n a teo ría alem ana que ro m p ió con la causalidad m icrofísica. Es p o r ta n to n a tu ra l p re g u n tar si existía u n a conexión causal en tre las ideas generales sobre acausalidad antes de 1925 y la form ación e in te rp re ta ción de la m ecánica cuántica. El h isto riad o r Paul F o rm an ha arg u m en tad o que los fí sicos alem anes, deb id o a la influencia del Zeitgeist de W eim ar, estaban predispuestos a u n a m ecánica cu án tica acausal y estaban deseando u n a crisis en la teoría atóm ica semim ecánica existente. Según F o rm an , la p ro p ia posibilidad de la crisis de la an tigua teo


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ría cuántica d ep en d ía del m ed io intelectual de W eimar. Sin em bargo, existen buenas razones para rechazar la sugerencia de u n a fuerte conexión en tre las circunstancias socioideológicas de la joven República de W eim ar y la in tro d u c ció n de u n a m ecánica cuántica acausal. Es suficiente m en c io n a r unas pocas razones: 1. M ientras que los físicos discu tían a m e n u d o la cuestión sobre la (a)causalidad y otros pro b lem as relacionados del Zeitgeist en sem inarios y artículos dirigidos a audiencias generales, estos tem as casi n u n c a se m e n cio n ab an en artículos cien tíficos o conferencias an te u n público científico. 2. H asta d o n d e los físicos se a d a p ta ro n al Zeitgeist, la adaptación se refería a los va lores de la ciencia, n o a su contenido. 3. M uchos de los físicos ten ían b u en as razones científicas p a ra rechazar la causali dad detallada y n o hizo falta que se «convirtieran». En cualquier caso, sólo u n a p ro p o rc ió n m u y p e q u eñ a de los físicos alem anes parece h ab er rechazado la c a u salidad antes de 1925-1926. 4. Som m erfeld, E instein, B orn, Planck y o tro s físicos destacados n o cedieron ante el Zeitgeist, sino que lo criticaro n explícitam ente. 5. El reco n o cim ien to de algún tip o de crisis en física atóm ica era generalizado al red ed o r de 1924, sobre to d o deb id o a ciertas anom alías que la teoría atóm ica existente n o p o d ía explicar. B ohr y algunos o tro s físicos sugirieron vagam ente q ue h ab ría que ab a n d o n a r la conservación de la energía y la descripción espa cio-tem p o ral (véase el capítulo 11). 6. La p rim e ra teo ría acausal en física atóm ica, la teoría de la radiación de B ohrK ram er-Slater de 1924, n o tuvo u n a recepción u n ifo rm em e n te positiva en tre los físicos alem anes, al c o n tra rio de lo que u n o esperaría de acuerdo con la tesis del Zeitgeist. Y los que sí acep taro n la teo ría estaban m ás im presionados p o r sus prom esas científicas q u e p o r su co rrección ideológica. El elem ento de acausalidad de la teo ría n o se consideraba su característica m ás interesante. A dem ás, la teoría ten ía su o rigen en C openhague, con u n clim a cu ltu ral m u y diferente del de la A lem ania de W eim ar, y fue p ro p u e sta p o r u n danés, u n holandés y u n es tadounid en se. 7. E ntre los p io n ero s de la m ecánica cu án tica acausal estaban Bohr, Pauli y D irac, n in g u n o de los cuales estaba influido p o r el Zeitgeist de W eim ar. Los jóvenes fí sicos alem anes q u e crearon la m ecánica cu ántica estaban m ás interesados en sus carreras científicas que en tendencias culturales, e in te n ta b an deliberadam ente aislarse de lo q u e sucedía en la sociedad. En conclusión, existían b u en as razones - ta n to in tern as com o e x te rn a s- p a ra que la m ecánica cuán tica se o rig in ara en A lem ania. En lo q u e yo p u e d o juzgar, la adaptación al Zeitgeist de W eim ar n o fúe de p a rtic u la r im p o rtan cia.

CAPÍTULO 1 1

Saltos cuánticos

An©mal‫؛‬as cuánticas C om o B ohr b ien sabía, la teo ría cuántica d e lo s áto m o s de 1913 fue m e ram en te ei inició de u n p ro g ra m a de investigación que le llevaría a él y a sus colegas a u n territo rio desconocido; de n in g ú n m o d o se consideraba u n a teo ría term in ad a. D u ran te los años de la guerra, la teo ría se extendió y m odificó, p rin cip alm en te p o r B ohr y u n g ru p o de físicos alem anes, pero tam b ién - a pesar de las divisiones causadas p o r la g u e rra - por colegas britán ico s, holandeses y japoneses. La m ás im p o rta n te de las prim eras generalizaciones fue el resultado de u n trab ajo de S om m erfeid en M ú nich, quien rápidam en te se estableció com o u n a a u to rid a d en teo ría ató m ica y logró u n estatus superado sólo p o r el de Bohr. El m agistral y com prehensivo libro de texto de Som m erfel¿ sobre teoría atóm ica, A to m b a u u n d spektrallinien, b asado en cursos im p artid o s en la U niversidad de M ú n ich en 1916-1917, se publicó p o r p rim e ra vez en 1919. D u ra n te los siguientes años, se p u b licaro n siete nuevas ediciones y se convirtió en la «Biblia» de la teoría atóm ica p a ra la generación de físicos de posguerra. En 1923 la tercera edición alem ana se tra d u jo al inglés com o A tom ic Structure a nd spectral ‫ﻛﺞ»'؛ ق‬. Som m erfeld, ed u cad o en m atem áticas p u ra s y experto en aplicar m odelos m atem áticos avanzados a pro b lem as físicos, d esarrolló la sencilla teoría de B ohr basándola en u n uso extensivo de integrales de acción. D e acuerdo a Som m erfeld, la descripción dinám ica de sistem as atóm icos con varios g rados de lib ertad se basaba en condiciones cuánticas del tip o /

‫وﻣﺤﻢا‬ = n h , siendo las q y las p coordenadas generalizadas de p o s‫؛‬-

ción y m o m en to , respectivam ente, y los n n ú m ero s cuánticos integrales. El áto m o de Som m erfeld de 1916 estaba caracterizado p o r sólo dos n ú m ero s cuánticos, el principal n y el azim utal k, y p ro n to se extendió con u n n ú m e ro cuántico «m agnético» m. U til‫؛‬zando esta técnica, S om m erfeld fue capaz de re p ro d u c ir la fó rm ula de B ohr p a ra los niveles de energía del á to m o de h id ró g en o y de extenderla al caso relativista de estructu ra fina, u n g ran éxito de la an tig u a teo ría cuántica. El form alism o de M ú n ich ta m

Saltos cuánticos

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bién incluía el uso de los m éto d o s de variables de a c ^ ó n -¿ n g u‫؛‬o conocidos en m ecánica celeste pero, hasta entonces, raras veces utilizados en física. M ediante estos m étodos, en 1916 el físico ru so Paul Epste‫؛‬n (que vivía en M únich, d o n d e se le in tern ó com o extranjero enem igo) y el a stró n o m o Karl Schw arzschild p ro p o rc io n a ro n cálculos detaliados in d ep en d ien tes del efecto S tark de acuerdo con los experim entos. La separación de las líneas espectrales en cam pos eléctricos intensos, descubierta p o r Johannes Stark en 1913, desafiaba u n a explicación clásica p ero sus rasgos generales se p o d ían entender sobre la base de la teoría de Bohr. Los p rim ero s trabajos sobre el efecto Stark, ‫؛‬٨ cluyendo u n a teo ría q u e B ohr p ro p u so en 1914, resu ltaron en u n acuerdo solam ente cualitativo. L pstein concluía en 1916 que sus nuevos resultados «probaban lo correcto del m odelo atóm ico de B ohr con tal so rp re n d e n te evidencia que hasta nuestros colégas conservadores n o p u ed en negar su p ertinencia» (Jam m er 1966, p. 108). En el m ism o año, S om m erfeld y Peter Debye, de m an era in d ep en d ien te tam b ién , explicaron el desdoblam ien to Z eem an sencillo en trípletes. La h erra m ie n ta favorita de B ohr en teo ría ató m ica n o eran las integrales de acción com o las de Som m erfeld, sino el p rin cip io de co rresp ondencia, que utilizó vagam ente en 1913 y perfeccionó en u n a im p o rta n te m e m o ria en 1918. Este ^ in c ip io se convirtió en la p ied ra de to q u e de la p rim e ra escuela de teoría cuántica de B ohr y u n a im p o rta n te guía conceptual p a ra la co n stru cció n de ‫ ط‬nueva m ecánica cuántica. La esencía del prin cip io de corresp o n d en cia, según B ohr lo en ten d ía sobre 1920, era la siguiente: en el lím ite de n ú m e ro cuánticos grandes (n —» n - m, m « n), las transíciones a estados estacionarios n o m u y distin to s del inicial resultarían en frecuencias casi idénticas de las que se esperarían clásicam ente, es decir, a p a rtir de la electrodinám ica m axw elliana. Esto sim p lem en te se seguía de la teoría cuántica del áto m o de B ohr y no era el co n ten id o del p rin cip io de co rresp o n d en cia en su sentido m ás am plio. B ohr se dio cuen ta de que la teo ría cu ántica original era incom pleta en el sentido de que, au n q u e p rescribía frecuencias, n o ten ía n ad a que decir acerca de intensidades y polarización. Esta era u n a seria deficiencia, ya q u e p ara co m p arar u n espectro derivado teó ricam en te con u n o o b ten id o ex p erim en talm ente, las intensidades deben ser conocidas. B ohr extendió, p o r ta n to , el p rin cip io p a ra cu b rir tam b ién u n a co rrespondencia con las in tensidades clásicas, en concreto, req u irien d o u n a correspondencia entre los cu ad rad o s de los coeficientes de Fourier del m o m en to d ipolar (la m ed id a clásica de la in ten sid ad ) y los coeficientes de p ro b ab ilid ad de tran sició n in tro d u cid o s p o r Einstein en su teo ría de la radiació n de 1916-1917. En 1918 B ohr escribió, «podem os esperar qu e tam b ién p a ra p eq u eh o s valores de n la a m p litu d de las vibraciones arm ó nicas corresp o n d ien tes a u n valor d ado de

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[siendo n —í n -

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p ro p o rc io n ara n de al-

guna m an e ra u n a m ed id a p ara la p ro b ab ilid ad de u n a tran sició n em rc dos estados p a ra los que n - ti” es igual a T » (D arrigol 1992, p. 126). C om o im p o rta n te consecuencia del p rin cip io de correspondencia, si u n a com ponen te arm ó n ica p a rtic u la r es cero, la p ro b ab ilid ad de tran sició n será ta m b ié n cero; es decir, la tran sició n estará «prohibida». De esta m an era, B ohr y sus asistentes aplicaron el prin cip io de co rresp o n d en cia p a ra estim ar intensidades de líneas espectrales y para

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deducir regla$ de selección. Por ejem plo, m ien tras que el físico polaco A dalbert Rubínow icz, u n asistente de Som m erfeld, h abía d ed u cid o la regla de selección A k = o, ± 1 p ara el n ú m e ro cuántico azim utal, B ohr razo n ó a p a rtir de su p rin cip io de correspondencia que las transicio n es A k = o n o p o d ía n ocurrir. La evidencia espectroscópica m o stró que el resultado de B ohr era el correcto. U na de las prim eras y m ás im presionantes aplicaciones del p rin cip io de co rresp o n d en cia íúe debida a H en d rick A. Kram ers, u n joven h o lan d és que estudiaba bajo la dirección de B ohr en C openhague. En su tesis d o cto ral de 919‫ل‬, K ram ers calculó en detalle las intensidades y polarizaciones de las líneas espectrales del hidró g en o , incluyendo los efectos Z eem an y Stark. Sus resultados estaban en b u e n acuerdo, au n q u e n o perfecto, con los datos experim entales. El prin cip io de co rresp o n d en cia era fu n d a m e n ta lm e n te u n invento de B ohr y fue recibido con b astan te escepticism o en A lem ania, d o n d e los p rin cip io s cuánticos más form ales y los p ro ced im ien to s deductivos de S om m erfeld se co n sideraban m ás prom etedores. Para Som m erfeld, el p rin cip io de co rresp o ndencia tenía dem asiado carácte r de «varita m ágica», com o lo d e n o m in ó en la p rim e ra edición de su A tom bau. En 935‫ل‬, K ram er recordaba có m o m u ch o s físicos percibían en uso sem iintuitivo del principio: «En u n inicio, el p rin cip io de co rresp o n d en cia les parecía a los físicos u n a varita m ágica algo m ística, q u e n o fu n cio n ab a fuera de C openhague» (K ragh 1979, p. 156). La m agia de B ohr era p a rtic u la rm en te fuerte, y p articu larm en te confusa, en su uso del p rin cip io de co rresp o n d en cia en su «segunda teo ría atóm ica» de 192 ‫ ا‬- ‫ ا‬92 ‫ق‬, en la cual in ten tó explicar la e stru c tu ra ató m ica de to d o s los elem entos de la tabla periódica. Tom a n d o eclécticam ente de u n a m ezcla de espectroscopia de rayos X, datos quím icos, arg um en to s de co rresp o n d en cia y vagos p rin cip io s de sim etría, B ohr construyó m odelos atóm icos de dos n ú m e ro s (n, k) desde el h id ró g en o hasta el uranio. H asta llegó a derivar la ‫م‬ electrónica p ara el h ip o tético elem ento de n ú m ero atóm ico 118, prediciend o q u e p ertenecería a la categoría de los gases inertes. Al c o n trario de su im agen de 1913, los electrones se m ovían a h o ra en elipses keplerianas y d u ra n te sus órbitas p en etra b a n la región de electrones in tern o s, cau san do con ello u n acoplam iento de los electrones en revolución. B ohr p ro p o rc io n ó u n a exposición global de su teoría duran te u n e n c u e n tro en G otinga en 1922. Su estilo y m a n e ra de p en sar -q u iz á m ás que la teoría m is m a - im p resio n ó p ro fu n d a m e n te a los participantes, en tre los que se enc o n trab a la m ayor p arte de la elite de física ató m ica alem ana. Varios de los jóvenes físicos se fuero n de su p rim e r en cu en tro con el m aestro de la b ru jería atóm ica convencidos del g ran valor del p rin cip io de correspondencia. A unque la teo ría del sistem a periódico de B ohr fuera p ro n to superada p o r teorías m ejores, p o r p rim e ra vez p ro p o rc io n ó u n a explicación razonablem ente satisfactoria de la e stru ctu ra ató m ica de to d o s los elem entos quím icos. En particular, B ohr argum entó que los elem entos de la clase de las tierras raras se caracterizaban p o r u n a acum ulación gradual en el nivel n = 4, desde 3 x 6 electrones en el lan tan o hasta 4 x 8 electrones en el lutecio, con la im plicación de q u e el elem ento desconocido de n ú m ero atóm ico 72 estaría relacionado q u ím icam en te con el circonio y no sería u n a tie rra rara. La predicción de B ohr se verificó a finales de 1922, cu an d o el elem ento 72 (el hafnio)

Saltos cuánticos

153

se descubrió en m inerales de circonio. A unque la predicción no se deducía de la teoría de B ohr sin am bigüedades, el d escu b rim ien to se consideró con generalidad u n a b r‫~؛‬ liante confirm ació n de esta teo ría en p articu lar y de la teo ría cuántica de los átom os en general. C om o se m en cio n ó en el capítulo 10, el d escu b rim ien to condujo a u n p roiongado conflicto de prio rid ad es. Para cada éxito de la teo ría de B ohr-S om m erfeld, existía u n fracaso o u n a anom alía. El á to m o de h id ró g en o (y o tro s sistem as atóm icos de u n electrón) qued ab a ،‫؛‬١٢ llantem ente explicado p o r la teoría, pero hasta el segundo á to m o m ás sencillo, el helio, resultó ser u n problem a. E n tre 1918 y 1922, B ohr y K ram ers en C openhague, Edwin Kemble y John van Vleck en H arvard, Alfred Landé en F ran k fu rt am M ain y James P ra n c k y Fritz Reiche en Berlín investigaron el espectro del helio con las h erram ien tas disponibles de la teo ría cuántica. U tilizaron distin to s m étodos y estrategias, pero el resultado global fue u n ifo rm em en te decepcionante: au n q u e las predicciones de la teoría cuántica no eran to talm en te distintas de lo m edido, las discrepancias eran lo suficientem ente paten tes com o p a ra que la m ayoría de los expertos estuviera de acuerdo con la conclusión de Van V leck en 1922, «alguna m odificación radical de la teo ría cuántica ' de la e stru c tu ra ató m ica parece necesaria» (K ragh 1979, p. 132). Esto quedó incluso m ás claro en 1923, cu a n d o B orn y H eisenberg p resen taro n u n análisis detallado y sistem ático del áto m o de helio y concluyeron que el espectro ob ten id o diferia del observado. Esto era, com o B orn escribía a Bohr, un a «catástrofe» (f)arrigol 1992, p. 177). El efecto Z eem an an ó m alo en los áto m o s con m uchos electrones no era m enos catastrófico. D u ra n te 1920-1924, m u ch o s físicos atacaron el problem a, incluyendo a Landé, q u ien p u d o p ro p o rc io n a r u n a explicación fenom enológica de la observada separación de las líneas espectrales. Sin em bargo, ni Som m erfeld, Pauli, H eisenberg ni otros físicos q u e se o cu p aro n del p ro b lem a p o d ía n justificar sus resultados en térm inos de la teo ría cuántica. «Es u n a g ran desgracia lo de la teoría del efecto Z eem an anóm alo», escribió Pauli a S om m erfeld el 19 de ju lio de 1923. A ñadió que la desgracia involucraba a «todos los áto m o s q u e co n ten g an m ás de u n electrón» (M ehra y Rechenberg 1922, pp. 1, 502). De hecho, la desgracia n o estaba lim itad a a los áto m o s con m ás de u n electrón. H asta sistem as con u n solo electrón d a b an problem as, au n q u e esto se adm itía con m ás reticencias p o r p arte de los físicos que q u erían creer q u e la teoría de los átom os de hidrógeno estaba en perfecta form a. En 1921-1923 el ió n de la m olécula de h idrógeno H ^ ) fue investigado p o r Pauli e, in d ep en d ien tem en te, p o r Karl F. Níessen en los Países Bajos. La energía de ionización calculada n o conco rd aba con los experim entos que se realizaron p oco después, © tra an o m alía fne el d escu b rim ien to de © tto © ldenberg en 1922, en la U niversidad de M ú n ich , de que las líneas del h idrógeno exhibían u n efecto Z eem an an ó m alo en bajos cam p o s m agnéticos (al c o n tra rio del efecto Z eem an n o rm al en cam pos m ás elevados). D e acuerdo a la teo ría de B ohr-Som m erfeld, este efecto, d e n o m in a d o de Paschen-B ack (p o r Friedrích Paschen y F.rnst Back, quienes lo ’

en 1912) n o debería o c u rrir en el hidró g eno. En 1924 se llegó a la con-

clusión de que la teo ría cuántica n o p o d ía d escribir el caso de u n electrón m o v ién d o

154


se en cam p o s cruzados m agnético$ y eléctricos. A dem ás, el enlace covalente entre, por ejem plo, dos áto m o s de h id ró g en o , se ،seguía sin expiicar; en general, la teoría cuántíca de los físicos tenía poco q u e ofrecer a los quím icos. A finales de 1924, R obert Mulliken concluía a p a rtir de su estudio de los espectros m oleculares que el estado m ás bajo del oscilador a rm ó n ico n o era cero, sino que estaba d ad o p o r 1/2 h v. La existencia de u n a energía del p u n to cero estaba de acuerd o con la m alograda teoría de Planck de 191 f, pero n o con los desarrollos posteriores. £1 p ro b lem a era que de acuerdo con la teoría de B ohr-S om m erfeld, n o debería h ab er u n a energía del p u n to cero, al con trario del d s c u b r im ie n to de M ulliken. Finalm ente, en tre 1921 y 1924 se estableció experim en talm en te que los electrones lentos p e n e tra n lib rem ente u n gas de argón a pesar de los firertes cam pos de fuerzas interatóm icas. Este efecto, d e n o m in ad o de lâmsauer, descubierto (en tre o tro s) p o r el físico de H eidelberg C ari Ram sauer, se reconoció com o u n fen ó m en o cuán tico de algún tipo, p ero n o se p u d o explicar. Existían p o r ta n to m uchos ex perim en to s relevantes y h echos q u e la teo ría de E o h r-S om m erfeld era incapaz de explicar y, en este sentido, eran anom alías. Sin em bargo, ‫ ظ‬m ayoría de ellos n o se consideraban p roblem as m u y serios y resu ltaro n ser de im p o rtan cia lim itada en el proceso que creó la crisis cuántica en 1924, ap ro x im ad am ente, ? o r ejem plo, la m ayoría de los fisicos ig n o raro n o m in im izaro n la incapacidad de explicación de la teoría para dar cu enta de las valencias, e incluso la an o m alía del ió n de la m olécula de hid ró g en o no se consideraba u n p ro b lem a p rin cip al de la m ism a n aturaleza que el áto m o de helio y el efecto Z eem an anóm alo. En 1924, la acu m u lació n de anom alías experim entales, ju n to con u n a falta de satisfacción generalizada con la e stru c tu ra lógica y conceptual de la teoría cuántica existente, llegaron a crear u n a situación de crisis en la p eq u eñ a co m u n id ad de físicos atóm icos. Varios físicos concluyeron que ‫ ظ‬teo ría de B ohr-Som m erfeld era irrem ediablem ente erró n ea y debía reem plazarse con alguna o tra teoría. P or otro lado, dados sus m uchos éxitos, la «vieja» teo ría atóm ica difícilm ente p o d ía estar co m pletam ente equivocada )' se esperaba g eneralm ente que estuviera relacionada con la nueva teoría cuántica mediante algún tip o de p rin cip io de co rrespondencia. M ax B orn creía en 1923 que «todo el sistem a de conceptos de la física debe reconstruir.se desde abajo hasta arriba» (Form a n 1968, p. 159). Fue tam b ién B orn el que acu ñ ó el té rm in o «m ecánica cuántica» en u n artículo de 1924, en el que se o cu p ab a de la prob lem ática tra d u cc ió n de las fórm ulas clásicas a sus análogos en la teo ría cu án tica m ed ian te el prin cip io de correspondencia. Se reconocía lo in ad ecu ad o de la teo ría de B ohr-Som m erfeld y se señalaba un n o m b re -m e c á n ic a c u á n tic a - p a ra su sucesora. P or desgracia, n in g u n o sabía el aspeeto que ten d ría esta fu tu ra m ecánica cuántica. La p rim e ra teo ría cu án tica se cultivaba en tres centros de investigación en particu lar. En M ú n ich , Som m erfeld estableció su im p o rta n te escuela con científicos com o Epstein, R ubinow icz, C regor W entzel y W ilhelm Lenz en tre sus colaboradores. B orn se em pezó a interesar en teo ría ató m ica relativam ente tarde, sólo en 1921 tra s h ab e r liegado a ser catedrático en C otinga; con asistentes com o Pauli, Friedrich H u n d y Pascual lo rd an , hizo de G otinga u n centro m u n d ial de la teo ría cuántica. Existían estrechas co-

Saltos cuánticos

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TABLA 11.1 Físicos visitantes extranjeros en C openhague, 1919-1930 N om bre

A ños

E dad

País

1929,1930

20

Países Bajos

C. D arw in

1927

40

G ran B retaña

D. D en n iso n

1924-1926, 1927

24

EEU U

P. D irac

1926-1927

24

G ran B retaña

R. Fow ler

1925

36

G ran B retaña

J. F ranck

1921

39

A lem ania

E. Fues

1927

34

A lem ania

G. G am ow

1928-1929,1930

24

URSS

S. G o u d sm it

1926, 1927

24

Países Bajos

H . C asim ir

D. H artree

1928

31

G ran B retaña

W. H eisenberg

1924-1925,1926-1927

22

A lem ania

W. H eitler

1926

22

A lem ania

G. Hevesy

1920-1926

35

H u n g ría

E. H ückel

1929

33

A lem ania

F. H u n d

1926-1927

30

A lem ania

P. Jordan

1927

25

A lem ania

O. Klein

1918-1922,1926-1931

24

Suecia

H . K ram ers

1916-1926

22

Países Bajos

L. L andau

1930

22

URSS

A. Landé

1920

32

A lem ania

N. M o tt

1928

23

G ra n B retaña

Y. N ishina

1923-1928

33

Japón

W. Pauli

1922-1923

22

A ustria

L. P auling

1927

26

EEU U

S. R osseland

1920-1924, 1926-1927

26

N o ru eg a

A. R ubinow icz

1920,1922

31

P olonia

J. Slater

1923-1924

23

EEU U

L. T h o m as

1925-1926

22

G ra n B retaña

G. U h len b eck

1927

30

Países Bajos

H . U rey

1923-1924

30

EEU U

I. W aller

1925-1926,1927,1928

27

Suecia

Nota: Esta lista no es completa. La edad se refiere a la edad del físico en su prim era visita. Todos los fí sicos visitantes trabajaban con Bohr en la Universidad de Copenhague, desde 1921 en el Instituto de Fí sica Teórica de Bohr. Los 63 físicos visitantes por al m enos un mes entre 1920 y 1930 eran de 17 países, siendo el mayor núm ero de visitantes de los Estados Unidos (14), Alemania (10), Japón (7), Inglaterra (6) y los Países Bajos (6). Fuente: Robertson 1979.

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nexiones en tre los dos centros alem anes, u n ejem plo de lo cual eran Paul‫ ؛‬y H eisenberg, estudiantes de Som m erfeld, que llegaron a G otinga desde M únich. Fue B ohr en C openhague, sin em bargo, la fuerza d o m in a n te en la p rim era fase de la teoría atóm ica. U n nuevo institut(-) universitario de física teórica, conocido generalm ente com o el «Instituto de Bohr» se fu n d ó en 1921 y atrajo a u n g ran n ú m ero de visitantes de todo el m u n d o . Tanto antes com o después de la m ecánica cuántica, se reconocía que el institu to de B ohr era la m eca de la teo ría ató m ica (tabla 11.1).

La mecánica c á n t ic a de Heisenberg £1 cam ino hacia la m ecánica cuántica pasaba p o r la teoría de la radiación, e incluía com o u n im portante com ponente los intentos de construir teorías m ecánico-cuánticas de la dispersión basadas en ecuaciones en diferencias, en vez de diferenciales. Este trabajo lo llevaban a cabo B orn y sus colaboradores en Gotinga, y tam bién en Copenhague, donde K ram ers había estado profundam ente ocupado con el problem a de la dispersión. En otoño de 1924, K ram ers y H eisenberg publicaron u n a im p o rtante teoría de la dispersión que, en retrospectiva, puede considerarse el p rim er paso decisivo hacia la nueva mecánica cuántica. El problem a de la radiación se había convertido p o r aquel entonces en un o agudo, especialm ente com o resultado del descubrim iento p o r parte de A rthur C om pton en 1923 de que los pulsos de rayos X m onocrom áticos actúan com o partículas con m om entos y energía de acuerdo con ‫ ظ‬vieja hipótesis cuántica para la (uz (p = h v /c y E = hv, siendo V la frecuencia). U na conclusión sim ilar se obtuvo independientem ente p o r Debye en Zúrich. El im portante descubrim iento de C om pton causó gran preocupación en Copenhague, donde Bohr se resistía firm em ente al cuanto de luz, o la interpretación fotónica. C om o alternativa, B ohr y K ram ers desarrollaron una idea de John Slater en una teoría de radiación no fotónica. La teoria Bohr-K ram ers-Slater de 974‫ ا‬estaba basada en la noción de «osciladores virtuales» y la suposición de que ‫ ظ‬energía se conservaba sólo estadísticam ente en l a s ' ' entre átom os y radiación. Bohr y sus colaboradores abandonaron no sólo la conservación de la energía estricta, sino que tam bién argum entaron que los procesos radiactivos no se podian describir causalm ente en tiem po y espacio. A unque la controvertida teoría Bohr-K ram ers-Slater tuvo u n a corta vida -q u e d ó abandonada cuando W alther Bothe y H ans Geiger m ostraro n en ‫ ظ‬prim avera de 1925 que no se correspondía con los ex perim entos- fue m uy influyente y guió a H eisenberg en su pensam iento posterior. Bohr aceptó la refutación experim ental, pero ¡١© el fotón. Bohr, K ram ers, H eisenberg y Pauli discutieron la creciente crisis en la teo ría cuántica en u n en cu en tro en C open h ag u e en marz© de 1925. U nos m eses después, de vuelta a G otinga, H eisenberg en c o n tró u n a m a n e ra de fo rm u lar u n a teoría cuántica abstrac ta que p ro m etía ser fu n d am en tal, lógicam ente consistente y libre de las dificultades de la teo ría de B ohr-S om m erfeld. El tem a conceptual co n d u cto r de la nueva teo ría era, com o H eisenberg escribió en su breve resu m en de su sem inal articulo en Z eitschriftfür Physik el 18 de septiem bre de 1925, la b ú sq u ed a de u n «firndam ento para u n a mecánica cuántica teó rica fo n d ad a exclusivam ente en relaciones en tre cantidades que son

Saltos cuánticos

157

en prin cip io observables». M ás adelante en el artículo, elaboró este p u n to : «Parece sensato descartar to d a esperanza de observar cantidades h asta a h o ra inobservables, com o ‫ ظ‬posición y el p e rio d o del electró n [...] En vez de eso, parece m ás razonable in te n tar establecer u n a m ecánica cu án tica teórica, análoga a la m ecánica clásica, pero en la cual sólo aparezcan relaciones en tre cantidades observables». El criterio positivista de observabilidad era la base filosófica de la teoría, pero n o se tra ta b a de u n cim iento p articularm ente nuevo o controvertido. La idea de que la teo ría cuántica debería c o n stru irse sobre cantidades observables, y de que p o r ta n to había que rechazar las órbitas electrónicas, fue entonces am p liam en te d iscutida, especialm ente p o r parte de Pauli y B orn. Ya en 1919, en conexión con u n a critica de la teoría unificada de gravitación y electrom agnetism o de Weyl, Pauli había enfatizado que sólo las cantidades observables d eberían figu rar en teorías físicas. En ‫ ظ‬prim av era de 1925, B orn y Jordán rep itiero n el m ism o m ensaje en u n contexto m ecánico-cuántico, llam ándolo «un p rin cip io fundam ental de gran im p o rta n c ia y fertilidad». D e to d o s m odos, n o existía u n cam ino claro desde el p rin c ip io de o b servabihdad a ‫ ط‬m ecánica cuántica, las raíces de la cual se pueden en c o n tra r sobre to d o en el sofisticado uso p o r p arte de H eisenberg del p rincipio de corresp o n d en cia de B ohr y su in ten sa in teracció n intelectual con Pauli. Para p ro p o rc io n a r u n a im agen ta n sólo apro x im ad a del razo n am ien to de H eisenberg, considerem os ‫ ظ‬co o rd en ad a de posición de u n electrón en un átom o, x(n,t), d o n d e n pued e d e n o ta r la energía. El electrón p u ed e realizar u n m o vim iento periódico con frecuencia cú(n). A unque x (n ,t) n o es u n a can tid ad observable, se p u ed e escr‫؛‬bir c o m o .u n a serie de P ourier, y los té rm in o s de ésta p u e d en relacionarse con observables; es decir, se p u ed e escribir com o ‫ ) ض » ة‬e x p [iaaj(« )íj, d o n d e el su m ato rio es sobre los valores enteros de a . La expresión se caracteriza p o r u n juego doble de indices, n y a , y H eisenberg sugirió q u e el té rm in o clásico ‫ )«( وه‬exp[ia،jü(«)f] correspondía al térm ino cuántico a{n, n - a ) exp[iüj(tt, n - a )í]. La nueva m agnitud era u n a m atriz o tabla de sím bolos que dependía de la transición entre los dos estados cuánticos n y n Heisenberg encontró que la m ultiplicación de dos tablas cuánticas de este tipo, x e y , no satisfacía la ley conm utativa, es decir, que xy era distinto de yx. Éste era un resultado m isterioso, y al principio H eisenberg lo consideró más desconcertante que im portante. La nueva «reinterpretación» (U m deutung) de la m ecánica p o r parte de H eisenberg era altam ente abstracta y no se entendía fácilm ente, ni tan siquiera p o r el m ism o Heisenberg. La teoría conducía a algunos resultados físicos, au nque al principio no fueran m uy impresionantes. H eisenberg planeaba al principio aplicar su teoría al átom o de hidrógeno, pero descubrió que incluso este sencillo caso era dem asiado com plicado para resolver. Por ‫؛‬o tanto se centró en el caso m enos realista, pero sin ser trivial, del oscilador inarm ónico, que consiguió tra ta r satisfactoriam ente. Al m ism o tiem po, p u d o ofrecer u n a justificación de la condición de frecuencia de Bohr (E - E m = hv n m ١ Vlas condiciones de cuantización ' n ' ' de Bohr-Som m erfeld. Para el oscilador arm ónico, encontró el espectro de energías En = ‫ ا‬n + 1/2) hv derivando así ‫ ظ‬energía del p u n to cero que había recibido u n reciente apoyo de la espectroscopia molecular. En Gotinga, B orn pro n to se dio cuenta de la im portancia de ‫؛‬a teoría de H eisenberg,‫ ظ‬cual exam inó y extendió en u n artículo escrito con Jordán. Bohr

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se dio cuenta de que la m ultiplicación sim bólica n o conm utativa de H eisenberg se podía escribir utilizando el cálculo m atricial y que las variables m ecánico-cuánticas eran m atri ces. Sobre esta base, B orn y Jordán pro b aro n la relación fundam ental de conm utación en tre m om ento y posición: p q - qp = (h l 2 ttí) 1, siendo 1 la m atriz unidad. C on el conoci m iento de que el cálculo m atricial estaba diseñado p ara la m ecánica cuántica, las cosas progresaron rápidam ente. La teoría de H eisenberg quedó establecida sobre una firme base en noviem bre de 1925 con el fam oso «artículo de los tres hom bres» (Dreimannerarbeit) de Born, H eisenberg y Jordán. Sin utilizar (o sin tener idea de) matrices, la teoría tam bién fue desarrollada p o r u n tal Paul D irac de 23 años en la Universidad de C am bridge. En el o toño de 1925, D irac tenía preparada su p ropia versión de la m ecánica cuán tica, construida sobre u n a traducción de los productos de H eisenberg de dos cantidades cuánticas ( x y - y x ) a los corchetes de Poisson que se conocían de la dinám ica clásica. M u chos de los resultados que B orn, H eisenberg y Jordán hallaron fueron obtenidos inde pendientem ente p o r Dirac, cuya versión algebraica de la m ecánica cuántica sería conoci da com o el álgebra de núm eros q. Fuera cual fuera la versión, la nueva m ecánica cuántica era m ás im presionante des de u n p u n to de vista m atem ático que desde u n o em pírico. M uchos físicos eran escépti cos p o r la falta de visibilidad de la teoría y su poco fam iliar form alism o m atem ático. Q u erían ver si la teo ría tam b ién era em píricam ente fructífera y po d ría considerar siste m as físicos sim ples que o cu rrie ra n de verdad en la naturaleza. U n requerim iento m ín i m o era que p u d iera rep ro d u cir el espectro del hidró g en o de acuerdo con la vieja teoría de Bohr. Pauli y D irac tra ta ro n in d ep en d ien tem en te el áto m o de hidrógeno no relati vista de acuerdo a la m ecánica cuántica y m o stra ro n a principios de 1926 que p ro p o r cionaba los resultados correctos. P or aquel entonces, la hipótesis del éspín electrónico había sido in tro d u cid a a p a rtir de evidencia experim ental de los físicos holandeses Sa m uel G oud sm it y G eorge U hlenbeck. Este extrem adam ente im p o rtan te descubrim ien to no fue bien recibido en absoluto p o r los creadores de la m ecánica cuántica. Al p rin cipio B ohr y Pauli rechazaron la idea del espín del electrón, entre otras razones porque parecía inconsistente con la estru ctu ra fina del hidrógeno. En cam bio, u n análisis mas detallado d em o stró que n o existía conflicto entre el espín y la m ecánica cuántica, y en la prim avera de 1926 H eisenberg y Jordán u tilizaron u n a form a sim ple de la m ecánica cuántica del espín p ara derivar la estru ctu ra fina del hidrógeno en aproxim ado acuerdo con la fó rm u la de Som m erfeld. Esto fue satisfactorio, y fue incluso m ás satisfactorio que tam bién o b tu v ieran con éxito u n a explicación del efecto Z eem an anóm alo, el viejo enigm a que la p rim e ra teoría cuántica había arrastrado. Sin em bargo, éstas eran sólo re producciones de resultados que ya se conocían. H asta el m om ento, la m ecánica cuánti ca no había p ro d u cid o ni u n a sola predicción de u n fenóm eno nuevo.

La ecuación de Schródinger El austríaco E rw in S chródinger, catedrático de física en la U niversidad de Zurich. n o pertenecía a la trad ició n de C o p en h ag u e-G o tin g a-M únich. H abía trabajado en va

Saltos cuánticos

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rios cam pos, incluyendo radiactividad, relatividad general, te rm o d in ám ica y teoría de los gases, pero n o había m o strad o m u ch o interés p o r la espectroscopia ni la teoría atómica. C uan d o em pezó a d esarrollar la m ecánica o n d u lato ria, conocía la nueva teoría de H eisenberg, pero era u n a teo ría q u e n o le resu ltab a atractiva y que n o le inspiraba. Por el co n trario , com o escribió en u n o de sus artículos de 1926 sobre m ecánica o n d ú latoria, «no ten ía n in g u n a conciencia en absoluto de u n a relación genética con H eisenberg. N atu ralm en te, conocía su teoría, pero p o r los m étodos de álgebra trascendental que, p ara m í, p arecían m u y difíciles y p o r la falta de claridad de visualización [Anschaulichkeit], m e sentía d esan im ad o con respecto a ella, p o r no decir repelido» M oore 989‫ل‬, p. 205). C o m p arad o con H eisenberg, D irac, Jordán y Pauli, E rw in Schródinger no era sólo conservador, sino que, a sus 39 años, tam b ién era «mayor». Pero no file un caso sin rem edio, com o q u ed aría claro. En 1925, m ien tras trab ajab a en la teoría de los gases, Schródinger estudió el trab aio de un físico francés relativam ente desconocido, Louis de Broglie, quien sugirió en su tesis de 1924 u n a p ro fu n d a d u alid ad en tre m ateria y ondas. En u n in te n to de u n ir la teoría cuántica y la relatividad, D e Broglie p ro p u so co m b in ar las dos fórm ulas de E‫؛‬nstein de 1905 p ara la energía de los cuan to s de luz y de m ateria m ediante la sencilla pero especulativa relación hv = me2. Es decir, de acuerdo a D e Broglie, a u n a p artícula de m asa m se le p o d ría asignar u n a frecuencia y se p o d ría caracterizar con u n a o n d a de fase. D e Broglie utilizó su idea p a ra p ro p o n e r u n a in terp retació n o n d u la to ria de la condición de cuantización de Som m erfeld y ‫)؛‬redecir que u n haz de electrones m oviéndose con m o m e n to p exhibiría u n a n atu raleza o n d u lato ria con u n a lo n g itu d de on d a dada p o r X = h/p. Este resultado, válido p ara to d o tip o de partículas y derivado u lterio rm en te a p a rtir de la m ecánica cu án tica define la fam osa lo n g itu d de o n d a de De Broglie. La teoría n o fue recibida favorablem ente y fue ig n o ra d a p o r la m ayor p arte de los físicos ftrera de París. La física teórica francesa tenía u n a p o bre rep u tació n entre los físicos atóm icos y n o se esperaba que n ad a interesante p u d iera venir de París. El boicot oficial francés a la física alem ana n o hizo que las cosas fueran m ás fáciles p a ra que se apreciara u n destello del genio de París. Sin em bargo, Einstein e n co n tró algunas de las ideas de D e Broglie útiles p ara su p ro p io trab ajo sobre la teo ría cuántica de gases (estadística de Bose-Einstein) y, a través de E instein, fúeron asum idas p o r Schródinger, estan d o este ú ltim o tam b ién interesado p rin cip alm en te en la teoría de D e Broglie en conexión con la teo ría de gases, pero que a finales de 1925 se co n cen tró en u n a nueva teo ría o n d u la to ria de los áto m o s in sp irad a p o r el dualism o o n d a-p a rtíc u la de De Broglie. El resultado fue u n a ecuación o n d u la to ria p a ra el á to m o del hidrógeno que, al resolverse, p ro p o rc io n a ría los autovalores de la energía: es decir, el espectro. Esta p rim era ecuación de S chródinger era, de acuerdo con la teoría de D e Broglie, totalm ente relativista y, p o r lo tan to , se esperaba que p ro p o rc io n ara la fó rm ula de estructu ra fina de Som nrerfeld. C u an d o S chródinger consiguió resolver finalm ente la ecuación, en co n tró sin em bargo que, au n q u e sí que p ro p o rcio n a b a u n a fó rm u la para la e stru c tu ra fina, n o re p ro d u cía el espectro correcto. Algo h abía ido m al, y Schródinger decidió p u b licar sólo la apro x im ació n n o relativista y la fó rm ula de B ohr resultante.

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El trab ajo de Schródinger sobre m ecánica o n d u la to ria apareció en cu atro largos ar tículos en A nnalen der Physik en la p rim avera y verano de 1926, bajo el títu lo com ún «La cuan tizació n com o u n p ro b lem a de autovalores». El físico austríaco in tro d u jo su ecuación o n d u la to ria fu n d a m e n ta l de distintas m aneras, n in g u n a de las cuales refleja ba la ru ta que o rig in alm en te le hab ía co n d u cid o a la ecuación. Lo im p o rta n te era la m ism a ecuación p a ra los autovalores de la energía, la cual escribió com o A4* + 8iT2m / / j 2( £

- V) - 0 p a ra u n a p artícu la so m etid a a u n a fuerza con energía potencial

V.

Para el áto m o de hidró g en o , V = -e^lr. S chródinger hizo n o ta r que la ecuación se se guiría de la ecuación de m o v im ien to clásica E = p 2l 2 m + V si el m o m e n to se reem plazara p o r el o p erad o r diferencial h l2ttí d /d x actu an d o sobre la función o n d u la to ria ،‫؛؛‬. La cuantizació n n o se in tro d u c ía axiom áticam ente sino que, de algún m o d o , se expli caba, req u irie n d o que la ecuación de o n d as que satisficiera la ecuación fuera univaluada. Siguiendo la m ism a línea, Schródinger creyó h ab er explicado los saltos cuánticos d iscontin u o s de B ohr en té rm in o s de la teoría o n d u lato ria, u n a n o ció n que le disgus tab a p ro fu n d a m e n te . «Es escasam ente necesario señalar», recordaba a los lectores de Annalen, «cuánto m ás gratificante sería concebir u n a tran sició n cuántica com o u n in tercam bio de energía de u n m o d o de v ib ració n a o tro que la co n tem p lara com o u n sal to de electrones. La v ariación de los m o d o s de vibración p o d ría tratarse com o u n pro ceso co ntin u o en tiem p o y espacio y que sería tan largo com o lo que persistiera el proceso de em isión» (Jam m er 1966, p. 261). De m o d o similar, en u n a carta a Lorentz, Schródin ger describió el m odelo de em isión de luz de B ohr com o «m onstruoso» y «realmente, casi inconcebible». Estaba evid en tem en te em o cio n ad o de poderse lib ra r de tales m o n s truosidades: «Estaba ta n ex trem ad am en te feliz, p rim ero , de h ab er llegado a u n a im a gen en la cual p o r fin u n a cosa ux>tra realm ente o cu rre con la frecuencia que observa m os en la luz em itid a que, con el acelerado aliento de u n fugitivo perseguido, m e lancé sobre este algo en la fo rm a en la cual se m e ofreció de la m an era m ás inm ediata, que era con las am p litu d es sub ien d o y b ajan d o p erió d icam en te con las frecuencias del p u l so» (M acK innon 1982, p. 234). En verano de 1926, Schródinger in tro d u jo el op erad o r energía E = -h /27ti d /d t y fo rm u ló la ecuación o n d u la to ria dep en d ien te del tiem po com o í/j/2tt díJj/rJt = Hij) o sim p lem en te Hi\> = Ex\>, siendo 4‫ ؛‬u n a fu n ción ta n to de las coordenad as del espacio com o del tiem p o y H el o p e ra d o r de H am ilton. Al m ism o tiem po, se dio cu en ta de que la fu n ció n de o n d as tenía que ser u n a fu n ción com pleja (en el sentido m atem ático ) y no, com o h ab ía creído antes, real. La m ecánica o n d u la to ria de S chródinger presen taba grandes ventajas sobre los sis tem as de m ecánica cuántica rivales. En p articular, se co n stru ía con operaciones y con ceptos m atem áticos b ien conocidos en o tras áreas de la física teórica y era p o r tanto m u ch o m ás fácil de u tilizar en cálculos prácticos. Los físicos que no estaban bien fa m iliarizados con los m éto d o s m atem ático s p o d ía n consultarlos en M ethods o fM a th em atical Physics de R ichard C o u ra n t y D avid H ilb ert, que apareció en 1924 y resultó cu b rir ju sta m e n te los m éto d o s q u e se necesitaban en la nueva m ecánica cuántica. Ade m ás de facilitar los cálculos, la m ecánica o n d u la to ria era tam b ién m en o s abstracta que la m ecánica m atricial y, de acu erd o a m u ch o s físicos, preferible desde u n p u n to de vis

Saltos cuánticos

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ta conceptual. La m ayoría de los resultados derivados p o r S chródinger eran u n duplicado de los resultados ya o btenidos, p o r lo general de u n a m an era m ás aparatosa, m ed iante m ecánica cuántica. P or ejem plo, S chródinger en c o n tró que los autovalores del oscilador a rm ó n ico eran En = { n + \/2 )h v , el m ism o resultado que había hallado Heisenberg. ¿Cóm o p o d ía ser que la m ecánica cuántica y la o n d u lato ria, dos teorías basados en conceptos naturales com pletam ente distintos y utilizando herram ientas m atem áticas m uy distintas, p ro d u jeran los m ism os resultados cu ando se aplicaban a sistemas físicos simples? Se sospechaba que las dos teorías eran equivalentes m atem áticam ente (pero no físicam ente) desde hacía tiem p o y, en la prim av era de 1926, S chródinger p ro bó que cualq u ier ecuación m e cán ico -o n d u lato ria p o d ía trad u cirse en u n a ecuación co rrespondien te en m ecánica cu án tica o m atricial, y viceversa. C ari Eckart en Estados U nidos p ro p o rc io n ó u n a p ru eb a de equivalencia sim ilar de m anera independiente, y tam b ién Pauli, q u e n o se m olestó en publicarla. En cu an to a la cuestión de la n atu raleza y signifación de la función de onda, Schród inger no era m u y claro. P or u n tiem po, q u ería e n te n d e r las partículas com o consistentes en ondas, es decir, c o n stru ir partículas solam ente de paquetes de o n d a concentrados. Sin em bargo, su m odelo o n d u la to rio de la m ateriá en c o n tró dificultades y m ás adelante en 1926, Schródinger sugirió q u e la fun ció n de ondas, a través del p ro d u cto ‫( * ﺑﻤﺪ‬d o n d e ‫ * ﻟﻴﺎ‬es el com plejo conjugado de ‫ ) ﺛﺈأ‬era u n a suerte de firnción peso eléctrica, con la den sid ad de carga representada p o r ‫أﻟﺒﻢﺀ إل‬ . D e acuerdo con esta im agen, el electrón no era p o r ta n to u n a p artícu la ‫؛‬ocalizada con precisión, sino que estaba rep artida p o r el espacio. Poco después Born, en u n estudio de procesos de colisión, sugirió su fam osa in terp retació n probabilística, según la cual la de que la partícu la esté en el estado 4‫ ؛‬en el elem en to de v o lu m en

dv. La in terp re tació n

de B orn, ráp id a m e n te ad o p tad a y desarrollada p o r Pauli, Jordán, D irac y otros, fue de gran im p o rtan cia p o rq u e in tro d u jo explícitam ente u n elem ento de p ro babilidad irreductible en la m icrofísica. Esto im plicaba u n cam bio en el significado de las leyes naturales, pero n o q u e las leyes causales n o fireran ya fúnd am entales en física. C om o form uló B orn en su artícu lo del verano de 1926, «el m o v im ien to las partículas se pliega a las leyes de la prob ab ilid ad , pero esta p ro b ab ilid ad se p ropaga de acuerdo a la ley de causalidad» (Jam m er 1966, p. 285). La m ecánica o n d u la to ria de S chródinger se recibió inicialm ente con cierto escept¡cism o, y a veces incluso con h o stilidad, en tre los teóricos cuánticos en C o tinga y Copenhague. Tendían a con siderar el énfasis en v irtu d es ciásicas com o la c o n tin u id a d esp acio-tem poral y la visualización com o u n paso retró g rado. H eisenberg in fo rm ó a Pauli que en co n trab a la teo ría de Schródinger «desagradable». p©r o tro lado, reconocían la ftrerza del sistem a de S chródinger y, tras las p ru eb as de equivalencia, la m ayoría de ellos a d o p ta ro n u n a a c titu d p rag m ática hacia las dos fo rn ic a c io n e s rivales de la m ecánica cuántica. La m ayoría de los físicos utilizaba el lenguaje y m atem áticas de la m ecánica o n d u lato ria, p ero in te rp re ta b an la teo ría de S chródinger de acuerdo con las ideas de Bohr, H eisenberg y B orn. Tras la in terp retació n probabilística de la m ecánica cuántica de B orn, Ja p reg u n ta de có m o generalizar la in terp retació n y

'

con

162


la m ecánica m atricial pasó a p rim e r térm in o . El paso esencial en este proceso, que lle varía a u n form alism o co m p letam en te general y unificado de la m ecánica cuántica, fue la teoría de tran sfo rm acio n es desarrollada p o r D irac y Jordán de m an era in d e p en diente a final de 1926. C o n esta teoría, la m ecánica cuántica obtuvo u n a elegante es tru c tu ra m atem ática y la diferencia en tre las fo rm ulaciones de S chródinger y H eisen berg p ro n to p erd iero n casi to d a su significación anterior. Incluso en este satisfactorio estado, y las m ú ltiples aplicaciones exitosas de la m e cánica cuántica en la espectroscopia y en o tras áreas de la física, la teoría no dejaba de ten er problem as. Estaba, p o r ejem plo, la cuestión de la relación entre la relatividad y la m ecánica cuántica. En el caso de que la m ecánica cuántica fuera realm ente u n a teoría fu n d am en tal del m icrocosm os, debería ser consistente con la teo ría fu n d am en tal de los cuerpos m acroscópicos, la teo ría (especial) de la relatividad. Sin em bargo era obvio desde el p rin cip io que esto n o era así. La ecuación de S chródinger es de segundo orden en derivadas espaciales y de p rim e ro en la derivada tem p o ral, en co n tradicción con la teoría de la relatividad. N o era d em asiado difícil c o n stru ir u n a ecuación de ondas cuántica relativista, com o Schródinger h abía hecho en privado y com o O skar Klein, W alter G o rd o n y varios físicos hiciero n en 1926-1927. Por desgracia, esta ecuación, co nocida com o la ecuación de K lein-G ordon, n o p ro p o rcio n a b a la e stru ctu ra fina del h i drógen o co rrecta y resultó im posible de c o m b in ar con la teo ría del espín que Pauli h a bía pro p u esto en 1927. La solución apareció en enero de 1928, cu an d o Pauli publicó su clásico artícu lo «La teo ría cuántica del electrón», q ue incluía u n a ecuación o n d u la to ria relativista que in c o rp o ra b a au to m áticam en te el espín correcto. La ecuación de D i rac era de la m ism a fo rm a general que la de Schródinger, Hi\¡ = ihl2i\ ck\)fc)t, pero la fu nción de H am ilto n era de p rim e r o rd e n en 349/ ‫؛‬x incluyendo m atrices con cu atro fi las y cu atro colum nas; p o r tan to , la ecuación o n d u lato ria de D irac tenía cu atro co m ponentes. Es notab le que, sin in tro d u c ir el espín del electrón al p rincipio, la ecuación conten ía el espín correcto. La nueva teo ría se aceptó ráp id a m en te cu an d o se vio que la ecuación de autovalores de D irac p a ra u n áto m o de hid ró g en o p ro p o rc io n ab a exacta m ente la m ism a ecuación p a ra la energía que Som m erfeld hab ía derivado en 1916. La ecuación o n d u la to ria relativista de D irac m arcó el final de la fase p io n era y heroica de la m ecánica cuántica, y tam b ién m arcó el p rin cip io de u n a nueva fase. P ro n to quedó claro que la ecuación co n ten ía sorpresas, sutilezas y problem as que D irac jam ás habría im agin ad o al derivarla.

Difusión y recepciones La m ecánica cuántica se d ifu n d ió ráp id a m e n te desde G otinga y los o tro s centros d o n d e se h ab ía co n stru id o o rig in alm en te la teoría. La tra n sm isió n de nuevas ideas y resultados tuvo lugar fo rm alm en te, a través de revistas científicas, adem ás de in fo r m alm en te, a través de conferencias e in tercam b io de cartas y m anuscritos. La red in form al o rganizada alrededor de G otinga y C open h ague incluía sólo a u n p eq u eñ o g ru po de físicos europeos, y co n tab an con la ventaja de unas com unicaciones rápidas

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frente a los q u e q u ed ab an fiiera de ella. D esde el verano de 1925 a la prim avera de 1926, las publieaeiones sobre m ecánica cuántica se d isp araron; al p rincipio, su n ú m ero se duplicaba cada dos m eses. E ntre julio de 1925 y m arzo de 1927, se enviaron a las revistas científicas m ás de 200 artículos sobre la nueva teoría; el tiem p o que m ediaba entre la recepción de u n m an u scrito p o r los editores y la ap arición im presa era a m en ú do m uy corto: sirva com o ilu stració n el artícu lo de D irac sobre el espectro del hidrógeno q u e se recibió en los Proceedings of t h e Poya¡ Society el 22 de enero de 1926 y se publicó el 1 de m arzo de ese año. Incluso m ás ráp id a fue la publicación del artículo de B orn sobre problem as de colisión, en el q u e in tro d u jo la in terp retació n probabilística. Z eitsch riftfü r Physik recibió el artícu lo el 25 de ju n io de 1926 y se publicó el 10 de julio. Las velocidades de publicación te n ía n u n a explicación: de acuerdo con la política de Zeitschrift, cu alq u ier físico «reputado» p o d ía p u blicar su artículo sin necesidad de arbitraje. M ax B orn era sin d u d a u n físico rep u tad o . En el caso de los Proceedings, u n m iem b ro plen ario (fellow ) de la Roya! Society po d ía p ro p o n e r artículos de o tra persona y, de este m o d o , evitar la necesidad de árb itro s. El artículo de D irac lúe propuesto p o r R alph Fowler,fello w de la Royal Society. La sim ple tarea de m an ten erse al día con la literatu ra era difícil. Edw ard C o n d o n recordaba el ritm o al que se desarrollaba la m ecánica cuántica en aquella época: «Las grandes ideas aparecían ta n ráp id o d u ra n te ese p erio d o (1926-Í927) que u n o sacaba u n a im presió n to talm en te erró n ea del ritm o de progreso n o rm a l en física teórica. U no sufría indigestión intelectual casi to d o el tiem p o ese año, y era de lo m ás desalentador» (Sopka 1988, p. 159). El clim a era altam en te com petitivo y frecuentem ente d istintos físicos publicab an los m ism os resultados in d ep en d ien tem en te, o los físicos ten ían que ab an d o n a r to talm en te la idea de p u b licar sus resultados al ser superados p o r colegas com petidores. En este juego de publicaciones, los físicos alem anes y sus aliados en C openhague ten ían la ventaja de u n fácil y ráp id o acceso a resultados publicados y sin p u blicar. Los estadounidenses, en cam bio, ten ían n o rm a lm e n te que esperar al m enos u n m es m ás hasta que p o d ía n leer los artículos de las revistas de física alem anas. El espíritu com petitivo en m ecánica cu án tica de la época q u edó expresado p o r John Slater quien, en u n a carta a B ohr en m ayo de 1926, escribía algo am argam ente sobre su frustració n al verse su p erad o en la carrera de las publicaciones: «Es m uy difícil trab ajar aquí en los Estados U nidos sobre cosas q u e están cam b ian d o ta n ráp id o com o ésta [m ecánica cu án tica], p o rq u e ta rd a m o s m ás en o ír lo que se está haciendo, y cuando p o r fin nos p o n em o s, es pro b ab le que alguien en E uropa ya haya hecho lo m ism o» (K ragh 1990, p. 21). ?au li se refirió u n a vez a la m ecánica cu án tica com o Knabenphysik, física de chavales, p o rq u e m u ch o s de los principales actores eran todavía veinteañeros. Por ejem plo, en septiem bre de 1925 H eisenberg tenía 23 años, Pauli 25, Jordán 22 y D irac acababa de c u m p lir 22. M ás de la m itad de la p rim e ra generación de físicos cuánticos, es decir, los och en ta físicos, m ás o m enos, q u e c o n trib u ía n a ‫ ظ‬m ecánica cuántica en ese p eriodo, naciero n después de 1895, y escribían ap ro x im ad am en te el 65 p o r 100 de to d o s los artículos. M uchos de estos b rillantes físicos pensaban, arro g an tem en te, que la m ecán i

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ca cuántica les p erten ecía y que la m ayor p arte de los físicos m ayores eran sim plem ente incapaces de d o m in a r la teoría. «Era m u y difícil n o q uedarse senil después de haber vivido trein ta años», recordaba F riedrich v on Weízsacker, en 1932 u n m iem b ro de veintidós años de la pandilla de físicos de nueva generación. «Sentía que la a c titu d general era sim p lem en te u n a a ctitu d de [...] u n in m en so “H o c h m u t”, u n in m enso senfím iento de su p erio rid ad , co m p arad o con los viejos catedráticos de física teórica, con todos los físicos experim entales, con to d o s los filósofos, los políticos y con to d o tip o de gente que pudieras e n c o n tra r en el m u n d o , p o rq u e n o so tro s h abíam os co m p ren d id o el asu n to y ellos n o sabían de q u é hablábam os» (K ragh 1996b, p. 89). Según qued a patente en la tabla 11.2, A lem ania y sus países colindantes d o m in a b a n la p rim e ra fase de la m ecánica cuántica. F ueran los físicos cuánticos alem anes o no, el lenguaje p rin cip al de la m ecánica cu án tica era el alem án. La revista m ás im p o rta n te era Zeitschrift fü r Physik, en la cual m u ch o s físicos n o alem anes p u b licaro n sus resultados y que incluyó sesenta y o cho artículos sobre m ecánica cu án tica en tre julio de 1925 y m arzo de 1927. Es tam b ién destacable la débil p osición de Francia, d o n d e la m ecánica cuántica tan TABLA 11.2 ?ublicacio n es y autores de m ecánica cuántica, de julio 1925 a m arzo 1927

País A lem ania

Artículos N úm ero de Artícidos escritos Artículos escritos publicados en el autores p or ellos en el país país 19

59,5

54

120

Suiza

5

17

?١

0

A ustria

5

7

6

0

D inam arca

4

7

17

1

Países Bajos

2

4

5

١

35

94,5

103

13.7.

12

14

E uropa C entral, total Francia

2

*12 15

18

30

Estados U nidos

19

34,5

26

27

URSS

11

11

11

9

Italia

3

4

4

1

Suecia

2

6

5

0

O tros

3

5

3

0

Total

81

182

182

203

G ran B retaña

6

Nota: Las prim eras dos columnas no se refieren a las nacionalidades de los autores sino dónde perm anecieron la mayoría del tiem po en el periodo. El núm ero de artículos de la colum na 2 incluye artículos y recensiones originales, pero no traducciones ni notas preliminares, que están incluidas en la colum na 4. La colum na 3 m uestra el efecto de los visitantes extranjeros. Fuente: Basado en datos en Kojevnikov y Novik 1989.

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sólo se había disem in ad o len tam en te y sin p ro d u c ir co n trib u cio n es de gran im p o rta n cia. La única ap o rta c ió n francesa a la literatu ra de la m ecánica cuántica de la época fue la de Louis de Broglie y Léon Brillouin. C o m p a ra d a con la teo ría de la relatividad, la m ecánica cuántica se desarrolló rápidam ente, se d isem in ó velozm ente y apenas en c o n tró resistencia. Tam bién al con trario que la relatividad, la m ecánica cu án tica atrajo escaso interés público. E d d ington era u n o de los pocos científicos q u e escribió acerca de la teo ría p a ra lectores no científicos. A unque la m ecánica cuántica n o era m en o s a n tiin tu itiv a que la relatividad, no existía co n tra p a rtid a cu án tica a la lite ra tu ra antirrelativ ista que floreció en los años veinte. La rápida disem in ació n científica tuvo lugar n o sólo p o r la publicación de artículos, sino m ediante visitas docentes, articulos de recensión, libros de texto y cursos académ icos sobre m ecánica cuántica. El p rim e r libro de texto dedicado e ^ c íf ic a m e n te a la m ecánica cuántica parece h ab er sido The N ew Q u a n tu m Mechanics del físico de C am bridge G eorge Birtwistle. P ublicado en 1928, el libro p ro p o rcio n ab a u n detallado exam en de las p rin cip ales c o n trib u c io n e s a la m ecánica m atricial y o n d u la to ria , desde la teo ría de ondas de m ateria de D e Broglie en 1923 hasta el p rin cip io de co m p lem en taried ad de Bohr. O tro s m o n o g rá fic o s p io n e ro s in c lu ía n M ateriew ellen u n d Q uantenm echan ik de A rth u r H aas (1928), G ruppentheorie u nd Q uantenm echanik de Weyl (1928), el suplem ento sobre m ecánica o n d u la to ria de A to m b a u u nd spektrallinien de S om m erfeld (1929), Q u a n tu m M echanics de E dw ard C o n d o n y Philip M orse (Í929) y Elem entare Q uantenm echanik de B orn y Jordán (1930). Este ú ltim o libro, que se basaba en m étodos abstractos de m ecánica m atricial en vez de la m ás fácilm ente aplicable m ecánica cuántica, n o fue u n éxito. El libro m ás influyente de los p rim ero s libros sobre m ecánica cuántica fue sin d u d a The Principies o fQ u a n tu m M echanics de D irac en 1930, el cual, a pesar de ser abstracto y en general poco pedagógico, tuvo u n en o rm e éxito. Se im p rim iero n varias ediciones y trad u ccio n es, y se conv irtió en el trab ajo de referencia sobre m ecánica cu ántica en los años treinta. M ientras que la vieja teo ría cuántica n o se había cultivado dem asiado en tre los físicos estadounidenses, la nueva m ecánica cuántica se recibió entusiasta y positivam ente en u n a c o m u n id a d física en fuerte crecim iento. D u ra n te la últim a m itad de los años veinte, la física estad o u n id en se m a d u ró y ascendió a u n a posición principal en la fí$ica m u n d ial. P or ejem plo, el n ú m e ro de m iem b ro s y m iem bros h o n o ra rio s de la Sociedad A m ericana de Física se in crem en tó ráp id am en te, de u n o s 1.100 en 1920 a 1.800 en 1926 y 2.400 en 1930. Physical R eview creció de m a n e ra correspondiente, ta n to en tam añ o com o en im p o rtan cia. En 1929 las 2.700 páginas se d istrib u ian en 281 artículos, de los cuales u n o s 45 se dedicab an a aspectos de la m ecánica cuántica. P or aquel entonces, se sentía la necesidad de recensiones m ás am plias, p o r ejem plo de m ecánica cuántica, y el resultado fue el lan zam ien to en 1929 de Reviews o fM o d e rn Physics, cuyos p rim ero s dos n ú m e ro s ap arecieron com o Physical Review Supplem ent. E ntre los p rim ero s artículos de recensión estaba «The G eneral Principies o f Q u a n tu m M echanics» de Edwin Kemble y E dw ard Hill, q u e cub ría ta n to la m ecánica m atricial com o la o n d u lato ria en m ás de 100 páginas. U n a im p o rta n te razó n p a ra la ráp id a y fácil recep

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ción de la m ecánica cu án tica en los Estados U nidos eran los viajes a E uropa que hacían jóvenes físicos estadounidenses ١٢las visitas a universidades de Estados U nidos que hacían físicos cuánticos europeos. A finales de los años veinte, m ás de trein ta estadounidenses estu d iaro n en centros de física teórica europeos, de los cuales G otinga, M únich, Z urich, C open h ag u e y Leipzig eran los m ás populares. Las visitas y giras académ icas de físicos europeos se hicieron com unes e incluyeron p ioneros com o Som m erfeld, B orn, H eisenberg, D irac, K ram ers, E íund y Brillouin. Las clases de B orn en el M assachusetts In stitute o f'le c h n o lo g y y e n o tras universidades de Estados U nidos d u ra n te 1925-1926 fireron de especial im p o rtan cia, p o rq u e in tro d u je ro n ‫ ظ‬m ecánica cu án tica a los físicos estadounidenses en u n m o m e n to en el que la teo ría todavía se estaba com pletando. La ú ltim a p arte de los años veinte fue testigo de u n notable giro en la e stru ctu ra intern a de la física, desde el trab ajo experim en tal al teórico. M ientras q u e en 1910 sólo sobre el 20 p o r 100 de la literatu ra m u n d ial de física consistía en artículos que eran sob re to d o teóricos, en 1930 el porcen taje estaba cerca de 50. El giro era u n a tendencia m u n d ial, causada claram en te p o r la m ecánica cuántica, pero fue p artic u larm en te im p o rta n te en los Estados U nidos, d o n d e la teo ría se había cultivado trad icio n aím en te m enos que en E uropa. A unque n in g ú n estado u n id ense p a rticip a ra en la fase creativa de la m ecánica cuántica, ráp id am en te se p u siero n al día y con trib u y ero n de m an era im p o rta n te a la segunda fase. E ntre la p rim e ra generación de los físicos cuánticos estad o uniden ses estaban C ari Eckart, John Slater, John van VJeck, D avid D en n iso n , R obert © p p en h eim er y el quím ico Linus Pauling. C o m o ‫ ط‬m ayor p arte de los dem ás m iem bros de la p rim e ra generación de físicos cuánticos, trab ajab an p rin cip alm en te en los aspectos teóricos de la m ecánica cuántica. M uchos físicos europeos se o c u p a ro n con p ro fu n d id a d de las im plicaciones t'rlosóficas de la nueva m ecánica y ded icaro n m u ch o tie m p o a d iscu tir el significado general de las extrañas características n o clásicas de la teoría. ¿Em piezan a existir las p ro piedades físicas sólo com o resultado de las m edidas? Si es así, ¿es el m u n d o observado real y objetivo? ¿Se p u e d e n d istin g u ir objeto y sujeto o fo rm an u n to d o indisoluble? ¿Pueden extrapolarse las lecciones de la m ecánica cu ántica a la sociedad y la cultura? Para Bohr, Einstein, H eisenberg, Jordán y otro s, era ta n im p o rtan te e n ten d er estas características com o calcular pro b lem as físicos con la nueva técnica. La actitu d de los e ^ d o u n id e n ses era claram en te diferente. A unque existía u n considerable interés en tre los estadounidenses acerca de p roblem as fundam entales, p o r ejem plo en la correcta form ulación del p rincip io de in certid u m b re, n o les im p o rta b a n dem asiado los elevados problem as filosóficos asociados con la m ecánica cuántica. Éstos, sencillam ente, n o aparecían en los artículos y libros p u blicados p o r físicos estadounidenses, cuya actitu d era pragm ática e in sp irad a p o r el o ^ r a c io n a lis m o p o stu lad o en Logic o fM odern Physics de Bridgm an. D e acuerdo con esta actitu d , los resultados experim entales era lo único que im p o rta b a y q u e ten ía sen tid o d iscutir; el trab ajo de los físicos cuánticos era p o r tan to realizar cálculos que p u d ie ra n co m p ro b arse ex p erim entalm ente. Los p u n to s de vista filosóficos (o quizás antifilosóficos) de Slater, com o los expresó en 1937, eran aceptados p o r la gran m ayoría de los físicos estadounidenses:

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Un físico teórico en estos días pide sólo una cosa de sus teorías: si las utiliza para calcular el resultado de un experimento, la predicción teórica debe estar de acuerdo, dentro de ciertos límites, con este resultado. Por lo general, no argumenta acerca de las implicaciones filosóficas de su teoría [...] Las preguntas sobre una teoría que no afectan su habilidad de predecir correctamente resultados experimentales me resultan cavilaciones sobre las palabras, más que algo más sustancial, y estoy bastante satisfecho de dejar estas cuestiones a aquellos que deriven de ellas alguna satisfacción. (Schweber ‫ ول‬9‫رﺀ‬, p. 391). El espíritu de c© penhague (es decir, el principi© de com p lem en taried ad de B ohr y las interpretaci© nes relacionadas de los procesos cuánticos) dejaba ta n fríos a los estad o u n id e n s e s co m o em o cio n ad o s a m u ch o s físicos continentales. P or supuesto, la falta de interés en el p rin cip io de c o m p lem en taried ad n o era exclusiva de los estadounidenses, pero lo m u ch o que los físicos de Estados U nidos ig n o rab an la filosofía de Bohr incluyendo a los que h ab ían visitado a B ohr en C openhague) es, a pesar de todo, notable. «No m e agrad ab a del todo», reco rd ab a D irac en 1963 acerca del prin cip io de co m p lem en taried ad , y explicaba q u e «no te p ro p o rc io n ab a n in g u n a ecuación que no tuvieras ya» (K ragh 1990, p. 84). Para D irac, esto era suficiente para que ‫ ظ‬idea le desagradara, y sus colegas de Estados U nidos solían estar de acuerdo. C u an d o llegó ia m ecánica cuántica, la física teó rica estaba esencialm ente lim itad a a E uropa y A m érica del N orte. La física m o d e rn a llegó tarde a Japón, d o n d e despegó tan sólo en los años trein ta. El p io n ero jap o n és fue Yoshio N ishim a, u n físico que pasó la m ayor p arte de los años veinte en E uropa en u n a visita pro lo n g ad a que incluyó seis años en C open h ag u e con Bohr. La m ecánica cu ántica se in tro d u jo en p arte m ediante clases im p a rtid a s p o r occidentales, incluyendo a O tto L aporte, Som m erfeld, D irac y H eisenberg. A p a rtir de la prim av era de 1931, N ish im a im p artió clases sobro m ecánica cuántica en la U niversidad de K ioto, u tilizan d o el nuevo libro de H eisenberg, Die physikalische Prinzipien der Quatitentheorie, y m ás ta rd e Principies o fQ u a n tu m M echanics de D irac. Los esfuerzos de N ishim a fueron cruciales para la creación de la p o tente escuela de física cuántica teó rica que em ergería en Japón a finales de los años treinta.

CAPÍTULO 1 2


El modelo electrón-protón Poco después de q u e se aceptara el m odelo nuclear de la e stru c tu ra atóm ica, varios físicos co m en zaro n a especular sobre la e stru c tu ra del m in ú scu lo núcleo atóm ico. £1 p u n to de vista general era el p ro p u esto p o r R uth erfo rd, es decir, que el núcleo se com p o n ía de electores y de p artícu las u n itarias co n carga positiva, estas ú ltim as idénticas al núcleo del h id ró g en o y frecuentem ente d en o m in ad as «electrones positivos» o partículas H; o, a p a rtir de 1920, p ro to n es. Parecía evidente que el núcleo co n tenía electrones, p o rq u e las p artícu las positivas necesitaban claram ente alguna electricidad negat‫؛‬va que im p id iera que el n úcleo estallara. A dem ás, se sabía desde 3‫ اول‬que los electrones beta ten ían su origen en el núcleo y n o en las capas de electrones exteriores. Esto m ism o h abía sido arg u m en tad o , en tre otros, p o r Bohr, q uien en su o b ra de 1913 señalaba que «el h echo de que dos elem entos ap aren tem en te idéntic¿s [isótopos] em itan part،culas (‫ ؛؛‬a distintas velocidades, m u e stra que los rayos p, adem ás de los rayos a , tienen su origen en el núcleo» (B ohr 1963, p. 53). De acuerd o con el m odelo ató m ico nuclear, el n ú m e ro m ásico A y el n ú m e ro atóm ico z d e b e ría n d e p e n d e r del n ú m e ro de p ro to n e s (p ) y electrones (e) de la form a A = p y Z = p - e . Por o tro lado, los núcleos de cuerpos radiactivos tam bién producían partículas alfa, que p o r ta n to tam b ién se su p o n ía n constituyentes nucleares adicionales. Para u n núcleo con a p artícu las alfa, la ecuación sería A = 4 a + p y Z = 2 a + p - e . £sta hipótesis gozó de am p lia aceptación en tre 1915 y 1932. D e hecho, ni u n sólo físico parece h a b e r d u d a d o de la hipótesis de electrones nucleares y lo que se h a denom :nad o acertad am en te el p arad ig m a de ¡as dos partículas, es decir, que to d a ‫ ظ‬m a te ra consistía en electrones y p ro to n e s (si b ien algunas veces en form as ligadas, com o partículas alfa ٧ o tras com binaciones). E ntonces ¿cóm o se d isp o n ían las dos o tres especies nucleares en el núcleo? D ada la casi to tal ausencia de evidencia experim ental, era u n a tarea im posible c o n stru ir m odelos nucleares fiables en los años diez y veinte. Sin


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in r-ir g o , u n n ú m e ro so rp re n d e n te m e n te alto de físicos (y de quím icos tam b ién ) n o se * m anaron an te ‫؛‬as dificultades y especularon m ás o m enos librem ente sobre las es‫ﺳﺺﺀ‬

nucleares. Ea m ayoría de estos m od elo s eran p u ra m e n te especulativos, fre-

caen tem en te basados en vagos arg u m en to s n um erológicos, pero unos pocos eran de ^ :^ r a le z a m ás seria. Por ejem plo, en 1918 el físico de M únich W llhelitt Lenz co n stru 7’: ‫ س‬m odelo de u n a p artíc u la alfa de acuerdo a las leyes de la teoría cuántica, es dea r. cu atro p ro to n es g iran d o en u n p lan o ecuatorial con u n electrón en cada polo. Som —^rteld se refirió p o sitivam ente a este m odelo en su A tom bau. El m ás em in en te de los físicos nucleares de la p rim e ra generación fue tam b ién el ‫ ص‬prolífico de los hacedores de m odelos, y n o el m enos especulativo. In sp irad o en ._> experim en to s anterio res de esparcim iento alfa, R u therford sugirió en su clase ba·eriana de 1920 que p o d ría n existir o tras partículas en el núcleo distintas de los electrenes, alfas y p ro to n es. R u th erfo rd a rg u m e n tó q u e existía la evidencia de u n núcleo C£ helio ligero, que consistía en tres p ro to n es ligados p o r u n electrón (X+3+ según ‫ظ‬ notación de R u th erfo rd ), y quizá ta m b ié n de u n isótopo pesado del hidrógeno, form a-

do p o r dos p ro to n es y u n electrón; y -¿ p o r q u é n o ? - el núcleo tam b ién contenía u n a partícula n e u tra com p u esta de u n p ro tó n y u n electrón, u n «neutrón», de acuerdo a R utherford. Tam bién fue en esta ocasión cu an d o R u therford in tro d u jo el n o m b re protón». R uth erfo rd estaba fascinado en p articu lar p o r la posibilidad de los n e u tro nes, ya que éstos « en trarían fácilm ente en la e stru c tu ra de los átom os, y p o d rían o bien m iirse al núcleo o bien desintegrarse p o r el fuerte cam p o de éste, d a n d o lugar posiblem ente al escape de u n á to m o H cargado [pro tó n ] o de u n electrón o de am bos» (Badash 1983, p. 886). P uede q u e R u th erfo rd n o fuera consciente de que sus «neutrones» habían sido p ro p u esto s ya en 1899 p o r el físico a u s tra lia n o ‫ ؛^ا‬1‫ ﺳﻢ؛ ا‬S utherland, quien sugirió que el éter consistía en dobletes de electrones positivos y negativos. La sugerencia de S u th erlan d fue asu m id a p o r N ernst en su fidedigno libro de texto Theoretical Chemistry, d o n d e apareció en to d as sus ediciones en tre 1903 y 1926. M ientras que la idea de los áto m o s ligeros de helio se basaba en u n a endeble evidencia experim ental y se ab a n d o n ó en 1924, la hipótesis del n e u tró n gozó de u n a larga vida y se to m ó bastan te en serio en C am bridge, lam es C hadw ick creía en su existencia ta n to com o Rutherford, e in te n tó en varias ocasiones detectar la h ip o tética partícu la d u ra n te los años veinte. N o lo consiguió h asta 1932, y entonces resultó q ue después de to d o la partícula n e u tra ob servada n o era el n e u tró n de R uth erfo rd . R utherford c o n tin u ó desarroliando sus ideas sobre la e stru c tu ra atóm ica, y en 1925 llegó a la conclusión de que el núcleo consistía en u n cen tro en o rm e ro d ead o de satélites positivos y negativos (protones y electrones). C o n sid eró su m odelo de satélites lo bastante im p o rta n te com o para incluirlo en R adiationsfrom Radioactive Substances, escrito ju n to con C hadw ick y C harles D. Ellis y p u b licad o en 1930. La m ayoría de las hipótesis de R utherford se basaban en interpretaciones de exper‫؛‬m entos en los que se bom bardeaban sustancias con partículas alfa. En diciem bre de 1917 escribió a Bohr, «estoy detectando y co ntando los átom os ligeros puestos en m ovim iento p o r partículas a y los resultados, yo creo, ilum inan bastante el carácter y distribución de

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fuerzas cerca del núcleo. Tam bién estoy inten tan d o rom per el átom o m ediante este m étodo» (Stuewer 1986a, p. 322). El m ás im p o rtan te de estos experim entos se lievó a cabo en M anchester en 1919, poco antes de que R utherford partiera hacia C am bridge para ser director del laboratorio Cavendish. En u n a reinvestigación de experim entos realizados anteriorm ente p o r E m est M arsden, R utherford estudió la acción de las partículas alfa sobre varios gases, detectando los escintilaciones producidas p o r las partículas de largo alcance form adas p o r la acción. C on nitrógeno puro, observó lo que denom inó u n efecto anómalo: la producción de partículas de largo alcance similares a las obtenidas con hidrógeno. «Es difícil evitar la conclusión», escribió, «de que estos átom os de largo alcance que surgen a p artir de la colisión de partículas alfa con nitrógeno no sean átom os de nitrógen o sino probablem ente átom os cargados de hidrógeno, o átom os de m asa 2. Si este firera el caso, debem os concluir que el átom o de nitrógeno se desintegra bajo las intensas fuerzas que se crean en u n a colisión de corto alcance con u n a partícula a rápida, y que el áto٥١^ de hidrógeno que se libera form aba u n a p arte constituyente del núcleo del nitrógeno» (Beyer 949 ‫ا‬, p. 136). La conclusión de R utherford era en su m ayor parte correcta, com o quedó prob ad o p o r trabajos adicionales en el Cavendish. H abía conseguido la prim era desintegración artificia) de u n núcleo atóm ico y así había abierto una nueva etapa en la historia de ‫ ط‬alquim ia m oderna. El proceso era '*N + *He 17 ‫ ي‬o + 'H , aunque R utherford lo interpretó al principio com o '*N + ‫؛‬He -> 13c + *He + 1H. Sólo se corrigió el error en 1924, cuando las fotografías de la cám ara de niebla n o m ostraron ninguna traza de partículas alfa provenientes de los á to m o s ' D u ran te los años siguientes, R u th erfo rd y su equ ip o del Cavendish co n tin u aro n este tipo de experim en to s con ‫ ط‬esperanza de tra n sfo rm a r aú n m ás elem entos. En el In stitu to del R adio de \'ie n a se realizaba u n trab ajo sim ilar, pero con distintos resultados. M ientras que R uth erfo rd y C hadw ick n o en c o n tra ro n evidencia de la desintegración de elem entos m ás pesados que el potasio, n i p a ra el berilio y el litio, los físicos de Viena G erhard Kirsch y H ans Retter$on (este últim o, sueco) m antenían haber tenido m ucho m ás éxito d esin teg rand o elem entos. N o sólo d iero n a conocer resultados m uy distin to s de los p ro d u c id o s en C am bridge, sino q u e tam b ién atacaron el m o d elo nuclear de satélites de R utherford. El desacuerdo se conv irtió en u n a pro lo n g ad a controversia con algunos co m p o n en tes iguales a los q u e caracterizaron al fam oso episodio de los rayo$ N a p rin cip io s de siglo. C o m o resultado de u n a visita que C hadw ick realizó al Institu to de V iena en 1927, en c o n tró q u e el equipo austro -sueco n o con tro lab a sus resultados y que el recu en to de escim ilaciones estaba sistem áticam ente desplazado hacia los valores (dem asiado) elevados que deseaban enco n trar. Según u n historiador, «el recu en to lo realizaban m ujeres; el razo n am ien to era que ellas se p o d ían co n ce n tra r en ‫ط‬ tarea m ás in ten sam en te q u e los h o m b res, ya q u e en to d o caso tam p o co ten ían m ucho en sus cabezas; m ujeres eslavas, p o r sus ojos g randes y red ondos, m ás adecuados para contar. A las m ujeres se les decía qué ritm o de recu en to era el an ticipado y, ansiosas p o r agradar, lo p ro p o rcio n ab an » (B adash 1983, p. 887). La física n u clear en los años veinte estaba ín tim a m e n te ligada a la radiactividad y ‫ط‬ ú n ica fuente de proyectiles de altas energías e ra n las partículas alfa y beta em itidas p o r


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‫ ؛‬Jitancias radiactivas q u e se daban en la n aturaleza. Para m e d ir la in ten sid ad y direcd o n de las p artículas, fu eran éstas esparcidas o p ro d u cid as p o r desintegración, ñ o rm alm ente se utilizab an sencillos ap arato s de e ^ n tila c io n e s . £1 recuento visual de est itila c io n e s se rem o n tab a a 1908, cu an d o Erich Reg،‫؛‬ner, de la U niversidad de Berlín, concluyó qu e cada p artícu la alfa q u e incidía sobre u n a p antalla fosforescente pro d u cía una " El sencillo m é to d o se utilizó extensivam ente hasta p rin cip io s de los años trein ta. £1 ex p erim en to de R uth erfo rd en 1919 n o utilizó aparatos m ás avanzados que los que utilizaran G eiger y M arsd en en sus experim entos de esparcim iento alfa ’

diez años antes. La falta de d in ero y de tecnología disponible hacía

que los experim entos del C avendish fueran sencillos y de acuerdo con la predilección p ersonal de R u th erfo rd p o r los m éto d o s ru d im en tario s; sin em bargo, n o to d o s los m étodos eran ru d im e n ta rio s. U no de los in stru m e n to s m ás im p o rtan te s en la infancia de la física n u clear fue el espectrógrafo de m asas e l^ tro m a g n é tic o , desarrollado p o r Francis A ston a p a rtir de su p rim e ra versión en 1919. A finales de los años veinte, el espectrógrafo de m asa se h abía convertido en u n com plicado y caro in stru m en to . La cám ara de niebla em pezó a d esem p eñ ar u n papel im p o rta n te p ara los propósitos de detección en los años veinte. £1 p rin cip io de hacer visibles las trazas de gotitas ionizadas m ed ian te u n a expansión súb ita fue descu b ierto p o r C harles T. R. W ilson en el lab o rato rio C avendish a finales de la década de 1890, en conexión con estudios m eteorológicos. E n 1911, W ilson concluyó la i n s t r u c c i ó n de ‫ ظ‬p rim e ra cám ara de niebla para estu d iar las trayectorias de p artícu las ionizadas y to m ó la p rim e ra fotografía de cám ara de niebla. En 1921 T. Shim izu, u n físico jap o n és que trab ajab a en el Cavendish, en co n tró u n a m a n e ra de o p e ra r la cám ara au to m áticam en te, y la técnica fue m ejo ra d a au n m ás p o r P atrick M.S. Blackett. P rácticam ente to d o el trab ajo in n o v ad o r sobre

'

y técnicas de cám ara de niebla se llevó a cabo en el lab o rato rio

C avendish, que tam b ién fue el lugar d o n d e n acieron las cám aras, o contadores, de ionización de gas. La versión m ás efectiva de los prim eros contadores de ionización fue diseñada p o r H ans Geiger en 1913. C uando la g uerra estalló, Geiger regresó a A lem ania para servir en la artillería; tras 1918, prosiguió su trabajo en contadores de ionización. El co n tador Geiger-M ülfer, m o d ern o y altam ente sensible, tue u n invento alem án. Fue desarrollado en 1928 p o r Geiger y su colaborador en la U niversidad de Riel, W alther M ü11er. El desarrollo en m étodos de detección en la década de los veinte y posterio debía m ucho a la ingeniería electrónica, especialm ente el uso de circuitos de válvulas de vacío.

‫ ﺍ؛ﺍ‬mecánica

cuántica y el núcleo

Ea m ecánica cu án tica era u n a teo ría general de los átom os y electrones. Tam bién se su p o n ía válida p ara el núcleo ató m ico pero, d u ra n te la p rim e ra fase de la m ecánica cuántica, n o existieron in ten to s de aplicar la nueva teo ría a la física nuclear. La sitúación cam bió en veran o de 1928, cu an d o se reveló que la radiactividad alfa podía entenderse en té rm in o s de m ecánica cuántica. La im p o rtan te teoría m ecánico-cuántica de la desintegración alfa fue p ro p u esta in d ep en d ien tem en te p o r G eorge G am ow en

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G©t‫؛‬nga y R onald G u rn ey y Edw ard C o n d o n

€ ١١

P rin c e to n . (‫ئ‬٤١:١٦)(١٧ ,٧١٦ físico ruso de

veinticuatro años, arg u m en tó (com o antes hiciera R utherford) que el potencial nuclear debe ser fu ertem en te atractivo a distancias m u y cortas y alcanzar u n a altu ra m áxim a antes de fondirse con el potencial repulsivo de C oulom b. En su im agen, las partículas alfa ya existen en el núcleo, v ib ra n d o u o rb ita n d o alrededor del pozo de potencial. Clásicam ente, ‫ ط‬p artícu la alfa n o ،sería capaz de p e n e tra r el potencial pero, de acuerdo a la interp retació n de Born de la m ecánica o n d u la to ria de " ' existiría u n a proh ab ilidad finita de que u n a p artícu la escapara del n úcleo con u n a energía m e n o r que la altu ra m áxim a del potencial. Éste es el fam oso caso de u n a partícu la ٧ o n d a de m aterial atravesando u n a b a rre ra de potencial p o r «efecto túnel», u n caso que hoy en día aparece en to d o libro de in tro d u cció n a la m ecánica cuántica, pero que en 1928 era u n nuevo y excitante fenóm eno. G am ow consiguió, u tilizan d o la m ecánica cuántica, en co n trar la pro b ab ilid ad de p en etració n y, después de tra d u c irla com o la co n stante de desintegración, derivar una relación lineal en tre el lo g aritm o de esta co n stan te y la energía de las partículas alfa em itidas. Esta relación era ju sta m e n te la de G eiger-N uttal, que se conocía em píricam en te desde el trab ajo de G eiger y el físico inglés John N uttal en 2 ‫ل‬9 ‫ ا‬. Existían derivaciones anterio res de la ley de G eiger-N uttal, p o r ejem plo la de Frederick L indem ann en 1915, pero eran pseudoexplicaciones basadas en suposiciones ad hoc. La explicación de G am ow , al igual q u e la p ro p u e sta p o r G u rn ey y C o n d o n , en g ran p arte idéntica, era m u ch o m ás satisfactoria p o rq u e se basaba en u n a teo ría fu n dam ental. La teo ría de Gam o w -G u rn ey -C o n d o n fue ex trem ad am en te im p o rta n te , ta n to p o rq u e p ro p o rcio n ó u n a convincente d em o stració n de que la m ecánica cuántica es aplicable al núcleo atóm ico com o p o rq u e co n fo rm ó el cim ien to de o tras aplicaciones de la m ecánica cuántica a la física nuclear. La natu raleza estadística de la radiactiv id ad había sido u n enigm a desde que se reconociera en la p rim e ra p arte del siglo. Se in te n tó en num erosas ocasiones proporcion ar u n a explicación causal del o rigen de la radiactividad, pero fue sólo con la m ecánica cuántica cu a n d o q u ed ó claro que estos in ten to s de e n ten d er la naturaleza estadística de la radiactiv id ad eran fútiles. C o m o G u rn ey y C o n d o n d ijeron en 929‫ل‬, refiriéndose a estos ‫؛‬m em os: «Ha sido m u y d esconcertante el tie m p o en que hem o s aceptado una d in ám ica según la cual el c o m p o rta m ie n to de las p artículas está fijado de m a n era precisa p o r las condiciones. H em os ten id o q u e consid erar que la desintegración se debía a la ex trao rd in aria co n ju n ció n de decenas de sucesos independientes en los m ovim ientos orbitales de las partículas nucleares. A hora, en cam bio, cargam os to d a la responsabilidad sobre las leyes de la m ecánica cuántica, reconociendo que el co m p o rtam iento de las partículas en todas partes está igualm ente gobernado p o r la probabilidad» (K ragh 1997a, p. 357). D u ra n te los años que siguieron a 1928, la m ecánica cuántica se aplicó con éxito a otros problem as q u e involu crab an núcleos atóm icos, en tre los cuales los problem as de colisión eran p a rtic u la rm en te im p o rtan tes. Por ejem plo, en 1928 Nevill M ott, u n físico de C am bridge de veintitrés años, rep ro d u jo la expresión de R uth erfo rd de 1911 para


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la dispersión de p artículas cargadas p o r u n núcleo p u n tu al. M ás interesante fue que, p ara colisiones en tre dos p artícu las idénticas (com o partículas alfa esparcidas p o r helio gaseoso) predijo u n resultado distinto al de R utherford: que para bajas velocidades el esparcim iento en u n ángulo de 45 grados o cu rriría con u n a frecuencia que sería aproxim adam ente el doble de la esperada clásicam ente. La predicción, confirm ada m ediante experim entos de ?atrick Blackett ‫ ﻣﺰ‬Frank C h am p io n con cám ara de niebla en 1931, fue una de las p rim eras predicciones de ‫ ظ‬m ecánica cuántica en el régim en nuclear. Los trab ajo s de G am ow , M o tt y G u rn ey y C o n d o n n o ilu m in a ro n nin g ú n aspecto nuevo sobre la e stru c tu ra del núcleo, q u e todavía se su p o n ía com puesto de electrones y protones. Éstas eran las únicas partículas elem entales conocidas y, adem ás, los núcleos radiactivos em itían electrones en fo rm a de partículas beta. ? ٠٢ o tro lado, d u ra n te el final de los años veinte, se fue g rad u alm en te llegando a la conclusión de que, de algún m odo, los electrones n o d eb erían ten er cabida en el núcleo atóm ico. Eran necesarios, pero no bienvenidos. U no de los pro b lem as del m odelo de electrones y pro to n es es que no estaba de acu erd o con las estadísticas nucleares d eterm inadas experim entalm ente. Los estudios sobre el especto ro tacio n al de la m olécula N 2+ indicaban que el espín del núcleo de n itró g en o debía ser igual a u n o . ? e ro si el n úcleo consistía en 14 p ro to n es y 7 electrones, u n n ú m e ro im p a r de partículas con espín u n m edio, debía ten er él m ism o espín u n m edio. La discrepancia en tre m edidas y expectativas teóricas fue señalada p o r R alph K ronig, que sugirió en 1928 que « p robablem ente u n o se ve p o r ta n to forzado a su p o n e r que los p ro to n es y electrones n o conservan su iden tid ad hasta el p u n to en que lo hacen ftrera del núcleo» (Pais 1986, p. 3 ( 1 ‫)ل‬. N i K ronig ni otros p o d ía n ser m ás concretos en ese m o m en to . Al año siguiente, estudios de espectros R am an confirm aró n el resultado de que el núcleo del n itró g en o seguía la estadística de B ose-£inste‫؛‬n, es decir, te n ía esp ín entero. En G otinga, W alter H eitler y G e rh a rd H erzberg am pliaro n la co n clu sió n de K ronig: «Parece co m o sí el e le c tró n en el nú cleo p erd iera, ju n to con su espín, ta m b ié n su derech o a la p a rtic ip a c ió n en la estadística del núcleo» (ibid., p . 302). Incluso de m ayor im p o rta n te q u e la an o m alía del n itró g en o era el p ro b lem a de ente n d e r el espectro beta. En 1914 C hadw ick h ab ía hallado que el espectro de la radiactividad beta era co n tin u o , a u n q u e m ezclado con u n espectro de líneas. De acuerdo a C hadw ick y los físicos del C avendish, el espectro co n tin u o era el real, m ien tras que las líneas discretas ten ían su o rigen en, p o r ejem plo, u n efecto fotoeléctrico in tern o al sistem a electrónico, № ٥١٠ p ro p u so C harles Ellis en 1922. Sin em bargo, era posible explicar el espectro sin su p o n e r q u e los electrones beta se em itieran con energías en una gam a co n tin u a. En Berlín, Líse M e‫؛‬tn e r sugirió que los electrones com enzaban con la m ism a energía p ero que algo de ella se tra n sfo rm a b a en radiación gam m a, lo que produciría rayos b eta secundarios. La alternativa p ro p u e sta p o r M eitner con d u jo a una pro lo n g ad a controversia con los científicos del C avendish. La controversia q u ed ó zanjada sólo a finales de los años veinte, cu a n d o los exp erim entos d em o stra ro n ser incom patibles con la teo ría de M eitner. Q u e d ó ento n ces firm em ente establecido que el espectro b eta c o n tin u o tenía su o rigen en el núcleo. Esta conclusión, sin em bargo, era

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m uy in có m o d a desde u n p u n to de vista teórico. De acuerdo a la m ecánica cuántica, un núcleo p u ed e existir sólo en estados discretos de energía; asu m ien d o ‫ ظ‬conservación de la energía, u n a d esintegración de dos partículas p ro d u c ien d o u n núcleo hijo y un electrón b eta n o puede, p o r tan to , re p ro d u cir el espectro continuo. Junto con el p ro b lem a de la estadística de espín y los problem as asociados a la m ecánica cu ántica relativista, el espectro b eta c o n tin u o llevó a u n a especie de crisis en p a rte de la c o m u n id a d física en tre 1929-1931. La respuesta de Niels B ohr a la crisis fue radical: la conservación de la energía fallaba en la d esintegración beta. En u n a no ta sin p u b licar de ju n io de 929‫ ل‬enfatizaba «qué p o ca base poseem os en este m o m e n to para u n tra ta m ie n to teórico del p ro b lem a de las desintegraciones p » . C o n tin u ab a, «En efecto, el c o m p o rta m ie n to de los electrones ligados en u n núcleo atóm ico parece q u ed ar to talm en te fuera del cam po de las aplicaciones consistentes de los conceptos m ecánieos o rd in ario s, incluso en su m odificación m ecánico-cuántica. R ecordando que los principio s de conservación de la energía y del m o m e n to son de origen p u ra m e n te cJásico, la sugerencia de su incap acid ad p a ra explicar la em isión de rayos

p

p ued e apenas

rechazarse de a n tem an o d ad o el estado actual de la teoría cuántica». B ohr co n tin u ó abogand o p o r la violación de la conservación de la energía d u ra n te al m enos tres años; recibió el apoyo de algunos de los físicos m ás jóvenes, incluyendo G am ow y Landau. G am ow fue el a u to r del p rim e r libro de texto q u e se escribió sobre física nuclear en su sentido m o d ern o : u n iibro titu lad o C onstitution o fA to m ic Nuclei and R adioactivity y con fecha en eJ prefacio de 1 de m ayo de 1931. Por aquel entonces, la física nuclear era u n cam po recién nacido. El libro, enfocado a p ro p o rc io n a r «una descripción lo m ás com pleta posible de n u estro co n o cim ien to experim ental y teórico de la naturaleza de los núcleos atóm icos», tenía 114 páginas. G am ow se refería con aprobación a la idea de B ohr sobre la n o conservación de la energía y escribía, en com pleto acuerdo con su m aestro en C openhague, «las ideas habituales de la m ecánica cuántica fracasan de m añera absoluta al in te n ta r d escribir el co m p o rta m ie n to de los electrones nucleares; parece que quizá n o p u e d a n tratarse siquiera com o partículas individuales, y tam b ién el concepto de energía parece p erd er su significado» (p. 5). Pauli n o estaba m en o s p reo cu p ad o que B ohr y G am ow , pero no quería te n er nada q ue ver con la n o conservación de la energía. En diciem bre de 1930 propuso, en una «carta abierta» a M eitn er y Geiger, que el enigm a b eta adem ás del p ro b lem a del N -14 p o d ría resolverse in tro d u c ie n d o en el núcleo u n a p artícula n eu tral nueva: «[Se da] la posibilidad de que p u ed an existir en el núcleo partículas eléctricam ente n e u tra s que d en o m in a ré n eu tro n es, con espín 1/2 y que obedecen al prin cip io de exclusión, y que adem ás difieren de los cuan to s de luz en que n o viajan a la veJocidad de la luz: la m asa del n e u tró n debe ser del m ism o o rd en de m a g n itu d q ue la del electrón y, en cualquier caso, n u n ca m ayor que 0,0 ١ la m asa del p ro tó n . El espectro

p

co n tin u o p o d ría enten-

derse entonces m ed ian te la suposición de que en la d esintegración p se em ite u n neutró n ju n to con el electrón, de tal m an era que la su m a de las energías del electrón y el n e u tró n son constantes» (B row n 1978, p. 27j. Pauli d u d ó si pu b licar su idea que, en to d o caso, era b ien conocida en la c o m u n id a d física. Sólo en 1933, en u n a discusión en


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‫ ق‬ó p tim o congreso de Solvay, d efendió p ú b licam en te la hipótesis, que apareció im rre sa en los anales p u blicados en 1934. P or aquel entonces, el « n e u tró n pesado» había SCO d escubierto y E nrico Ferm i p ro p u so d e n o m in a r a la p artícula de Pauli «neutrino». m o q u ed a claro en su carta a M eitn er y Geiger, Pauli pensaba al prin cip io que el -e u trin o form ab a p a rte del núcleo y que a p o rta b a u n a m asa pequ eñ a pero n o nu la y : ^ b i é n u n m o m e n to m agnético: de acuerdo a esta im agen, el núcleo consistía en p ro :

íes, electrones y n eu trin o s. El n e u trin o h ip o tético de Pauli ro m p ía el parad ig m a de

‫ ﻳﺖ‬dos partículas y era revolucionario en este sentido ontológico. D esde u n p u n to de . > :a m etodológico, en cam bio, se tra ta b a de u n a teo ría conservadora, ya que to d a su riz ó n de ser era p reservar las leyes de conservación ta n b ien com probadas. El n e u trin o en c o n tró resistencia o indiferencia al principio. E ntre los antagonistas estaba B ohr y, en tre los defensores, Fernú. Fue sólo después de la exitosa teoría de la ; ¿‫؛‬integració n b eta de Ferm i en 1934 cu an d o el n e u trin o ad q u irió cierto respeto, pero todavía se tra ta b a de u n a p artícu la h ip o tética y se su p o n ía generalm ente que no p o d ía ،ietectarse. En u n artícu lo en N ature en abril de 1934, Elans Bethe y R u d o lf Peierls concluían que «no existe p rácticam en te n in g u n a m a n e ra posible de detectar el n eutrino». Incluso en 1936, D irac seguía rechazando al n e u trin o y prefería la alternativa de la no conservación de la energía. El n e u trin o d esem peñó u n papel no sólo en la teoría beta - n o tam b ién en los in ten to s de e n te n d e r fenóm enos electrom agnéticos en té rm in o s de teoría nuclear. En 1934 Louis de Broglie sugirió que el fo tó n p o d ría concebirse com o el p ar de u n n e u trin o y u n a n tin e u trin o . Su idea d esp ertó m u ch o interés entre los físieos teóricos: d u ra n te el p erio d o de 1934-1938 se desarrolló en distintas direcciones por, entre otro s, Jordán, K ronig, G regor, W entzel y E rnst Stneckelberg. Sin em bargo, los m uchos artículos sobre este tem a n o consiguieron establecer conexiones con los experú n en to s y n o c o n d u jero n a u n a teo ría de la luz satisfactoria basada en los neu trin o s. En 1940 la teo ría fue p rácticam en te ab an d o n ad a, n o p o rq u e se hubiera p ro b a d o que friera falsa, sino p o rq u e q u ed ó p ro b a d o que n o p ro d u cía frutos. El m odelo de Pauli de p ro t^ T - e le c tr ^ - n e u tr in o era sólo u n o de los varios in tentos e s p e c u la tiv o s de e n ten d er el n úcleo atóm ico de u n a nueva m anera. En 1930 los físicos

rusos D m itri Iw anenko y V íctor A m b arzu m ian sug iriero n u n a teoría de la desintegración beta basada en la nueva teo ría del electrón de D irac. Según los rusos, el electrón beta no existiría con an te rio rid a d en el núcleo, sino q u e se crearía allí ju n to con u n p ro tó n a p a rtir de u n electrón en u n estado energético negativo. O tra hipótesis efím era m ás fue sugerida p o r H eisenberg m ás o m enos a la vez, en u n a carta a Bohr. M ediante la concepción del m u n d o com o u n a red (G itterwelt) con celdas de lo n g itu d h /M c \ siendo M la m asa del p ro tó n , H eisenberg arg u m en tab a que podía in te rp re ta r el núcleo com o si consistiera en p ro to n es y lo que él d en o m in ó «cuantos de luz pesados». 1.a ventaja del m o d elo era que evitaba electrones nucleares y la desventaja (entre otras) que violaba la m ayor p a rte de las leyes de conservación, incluyendo la de la carga. «No sé si consid erará este in ten to radical co m pletam ente absurdo», escribió a Bohr, «pero tengo la sensación de que la física nuclear no nos va a costar m eno s que esto» (C arazza y K ragh 1995, p. 597). B ohr estaba de acuerdo con

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que las paradojas de la física nuclear req u erían drásticos cam bios en la teoría, pero enco n tró la hipótesis del m u n d o reticular, si n o to talm en te absurda, sí dem asiado absurda. Tras ser d iscu tid a la idea en C o p en h ag u e, H eisenberg la archivó, p a ra re to m a r la hipótesis sobre u n a lo n g itu d fu n d a m e n ta l p o ste rio rm e n te en los añ o s trein ta. En 1932 e n c o n tró o tro c an d id ato m ás aceptable p a ra ‫؛‬as p artícu las nucleares pesadas: el n e u tró n .

Aplicaciones astrofísicas La física nuclear, o m e jo r dicho, las especulaciones nucleares, llegaron a la astro n o m ía m uy p ro n to . El nuevo co n o cim ien to sobre la co n stitu ció n atóm ica se utilizó en p rim e r lugar en los in ten to s de e n te n d e r u n o de los m isterios clásicos de la física: ‫ط‬ p ro d u cció n de energía en el sol y en el resto de las estrellas. Ya en 7 ‫ ا‬9 ‫ ا‬, A rth u r E ddingto n especulaba que ‫ ظ‬fuente de la energía p o d ría ser la aniquilación de electrones y p ro to n es p a ra p ro d u c ir energía de radiación. Este hipotético proceso fue m uy discutído en la astro n o m ía d u ra n te m ás de u n a década; después de todo, au n q u e no existía evidencia experim en tal del proceso, ta m p o co existían buenas razones p o r las que no debiera o c u rrir en el in te rio r de las estrellas. C o m o posible alternativa, E d dington sugirió en 1920 que la energía p o d ría p rovenir de ‫ ظ‬form ación de helio a p a rtir de cuatro átom os de hidrógeno, es decir, u n proceso de fusión. «Lo que es posible en el laboratorio C avendish p o d ría n o ser dem asiado difícil en el sol», fue su ro tu n d o argum ento, refiriéndose a los recientes exp erim en to s nucleares de R utherford. E d d ington sabía que de acuerdo a las m edidas de espectrografía de m asas de A ston, la m asa del núcleo de helio era casi del 1 p o r 00‫ ؛‬m e n o r q u e la de cu atro núcleos de hidrógeno, y que la reacción de fo rm ació n estaría p o r ta n to aco m p añ ad a de u n a considerable pro d u cció n de energía. M illikan era o tro científico que aplicó la nueva física nuclear en su trabajo astrofísico, au n q u e en este caso su objetivo n o era la energía estelar sino la radiación CÓSm ica. En u n a serie de trabajos en tre ‫ل‬92 ‫ ة‬y 1930, el experim ental estad ounidense arg u m e n tó que los rayos cósm icos consistían en b an d as diferenciadas de fotones con altas energías que se o rig in ab an en procesos de co n strucción nuclear en las profundidades del universo. Los rayos eran, según lo expresado p o r M illikan, «los gritos de los elem entos al nacer» o «las señales enviadas a través del éter an u n cian d o la co n tin u a creación de elem entos m ás pesados a p a rtir de los m ás ligeros» (K ragh 1996b, p. 147). Según M illikan, los procesos cósm icos de co n stru cció n atóm ica no ten ían lugar paso a paso, sino en u n ú n ico acto, en el cual se fo rm ab an elem entos pesados d irectam ente a p a rtir de p ro to n es, electrones y p artícu las alfa. Esto p o d ría parecer fantástico, pero era apenas m ás fantástico que la p ro p u esta alternativa de James Jeans: que Jas estrellas consistían sobre to d o en elem entos tran su rán ico s q u e se tran sfo rm aría n espontáneam ente en radiación. Jeans sugirió que la tra n sfo rm a c ió n n o o c u rriría solam ente m ediante u n a desintegración radiactiva o rd in aria, sino tam b ién m ed ian te la aniquilación de núcíeos atóm icos enteros. Se sabía m u y p oco de procesos nucleares cósm icos en Jos años veinte, y la falta de co n o cim ien to ex p erim en tal provocó especulaciones.


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C on la teo ría m ecán ico -cu án tica de G am ow de la de$‫؛‬ntegración alfa, em pezó un capítulo nuevo, m en o s especulativo, en la astrofísica nuclear. El físico austríaco Frítz H o u term an s y el astrofísico b ritán ico R obert d ’E scourt A tkinson se e n c o n trab an reai izando trabajo s p osdoctorales en A lem ania. Se d iero n cu en ta de que el proceso de tu nelación de G am ow se p o d ría inv ertir y de esta m a n e ra quizá explicar la creación de elem entos m ed ian te reacciones nucleares. En 1929 los cálculos in d icaro n que la p ro habilidad de q u e las partículas alfa p e n e tra ran incluso en u n núcleo ligero era despreciable bajo las condiciones que se su p o n ía q u e existían en el in terio r de las estrellas. Se en co n tró que las reacciones p ro tó n -n ú c le o eran m ás p ro ú ieted o ras y H o u te rm a n y Atkinson, en colab o ració n con G am ow , deriv aro n u n a expresión general que relacionaba la sección eficaz de c a p tu ra con la te m p e ra tu ra y el n ú m ero atóm ico del núcleo penetrado. La teoría sugería que la fúente de la energía estelar p o d ría ser la trasm u tació n de cu atro p ro to n es en u n a p artícu la alfa; es decir, el proceso que E d dington había sugerido originalm ente. Según H o u te rm a n y A tkinson, sin em bargo, el proceso no era la im probable colisión de c u atro partículas de E ddin g to n , sino la cap tu ra consecutiva de p ro to n es p o r u n núcleo ligero y la expulsión subsiguiente de u n a p artícula alfa, y m íentras que la sugerencia de E d d in g to n n o se basaba en n in g u n a teo ría física, la teoría H o u term an -A tk in so n era cu an titativ a y se basaba en el m ás reciente desarrollo en m ecánica cuántica. La teo ría se cu en ta en tre las co n trib u cio n es pioneras a la astrofísica m o d ern a, pero al p rin cip io recibió p o ca atención. La teoría de H o u te rm a n y A tkinson p resu p o n ía que el hidrógeno existía a b u n d an tem ente en las estrellas, u n a su posición que ganó aceptación general entre los astrón om os solam en te alred ed o r de 1930. C on el nuevo co n o cim iento del papel predom in ante del h id ró g en o en las estrellas, A tkinson, que m ien tras ta m o se había m u d a d o a los Estados U nidos, p ro p o rc io n ó u n a versión m u y expan dida de la teoría en 1931. Sin los todavía desconocidos n e u tro n e s y d euterones, el helio n o se podía c o n stru ir directam en te a p a rtir de los p ro to n es, pero A tkinson diseñó u n m odelo cíclico en el cual el helio se form ab a a p a rtir de la d esintegración de núcleos inestables. De este m odo, intem ó explicar la ab u n d an cia de to d a la gam a de elem entos a p a rtir de procesos de captu ra de p ro to n es. Sin em bargo, fúe sólo después de 1932, y especialm ente tras la in tro d u cción del n e u tró n , cu a n d o la astrofísica nuclear em pezó a p ro p o rc io n a r resultados realm ente pro m eted o res. A tkinson, G am ow , b eth e y T. E. Sterne en los Estados U nidos, H aro ld W alke en Inglaterra, y Von Weizsacker, Ladislaus Farkas y Paul H arteck en Alem an ía estaban en tre los p io n ero s de ‫ ظ‬astrofísica nuclear en los años trein ta. Es característico que los cu atro estadounidenses p ro v in ieran o rig inalm ente de Europa: A tkinson y Sterne de Inglaterra, G am ow de Rusia y Bethe de A lem ania. La idea de que la form ación estelar de los elem entos se d ebía basar en la c ap tu ra de n e u tro n e s se desarrolló in d ep en d ien tem en te p o r W alcke y G am ow en 1935. Los dos físicos se in spiraron en experim en to s de lab o rato rio de la época, com o los de Perm i en R om a y C ockcroft y W alton en C am bridge. W alke expresó la analogía en tre procesos estelares y de laborato rio de esta m anera: «El físico atóm ico, con sus fuentes de elevado potencial y sus tu b o s de descarga, está sin tetizan d o elem entos de la m ism a m an era que o cu rre en los

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interiores estelares, y los procesos observados, que resultan en la liberación de tan gran cantidad de energía ،leí orden de m illones de voltios indican cóm o se m antiene la intcnsa radiación de la estrellas y p o r qué sus tem p eratu ras son tan altas» (Kragh 996 ‫ا‬b, p. 92). Las prim eras ideas sobre procesos nucleares in d u cid o s p o r n eu tro n es no p rodujeron u n a explicación satisfactoria ni de la fo rm ació n de los elem entos ni de la pro d u cción de energía estelar. La im p o rta n te clave en lo que concierne al segundo problem a se en co n tró en 1938 y fue sobre to d o u n resultado de progreso en teoría nuclear. H ans Betbe, u n an tig u o estu d ian te de S om m erfeld y u n experto en física cuántica y nuclear, había h u id o de A lem ania en 1933 y se hab ía asentado en la U niversidad de C ornell. En 1938 p articip ó en u n a conferencia sobre «Problem as de las ftrentes de energía estelar» en W ashington, D. C., a la que acu d iero n ta n to a stró n o m o s com o físicos nucleares. A unque n o poseía co n o cim ien to previo de astrofísica, Bethe utilizó su soberbio conocim iento de física nuclear p ara d iseñ ar u n a teo ría detallada de la p roducción de energía solar, que fue p ro n to reconocida com o la cim en tació n de to d o el trabajo p o sterio r en el área. U na teo ría m enos detallada siguiendo las m ism as líneas fue p ro p u esta p o r Von W eizsácker en 1938. La esencia de la teoría de Bethe era que cu atro pro to n es se fusionaban en u n núcleo de helio a través de u n proceso cíclico, en el cual los núcleos de carb o n o actu ab an com o catalizadores. Al c o n tra rio que o tras teorías anteriores, se basaba en detallados cálculos suplidos con valores de secciones d eterm inadas experiLos cálculos de física nuclear realizados p o r Bethe llegaban a la conclusión de que, p ara p ro p o rc io n a r la energía p ro d u c id a p o r el sol, el ciclo req u eriría u n a te m p e ra tu ra central de 18,5 m illones de g rados Kelvin, u n valor en excelente acuerdo con el que se calculaba m ed ian te m odelos astrofísicos del sol. La teo ría de Bethe fue m uy ap lau d id a ta n to p o r a stró n o m o s com o p o r físicos. El com ité del N obel de ?‫؛‬sica en E stocolm o ta rd ó algo m ás en reconocer su valor: v eintiocho años, para ser exactos.

1932,

annus mirabilis

En 1932, el n e u tró n era u n a p artícu la b ien conocida, pero ausente. La literatu ra física de 1929-1931 contiene u n a docena de referencias o m ás al n e u tró n , pero se trataban todas de co m puestos ele c tró n -p ro tó n en el sentido de R utherford. El n e u tró n verdadero se e n co n traría en la prim av era de 1932 y ap ro x im adam ente u n año m ás tarde se reconoció su carácter de p artíc u la elem ental. La serie de sucesos que co n d u cirían al celebrado d escu b rim ien to de C hadw ick, p o r el cual conseguiría el p rem io N obel tan sólo tres años m ás tarde, com enzó con exp erim en to s en los años tre in ta realizados por W alther B othe y ‫؛‬d e rb e rt Becker en el Physikalisch-Technische Reichsanstalt en Berlín. Los dos físicos e n c o n tra ro n q u e el berilio expuesto a partículas alfa p ro d u cía lo que ellos p ensab an que eran rayos g am m a energéticos. En París, Iréne C urie y Frédéric loliot ex am in aro n la «radiación del berilio» e in fo rm a ro n a p rin cip io s de 1932 de que esta radiació n p o d ía a rra n c ar p ro to n es de p arafin a en riquecida con hidrógeno. Pensaro n que el m ecanism o p o d ía ser algún tip o de efecto C o m p to n . Al o tro lado del Canai de la M ancha, en C am bridge, C hadw ick era de o tro parecer. El n e u tró n de R utherford

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ra cual fuera el correcto, el n e u tró n seguía siendo u n a p artícula útil, ya que, com o C hadw ick explicó a los p articip an tes del Solvay, se p o d ía utilizar com o proyectil en procesos nucleares. C o m o ejem plo, in fo rm ó de que había observado cóm o partículas alfa provenientes de n e u tro n e s reaccionaban con oxígeno según el proceso 1n + 16o —>

13c + ^He. Lo que convenció a los físicos de la n aturaleza elem ental del n e u tró n fueron, en parte, los nuevos desarrollos en teo ría nuclear y, en parte, m edidas m ás precisas de la m asa del n e u tró n . C hadw ick h abía o b te n id o originalm ente u n a m asa del neutró n que era 0067, ‫ ا‬veces la del p ro tó n ; es decir, algo m enos que la m asa de u n p ro tó n m ás la de u n electrón (1,0078). E xperim entos posterio res parecían co n firm ar que haría falta energía p ara dividir u n n e u tró n en sus constituyentes y que la partícu la era p o r ta n to u n sistem a ligado p ro tó n -e le c tró n . Sin em bargo, nuevas y m ás precisas m edidas m o straro n que la m asa del n e u tró n era u n poco m ás grande que la del sistem a p ro tó n electrón. Esto se consideraba u n hecho establecido en octubre de 1934, cuando se congregó un gru p o de físicos en u n a conferencia sobre núcleos y rayos cósmicos en Londres. Q uedó entonces claro que el n e u tró n era inestable y debía de caer espon tán eam en te en u n p ro tó n y u n electrón, u n a sugerencia p ro p u esta p o r p rim e ra vez p o r C hadw ick y M aurice G old h ab er en 1935. Tras esta fecha, se dejó de d iscu tir sobre el n e u tró n com puesto y se excluyó finalm ente a los electrones del núcleo. La desintegración del neutró n , sin em bargo, ta rd ó m u ch o en observarse. Esto requería fuentes intensas de neutro n es pro d u cid as p o r reactores nucleares y se co m u n icó p o r p rim era vez en 1948, por A. H . Snell y sus co laboradores en O ak Ridge. D os años después, ١. N1. R obson determ inó en el reacto r C halk R‫؛‬ver en C anadá que la vida m edia del n e u tró n era aprox‫؛‬m ad am en te de 13 m in u to s. El n e u tró n era quizá el acto r m ás d ram ático en lo q u e se d e n o m in a '' te el annus mirabilis de la física nuclear y de partículas, 1932, au n q u e sería m ás apropiado hablar de los an n i mirabiles 1931-1933. Pero n o era el único actor, ni el prim ero. A finales de d iciem bre de 1931, H arold Urey, u n quím ico de la U niversidad de C olu m bia que había pasado u n añ o con B ohr en C open hague en 1923-1924, anunció el descu b rim ien to del deuterio . Junto con sus colaboradores, F erdinand Brickw edde y C eorge M urphy, U rey aisló el isó to p o pesado del h id ró g eno ev ap o ran d o cu atro litros de h idrógeno líquido. Identificaron el isótopo e ^ c tr o g r á f ic a m e n te m ed ian te el peq u e ñ o cam bio en lo n g itu d de o n d a causado p o r el núcleo m ás pesado. La posterior prep aració n de agua pesad a en 1933 fue llevada a cabo p o r o tro quím ico estad o u n‫؛‬dense, C ilb ert Lewis. P ro n to q u ed ó claro que los núcleos del isótopo pesado, artificialm ente acelerados, eran ideales com o proyectiles en reacciones nucleares. D u ran te ün tiem po, se utilizó u n a confusa v ariedad de n o m b res p ara las partículas (entre ellos, dip ro tó n , d eu tó n y d ip ió n ), pero al final el n o m b re de Urey, «deuterón», ganó aceptación, ju n to con d eu terio p ara el á to m o corresp o n d ien te. (El n o m b re «protio» para el isóto po co rrien te de h id ró g en o n u n ca llegó a ser popu lar.) O tro desarrollo m uy imp o rta n te a p rin cip io s de los años trein ta.fu e el d escu b rim ien to de ‫ ط‬radiactividad artificial, a prin cip io de 1934 p o r los Joliot-C urie en conexión con la irrad iació n de alum in io con partículas alfa. Los dos científicos franceses d etectaron la p ro d u cció n de los

Ei surgimiento de la física nuclear

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: xiavía seguía vivo en el C avendish y C hadw ick se dio c u en ta de que p o d ría explicar ‫ ئ‬radiación del berilio. ? ٠٢ tan to , rep itió y m odificó los experim entos de ?arís, y llegó tap id am en te a la conclusión de que lo que se p ro d u c ía eran n eu trones, no rayos gam m a. Según C hadw ick, el proceso era 4H e + 9Be —> 12c + n, significando el sím bolo n u n n eu tró n con n ú m e ro m ásico 1. En su n o ta sobre «Possible Existence o f a N eutrón», C hadw ick discutía la p osibilidad de q u e los efectos observados se debieran a u n «cuanto de alta energía» en vez de a u n n e u tró n . «H asta el presente», concluía, «toda la evidencia está a favor del n e u tró n , m ien tras que ‫ ط‬hipótesis cuántica sólo se p u ede m antener si se sacrifica la conservación de energía y m o m e n to en alguna etapa». C hadw ick tam b ién e n co n tró electrones al b o m b a rd e a r b o ro con partículas alfa y, a p a rtir de este proceso, infirió que la m asa del n e u tró n debía estar cercana a 1,007 veces la m asa del p rotón. A hora que el n e u tró n había sido descubierto, p o d ría pensarse que no existía ninguna necesidad de te n e r electrones en el núcleo y que to d o iba bien en el núcleo atóm ico, pero la situación era m u y d istin ta en 1932. C hadw ick in te rp retó su n e u tró n com o el com puesto p ro tó n -e le c tró n de R u th erfo rd ta n esperado, y supuso que «el profon y el electrón fo rm an u n p eq u eñ o dipolo, o ta m b ié n p o d em o s co n siderar la im agen m ás atractiva de u n p ro tó n in m erso en u n electrón». Acerca de la posibilidad de que el n e u tró n p u d iera ser elem ental, C hadw ick co m en tó que «[esta idea] cu enta con pocas recom endaciones en este m o m en to , excepto la p osibilidad de explicar la estadística de núcleos com o el N ‫؛‬٠» (Beyer 1949, pp. 15 y 19). D u ra n te m u ch o tiem p o C hadw ick, y la m ayoría de los o tro s físicos, d u d a ro n en a d m itir q u e el n e u tró n era elem ental. El prim ero en p ro p o n e r q u e el n e u tró n era u n a p rim e ra p artícu la elem ental con espín u n m edio fue el físico de L eningrado D m itri íw anenko. En el verano de 1932, Iw anenko enfatizó que la p ro p u esta resolvería el enigm a del n itró g en o 14. Sin em bargo pasó u n año hasta qu e la m ayoría de los físicos, que llevaban ta n to tiem p o acostu m b rad o s al p aradigm a de las dos partículas, acep taran la n atu raleza elem ental del n e u tró n . Esta am bigua a ctitu d q u ed ab a claram en te expuesta en la im p o rta n te teo ría de H eisenberg p ara la e stru c tu ra nuclear de 1932-!933, en la cual in tro d u jo fuerzas de intercam bio en tre p ro to n e s y n e u tro n e s y tra tó al núcleo de u n a m a n e ra m ecánico-cuántica. A pesar de consid erar q u e los constituyentes del núcleo eran p ro to n es y neu tro n es, al p rin cipio H eisenberg hizo uso de los electrones nucleares y tra tó el n e u tró n com o u n com puesto protón-electrón. Las partículas elem entales seguían siendo protones y electrones. La teoría de e stru c tu ra nuclear de H eisenberg señaló el inicio de u n nuevo capítulo de la teo ría nuclear, o, m ejo r dicho, del p rin cip io del cam po com o tal y fue ráp id am en te c o n tin u a d o p o r im p o rta n te s co n trib u cio n es de Eugene W igner, E ttore M ajorana, y otros. D u ra n te el congreso de Solvay de 1933 sobre «E stru ctura y propiedades de los n ú cíeos atóm icos», el n e u tró n tuvo u n papel protag o n ista. D irac sugirió que el núcleo estab a com puesto de tres tip o s de partículas: p ro to n es, n e u tro n es y electrones y la sugerencia no se consideró p articu larm en te extrañ a en ese m om ento. C hadw ick todavía vacilaba en tre los dos p u n to s de vista, el del n e u tró n com plejo y el del eletnental. Fue-


‫ﻝ‬8 ‫ﻝ‬

recién descubiertos p ositrones, ‫؛‬os cuales identificaron al prin cip io com o pro d u cto s de la descom posición de los p ro to n es em itidos, es decir, ‫ >— م‬n + e+. Sin em bargo, p ro n to se diero n cu en ta de que la actividad de los p o sitro n es proseguía después de que se retirara la fuente alfa y de que, de hecho, habían descu b ierto radiactividad beta positiva: 4H e + 27Al —> ١٠? +1 tí, seguida de 30p —> -‫؛؛‬ ‫ آ‬Si + e+. La im p o rta n cia del descubrím iento de rad iactiv id ad artificial fue' in m ed iatam en te reconocida y supuso el p rem io N obel de Q u ím ica p ara los Joliot-C urie en 1935. El nuevo fen ó m en o se utilizó am plia e in m ed iatam en te en física nuclear, quím ica, biología y m edicina. Los años 3‫ ل‬932 - ‫ل‬9 ‫ ق‬frieron realm ente excitantes, n o sólo en retrospectiva, sino tam b ién p ara los físicos que vivieron la época. En m ayo de 1932, B ohr escribió a Ruth erfo rd , «el progreso en el cam po de la co n stitu ció n nuclear es en este m o m en to tan rápido, que u n o se p re g u n ta qué tra e rá el correo nuevo [...] U no ve ab ierta u n a am plia avenida nueva, y debería ser p ro n to capaz de p red ecir el c o m p o rta m ie n to de cualquier núcleo en cualq u ier circunstancia dada» (W einer 1972, p. 41). D os años y m edio después, F rank Spedding, u n físico estad o u n id en se, in fo rm ó en u n a carta sobre la conferencia de Londres, « tam bién h u b o u n sim posio de física nuclear. El cam po se m ueve tan rápido que u n o se m area al contem plarlo. C o n lo q ue se habla de las propiedades experim entales del H, He, los nuevos elem entos artificiales radiactivos, el n e u tró n y el p o sitró n y las pro p ied ad es que se predicen p a ra el n e u trin o y el p ro tó n de carga negativa, alguien q u e se h a fo rm ad o con la vieja e in g en u a im agen de p ro to n es y electrones en el núcleo se siente superado» (ibid.). Estas fascinantes nuevas teorías y descubrim ientos eran sólo u n a p arte de los años m ilagrosos. Las nuevas tecnologías instrum entales n o eran m enos im portantes: hasta 1930, aproxim adam ente, el único m o d o de hacer que ocurriera u n a reacción nuclear era utilizar los proyectiles que la naturaleza p ro p o rcio n ab a en form a de rayos alfa; la alternativa era hacer uso de la todavía m enos controlable radiación cósm ica, pero este m étodo todavía estaba en su infancia. La p rim era desintegración nuclear provocada con éxíto p o r m edios p u ram en te artificiales se obtuvo en la prim avera de 1932 p o r John D. Cockcroft y Ernest W alton en el laboratorio Cavendish. Los dos físicos aplicaron u n sistem a m ultiplicador de tensión, p ro p o rcio n ad o en parte p o r la C om pañía Eléctrica M etro ^ lita n -V ic k e rs, d o n d e C ockcroft había trabajado com o aprendiz de ingeniero eléctrico antes de que se cam biara a la física y se in co rp o rara al grupo de R utherford en 1924. C on este aparato, obtuvieron energias de hasta 380 keV p ara los protones en 1929 y, tres años después, 700 keV. C ockcroft y W alton estudiaron el litio bom bardeado con protones de alta energía y, utilizando m étodos visuales de escintílacíones y fotografías de la cám ara de niebla com o detectores, concluyeron que «el isótopo de litio de m asa 7 captura u n p ro tó n y el núcleo resultante, de m asa 8, se descom pone en dos partículas a» (Beyer 1949, p. 30). Adem ás, señalaron que el proceso ocu rría p ara energías y ritm os en acuerdo c u a lita tiv o con los cálculos m ecánico-cuánticos de C am ow. De hecho, estos cálculos se utilizaron directam ente en el diseño del aparato de alta tensión de Cockcroft. Éste COnocía la teoría de G am ow y se dio cu enta de que predecía que los protones a 300 keV serían proyectiles nucleares bastante efectivos para partículas com o el boro y el litio.

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Al m ism o tiem po aproxim adam ente que C ockcroft y W alton desarrollaban su trabajo experim ental pionero, otros tipos de aceleradores estaban progresando en Estados U nidos. En 1931 el ingeniero estadounidense R obert van de construyó u n acelerad o r electrostático con u n a tensión m áxim a de 1,5 m illones de voltios. El m ism o año, Ernest Lawrence y su estudiante D avid Sloan en la U niversidad de California, Berkeley, construyeron el p rim e r acelerador lineal práctico, con el que obtuvieron iones de m ercurio con 1,3 M eV de energía. Sin em bargo, sería o tra de las m áquinas de Lawrence la que revolucionó ‫ ظ‬física nuclear e in au g u ró la era de la «gran ciencia». El p rim e r ciclotró n experim ental, utilizando fuertes cam pos m agnéticos para hacer que las partículas nucleares trazaran u n a espiral con radio creciente según sus velocidades aum entaban, se construyó en 1931. La versión de 1932, con polos m agnéticos en las caras de 28 centim etros de diám etro, p rodujo u n a corriente de 10-9 am perios con protones de 1,2 MeV. Lawrence y su colaborador, M . Stanley Livingston, predijeron confiados que se generarían haces de p rotones de 10 MeV «en u n ftrturo n o m uy lejano», u n a predicción que sería p ro n to confirm ada. Al p rincipio la m áq u in a n o recibió u n n o m b re propio, pero Lawrence y su grupo usaban la palabra «ciclotrón» en lo que describían com o «una especie de jerga de laboratorio». En 1936, el no m b re era de uso general. El ciclotrón p ro b ó ser m uy útil en física nuclear en u n a gran variedad de áreas, desde investigación p u ra de reacciones nucleares hasta en aplicaciones industriales y m édicas. Se tratab a básicam ente de tecnología estadounidense y, en los años treinta, sólo era d o m inada p o r Lawrence y los operadores de ciclotrón form ados p o r él. En 1934 se em pezaron a m ultiplicar las m áquinas en Estados U nidos, al principio con u n pequeño ciclotrón en la U niversidad de C ornell construido p o r Livingston; cinco años m ás tarde, había diez m áquinas más operando o en construcción. Fuera de los Estados U nidos, el prim er ciclotrón se instaló en Riken (el Instituto p ara Investigación Física y Q uím íca) en Tokio en 1935 y se hizo operativo en la prim avera de 1937. En Europa, los ciclotrones se in tro d u jero n al m ism o tiem po aproxim adam ente, pero de m anera m ás dubitativa que en Estados U nidos. El diñero era u n a de las razones de la intro d u cció n relativam ente lenta, pero el conservaduris in o y la falta de fam iliaridad con la nueva tecnología tam bién desem peñó u n papel im portante. A m ediados de 1939 existían cinco ciclotrones o p erando en Europa, situados en C am bridge, Liverpool, París, Estocolm o y C openhague. La física experim en tal nuclear en general, y la de aceleradores en particular, ayudó a cam biar la d istrib u c ió n geográfica de la física m u n d ial. Vale la p en a m e n cio n ar que la foerte co m u n id ad física alem ana no se u n iera a la vanguardia del desarrollo sino que, p o r el co n trario , q u ed ara p o r detrás del desarrollo n o sólo de Estados U nidos y G ran B retaña, sino tam b ién del de Francia. Y ta m b ié n es n o table que esto o c u rriera incluso antes de que el rég im en nazi cam biara las condiciones de la física en A lem ania, y en u n a época en la q u e los físicos alem anes todavía estaban a la cabeza de otras áreas de la física. A p a rtir de 1910, ap ro x im ad am en te, Francia n o h abía conseguido m an te n er su posición a n te rio r a la cabeza de la física. C o m p arad o co n lo que o cu rrió en o tras naciónes, los físicos franceses ten ían poco de q u é p resu m ir: p o r ejem plo, las revistas france-


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‫ ﻣﻤﻦ‬no estaban en tre las principales revistas de física. En 1934 las revista francesa m ás citada, Comptes Rendus, o cu p ab a el n ú m e ro 7 de to d as las revistas de física (el nú m ero u n o era Zeitschrift fü r Physik); Journal de Physique era el n ú m ero 11 y Anuales de Physique era sólo el n ú m e ro 34 de la lista. O tro indicativo de ‫ ط‬baja rep u tació n de la física francesa era que, m ien tras q u e el 27 p o r 100 de todas las referencias en las revistas de física n o rteam erican as se d edicaban a artículos en alem án, sólo el 3 p o r 100 se referían a artículos en francés. El su rg im ien to de la física nuclear, en cam bio, fi‫؛‬e u n o de los factores que ay u d aro n a revitalizar la física francesa a finales de la década de los trein ta y rein sta u ra r a París com o u n a ciu d ad im p o rta n te en ‫ ظ‬física m undial. El laborato río de los jo l‫؛‬o t-(]u r‫ ؟؛‬se con v irtió en u n o de los p rincipales centros de física n u ،:lear, atrayendo a m u ch o s físicos extranjeros. A pesar del im p o rta n te trab ajo llevado a cabo en G ran B retaña y Francia, fue en Estados U nidos d o n d e se ex p erim en tó p o r p rim e ra vez su n o table crecim iento. El p o rcentaje de artículos sobre física nuclear en Physical Review era de u n 8 p o r 100 en 1932; en 1933 se in crem en tó al 18 p o r 100, en 1935 al 22 y en 1937 n ad a m enos que al 32 p o r 100. La física nuclear estaba no sólo creciendo, sino tam b ién haciéndose cada vez m ás cara. Para estar en la vanguardia de la investigación nuclear, m uchas veces era necesaría ‫ ط‬financiación externa, com o q u ed a ilustrad o p o r el hecho de que el 46 p o r 100 del n ú m ero total de artículos financiados en Physical Review en 1935 eran de física nuclear. En 1939, u n tercio de los artículos en Physical R eview sobre física nuclear recibían financiación de institu cio n es externas.

C A P ÍT U L O 13


Las antipartículas En el en cu en tro de la A sociación B ritánica p a ra el Avance de la C iencia en Bristol, en septiem bre de 1930, D irac dio u n sem in ario en el que dijo, «siem pre ha sido el sueño de los filósofos hacer que to d a la m ateria esté c o n stru id a a p a rtir de u n tip o fundam en tal de partícu la, así que n o es del to d o satisfactorio ten er dos en n u estra teoría, el electrón y el p ro tó n » (K ragh 1990, p. 97). Por aquel entonces, D irac creía que h abía ten id o éxito d o n d e los filósofos h ab ían fracasado y q u e había red ucido to d a la m ateria a m anifestaciones del electrón solam ente. (El lector reconocerá la vaga sim ilitud con la teoría atóm ica de ١. ]. T h o m so n y, m ás g eneralm ente, la co$m ovisión ' ca.) D irac estaba p ro fu n d a m e n te fascinado p o r la im agen u n ita ria de la m ateria, y resulta irónico que sus consideraciones u n itarias le llevaran a in tro d u cir, m en o s de un año después del sem in ario en Bristol, tres o cu atro nuevas partículas elem entales adem ás del electrón. C o n ‫ ظ‬teo ría de D irac de 1931 y la hipótesis de Pauli sobre el n e u trino, llegó la p rim e ra ru p tu ra con el p arad ig m a de las dos partículas. E staba claro p a ra D irac y varios de sus colegas q u e la teoría relativista de electrones de 928‫ ل‬cond u cía a extrañas consecuencias. El pro b lem a, a veces d e n o m in ad o la «dificuitad ±», tenía su o rigen en la ecuación de D irac, q u e incluía fo rm alm ente soluciones con energía negativa. Al c o n tra rio de la situación en m ecánica clásica, éstas n o se podían rechazar co m o n o físicas sino que ten ían que considerarse seriam ente; es decir, ten ían que relacionarse de algún m o d o con objetos n aturales. En noviem bre de 1929, Dirae creía h ab er en co n tra d o la solución al problem a. «Existe u n a sencilla m an era de evitar la dificultad de que los electrones tengan energía cinética negativa», escribió a B ohr y, co n tin u ó , «si el electró n a rra n c a co n u n a energía positiva (+ ), existirá u n a prohabilidad finita de q u e pase sú b itam en te a u n estado de energía negativa ( - ) y em ita ‫ظ‬ energía só b ram e en fo rm a de rad iació n de alta energía [...] Si to dos los estados de energía negativa están ocu p ad o s, p ero pocos de energía positiva lo están, estos electrones


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de energía p©s‫؛‬t ‫؛‬va n o p o d rá n hacer tran$iciones hacia estados de energía negativa y, ٣٢ tan to , deberán co m p o rtarse con bastan te p ro p ied ad [...] Parece razonable su p o n er que n o to do s los estados de energía negativa están o cupados, sino que existen algunas vacantes o “h uecos” [...] Es fácil ver que tal hueco se m overía en u n cam po electrom agnético com o si tu v iera carga positiva. C reo que estos huecos son los protones» Kragh 1990, p. 91). La teoría de D irac sobre los p ro to n es-co m o -electro n es, publicada en 1930, su p o n ía u n m u n d o de estados de energía negativa o cu p ad o p o r u n n ú m ero infinito de electrones gobernad o s p o r el p rin cip io de exclusión de Pauli. Sólo los pocos estados sin ocupar, los «huecos», aparecerían com o entidades físicas observables. Pero ¿por qué aparecerían com o p ro to n es, dos m il veces m ás pesados q u e los electrones? Existían dos razones para la elección de D irac: p o r u n lado, si los p ro to n e s y los electrones eran las únicas partículas elem entales (com o creían entonces casi to dos los físicos) parecía que no había o tra posibilidad; p o r o tro lado, la hipótesis h ab ría supuesto el cu m plim iento del m ilenario, y m u y atractivo p a ra D irac, «sueño de los filósofos». A tractiva o no, la hipótesis se recibió u niversalm ente con escepticism o, e ¡nm ediatam ente se en c o n tró con serios problem as. Por ejem plo, si el p ro tó n fuera la an tip a rtícula del electrón (u n n o m b re q u e todavía n o se había in tro d u c id o ), se su p o n ía que se aniquilaría según p + + e~ —> 2y, y los cálculos in d icab an que la vida m edia de la m ateria sería, en tal caso, ab su rd am en te corta, de u n o s 10 ~9 segundos. Este a rg u m en to p o r sí solo n o fue suficiente p ara convencer a D irac de que su teo ría era errónea, pero en la prim avera de 1931 se dio cu en ta (com o o tro s antes) q ue el hueco ten ía que te n e r la m ism a m asa que el electrón. En la nueva versión, com o apareció en u n notable artículo en los Proceedirigs o fth e Royal Society, el an ticlectró n se in tro d u cía p o r p rim e ra vez com o «un nuevo tip o de partícu la, desconocida p ara la física

'

con la m is-

m a m asa que u n electrón y carga opuesta» (K ragh 1990, p. 103). A dem ás, dado que el p ro tó n era ah o ra u n tip o diferente de p artícula, te n d ría p robablem ente, según D irac, su p ro p ia an tip artícu la. U nos pocos años después, en su discurso N obel de 1933, D irac dio un paso m ás, especulando sobre m ateria com p u esta enteram en te de an tip a rtícu las: «D ebem os consid erar básicam ente u n accidente que la T ierra (y, es de suponer, to d o el sistem a solar) contenga u n a p re p o n d e ra n cia de electrones negativos y pro to n es positivos. Es b astan te p ro b ab le q u e p a ra algunas estrellas sea al revés: que estas estrelias estén com p u estas p rin cip alm en te de p o sitro n es y p ro to n es negativos. De hecho, puede que la m itad de las estrellas sea de u n tipo, y la o tra m itad del otro. Los dos tipos de estrella m o stra ría n exactam ente los m ism os espectros, y no h abría m an era de distinguirlas m ed ian te los m éto d o s astro n ó m ico s actuales». Sin em bargo, en 1931 el an tielectró n era u n a p artícu la p u ra m e n te h ip o tética y la m ayoría de los físicos declin aban to m a r la teoría de D irac en serío. Fue sólo m ás adelante cu an d o se reconoció com o «quizá el salto m ás grande de to d o s los grandes saltos de la física en n u estro siglo», com o H eisenberg la d e n o m in ó con generosidad en 1973. El artículo de D irac de 1931 n o tra ta b a p rin cip alm en te con antielectrones, sino que era u n am bicioso, y fallido, in ten to de explicar la razón de la existencia de una carga

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eléctrica u n id ad . D u ran te el proceso de su trabajo, D irac se vio llevado a in tro d u cir un factor de fase n o integrable en la fu n ció n de onda; m o stró que esto era equivalente a intro d u cir u n cam po m agnético con u n a carga m agnética com o fuente; es decir, u n m onopolo m agnético com o u n análogo m agnético del electrón. Este m o n o p o io de D irac era una partícula hipotética, justificada sólo en el sentido que no estaba pro h ib id a p o r la m ecánica cuántica. D irac se dio cuenta de que esto no aseguraba la existencia real de m on o p o lo s en la naturaleza, pero d ado que n o había razón teórica para p ro h ib ir la exístencia de m on o p o lo s, «uno se sorpren d ería si la N aturaleza n o la hu b iera utilizado [la posibilidad]». En ‫ ظ‬h isto ria de las ideas, este tip o de argum ento (que las entidades que pueden existir deben existir) se re m o n ta a Leibniz, y se conoce com o el p rincipio de pien itud. Ai co n trario que el p o sitró n , el m o n o p o lo m agnético no despertó interés entre los físicos, ‫ ظ‬m ayoría de los cuales ig n o raro n la p artícu la propuesta. Existían, sin em bargo, algunas especulaciones de que el n e u tró n p o d ría consistir en dos polos m agnétieos de carga opuesta, o de que el m o n o p o lo p o d ría desem peñar si n o u n papel en el n ú cleo atóm ico. Fue sólo en los años setenta cu an d o la teoría de m onopolos, adem ás de búsquedas experim entales de la p artícula, se convirtió en u n área principal de investigación. Desde entonces, ha hab id o varios anuncios de detecciones de m o n opolos magnéticos, pero n in g u n o se ha confirm ado. Puede que los m o n opolos existan, o que hayan existido alguna vez, pero el m o n o p o lo m agnético de finales de los noventa tiene el mism o estatus que el que tenía en 1931: es h ipotético (véase tam b ién el capítulo 21). El estatus del antielectró n , p o r o tra parte, cam bió d u ra n te el bienio 1932-1933. En el C alifornia In stitu te o f Technology, C ari A nderson, u n antiguo estudiante de M illikan, se fijó en algunas trazas de fotografías de cám ara de niebla de la radiación cósm ica, que al p rin cip io atrib u y ó a pro to n es. En u n artícu lo p o ste rio r en m arzo de 1933, sugirió que hab ía descu b ierto u n electrón de carga positiva, o «positrón», com o él lo d en o m in ó . T am bién sugirió «negatrón» p ara el electrón o rd inario, p ero el n o m b re, au n q u e se usó alguna vez, n o gozó de éxito. La detección de los p o sitro n es p o r p arte de A nderson p o d ría parecer u n b o n ito caso de d escu b rim ien to in spirado p o r la teoría, pero el descu b rim ien to en realidad n o debe n ad a en absoluto a la teoría de D irac. En lugar de in te rp re ta r el electrón positivo com o el resultado de u n a p ro d u cció n de un par, a la D irac, A nderson creía que se h abía em itid o desde u n núcleo atóm ico dividido p o r u n rayo fo tó n cósm ico incidente. Su explicación tentativa no se refería ni a D irac ni a la m ecánica cuántica; tenía u n aire an ticu ad o y se basaba en u n concepto visible del núcleo q u e estaba de acu erd o con las ideas de M illikan, pero que no ten ía casi nada que ver con los sofisticados m odelos cuánticos q u e Fíeisenberg y otro s estaban estableciendo p o r aquel entonces. A n d erso n escribió, «Si retenem os la im agen de que u n núcleo consiste en p ro to n es y n eu tro n es (y partículas a ) y que u n n e u tró n representa u n a co m bin ació n cercana de u n p ro tó n y u n electrón, entonces, basándose en la teoría electrom agnética sobre el origen de la m asa, la suposición m ás sim ple parece ser que u n en cu en tro en tre el rayo p rim a rio incidente y u n p ro tó n puede ten er lugar de m a n e ra que el d iám etro del p ro tó n se ex panda h asta el m ism o valor que posee el negatrón» (Beyer 1949, p. 4).


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N ٠ fue sin© hasta después de que Bl‫؛‬،ckett y el físico italiano G uiseppe O cchialini in fo rm a ra n sobre nuevos ex perim entos con rayos cósráicos, y se refirieran explícitam en te a la teo ría de D irac, cu an d o q u ed ó claro que A nd€rson de hecho había descub ierto la partícu la de D irac. En u n año, el p o sitró n se h abía aceptado en general y había sido recibida com o u n a im p o rta n te partícula, ta n to en ‫ ط‬teo ría com o en la experim entación. Sin em bargo, la positiva recepción del p o sitró n no im plicó u n a recepción igualm ente positiva de la teo ría de huecos de D irac, que co n tin u ó siendo criticada. Todavía en 1934, M illikan y A n d erso n se aferrab an a la im agen de que los positrones de los rayos cósm icos existían ya, o se fo rm ab an en los núcleos atóm icos, y p o r lo ta n to no d ebían identificarse con antielectrones. A lgunos teóricos, incluyendo a ?auli, sugiriero n q u e los p o sitro n es p o d ía n satisfacer la estadística de ftose-Einstein y que el n e u trin o , que se p ensaba que p o d ría quizá ser u n a p artícula nuclear, consistía en u n p ar p o sitró n -electró n . M ien tras que el p o sitró n (alias, an tielectrón) se aceptó a m ediados de los trein ta, otras hipótesis sobre an tip artícu las tu v iero n u n a existencia m ás silenciosa. El p ro tó n negativo se d iscutió a veces, p ero n o necesariam ente com o la antipartícula del p ro tó n , ? o r ejem plo, G am ow sugirió en varios artículos en tre 1934 y 1937 que el n úcleo atóm ico incluía p ro to n es negativos distintos de los an tip ro to n es de Dirac. En cu an to al an fin e u tró n , se in tro d u jo p o r p rim e ra vez en 1935 p o r el físico italiano (m ás tard e b rasileño) G leb W ataghin.

Sorpresas de la radiación cósmica En la época en la q u e D irac p ro p u so su teo ría de huecos, la radiación cósm ica todavía se consideraba u n área m isteriosa de la n aturaleza, y su com posición era objeto de controversia. A lgunas de las partículas de los rayos cósm icos poseían energías m uy elevadas (m u ch o m ayores que las que p o d ía n p ro p o rc io n a r los nuevos aceleradores) y p o r esta razón, la rad iació n era in teresante p a ra los físicos nucleares y de partículas. La física de rayos cósm icos era altam en te relevante p ara las teorías fundam entales de la física y a la vez, con sus vuelos en globo y alpinism o, todavía tenía algo del encanto de las exploraciones n aturales. C o m o escribió el físico estadounidense Karl D arrow en 1932, el nuevo cam p o era «único en la física m o d e rn a p o r lo m inúsculo de los fenóm enos, lo delicado de las observaciones, las arriesgadas aventuras de los observadores, la sutileza del análisis y la g randeza de las consecuencias» (Cassidy 1981, p. 2). El descu b rim ien to del p o sitró n ft:e crucial a la h o ra de hacer de la investigación de los rayos cósm icos u n cam p o central de la física. Esto pued e observarse, p o r ejem plo, en el núm ero de artículos (incluyendo cartas) publicadas sobre el asunto en Physical Review. En 1928 aparecieron dos artículos sobre rayos cósm icos, y en 1929 sólo uno; en 1930 el n ú m ero subió a 4, y e n 1931 a 9. El añ o siguiente el n ú m ero saltó a 30 artículos, y en 1933 había n ad a m en o s que 43 artículos sobre rayos cósm icos o el p o sitró n . La radiación cósm ica tenía fam a de lab oratorio económ ico porque la naturaleza proporcionaba g ratuitam ente partículas con energías inauditas en laboratorios auténticos. La desventaja, p o r supuesto, era que los proyectiles eran totalm ente incontrolables y, en

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m uchos casos, incluso desconocidos. La com paración económ ica con los experim entos de aceleradores se justificaba en lo tocante a costos y organización. Había pocas diferencias entre la investigación de rayos cósm icos de los años treinta y los experim entos clásieos de bajo coste del Cavendish en los años veinte. R utherford no hubiera objetado la investigación de rayos cósm icos. En 1933 labez Street, u n prom inente físico de rayos cósm icos estadounidense y m ás tarde codescubridor del m u ó n , solicitó a T heodore ly m an, su director en H arvard, u n a beca de 800 dólares para u n a investigación de u n año. La solicitud consistía en u n a página escrita a m ano, sosteniendo que «el carácter discordante de los resultados obtenidos p o r los profesores C o m pton y M illikan deja claro que la acu m u lació n de d ato s sobre la n atu raleza de los rayos cósm icos deja m u ch o que desear» ( ( ‫؛‬alison 1987, p. 78). Street recibió sus 800 dólares y los em pleó con sabiduría. Para e n ten d er lo q u e sucedía en los detectores de rayos cósm icos, estuvieran a bordo de u n globo o situados en altos picos m o n tañ o so s, los físicos necesitaban conocer la n aturaleza de los rayos cósm icos m ism os. M illikan, y con él sus estudiantes, todavía abogaban p o r la teoría original, según la cual los rayos cósm icos p rim ario s eran fotones de alta energía. Esto im p licab a q u e n o d e b e ría existir n in g ú n efecto geom agnético de la titu d , es decir, n in g u n a variación este-oeste com o resultado de la deflexión de las partículas en el cam po m agnético de la tierra, y de hecho M illikan y sus colaboradores no en c o n tra ro n evidencia en absoluto de tal efecto. Por otro lado, los físicos estad o u niden ses de la costa este, y A rth u r C o m p to n en p articular, sostenían que existía indiscutible evidencia de u n efecto de latitu d y q u e los rayos cósm icos p rim ario s deb ían p o r ta n to consistir en partículas cargadas. El desacuerdo se convirtió en una gran controversia, que fue b ien cu b ierta en los perió d ico s estadounidenses. El resultado de la controversia fue, básicam ente, que M illikan p erd ió y C o m p to n ganó. Ya en 1929, W alther B othe y W erner K ohlhórster en Berlín afirm aron hab er d em o strad o que los rayos cósm icos incluían partículas cargadas p en etran tes en vez de los «rayos u ltra gam m a», com o se creía hasta entonces. Su conclusión quedó confirm ada p o r el joven físico italiano B runo Rossi de la U niversidad de Florencia. Rossi desarrolló u n a im p o rtan te nueva técnica conectando contadores G eiger-M üller en u n «circuito coincidente» de tal m o d o que sólo las partículas que atravesaran to d o s los contadores q u e d aran registradas. Sobre 1933, se acu m u ló evidencia ex perim ental en c o n tra de la teoría fotónica de M illikan, esencialm ente m edidas a distintas latitudes geográficas. La m ayoría de las partículas p en etran tes de la radiación cósm ica p rim a ria resultaron estar cargadas y, p o r alguna razó n desconocida, positivam ente. D u ran te algún tiem p o M illikan, A nderson y otros californianos se resistieron a esta conclusión, pero a p a rtir de 1935, aprox im adam en te, la controversia llegó a su fin. E xperim entos b ritánicos que utilizaron circuitos coincidentes co n stru id o s con cám aras de niebla controladas p o r contadores co n firm aro n las conclusiones de Bothe, K o hlhórster y Rossi. En 1935 Street m o stró que la gran m ayoría de los sucesos en las placas de p lo m o eran partículas cargadas individuales, p o r ta n to altam en te p en etran tes, y n o u n a lluvia o cascada de partículas originadas en fotones. Esto concluyó la controversia, m ás o m enos, pero tam b ién planteó u n a preg u n ta p ertin en te: ¿qué eran estas partículas?


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Se pensaba al p rin cip io que las partículas p en etran tes de los rayos cósm icos eran electrones, p ero la m a n e ra en que p erd ían $٧ energía indicaba que p o d ían no ser electrones o rd in ario s. A ctuaban ex trañ am en te, y A nderson y su g ru p o en C altech se refería a ellos in fo rm alm en te com o electrones «verdes» p ara distinguirlos de los electrones o rdinarios, absorbibles o «rojos». E n 1936 la n atu raleza de estos electrones verdes se convirtió en u n objeto de g ran discusión, en tre o tras cosas p o rq u e u n a posible solución al p ro b le m a era teórica: que la electro d in ám ica actual p o d ría ser incapaz de explicar el fenóm eno. Parecía que existían dos alternativas, o bien la teo ría cuántica se infringía a altas energías o b ien u n a nueva p artícu la, in term ed ia en m asa entre el p ro tó n y el electrón, en trab a en juego. Casi to d o s los físicos escogieron la p rim era alternativa, pero la solución del enigm a resultó estar en la segunda. ¿Podían ser p ro to n es estas partículas? N o según A nderson y Seth N edderm eyer, que concluyeron en la conferencia de Londre،s en 1934 q u e «‫ ط‬m ayoría de las partículas de rayos cósm icos de alta energía a nivel del m ar tien en m asa electrónica» (G alison 1983, p. 287). Si estas partículas de m asa electrónica n o eran electrones, ¿qué eran? El 2‫ ل‬de diciem bre de 1936, A n d erso n recibió el p rem io N obel p o r su descu b rim ien to del positró n . Podría h ab er sido u n a o p o rtu n id a d p ara especular sobre los m isteriosos electrones verdes, pero A n d erso n resistió la ten tació n . En su discurso en Estocolm o, m encionó los nuevos datos sobre rayos cósm icos y observó que «estas partículas altam ente penetrantes, au n q u e n o sean electrones positivos y negativos libres, p ro p o rc io n ará n interesante m aterial p ara estudios futuros». Así fue: en la prim avera de 1937, A nderson y N edderm eyer llegaron a la conclusión de que la hipótesis m ás razonable era que «ex‫؛‬،‫؟‬tían partículas de carga u n id ad , pero con u n a m asa (que pued e no ten er u n valor ú n ico) m ayor q u e la de u n electrón n o rm a l libre y m u c h o m e n o r que la de u n protón» ( ibid., p. 298). Poco después, al o tro lado del c o n tin e n te am ericano, Street y su grupo llegaron a u n a conclusión sim ilar, a u n q u e m ed ian te arg u m en to s m uy distintos, y tam bién lo hizo u n g ru p o jap o n és d irigido p o r Yoshio N ishina. El descu b rim ien to de lo que se conoce h o y en día co m o n m ó n fue p o r ta n to triple, au n q u e n o existe discusión acerca de la p rio rid ad : les co rresp o n d ió a los californianos. U na partícu la con m asa interm edia en tre el electrón y el p ro tó n , u n m esón, hab ía sido descubierta, ¿o no? Exactam en te cu á n d o fue d escubierto el electrón pesado, m esón ٣ o m u ó n es u n a preg u n ta que apenas m erece contem plarse, p ero si la m erece, es u n a p reg u n ta com pleja. En cualquier caso, es u n a p re g u n ta relacionada con o tro s desarrollos en física de rayos cósm ieos y de partícu las que tu v iero n lug ar ap ro x im ad am en te al m ism o tiem po, y p o r tan to no p u ed e contestarse de m an era aislada de estos desarrollos. D espués de que se reconociera q u e la p artíc u la de A nderson-N edderm eyer-S treet era real, la siguiente cuestión era obviam ente d e te rm in a r su m asa y o tras características, com o su espín y sus m o d o s de desintegración. U na preg u n ta m enos im p ó rtam e , pero que ta m b ié n tenía que decidirse, era la concern iente al n o m b re de la partícula. E ntre los n o m b res sugeridos estaban m esón, n ieso tró n , b a ritró n , electrón pesado y yukón; los dos p rim ero s d erivaban de la m asa de la partícula, el ú ltim o de la reciente teoría de «cuantos pesados» de Yukawa. D u ra n te u n tiem po, el «m esotrón» sugerido p o r

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M illikan, A nderson, N edderm eycr era de uso general, pero en los años cu arenta el «m esón», abreviado, sugerido p o r H o m i B habha, acabó siendo el n o m b re m ás p o p u lar y fue oficialm ente ap ro b ad o p o r la C om isión de rayos cósm icos de la U n ió n Internacional de la Física en 1947. En 1937 S treet y E dw ard c . Stevenson estim aron, a partir de la ionización específica y lo n g itu d de la traza en la cám ara de niebla, u n valor p ara la m asa del m eso tró n de unas 130 veces la m asa del electrón, no m uy d istin to de ‫ ط‬estim ación de 200 veces en la teoría de Yukawa p a ra las fuerzas nucleares. La identificación de la p artícu la de Yukawa y del m eso tró n de 1937 fue sugerida p o r p rim era vez p o r O p p e n h e im e r y R obert Serber el m ism o año, siendo un desastre m enor, com o verem os m ás adelante. El hecho de que la predicción de Yukawa fuera publicada antes del ، ! c u b r im i e n t o del m eso tró n , y la creencia de los físicos de que la predicción se refería al m eso tró n , n o significa q u e el d escu b rim ien to experim ental estuviera relacionado causalm ente con la teoría de m esones. C o m o en el caso del p o sitró n , no existía C O nexión en tre teo ría y experim ento. A nderson y N edderm eyer no su p iero n de la TABLA ‫ول‬.‫ل‬ A lgunos d escubrim ientos de partículas, 1897-1956 Nombre actual

Nombre(s) antiguo(s)

Electrón

corpúsculo, negatrón

Protón

partícula H

Predicción 1894; j. Larmor -

Descubrimiento 1 8 9 7 : ‫آ‬.‫ آ‬. Thomson

Alrededor de 1913 (ningún descubridor)

Neutrino

neutrón

1929; w . Pauli

1956; F. Reines, c. Cowan

Positrón

electrón positivo

1931; P. Dirac

1932; C, Anderson

1920; E. Rutherford

1932; 1. Chadwick

1931; P. Dirac

1955; O. Chamberlain, E. Segré, C. Wiegand, T. Ypsilantis

1935; G. Wataghin

1956; B. C ork G. Lambertson, ‫ ه‬. Piccioni, w . Wenzel

Neutrón Antiprotón

— protón negativo

Antineutrón

Muón

mesotrón, mesón [i ~

1937; c. Anderson, s. Neddermeyer

Pión cargado

m e s ó n tt

1935; H. Yukawa

1947, C. Powell, G. Occhialini, c. Fattes

Pión neutro

mesón

1938; N. Kemmer

1950; R. Bjorklund, w. Crandall, B. Moyer, H.York

Barión A°

partícula V

tt

1947: c , Butl،r, -

Barión

K tt3

m e s ó n tt

-

G. Rochester 1949; C. ?owell £٢al.

De dos panículas a muchas antipartículas

‫ﻝ‬9 ‫ﺍ‬

p redicción de Yukawa hasta el verano de Í937. C o m o N edderm eyer recordó m ás tarde: «El m u ó n , com o el p o sitró n , fue u n d escu b rim ien to p u ra m e n te experim ental, en el sentido de que se realizó de m an era to ta lm e n te in d ep en d ien te de cualquier consideració n teórica sobre qué p artícu las d eb erían existir o no» (B row n 1981, p. 132). H abría q u e esperar hasta el final de la Segunda G u erra M undial para que se o b tu vieran valores m ás precisos p ara la m asa del m e$otrón. En 1950 el valor de la m asa se había d e term in ad o en 215 ± 6 m asas electrónicas, claram ente d istim o de lo que se sabía p o r entonces acerca de la m asa del m esón de Yukawa. En lo concerniente a la desintegración, la identificación del m eso tró n con la p artícula de Yukawa indicaba los ese~ + V en analogía con la desintegración quem as de d esintegración ‫إل‬+ —> e+ + V ó ٣ beta. Se sabía m u y p oco de los muone،s, com o se acabó d e n o m in a n d o a estas p artícu -

las en los años trein ta. Fue ta n sólo en 1941 cu a n d o Franco Rasetti de la U niversidad de R om a (a u n q u e trab ajan d o p o r aquel entonces en C anadá) d e term in ó u n tiem p o de vida m edio de (1,5 ± 0,3) X 10 “6 segundos, u n valor n o m uy d istin to del que se acepta hoy en día. N o existían indicativos firm es del espín del m e$otrón en aquella época. G eneralizando, au n q u e el d escu b rim ien to del m e‫؟‬o tró n fue útil a la h o ra de en ten d er el co n tenid o en p artícu las de la rad iació n cósm ica, y después p ara el rango de validez de la electrodinám ica cuántica, n o aclaró realm ente la situación de la física de partícu las elem ental (véase tabla 13.1). D e hecho, a u n q u e este hecho era felizm ente desconocido en la época, hizo q u e la situación fuera todavía m ás com plicada.

C r is is de la teoría cuántica D irac fue el p rim ero , en 1927, en d esarrollar u n a teoría cuántica del cam po electrom agnético, seguido p o r Jordán, de m a n e ra in d ep en d ien te. Jordán creía «m uy p ro bable» que la teo ría se desarrollara p ro n to en «la fo rm u lació n n atu ral de la teo ría cuántica electrónica, m ed ian te la d escripción de luz y m ateria com o ondas ím eractu an tes en el espacio trid im en sio n al» (R ueger 1992, p. 312). Sin em bargo, el desarrollo resultó m ucho m ás fru stran te de que lo q u e se e,‫؟‬p erab a en 1927. D os años después, Pauli y H eisenberg p ro p u sie ro n u n a am biciosa teo ría de electrodinám ica cuántica (Q ED ) que era relativistam ente invariante e incluía la cu an tizació n de la rad iación adem ás de las ondas de m ateria. La teo ría H eisenberg-Pauli fue u n a o b ra m aestra de física m atem ática y el fu n d a m e n to de fu tu ras teorías de QED, p ero tam b ién era com plicada e indigerible para la m ayoría de los físicos. A pesar de sus p ro m eted o ras características, estaba plagada de p aradojas y m ag n itu d es divergentes. En particular, la energía pro p ia del electrón (la energía de u n electrón en su p ro p io cam p o electrom agnético) resultaba infinita, lo cual era, p o r supuesto, u n resultado inaceptable. Sin em bargo, m u chas aplicaciones del form alism o de H eisenberg-Pauli eran in d ependientes de las deficiencias teóricas. D espués del desarrollo ráp id o y lleno de éxito de la m ecánica cuántica n o relativista de 1925 a 1927 sucedió u n p erio d o de serias d u d as sobre los fu m lam entos de la m ecánica cuántica, al in te n ta r establecer u n a teo ría invariante relativista de las ‫؛‬nterac-

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ciones electrom agnéticas. M uchos físicos creían que una nueva revolución cuántica, basada en algún concepto rad icalm en te nuevo, estaba próxim a. Los problem as eran de un a naturaleza en p a rte lógica y conceptual, y en p a rte debidos a fallos en la teoría ex‫؛‬$ten te a la h o ra de d a r cu en ta de nuevos hallazgos em píricos. D en tro del p rim e r grupo de problem as, el caso arq u etíp ico era la energía p ro p ia del electrón pu n tu al, que resultaba ser infinita, y éste era sólo u n o de los serios pro b lem as que acechaban a la ele،> tro d in ám ic a cu án tica basada en la teo ría de H eisenberg y Pauli de 1929. M ientras que la energía p ro p ia infinita tenía su hom ó lo g o en la teo ría clásica, aparecieron nuevas divergencias de n aturaleza n o clásica en la teoría cu án tica de cam pos relativista. Por ejem plo, j. R obert O p p e n h e im e r p ro b ó en 1930 que, adem ás de la energía pro p ia electro stática clásica, u n nuevo efecto cuán tico c o n trib u iría a la energía pro p ia con u n térm in o divergente cu ad ráticam en te. C om o © p p en h eim er señaló, las divergencias deberían causar u n desplazam iento infin ito de las líneas espectrales. C u an d o se in co rp o ró el p o sitró n a la teo ría cuántica de cam pos, los infinitos siguieron ahí: en la teoría del p o sitró n , la co n trib u ció n a la d en sid ad de carga eléctrica debida a la polarización del vacío se dem o stró q u e era divergente. O tro tip o m ás de divergencia, la «catástrofe infrarroja» surgió a finales de los tre in ta en conexión con los in ten to s de explicar la em isión de electrones b landos d u ra n te la dispersión de partículas cargadas. La consistencia lógica de la teo ría cuántica relativista tam b ién se cuestionaba en conexión con la legitim idad del cam p o electrom agnético cuántico. En 1931, L andau y Peierls argum e n ta ro n que las m edidas de cam p o n o se p o d ía n realizar sin am bigüedades y que p o r ta n to la electro d in ám ica cuántica del m o m e n to era inconsistente. La crítica de L andau y Peierls fue p reo cu p an te hasta 1933, cu a n d o B ohr y Léon Rosenfeld m o straro n que las consecuencias de la electro d in ám ica cu án tica eran consistentes con las m ejores m edidas posibles de m ag n itu d es del cam po electrom agnético. £1 trabajo de Bohr y Rosenfeld se in terp retó g eneralm ente com o si los fallos de la QED p u d ie ran evitarse si sólo se fo rm u lab an p reg u n tas acerca de m ag n itu d es de cam po prom ediadas, definidas en regiones del espacio -tiem p o n o puntu ales. La situación teó rica y co n ceptual en la Q ED fue u n m otivo de g ran preocupación para los físicos. En 1930 B ohr escribió a D irac: «[...] creo firm em ente que la solución de los problem as actuales n o se alcanzará sin u n a revisión de n u estras ideas físicas generales todavía m ás p ro fu n d a de la q u e se con tem p la en ‫ ظ‬m ecánica cuántica actual» (Cassidy 1981, p. 9). Tres años después, los p roblem as se hicieron aú n m ás graves. Rob ert O p p e n h e im e r los resum ía así a su h e rm a n o Frank: «C om o sin d u d a sabes, la física teórica (con los fantasm as de los n eu trin o s, la convicción de C openhague, co n tra to d a evidencia, de q u e los rayos cósm icos son pro to n es, la teoría de cam pos de Bohr ab so lutam en te incuantizable, la,‫ ؟‬dificultades con las divergencias para el p o sitró n , y la absoluta im p o sib ilid ad de llevar a cabo n i u n sólo cálculo riguroso) está m etid a en un b u en follón» (K ragh 1990, p. 165). En 1936 D irac llegó a la conclusión de que la QED tenía que ab an d o n arse p o rq u e era u n a teoría fea y com plicada y en realidad n o explicaba nada. A Einstein, que en c o n tra b a la Q ED «horrible», le agradó la conclusión de Dirac.


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C on el segundo g ru p o de p roblem as, las anom alías experim entales, los desafíos m ás serios eran los derivados del en te n d im ie n to del núcleo atóm ico y la p arte de alta en e r gía de la radiació n cósm ica. La teo ría del fren ad o de partículas rápidas cargadas p o r m ateria n o estaba de acuerdo con los experim entos, co m o W alter H eitler, u n experto en cálculos de teo ría cu ántica de cam pos, concluyó en 1933. C u an d o se u n ió a Bethe para desarrollar u n a teoría del frenado m ás rigurosa, los desacuerdos p erm anecieron. «La p érd id a de energía p o r rad iació n teó rica p a ra energía inicial elevada es claram en te dem asiado alta p a ra que sea reconciliable en algún m o d o con los experim entos [con rayos cósm icos] de A nderson», escribieron en 1934 Bethe y Heitler. «Es m uy in tere sante que la p érd id a de energía de los electrones ráp id os [...] p ro p o rcio n a el p rim e r ejem plo en el que la m ecánica cuántica ap aren tem en te se infringe para u n fenóm eno fuera del núcleo» (G alison 1983, p. 285). Los datos que A nderson y N edderm eyer p re sentaron en la conferencia de Londres en o ctu b re de 1934 m o strab a n b u e n acuerdo con la teo ría p ara energías bajas, pero u n desacuerdo to tal para energías superiores a unas 150 veces la energía en reposo del electró n ( me 2- 0,51 M eV). Para explicar la d is crepancia en tre teo ría y experim entos, se sugirió que las partículas pen etran tes eran protones y n o electrones; y cu an d o esta teo ría resultó insostenible, se concluyó que la QED había fracasado a altas energías. De acu erd o con el in fo rm e de Bethe sobre la c o n ferencia de L ondres, «los ex perim entos de A n d erso n y N edderm eyer sobre el paso de electrones de rayos cósm icos a través de p lo m o [...] [m u estra que] la teoría cuántica al parecer deja de funcionar p ara energías de unos 108 voltios» (ibid., p. 288). Bethe, Heitler, O p p en h eim er y o tro s teóricos cuánticos se en fren tab an a u n a elección entre in tro d u cir u n a nueva p artíc u la o aceptar la ru p tu ra de la QED. E ntre las dos posibilidades, es cogieron la segunda. C o n el d escu b rim ien to del m eso tró n (m u ó n ) en 1937, la situ a ción m ejoró co nsiderablem ente y m u ch o s físicos concluyeron que n o había necesidad de u n a revolución cuántica después de tod o . Pero el sen tim ien to de crisis prosiguió, ya que la Q ED estaba todavía plagada de infinitos, y las nuevas teorías de cam po del m e són que surgieron a finales de los años tre in ta ten ían sus pro p io s problem as de diver gencias. Las respuestas a lo que se percibía com o u n a crisis co n tin u a d a variaban. M uchos fí sicos im p o rtan tes, incluyendo a Bohr, D irac, H eisenberg, Pauli y Landau, creían en un enfoque revolucionario; es decir, que los pro b lem as n o se p o d ían resolver d en tro de la teoría existente sino que se d eberían explotar p ara c o n stru ir u n a teoría fu tu ra que p o dría diferir de la teo ría cuántica existente ta n to com o ésta difería de la teo ría clásica. O tros físicos, de d isposición m ás p rag m ática (incluyendo a Bethe, Heitler, Ferm i y O p p en h eim er) m a n te n ía n que los pro b lem as se p o d ían evitar m ediante m ejoras técnicas, o que alguna refo rm u lació n ap ro p iad a de la teo ría existente p o d ría llevar al m enos a respuestas sensatas a todos los p roblem as q u e aparecieran em píricam ente. A unque es tas dos actitudes se p u ed en identificar co m o tendencias históricas, la diferencia entre «revolucionarios» y «conservadores» n o era absoluta n i p erm an en te. Por ejem plo, a u n que H eisenberg y D irac favorecían en general el en foque revolucionario (que la teo ría existente debería reem plazarse p o r o tra co m p letam en te nueva) esto n o les im p id ió ex

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p lo ra r m an eras de solu cio n ar los p roblem as que estuvieran basados en m odificaciones de la teoría existente. P or conveniencia, se p u ed en d iv id ir en cu atro clases las actitudes de los físicos de los años tre in ta con respecto a los pro b lem as de la teoría cuántica. 1. A lgunos de los físicos de conciencia revolucionaria incluso dieron la bienvenida a la serie de crisis, q u e con sid erab an genuinas m anifestaciones de las lim itaciones de la teoría existente y p o r ta n to u n a pista de la fn tu ra teoría que habían soñado. H eisenberg creía que los té rm in o s infinitos no debían descartarse y que tam b ién o c u rriría n en la teoría co rrecta del futuro, en u n a versión interp retad a ap ro p iad am en te. 2. O tro s físicos se c o n c e n tra ro n en evitar las divergencias sin cam biar el m arco de la teoría existente. U na m an era de conseguirlo era co rta n d o las contribuciones de alta frecuencia. Los p ro ced im ien to s de corte (cutoff) se utilizaban frecuentem en te y d e m o stra ro n su u tilid ad en cálculos prácticos, pero dado que no tenían justificación teórica y q u e d e stru ía n la invariancia relativista, se consideraban g eneralm ente p seudosoluciones pragm áticas. O tra m a n e ra de extraer inform ación fiable de u n a teo ría presu m ib lem en te poco fiable era om itir o sustraer térm inos indeseados m ediante técnicas de cálculo adecuadas. Este enfoque, introducid o p o r D irac y K ram ers, con ten ía el g erm en de los p ro cedim ientos de ren o rm alizació n que se d esarro llaro n después de 1945 y a los cuales volverem os en el cap ítu lo 22. 3. U n en foque relacionado era in te n ta r elim in ar las divergencias m ediante, o bien cam bios directos en la teoría cuántica, o b ien cam b ian d o la fu n d am entación clásica. El p rim e r en fo q u e fue p ro p u esto p o r G regor W entzel en su m éto d o den o m in a d o de X lím ite (1933) y p o r D irac en su in tro d u c ció n de probabilidades negativas y u n a m étrica ind efin id a p a ra el espacio de H ilb ert (1941). El enfoque de re fo rm a r la teo ría clásica fue ad o p tad o , de d istin ta m an era, p o r B orn y Leop o ld Infeld en su teo ría de cam pos n o lineal de 1934 y p o r D irac en su teo ría de electrones de 1938. 4. U n ú ltim o en foque era a b a n d o n a r la electro d inám ica cuántica y reem plazarla, al m en o s te m p o ralm en te, con u n a teo ría m ás m odesta, o u n g ru p o de reglas, basadas en arg u m en to s de co rrespondencia. Esta a lte rn at‫؛‬¥a fue seguida p o r un tiem p o p o r C h ristian M oller, O p p e n h e im e r y Bethe, pero q u ed ó claro que era m en o s fu n d am en tal q u e la electro d in ám ica cuántica. H eisenberg era u n o de los contrib u y en tes m ás activos a la discusión fundacional de la QED, ta n to en sus contextos p u ra m e n te teóricos com o en sus aplicaciones a los fen ó m e n o s de rayos cósm icos. Su m an era favorita de resolver los problem as de divergencia era in tro d u c ir u n a lo n g itu d m ín im a, com o hizo en 1938, cu an d o argum entaba que la lo n g itu d m ín im a o fu n d a m e n ta l deb ería derivarse de la nueva teoría del m esón de Yukawa. H eisenberg esperaba c o n stru ir sobre esta base u n a teoría cuántica nueva.


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invariante relativistam ente, q u e co n tu v iera a la antig u a com o u n caso hm ite y difiricra de ella sólo cu an d o la lo n g itu d fu n d am en tal n o se p u d iera considerar u n a cantidad " Sin em bargo, su teoría recibió criticas de la m ayoría de los dem ás físicos, incluyendo a Pauli, quien al p rin cip io h ab ía coo p erad o con H eisenberg en su program a de investigación.

El cuanto pesado de Yukawa «En el m o m e n to actual de la teoría cuántica se conoce poco sobre la naturaleza de la interacción en tre las partículas elem entales». Así em pezaba el artículo de H idek‫ ؛‬Yukawa, u n físico jap o n és de veintiocho años de la U niversidad Im perial de O saka, en el p rim e r n ú m e ro del v o lu m en de 1935 de las Actas de la Sociedad Físico-M atem ática de Japón, u n a revista n o m u y conocida fuera de Japón. El artículo se basaba en u n ،liscurso de diez m in u to s im p a rtid o en el en cu en tro de la Sociedad Físico-M atem ática en Tokio el 17 de n oviem bre de 1934. Yukawa se o cu p ab a de las fuerzas nucleares y estaba inspirado, p o r u n lado, p o r la teo ría nuclear de H eisenberg de 1932 y, p o r o tro, p o r la teoría de la radiactiv id ad b eta de Ferm i de 1934. B asando su ra zo n am ien to en ideas de estas dos ftrentes, in te n tó desarrollar u n a im agen unificada de lo que m ás tarde se den o m in aría las interacciones débiles y fuertes. D u ra n te su in tento, se vio llevado a po stu lar «un nuevo tip o de cuanto» q u e m ediaba las fuerzas de intercam bio en el núcleo atóm ico en analogía con el fo tó n en los cam pos electrom agnéticos. Yukawa sugiríó que el nuevo potencial nuclear se d esintegraría nruy ráp id am en te con la distancia y que el rango del potencial sería ap ro x im ad am en te X = 2 x 1 0'-‫ ؟‬m , el ta m a ñ o característico de los núcleos atóm icos. Sugirió adem ás que el p a rám etro de rango estaría relacionado con la m asa del «cuanto u» cargado según X = 2ttm c/h, y así predijo u n valor p ara su m asa de u nas 200 m asas electrónicas. Pero ¿existían los cuan to s pesados o eran sim plem ente aberraciones m atem áticas? Yukawa m en cio n ab a cau tam en te que «dado que u n cu an to así, de m asa elevada y carga positiva o negativa, n u n c a se ha e n c o n tra d o ex p erim entalm ente, parece que la teoría descrita va p o r m al cam ino» (Beyer 1949, p. 144). Sin em bargo, existen pocas dudas de que Yukawa creía q u e sus cuan to s existían y q u e no co m p artía los tem ores de sus colegas occidentales a la h o ra de in tro d u c ir nuevas partículas. A unque los cuantos pesados no aparecían en experim en to s o rd in ario s, a rg u m en tó que serian observables en ’ a altas energías, com o en las que o c u rría n en la rad iación cósm ica. La predicción de Yukawa de u n a nueva p artícu la elem ental en tre el electrón y el p ro tó n fue acogida silenciosam ente. D u ra n te m ás de dos años pasó desapercibida, no sólo en E uropa y Estados U nidos, sino tam b ién en Japón. El m ism o Yukawa dejó el asu n to d u ra n te m ás de u n año. Fue sólo cu an d o las m edidas anóm alas de A nderson y N edderm eyer em p ezaro n a a traer aten ció n cu an d o Yukawa, el 18 de enero de 1937, envió u n a no ta a u n a revista occidental sobre su teoría, sugiriendo que «no es to talm ente im posible q u e las trazas anóm alas descubiertas p o r A nderson y N edderm eyer, que es probable q u e perten ezcan a rayos desconocidos con e/m m ayor que el p ro tó n , sean

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en realidad debidas a estos cuan to s [[/]» (B row n y R echenberg 1996, p. 123). El editor de N ature declinó la publicación p o rq u e juzgó que la sugerencia era especulativa. (C uatro años antes, la m ism a revista hab ía rechazado tam b ién el artículo de Ferm i sob re desintegración beta.) Sin em bargo, con el an u n cio en m ayo de 1937 de que el m eso tró n había sido d escubierto en la rad iació n cósm ica, la respuesta a la teo ría de Yukaw a cam bió drásticam ente. La p rim e ra referencia a ella en u n a revista occidental p rovino de O p p e n h e im e r y Serber en ju n io de 1937, cu an d o juzgaron que la teoría de Yukawa era artificial e incorrecta. Sin em bargo, u n a respuesta negativa p u ede ser a veces m ejor que n in g u n a, y la evaluación crítica de © p p en h eim er y Serber sirvió sin du d a de an u n cio efectivo p a ra la teo ría japonesa. En o to ñ o de 1937, los físicos en E uropa y Estados U nidos estaban o cu p ad o s estu d ian d o el artícu lo del desconocido físico japonés. La razó n del súbito cam bio de a c titu d de indiferencia a entusiasm o era claram ente que los físicos en c o n traro n en la p redicción de Yukawa la m ism a partícula que se hab ía acabado de d escu b rir ex p erim en talm en te p o r A nderson y N edderm eyer. En otras palabras, el m eso tró n era el cu an to

u. La ¡d en tifâcíó n fue asum ida en general, pero

p ro n to resultó ser p ro blem ática. D u ra n te los años siguientes a 1937, la teo ría m esónica de las fuerzas nucleares atrajo m u c h o interés y fue desarrollada p o r u n gran nú m ero de físicos, sobre to d o en Japón y E uropa. E n tre los co ntribuyentes japoneses m ás im p o rta n tes estaban Yukawa, S in-Itiro T om onaga, Sholchí Sakat y M ituo Taketaní; los europeos incluían a H eitler, N icholas K em m er, H e rb e rt Fróhlich, Pauli y H om í Bhab h a (que era de India, p ero trab ajab a en Inglaterra). El m esón nuclear era inestable, con u n a vida m edía en reposo que Yukawa estim ó de 10“7 segundos en 1938. El m ism o año, H eisenberg y Hans Fuler hallaron, a p artir de un análisis de datos experim entales, 2,7 X 10 ‫’ ؛‬segundos p ara la vida del m esotrón de los ra yos cósmicos. El valor n o cam bió m u ch o cuando se realizaron las prim eras m edidas directas du ran te la guerra. H eisenberg y Luler n o estaban preocupados p o r la discrepancia y encontraron el acuerdo «bastante satisfactorio». Tam poco los problem as con la m asa del m esotrón hicieron que saltara la alarm a entre los físicos. Los experim entos a finales de los treinta no ' p roporcionar u n valor preciso para la m asa del m esotrón, sino valores que variaban considerablem ente, de ٧٠ m asas electrónicas a 350 o más. ?ero los físicos no en co n traro n la divergencia alarm ante y, p o r u n tiem po, consiguieron convencerse a sí m ism os de que los m esotrones tenían u n valor único de unas 200 masas electrónicas. Del m ism o m odo, si el m esotrón de los rayos cósmicos era lo m ism o que el cuanto pesado de Yukawa, debería interactuar fuertem ente con los núcleos. Los exper‫؛‬m entos no m ostraron la esperada alta probabilidad de captura po r m ateria, pero esta anom alía tam poco provocó que los físicos se cuestionaran la suposición de u n solo m esón. El estallido de la S egunda G u erra M undial significó n a tu ralm e n te que el trab ajo en física p u ra , co m o la teo ría m esónica y la investigación en rayos cósm icos, se red ujera m ucho, ?e ro n o se detuvo to talm en te y en varios de los países beligerantes, incluyendo Italia, Japón y los Estados U nidos, se co n tin u a ro n im p o rta n tes trabajos a lo largo de los años de guerra. De acu erd o con la teoría aceptada de los m esotrones, p ro p u e sta p o r Tom onaga y T oshím a A rakí en 1940, las p artícu las negativas se c ap tu rarían y absorbe-


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rían en €١ núcleo, d ejan d o ‫ ة‬0 ‫ ﻫﺎ‬las positivas, que se d esco m p o n d rían en electrones ١٢ neu trin o s. D ado que la p ro b ab ilid ad de absorción de u n m esón negativo (com o liam aré de ah o ra en adelante a la partícu la) era m u ch o m ayor que la p ro b ab ilid ad de de' de acu erd o con la teoría, los m esones negativos deberían absorberse casi co m pletam en te y n o d eb erían aparecer electrones p rocedentes de u n a desintegración. £1 efecto Tom onaga-A raki fue confirm ado p o r los tres físicos italianos Marceilo Conversi, O reste Piccioni y Ettore Pancini en 1945, utilizando hierro com o m aterial absorbente. Sin em bargo, cuando se utilizó grafito en experim entos posteriores el efecto desapareció m iserio sam en te, y en o tros elem entos ligeros, los m esones negativos resultaron decaer a u n ritm o sim ilar al de las partículas positivas. Este resultado, ob ten id o a p rin cipios de 1947 y ráp id am en te co n firm ad o en los Estados U nidos, era u n a anom alía genuina, ya que co n trad ecía la p redicción de T om onaga-A raki. En aquel m o m en to , las dificultades acu m u lad as p o r la teo ría de u n solo m esó n ya no p o d ían ignorarse y las cosas de rep en te p rogresaron con rapidez. A unque los físicos italianos no sugirieron n in g u n a explicación de la anom alía, sus colegas en los Estados U nidos sí lo hicieron. D u ran te la p rim e ra conferencia en Shelter Island en ju n io de 1947 (que debatirem os tam b ién en el capítulo 22), el ex p erim en to italiano fue u n o de los tem as de discusión. R obert M arshak de la U niversidad de R ochester sugirió resolver la anom alía m ediante u n a hipótesis de dos m esones. De acuerdo con esta hipótesis, existían dos tipos distintos de m esones, co n diferentes m asas y tiem p o s de vida; las partículas penetran tes y con interacción débil surgían p o r la d esintegración de partículas fuertem ente interactu an tes en la atm ó sfera superior. Poco después, tuvo co n ocim iento de la evidencia de B ristol a favor de dos m esones y se dio cu en ta de que encajaba bien con su teoría; ju n to con Bethe, M arshak desarrolló la idea en u n a teo ría de dos m esones apropiada, q u e incluía u n cálculo del tie m p o de d esintegración del m esón pesado, con u n resultado de u n o s 10~7 segundos. U na p ro p u esta algo sim ilar a la teoría BetheM arshak fue fo rm u lad a in d ep en d ien tem en te p o r Sakata y Takesi In o u e en Japón, basándose en u n a idea a n te rio r de Sakata yY asutaka Tanikawa. O tra respuesta al experim ento de Conver،‫؛؟‬, Piccioni y Pancini provino del físico italiano B runo Pontecorvo, que trabajaba entonces en C anadá (em igraría m ás tarde a la U nión Soviética). En verano de 1947, Pontecorvo sugirió que el m esón de A ndersonN edderm eyer era u n electrón pesado y p o r tan to pertenecía a lo que m ás tarde se denom inaría la familia de leptones. Pontecorvo se dio cuen ta de que la captura de los m esones p o r los núcleos se parecía a la captura nuclear de electrones y sugirió el proceso + ■٣ ‫>— م‬n + v ,e n analogía con el proceso b eta inverso e ' + p - > n + y. Tam bién O skar Klein en Suecia y G iovanni Puppi en Italia desarrollaron m uy poco tiem po después la im portante inspiración de que el electrón y el m esón (٣ ) eran los dos partículas «débiles». D u ran te la prim avera de 1947, la identificación de u n a década de la partícula de Yukawa con la de A n c l^ n - N e d d e r m e y e r estaba d e rru m b án d o se rápidam ente. La atm ósfera conservadora a n terio r dio paso a u n «severo antidogm atism o», com o recordaba Pontecorvo. La única pieza que faltaba en el rom pecabezas era ah o ra la identificación de la p artícu la fírertem ente in teractu an te de Yukawa.

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La p rim e ra observación de u n a desintegración nuclear p o r u n m esón se realizó en enero de 1947, cu an d o l)o n a ld Perkins, u n físico de L ondres, sugirió identificar u n suceso de rayos cósm icos com o u n a p artícu la «sigma» de m asa in term ed ia reaccionando con u n núcleo ligero. U nas sem anas después, Cecil Powell y su g ru p o en la Universidad de Brístol in fo rm a ro n de varias trazas sim ilares en placas fotográficas expuestas a la rad iación cósm ica. En su co m u n icació n a N ature de m ayo de 1947, el equipo de Bristo l in fo rm ó de la observación de «m esones dobles», es decir, lo que parecía ser u n m esón que se o rig in ab a de o tro m esón detenido. Sin em bargo, fue sólo en o to ñ o de 1947 cu ah d o Powell, ju n to con O cchialini y el físico brasileño Cesare Lattes, concluyeron que u n «m esón TT» pesado se desintegraba en u n «m esón ٣ » m ás ligero (la traz a del electrón no era visible en las em ulsiones de 1947). O riginalm ente, los tres físicos concluyeron qu e ‫ ط‬m_ / r n 2

=

‫؛‬, lo q u e im plicaba q u e la d esintegración de

TT

a

[i.

estaba

aco m p añ ad a de u n a p artícu la pesada n eu tra. La m asa se d eterm in ó con precisión tan sólo cu an d o Lattes fue a Berkeley y p ro d u jo artificialm ente el m esón TT. El resultado, m^/m^ = 1,33, co n trad ecía el valor de Bristol. En

'

Powell y su g ru p o se

vieron forzados a con clu ir que estaban equivocados y que n o había n in g u n a partícula n e u tra pesada involucrada en la desintegración. En to d o caso, lo im p o rta n te era que el m esón n (p ió n ) había sido d escubierto y que se vio que era d istin to del m esón ٣ (m u ó n ), m ás ligero. C om o los d escu b rim ien to s del p o sitró n

y

del m u ó n , el descu b rim ien to del pión

tam p o co estaba relacionado con la teoría. Los físicos d ieron la bienvenida al verdadero m esón de las fuerzas nucleares, la m asa del cual encajaba bien con la teo ría de Yukawa. Pero con el d escu b rim ien to del p ió n , el estatus del m u ó n cam bió y no parecía hab er lugar p ara la p artícu la de A d e rs o n -N e d d e rm e y e r en las teorías físicas. «¿Quién h a encargado esto?» se dice que p reg u n tó sobre el m u ó n Isidore Rabí. El año de 947 ‫ل‬ m arcó el fin de la p rim e ra fase, y el p rin cip io de u n a nueva, en la aú n joven disciplina de la física de partículas elem entales. El m esón

TT fue

p redicho p o r u n físico japonés

y

la teoría de Yukawa se desarrolló p rin cip alm en te p o r físicos teóricos en E uropa y Japón; los exp erim en to s con m esones ftreron p o r u n tiem p o u n a especialidad italiana; el descu b rim ien to de 1947 tuvo lugar en Inglaterra p o r u n eq uipo internacional, que incluía a u n italiano

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u n brasileño;

y

el descu b rim ien to , com o otros experim entos ante-

ríores, utilizaba com o ftrente de m esones la radiación cósm ica. D espués de 1947, la física de partículas cam biaría en m u ch o s aspectos. El cam po acabaría d o m in a d o p o r físicos estadounidenses y el papel de la radiación cósm ica sería desafiado p o r los nuevos aceleradores de altas energías. Seguirem os con esta h isto ria en el capítulo 21.

C A P ÍT U L O 14

l^lica cio n e s filosóficas de la mec¿nica cuántica

Incertidumbre y complementariedad D u ran te los años que siguieron a 1925, la p e q u e ñ a población de físicos cuánticos estaba in tensam en te o cu p ad a n o sólo en d esarrollar la teoría y aplicarla a nuevas áreas, sino ta m b ié n en e n ten d er el fu n d a m e n to co n ceptual de la teoría. D e m an era ím plícita, y en algunos casos tam b ién explícita, los físicos a c tu aro n com o filósofos. S chródinger, com o hem o s visto, in ten tó al p rin cip io in te rp re ta r la m ecánica o n d u la to ria de m añera electrodinám ica, pero tuvo que a d m itir que la in terp retació n era insostenible, © tros físicos sug iriero n la h id ró d in á m ic a en vez de ‫ ظ‬electrodinám ica com o ‫ ظ‬teoría del co n tin u o ap ro p iad a sobre la cual p o d ría o btenerse u n a com p ren sió n sem iclásica de la m ecánica o n d u lato ria. ٢٠٢ ejem plo, en 1926 el físico alem án Erw in M adelung de$arrolló u n m odelo h id ro d in á m ic o q u e rep ro d u cía algunas características básicas de la teoría de Schródinger, p ero n o to d as n i m u ch o s m enos. Tales m odelos o analogías contin u a ro n sugiriéndose ta n to antes com o después de la Segunda G uerra M undial, pero no tu v iero n éxito y la m ayoría de los físicos cuánticos n o les p restaban atención. A p artir del o to ñ o de 1926, la in terp retació n probabílista de Born fue aceptada p o r la m ayoría de los físicos, a u n q u e la co m p ren sió n precisa e im plicaciones de esta in terp retación fueron objeto de debate. D e broglie, cuyo trab ajo había sido el p u n to de p artid a de la m ecánica o n d u lato ria, era reacio a u n irse al p u n to de vista m ayoritario. En 1927 p ro p u so com o u n a alternativa u n a «teoría de la solución doble», que se co n stru ía sob re u n sistem a doble de soluciones a la ecuación de Schródinger. Según la teoría de De Broglie, u n a partíc u la p o d ría describirse com o u n p aq u ete co n cen trad o de energía, COrresp o n d ien te a u n a solución singular, y la p artícu la sería guiada p o r u n a o n d a ٠ contin u a (u n a «onda piloto») que se in te rp re ta b a de acuerdo con el p u n to de vista pro b abilista de B orn. De este m odo. D e Broglie consiguió fo rm u lar u n a teoría determ inista de la m icrofísica sin ab a n d o n a r del to d o la in sp iració n de B orn acerca de la natu raleza probabilista de los procesos cuánticos. La teo ría de De Broglie fue d u ra m e n te c riti

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cada p o r Pauli en el congreso de Solvay de 1927, y ni S chródinger ni Einstein la apoyaron. D ecepcionado e incapaz de co n testar a las objeciones de Pauli, D e Broglie aband o n b su teoría. En 928‫ ؛‬ya había abrazado la in terp retació n de C openhague favorecída p o r B orn, H eisenberg, B ohr y otro s, y d u ra n te m ás de dos décadas siguió siendo un leal p a rtid a rio de C openhague. En 1952 D e Broglie volvió a u n a versión m odificada de su teoría de la solución doble y, a p a rtir de ese m o m en to , siguió su p ro p io cam ino. El m ism o año, u n enfoque sim ilar al de D e Broglie fue ad o p ta d o p o r D avid B ohm , u n joven físico * quien, hasta entonces, hab ía seguido u n o rto d o x o cam ino en su p u n to de vista de ‫ظ‬ teo ría cuántica. In tro d u c ie n d o lo que d e n o m in ó u n «potencial cuántico», B ohm consiguió fo rm u la r u n a teo ría cu ántica que, au n q u e n o clásica, retenía algunas características clásicas, com o q u e las partículas se m o v ieran siguiendo trayectorias específicas de acuerdo con el p rin cip io de causalidad. La teo ría de B ohm fue o bien ig n o rad a o bien criticada p o r innecesaria, p o rq u e m e ram en te rep ro d u cía los resultados conocidos de la teoría cuántica o rd in aria. Según H eisenberg, era «ideológica», y Pauli la consideraba «m etafísica artificial». H iciero n falta u n o s veinticinco años p a ra que la teoría de B ohm se debatiera am p liam en te, e incluso entonces, sólo p o r u n a m in o ría de físicos. Tras este breve desvío p o r el p e rio d o de posgu erra, volvem os ah o ra a los dorados años veinte. ¿Cuál era el significado m ás p ro fu n d o de la falta de co n m u tab ilid ad entre cantidades conjugadas canónicas, com o la p osición y el m o m e n to de u n a partícula? Esto era, en tre o tras cosas, lo que H eisenberg resp o n d ió con su fam oso prin cip io de incertid u m b re en la prim av era de Í927. (E m plearem os los té rm in o s

'

e

« indeterm inación» in d istin tam en te, au n q u e a veces éstos tien en p u e d en te n er significados algo d istintos.) La idea general de este p rin cip io fu n d am en tal había estado en el aire d u ran te u n tiem p o y, p o r ejem plo, se discutía en u n a carta que Pauli escribió a H eisenberg en o ctu b re de 1926. «La p rim e ra p re g u n ta es, p o r qué sólo las ‫ م‬, y en to d o caso n u n ca las ‫ ﻡ‬y tam b ién las ‫ ﻭ‬, p u e d e n describirse con cualquier precisión», Pauli escribió. «Uno p u ede ver el m u n d o con ojos ‫ ﻡ‬y p u ed e verlo con ojos ‫ ﻭ‬, pero si u n o abre los dos ojos a la vez entonces se pierde» (H en d ry 1984a, p. 99). H eisenberg estaba de acuerdo, y resp o n d ió q u e «no tiene sen tid o h ab lar de la posición de u n a partícu la de velocidad fija. Pero si u n o acepta u n a posición y velocidad m enos precisas, eso sí que tiene sentido» (i b i d p. 111). El m ism o tem a hizo su ap arición en la teoría de transform aciones de D irac, en diciem bre de Í926, que fue u n a im p o rta n te referencia para el prin cip io de in c e rtid u m b re posterior. D irac concluía: «No se puede resp o n d er a cualquier p re g u n ta sobre teo ría cu án tica que haga referencia a valores n u m éricos tan to p a ra la qro [posición] y p ro [m o m en to ] [...] [Si] se describe el estado del sistem a en u n tiem p o a rb itra rio d a n d o valores n u m érico s a las coordenadas y m o m en to s, en to n ces n o se p u ed e en realidad c o n stru ir u n a co rresp o n d encia ú n ica entre los valores de estas coorden ad as y m o m e n to s en el m o m e n to inicial y sus valores en u n tiem p o posterior» (Kragh 1990, p. 42). H eisenberg se benefició de debates con D irac, Jordán y Pauli, pero fu ero n sobre to d o sus debates con B ohr sobre los fú n d am en to s de la m ecánica cuántica lo que le lie-

Implicaciones filosóficas de la mecánica cuántica

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varón a la fo rm u lació n del p rin cip io de in ^ r tid u m b r e . C u an d o H ei$enberg presentó $٧ p rim era versión del artícu lo sobre in certid u m b re a Bohr, no fue del agrado del físico danés. «Señaló q u e ciertas afirm aciones en la p rim e ra versión todavía te n ían u n ftindam en to in correcto, y com o él siem pre insistía en u n a im pecable claridad en cada detalle, estos p u n to s le ofen d iero n p ro fu n d am en te» , recordaba H eisenberg. «Tras varias sem anas de discusiones, n o desprovistas de estrés, concluim os p ro n to , con ‫ ظ‬fundam en tal ^ r tic ip a c ió n de O skar Klein, que realm ente queríam os decir lo m ism o, y que las relaciones de in c e rtid u m b re eran sim p lem en te u n caso especial de u n principió de co m p lem en taried ad m ás general» (W heeler y Z urek 1983, p. 57). El artícu lo de H eisenberg se caracterizaba p o r el m ism o tip o de arg u m en to s positl· vistas que sirvieron de m otivación p ara su artícu lo de 1925, en el que se in tro d u jo la m ecánica cu án tica p o r vez p rim era. Su p u n to de p a rtid a era claram ente filosófico: «Si se quiere dejar claro qué se quiere decir con las palabras “posición de u n objeto”, p o r ejem plo de u n electrón [...] entonces se tien en que d escribir experim entos concretos m ediante los cuales se p u ed e m ed ir “la posició n de u n electrón”; en caso co n trario este té rm in o n o significa n a d a en absoluto». Es im p o rta n te n o ta r que H eisenberg no form u ló las relaciones de in certid u m b re com o u n a d o c trin a filosófica, sino que las d e r‫؛‬vó de la m ecánica cu án tica e ilustró su im p o rta n c ia m ediante experim entos im aginarios. E ran (y son) consecuencias de la m ecánica cuántica, n o el fu n d am en to conceptual de la teoría. H eisenberg m o stró q u e la in d ete rm in a c ió n m ín im a en la posición de una partícula está relacionada con la in d ete rm in a c ió n en el m o m e n to m ed ian te la expresión A،jAp = h/4ir. T am bién m o stró q u e existe u n a relación de correspondencia entre la in ce rtid u m b re en m e d ir la energía de alguna can tid ad y la corresp o n d ien te incertid u m b re en ‫ ظ‬m ed id a del tiem po: A E A t > h. Las relaciones de H eisenberg se asum ieron, se d iscutieron y se in ten taro n generalizar o m odificar p o r m u ch o s físicos, incluyendo a Schródinger, Edw ard C o n d o n y H ow ard R obertson. R obertson, u n fisico de Princeton m ás conocido p o r su trabajo en eosm ología, p ro b ó u n a versión m ás general de las relaciones de incertidum bre, válida para cualquier p a r de variables conjugadas, en 1929. Según el p u n to de vista de H eisenberg y de ‫ ظ‬m ayoría de los dem ás físicos, las relaciones de in certid u m b re involucraban necesariam ente el p ro d u c to de dos ‫؛‬n certidum bres: u n a de las cantidades (digam os ‫ ) ﻭ‬pod ría perfectam ente estar d eterm in ad a con precisión, pero entonces la o tra ip) estaría totalm ente in d eterm in ad a. D u ran te los inten to s de m ejo rar y generalizar las relaciones de incertidum b re, esta im agen fue cuestionada p o r varios físicos, que arg u m entaban que, " de ‫ ط‬in certid u m b re de u n a de las variables, la o tra n o po d ía en ningún m o d o ser m e n o r que cierto valor. A rth u r Ruark en los Estados U nidos y H enry F lint e n In g la te rra a b o g a ro n en 1928 p o r este p u n to de vista; los do s p ro p u sie ro n ‫ = ﻭﺡ‬h/mc. Esta relación y el tiem po m ínim o correspondiente A i = h/tnc2 d isfrutaron de considerable rep u tació n d u ra n te 1928 y 1936, cu an d o recibió el apoyo de autoridades com o ?auli. D e Broglie y Schródinger, adem ás de ciertos físicos m enos em inentes. Sin em bargo, la idea n o co n d u jo a aplicaciones físicas interesantes y a finales de los trein ta la m ayoría de los físicos la había a b an d o n ad o p ara volver a la im agen convencional.

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D ado q u e las relaciones de in c e rtid u m b re se seguían de la m ecánica cuántica, fuero n aceptadas p rácticam en te p o r to d o s los físicos, ?ero u n a cosa era aceptar las m atem áticas y o tra m u y d istin ta p o n erse de acu erd o sob re el significado y sus im plicaciones filosóficas. ¿Q ué q u ería d ecir realm en te la a p a ren tem en te in ocente expresión A q A p = ‫أا‬/‫ﺳﻢ‬ C om o H eisenberg dejó claro en su artículo de 927 ‫؛‬p, o r lo p ro n to sign iñeaba qu e el concepto clásico de causalidad debía ab andonarse; no p o rq u e fuera ilegítim o inferir de u n a causa p resente u n efecto firturo, sino p o rq u e u n sistem a físico no p o d ía definirse con precisión jam ás. D ado que p o d em o s conocer el presente sólo dentro de las lim itaciones im puestas p o r ‫ ط‬m ecánica cuántica, de igual m o d o podem os conocer el fig u ro sólo im precisam ente. «D ado q u e to d os los experim entos obedecen a las leyes cuánticas y, com o consecuencia, las relaciones de in certid u m b re, lo incorrecto de la ley de causalidad es u n a consecuencia bien establecida de la m ism a m ecánica cuántica», arg u m en tab a H eisenberg. «Tam poco en p rin cip io p o d em o s conocer el presente con to d o detalle. Por esta razó n , to d o lo observado es u n a selección de u n a m uítitu d de posibilidades y u n a lim itació n de lo que es posible en el futuro» (W heeler y Z urek 1983, p. 83). P or supuesto, u n o p o d ría im ag in ar que el fu tu ro fuera causal a cierto nivel m ás p ro fu n d o y que la causalidad estuviera confinada sólo al m u n d o de los fen ó m en o s. Pero desde el p u n to de v ista p o sitiv ista de H eisenberg, esta objeció n no su p o n ía diferencia afguna: «Estas especulaciones n os parecen, p ara decirlo explícitam ente, sin valor ni sentido, ya que la física debe confinarse a la descripción de las CO rrelaciones en tre percepciones». Sin em bargo, las relaciones de in certid u m b re no prohíben necesariam ente el d eterm in isn ro estricto y la causalidad. D u ran te los años trein ta, la cu estió n todavía era discu tid a p o r m u ch o s físicos y filósofos, y es u n a cuestió n que es todavía objeto de discusión m ás de setenta años después de que H eisenberg p ro p usiera su p rincipio. Si bien el p rin cip io de in c e rtid u m b re de H eisenberg es u n a consecuencia de la m ecánica cuántica, el p rin cip io de co m p lem en taried ad de B ohr no lo es. Es u n a do ctrin a considerab lem en te m ás am p lia y m en o s definida con p ro p iedad, de u n a naturaleza ^ in c ip a lm e n te filosófica. H ay pocas d u d as de q u e la fo rm u lació n del prin cip io debe m u ch o al trab ajo de H eisenberg con in certid u m b res cuánticas, pero la idea de com p lem en taried ad n o era u n a m era generalización filosófica del prin cip io de H eisenberg. Se originó a p a rtir de reflexiones sobre teoría cu án tica que B ohr m ed itó antes de que H eisenberg p resen tara su trabajo. B ohr presen tó sus ideas sobre

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p o r p rim era vez en u n congreso in tern acio n al de física en C om o en o to ñ o de 1927, c o n m e m o ra n d o el cen ten ario de la m u erte de Volta. En esta ocasión, enfatizó que en el m u n d o cuántico, al co n trario que en el clásico, n o puede realizarse n u n c a u n a observación de u n sistem a sin alterarlo. Pero, ¿cóm o p o d em o s llegar a conocer entonces el estado del sistema? El p o stu lad o cuán tico parecería im plicar que la d istinción clásica entre ob serv ad o r y lo observado ya n o sería sostenible. ¿Cóm o sería entonces posible o b ten er u n co n o cim ien to objetivo? Las reflexiones de B ohr sobre estas cuestiones y o tras relacionadas le llevaron a la in tro d u c c ió n de la n o ció n de com plem entariedad, d en o ta n d o el uso de p u n to s de vista co m p lem en tario s pero m u tu a m e n te excluyentes


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en la descripción de la naturaleza. D os años después, d efiniría el p rin cip io de com plem en ta rie d ad com o «un nuevo m o d o de descripción [...} en el sentido de que cualquier aplicación dad a de conceptos clásicos im p id e el u so sim u ltáneo de otros conceptos clásicos que, en u n a conexión diferente, son ig ualm ente necesarios p a ra elucidación de los fenóm enos» (Jam m er 1974, p. 95). Ésta era básicam ente la form ulación m ás clara del p rincipio de co m p lem en taried ad , u n a d o c trin a n o to ria m en te vaga y am bigua. La descripción o n d u la to ria y la basada en partículas son com plem entarias, y p o r ta n to están en conflicto, ? e ro B ohr arg u m en tab a que el físico todavía es capaz de d ar cuen ta sin am bigüedades de sus experim entos, ya que es él q u ien escoge qué m e d ir y destruye así la posibilidad de la m aterialización del aspecto conflictivo. D e acuerdo con H eisenberg, B ohr enfatizó q u e el objetivo de la física era p red ecir y co o rd in ar resultados exper‫؛‬m entales, n o d escu b rir la realidad tra s el m u n d o de los fenóm enos. «En n u e stra descripción de la naturaleza», escribió en 1929, «el p ro p ó sito no es desvelar la verdadera esencia de los fenóm enos, sino sólo seguir la pista, ta n lejos com o sea posible, a las relaciones en tre los m últiples aspectos de n u estra experiencia» (H eilbron 1985, p. 219). A unque la d u alid ad o n d a -p a rtíc u la es el ejem plo h ab itu al de co m p lem entariedad, para B ohr y sus discípulos el p rin cip io tenía u n significado m ucho m ás am plio. B ohr p ro n to lo aplicaría a o tras áreas de la física, desde cuestiones biológicas, a psicología y cuestiones culturales generales. ? ٠٢ ejem plo, en el C ongreso In tern acio n al de Ciencias A ntropológicas y E tnológicas en 1938, B ohr explicó que las em ociones y las percepciones de las m ism as están en u n a relación de co m p lem en taried ad análoga a la de las m edidas en física atóm ica. O tro s físicos asociados al p ro g ram a de C openhague ftreron incluso m ás allá. Jordán, en p articular, extrapoló la co m p lem en taried ad a áreas de psicología, filosofía y biología de u n a m a n e ra ta n exagerada que u n avergonzado B ohr tuvo que enfatizar que el concepto n o tenía n ad a q u e ver con el vitalism o y no debía tom arse com o u n a defensa n i del an tirracio n alism o n i del solipsism o. La extrem a ‫؛‬٨ terp retació n de Jordán del proceso de m edidas incluía q ue las observaciones no sólo p e rtu rb a b a n la can tid ad m ed id a sino que, literalm ente, la pro d u cían . «N osotros m ism os p ro d u cim o s los resultados de la m edida», enfatizó en 1934 (Jam m er 1974, p. 161). El p rin cip io de c o m p le m e n ta ried a d se co n v irtió en la p ied ra angular de lo que m ás tard e se d e n o m in a ría la in te rp re ta ció n de C o p en h ag u e de la física cuántica, ?au li liegó a declarar q u e la m ecánica c u án tica p o d ría llam arse «teoría de la co m p lem en tariedad», en analogía co n la «teoría de la relatividad». Y Peierls afirm aría m ás adelante q ue «cuando te refieres a la in te rp re ta ció n de C o p en h ag u e de la m ecánica lo que quieres decir en realidad es m ecánica cuántica» (W h itak er 1996, p. 160). Sin em bargo, definir exactam en te la in te rp re ta ció n de C o p en h ag u e n o resulta m ás claro que definir la natu raleza del p rin c ip io de co m p le m e n ta ried a d m ism o, lo cual significa que n o está m uy claro. Es u n asu n to todavía d iscu tid o e n tre filósofos y algunos físicos con inclinaciones filosóficas. D e hecho, el té rm in o « in terp retació n de C openhague» no se u tilizaba en los años tre in ta sino q u e ingresó en el v o cab ulario de los físicos en 1955, cu an d o H eisenberg lo utilizó al criticar ciertas in terp retacio n es poco o rtodoxas de la m ecánica cuántica.

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M uchos de los físicos im p o rta n te s de los años trein ta, incluyendo a Pauli, ileisenberg, Jordán y Rosenfeld, se hiciero n entusiastas p a rtid a rio s de la filosofía de cóm alem en taried ad de Bohr, que consid erab an el g en u in o núcleo conceptual de la m ecánica cuántica. Es notab le que casi to d o s los físicos que a d o p taro n explícitam ente el p u n to de vista de B ohr ten ían co ntactos personales con él y hab ían sido visitantes de su institu to . Fuera del círculo de C openhague, la recepción de la filosofía de la com plem entaried ad fue consid erab lem en te m ás fría, o b ien am ablem ente indiferente o, en unos casos aislados, hostil. D irac, que tenía cercanas conexiones con los de C openhague y gran respeto hacia Bohr, n o vio sentido alguno a ta n ta discusión sobre com plem entariedad. N o p ro p o rc io n a b a nuevas ecuaciones y n o se podía utilizar p a ra los cálculos que D irac tendía a identificar con ‫ ظ‬física (véase tam bién el capítulo 11). Tam pocoê conv irtiero n to d o s los estudiantes del in stitu to de B ohr a la filosofía de la com plem entariedad. C onsidérese el caso de C h ristian M oller, que estudió en el in stitu to en tre 1926 y 1932 y que se q u ed ó allí d u ra n te to d a su vida activa. A unque M oller era u n típico p ro d u c to de la escuela de C open h ag u e y estaba fuerte!nente influido p o r su esp íritu de trabajo, los arg u m en to s de co m p lem en taried ad n o d ejaro n n in g u n a traza en sus obras publicadas. Los arg u m en to s le resultaban fam iliares, p o r supuesto, pero n o estaba particu larm en te interesado en los am plios pro b lem as conceptuales subrayados p o r Bohr. C om o recordaba en u n a entrevista de 1963, «aunque escuchábam os cientos y cientos de charlas sobre estas cosas [la co m p lem en taried ad y los problem as de la m edida], y estábam os interesados en ello, n o creo, salvo quizá Rosenfeld, que n in g u n o invirtiéram os m u ch o tiem p o en esto [...] C u an d o eres joven, es m ás interesante atacar problem as definidos. Q u iero decir, esto era dem asiado general, casi filosófico» (K ragh 1992, p. 304). Ésta era ta m b ié n la actitu d de m u ch o s físicos cuánticos jóvenes, sobre to d o en los Estados U nidos, d o n d e la rep u tació n de B ohr de sabio cuántico era m ucho m ás lim itad a que en E uropa. Los p roblem as «casi filosóficos» n o se consideraban atractivos. Los físicos estad o u n id en ses te n ía n u n a a c titu d m ás p ra g m á tic a y m en o s filosófica hacia la física que m u ch o s de los asociados de Bohr. Se enfocaban en experim entos y cálculos específicos y p a ra estos pro p ó sito s el p rin cip io de com p lem en taried ad no les servía. Esto n o quiere decir que n o h u b iera interés en pro b lem as ftrndam entales en tre los estad o uniden ses, sólo que iba en o tras direcciones y tenía lugar en u n a escala m enos g randiosa q u e en D in am arca y A lem ania. El p rin cip io de in certid u m b re fue asum ido con entusiasm o p o r varios físicos de E stado U nidos, incluyendo a K ennard, R uark, Van Vleck, C o n d o n y R obertson, p ero casi n o m o stra ro n interés en la c o m p le m e n t a r ie d a d de Bohr. Tam bién se puede ver en los libros de texto que em pleaban los estudiantes de teoría cuán tica lo relativam ente m o d esta q u e era la im p o rta n cia co n tem p o rán ea del p rin cip io de co m p lem entaried ad . La m ayoría de los autores de libros de texto, aun q u e ' con las ideas de Bohr, en c o n tra b a n difícil incluir y justificar u n a sección sobre co m p lem en taried ad . D e cu aren ta y tres libros de texto sobre m ecánica cuántica publicados en tre 1928 y 1937, cu aren ta incluían u n tra ta m ie n to del prin cip io de incertidum b re; sólo ocho m e n cio n ab an el p rin cip io de co m p lem entariedad. A pesar del


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hecho de que gran p arte de ‫ ﻣﺎ‬$ f‫؛‬$ico$ ‫ اﺀل‬m u n d o n o suscribieran la interp retació n de " o, m ejo r dicho, que n o les im p o rta ra , la o posición co n tra ella fue débil y dispersa, ? o r las razones q u e fu eran , a m ed iad o s de los años tre in ta B ohr había obten ido u n éxito notable estableciendo la im agen de C open hague com o la filosofía dom in ante de la m ecánica cuántica.

Contra la interpretación de Copenhague Q uizá el episodio m ás fam oso, y m ás idealizado, de la historia de la física del siglo XX es el debate en tre E instein y B ohr sobre la in terp retació n de la m ecánica cuántica. Esta serie de discusiones socráticas en tre dos p roftrndos y legendarios c ie n tíf^ s -ñ ló s o fo s ha pasado a engrosar el folclore de la física y, de hecho, el folclore intelectual en general. Sean cuales sean los detalles de sus discusiones, o cu p an u n lugar en la h isto ria intelectual occidental com parable a, digam os, la controversia entre N ew ton y Eeibniz hace unos trescientos años. U no a veces tiene la sensación de que B ohr y Einstein m antu v iero n co n tin u as discusiones d u ra n te la m ayor p arte de dos décadas, a veces cara a cara. En realidad, los dos físicos se e n c o n tra ro n p erso n alm en te sólo u n as pocas veces, y la im p o rta n c ia de sus discusiones se ha exagerado y m itificado en m uchos relatos del ú ltim o c u arto del siglo. A unque la m ecánica cu án tica estaba en d eu d a con las co n trib u cio n es fundanrentales de Einstein a la teo ría cuántica de 1905 a 1925, al p rin cip io Einstein no se interesó m u ch o p o r la nueva teoría. Su a c titu d general era escéptica y negaba, sobre bases m ás filosóficas q u e científicas, que el m icrocosm os sólo p u d iera describirse estadísticam ente. En u n a fam osa carta a B orn de d iciem bre de 1926, escribía sobre la «voz interior» que le decía q u e la m ecánica cu án tica «apenas nos acerca al secreto del Viejo [...]. Estoy convencido de que él n o juega a los dados» (Jam m er 1974, p. 155). La insatisfacción de Einstein con la in terp retació n estadística dio lugar a u n artículo que presentó oralm ente a la A cadem ia p ru sian a de las C iencias a p rincipios de 1927. El m anuscrito, titulado «¿D eterm ina la m ecánica o n d u la to ria de Schródinger el m o vim iento de un sistem a co m p letam en te o sólo en el sentido de Ja estadística?» esbozaba u n a especie de teoría de variables ocultas algo sim ilar a la teo ría h id ro d in ám ica de M adelung. Pero puede que E instein se d iera cu en ta de que su alternativa n o era satisfactoria, ya que n u n ca envió el m an u sc rito a publicar. Einstein n o p articip ó en el congreso de Volta, pero estaba entre los participantes del q u in to C ongreso de Solvay en o ctu b re de 1927, d o n d e Bohr, D irac, H eisenberg, Paul‫؛‬, S chródinger y o tro s físicos principales d iscu tiero n los fu n d am en to s de la m ecánica cuántica. B ohr dio u n a clase sobre sus nuevas ideas de com p lem en taried ad , de las que Einstein oyó h ab lar p o r p rim e ra vez. E instein n o q u ed ó convencido y a rg u m en tó que la interp retació n de B ohr-H eisenberg, según la cual la m ecánica cuántica es u n a teoría com pleta de procesos individuales, contrad ecía la teo ría de la relatividad. D iscutió distin to s experim en to s m entales con la esperanza de d e m o strar que las relaciones de incertid u m b re n o eran necesariam ente válidas y q u e los fenóm enos atóm icos p o d ría n

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analizarse en m ayor detalle q u e el que e$pec‫؛‬fieaban las relaciones de H eisenberg. C u an d o B ohr m o stró q u e los arg u m en to s de Einstein eran insostenibles, a Einstein se le o c u rrió u n nuevo ex p erim en to m ental, q u e B ohr de nuevo neutralizó. Según Bohr, la m ecánica cuántica (incluyendo las relaciones de in certid u m b re) era u n a teoría total que com pletaba todas las posibilidades de explicación de los fenóm enos observables. No hay d u d a de que B ohr resultó el «ganador» de las discusiones de 1927 y de que la m ayoría de los p articip an tes reco n o ciero n la fuerza de sus argum entos. «Bohr [estaba] p o r encim a de todos», escribió E hrenfest tras el congreso. «Fue u n placer pa ra m í el esta r presente d u ra n te la conversación en tre B ohr y Einstein. C om o u n juego de ajedrez, Einstein to d o el tiem p o con nuevos ejem plos [...] B ohr saliendo de nubes de h u m o filosóficas co n stan tem en te en busca de las h e rra m ie n tas con las que aplastar u n ejem plo tras o tro . E instein com o u n resorte: saltando com o nuevo cada m añ an a. © ١٦, n o tuvo precio. Fero estoy, casi sin reservas, a favor de B ohr y en c o n tra de Einstein» (W hitaker ‫ ول‬96 , ‫ م‬210 (. Einstein a d m itía que B ohr era listo discutiendo, p ero no que sus p u n to s de vista fueran correctos. En u n a carta a Schrodinger m edio añ o después del C ongreso de Solvay, E instein describía sarcásticam ente la in terp retació n de C openhague com o «la tran q u ilizan te filosofía ¿o religión? de H eisenberg-B ohr». Y añadía que «proporciona u n a có m o d a alm o h ad a p a ra el verdadero creyente, de la cual no es m u y fácil despertarlo» (Jam m er 1974, p. 130). La segunda ro n d a del célebre debate E instein-B ohr tuvo lugar d u ra n te la siguiente conferencia de Solvay, en o ctu b re de 1930, en u n m o m e n to en el que la idea de co m p lem en taried ad de B ohr estaba g anando fuerza entre los físieos europeos. Esta vez, E instein se cen tró en la relación de in c ertid u m b re de energía y tiem p o (A E A t > h), q u e in te n tó refutar. Su m an era de refutarla fúe la m ism a que la de tres años antes, u n ex p erim en to m ental. En su nuevo experim ento, m ás tarde conocído com o el ex p erim en to de la caja de fotones, E instein utilizó la relación m asa-energía de la relatividad especial, E = me2, y a rg u m en tó que la energía de u n fo tó n y su tiem p o de llegada a u n a p an talla p o d ía n predecirse con precisión ilim itada, en contradicción con la relación de in certid u m b re. Pero B ohr resp o ndió b rillan tem en te al desafío, invocando esta vez la fó rm u la del co rrim ien to al rojo de la teo ría general de la relatividad de Einstein. El resultado de la segunda ro n d a de debates fue el m ism o que el de la prim era: la concepción de la m ecánica cuántica de B ohr resultó fortalecida y el escepticism o de E instein parecía injustificado. H asta entonces, Einstein hab ía in ten tad o reftrtar la m ecánica cuántica m o stra n d o que las relaciones de in ce rtid u m b re eran erró neas; su creencia en la causalidad fu n d am en tal p erm an eció im p ertu rb a d a, y en los años tre in ta traslad aría el en foque de sus objeciones desde la inconsistencia hacia la incom pletitud . El significado estadístico de la fun ció n o n d u la to ria no excluye necesariam ente la p osibilidad de que los sucesos atóm icos individuales estén determ in ad o s p o r p arám etro s todavía n o descubiertos. La hipótesis general de u n subnivel de p ará m etro s bien definidos de este tip o tiene u n a larga h isto ria en las ciencias físicas y se rem o n ta a antes de la m ecánica cuántica. Para m e n c io n a r u n solo ejem plo, los in ten to s a principios

Implicaciones filcsóficas de la mecánica cuántica

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del siglo XX de explicar la radiactiv id ad causalm ente utilizaron u n a versión de la hipótesis (véase capítulo 4). La posibilidad de «variables ocultas» se reconoció m u y p ro n to en la m ecánica cuántica, p ero d ado q u e los hipo tético s parám etro s no ten ían significación física, n o recibieron m u ch a atención. Sin em bargo, era u n a posibilidad, y u n a atractiva, p a ra aquellos a quienes la in terp retació n de C openhague no agradaba. Si la m ecánica cu án tica p u d ie ra form ularse con variables ocultas y si rep ro d u cía to dos los resultados de la teoría estándar, parecería n o h ab er u n a p o derosa razón para que los físicos aceptaran la im agen de C open h ag u e del m u n d o atóm ico. La cuestión de las variables ocultas era u n o de los problem as exam inados p o r el m atem ático h ú n g aro -estad o u n id en se John von N eu m an n en u n libro de 1932 titu lad o M athem atische Grundlagen der Q uantenm echanik (Fundam entos m atem áticos de la mecanica cuántica). Von N eu n ian n p ro p o rc io n ó u n a fo rm u lació n m atem ática precisa de los fa n d a m e n to s de la m ecánica cuántica, b asan d o la teoría en el uso de espacios de H ilbert. En u n trab ajo de 1933, el físico francés lacques S olom on llegó indep en d ien tem ente a la m ism a conclusión, que los p arám etro s son inconsistentes con el form alis٥١^ aceptado de la m ecánica cuántica. En u n a p eq u eñ a p arte de su im p o rta n te libro, Von N eu m a n n p ro b ó que u n a im agen causal de la m ecánica cu ántica basada en variables ocultas n o es posible. Im aginem os dos sistem as descritos p o r la m ism a fu n ció n 4‫ ا‬- M edidas idénticas co n d u cirán en general a resultados d istintos, lo cual, según la in terp retació n estándar, es d ebido a que ‫ ط‬m ecánica cu án tica es acausal. Pero ¿no p o d ría explicarse si los dos sistem as difirieran en algunos p arám etro s ocultos q u e d e te rm in a rían el resultado de las m edidas? Lo que Von N e u m a n n p ro b ó es que n o era así. Según V on N eu m a n n , «no es p o r tanto, com o m uch as veces se su p o n e, u n a cu estió n de r^ n te rp re ta c ió n de la m ecánica cuántica: el sistem a actual de la m ecánica cuántica te n d ría que ser objetivam ente falso para que firera posible o tra descripción de los procesos elem entales d istinta de la estadística» (Pinch 1977, p. 185). Por o tro lado, Von N eu m a n n a d m itía la ligera posibilidad de que ‫ ط‬m ecánica cu án tica fuera erró n ea. D ado que era u n a teoría física, no p o d ía probarse m atem áticam ente: «Por supuesto, sería u n a exageración m a n te n e r que nos hem os librado de la causalidad [...] A pesar del hecho de que la m ecánica cuántica está en b u en acu erd o con los experim entos, y de q u e n o s h a abierto u n a p arte del m u n d o cualitativam ente nueva, u n o n u n ca p u ed e decir de la teo ría que está p ro b ad a p o r la experiencia, sino sólo que es la recopilación m ejo r q u e se conoce de la experiencia» (Jam m er 1974, p. 270). A pesar de las palabras de p recaución de Von N eu m an n , su p ru eb a m atem ática se aceptó am p liam en te y a veces se to m ó com o p ru e b a de la in terp retació n de C openhague. Existían, de hecho, considerables diferencias en tre la posición de Bohr y la Ínterp retación de Von N eu m a n n , p ero raras veces se señalaban las distinciones. P or ejem pío, «el p ro b lem a de la m edida» n o era el m ism o p a ra B ohr y pa ra Von N eu m an n . B ohr ten d ía a verlo com o u n p ro b lem a a la h o ra de generalizar el m arco clásico p ara evitar contradicciones en tre dos conceptos clásicos m u tu a m e n te incom patibles, am bos necesarios en la ' de los experim entos. Su solución era la com plem entariedad.

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Para Von N eu m an n , p o r o tro lado, el p ro b lem a de la m edida signifieaba el problem a m atem ático de p ro b a r que el form alism o predecía lo m ism o para distintas colocaciones del «corte» en tre el o b serv ad o r y el objeto. £1 papel de la conciencia h u m an a en el proceso de m ed id a era p a rte de la discusión cuántico-fílosófica en los años trein ta. Von N e u m an n arg u m en tab a q u e el elem ento de la conciencia n o p o d ía excluirse y, en u n m onográfico de 1939, Fritz L o n d o n y E d m o n d Bauer sostuvieron " que la reducció n de la fu n ció n o n d u la to ria era el resultado de u n a actividad consciente de la m ente h u m an a. «Parece com o si el resultado de u n a m edida estuviera íntim am en te ligado a la conciencia de la p erso n a q u e lo realiza, y com o si la m ecánica cuántica nos llevara así hacia u n com pleto solipsism o», escribieron, sólo p ara a rg u m en tar que el nuevo papel de la conciencia o b serv ad o ra n o d estru ía la objetividad después de todo. Bajo u n esp íritu positivista, h icieron n o ta r con satisfacción que n ad a en la situación de la m edida nos « im pediría pred ecir o in te rp re ta r resultados experim entales» (W heeler y Z urek 1983, p. 258). £s debatible cóm o de g ran d e fue el papel q u e la p ru eb a de ' de Von N eu m an n desem p eñ ó en el proceso que co n d u jo a la h egem onía de C openhague, ya que la m ayoría de los físicos ya creía que existían b u en as razones em píricas para apoyar ‫ ظ‬p o stu ra de B ohr y sus aliados. P or o tro lado, la au to rid a d m atem ática de Von N eu m an n ayudó m u ch o al proceso y se hacía referencia a su p ru e b a com o la últim a p alabra sobre el asunto. Casi n in g ú n físico se em barcó en u n estudio crítico de la prueba, y m uchos de los físicos que se referían a ella p ro b ab lem en te sólo la h a b ían hojeado (o sólo hab ían oído h ab lar de ella: hasta 1955 el libro de Von N eu m an n existía sólo en alem án). Los pocos filósofos que te n ía n la co m petencia y el valor de criticarla no fuero n to m ad o s m u y en serio. Tan sólo en los años cincuenta, cuan d o se revítalizó el debate sobre las variables ocultas, el a rg u m en to de Von N eu m an n pasó a ser objeto de un exam en crítico. R esultó entonces, co m o m o stró el físico b ritán ico John Bell a m ediados de los sesenta, que la p re te n d id a p ru eb a de Von N eu m a n n no elim inaba, de hecho, todas las teorías q u e o p e ra ra n con p arám etro s ocultos. Bell, que desem peñó u n papel p rincipal en el debate sobre la in terp retació n de la m ecánica cuántica, se inspiró en la teoría de B ohm y estaba en general a favor de las teorías de variables ocultas.

¿Es completa la mecánica cuántica? Tras su «derrota» en 1930, Einstein c o n tin u ó p en san d o p ro fu n d a m e n te sobre la situ ación epistem ológica en la m ecánica cuántica, convencido de que debía ser posible un a descripción causal y exacta de los fen ó m en o s n aturales. En la p rim avera de 1935, ya instalado en los £ stad o s U nidos, £ in stein p ublicó, ju n to con sus jóvenes colegas de Princeton Boris Podolsky y N ath an R osen, u n breve pero fam oso artículo titulado «¿Puede considerarse com pleta la d escripción m ecán ico-cuántica de la realidad física?». La versión final del artícu lo fue escrita p o r Podolsky y fo rm u lad a en u n a m an era que Einstein n o ap ro b ab a to talm en te. Los tres au to res em pezaban sosteniendo que los conceptos físicos d eb erían c o rresp o n d er a aspectos de la realidad física. Su criterio de

lmpl‫؛‬cac‫؛‬ones filosóficas de la mecánica cuántica

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realidad era éste: «Si, sin p e rtu rb a r de n in g u n a m an era u n sistem a, p o dem os predecir con certeza (es decir, con p ro b ab ilid ad igual a u n o ) el valor de u n a can tid ad física, entonces existe u n elem ento de realidad física q u e co rresp o nde a esta can tid ad física». La c o rresponden cia con d u cía a u n a co n d ició n necesaria p a ra la co m p ietitu d de u n a teoría física: «Cada elem ento de la realidad física debe te n e r u n a p arte corresp o n d ien te en la teoría física». Einstein, Podolsky y R osen (EPR) ah o ra arg u m en tab an que la m ecánica cuántica co m b in ad a con el criterio de realidad conducía a u n a co n tradicción y q ue la única alternativa era aceptar q u e u n a d escripción m e c á n io -c u á n tic a de la realidad no es com pleta. El a rg u m en to del artícu lo EPR era esencialm ente negativa, en sentido de qu e se p ro p o n ía debilitar la im agen están d ar de la m ecánica cuántica sin p ro p o n e r un a alternativa. En su conclusión, E instein y sus colaboradores «dejaban ab ierta la cuestión de si existe o n o u n a d escripción tal [com pleta]», añ adiendo, «creem os, sin em bargo, que u n a teo ría así es posible» (W heeler y Z urek 1983, pp. 138-141). B ohr q u ed ó m u y p e rtu rb a d o p o r el a rg u m en to EPR y em pezó enseguida a desarrollar u n a rg u m e n to en co n tra, que tuvo listo tras u n p erio d o de u n o s cinco m eses (en el caso de Bohr, u n p en sad o r m etódico, esto era ráp id o ). Su línea arg u m en tal principal era u n rechazo del criterio de realidad física p ro p u esto p o r E instein, Podolsky y Rosen. En su o p in ió n , el criterio era inválido p o rq u e p resu p o n ía que el objeto y el ap arato de m edida se p o d ía n analizar p o r separado; esto n o era posible según el p u n to de vista de C openhague, en el que fo rm ab an u n ú n ico sistem a. En el cuidadoso pero retorcido estilo de Bohr: Un criterio de realidad como el propuesto por los mencionados autores contiene [...] una ambigüedad esencial [...‫ ؛‬acerca del significado de ‫ ظ‬expresión «sin perturbar de ninguna manera un sistema». Por supuesto, en un caso como el que se acaba de considerar no hay cuestión de una perturbación mecánica del sistema que se investiga durante la última fase crítica del procedimiento de medida. Pero incluso en esta fase existe esencialmente la cuestión de una influencia sobre las condiciones mismas que definen٠/‫ ؟‬tipos posibles ،‫ ﺀا‬predicciones acerca del comportamiento futuro del sistema. Dado que estas condiciones constituyen un elemento inherente de la descripción de cualquier fenómeno que pueda describirse adecuadamente con el término «realidad física», vemos que la argumentación de los autores mencionados no justifica su conclusión de que ‫ ظ‬descripción mecánico-cuántica es esencialmente incompleta, (ibid., p. 148, cursiva en el original) M ientras que el a rg u m en to EPR se hizo ex trem ad am en te fam oso en los años sesenta y p o sterio rm en te, en los años tre in ta esta tercera ro n d a del debate B ohr-E instein no suscitó gran interés en tre los físicos. El artícu lo EPR no tuvo éxito p a ra convencer a los físicos de que a b a n d o n a ra n la in terp retació n de C openhague, y la im presión general era la de que B ohr h ab ía resp o n d id o de nuevo satisfactoriam ente a las objeciones de Einstein. Sim plem ente, co n firm ó a los físicos cuánticos o rd in ario s lo que $‫؛‬em pre habían pensado: que E instein y sus aliados («los viejos y conservadores caballeros», com o Pauli los describió en u n a carta a S chródinger) estaban irrem ediablem ente fue

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ra de o n d a con el desarrollo. La g ran m ayoría de los físicos parece haber estado sim plem ente p oco interesada, ? o d ia n en c o n tra r fácilm ente cosas m ás útiles que in te n tar en ten d er arg u m en to s filosóficos sin relevancia p a ra su labor diaria com o físicos. Los físicos m ás inclin ad o s hacia la filosofía, sin em bargo (entre ellos, Schrodinger), se interesaro n m u ch o p o r la discusión E?R . En unas co n trib u cio n es en 1935, el padre de la m ecánica o n d u la to ria apoyó el p u n to de vista de E instein y desarrolló sus propias objeciones a la p o stu ra de B ohr sobre la teoría cuántica. En u n a de estas contribuciones, pro p u so u n arg u m en to , d istin to del de E?R , c o n tra la com p[et‫؛‬tu d de la m ecánica cuántica. C om o es b ien conocido, ilustró su arg u m en to m ed ian te u n experim ento m en tal que involucraba a u n p o b re gato co n fin ad o en u n a cám ara con u n a cantidad de m aterial radiactivo y u n in stru m e n to diabólico que, al dispararse p o r u n a desintegración, liberaría vapores m ortales de cianuro. La parad ójica conclusión de Schródinger era ésta: «Si se ha d ejado to d o este sistem a solo d u ra n te u n a h o ra , se p u ede decir que el gato todavía vive si d u ra n te este tiem p o n in g ú n á to m o se ha desintegrado. La p rim era desintegración atóm ica lo h u b iera envenenado. La fu n ción ‫ ﻟﺒﺎ‬de to d o el sistem a expre،saría esto incluyendo al gato vivo y al m u e rto (p erd ó n p o r ‫ ظ‬expresión) mezciado o rep artid o en partes iguales» (W hitaker 1996, p. 234). Si se seguía de la Ínterprefación de C open h ag u e que u n gato estaría «m edio m u erto » y recibiría u n a ftrnción de o n d a 4‫؟‬gat0 = ‫ ) ﺗﺎل‬٧‫ ﻟﺒ^ﺎ‬٠ + ^ mu،‫؛‬rt0), ¿no indicaría esto que debería preferirse o tra interpretación? La p arad o ja del gato de Schródinger se hizo in m en sam en te p o p u lar a p a rtir de 1970 ap ro x im ad am en te, llegando h asta las cam isetas de escolares y m uchos otros lugares, pero en los años tre in ta n o suscitó m u ch o debate. B ohr n o respondió, quizá p o rq u e en c o n tró sus prem isas m u y evid en tem en te fallidas. D espués de todo, según su p u n to de vista, a u n cu erp o m acroscópico com o el de u n gato, o u n a botella con cianuro, no p o d ía asignársele u n a fu n ció n o n d u lato ria. D en tro del m arco de la inteprefación de C openhague, n o había p arad o ja que resolver. Tam poco parece que Schrodinger haya con sid erad o la p arad o ja del gato n ad a paradójica. La describió com o «un caso b astante ridículo» y consideró q u e su lección era u n aviso en c o n tra de la ingenua aceptación de u n «m odelo b orroso» p a ra rep resen tar la realidad. C o m o señaló: «En sí m ism o [el ejem plo del gato] n o e n tra ñ a ría n ad a poco claro ni co n trad icto rio . Existe u n a diferencia en tre u n a fotografía m o v id a o desenfocada y u n a im agen de nubes y bancos de niebla» (ibid.).

C A P ÍT U L O 15

El sueño de Eddington y otras heterodoxias

La física en los años treinta n o fue u n a cadena inin terru m pida de nuevos descubrim ien tos y avances teóricos que condujeran a u n a com prensión superior y m ás correcta del m u n d o cuántico. Al m ism o tiem po que la física nuclear florecía y los m uchos problem as de la teoría cuántica finalm ente daban lugar al progreso, se invertía m ucho trabajo en p ro gram as de investigación alternativos. Algunos de ellos eran m uy am biciosos y tenían com o objetivo la form ulación de lo que habría sido, efectivamente, una nueva fundam entación de la física. Los intentos eran claram ente poco ortodoxos, y así se consideraron entonces, pero a pesar de ello atrajeron u n gran interés. A unque fueran m uy diversos, m u chos de ellos tenían en co m ú n que la física se conectara íntim am ente con la cosmología. A escala filosófica, tenían u n a clara orientación hacia el racionalism o y razonam ientos apriorísticos. La tendencia era principalm ente u n fenóm eno británico; aunque inspiró a varios físicos en Europa y N orteam érica, sólo tuvo im portancia duradera en G ran Breta ña. Los intentos de establecer u n a cosmofísica fallaron, y hoy en día se han olvidado casi totalm ente. Así que, ¿por qué prestarles atención? En p rim er lugar, esta atención supone un saludable antídoto con tra la concepción lineal y sim plista del progreso científico. D u rante cada periodo de la historia de la ciencia, la física o rdinaria se h a visto desafiada p o r postulados heterodoxos, y m uchas veces es sólo en retrospectiva cuando podem os ver qué correspondía a las avenidas del progreso y qué a los callejones sin salida de las equivoca ciones. En segundo, algunos de los enfoques y objetivos de la fallada revolución cosm ofí sica de los años treinta contin u aro n desem peñando u n papel en el periodo de posguerra y son todavía interesantes para algunos físicos y astrónom os m odernos.

El fundamentalismo de Eddington A rth u r E d d in g to n era n o sólo u n o de los m ás em in entes astró n o m o s teóricos del m u n d o , sino tam b ién u n p io n ero en cosm ología y u n a au to rid ad en teoría general de la relatividad (y, adem ás, u n exitoso a u to r de exposiciones populares de ciencia y filo

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sofía). Su fascinación con la teo ría de E instein le hab ía convencido de que el m éto d o del cálculo tensorial (el m éto d o m atem ático de la relatividad general) era la única m añera de estu d iar la física en su nivel m ás fu n d am en tal. Q uedó p o r lo ta n to m uy pertu rb a d o cu a n d o se dio cu en ta que la ecuación de D irac de 1928 para el electrón no estaba expresada en form a tensorial, y decidió generalizar y re in te rp retar la ecuación. Eos in ten to s de fo rm u la r la ecuación de D irac d e n tro del m arco m atem ático de ‫ ظ‬teoría de la relatividad general fireron co m unes en tre los físicos m atem áticos alrededor de 1930, pero el de E dd in g to n era u n p u n to de p a rtid a p ara u n a teoría m ás grandiosa de to d o el m u n d o de la física. Le in sp iró a d esarrollar u n nuevo tipo de teoría física radicalm ente nuevo y a em barcarse en u n p ro g ram a q u e proseguiría hasta su m u erte en 1944. Según E ddin g to n , u n electrón n o p o d ía considerarse u n a partícu la individual, sino que debía describirse en conexión con to d o s los o tro s electrones del universo, u n a im agen que ab ría lo que él consideraba u n a p ro fu n d a conexión en tre la m icrofísica y la cosm ología. Siguiendo el cam in o de unificacionistas previos, u n o de los objetivos de E ddington era red u cir las contingencias en la descripción de la naturaleza, p o r e¡empío, explicando las constantes fund am en tales de la física en vez de aceptarlas com o datos m eram en te experim entales. U na de estas constantes era la constante de estru ctu ra fina hc/e2, que aparecía de m a n e ra p ro m in e n te en la teo ría de D irac y cuyo valor se sabía cercano a 1/137. O tra co n stan te adim en sio n al q u e se pensaba de im p o rta n cia fundam en tal alred ed o r de 1930 era la razó n de m asas en tre los dos bloques constituyentes de la m ateria, el p ro tó n y el electrón (M /m = 1838). E d d in g to n arg u m en tab a que se p o d ía d ed u cir que el valor del inverso de la co nstante de e stru ctu ra fina sería el n ú m ero entero 136. En 1936, después de que los experim entos m o stra ra n que el valor estaba pró x im o a 137, p ro d u jo arg u m en to s de q u e el n ú m e ro debía increm entarse en u n a un id ad . En cu an to a la razó n de m asas p ro tó n /e le ctró n , sugirió que este n ú m e ro era la razó n en tre las soluciones de la ecuación cu adrática p ara las m asas 10m2 -1 3 6 m + 1 = 0 . M ien tras que estos n ú m ero s son p eq u eñ o s y no están conectados directam ente con el universo en general, E ddin g to n sugirió que las constantes de la naturaleza podían tam b ién estar relacionadas con m ag n itu d es cosm ológicas, la m ás im p o rta n te de las cuales era, en su o p in ió n , el « n ú m ero cósm ico». Este n ú m ero , N , es el n ú m e ro de electrones (o p ro to n es) en la p o rció n observable del universo, ap ro x im adam ente 1079. El n ú m e ro se p u ed e estim ar a p a rtir de la d en sid ad m edia del universo, pero Eddíngto n sostenía que era capaz de d ed u cirlo de su teoría, com o N = 2 x 136 X 2256 = 3,15 X ‫ وص‬. A dem ás, arg u m en tab a que estaba relacionado con otras constantes de la n atu raleza m ed ian te fórm ulas com o Tíe2/G m M = ( 3 N ) I/2, siendo G la constante de gravitación universal de N ew ton. El m éto d o de E d d in g to n p a ra derivar la relación entre constantes cósm icas y atóm icas cam bió según su p ro g ra m a de investigación avanzaba, y tam b ién los resultados que obtuvo, p ero n o dem asiado. En 1936 com piló y elaboró sus resultados en Relativity Theory ofElectrons and Protons, u n trab ajo que era tan señaladam ente am bicioso com o fallido. Según E ddin g to n , u n co n o cim ien to adecuado del universo (en sus dos aspectos, m icroscópico y cósm ico) req u ería n ecesariam ente de la extracción del signi-

El sueño de Eddington

‫ﻣﺮ‬otras

heterodoxias

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ficado de las constantes fu ndam entales, co m o ‫ ظ‬carga elem ental, la constante de Planck, las m asas del electrón y del p ro tó n , la co n stan te ^ v i t a t o r i a , la velocidad de ‫؛‬a luz y el n ú m e ro cósm ico. A sociando delib erad am en te su p o stu ra con los ' tos de Pitágoras y Kepler, escribió en 1935: «D ebem os así co n tem p lar el universo com o una sinfonía in te rp re ta d a sobre siete constantes prim itivas, com o m úsica interp retad a sobre las siete n o tas de u n a escala» (K ragh 1982a, p. 82). £1 núcleo del p ro g ram a de Edd in g to n era su in te n to de d ed u cir los valores n u m érico s de com binaciones ^ im c n s io nales de constantes natu rales a p a rtir de consideraciones epistem ológicas y conectarlas con el gran n ú m e ro definitivo, el n ú m e ro cósm ico. Es im posible d escribir los m éto d o s de E d d in g to n en pocas líneas. N o sólo eran com plejos, sino q u e ta m b ié n cam b iaro n según su investigación progresaba. Pero su firndam ento epistem ológico se m an tu v o básicam ente igual. Este fu n d am en to era que la ecuación de D irac describe la relación e stru ctu ral del electrón (o del p ro tó n ) con todo el universo, en el sentido de que la ecuación de o n das del electrón y las ecuaciones de cam p o de la relatividad general co rresp o n d ien tes al universo en expansión tienen validez sim étrica. La e stru c tu ra , m ás que la sustancia, era la esencia de la física. M ás generalm ente, E d d in g to n creía que era posible o b ten er conocim iento sobre las leves fundam entales de la n atu raleza a p a rtir de las p eculiaridades de la m ente h u m an a. Lodas las leyes de ‫ ظ‬n atu raleza q u e se suelen clasificar com o fundam entales» escribió, -p u e d en predecirse to talm en te a p a rtir de consideraciones epistem ológicas. C orrespon d en a u n co n o cim ien to apri«rístico y son, p o r ta n to , totalm ente subjetivas» (ibid., p. 84; cursiva en el original). El p u n to de vista de E d d in g to n se h a categorizado com o «subjetivism o selectivo»: ‫ ط‬idea de que n u estro eq u ip am ien to sensorial e intelectual tiene u n efecto selectivo en el sentido de q u e d eterm in a en g ran p arte n u estro co n o cim iento del m u n d o natural. No negaba la existencia de u n m u n d o objetivo, p ero lo identificaba con el m u n d o consciente y espiritual, n o con el m u n d o fenom énico q u e los físicos estudiaban expe^ m en talm en te . Si las leyes de la n atu raleza son esencialm ente las construcciones sub,etivas de los físicos, q u edaba p oco espacio en la física fu ndam ental, o n in g u n o , para el m étodo e m ^ ic o - in d u c tiv o . Según E ddin g to n , su teo ría «no se apoya en [...] com probaciones experim entales. Es incluso m ás p u ra m e n te epistem ológica que ،‫؛‬١ teoría m acroscópica [...] D ebería ser posible juzgar si el tra ta m ie n to m atem ático y las soluciones son correctos, sin b uscar la solución en el libro de la naturaleza» (ibid.). El acuerdo con los exp erim en to s n o desem p eñ ab a u n papel im p o rta n te p ara Edd‫؛‬ngton, pero p o r supuesto n o p o d ía ig n o ra r del to d o los avances en el ’ em píríco que tu v iero n lugar en los años trein ta. Por ejem plo, había supuesto al principió que las p artícu las elem entales incluían sólo electrones y p ro to n es, y cuan d o se descu brieron nuevas partículas (com o p o sitro n es y m esones), tuvo que in corporarlas de algún m o d o en su sistem a. Eso fúe lo q u e hizo, pero de u n m o d o que era claram ente ad hoc y resultaba artificial p a ra la m ayoría de los físicos. Sim i،arm ente, su uso de p rin cipios m ecán ico -cu án tico s difería de la im agen o rd in a ria de la m ecánica cuántica. Eddington se apoyaba en el p rin cip io de in c e rtid u m b re de H eisenberg p ara arg u m en tar

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que la teo ría cu án tica im plicaba co n ^d e ra c io n e s sobre el universo en su totalid ad y que los objetos físicos aislados n o ten ían p ro p ied ad es m ensurables; pero su uso del princip ió de in certid u m b re era exageradam ente d istin to de la in terp re tació n habitual de la m ecánica cuántica. Lo m ism o se aplicaba al idiosincrásico uso de Pauli del p rincipio de exclusión, sobre ‫ ظ‬base del cual in te n tó c o n stru ir u n a teoría de todas las interacciones fu ndam entales. E d d in g to n desarrolló su sistem a «)smofí،s‫؛‬co en u n gran n ú m ero de artículos y libros, pero n o consiguió convencer a m u ch o s o tro s físicos sobre su solidez. C on pocas excepciones, su teo ría e n co n trab a escepticism o o indiferencias. A final de su vida, se o cu p ó en escribir u n explicación com prehensiva y revisada de su teoría, pero m urió antes de co m p letar la obra. El libro, titu la d o F undam ental Theory, fue p u blicado de m a n era p ó stu m a en 1946. A unque fue estudiado p o r algunos físicos y filósofos, su ímpacto fue lim itado. C o m o versiones anterio res de la teoría de E ddington, ten ía reputación de ser difícil, idiosincrásico y oscuro, a u n q u e ta m b ién fascinante. Los dos libros de 1936 y 1946 llegaron a ser fam osos, p ero m ás p o r su oscu rid ad que p o r sus m éritos científicos. A pesar del fracaso de E ddin g to n , su gran d io so proyecto no dejó de ten er im plicaciones y tam b ién co n tó con ciertos apoyos. Schródinger consideraba atractivo el enfoque de E d d in g to n y, a finales de los años trein ta, lo asum ió vigorosam ente p ara constru ir u n a teo ría unificada de la m ecánica cuántica y la cosm ología relativista. El objetivo de S chródinger era explicar la cu antizacíón en té rm in o de las ecuaciones de cam po relativistas que g o b iern an el universo y, en este sentido, d a r p rio rid a d a la teoría clásica de cam p o s sobre las d isco n tin u id ad es cuánticas. C om o escribió a S o m ie r feld en 1937, «el m u n d o es finito y p o r ta n to atom ístico; p o rq u e u n sistem a finito posee frecuencias finitas propias. ¥ de esta m a n e ra la teoría general de la relatividad da a luz a la teo ría cuántica» (Rueger 1988, p. 395). A unque Schródinger n o p u d o com pleta r su estrategia de unificación, su in te n to le llevó a estudios pioneros sobre ondas cuánticas en m od elo s de m u n d o s cerrados, ta n to estáticos com o en expansión. Entre o tros resultados, halló que en u n universo en expansión, existía la posibilidad de que se fo rm a ra n p artícu las a p a rtir del vacío, P or aquel entonces, estos resultados y otros n o fuero n apreciados, p ero en retrospectiva, m arcan el com ienzo de u n a línea de investigación dedicada a la interacción de cam pos cuánticos y cam pos ^ a v ita to rio s . Fue sólo m uch o después, en los años setenta, cu an d o esto tip o de estudio se reconoció com o u n área interesante en tre astrofísicos y especialistas en teorías cuánticas de la gravedad (véase cap ítu lo 27).

‫ ﺍ؛ﺍ‬cosmonumerología y otras especulaciones E d din g to n n o file el p rim e ro en reclam ar aten ció n sobre la posible significación de las com binaciones ad im ensionales de co nstantes naturales, pero fue su trabajo en particu lar el que estim uló a m u ch o s físicos a q u e em p ren d ieran investigaciones sim ilares. Por ejem plo, considerem os al rep u tad o físico alem án R einhold F ürth, quien en 1929


‫ﻣﻞ‬ otras

heterodoxias

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utilizó su pro p ia versión de la teoría de E ddington p ara deducir, de m an era p u ram e n te teórica, qu e el cociente de masa$ p ro tó n /e le c tró n era de 1.838,2. A dem ás, sostuvo que la m asa del h ip o tético n e u tró n (u n sistem a m ix to p ro tó n -ele ctró n ) podía cxpresarse con la fó rm u ia M n = 1616 ih c /u G )'12. F ü rth era sólo u n o de los m u ch o s físicos del { trio d o que se to m ó en serio tales arg u m en to s num erológicos. O tros de los epígonos de E d d ingto n se co n c e n tra ro n en la m icrofísica y n ú m e ro s pequeños, otros en cosm ologia y n ú m ero s m u y grandes, y m u ch o s in te n ta ro n establecer relaciones num éricas entre m agnitu d es atóm icas y cosm ológicas. A rth u r Haas, el físico au striaco-estadounidense que en 1 0 ‫ ﻟﻮ‬in tro d u je ra el cu an to de acción en la teoría atóm ica (capítulo 4), fue o tro prolífico ed d in g to n ian o . En 1934 publicó D ie Kosmologischen Probleme der Physik Los problem as cosmológicos de la física) y dos añ o s m ás ta rd e , tra s d ejar V iena p o r Estados U nidos, d edujo la m asa del universo a p a rtir de suposiciones básicas pero arb itr arias. Los trabajo s de F ü rth y H ass son ejem plares de u n tipo de especulación num erolóp e a que disfru tó de cierta p o p u la rid a d en la década, pero la m ayor parte de los físicos corrientes se d ab an cu en ta de que las coincidencias n o te n ían fuerza explicativa y en consecuencia las ig n o raro n , o las ridiculizaron, com o hicieron H ans Bethe, G uido Beck ^'o lfg an g Riezler en u n artícu lo satírico en la revista alem ana D ie Naturwissenschaf‫ﻩﺹ‬

de 1931. Los tres jóvenes físicos p reten d ían deriv ar la tem p e ra tu ra del cero ahsolup a rtir de la teo ría de E ddin g to n , com o TQ = - ( 2 /a —1) grados, d o n d e a es ‫ ﻅ‬cons-

:jn te de e stru c tu ra fina. C o m o co m e n ta ro n jo cosam ente, «insertando ٢ ٠ = -2 7 3 °, :^ ten e m o s p a ra 1/a el valo r 137, en pcrfecto acuerdo d e n tro los lím ites de precisión con el valor o b ten id o p o r m éto d o s to talm en te independientes». C uando se descubrió que el artícu lo era u n a b ro m a, el e d ito r de la revista pid ió disculpas p o r los m alos m o‫ ﻧﻘﺖ‬es

de los tres físicos y explicó que la p aro d ia h ab ía « in tentado caracterizar cierta cía‫حمﻖ‬de artículos de física teórica en los años recientes que son p u ra m e n te especulativos ٢

D ia d o s en acuerdos n u m érico s espurios». Sin em bargo, la distancia entre especulación e im aginación fructífera es a m e n u d o

:‫؛‬sirecha, y la n u m ero lo g ía al estilo de E d d in g to n atrajo n o sólo a físicos de segunda fila. C om o verem os p ro n to , D irac creía q u e las coincidencias nu m éricas ten ían u n p ro fu n ‫ﺕ‬-‫ﺕ‬significado. En u n artícu lo de 1929, S om m erfcíd, u n físico que no se sentía atraído

‫ﺩ‬

‫ ؛‬a- s

especulaciones sin base, estim ó q u e la derivación de la constante de estru ctu ra

~ ~ A p ro p o rcio n ad a p o r E dd in g to n era « extrem adam ente bella y satisfactoria». O tros « n m e n te s físicos, en tre ellos Lewis, L andau, G am ow , Jordán y C handrasekhar, adm i-

I í t > n u n a d ebilidad p o r el tip o de razo n am ien to num erológico que E d dington culti- ‫ ﺩﺗﺊ‬, au n q u e n in g u n o de ellos aceptara su teoría. La num ero lo g ía n o era la ú n ica fo rm a de teo ría especulativa que floreció en los ‫ﺛﺊ‬

:‫ ﻕ‬treinta. P or ejem plo, existía u n a tra d ic ió n m in o rita ria , que se re m o n ta b a a m e-

-:--■4lis de los años veinte (y con raíces m u ch o m ás atrás) que exam inaba la hipótesis ‫ ^ ؛ ﻱﺀﻩ‬c í o - t i e m p o co n tin u o . Esta hipótesis a d o p ta b a distintas form as, pero p o r lo ge‫ ﻙﺀﺕ‬incluía la n o ció n de u n a lo n g itu d m ín im a y la n o ció n co rresp o n d ien te de átom os -■=»—porales o d u racio n es m ínim as. Sobre 1930, varios físicos sugirieron la idea de ato-

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m icidad tem p o ral y la utilizaro n en sus in ten to s de expliear fenóm enos en la radiaciór. cósm iea, el n ú m e ro m áxim o de elem entos quím icos, los infinitos en ” ' cuántica y algunos o tro s p roblem as. C o m o se m en cio n ó en el capítulo 13, D e Broglie. Schródinger, Infeld, Pauli, L an d au y H eisenberg, to d o s deb atiero n seriam ente la prop u esta de que el espacio y el tie m p o p o d ia n estar som etidos a in certid u m b res cuánticas absolutas, q u e se su p o n ían típ icam en te del tip o ‫ = وم‬h/m c y A í = h/m c ٩ O tro s físicos m en o s rep u tad o s p u b licaro n teorías del espacio-tiem po discreto que. sin em bargo, establecían escasos contactos con la física experim ental o con los problem as teóricos de actu alid ad en la teo ría cuántica. En algunos casos, estas te()rí‫؛‬rs se ínsp ira b a n en el in te n to de E d d in g to n de establecer u n a teo ría u n itaria de lo m u y pequeño y lo m u y grande. El in te n to m ás elab o rad o de fo rm u lar u n a nueva física basada en ‫ ظ‬n o ció n de u n esp acio -tiem p o discreto era quizá el del físico p o )^ )-e s ta d o u n íd e n s e Ludw ik Silberstein, q u ien publicó u n m o nográfico sobre el asunto en 1936. Según Silberstein, todas las leyes de la física, incluyendo la teo ría de la relatividad, perd ían validez p ara intervalos tem p o rales del o rd en de 10 "‫ ؟؛‬segundos. N o pensaba que esto fuera problem ático ya que, com o escribió, «todos los físicos m o d ern o s tie n d en a creer que n u estra física habitual, m olar, incluyendo n u estro s conceptos de espacio y tiem po, es inaplicable en estas circunstancias» (K ragh y C arazza 1994, p. 460). A unque la idea general de ab a n d o n a r el espacio -tiem p o c o n tin u o a distancias ex trem ad am en te pequeñas no era extrañ a p a ra los p rincipales físicos teóricos de los años trein ta, pocos de ellos se to m a ro n la idea con seriedad. La hipótesis n u n c a se desarrolló en u n a teoría em p íricam en te fructífera y p erm an eció desconectada de la teoría fu n dam ental. Sin em bargo, ni el fundam entalísim o ed d in g to n ian o ni las teorías del espacio-tiem po discreto desaparecieron de la escena de la física p o r com pleto. Tras la Segunda G uerra M undial, co n tin u a ro n siendo cultivadas p o r u n a m in o ría de físicos que no se am ilan aro n p o r la larga sucesión de fracasos.

M iln e y la cosmofísica Edw ard M ilne, u n brillante astrofísico que fue investido catedrático de m atem ática aplicada en la U niversidad de ftânchester a los 29 años y que trabajó desde 1929 com o catedrático en O xford, desarrolló su p ro p io sistem a original de cosm ofísica. En algunos aspectos, su sistem a difería m arcad am en te del de E ddington. Por ejem plo, m íentras que la unificación de la tísica cósm ica y la ató m ica estaba en el corazón del program a de E ddin g to n , M ilne n o en c o n tra b a estos in ten tos de unificación interesantes ni útiles. Sin em bargo, en lo co n cern ien te a los aspectos fundam entales del razonam iento científico legítim o, los dos sistem as ten ían m u ch o en com ún. A m bos eran grandiosos y am biciosos proyectos de reco n stru cció n , m ás cerca de las Weltanschauungen que de las teorías físicas ordinarias. ¥ ta n to E ddin g to n com o M ilne arg u m en tab an a favor del deductivism o, u n a especie de ra zo n am ien to sinóptico basado en principios apriorísticos, a p a rtir de los cuales las leyes de la n atu raleza serían deducibles m ed ian te la inferencia racional. M ilne em pezó a desarro llar su teo ría cosm ológica en 1933 y ‫ ط‬ex


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tendió grad u alm en te p a ra cu b rir tam b ién o tro s aspectos de la física. En 1948 p ro p o rcionó u n a p resen tació n co m prehensiva de su teoría, p ero p o r aquel entonces el interés en la teoría estaba en declive. En o p in ió n de M ilne, la teo ría general de la relatividad era m o n stru o sa, ta n to m atem ática com o filosóficam ente. Para él, el espacio n o era u n objeto de la observación sino u n sistem a de referencia, y p o r ta n to n o p o d ía ten er estru ctu ra, curvada o no. En su sistem ática presentación de su teo ría de 1935, Relativity, Gravitation and WorldStructure, arg u m en tab a q u e todas las leyes fu n d am en tales de la ‫؛؛‬sica cósm ica p o d ían deducirse a p a rtir de u n o s pocos prin cip io s, la m ayoría de los cuales p o d ían obtenerse anaíizando los conceptos utilizados p a ra o rd e n a r la experiencia tem p o ral y p a ra C O m unicarlos m ed ian te señales ópticas. La física que resulta de estas consideraciones sería u n a «relatividad cinem ática», com o M ilne d e n o m in ó a su sistem a, p o rq u e no involucraba u n a apelación inicial a suposiciones dinám icas o gravitatorias. Los postu lad o s básicos del sistem a del m u n d o de M ilne eran la constancia de la velocidad de la luz y el p rin cip io cosm ológico, según el cual el m u n d o es ho m o g én eo e isotrópico a g ran escala. B asándose en estos dos prin cip ios, y sin utilizar las ecuaciones de cam po de la relatividad general, M ilne derivó u n m o delo de u n m u n d o en expansión u n ifo rm e y ta m b ié n halló q u e la co n stan te grav itatoria de N ew ton no era realm ente constante. Según M ilne, se in crem en tab a len tam en te con el tiem po, en concreto, G ~ t. Sin em bargo, el sentido físico de esta p ro p o rc io n a lid ad no estaba m uy claro, ١· M ilne n o creía que foera com probable. El m otivo es q ue la totalid ad del sistem a de M ilne era ab so lu tam en te c o n v e n c io n a lis ta y q u e aplicaba distintas escalas tem porales, cada u n a con sus p ro p ias im plicaciones físicas, pero todas convenciones que p o d ían utilizarse, en p rin cip io , librem ente. Esta relación sería válida en el «tiem po cincm ático» (،·), pero n o en el m arco te m p o ra l hab itu al, n ew to n ian o ( t ) , que M ilne d e n o m in ab a «tiem po dinám ico». Las dos escalas tem p o rales estaban conectadas de m an era logarítm ica m ed ian te la regla

T

= lo g (í/í0) + í0, d o n d e t0 significa el in stan te actual. De

este m odo, en la escala tem p o ral d in ám ica G se red u cía a u n a constante y el universo p erm anecía estacionario y tenía u n a edad pasad a infinita. En cu an to a la p re g u n ta sobre cuál de las escalas tem porales p ro p o rcio n ab a la representación correcta del universo, M ilne la consideraba carente de significado. Según él, las dos descripciones eran m eram ente dos versiones diferentes de la m ism a realidad física y declaró lo «realnrente ocurrido» u n a p re g u n ta sin legitim id ad científica. El sistem a de relatividad cinem ática de M ilne difería claram ente de la física trad icional, no sólo en sus resultados sino ta m b ié n en su m etodología, que era u n a peculiar m ezcla de positivism o y racionalism o. Creía que el universo contenía u n n ú m e ro infinito de partículas, p ero se daba cu en ta de q u e este resultado no era verificable y enfatizaba que su física cósm ica d ep en d ía en ú ltim a instancia del razo n am ien to filosófico. Por ejem plo: «M ientras que es concebible que la observación p o d ría verificar la existencia de u n n ú m e ro finito de objetos en el universo n o es concebible que p u ed a verificar la existencia de u n n ú m e ro infinito. El filósofo p u ed e reconfortarse con el hecho de que, a pesar de la m u y alabada influencia y d o m in io de la observación y experi

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m entó en la física o rd in aria, la física cósm ica p ro p o n e cuestiones de u n carácter o b‫؛‬etivo, no m etafísico, que n o p u ed en resolverse m ed ian te la observación sino que deben resolverse, en to d o caso, m ed ian te la razón pura: la filosofía n atu ral es algo m ayor que la totalid ad de las observaciones concebibles». Y en 1937 escribió sobre su program a: «Mi pro p ó sito ha sido d esarrollar las consecuencias [de m i teoría] sin recu rrir a la experiencia, excepto a la existencia de u n a experiencia tem p o ral, u n a conciencia de una relación de antes y después, p a ra cada o b serv ad o r individual» (K ragh 1982a, p. 78.. A unque el sistem a de M ilne se aplicaba p rin cip alm en te a la cosm ología, tam bién creía que le p erm itía d ed u cir la dinám ica, el electrom agnetism o, e incluso la teo ría atóm ica a p a rtir de p rin cip io s p u ra m e n te cinem áticos. Enfatizó que su enfoque deductivo contrastaba con el o rd in ario , em pírico-deductivo, y se o p o n ía a los in tentos reduccionistas de e n te n d e r las leyes del universo en té rm in o s de teoría atóm ica. Fuera de la eosm ología, sin em bargo, el in te n to de M ilne de reco n stru ir la física resultó en u n singular fracaso, y sim p lem en te n o fue to m a d o en serio p o r sus colegas en física. En ju n io de 1938 u n a conferencia sobre «Nuevas teorías en física» tuvo lugar en Varsovia bajo los auspicios del In stitu to In tern acio n al de la C ooperación Intelectual (u n a com isión bajo la Liga de las N aciones) y o rganizada en parte p o r la ICSU. Allí, los cosm ofísicos se e n c o n tra ro n con sus colegas m ás ortodoxos. Bohr, Von N eu m an n , De Broglie, K ram ers, Klein y b riilo u in p ro p o rc io n a ro n inform es sobre varios aspectos de ‫ ظ‬teo ría cuántica, qu e se incluyeron en los anales de la conferencia en 1939, N uevas teorías en física. El in fo rm e de E d d in g to n sobre «Aplicaciones cosm ológicas de la teoría de los cuantos» ineluía derivaciones del radio del universo de Einstein (400 megaparsecs [M pc]), el parám etro de Hubble (432 km s _1 M pc ‫ زب‬y el núm ero cósm ico (3,145 X 1079), adem ás de relaciones n u m éricas co m o N /R 2 = 50 m m cl'b h 2. La presentación m otivó objeciones p o r p arte de K ram ers, Von N eu m an n , Rosenfeld, B ohr y otros, n in g u n o de los cuales aceptaba el uso de la m ecánica cuántica de E ddington. El in fo rm e de M ilne sobre «Un posible m o d o de enfocar la d in ám ica nuclear», leído en su ausencia p o r C harles D arw in, n o fue m ejo r aceptado. D e acu erd o con E ddington, M ilne argum entaba que «la relación de cu alquier p artícu la [elem ental] d ad a con el resto del universo n o p u ede ign o rarse en tales discusiones [sobre la interacción en tre partículas]» (p. 207). Al co n trario q u e E ddington, M ilne sim p lem en te ig noraba la m ecánica cuántica en su discusión de la d in ám ica nuclear: «Incapaz de presen tarm e a m í m ism o la m ecánica o n d u lato ria, el espín electrónico, etcétera, debe in ten ta r e n ten d er estos asuntos a m i m anera; el resultado es u n a reco n stru cció n parcial, au n q u e satisfactoria en m i o p in ió n , de ciertas p o rcio n es de la física sobre u n a base racional, u n a reconstrucción en la que cada ecuación es u n a p ro p o sició n con contenido» (p. 219). Si el heterodoxo sistem a de M ilne p o d ía parecer el trab ajo de u n chiflado cu an d o se ve desde la perspectiva de la física cuántica, su rep u tació n e im pacto fireron m uy diferentes en lo to can te a cosm ologia. De hecho, M ilne fue p robablem ente el cosm ólogo m ás influyente de los años trein ta, y sus ideas fu ero n en gran p arte las que estableciero n la agenda p ara las discusiones sobre cosm ología teórica. D e 1932 a 1940, apareciero n m ás de 70 artículos relacionados de u n m o d o u o tro con la teoría de M ilne, lo cual


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significa que la teo ría tenía u n a posición p re d o m in a n te en la época. A unque M ilne no estableciera u n a escuela de cosm ofísica, varios de los m ás im p o rtan te s teóricos de Ing laterra (y algunos en o tro s sitios) tra b a ja ro n en el área definida p o r las ideas de M ilne. E ntre estos estaban G erald W hitrow , W illiam M cCrea, A rth u r W alker y Georges M cVittie, to d o s los cuales llevaron a cabo im p o rta n te s trabajos en « ) ‫ أس‬،)logia y estaban p ro fu n d a m e n te influidos p o r el sistem a del m u n d o de M ilne. Este sistem a tam bién fue de considerable im p o rta n c ia p a ra la teo ría p o sterio r del estado estacionario, pero tras la guerra p erd ió fuelle ráp id a m e n te y, con la m u e rte de M ilne en 1950, el interés en el sistem a se agotó. La teoría de M ilne de la física cósm ica p ro sp e ró com o p arte de un clim a intelectual global que era receptivo a este tip o de ideas, pero con el desplazam iento en el clim a intelectual tras la gu erra, la teo ría em pezó a parecer u n a curiosidad del pasado. Para M ilne, su sistem a del m u n d o n o era sólo u n a teoría física, ni tam p o co sólo u n a teo ría filosófica: incluía ta n to la tísica co m o la filosofía, adem ás de la religión. G om o los cosm ólogos de las antiguas escuelas, creía que su sistem a cosm ológico, p o r sí solo, era capaz de p ro b a r la existencia del D ios y C reador cristiano.

Los aristotélicos m©dern©$ En u n a breve n o ta de 1937, claram en te in sp irad a p o r E ddington y M ilne, D‫؛‬rac sugirió u n a reconsideración de la cosm ología basada en los grandes nú m ero s adim ensionales que p u e d e n co n stru irse a p a rtir de las constantes fundam entales de la n atu raleza. El p o stu lad o fu n d am en tal de D irac era la hipótesis de los grandes núm eros: que to dos los grandes n ú m e ro s d m e n s io n a le s que se d an en la natu raleza están interconectados. O torgó u n significado p articu lar a n ú m e ro s de órdenes de m a g n itu d ‫ وص‬y 1078 p o r la siguiente razón: con u n a u n id a d de tie m p o d ad a p o r e2lmc?, la edad del ‫ آ ( اا‬verso, que to m ó com o dos m il m illones de años, será ap ro x im adam ente ‫ وص‬, que es casi igual a la razó n en tre las firerzas electrostáticas y gravitatorias entre u n electrón y u n p ro tó n , e1!G m M . Es decir, T /(e2lcm 3) - e1/G m M , siendo T e l tiem p o de H ul)ble (la mversa del p a rá m e tro de H ubble). Si el acuerdo n u m érico es significativo y las cargas y m asas no cam b ian con el tiem p o , que es lo que D irac suponía, se sigue que la «constante» gravitación‫)؛‬، decrece con el tie m p o ató m ico según G ~ t \ Es decir, m ientras que M ilne sugería u n in crem en to gradual, D irac m a n te n ía que la gravitación decrecería. D irac estaba de acuerd o con E dd in g to n en que las regularidades exhibidas p o r los grandes n ú m ero s ad im ensionales n o eran p u ra m e n te fortuitas, pero m ien tras que Edd in g to n y la m ayoría de los d em ás creían que las constantes eran in d ep endientes de la expansión cósm ica (o del tie m p o cósm ico), D irac las considerabas m ag n itu d es contingentes, depend ien tes de la h isto ria del universo. O tra consecuencia de la hipótesis de los grandes n ú m ero s se derivaba de la constan te p(cTy)/M , d o n d e p es la d en sid ad m ed ia de m ateria y c T = c / H es el radio del ‫؛‬٧١٦ verso observable, el rad io de H ubble. D ado que el valor de la constante (que p ro p o rciona el n ú m e ro de partículas en el universo) es del o rden del n ú m e ro cósm ico de E ddington 1078, y que éste es el c u ad rad o del p e rio d o en el tiem p o atóm ico, D irac co n

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cluía que el n ú m e ro de partículas se in crem en taría con el tiem p o de acuerdo con la ley N ~ t 2. A m bas sugerencias (que la co n stan te grav itato ria decreciera con el tiem p o y la creación esp o n tán ea de m ateria) e ra n altam en te heterodoxas y estaban en conflicto con la teoría general de la relatividad. En el añ o siguiente, 1938, D irac decidió que la m ateria cósm ica se conservaba después de tod o . A firm ó que la conservación de la m ateria se p o d ía reconciliar con la hipótesis de los g randes n ú m ero s y m an tu v o la idea de un a constan te gravitatoria decreciente. fia aventura cosm ofísica de D irac tuvo poco im p acto in m ed iato en la cosm ología co n tem p o rán ea. La m ayoría de los a stró n o m o s y físicos recibieron la heterodoxa teoría de D irac con silencio, si n o con vergüenza. Sin em bargo, a la larga las especulaciones de D irac resu ltaro n ser má^ influyentes q u e la m uy d iscutida teoría de M ilne. El im pacto de la teo ría que p e rd u ró , co m o se vio m u ch o después, era la m ism a hipótesis de los grandes n ú m ero s, n o la idea de u n a co n stan te gravitatoria variable o el m odelo universal q u e p ro p u so en particular. La idea general de u n a in terco n ex ió n fu n d am en tal entre las com binaciones grandes de constantes n atu rales resultó ser u n a fuente de co n tin u a fascinación en la eosm ología y astrofísica de p o sg u erra. U no de los pocos físicos q u e asu m ió la idea de D irac en los años tre in ta fue Pascual Jordán, q u ien in m ed iatam en te em pezó a desa¡-rollarla en u n a teo ría m ás co m prehensiva e in te n tó arm o n izarla con la teoría general de la relatividad. En la versión de Jordán, n o sólo deerecía la constante gravitatoria con el tiem po, sino que tam b ién se creaba m ateria esp o n tán eam en te, au n q u e de u n m odo que n o violaba la ley de conservación de la energía. Las teorías de E ddin g to n , M ilne, D irac, Jordán y o tro s no fueron recibidas favorablem ente p o r aquellos científicos y filósofos que h ab ían con tem p lad o con creciente insatisfaeción el auge de la cosm ofísica racionalista. La m ayoría de los físicos corrientes preferían ig n o ra r la m o d a, p ero en Inglaterra, su ú ltim o bastión, e n c o n tró u n a abierta hostilidad y causó u n a especie de K u ltu rk a m p f a finales de los trein ta. H elbert Dingle, u n astrofísico y filósofa) de la ciencia, p ro testó en érgicam ente c o n tra la nueva «pseudociencia de la cosm itología invertebrada» y lo q u e consideraba los desequilibrados m éto d o s apriorísticos de los « m o d ern o s aristotélicos». Para D ingle, la aceptación de los m étod o s de E ddington, M ilne y D irac significarían el fin de la física em pírica com o se conocía desde los tiem p o s de Galileo. Según D ingle, el co n o cim iento experim ental, n o los prin cip io s apriorísticos, deb ería co n stitu ir la base de la física. M ilne, p o r o tro lado, m an ten ía que u n a explicación de la n aturaleza com pletam ente racional era tanto deseable co m o posible. En 1937, en respuesta a D ingle, fo rm u ló su o p in ió n de esta m anera: «El universo es racional. C o n esto q uiero decir que dada la m era afirm ación de /٠ que existe, las leyes q u e se obedecen p u ed en d educirse m ediante u n proceso de inferencia. N o h ab ría entonces dos creaciones [una de la m ateria, la o tra de la ley] sino una, y deb eríam o s q u e d a rn o s sólo con la su p rem a irracio n alid ad de la creación, parafraseando a ^ i t e h e a d . Sólo p o d em o s co m p ro b ar esta creencia m ed ian te u n acto de renuncia, ex p lo ran d o la p o sibilidad de d ed u cir a p a rtir de u n a supuesta descripción de qué son exactam ente las leyes, q u e lo q u e existe obedece, evitando en lo posible to d o


‫ﻣﻞ‬ otras

heterodoxias

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recurso a leye$ d eterm in ad as em p íricam en te. Las leyes de la naturaleza no serían entonces m ás arb itrarias que los teorem as geom étricos. La creación de D ios estaría som etida a leyes que n o estarían p o ste rio rm e n te a disposición de Dios» (K ragh 1982a, p.

100). £1 debate b ritán ico sobre la cosm ofísica a finales de los tre in ta era u n a de esas raras ocasiones en la ciencia física m o d e rn a d o n d e se discutía el p ro p io firndam ento de la física, incluyendo su influencia sobre asu n to s sociales e ideológicos. D ingle estaba preocupado p o rq u e las ideas de los m o d e rn o s aristotélicos crearan u n a atm ósfera ‫؛‬ntelectual que fuera d a ñ in a n o sólo a la ciencia, sino tam b ién al esp íritu crítico y científico en u n sentido m ás am plio. «¿Cuál será la d isposición m en tal de u n público al que se le enseña a m ed ir el valor de u n a idea en té rm in o s de su in co m p ren sib ilid ad y a b u rla rse de la vieja ciencia p o rq u e se p o d ía entender?» se p reg untaba. «Los tiem pos no son tan p ro m eted o res co m o p ara q u e p o d am o s descansar có m o d am en te en u n a atm ósfera m en tal en ‫ ط‬cual las ideas m ás aptas p a ra la supervivencia no so n las que se apoyan en la relación m ás racional con la experiencia, sino las que p u ed e n desplegar la m ás im presionante p an o p lia de p seu d o p ro fu n d id ad . Lxíste suficiente evidencia en el continente de los efectos de las d o ctrin as derivadas “racio n alm en te y sin re cu rrir a la experiencia”» (K ragh 1982a, p . 2( ‫) آا‬. D ingle p en sab a p ro b ab lem en te en la situación en las d ictaduras continentales, com o la A lem ania nazi y la U n ió n Soviética. La advertencia de D ingle fue rep etid a p o r John Bernal, el científico m arxísta. Sin referirse específicam ente a £ d d in g to n y M ilne, B ernal co m en tó en 1938, en su im p o rta n te L a fu n ció n social de la ciencia, so b re el « m isticism o y a b a n d o n o del p e n sa m ie n to racional» que había p e n e tra d o p ro fu n d a m e n te en la p ro p ia ciencia: «Las teorías científicas, en p a rtícular aquellas teorías m etafísicas y m ísticas q u e tra ta n sobre el universo en su to talidad ٠ sobre la natu raleza de la vida, q u e fu ero n expulsadas con escarnio en los siglos XVI11 y XIX,

están tra ta n d o de g anar su vuelta a la aceptación científica» (B ernal 1939, p. 3).

A pesar de la validez de las advertencias de D ingle y Bernal, la m o d a en cosm ofísica fue efím era y, de hecho, n o llegó a am en azar a la física o rd in aria basada en experim entos. En to d o caso, los físicos b ritán ico s p ro n to te n d ría n o tras cosas de qué preocuparse. Tras septiem b re de 1939, se c o n cen traro n , con éxito, en la física con aplicaciones m ilitares, u n área que estaba a años luz de la cosm ofísica racionalista e idealista. En su intro d u cció n a N uevas teorías en física, el m o d e ra d o r del congreso en Varsovia lam entab a «la ausencia de m u ch o s colegas alem anes, italianos y rusos, a los que las ‘ le h a im p ed id o asistir a pesar de sus sen tim ientos de fratern id ad con los *'

de to d o el m u n d o » . N os o cu p arem o s a h o ra de estas circunstancias.

C A P ÍT U L O 6‫ﻝ‬

La física y las

‫ﺍﺱ‬/‫ﺓﺓ‬

dictaduras

A la sombra de la esvástica C on la ascensión al p o d e r de A d o lfH itle r com o canciller del Reich el 30 de enero de 1933, se abría u n nuevo y triste capitulo en la h isto ria de Europa. Lise M eitner estaba entre los m u ch o s que escucharon la retran sm isió n rad iad a de u n o de los discursos de H itier poco antes de q u e el p a rtid o nazi convirtiera A lem ania en u n a dictad u ra. En una carta dirigida a O tto ‫؛ ﺍ؛ ﺁ ؛‬٦ ٨ , describió el discurso com o m o d erad o , con tacto y personal y escribió que «ojalá co n tin ú e n las cosas de esta m a n e ra [...] Todo dep en d e ahora de la m o d eració n racional» (H entschel 1996, p. 18). ?ero la m o d eració n racional no fue lo que caracterizó los m eses y años siguientes. M eitner m ism a tuvo que escapar de A lem ania cinco años después. En u n corto p erio d o de tiem po, los nuevos lideres dejaro n claro que en A lem ania h abía o c u rrid o u n a revolución y que la política e ideología del p a rtid o nazi debía seguirse estrictam ente. Esto im plicaba, entre otras cosas, que los otros p a rtid o s políticos q u ed ab an p ro h ib id o s y q u e los ju d ío s y los socialistas no podían o cu p ar plazas de fm icionarios en el Reich. Según la Ley p ara restau rar el servicio civil de carrera del 7 de abril de 1933, u n n o ario se definia com o u n a perso n a con un padre o abuelo n o ario. U na p erso n a así era Bethe, q u ien el 11 de abril de 1933 escribió a Som m erfeld, «probablem ente n o sepas q u e m i m adre es judía. ? ٠ ٢ lo tan to , segú n la nueva Ley de servicio civil, soy de “ascendencia no aria” y p o r ta n to n o valgo p ara fun cio n ario del D eutsches Reich [...] N o tengo opción; debo a ctu a r en consecuencia e in te n ta r en c o n tra r u n lug ar que m e aco m o d e en algún o tro país» (Eckert y Schubert 1990, p. 83). La p rim e ra oleada de despidos p ro d u cid a p o r la ley de abril de 1933 incluía a m ás de m il profesores de universidad, 313 de ellos titulares. U na m edida tan drástica (y era sólo el p rin cip io ) n o p u d o evitar d a ñ a r la ciencia y ‫ ﻅ‬academ ia alem anas, pero esto era de im p o rta n c ia m e n o r p a ra los líderes nazis, que n i en te n d ían de ciencia n i m o strab an interés p o r ella. En u n a ocasión, cu an d o M ax ? la n c k sugirió cau tam ente a H h ler que

La física y ‫؛‬as nuevas dictaduras

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‫ ط‬despedida de científicos ju d ío s sería perjudicial p a ra A lem ania, el· Führer (según una versión) m o n tó en cólera y respondió: «N uestra política nacional· no será revocada o m odificada, incluso p ara científicos. Si la despedida de científicos ju d ío s significa la aniquilación de la ciencia alem ana

'

¡entonces nos las ap añ arem o s sin

ciencia d u ra n te u n o s pocos años!» (Beyerchen 1977, p. 43). U na gran p arte de la población alem ana h abría estado de acu erd o con el Führer. La despedida de científicos judios en co n tró aquiescencia o indeferencia. U n científico estadounidense que visitó A lem ania en 1933 in fo rm ó en u n a carta: «A la m ayoría de la gente no le im p o rta un com ino; u n a gran p ro p o rc ió n está b astan te feliz de que to d o haya ocu rrid o . Los extrem ad am en te pocos que están p reo cu p ad o s p o r ello n o están inclinados a decir nada, ni en público, ni tan siquiera en privado» (W einer 1969, p. 205). Los físicos alem anes, com o la m ayoría de o tro s g rupos, resp ondieron de distinto m odo a la nueva situación. U nos pocos p ro testaro n en público, pero u n a reacción m u cho m ás c o m ú n era expresar la p reo cu p ació n con calm a e in te n ta r llegar a algún enten d im ien to con los nuevos líderes. A lgunos físicos ju d ío s d im itiero n en protesta; la m ayoría ftreron despedidos. B uena p a rte de los físicos alem anes n o ju d ío s se sentían m uy un id o s a su país y no ten ían deseos de dejarlo, n i com o pro testa ni p o r su p ro p io bien. Planck, Laue y H eisenberg estaban en tre los m u ch o s que consideraban su deber quedarse, no sólo p o r el bien de la p atria sino incluso m ás p o r el bien de la física alem ana. C u an d o E instein d im itió p ú b licam en te de la A cadem ia p ru sian a de las Ciencias en m arzo de 1933, la academ ia, deseosa de apaciguar al gobierno, le acusó de «com p o rtam ie n to agitador». Laue sugirió a E instein que debería h ab er actu ad o de m an era m enos política, con m ás com edim iento. Pero E instein, ya a salvo fuera de A lem ania, no quería o ír h ab lar de ello: «De la situación en A lem ania p uedes ded u cir exactam ente a lo que conduce tal com edim iento. Significa d ejar el liderazgo para los ciegos e irresponsables. ¿No hay detrás de esto u n a falta de sentido de ‫ ﻁ‬responsabilidad? ¿D ónde estaríam os ah o ra si gente com o G io rd an o B runo, Spinoza, Voltaire y H u m b o ld t hubieran pensad o y actuado de esta m anera?» (H entschel 1996, p. xliii). Por supuesto, tam b ién existían físicos que d a b an la bienvenida al n uevo régim en, ya p o rq u e creyeran en la causa nazi, o al m enos sim p atizaran con partes de ella, o p o rq u e vieran en las nuevas circunstancias u n a m an era de m e jo ra r sus propias carreras. Sólo u n o s pocos físieos eran m iem b ro s del p a rtid o nazi (D N SA P) antes de 1933, pero ser m iem b ro de cualquier p a rtid o político hab ía sido poco h ab itu al en tre los científicos y académ icos del p erío d o de W eim ar. D espués de 1933, el n ú m e ro de m iem b ro s del p a rtid o nazi aum entó drásticam en te, sobre to d o en tre científicos jóvenes. (Vale la pena recordar que los estudiantes estaban en tre los m ás entusiastas p a rtid a rio s de H itler.) El U ranverein, el proyecto de energía ató m ica alem án, incluía 71 científicos, entre ellos la m ayoría de los físicos nucleares alem anes. D e los físicos, quím icos e ingenieros involucrados en la obra del Uranverein, el 56 p o r 100 eran m iem b ro s del p a rtid o y, de éstos, el 8 p o r 100 h abían sido m iem b ro s desde antes de 1933. La infraestructura científico-política y el sistema de apoyo cam biaron después de 1933, pero m uchas de las instituciones de

‫ﻅ‬

república de W eim ar continuaron y, en general, no

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estaban trem endam ente politizadas. La más im portante de las agencias de fin‫؛‬m c‫؛‬ación a ‫ظ‬ investigación del periodo de W eimar, la N otgem einschafí, continuó desem peñando u n papeí d o m in an te, au n q u e bajo el n o m b re de D eutsche F orschungsgem einschaft (Sociedad Alemana de Investigación) a partir de 1937. La № )'sika،isch-^^chnische Reichsanstait era otra institución que no sólo continuó existiendo, sino que se expandió en gran m edida. Después de que Faschen fuera obligado a dim itir en 1933, el cargo de director fue asum ido p o r Johannes Stark, el físico nazi que tam bién fue presidente (1934-1936) de la N otgemeinschaft. Stark reorganizó la Reichsanstait y en 1938 aum entó su personal a 444,138 de los cuales eran físicos. De acuerdo con su baja opin ión de la física pura, la Reichsanstalt de Stark se concentró en la física técnica y m ilitar antes que de la clase de física ordinaria que Faschen había intentado prom over. Para la K ^ s e r-W ilh ^ -G e s e lls c h a ft, con Planck com o presidente, la década después de 1933 fue u n p erio d o de expansión. El In stitu to de Física Kaiser ^^'ílhelm, planeado en 1917 pero existente sólo sobre el papel d u ra n te el p erio d o de W eim ar, se com pletó finalm ente en 1937, financiado en tre el gobierno y dos m illones de m arcos im periales de la Fundación Rockefeller. El gran d e y bien eq uipado instituto, cuyo p rim er director fue Peter I.)ebye, n acido en H olanda, p ro n to se convirtió en ‫ ط‬principal institución de A lem ania p ara la investigación física. En lo to can te a dinero e instituciones, los físicos alem anes n o ten ían m otivo p ara no estar satisfechos con el nuevo régim en. La física alem ana sufrió severam ente, ta n to cu an titativa com o cualitativam ente, debido a la política de despidos del régim en. U na estim ación fiable es que A lem ania perdió el 25 p o r 100 de su c o m u n id a d física de 1932. El n ú m e ro total de físicos co n tratados p o r universidades cayó de 175 en 1931 a 157 en 1938, pero el declive se com pensó ap ro x im ad am en te p o r u n in crem en to de físicos trab ajan d o en in stitu to s politécnicos. Así, a pesar de la fuerte p érd id a p o r físicos em igrantes, la p o blación física perm aneció constante. P or o tro lado, co m p arad a con la situación en los Estados U nidos, d o n d e el n ú m e ro de plazas de física c o n tin u ab a creciendo, este estancam iento era u n a señal de enferm edad. D e m ayor im p o rtan cia es que los físicos que ab a n d o n a b an A lem ania representaban u n a m asa de talento, experiencia y orig in alidad que, sim plem ente, n o podía reem plazarse. T om em os el ejem plo de G otinga, la cuna de la m ecánica cuántica y u n a universidad con u n elevado n ú m e ro de em in en tes físicos y m atem áticos judíos. M ax B orn, James Franck, W alter H eider, H einrich K uhn, L othar N ordheim , Eugene R abinow ich, H erth a Sponer y E dw ard 'l’e ller, to d o s fueron despedidos o forzados a que dejaran la universidad, lo q u e significaba que los in stitu to s de física acabaron casi vacíos. G otinga era excepcional, en to d o caso; de hecho, sólo se despidieron profesores p o r m otivos políticos en 15 de 36 universidades o politécnicos alem anes. Sin em bargo, fireron las universidades co n los in stitu to s de física m ás grandes y progresistas, especialm ente Berlín y G otinga, las q u e m ás sufrieron. Los in stitu to s politécnicos no sufrieron m u ch o y, en la universidad de Jena, co n serv ad o ra y sin ju d ío s en su personal de física, no se d espidió a u n solo físico. En general, cu an to m ás o rien ta d o a la teoría estaba el institu to , m ás despidos había: de 60 profesores de universidad en A lem ania con plazas en física teórica, n o m en o s de 26 acab aro n en el exilio. La p érd id a de talento

La física y las nuevas dictaduras

225

،íentífico era notable. E ntre los físicos forzados (o q u e se sin tiero n forzados) a dejar sus plazas en Alem ania en tre 1933 y 1940, seis eran prem ios N obel (Linstein, Franck, H ertz, Schródinger, Hess y Debye) y o tro s ocho recibirían el p rem io N obel m ás adelante en risica o Q uím ica (Stern, Bloch, B orn, ^ 'ig n e r, Bethe, G abor, Hevesy y H erzberg). Para una lista m ás com pleta de em igrados, véase la tabla 17.2. En ju n io de 1933, John von N e u m a n n in fo rm ó al m atem ático de P rin ceto n O sw ald '،‘eblen sobre la situ ació n en A lem ania, q u e consideraba «m uy deprim ente». Explicaba, hem os estado tres días en G otinga y el resto en Berlín, y hem os ten id o tie m p o de ver . apreciar los efectos de la locura alem ana actual. Es sencillam ente horrible. En G otin‫ ﺗﻖ‬. en p rim e r lugar, es b astan te obvio q u e si estos chicos siguen sólo dos años m ás (lo ،‘ ja l es p o r desgracia m u y p ro b ab le), a rru in a rá n la ciencia alem ana d u ra n te u n a generación, al m enos» (W eim er 1969, p. 205). Según se fueron conociendo en otros países .‫ ﻗﺪ‬realidades de las m edidas del régim en nazi c o n tra científicos judíos, m u ch o s físicos ¿xtranjeros resp o n d iero n , al p rin cip io en silencio, evitando visitar A lem ania, cance0‫ ﺳﺪئ‬suscripciones a revistas alem anas o d án d o se de baja com o m iem b ro s de asociad o n e s científicas alem anas. Esto, y las restricciones sobre alem anes para viajar en el extranjero, con trib u y ó a u n creciente aislam iento in tern acional de la física alem ana. C om enzando en 1936, a los científicos alem anes (ju n to con los rusos e italianos) se les prohibió p artic ip a r en en cu en tro s asociados con la Liga de las N aciones. En 1937 el ré‫؛‬am en nazi p ro h ib ió que los alem anes acep taran p rem io s N obel. Sam uel G o u d sm it fue m ás abierto que la m ayoría de los o tro s físicos en su crítica de la política nazi: en u n a ^ r a r g a carta de d im isió n de 1936 a W alther G erlach, d aba sus razones p a ra darse de com o m iem b ro de la Sociedad A lem ana de Písica: «Estoy decepcionado con que .‫ د‬Sociedad n u n c a haya p ro testad o en su to talid ad c o n tra los d u ro s ataques que algu-

? a ia

nos de sus ex trao rd in ario s m iem b ro s h a n sufrido. A dem ás, pocas co n trib u cio n es a la ris ic a proced en de A lem ania hoy en día; la p rin cip al ex p o rtació n alem ana es m ás bien :‫ ق‬propaganda del odio» (Beyerchen 1977, p. 75). Varios físicos extranjeros siguieron a ‫ ^؛‬u d s m i t , lo cual co n trib u y ó al declive en el n ú m e ro de m iem bros que la sociedad experim en tó d u ra n te los años trein ta. La Sociedad A lem ana de Física había conseguido, ‫ ﺀك‬hecho, seguir u n curso relativam ente in d ep en d ien te, evitando la expulsión de sus m iem bros judíos. Fue sólo a finales de 1938 cu an d o Debye, com o presidente de la sod e d a d , se sin tió forzado a p e d ir a to d o s los m iem b ro s ju d ío s que se d ie ran de baja com o m iem bros. En 1940 Debye hab ía ten id o bastan te, y a b a n d o n ó A lem ania para o cu p ar u n a plaza en la U niversidad de C ornell. La m ayoría de los físicos extranjeros n o estaban seguros de có m o actu ar y tuvieron cuidado de n o ro m p e r las conexiones co n sus colegas alem anes. Estaban co n tra H itler V

‫ ط‬política nazi, n o c o n tra los alem anes m ism os. El físico estadounidense, m ás ade-

;ante prem io N obel, Percy B ridgm an era u n a excepción. A p rin cip io de 1939 publicó un m anifiesto en Science en el que declaraba: «He decidido de ah o ra en adelante no m o strar m is ap arato s ni d iscu tir m is exp erim en to s con los ciu dadanos de Estados totalitarios». Se d ab a cuenta, p o r supuesto, q u e tal m ed id a iba c o n tra el ideal del Ínternacionalism o científico, p ero arg u m en tab a que «la posibilidad de u n a concepción

226


idealista de la fu n ció n actual de la ciencia ya ha sido d estru id a, y [...] quizá la única esp eran za que la situ ació n actual p ro p o rc io n a es hacer que los ciudadanos de los Estados to talitario s se d e n cu en ta to d o lo vivida y ráp id am en te posible de cóm o im presion a y afecta al resto del m u n d o la filosofía de sus Estados» (H entschel 1996, p. 185). Los físicos y los ad m in istrad o res científicos alem anes eran m uy conscientes de que A lem ania ya n o p o d ía c o m p etir con los Estados U nidos en m uchas áreas im p o rtan tes de la física. Tam bién sabían, p ero n o p o d ían decirlo ’ ’

que la política nazi

de despidos era, en g ran parte, responsable del declive. C ari R am sauer era u n reconocido físico aplicado y d irecto r de la división de investigación de A ‫( ﻣﻤﻞ‬A llgem eine E،ektricitáts-G esellschaft), u n a de las em presas ind u striales m ás grandes de A lem ania. En un m e m o ra n d o a B ern h ard Rust, secretario de ciencia, educación y cultura, R am sauer avisaba de que la física alem ana se estaba q u e d a n d o claram ente p o r detrás de la de Estados U nidos. M ien tras que las citas estadounidenses en los volúm enes de 1913 a 1938 de A nnalen der Physik h ab ían su b id o del 3 al 15 p o r 100, R am sauer halló que en el m ism o p eriod o , las citas alem anas en Physical R eview («la revista de física líder, según se considera in tern acio n alm en te» ) h abía decrecido del 30 al 16 p o r 100. En el área de física nuclear, R am sauer halló q u e la investigación an g lo -estadounidense dom inaba: en 1927 el Physikalische Berichte listaba 47 artículos en física nuclear escritos en alem án y 35 en inglés; doce años después las cifras eran 166 en alem án y 471 en inglés. «El núm ero de artículos alem anes sobre este cam p o ta n m o d ern o y p ro m e ted o r se h a m ultiplicado p o r 3,5 en este p eriodo, m ien tras q u e el n ú m e ro de artículos escritos en inglés se h a m ultip licad o p o r 13,5. Sin em bargo, com o pued e con firm ar cualquier físico nuclear, la calidad de los artículos estad o u n id en ses es, com o poco, equivalente a la de los artículos alem anes». Los histo riad o res p o steriores h a n analizado datos sim ilares a los de R am sauer para p ro p o rc io n a r u n a im agen m ás detallada del efecto de la política nazi en la física. En lo concernien te a m ecánica cuántica, incluyendo la electrodinám ica cuántica, el 25 p o r 100 de tod as las publicaciones en alem án en tre 1926 y 1933 (las cuales su p o n ían el 45 p o r 100 de todas las publicaciones) estaban escritas p o r físicos que m ás adelante aband o n a ro n A lem ania (tabla 16.1). U n p a tró n sim ilar se observa en física nuclear, donde la tasa fue del 18 p o r 100. A dem ás, los artículos de los fu tu ro s em igrantes ten ian una valía p o r encim a de la m edia, com o indica la frecuencia con que se citaro n en la litera tu ra física. Los estudios sobre citas m u e stra n que los artículos escritos p o r físicos nucleares alem anes em igrantes recibieron m ás de tres veces m ás citas que lo que cabría esperar a p a rtir del n ú m e ro de sus artículos. En o tro s cam pos, las co n trib u cio n es de los firturos expatriados fue m enos m arcada, en general con u n a tasa m ayor en los cam pos m ás teóricos y m o d e rn o s y u n a relativam ente m e n o r en cam pos m ás experim entales y tradicionales, com o acústica y m ecánica técnica (tabla 16.2). En p ro m ed io , la con trib u ción de los em igrantes a to d o s los cam pos de la física alem ana fue del 10,8 p o r 100. La m ayoría de sus publicaciones aparecían en el progresista Zeitschrift fü r Physik, de o rien tació n teórica (d o n d e co m p u siero n u n 14,5 p o r 100) y sólo u n o s pocos en el m ás conservado r A nnalen der Physik (5,9 p o r 100).


227

TABLA 16.1 Publicaciones de teoría cuántica Por posteriores em igrantes

Publicaciones N°

Porcentaje en publicaciones alem anas

49,7

16

18,6

319

50,8

42

25,9

1928

295

44,4

31

23,7

1929

286

43,4

28

22,6

1930

326

44,5

35

24,1

1931

208

50,5

33

31,4

1932

170

30,6

١?

7.3-1

1933

153

38,6

20

33,9

to ta l

1.930

44,8

717

25,1

Año

N ° total

Porcentaje £٢١ alem án

1926

173

1927

Sota: Basado en datos de Fischer 1988. TABLA 16.2 Publicaciones alem anas sobre física en cam pos seleccionados, 1925-1933

C am po de la física

Publicaciones en alem án

?٠٢ emigrantes

Porcentaje

Teoría cu án tica

864

717

25,1

Núcleos, radiactividad, rayos de p a r t i d a s

532

100

18,8

Espectros

958

123

12,7

N lrcánica de fluidos y gases

1.740

163

9,4

Nlecánica técnica

1.030

58

6,6

.Acústica T o ta l, t o d o s lo s c a m p o s

482

18

3,8

23.216

2.505

10-8

Seta: Basado en datos de Fischer 1988.

En general, las autoridades nazis n o se o p o n ían a la ciencia, y encauzaron enorm es e n tid a d e s de dinero hacia la investigación científica. La física alem ana en tró en declive lespués de 1933, pero la investigación de alto nivel continuó tan to en cam pos exper‫؛‬ú n t a l e s com o en teóricos. H eisenberg y su g ru p o en ‫ ط‬U niversidad de Leipzig todavía a ta b a n entre los líderes m undiales en teoría cuántica de cam pos e investigación de ra■‫ ص‬cósmicos; Von ^êizsácker realizó u n a im p o rtan te labor en teoría nuclear y en astroüi-.ca; en física del estado sólido, R obert p،)hl, W alter Schottky y otros contribuyeron '‫م‬ y en física nuclear los trabajos de M eitner, H a h n y Strassm ann con; _ eron a ‫ ظ‬fisión nuclear. H asta en u n am biente cada vez m ás em ponzoñado p o r la ecología nazi, era posible llevar a cabo investigación física del m ás alto nivel.

228


Física a r i a En 1936 P hilipp Lenard, p ro feso r em érito de fí$ica, publicó u n libro de texto en cu atro volúm enes, titu la d o D eutsche Physik (Física alem ana). E n el prefacio, justificab a el inusual título: «‘¿Física alem ana?' se p re g u n ta rá el lector. P odría ta m b ié n haber dicho física aria o física del tip o étnico n órdico, física de los que indagan la realidad, de los que buscan la verdad, la física de los q u e h an fu n d a d o la investigación científica. ‘¡La ciencia es in tern acio n al, y siem pre lo será!’, q u e rrá protestar. Pero esto está inevítablem ente basado en u n a falacia. En realidad, com o o cu rre con to d o lo que el hom bre crea, la ciencia está d eterm in ad a p o r la raza o la sangre... Las naciones de distintas m ezclas raciales p ractican la ciencia de m an eras distintas» (H entsche1996 ‫؛‬, p. 100). La física alem ana o aria p o r la qu e L enard abogaba en su trabajo ten ía su origen en el p rin cipio de los años veinte, cu an d o L enard y u n g ru p o de o tro s físicos alem anes derechistas atacaro n la te o ría de la relativ id ad de E in stein Y , en general, la física teó rica m o d e rn a (véanse los capítulos 7 y 10). El p u n to de vista de que existían distintas form as de física, dep en d ien d o de la raza y la nacionalidad, estaba en perfecto acuerdo con la ideologia ^ iin te r n a c io n a iis ta de los ' com o se exponía en M ein K a m p fd e H itler y en M ythos des 20. Jahrhundert de Alfred Rosenberg. El poco conexo g ru p o de antirrelativistas derechistas a principios de los veinte incluía a Lenard, Stark y G ehrcke com o sus m iem b ro s m ás notables y, de ellos, los dos prem io s N obel se inclin a ro n hacia el p a rtid o nazi en sus com ienzos. A unque Stark no se u n iera al p artid o hasta 1930 y L enard en 1937, ya estaban dedicados a la causa hitlerian a desde hacía m uchos años. En 1924 escribieron c o n ju n tam en te u n a alabanza a H itler y sus aliados, a los que describ iero n com o «los regalos de D ios, traíd o s de los días de antaño, cuando las razas eran m ás puras, las gentes m ás grandes y las m entes m enos ofuscadas» (ibid.y p. 9). El artícu lo co n trib u y ó a su o stracism o d e n tro de la c o m u n id a d física alem ana, pero tras 1933 se hallaro n en el lado ventajoso de la balanza y estaban dispuestos a tom arse la revancha. M ien tras q u e el anciano Lenard, que se había retirad o en 1931, actuaba sobre to d o en el frente ideológico, el m ás joven Stark trab ajab a políticam ente e in ten tab a to m a r las rien d as de las organizaciones alem anas de física. ¿Qué era esta física alem ana que Lenard, Stark y sus aliados quería instalar en lugar del vilipendiado d o g m a cuántico-relativista judio? Lo p rim ero, n u n ca se fo rm u ló de u n a m an e ra consistente o p ro g ram ática y n u n c a constituyó en realidad u n a cosm ovisión coherente. T am poco se m aterializó en n in g u n a práctica científica. Lo que caracterizaba la im agen física aria era m ás b ien c o n tra lo que estaba: la física m o d ern a, con su com plejo ap arato m atem ático, la falta de visibilidad, resultados an tiintuitivos y rechazo de la cosm ovisión clásica de N ew ton, Paraday y H elm holtz. B ásicam ente, los físicos arios eran an tim o d ern istas y rom anticistas, q u e añ o ra b a n u n reto rn o a la física basada en experim entos y a la teoría sim ple e inteligible, que estuviera de acuerdo con la intuición. O puestos a la especialización q u e h ab ía frag m entado a la física, abogaban p o r u n a im agen holística de la n aturaleza. Por aquel entonces, la física aria era p o r supuesto ab iertam en te racista, so steniendo que to d a la física sólida provenía de arios (au n q u e a veces la h u b ie ra n ro b ad o los ju d ío s), m ien tras que la especialidad de los físicos de as


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cendencia ju d ía era la teoría estéril, co m o la teo ría de la relatividad. Lenard y sus com p añeros creían que la física era la b ú sq u ed a de la verdad, y que la verdad p o d ía obtenerse sólo m ed ian te ex perim entos co m b in ad o s con im ágenes m entales de la realidad. La m ás im p o rta n te de estas im ágenes era el éter, que era, según m uchos de los físicos arios, no u n a m era im agen, sino u n a realidad. De m an era ta n sim plista com o ro m án tica, m an ten ía que el físico nórdico, y sólo él, p o d ía establecer u n diálogo con la n a tu raleza m ed ian te cuidadosos ex perim entos y la observación; la naturaleza asum iría el diálogo y le p ro p o rc io n a ría las respuestas a las p reg u n tas form uladas. La teoría avanzada, p o r o tra parte, n o llevaría a n in g ú n lado. C o m o escribió u n discípulo de Lenard, Alfons Bühl: «Este tra ta m ie n to de p roblem as físicos m atem ático en exceso h a surgido sin d u d a del esp íritu ju d ío [...] Igual que él [el jud ío ] en otro s ám bitos (com o en los negocios) tiene siem pre el cálculo nu m érico , el crédito y débito, ante sus ojos, así debe designarse u n a c a a c te rís tic a típ icam en te racial incluso en física el hecho de que po n ga la form ulació n m atem ática en p rim e r plano» (Beyerchen 1977, p. 132). A unque esto pueda parecer terrib lem en te ingenuo, incluso ridículo, los físicos arios no eran locos sin conocim ientos de ciencias: recibían apoyo de al m enos u n ‫[]؛‬ósofo de la ciencia de cierta im p o rtan cia, H ugo D ingler. D ado que los físicos arios q u ed a ro n excluidos de las revistas de física corrientes, com o Z eitsch riftfü r Physik, ten ían que p u blicar sus co n tribuci«nes y polém icas en o tro sitio. U na revista favorita era Z eitsc h riftfü r die gesamte Naturw issenschaft, u n a de las revistas m ás peculiares de la h isto ria de las publicaciones físicas. F und ad a en 1935, la revista era la trib u n a oficiosa de los abogados de la física aria, e incluía u n a ex trañ a m ezcla de artículos o rd in ario s de física, pro p ag an d a antisem ita, polém ica c o n tra la física establecida e h isto ria hagiográfica de la ciencia. La física aria p o d ría tam b ién d e n o m in arse física nazi, y sus ideas recibieron u n apovo sustancial de fu n cio n ario s nazis com o Rosenberg. Fue sólo gracias a su apoyo politico co m ‫ )؛‬Stark p u d o asegurarse u n a podero sa base en la física alem ana y, p o r u n periodo, hacer q u e la física aria pareciera u n a am enaza a la física convencional. Los seguidores dedicados de L enard y Stark eran pocos, apenas m ás de tre in ta en n úm ero, pero dadas las circunstancias políticas y la m u c h a sim p atía que recibían de sus estudiantes, su influencia era relativam ente m ayor que su p eq u eñ o n ú m ero. C onsiguieron u n éxito te m p o ra l en 1939, cu an d o la polém ica sobre la cátedra de Som m erfeld en MÚnich se resolvió p o r fin. Som m erfeld quería q u e su sucesor fuera H eisenberg, pero los físicos arios lan zaro n u n a venenosa cam p añ a c o n tra los dos teóricos cuánticos y acusaron a H eisenberg de ser u n «judío blanco». A unque H eisenberg fuera rehabilitado gracias a la in terv en ció n p erso n al de H im m ler), la cam p añ a logró su objetivo. W ilhelm M üller, u n b u e n n az‫ ؛‬y antirrelativista sin n in g ú n conocim iento de física m o d erna, fue n o m b ra d o catedrático de física teó rica en M iinich. Podía h ab er sido u n a brom a, si no h u b iera sido real y con u n trasfo n d o trágico. A finales de 1939, seis seguidores de la física aria hab ían sido n o m b ra d o s catedráticos en universidades o politécnicas (en M únich, H eidelberg, K arlsruhe y S tu ttg art). A pesar de victorias ocasionales, la influencia de los vociferantes físicos arios fue lim itada y efím era. La g ran m ayoría de los físicos alem anes, incluso los que sim patiza

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Generaciones cá n tica s

b an con la causa nazi, co n sid erab an las ideas de Lenard y Stark inaceptables, ridiculas y peligrosas. Jordán, q u e estaba a favor del régim en e ingresó en el p a rtid o nazi en 1933, n o q uería ten er n ad a que ver con el ex trañ o in te n to de cancelar el progreso en física teó rica lo g rad o d u ra n te dos décadas. La física aria era sim p lem en te incapaz de reem plazar la física de E instein, B ohr y H eisenberg, y en la práctica Ja enseñanza de física en m u ch as universidades alem anas n o se vio afectada p o r eJ in ten to de p ro h ib ir Ja teoría de la relatividad. La teo ría se enseñaba en libros de texto y clases, pero el n o m bre de Einstein se o m itía m uch as veces. La física aria n u n c a llegó a a su m ir eJ nivel de p o d e r que el lisenkoísm o o b tu v o en la Rusia de Stalin. D espués de 1940, cu an d o Stark y sus seguidores p erd iero n gran p arte de su apoyo político, el m o v im ien to em pezó a desintegrarse y tres años después, hab ía p rácticam en te dejado de existir. Q uizá el p rin cipal efecto del m o v im ien to de física aria fue el im p acto en físicos o rd in ario s com o H eisenberg,V on W eizsácker y Laue. E staban convencidos de que Stark y sus cam aradas acabarían d estru y en d o la física alem ana y q u e era im perativo co m b atir el m al, lo cual sólo podía hacerse desde el cam po alem án. Fue u n a razón que contribuyó a su estancia en A lem ania y a su co o p eració n con las au to rid ad es nazis. N o eran plen am en te conscientes de que estaban su cediendo cosas peores en el Tercer Reich que las actividades de u n gru p ú scu lo de físicos arios relativam ente inocuo.

La física en >a Italia de Mussolini M ussolini llegó al p o d er en 1922; tres años después Italia se convirtió en una dictad u ra fascista bajo ¡‫ ﺍ‬Duce. Por aquel entonces, la física italiana tenía poco de qué presum ir. No existía nadie capaz de reem plazar a ‫ ظ‬generación an terio r de ' de gran reputación, com o Augusto Righi, y en la teoría la situación era incluso peor, un país O tro ra ta n im p o rtan te en la física, Italia parecía encam inada a convertirse en u n enclave provinciano, ?ero entonces las cosas cam biaron. D urante el periodo de 1925-1938, los años del fascismo, la física italiana floreció de u n a m anera m u y notable, y el país pasó a ser una de las naciones m ás avanzadas de Europa en física m oderna. La figura central en este proceso file sin d u d a Ferm i, que fue n o m b ra d o catedrático de física teórica en R om a en 1926, cu ando tenía sólo veinticinco años. A p rincipio de los años treinta, Ferm i organizó su g ru p o de jóvenes físicos experim entales y teóricos, que incluia a Edoardo Amaldi, Franco Rasetti, B runo Pontecorvo, Em ilio Segré y otros. Fermi y su grupo cam biaron la escena de la física italiana, y de hecho de la física m undial, pero no estaban solos. Al m ism o tiem po que Ferm i se concentraba en la física nuclear en Rom a, un fuerte grupo de jóvenes físicos en Florencia realizaba im po rtantes contribuciones al estudio de los rayos cósm icos y áreas relacionadas. Las principales figuras en el grupo de Florencia eran B runo Rossi, G ilberto B ernardini, G iuseppe O cchialini y Giulio Racah, todos los cuales disfrutaban de estrechas relaciones con sus colegas de Rom a. Los físicos italianos tenían m iras y prácticas fuertem ente internacionales y a m en u d o pasaban tem poradas en el extranjero. La física m o d e rn a que representaban parece no haber causado nin g ú n problem a con el gobierno, n i controversias con los filósofos de inclinación fascista.

La física y ‫؛‬as nuevas dictaduras

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Ferm i y la m ayoría de $٧$ colegas estaban inm ersos en ‫ ظ‬física y no m uy interesados en política. Sin em bargo, au n q u e Ferm i era básicam ente apolítico, sabía m anejarse bien en los círculos políticos de ‫ ظ‬ciencia rom an a, u n área en la que en co n tró un poderoso «padrino» en el físico y político O rso M aría C orbino. En 1929 Ferm i fue n o m b rad o el único físico m iem b ro de la recién creada A ccadem ia d ’Itaüa, u n a institución establecída p o r M ussolini com o alternativa a la antigua y distinguida A ccadem ia d e‫ ؛‬Linee‫؛‬, los m iem bros de la cual era hostiles al fascism o a los ojos de M ussolini. C om o m iem bro de la Accadem ia d ’Italia, Ferm i ten ía la p o testad de vestir el u n ifo rm e fascista de ‫ ظ‬academ ia y recibió el títu lo de «excelencia». Tam bién era m iem bro del C onsejo N acional de Investigación italiano. Le gustara o no, Ferm i era p arte de la política italiana y su grupo de investigación en R om a estaba en realidad p rotegido p o r el estado fascista. Fermi n u n ca apoyó activam ente el estado de M ussolini, p ero tam p o co fue antifascista. A pesar de las sim ilitudes ideológicas en tre el fascism o italiano y el nacionalsocialism o, la conversión de A lem ania en Tercer Reich n o fue bienvenida p o r M ussolini. M uchos físicos italianos decidieron que la colaboración con u n a nación que despedía a los colegas judío s debería enfriarse. Éste era el trasfo n d o de la decisión de Ferm i de publicar los im p o rtan tes artículos sobre reacciones nucleares inducidas p o r neutrones en inglés y no, com o h ab ría sido n a tu ra l en otras circunstancias, en alem án. En general, los físicos en R om a y Florencia se dirigieron hacia Inglaterra y Estados U nidos y dieron la « p a ld a a A lem ania. D u ran te u n tiem po, la física en Italia co n tin u ó floreciendo, im pertu rb ad a p o r la grave situación en A lem ania. A p a rtir de 1937, sin em bargo, la Italia de M ussolini y la A lem ania de H itler se acercaron progresivam ente, con A lem ania en el papeí de socio p rin cip al en la alianza política, m ilitar y económ ica. C om o resultado, en el serano de 1938 el gobierno fascista in tro d u jo leyes raciales diseñadas siguiendo las fam osas leyes de N urem berg alem anas. U na de las consecuencias fue que los académ icos . ftreron despedidos de las universidades italianas y que, en general, la vida se com plicó p ara los judíos italianos. Ferm i resultó afectado principalm ente p o rque su m u je r era jud ía, pero tam b ién p o rq u e extrem istas fascistas le acusaron públicam ente de «haber tran sfo rm ad o el institu to de física en u n a sinagoga» (Segré 1970, p. 78). D ecidió a b an d o n a r el país y p ro n to en co n tró u n a o p o rtu n id a d en la recepción del prem ió N obel el 10 de diciem bre de 1938. En vez de regresar a R om a desde Estocolm o, él V s u fam ilia fiaeron a Estados U nidos. Varios físicos italianos ab an d o n aro n el país, ind u v en d o Rasetti, A m aldl y Segré. Rossi, q u e era judío, afrontó la m ism a situación que Bethe en A lem ania cinco años antes. C onsiguió o b ten er u n pasaporte e ir a C openha;u e, do n d e B ohr le ayudó económ icam ente y le en co n tró u n trabajo tem poral. Blackett lo invitó a M an ch ester con u n a b eca de la Societ}' for th e F rotection o f Science an d Learning y en ju n io de 1938 Rossl, siguiendo los pasos de Ferm i, llegó a Chicago.

Física, materialismo dialéctico y estalinismo E ntre las debilidades políticas de ‫ ظ‬física aria (adem ás de intentos relacionados en quím ica y biología) estaba que n o resultaba atractiva para u n a base teórica

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filosófica accptada del nacionalsocialism o. Tal base teórica, sim plem ente, no existía. El nacionalsocialism o se co n stru ía con acciones y em ociones, no sobre u n sistem a coherente de ideas. Esto era lo co n trario de la situación en la U nión Soviética, d o n d e el régim en se basaba ideológicam ente en el Corpus socialista de los escritos de M arx, Engels y Lenin. D esde los p rim ero s días de ‫؛‬a nueva U n ió n Soviética, los filósofos im p o rta n te analizar la ciencia desde el p u n to de vista de la filosofía m arxista oficial, es decir, el m ateriaiism o dialéctico que se p o d ía destilar de las obras de Engels y Lenin. Los entusiastas del m arxism o in ten tab an p rom over u n a «ciencia proletaria» que diferiría de la ciencia burguesa en cu an to a m étodos, objetivos y enfoque. El m o vim iento atrajo considerable interés político y filosófico, pero no consiguió convencer a los físicos de que debían cam biar la ciencia en u n a dirección m ás proletaria. En general, había pocos activistas políticos en tre los científicos soviéticos. Según u n estudio de 1930, la U nión Soviética incluía u n o s 25.000 «trabajadores científicos», entre los cuales había unos 1.000 físicos. Sólo 44 de los físicos eran m iem b ro s del P artido C om unista. D u ran te ‫ ظ‬m ayor p arte de los años veinte n o h u b o n in g ú n conflicto serio en tre filósofos del p a rtid o y físicos, p ero en los años tre in ta el debate se agudizó,

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en conexión con la in tep retació n de la m ecánica cuántica. N o era ta n to u n in ten to por p a rte del régim en de im p o n e r su idea sobre los físicos com o u n conflicto en tre físicos y filósofos, en tre los p ro p io s filósofos y, en algunos casos, entre los m ism os físicos. D ado que m u ch o s filósofos se consid erab an los guardianes intelectuales del verdadero m arxism o -len in ism o , sus voces eran p o líticam en te m ás im p o rtan te s de lo que hubieran sido bajo circunstancias norm ales y dem ocráticas. Si se po d ía sostener que cierta teoría física, o cierta in terp retació n de ella, era «idealista», «subjetiva» o «m achíana» (relacionada con las ideas de E rnst M ach), se p o d ía llegar a u n a situación potencialm ente peligrosa. Por ejem plo, el filósofo A fexander M aksim ov afirm ó en 1939 que Einstein, Schródinger, Bohr, D irac y H eisenberg eran to dos «idealistas de la variedad m achiana» y q u e sus p u n to s de vista sobre la física cu ántica eran ideológicam ente inaceptables. «La lucha p o r el bolchevism o en la ciencia es la lucha p o r u n a reconstrucción fun d am en tal de ‫ ظ‬ciencia», declaró (V ucinich 1980, p. 240). Los filósofos del partid o in ten ta ro n en tab lar discusiones ideológicas con los físicos y convencerles de sus errores, pero n o tuvieron m u ch o éxito. M uchos físicos sim plem ente ignoraron a los filósofos y perm anecieron alejados de las cuestiones sobre la relación entre física y m arxis٨١٠. A sum ir tales cuestiones p o d ría conducir a dificultades y, después de todo, la física era m ucho m ás interesante que la filosofía. O tros asum ieron el reto y arg u m en taro n , razonablem ente, que p ara criticar la física u n o debe entenderla; no com o los filósofos, com en tab an jubilo sam en te, o arg u m en tab an que n o existía, de hecho, n in g u n a contradicción en tre el d o g m a m arx ista-len in ista y la in te rp re ta ció n de la relatividad y ‫ ط‬física cuántica. A bram Joffe p ro testó en 1934 que era to talm en te in fu n d ad o etiq u etar a B ohr y a otro s p artid ario s de la in terp retació n de C open h ague com o «idealistas». M uy al co n trario , sostuvo q u e los so rp ren d en tes hallazgos logrados p o r los físicos occidentales su p o n ía n «una b rillan te co n firm ació n y en riq u ecim ien to del m aterialism o dialéctico» (ibid., p. 242).


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La controversia n o estaba sim p lem en te en tre fanáticos filósofos del p a rtid o y físicos razonables. H abía físicos soviéticos cuyos p u n to de vista científicos no eran m ás m o dernos que los de, p o r ejem plo, L enard en A lem ania. Se adherían a una cosm ovisión new toniana, apoyaban la existencia del éter y rechazaban las teorías de la relatividad y de la m ecánica cuántica. E n tre la m in o ría m ás co n serv adora estaban K lim ent T im iriazev, catedrático de física en la U niversidad Estatal de M oscú, y V ladim ir M itkevich, es pecialista en tecnología eléctrica. Estos y o tro s «m ecanicistas» acusaron a los físicos progresistas co m o Frenkel, Vavilov, T am m y Ioffe, de p ro m o v er el idealism o, el o scu ran tism o y el clericalism o. C o m o en A lem ania, los ataques a la «nueva física» incluían aspectos de antisem itism o. O tro aspecto de la d isp u ta era regional, con L eningrado d e sem p eñ an d o u n papel sim ilar al de Berlín en el caso alem án. L eningrado era u n bas tió n de los teóricos cu ánticos y relativistas, y el In stitu to Físico-Técnico de L eningrado tenía u n a rep u tació n ta n m ala en tre los com u n istas de la línea d u ra com o b u e n a en fí sica internacional. Ésta fue u n a de las razones q u e cau saron u n declive de la im p o r tancia de L eningrado com o centro de la física soviética. A m ediados de los años tre in ta, la Academ ia de la Ciencias se transfirió de Leningrado a M oscú, y m uchas instituciones físicas em pezaro n a con cen trarse en la capital. A unque algunos filósofos y físicos atacaro n las teorías físicas p ro p ia m en te dichas, la m ayoría de la discusión en los años tre in ta se refería a cuestiones m etodológicas y epis tem ológicas. Existía u n am plio (pero n o total) acu erd o sobre lo básicam ente correctas que eran las teorías de la relatividad y de la m ecánica cuántica, y los in ten to s de crear una co m u n id ad científica de física p ro letaria fuero n débiles y no se to m a ro n m uy en serio. Sin em bargo, las cuestiones de in terp retació n y m éto d o eran delicadas política m ente y no p o d ían restringirse al nivel p u ra m e n te académ ico. M uchos físicos soviéti cos p ro m in en tes se ad h irie ro n a los p u n to s de vista de la escuela de C openhague y d is cutieron (de hecho, tu v iero n que discutir) cóm o estos p u n to s de vista p o d ían ponerse en com pleta a rm o n ía con el m aterialism o dialéctico. Este g ru p o de físicos incluía teó ricos em inen tes com o Fock, L andau, Tam m , Frenkel y B ronstein. U na m in o ría de físi cos y u n a m ayoría de filósofos estaba en violento desacuerdo. K.V. N ikol’skii, físico, ata có la p o stu ra de B ohr-H eisenberg, que consideraba «totalm ente incom patible con las ideas progresistas en física teórica, ya que es u n a consistente elaboración de principios idealistas o m achianos» (V ucinich 1980, p. 245). En algunas de las agresivas discusio nes de finales de los años trein ta, d e n o m in a r a u n físico «idealista» resultaba desagra dablem ente p ró x im o al etiq u etad o de sus enem igos com o «judíos blancos» p o r parte de los físicos arios. D e hecho, Ioffe co m en tó sarcásticam ente que la p o stu ra de M aksimov, que incluía lacerantes ataques a E instein y Bohr, tenía u n a sim ilitud con la de Le n ard y Stark m ás que superficial. Yakov Frenkel hizo explícito este arg u m en to ; el dis tin g u id o teórico n o ten ía respeto hacia el m aterialism o dialéctico y los su p u estam ente pro fu n d o s cono cim ien to s de física de Engels y Lenin. En u n a carta de 1937 a Bajo la bandera del m arxism o, la revista teó rica del p a rtid o , resaltaba que el g ru p o de M aksim ov «en v irtu d de sus p o stu ra s, es so rp re n d e n te m e n te sim ila r al g ru p o de físicos reaccionarios encabezados p o r el p ro feso r Stark [...] En su tra ta m ie n to de la física m o

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derna, M itkevich, Tim iriazev, K asterin y, ju n to a ellos, M aksim ov, difieren de Stark, Leon a rd [ sí'c ] , H erke [¿Gerhcke?] y o tro s representantes del oscu ran tism o alem án sólo en que reem plazan el té rm in o «judio» con el té rm in o «idealista»» (Frenkel 1997, p. 215t. La carta de Frenkel n o fue publicada. C om o en A lem ania, la b ien establecida teo ría de la relatividad se convirtió en u n objetivo de la crítica con m otiv ació n política de algunos filósofos. Se sintieron provocados p o r el in te n to de £in$tein de g eo m etrizar la física y su énfasis en el papel del pensam iento p u ro a la h o ra de establecer u n a teo ría física. «La teoría de la relatividad no p e n etra en la p ro fu n d id a d de los fen ó m en o s físicos», escribió E rnst Kol’m a n en 9 ‫ل‬9 ‫ث‬«Todos los esfuerzos de c o n stru ir la física sobre la g eom etría del espacio co n tin u o están co nden ad o s al fracaso [...] Estos esfuerzos están anclados en la exageración m etafísica sin fu n d am en to , reforzada p o r el idealism o de m uchos físicos teóricos» (Vucinich 1980, p. 249j. La m ayoría de los críticos soviéticos eran m ás abiertos y m ai avanzados que sus equivalentes en A lem ania, que n egaban to talm en te la validez de ‫ط‬ teo ría de la relatividad y ra ra vez d istin g u ían en tre la teoría especial y la general. En general, la d isp u ta en los años tre in ta en tre filósofos y físicos era de diferente naturaleza de la que tenía lugar en A lem ania. Los físicos y los filósofos ilustrados n o tenían problem as a la h o ra de abogar p o r sus ideas en o posición a los ataques de los filósofos dei partid o , y n o se p ian teab a la creación de u n a física específicam ente m arxista com o co n tra p a rtid a de la física aria. El p rin cip al m otivo p o r el que el debate o c u rría de una m anera relativam ente libre, sin serias restricciones ideológicas, era que se tra ta de un debate en tre dos g ru p o s de académ icos, y n in g u n o de los dos p u n to s de vista estaba sancionado p o r las au to rid ad es políticas. Esta situ ació n cam bió tras la Segunda Guerra M undial, cu an d o la vida intelectual soviética ex p erim en tó u n clim a ideológico m u cho m ás d u ro y cu an d o la in te rp re ta ció n de la m ecánica cuántica pasó a form ar parte del juego ^ lític o -id e o ló g ic o . E ntre 1948 y 1951, la física se politizó firertem ente, incluyendo u n a cam p añ a c o n tra el «ein$tein‫؛‬ani،smo reaccionario», pero incluso en to n ces era ante to d o u n a cu estió n sobre cuál era la filosofía adecuada para la física. El horrible caso del lisenkoísm o n o se rep itió en la física soviética. Esto no significa que la c o m u n id a d física soviética viviera pacíficam ente con el régim en de Stalin. A p a rtir de 1933, ap ro x im ad am en te, ‫ اع‬clim a en la U nión Soviética se caracterizó p o r u n m alsano cóctel de xenofobia, sospecha, adulación y m iedo a la policía secreta. M ientras q u e los físicos soviéticos h ab ían sido a n te rio rm en te activos participantes en la c o m u n id a d física in tern acio n al y principales contribuyentes a las revistas de física alem anas, a h o ra se veían cada vez m ás forzados al aislam iento. C om o u n a salida p a ra los físicos soviéticos, p ero ta m b ié n con co n tribuciones ocasionales de extranjeros, se fu n d ó en 1932 Physikalische Zeitschrift der Sow ietunion. incluía u n a extra ñ a m ezcla de física técnica y m ilitar, filosofía de la ciencia p o líticam ente correcta y artículos técnicos de alta calidad sobre teoría cu án tica de cam pos y otros cam pos de ia física o rdin aria. Las víctim as de Stalin p rovenían de todas partes, e incluyeron físicos. El déspota ru so n o estaba m ás interesado p o r la física que H itler, y nadie, científico o no, podía


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-ent‫؛‬rse seguro bajo el G ran Terror. E ntre 1935 y 1941, m u rie ro n m illones de ciudadanos soviéticos. H asta 18 m illones p u ed e que hayan sido arrestados, y posiblem ente la m itad de ese n ú m ero fuero n ejecutados o desaparecieron. Los h istoriadores h a n estim ado que m ás de cien físicos ftreron arrestados en las p urgas de 1937-1938 tan sólo en ‫ ظ‬zona de L eningrado. Esto indica q u e sobre el 20 p o r 100 de to d o s los físicos soviétieos p o d ría n h ab er sido arrestados. A lgunos físicos, com o G am ow en 1933, escaparon ‫ ﻟﺪ‬Oeste. O tro s ftreron arrestados p o r la policía secreta, incluyendo a L andau, que pasó u n año en la cárcel hasta que ser lib erad o p o r presiones de Peter K apitza. El físico aus-

triaco Fritz H o u te rm a n s trab ajab a en el In stitu to F‫؛‬$ico-Técn‫؛‬co de Kharkov. Sus conA cciones com u n istas n o im p id iero n que fuera arrestado, y tuvo que pasar dos años en p risión hasta que ser ex trad itad o a A lem ania en 1939. Lo m ism o le sucedió al colega de H o u term an s A lexander, ^ ^‫؛‬ssberg, o tro físico au stríaco y convencido com unista. Vikto r Bur$‫؛‬an, teórico de L eningrado y especialista en m ecánica cuántica, fue arrestado en 1936 y m u rió en p risió n diez años después. M atvei B ronstein, u n teórico ruso ju d ío de trein ta y dos años, n o tuvo m e jo r suerte. Fue arrestado en 1937 y acusado falsam ente n o sólo de ser u n espía extranjero, sino tam b ién de «oponerse resueltam ente a ‫ ظ‬aplicación del m aterialism o dialéctico a la ciencia natural» (G orelik y Frenkel 1994, p. 145). Su vida te rm in ó an te el p elo tó n de ftrsilam iento. El m ism o destino trágico esperaba a Lev Rosenkevich y Lev Schubnikov, dos de los colegas de Landau. O tro s físieos soviéticos ejecutados o m u e rto s en p risió n incluían aVseveloel Frederiks, u n especialista en teo ría de la relatividad, y B. G erasim ovich, u n astrofísico. Las purgas fueron Je m ayor im p o rta n c ia incluso p a ra la astro n o m ía y la astrofísica soviéticas que p a ra la física p ro p ia m e n te dicha. En el fam oso o b serv ato rio Pulkovo a las afueras de M oscú, diez astrofísicos titulares ftreron arrestados p o r su « p articipación en u n a organización terrorista, fascista y trotskista» (Josephson 1991, p. 316). M ientras que los nazis expulsaron a los físicos n o deseados, los com unistas los fu‫؛‬liaron, encarcelaron o hiciero n lo posible p a ra m an ten erlo s d e n tro de las fronteras de ;‫ د‬U nión Soviética. N o se les p e rm itía viajar al exterior y asistir a conferencias científicas. En el caso de P eter Kapitza, el especialista ruso en m agnetism o y física de bajas tem p eratu ras que h ab ía pasado varios años con R u therford en C am bridge, las auto ridades soviéticas llegaron incluso hasta el extrem o de p rácticam ente secuestrarlo. En una visita de Kapitza, q u e p o r entonces vivía en C am bridge, a Rusia en 1934, no se le ^ r m i t i ó a b a n d o n a r el país. Se le su m in istró u n a am plia financiación p ara que creara u n nuevo in stitu to físico y p ro n to se con v irtió en u n o de los físicos con m ás influencia de la U nión Soviética. C o m o H eisenberg en A lem ania, K apitza ap ren d ió ráp id am en te ‫ ق‬llegar a com p ro m iso s con fuerzas políticas inm orales. La situación en la U nión Soviética en 1937 p u ed e estim arse a p a rtir de u n a carta q ue K apitza escribió a u n funcionario del p a rtid o de alta categoría en p ro testa p o r la detención de v la d im ir Fock: Me tu rb ó m u ch o la noticia de que el físico V. A. Fock fuera arrestado ayer [...] Ello distanciará n u estro s círculos científicos soviéticos todavía m ás de la o n s tr u c c ió n del socialism o y puede, adem ás, m in a r la h ab ilid ad de Fock de tra b aja r y, con ello, provocar u n a m ala reacción de los científicos aquí y en el O este. Se dice que, adem ás de Fock,

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m uchos otro s teóricos fueron arrestados hace algunos m eses en conexión con el m i m o asunto. De hecho, h a n sido arrestad o tan to s que en la facultad universitaria de m a tem áticas y física n o p u ed e en co n trarse a nad ie que dé clase a los estudiantes» (Boag ex al. 1990, p. 337). Fock fue liberado poco después.

C A P ÍT U L O 17


La física estadounidense en ■es años treinta A p a rtir de finales de i©s años veinte, la física en los lita d o s U nidos ex p erim en tó u n rápido crecim iento, ta n to cuan titativ o com o cualitativo. Se establecieron nuevos institutos, d ep artam en to s y p ro g ram as de licenciatura, a m e n u d o con el apoyo económ ico de grandes fim daciones privadas. La m ás im p o rta n te de éstas era el G eneral E ducation Board, u n a o b ra filantrópica creada p o r la F undación Rockefeller, cuyas operaciones estaban restringidas a los Estados Unidos. Entre 1925 y 1932, el General Education Board apoyó d e p arta m e n to s de ciencia en las principales universidades de Estados U nidos con la en o rm e cifra de 19 m illones de dólares. El din ero fue u n a im p o rta n te razó n del progreso estadounidense, pero no la única. O tra era la devoción de los lideres estadounidenses en física (y o tras ciencias) p o r la cooperación y co m p etició n internacionales. Esto h abia ten id o lugar trad icio n alm en te con el envío de científicos de Estados U nidos a E uropa, pero en los años veinte la COm e n te em pezó a inv ertir su dirección, p rim e ro con la invitación a varios físicos europeos a que o c u p a ra n plazas en universidades estad o u n id enses y con la creación de sem úiarios y escuelas de verano del m ás alto nivel. La escuela de verano anual de la U niversidad de M ichigan, que com enzó en 1927, era la m ás im p o rta n te de éstas, pero era sólo u n a de las varias institu cio n es que atraía a los visitantes de E uropa. En varias ،m iversidades estadounidenses se estaban d esarro llan d o potentes pro g ram as de física; P rinceton, Chicago, la U niversidad de C alifornia en B e rk e ley y e l In stitu to de Tecnoiogia de C alifornia (C altech) estaban en tre los m ás im p o rtan tes. El creciente atractivo de los centros de física estadounidenses queda ilustrado p o r ‫ د‬elección de las in stitu cio n es de los becarios p osdoctorales de la F undación Rockereller o del In te rn a tio n a l E d u catio n B oard (IEB). El IEB o p erab a en E uropa com o con:rap arte del G eneral E d u catio n Board; com o esta in stitu ció n , se financiaba con dinero ‫ ﺀف‬la Rockefeller. D e los 135 físicos europeos q u e recibieron becas posdoctorales p ara

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estudios en el extranjero en tre 1924 y 1930, 44 eseogieron ir a los Estados U nidos. Las naciones europeas m ás atractivas eran A lem ania e Inglaterra, con 26 y 25 becarios de física, respectivam ente; 16 escogieron ir a D inam arca, u n a elección que reflejaba la im p o rtan c ia del in stitu to de Bohr. A p rin cip io s de los años trein ta, la física estadounidense ya h ab ía progresad o de m o d o im p resio n an te y era com petitiva con cualquiera europea. C u an d o la A m erican ?hysical Society celebró su en cu en tro anual en Chicago en 1933, cinco m eses después de que H itler llegara al p o d er en A lem ania, John Slater p articip ó ju n to con notables físicos europeos com o Bohr, C ockcroft y Ferm i. Slater recordaba que lo que m ás le h abía im p resio n ad o era «no ta n to la excelencia de los pon entes invitados com o el hecho de que los trab ajad o res estadounidenses del p rogram a p ro p o rc io n a ra n charlas de tan alta calidad de investigación y de tal im p o rtan cia que, p o r p rim e ra vez, los físicos europeos presentes estaban aquí para ap re n d er ta n to com o p a ra in stru ir» (W eim er 1969, p. 201). En la época del en cu en tro de C hicago, la física estad ounidense estaba, de hecho, enfrentándose a grandes pro b lem as d ebidos a los efectos de la G ran D epresión. La crisis económ ica azotó a la ciencia estad o u n id en se con to d a su fuerza sólo que tras u n retraso de varios años; los efectos n o p e rd u ra ro n , pero cu an d o la depresión llegó en 1933, el im p acto fue serio. La financiación fue d rásticam ente reducida, el salario del personal académ ico se redujo y p a ra los nuevos doctores fue casi im posible obtener plazas. Sin em bargo, a pesar de los p roblem as, el añ o de la crisis no resultó en u n núm ero m e n o r de estudiantes de d o cto rad o . En 1931, el ú ltim o b u e n año, las fu n d a d o nes estadounidenses d o n a ro n u n to tal de 5 m illones de dólares a la investigación en las ciencias naturales; en 1934 el d in ero de las fu ndaciones se había reducido a dos m illones. Todas las institu cio n es de física se vieron afectadas, de m an e ra m ás b ru ta l quizá en el caso del In stitu to N acional de E stándares. E ntre 1932 y 1934, el presupuesto operativo para esta in stitu ció n , que era la g u b ern am en tal que m ás físicos em pleaba, fue reducido n ad a m enos que en u n 70 p o r 100. T am poco se lib raro n los lab o rato rio s industriales. En 1933, G eneral Electric hab ía d espedido al 50 p o r 100 de su personal de lab o rato rio , y AT&T cas¡ aJ 40 p o r 100. A dem ás de los problem as financieros, m uchos cabecillas de la física estad o u n id en se estaban p reo cu p ad o s p©r la im agen pública de la ciencia, que m o stra b a indicios de cam b iar de la im agen positiva trad icio n al a u n a actitu d m uch o m ás crítica, e incluso negativa. A p rin cip io de los años treinta, existía una especie de m o v im ien to anticiencia n o organizado en la sociedad estadounidense que cuestionaba los p ro p io s cim ientos de la lab o r científica. C om o otros m ovim ientos anteriores y p o steriores de este tipo, era h eterogéneo y se n u tría de distintas (y a veces incom patibles) fuentes de insatisfacción. A lgunos h u m an istas d ep lo rab an la ausencia de valores en la ciencia y sostenían que la ciencia n o p o d ía p ro p o rc io n a r lo q u e el h o m b re m o d ern o m ás necesitaba: esperanza espiritual y guía m oral. Por lo tan to , sugerían u n a m o rato ria en la ’ científica, o u n sector científico fu ertem en te reducido. La a ctitu d no era nueva, ni estab a restrin g id a al en to rn o estadounidense. En 1927 el obispo de R ipon dio u n serm ón en el en cu en tro de la A sociación B ritánica, en el cual sugirió, «a riesgo de que m e lin


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chen algunos de m is ©yentes, la su m a de la felicidad h u m an a exterior a 1©S círcul©s científic©s ٨٠ se reduciría necesariam ente si d u ra n te diez añ©s t©d©s 1©S laboratorios de física y quím ica se cerraran y la paciente y fructífera energía de éstos se transfiriera a recobrar el arte p erd id o de la coexistencia c o m ú n y a e n c o n tra r la fó rm ula de atar cabos en la escala de la vida h u m ana» (B ernal 1939, p. 2). © tros críticos creían que la ciencia y la tecnología e ra n las culpables del desem pleo m asivo, ya que ¿no destru ían las m áq u in as y fábricas au to m atizad as m ás trab ajo s de los que creaban? ¥ ¿no eran las tecnologías q u e a h o rra b a n trab ajo p ro d u c to de la ciencia? Los críticos sostenían tam b ién que el fallo de la ciencia n o era que p ro d u je ra innovaciones tecnológicas, sino que n o p ro d u cían las suficientes n i del tip o de las que beneficiaban al ciu d adano o rd in ario . En vez de utilizar el d in ero en asu n to s esotéricos e inútiles (com o la teoría de la relati^ d a d ) , se les aconsejaba a los físicos q u e resolvieran las necesidades básicas de la gente. C om o u n critico lo expresó: «C on u n a p eq u eñ a p a rte de los cerebros que ah o ra están dedicados a ‫ ظ‬velocidad con la q u e el n e u tró n p e n e tra el núcleo del á to m o [...] el coste de la vivienda de la gente p o b re se reduciría a la m itad» (Kevles 1987, p. 247). Este tipo de crítica co m p a rtía elem entos con la que p lan teab a el m o v im ien to p o r la «ciend a proletaria» en la U n ió n Soviética. La a ctitu d anticientífica p ro b ab lem en te n o estaba m u y extendida, pero los líderes de la c o m u n id a d científica se ‫ ط‬to m a ro n en serio, tem ien d o que d añ a ra las expectativas de progresos adicionales cu a n d o p asaran los efectos de la depresión. A unque los grandes filántropos estaban lejos de ser n tic ie n tífic o s , estaban influidos p o r la dem an d a general de u n a ciencia m ás h u m a n ista y o rien tad a al bien com ún. Este fue u n m otivo princip al en la decisión de la F u n d ació n Rockefeller de cam biar sus áreas de p rio rid ad de ‫ ﻫﻆ‬ciencias físicas y quím icas, m ás básicas, a las ciencias que tra ta b a n directam ente del h o m b re, com o la biología, la psicología y las ciencias sociales. «La inq u ietu d e incluso la alarm a están b ro ta n d o según gana terren o ‫ ظ‬creencia de que las co n tribucion es de las ciencias físicas h a n despojado al h o m b re de la capacidad de absorberlas», escribió el p residente de la F und ació n Rockefeller en 1936. «No p u ede ha’‫>؛‬er m uchas d u d as de que se ha creado u n serio desfase en tre n u estro ráp id o avance científico y n u e stra estática evolución ética» (K ev le s 1987, p. 249). El desplazam iento en la política de la Rockefeller era u n asu n to serio p a ra los físicos, ta n to en A m érica com o en E uropa. M illikan en Caltech y B ohr en C openhague, p o r m en cio n ar sólo dos ejem plos, se d iero n cu en ta de que p o d ría n conseguir financiación para sus proyectos fisicos sólo si eran relevantes p ara p roblem as biológicos. En consecuencia, sostuvieron que éste era el caso, au n q u e en verdad, sus investigaciones sobre rayos cósm icos y reacd o n e s nucleares fúeran p u ra física. A un así, en 1935 Edw in K em ble de la U n iv ersid ad de F íarvard describió la sitúad ó n lab o ral p a ra los recién d o c to ra d o s de física com o u n a «pesadilla», pero p o r aquel en tonces las cosas e m p ezab an a m ejo rar. Los efectos de la G ra n D ep resió n ya no se sen tían seriam en te en la ciencia e sta d o u n id e n se y se in sta u ró rá p id a m e n te u n re rio d o de recu p eració n . La situ ació n de em pleo p a ra los físicos m ejo ró y el n ú m ero de estu d ian tes de física a u m e n tó de m a n e ra im p o rta n te . D u ra n te 1931-1940, se

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o to rg a ro n m ás de 1.400 d o e to ra d o s de física, el doble que en la década an terio r. En 1940, ca$i 200 licenciados re cib iero n g rad o s de d o c to r en física en universidades de E stados U n id o s (véase gráfico 2.1). El n ú m e ro de m ie m b ro s de la A m erican ?hysical Society creció lin ealm en te, de u n o s 1.300 en 1920 a u n o s 3.700 veinte añ o s después. En 1941 el n ú m e ro de físicos q u e tra b a ja b a n en E stados U nidos alcanzó los 4.600: casi cinco veces el n ú m e ro de físicos de la U n ió n Soviética. El n ú m e ro de lab o rato rio s de inv estigación in d u stria l creció de 300 en 1920 a m ás de 2.200 en 1940. En u n a p erspectiv a m ás am p lia, los años de la d e p re sió n ftreron u n a r u p tu ra m e n o r de u n a ten d en c ia general de crecim ien to en la física esta d o u n id e n se . Este crecim ien to y el vigor general de la física de E stados U n id o s c o n stitu y e ro n u n facto r esencial en la hab ilid a d del país en a b so rb e r los m u c h o s físicos eu ro p eo s q u e se refu g iaro n en los añ o s trein ta. M uchos de los físicos em pleados en la in d u stria, en u n n ú m e ro estim ado en unos 1.800 a finales de los trein ta, se sen tían cada vez m ás ftrera de la cu ltu ra de la física académ ica y d ecidieron n o in gresar en la A m erican Physical Society. La m ecánica cuántica n o sólo dio fuerzas a la teo ría con respecto a la e ^ r i m e n t a c i ó n , sino que alienó a b u en a p arte de la c o m u n id a d física. El potencial cism a se evitó m ed ian te la ftindación en 1931 del A m erican Institu te ©f Physics, u n a especie de organización paraguas que se ocupaba de la física ta n to aplicada com o p u ra. Physical Review siguió siendo el es-

TABLA 17.1 D istrib u ció n de artículos, según las fuentes, en las principales revistas académ icas de física en los Estados U nidos y en G ran Bretaña F uente, p o rcentaje N ° de artículos

Académicos

Industriales

G ubernam entales

1930

311

88,7

7,7

3,5

1935

282

96,5

3,2

0,4

1940

290

93,4

5,5

1,0

1932

338

92,9

0,9

6,2

1936

301

93,7

2,3

4,0

£stad©s U nidos (Physical Review )

G ran B retaña (Philosophical M agazine y Proceedings o f the Royal Society o fL o n d o n , c©mbinad©s)

N‫؛‬٠ «: En el cas© de Physical Review, sólo se incluyen ١٠‫ ؟‬artículos originarios de las instituciones estadounidenses. £stos correspondían al 93 p or 100 del total de artículos. Fuente: Basado en datos de Weart 1979a y Bernal 1939.


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ta n d a rte de la física académ ica estad© unidcnse, y p ro n to de la física m u n d ia l tam bién. Los la b o rato rio s in d u striales seguían c o n trib u y e n d o su stancialm ente a la revista, pero ' m en o s q u e en los añ o s veinte. M uchos de sus artícu lo s aparecían m ás ríe n en el Journal o fA p p lie d Physics, u n a revista establecida p o r la A m erican Physical Society en 1931. Las cifras de d istrib u c ió n de artícu ío s, según las fuentes que tengam os, en las p rin cip ales revistas de física p u ra b ritán icas y estad o u n id en ses se m uéstra n en la ta b la 17.1. Las cifras n o so n d ire c ta m e n te c o m p arab les, p e ro si in d ic a n la b ajada en la p a rtic ip a c ió n de físicos in d u striales en artícu lo s en Physical Review en los arios trein ta. Esta p a rtic ip a c ió n era m ayor en el caso de G ran B retaña, pero no tan m arcada a m ed iad o s de los trein ta. P or esa época, Physical Review estaba ta n claram en te d o m in a d a p o r co n trib u cio n es p ro ced en tes de u niversidades com o sus h o m ó logas británicas. La existencia o n o de estilos nacionales en la ciencia es m ateria de debate entre historiadores y filósofos. Para m u ch o s físicos euro p eo s de visita en los años veinte y treinta, parecía claro que, de hecho, existía u n estilo estad o u nidense de física que difería del que se conocía en E uropa. P or ejem plo, las fro n teras en tre física e in d u stria, entre experim entales y teóricos, y en tre la física y las ciencias adyacentes, com o la quím ica y la ^ o n o m í a , eran m enos rígidas en el sistem a de Estados U nidos. Los estadounidenses eran m ás inform ales y a m e n u d o trab ajab an en g ru p o s sin u n a jerarq u ía estricta. Adem ás, los estad o u n id en ses p arecían m ás dispuestos a co nvertir su trabajo científico en patentes y, en general, a com ercializar la ciencia. N o te n ía n m iedo de la pub licid ad y trata b an activam ente de interesar a la pren sa en su trabajo, y utilizarla en su beneficio. Fn 1934, se fo rm ó en E stados U nidos la A sociación N acional de Escritores Científicos, . la A m erican Physical Society com enzó u n a cam p añ a de p ro p ag an d a de la física. C uan d o la A sociación E stadounidense p o r el Avance de la C iencia celebró su reu n ió n 1935 ‫ﺀق‬, había n o m en o s de dieciséis rep o rtero s presentes. Los científicos y los reporteros estadounidenses co o p erab an en vender al público la física, u n fen ó m en o todavía ¿esconocido en E uropa. Pero lo que la m ayoría de los europeos percibia en la física es* era su ritm o de trab ajo (trab ajab an en los lab o rato rio s h asta d u ra n te los fines de sem ana) y su p asió n p o r las m áq u in as grandes. Según Pranz Sim ón, u n físico ¿ e bajas te m p e r a t u r a s alem án q u e visitó los Estados U nidos en 1932, «parece que los « ta d o u n id e n se s trab ajan m uy b ien, sólo que obviam en te insisten en hacerlo to d o tan grande com o sea posible». U n físico belga q u ed ó im p resio n ad o p o r la «riqueza del laO ra to rio » e insp irad o p o r la «constructiva civilización del “hacia adelante” [go ahead]» ‫؛‬H eilbron y Seidel 1989, p. 36). P ara m u ch o s eu ro p eos, ta n to visitantes com o em ij a n t e s , la predilección estad o u n id en se p o r las m áq u in as grandes y la tecnología com ^leja era u n sín to m a de in m ad u rez intelectual. Los experim entales estadounidenses, . a ta b a n h acien d o física o ingeniería? ¿Tenían el tiem p o y la capacidad p ara pensar? Sep in W alter Elsasser, «los estad o u n id en ses están p o r lo general poco pulidos, m uy buenos trabajad o res p ero sin m uchas ideas en la cabeza [...] Su n ú m ero es im presionante, ‫ ه‬cierto, p ero u n o n o debería p reo cu p arse m u ch o p o r sus instalaciones técnicas» ibid., p . 35‫) ه‬.

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Migraciones intelectuales C om o resultado de los tu m u lto s políticos en E uropa, u n gran n ú m e ro de físicos se vio despedido, se sintió am en azad o o decidió p o r o tros m otivos que ya no p o d ía quedarse en el país d o n d e trab ajab a (véase capítulo 16). La m ayoría de los físicos em ig rantes eran ju d ío s alem anes, p ero ta m b ié n hab ía em igrantes eu ropeos que n o eran judíos o alem anes. N o tod o s eran refugiados, en el sentido de que h u b ie ra n sido despedidos o forzados a a b a n d o n a r sus países nativos, y m uchos de los em igrantes llegaro n a sus nuevos países antes de 1933, o d ejaro n sus p atrias después de 1933 sin ser despedidos o expulsados. En la práctica, sin em bargo, eran en to d o caso refugiados. Sim plem ente, d ecidieron irse antes de verse obligados a ello, o algo peor, y al salir por p rim e ra vez de A lem ania en m u ch o s casos n o ten ían posibilidad de volver, Por ejem pío, W igner y Von N e u m a n n ya h ab ían llegado a A m érica en 1930, con u n acuerdo de m edio curso, con la o tra m itad de su trab ajo en A lem ania; técnicam ente no eran refugiados, p ero tras 1933, cu an d o fueron despedidos de sus plazas en Berlín, no p o d ían volver a A lem ania. G eorge Hevesy, el q uím ico y físico ju d ío h ú n g aro profesor en la U niversidad de F riburgo, n o fúe despedido y al p rin cip io quiso quedarse en A lem ania; pero en m ayo de 1933, tras ser testigo de la p rim e ra an d an a d a de despidos de judíos, decidió q u e era poco seguro q u ed arse y se fue a C openhague. M uchos de los físicos refugiados em ig raro n al p rin cip io a países cercanos, com o Dinam arca, Suiza, Países Bajos o Francia, p ero en la m ayoría de los casos se q u ed aro n en éstos sólo d u ra n te u n breve p erio d o , p ara luego proseguir hacia G ran B retaña o Estados U nidos; o, en m u ch o s casos, p rim e ro hacia G ran B retaña y luego a Estados Unidos. Hevesy, que se q u ed ó en D in am arca h asta 1943 y huyó después a Suecia, fue una excepción. U n g ru p o m e n o r de científicos y académ icos desplazados, incluyendo al físico R ichard von M ises y al a stró n o m o E rw in L reundlich, se fueron a la recién reorganizada universidad de E stam bul, pero en la m ayoría de los casos tan sólo para proseguir hacia Estados U nidos u o tro s sitios. Las condiciones en E stam bul n o eran satisfactorias, en tre o tro s m otivos p o rq u e to d a la docencia debía im p artirse en turco. A dem ás, la m ayor p a rte de los físicos con esperanzas de e n c o n trar refugio p erm an en te en la U nión Soviética q u e d a ro n decepcionados. D espués de 1937 ftieron o bien despedidos, exiliados o encarcelados. O tra p o sibilidad m ás p ara los científicos ju d ío s desplazados era la U niversidad H ebrea de Jerusalén, d o n d e los sionistas (entre ellos E instein) inten tab a n establecer u n p o ten te claustro científico. A unque unos tre in ta países acogieron a físicos desplazados en tre 1933 y 1945, las naciones receptoras de físicos em igrantes m ás im p o rta n te s fueron, con m ucho, G ran B retaña y Estados U nidos. La tabla 17.2 m u e stra u n n ú m e ro de físicos selectos q u e em ig raron a u n o de estos dos países. M uchas organizaciones académ icas nacionales e internacionales resp o n d iero n ráp id am en te a la despedida de académ icos alem anes y a la su presión de la lib ertad académ ica. Sin em bargo, d u ra n te m u ch o s años existió la tendencia de evitar la crítica directa de tip o político, y u n deseo de tra ta r co n las cuestiones de p rin cip io s de una m an era b astan te abstracta. E ran co m u n es las declaraciones solem nes sobre la libertad intelectual y la in tern acio n alid ad y n e u tra lid a d de la ciencia, pero la acción o la crítica


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TABLA 17.2 D estinos de los físicos euro p eo s em igrantes Gran Bretaña

EEUU

EEUU vía Gran Bretaña

M. B o rn ' (G)

V. B arg m an n (G)

G. Beck (A)

P. P. Ewald (G )

F. Bloch* (S)

H . Bethe* (G)

H . F róhlich

L. B rillo u in (F)

F. E h re n h aft (A)

R. F ü rth (G)

P. D e b e y t (N )

O. Frisch (A)

D. Gabor* (G )

M . Delbrück* (G )

K. F uchs (G)

W. H eitler (G)

A. E in ste in f (G)

G. H e rtz t (G )

N. K em m er (G)

W. Elsasser (G)

F. L o n d o n (G)

N. K urti (G)

E. F e rm if (I)

E. R abinow itch (G)

k.

J. F ra n c k f (G)

O. Stern* (G)

E. S c h ro d in g e rt (A)

G. Herzberg* (G)

L. Szilard (H )

F. S im on (G)

R. L an d en b u rg (G )

E. Teller (G)

M endelssohn (G)

A. L a n d é (G ) E. Segré* (I) L. Tisza (H ) V. W issk o p f (G ) E. W igner" (H ) Sota: Las personas señaladas con una daga eran prem ios Nobel cuando emigraron; aquellos con un as terisco recibieron el prem io Nobel después de emigrar. La letra posterior al nom bre da la nacionalidad en el m om ento de la emigración: A = austríaco; F = francés; G = alemán; H = húngaro; I = italiano; N = holandés; S = suizo

com unes lo eran m u ch o s m enos. Esta crítica ab ierta p rocedía sobre to d o de los m is m os científicos, raras veces de sus organizaciones profesionales. P or ejem plo, en 1934 un g ru p o de d istinguidos académ icos europeos, q u e incluía a E rnest R utherford, Paul Langevin y Jean P errin, co n d en ó lo q u e co n sideraban el m al uso de la ciencia en Ale m ania, en concreto, que «las ciencias exactas se hayan d egradado ab iertam en te para acabar sirviendo a las in d u strias bélicas» y que «sólo se favorezcan las investigaciones que p ro p o rc io n e n con cierta certeza u n avance técnico directo» (W einer 1969, p. 209). Por supuesto, en u n o s pocos años, los físicos b ritán ico s y estadounidenses estaban p o r su p arte trab a ja n d o con entu siasm o p a ra «degradar» exactam ente las ciencias exactas al servicio del ejército. O tro m anifiesto, firm ad o p o r m ás de m il científicos e stad o u n i denses, co n d en ab a el m o v im ien to de física aria com o «un ataque co n tra la física te ó ri ca, y p o r im plicación obvia, c o n tra la teo ría científica en general» (ibid.). Incluso esta crítica era b astan te blan d a, pero los científicos y sus organizaciones poco p o d ía n hacer p a ra cam biar la situ ació n en A lem ania. Lo que sí p o d ía n hacer era ayudar a sus desa fo rtu n ad o s colegas refugiados con d in ero y plazas. En este sentido, los físicos reaccio naro n rápida y eficazm ente, d e m o stra n d o con la p ráctica que la « com unidad interna-

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،:fonal de físicos» era m ás q u e u n a m era frase cerem onial. En 1933-1934 los físicos de fuera de A lem ania fo rm a ro n varias organizaciones de ayuda, la m ayoría de ellas basadas en iniciativas de físicos individuales y sin apoyo oficial de cuerpos ' les. Recibían apoyo de regalos individua)e$ y d o naciones de fundaciones privadas. M uchos científicos accedieron a pagar en tre u n 1 y u n 3 p o r ‫ )آر)ل‬de sus salarios p o r esta n oble causa. E n 1933 los académ icos alem anes refugiados organizaron la N otgem einschaft d eu tsch er W issenschaftler im A usland (Sociedad de E m ergencia para los Científicos A lem anes en el E xtranjero), con sede p rim e ro en Z urich y m ás adelante en Londres, d o n d e la organización recibió ayuda de sociedades académ icas británicas. En Inglaterra, el A cadem ic A ssistance C ouncil (AAC) (C onsejo de A sistencia Acádém ica) se estableció en 1933 com o u n cu erp o c o o rd in a d o r que in ten ta b a en c o n trar plazas tem porales p a ra científicos refugiados. Su p ro p ó sito era «defender el p rincipio de lib ertad académ ica y ayudar a aquellos académ icos y científicos de cualquier nación alidad a los que, p o r m otivos de religión, raza u o p in ió n poil'tica, se les im p id e contin u a r su trab ajo en sus p ro p io s países» (W einer 1969, p .2 1 1 ).A l AAC se le cam bió m ás adelante el n o m b re p o r el de Society for P rotection (‫ آل‬Science an d Learning. Su p rim er p residente fue R u th erfo rd y en tre los p a rtid a rio s m ás activos del consejo estaba Leo Szilard, el físico ju d ío h ú n g a ro que h abía em igrado de A lem ania a Inglaterra después de que H itier llegara al poder. Según u n estudio, sesenta y siete físicos de E uropa centra l llegaron a G ran B retaña, y de éstos, casi la m ita d em igró a otros países, en la m ayoría de los casos a los Estados U nidos, © tro estudio m u estra que el 37 p o r 100 de los científicos e ingenieros em igrantes al p rin cip io b u scaro n el exilio en G ran B retaña y, algunos m enos, el 35 p o r 100 en los Estados U nidos. El sistem a universitario estadounidense, m ayor y m ás d inám ico, estaba m ás ad ecuado p ara ab so rb er a los em igrantes, de los cuales el 57 p o r 100 acabó en Estados U nidos y sólo el 11 p o r 100 en G ran Bretaña. Esto estaba en concord an cia con la política del AAC, que prep arab a u n apoyo tem p o ral y an im ab a ab iertam en te a los científicos refugiados a que siguieran y cruzara n el A tlántico p ara b uscar plazas p erm an en tes. El AAC se describía a sí m ism o com o u n a cám ara de com p en sació n ban caria y p ro clam ab a claram ente que «Estados U nidos es el p rin cip al país de destino» (H o ch 1983, p. 230). La tnayoría de los inm ig ran tes b ritán ico s vivían de becas tem porales de investigación y sólo u n o s pocos o b tu v iero n plazas académ icas p erm an en tes antes del estallido de la guerra. La integración en la física b ritán ica era difícil, y sólo había un n ú m ero m u y lim itad o de trabajos. Q uizá la d isposición a e n c o n tra r trabajos en G ran Bretaña era tam bién lim itada. C u an d o el físico alem án G eorge Jaffé in te n tó e n c o n tra r u n trabajo en G ran B retaña en 1933, le in fo rm aro n : «Me parece que existe u n a fuerte sensación de qu e el colegio [universitario] ya h a ab so rb id o su cu o ta y que n o se p u ed en sopesar nuevas solicitudes. N o hay d u d a de que esta sensación se debe sobre to d o a un m iedo de que estas adm isiones acaben p ro b ab iem en te reaccionando desastrosam ente con las perspectivas, ya escasas, de em pleo y p ro m o c ió n de n u estro s p ro p io s licenciados y profesores» (R ider 1984, p. 131). H asta los físicos fam osos tu v iero n dificultades en en co n tra r plazas p erm an en tes. En 1933 M ax B orn aceptó u n a oferta p a ra ir a la


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Universidad de C am bridge, sin saber p o r cu án to tiem p o sería el contrato. C onsideró plazas en sitios rem o to s co m o Bangalore y M oscú, y se q u edó m u y aliviado cuan d o en 936 se le ofreció la cátedra de filosofía n a tu ra l (física teórica) en la U niversidad de Edim burgo. La difícil situ ació n en C;ran B retaña se alivió con la fu n d ació n de u n p ro g ram a para fisicos y quím icos desplazados establecida p o r la g ran Im perial C hem ical In d ustries ICI) en 1933. La ICI p ro p o rc io n ó u n g ran n ú m e ro de becas de dos o tres años de duración, en p arte, pero n o sólo, a científicos expertos en tem as de interés p ara la com pañía. E ntre los becarios ICI estuvieron Schródinger, Franz Sim ón y Fritz L ondon. U n resultado notab le de la generosidad de IC I fue q u e la física de bajas te m p eratu ras se convirtió en u n a especialidad britán ica, sobre to d o gracias al trabajo de em inentes físicos refugiados com o K urt M en d elso h n y Sim ón. C u an do se declaró la guerra, m u chos de los refugiados alem anes y austríacos fu ero n in tern ad o s com o extranjeros enemigos, a veces en d u ras condiciones. A algunos se les in tern ó en Ciran Bretaña, pero o tros fueron d e p o rta d o s a C anadá, en tre ellos los jóvenes físicos austríacos W alter Kohn y H erm an n B ondi. K ohn fue a los E stados U nidos, d o n d e se convirtió en u n im p o rta n te teórico del estado sólido, m ien tras que B ondi regresó a Inglaterra, d o n d e com enzó su distin g u id a carrera en cosm ología y relatividad. La organizaciones de ayuda en los Estados U nidos seguían el p a tró n de Inglaterra, con el Em ergency C o m n ú ttee in Aid o f D isplaced G erm án Scholars asum iendo el papel correspondiente al de ‫ ط‬AAC. El E m ergency C o m m ittee típicam ente prop o rcio n ab a becas para apoyar a científicos em igrantes en universidades que no contaban con fondos para las plazas. Algo del d in ero procedía de contribuciones individuales de científicos estadounidenses y u n a gran p arte de becas ' p o r la F undación Roc'kefeller y otras fiiantropías. La F undación Rockefeller estableció u n F ondo Especial de Ayuda a la Investigación p ara A cadém icos D esplazados, que, entre 1933 y 1939, prop orcionó 775.000 dólares en becas. Los estadounidenses eran m uy conscientes de las apuradas situaciones económ icas de sus universidades, y tam b ién del peligro de conflictos entre científicos foráneos y jóvenes estadounidenses buscando trabajo. Por este m otivo, el apoyo del Em ergency C om m ittee se restringía a «académ icos m ad u ro s de d istinción que ya cuenten con reputación», m ientras que los científicos jóvenes, que podían com petir con los solicitantes estadounidenses con m ayor probabilidad, tenían m eñ o r prioridad . La m ayoría de los físicos de E uropa central que obtuvieron plazas en universidades de Estados U nidos ten ían tre in ta o cuaren ta años. U no de los p roblem as que e n c o n tra ro n los físicos refugiados europeos fue el antisem itism o que existía en m uchas universidades estadounidenses. Este fen ó m en o no era nuevo ni, p o r supuesto, u n p ro b lem a sólo p a ra los em igrantes europeos. E n 7‫ل‬9 ‫ق‬ Kemble recom en d ó a Eugene Feenberg, u n físico ju d ío ' ' te cualificado, p ara plazas fuera de H arv ard , d o n d e Feenberg había term in a d o su doctorado, dirigido p o r Kemble. Feenberg, escribia K em ble in te n ta n d o ser de ayuda, «es u n tejano alto y delgado, y n o parece u n hebreo n eo y o rq u in o ni actúa com o un o de ellos». La carta de recom en dació n no sirvió de nada. «Es p rácticam en te im posible para

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no sotro s em plear a u n h o m b re de o rigen heb reo [...] en u n a in stitu ció n sureña», le info rm aro n a Kemble desde la U niversidad de C arolina del N o rte (Kevles 1987, p. 279). James Franck, el p rem io N obel reftrgiado, se quejó de u n creciente an tisem itism o en £stados U nidos y creía que la hostilid ad c o n tra los ju d ío s no era m e n o r de la existente en A lem ania antes de 1933. A pesar de los m u ch o s p ro b lem as que los físicos em igrantes e n c o n trab an al llegar a £ stados U nidos, la asim ilación fue n o tab lem en te bien p ara la m ayoría de los cien físieos,

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que llegaron a £ stad o s U nidos desde E uropa en tre 1933 y 1941.

Un m otivo p rin cip al de este éxito fue la recu p eración que la física estadounidense exp erim e n tó tras la depresión, que colocó a los d e p a rta m en to s de física de Estados U nídos en u n a situ ació n económ ica m ejo r q u e la m ayor p arte de los europeos. M uchos de los em igrantes eran teóricos y estaban aco stu m b rad o s no sólo al alto nivel de la física teórica alem ana, sino a la m ás estricta separación en tre experim entales y teóricos que existía en E uropa. Al llegar a Estados U nidos, los em igrantes co n trib u y ero n a aum enta r el interés p o r la física teórica, elevando su nivel, y p ro n to ap ren d iero n a apreciar la falta de separación clara en tre teóricos y experim entales que caracterizaba a m uchas universidades estadounidenses. H ans Bethe, u n o de los físicos refugiados m ás im p o rtantes, e n c o n tró ‫ ط‬atm ó sfera de la U niversidad de C ornell m u c h o m ás estim ulante que ‫ ظ‬de las universidades europeas. En E uropa, recordaba, «era co stum bre [...] dejar que el profeso r se d irigiera a la clase y hab lara y escribiera fo rm alm ente en la pizarra y lúego se fuera. Los estudiantes escuchaban e in te n ta ría n e n ten d er [...] aquí, cu an d o u n estu d ian te quiere, fo rm u la u n a p reg u n ta. C reo q u e es m u ch o m ejor.» (W einer 1969, p. 223). Estados U n id o s le dio m u ch o a Bethe, y él le dio m u ch o a cam bio. Stanley LÍvingston, que trab ajó con Bethe d u ra n te u n tiem p o , recordaba que «[Bethe] m e ayudó a in tu ir los fu n d am en to s de la física, y lo q u e pasaba en la física nuclear [...] O í hablar de m uch o s nuevos tip o s de conceptos, co m o m o m en to s m agnéticos y aspectos cuánticos, de los cuales n u n ca hab ía o íd o cu an d o estaba con Lawrence [en Berkeley]. Era u n e n to rn o distin to , a h o ra estaba siguiendo a u n académ ico y estaba m u y im presionado» (Stuew er 1984, p. 34). N o p u ed e h ab er d u d a de q u e la física estad o u n idense resultó m u y fortalecida p o r el flujo de em igrantes europeos. E specialm ente en m u ch o s cam pos teóricos, com o la ' cuántica, la teo ría nuclear, la relatividad y la teo ría del estado sólido, los em igrantes resu ltaro n ser u n a preciosa adquisición. Sin em bargo, p u d iero n florecer en el en to rn o estad o u n id en se sólo p o rq u e ya existía u n a fuerte base, ta n to ‫؛‬nstitucional com o intelectual, y ta n to en teo ría com o en experim entación. Al c o n tra rio de lo que frecu en tem en te se cree, E stados U n id o s n o se convirtió en la nación líder en investigación física sim p lem en te p o r su ganancia de cerebros. En 1936 Newsweek podía declarar org u llo sam en te (y ta m b ié n co rrectam en te), «los Estados U nidos lideran la física m undial». El liderazgo se vio fortalecido p o r la ola de em igrantes europeos, pero fue creado sobre to d o p o r físicos estadounidenses y los im p resionantes logros de este país en educación su p e rio r e institu cio n es científicas. A los em igrantes se les dio la bienvenida a las universidades estadounidenses en p arte p o r sentim ientos h u m an ita-

T g a y ganancia de cerebros

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ríos generales y en p a rte p o rq u e los físicos y ad m in istrad o res científieos de Estados U nidos se diero n eu en ta de que serían u n a valiosa e o n trib u ció n al sistem a de investígación. Los m otivos n o fueron políticos en el sen tid o de que Estados U nidos quisiera despojar a A lem ania de sus m ejores cerebro,‫؟‬, p ero cu an d o sobrevino la guerra, quedó claro que esto fue u n p rem io adicional. En ju n io de 941 ‫ا‬, en u n m o m e n to en el que Estados U nidos era todavía fo rm alm en te u n país n eu tral, este resultado estratégico de la m igración individual fue señalado p o r u n profesor, G ortner, en una earta al presidente del Em ergeney (‫؛؛‬om m ittee, Stephen D uggan. G o rtn er razonaba así: «Creo fírm em ente que po d ríam o s reducir los logros tecnológicos de E uropa central al nivel de los logros tecnológicos de España o P ortugal si p u d iéram o s desplazar a m il de sus hom bres estratégicos, q u e son líderes en el cam p o de las cieneias naturales, y a largo ‫اأاﺗﺎ‬/‫ م‬la batalla p o r la dem ocracia sería ganada m ás eco n ó m icam en te haciendo ju stam en te esto y los resultados serían m u ch o m ás p erm an en tes de lo que p o d ría alguna vez conseguirse con los m iles de m illones de dólares que estam os en cau zando hacia n u estro program a de defensa» (Fischer 1988, p. 84). U na interesan te reflexión, pero n o fue así com o acabaron sucediendo las cosas. Los físicos em igrantes eran personas, n o sólo cifras estadísticas. C onsiderem os com o ejem plo el destino de Fritz L ondon, u n físico alem án ju d ío nacido en Polonia en 1900. L ondon, que hab ía em pezado su trayectoria académ ica com o estudiante de filosofía, llevó a cabo im p o rta n te s trab ajo s en m ecánica cu ántica y trab ajó en Z urich con Schródinger, a quien siguió a Berlín. D u ra n te su p erio d o en Z urich en 1927 escribió, con Heitler, el artícu lo p io n ero de la q u ím ica cuántica, explicando p o r p rim e ra vez el enlace covalente en té rm in o s de la m ecánica cuántica. D u ra n te sus años en Berlín, se ocupó sobro to d o de problem as de física quím ica. En Í933, L ondon tenía u n a reputación de físico original y em inente, au n q u e n o ta n ta com o el calibre de u n p rem io N obel (sería n o m in a d o p ara el p rem io u n a vez, p ero en Q uím ica). C on la in tro d u cció n de las leyes nazis de 1933, se vio forzado a p ed ir la excedencia de la U niversidad de Berlín, lo cual significaba en realidad u n despido. C o m o m uchos de sus colegas, recibió a}mda de la red in fo rm al de física y en agosto de 1933 o b tuvo u n a beca ICI en la U niversidad de © xford. U na vez en Inglaterra, cam bió sus intereses hacia la física de bajas te m p eratu ras y pasó a ser m iem b ro del g ru p o fo rm ad o alrededor de Sim ón y M endelssohn. Junto con su h erm a n o m e n o r H einz, o tro m iem bro refugiado del g ru p o de O xford, L ond o n desarrolló la p rim e ra teoría (m acroscópica) exitosa de la supercond uctividad. A unque fru ctífera científicam ente, la estancia de L o n d o n en Inglaterra no fue feliz, y después de tres años se le in fo rm ó de q u e la beca ICI se había in terru m p íd o sin posibilidades de extensión. C onsiguió o b ten er u n a plaza de investigación en el In stitu í H en ri P oinearé en París; p a ra eJ p rim e r añ o recibió un beca del C om ité F ran‫ ؟‬ais d ’Accueií aux Savants E trangers (C o m ité Francés de Ayuda a A cadém icos Extranjeros), la c o n tra p a rte francesa del ٨ ٨ (]. En París prosiguió sus estudios sobre sup erco n d u ctiv id ad y superfluidez. A L o n d o n le gustó París y declinó u n a oferta p a ra ir a la U niversidad H ebrea de Jerusalén, pero en 1938 aceptó la plaza de profesor visitante para el curso 1938-1939 en la U niversidad Dulce en C arolina del N orte. De vuelta a

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Europa, recibió u n a nueva o ferta de f-)uke, esta vez p ara u n a plaza p e rm a n en te com o profesor de q u ím ica teórica. P artió hacia Estados U nidos el 1 de septiem bre de 1939, el día en que el ejército alem án invadió Polonia. M uchos de los físicos reftrgiados se asim ilaron ráp id am en te en el en to rn o estadou n id en se, pero no to dos lo p u d iero n hacer tan fácilm ente com o Bethe, Ferm i o W eisskopf. L o n d o n estaba p ro fu n d a m en te ‫؛‬n m erso en la cu ltu ra intelectual eu ro p ea y n o tab a fu ertem en te las diferencias entre su m u n do y el del su r estadounidense. Escribió a Frédéric Joliot: «Soy dem asiado europeo para conseguir en tu siasm arm e con la v ida aquí, la cual es dem asiado tran q u ila hasta para esos infantiles adultos [...] M e parece q u e la gente aq u í carece de pasiones salvo p a ra el bridge y el fútbol» (G avroglu 1995, p. 169).

C A P ÍT U L O 18


El camino a la fisión Tan p ro n to se descubrió el neutrón, los físicos se dieron cuenta de que la nueva partícula, debido a su carencia de carga eléctrica, podría utilizarse com o u n efectivo proyectil en reacciones nucleares. Las prim eras transm utaciones que se hicieron públicas, en 19321934, utilizaron neutrones rápidos incidiendo sobre núcleos ligeros, com o el alum inio. Los resultados eran procesos (n ,a), (n,p) y (n,y), es decir, la expulsión de partículas alfa, p ro tones o radiación gam m a. Por aquel entonces, Ferm i y su g rupo en Rom a com enzaron un estudio sistemático de las reacciones de los neutrones con todos los elem entos del sistema periódico a p artir del hidrógeno. C om o fuente de neutrones, utilizaron u n tubo de vidrio ‫؛‬ellado que contenía polvo de berilio y radón. En el curso de su trabajo, los científicos ita lianos descubrieron (de m anera p u ram en te accidental) que los neutrones que habían pa sado a través de parafina, m adera o agua eran m ucho m ás efectivos a la hora de producir isótopos radiactivos. C oncluyeron que los neutrones se habían frenado en colisiones con núcleos de hidrógeno. Experim entos adicionales confirm aron que los neutrones lentos se capturaban más fácilm ente que los rápidos. C uando los italianos bom bardearon uranio con neutrones lentos, consiguieron identificar varios productos que em itían rayos beta, u no de ellos con u n a vida m edia de 13 m inutos. Fermi, Franco Rasetti y Oscar D ’Agostino hallaron que la actividad n o podía deberse a isótopos entre el uranio y el plom o, y que esta evidencia negativa «sugería la posibilidad de que el nú m ero atóm ico del elem ento sea superior a 92» (W ohlfarth 1979, p. 58). El anuncio llegó a los titulares de prensa, y en Ita lia se celebró com o u n gran triu n fo de la cultura fascista. A unque perturbado p o r la p u blicidad, Ferm i creía que había m anufacturado los prim eros elem entos transuránicos. En diciem bre de 1938, en su discurso N obel en Estocolmo, habló con confianza sobre el «ausonio» y el «hesperio», los nom bres utilizados en Rom a para los elem entos 93 y 94. El an u n cio de 1934 p o r p a rte de R om a causó que O tto H ah n y Lise M eitner en el In stitu to de Q u ím ica Kaiser W ilhelm de Berlín em p ren d ieran u n trab ajo sim ilar. El

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instituto, que se había fu n d ad o en 2 ‫ل‬9 ‫ ل‬, estaba financiado p o r aquel entonces sobre to d o p o r la in d u stria quím ica, directa o in d irectam en te p o r la com p añ ía i. G. Farben, la gigantesca em presa qu ím ica alem ana. Al p rin cip io M eítner y H a h n creían h ab er enco n trad o tam b ién elem entos tran su rán ico s, e in fo rm aro n en 1935 «parece m uy probable qu e las actividades de 3‫ ل‬y 90 m in u to s sean elem entos m ás allá del n ú m ero 92“ ■ · ' 197], p. 24). For o tra parte, los resultados de Ferm i fueron criticados p o r Ida N o d d ack (de apellido de soltera, Tacke), u n a q u ín n ca alem ana que, ju n to con su d ifu n to esposo W alter N oddack, había d escubierto el elem ento renío en 1925. Ida N o dd ack p ensaba que las conclusiones de Ferm i no ten ían n in g u n a base y negaba que se h u b ie ra n p ro d u cid o elem entos tran su rán ico s. D espués de todo, aducía, no se conocía casi n ad a sobre reacciones nucleares in ducidas p o r n eu tro n es así que, ¿por que su p o n er que el p ro d u c to estaba al final de la tabla periódica? «Es concebible», escribió, «que en el b o m b a rd e o de núcleos pesados con n eu trones, estos núcleos se ro m p an en varios fragm entos grandes que en realidad son isótopos de elem entos conocidos, pero n o son vecinos de los elem entos irradiados» (W ohlfarth 1979, p. 63). La anticipación de N odd ack de la fisión nuclear n o tuvo n in g ú n im pacto en lo que sucederia. A unque se publicó en u n a revista de quím ica (Z eitsch riftfü r angewandte Chem ie), tan to Fermi com o H a h n y M eitn er la conocían, p ero n o se to m a ro n la sugerencia en serio. N o sólo el artícu lo de N od d ack era altam en te critico y su sugerencia especulativa, sino que la rep u tació n científica de la a u to ra h ab ía sido algo d a ñ ad a p o r su co n trovertida afirm ación de h ab er d escubierto el elem ento 43 (que ella d e n o m in ó m asurio y ah o ra se conoce com o tecnecio, p ro d u cid o p o r p rim e ra vez en 1937 p o r E. Segré y C ario Ferrier . N oddack n o fue «rehabilitada» com o p recu rso ra de la hipótesis de la fisión hasta lo‫؛‬ años noventa. A p a rtir de 1935, los centros de investigación del u ra n io se m u d a ro n de R om a ‫ة‬ Berlín y Farís, y los dos g ru p o s in iciaro n lo que p u ede describir m ás com o u n a rival‫؛‬d ad que u n a cooperación. A unque los g ru p o s de Farís y Berlín eran , con m ucho, lo‫؛‬ m ás im p o rtan tes, n o eran los únicos interesados en el u ran io irrad iad o con neutronesPor ejem plo, en Berkeley, Philip Abelson in te n ta b a identificar los p ro d u c to s supuestam ente tra n su rá n ic o s m ed ian te el m éto d o de espectroscopia de rayos X, que estaba co m p ro b ad o y era preciso. Sin em bargo, al b u scar n ú m ero s atóm icos m ayores que 92. A belson n o p u d o in te rp re ta r co rrectam en te sus líneas de rayos X. C u an d o se hizo ،‫ح‬ nocida la hipótesis de la fisión, A belson e n c o n tró ráp id a m en te evidencia del telurio ٢ así co n firm ó la hipótesis. En Berlín, H ah n y M eitner realizaron nu m ero so s expenm entos, p ro p u siero n elaborados esquem as de desintegración, e im ag in aro n u n a variédad de hipótesis p ara aclarar lo que sucedía cu an d o se bom bardeaba uran io con neutrones. D espués de dos años de ard u o trabajo, su p rin cip al conclusión fue d ecep cio n an te que el u ra n io irrad iad o p ro d u c ía p ro d u c to s com plejos de naturaleza desconocida, probablem en te incluyendo algunos isótopos tran su rán icos. Pero n o to d o su trabajo fue en vano. U n a de sus hipótesis era q u e ‫؟‬0 ‫ ؛‬p ro d u cto s del u ra n io eran isóm eros de u ra n ia es decir, isótopos con diferentes vidas m edias p ero con el m ism o n ú m ero de protones y n eu tro n es. P or aquel entonces, la isom ería nuclear n o se aceptaba m ayoritariam ente.

Del enigma del uranio a Hiro$hima

y el único caso conocido (y co n tro v ertid o ) era el «uran io fo rm ado com o u n isúm ero del protactin¡© en 1921.

z» del

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que H ah n había in-

El trabajo de H ah n y M eitn er p ro b ó la ex‫؛‬$tencia de los isóm eros pero no resolvió el enigm a del uran io . En ?arís, Irene Jo liot-C urie trab ajaba en el m ism o problem a pero ad o p ta n d o u n en foque algo distinto. En 1937, ju n to con ?ave‫ ؛‬Savitch, u n físico yugoslavo que trab ajab a en París, in fo rm ó sobre u n a sustancia con u n a vida m edia de 3,5 horas en u ra n io irrad iad o . Al p rin cip io p en saro n q u e era to rio , p ero después de trabaios adicionales concluyeron en o ctu b re de 1938 q u e seguía al lan ta n o en separaciones quím icas y era p o r ta n to posib lem en te el actinio (au n q u e «en general las propiedades de R 3,5 hr son las del lan tan o » ). E ntonces, en el tercer asalto, sugirieron que la sustancia de 3,5 h o ras n o podía ser u n isótopo del actinio, sino que prob ab lem en te era un nuevo elem ento tran su rán ico . Si h u b ie ra n sugerido q u e la cercana sim ilitud quím ica con el lan tan o era evidencia de u n isótopo del lan tan o con u n a vida m edia de 3,5 horas, p o d ría n h ab er descu b ierto la fisión. Pero n o lo hicieron. Los resultados de C urie y Savitch desco n certaro n al eq u ip o de B erlín, el cual se h abía am plios a p a rtir de 1935 con la inclusión de Priedrich S trassm ann, u n quím ico analítico. M ientras deliberaban ?obre cóm o e n te n d e r los exp erim en to s de París, M eitn er decidió ' en julio de 1938; la tarea de en c o n tra r u n a solución q u ed ab a a h o ra en m anos de H ah n Strassm ann. Sin em bargo, se co m u n icab an p o r correo con M eitner, que oficiosam ente perten ecía todavía al g ru p o de Berlín. V

Pue el in te n to de explicar los resultados de C u r‫؛‬e-Sav‫؛‬tch lo que llevó a H ah n y Strassm ann a la fisión. E ntre las actividades resultantes del b o m b ard eo del u ra n io con neutrones, e n c o n tra ro n u n a que se p recip itab a con el b a rio y, p o r tan to , concluyeron que se tra ta b a p ro b ab lem en te de u n nuevo isótopo del radio. Les parecía que el isótopo parecido al la n ta n o p o d ría ser actinio, creado a p a rtir del radio p o r ' ^ t a . Pero ¿podía p ro d u cirse rad io a p a rtir de u ra n io m ed ian te la em isión de dos paraculas alfa? B ohr, M eitn er y o tro s teóricos lo negaban, y H ah n y S trassm ann volvieron ‫ ف‬laboratorio. A p rin cip io s de diciem bre de 1938 em p ezaron a darse cuen ta que lo que .êían que era rad io se c o m p o rta b a b astan te com o el bario, m u ch o m ás de lo que podría esperarse a p a rtir de la sim ilitu d q u ím ica de los dos elem entos. Si así fuera, la sustancia de C urie-S avitch p o d ía ser lan tan o , p ro d u c id o p o r b a rio con actividad beta. El -S de diciem bre de 1938 ten ían evidencia experim en tal de que lo que se co m p o rta b a com o b ario era, con to d a prob ab ilid ad , bario. Pero parecía increíble que el u ra n io se tran sfo rm ara en u n elem ento m u ch o m ás ligero, y a H ah n le costó fo rm u lar la conclusión. «Q uizá p o d rías p ro p o n e r algún tip o de explicación t'‫؛‬urtástica», escribió a '.leitn er el 19 de diciem bre. «Por n u e stra parte, sabem os que [el uran io ] no puede en realidad reventar p ara fo rm ar bario» (W eart 1983, p. 112). H asta en el artículo de H ah n y S trassm ann de 6 de enero de 1939, los dos autores ev itaron u n a afirm ación cíara de que se había p ro d u c id o b ario m ed ian te u ra n io irrad iad o con n eu trones. «Com o quím icos», escribieron, «deberíam os reem plazar los sím bolos Ra, Ac y T h [...] en [nuestro] esquem a [...] p o r Ba, La y Ce... [Pero] co m o quím icos nucleares, ín tim am ente asociados a la física, n o p o d em o s decid irn o s a to m a r este paso en contradicción

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con to d a experiencia previa en física nuclear» (W ohlfarth 1979, p. 58). Pero a h o ra atisb a b an u n a posible e x ^ ic a c ió n . H abían e n c o n tra d o en tre los supuestos elem entos tran suránicos u n o que se parecía al rcni©. Si el «radio» era bario, entonces el «renio transuránico» podía ser u n hom ólogo inferior del renio, es decir, el elem ento 43, m asurio (M a). C om o c o m en taro n H ah n y S trassm ann: «¡La sum a de los n ú m ero s m ásicos Ba + Ma, es decir, p o r ejem plo 138+101, da 239!». Esta inspiración de que el núcleo de u ran io p o d ría partirse al cap tu rar u n n eu tró n lento fue obtenida p o r p rim era vez p o r M eitner y su sobrino O tto Frisch, am bos refugiados del Tercer Reich. Prisch trabajaba con B ohr en C openhague y su tía estaba en Estocolm o, d o n d e o cu paba u n a plaza en el institu to M anne Siegbahn. C uando los dos se en co n traro n a finales de diciem bre de 1938 para pasar las vacaciones de N avidad en Kungalv, cerca de G otem burgo, todavía n o habían recibido u n a copia del artículo de H ah n y Strassm ann. Pero sabían de sus resultados e in tentaron im aginarse lo que sucedía en el núcleo de u ran io en el laboratorio de Berlín. Erisch recordaba: «Cam inábam os arriba y abajo sobre la nieve, yo en esquíes y ella a pie [...] y gradualm ente fúe to m ando form a la idea de que esto n o era u n desgajam iento o fractura del núcleo, sino u n proceso que había que explicar m ediante la idea de Bohr de que el núcleo era com o u n a gota líquida; u n a gota de este tipo p o d ría alargarse y dividirse» (Frisch y W heeler 1967, p. 276). El m odelo nuclear de la gota líquida se rem ontaba a trabajos de G am ow en 1929 y d u ran te la siguiente década fue desarrollado p o r Bohr, Von W eizsacker y otros. La versión de B ohr de 1936, conocida com o el núcleo com puesto, era particularm ente ím portante y m u y adecuada p ara ilu m in ar el m ecanism o de las reacciones neutrónícas. La teoría del núcleo com puesto era bien conocida p ara Frisch, que se dio cuenta de que podría p roporcio n ar u n a explicación de la anom alía de H ahn-Strassm ann. El proceso de división se d en o m in ó «fisión», u n n o m b re sugerido a Frisch p o r u n biólogo estadounidense que trabajaba en el in stituto de Bohr. M eitner y Frisch publicaron la prim era hipótesis de fisión en u n a carta a N ature el 16 de enero de 1939. La hipótesis era que el núcleo de uranio «tras la cap tu ra del n eu tró n , se divide en dos núcleos de tam años aproxim adam ente iguales». Adem ás, la fisión sería u n proceso violento: «Los dos núcleos se repelerán m utu am en te y ganarán u n a energía cinética total de unos 200 MeV, según se puede calcular del radio nuclear y la carga. Esta cantidad de energía en realidad po d ría esperarse que estaría disponible debido a la diferencia en la fracción de em paquetam iento entre el uranio y los elem entos en la m itad del sistem a periódico» (G raetzer y A nderson 1971, p. 52). M eitner y Frisch tam bién utilizaron la ocasión p ara sugerir que el torio experim entaba u n a fisión sim ilar a la del uranio. H abían sugerido privadam ente a H ah n y Strassm ann que buscaran gases nobles radiactivos (crip tó n y xenón) com o productos de la fisión, y cuando Strassm ann enco n tró los gases, la hipótesis de la fisión en contró un cim iento. Es notable que el descubrim iento de la fisión, u n o de los m ás im portantes de la física del siglo XX, se deba a dos quím icos trabajando en u n laboratorio de quím íca, y no a físicos nucleares. De hecho, el descubrim iento so rprendió a la com u n id ad física. N i siquiera los físicos de Berlín eran conscientes de que algo altam ente interesante estaba sucediendo en el Instituto de Q uím ica Kaiser W ilhelm.

Del enigma del uranio a Niroshima

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Más que tonterías Las noticias so b re la ru p tu ra del n úcleo de u ra n io se p ro p ag aro n ráp id am en te en la co m u n id ad física intern acio n al. La ru ta com enzó en C openhague, d o n d e Frisch había d iscutido el asu n to con B ohr, que estaba p rep arán d o se p ara irse a Bstados U nidos. Bohr quedó m u y so rp ren d id o , p ero aceptó in m ed iatam en te la hipótesis de la fisión. Estaba, com o Frisch escribió a M eitn er el 3 de enero de 1939, «tan sólo aso m b rad o de que n o h u b iera p en sad o antes en esta p osibilidad, que se sigue ta n directam en te de las ' actuales de la e stru c tu ra nuclear», es decir, el m odelo de núcleo com puesto (Stuew er 1994, p. 78). B ohr y su colaborador, Léon Rosenfeld, llegaron a N ueva York el 16 de en ero de 1939, y R osenfeld fue d ire c ta m e n te a ? rin c e to n , d o n d e discutió las conclusiones obten id as en A lem ania, Suecia y D inam arca. El anuncio, rea.z a d o antes de q u e el artícu lo de M eitn er y Frisch se p u blicara, causó sensación. Fera i , John W heeler y o tro s físicos estadounidenses em p ezaron in m ed iatam en te a trab a·ar en el proceso de fisión. A finales de enero de 1939, B ohr acudió a la Q u in ta C onferencia de W ashington sobre Física Teórica, d o n d e debatió con Ferm i el nuevo :po de proceso y B ohr lo explicó cualitativam ente desde el p u n to de vista del m odelo ze la gota líquida. «Todo el asu n to fue u n a noticia bastan te inesperada para to d o s los presentes», tres físicos estadounidenses in fo rm a ro n en el ejem plar del 15 de febrero de Physical Review. La fisión era todavía u n a hipótesis, y la p rim era fase del trabajo, tan *o en E uropa com o en Estados U nidos, y se tra ta b a de verificar la sugerencia de M eit- e r y Frisch. U tilizando diferentes m étodos, esto se realizó en u n o o dos m eses, prim ero p o r Frisch en C openhague, q u e utilizó u n oscilógrafo p a ra registrar los pulsos eléctricos p ro d u cid o s p o r los fragm entos de la fisión en u n a cám ara de ionización. Poco después, los físicos de Berkeley D ale C o rso n y R. T h o rn to n p ro d u je ro n la prim era p rueba visual de la fisión m ed ian te u n a fotografía de cám ara de niebla. A finales de febrero, ya n o hab ía d u d a alguna sobre la realidad de la fisión del u ranio, y com enzó u n a segunda fase, que se o cu p ab a de la posibilidad de u n a reacción en cadena au to m an ten id a. La posibilidad de u n a reacción en cadena no se les h abía ocurrid o a Frisch n i a M eitner. La posibilidad parece h ab er sido sugerida a Frisch p o r C hristian M oller en C openhague, p ero al p rin cip io Frisch no la to m ó en serio. D espués ‫ ﺀف‬todo, todavía n o hab ía indicios de n e u tro n e s secundarios. Sin em bargo, quedó p ro n to claro que si u n a reacción de fisión n o resultaba sim plem ente en dos fragm entos nucleares, sino tam b ién en u n o o m ás n eu tro n es, u n a reacción en cadena p o d ía ser u n a posibilidad. John D u n n ín g , u n físico de la U niversidad de C olum bía, estuvo entre ■os p rim ero s en co n firm ar la hipótesis de fisión de M eitner-Frisch, cosa que hizo el 25 de enero de 1939. C om o escribió en su c u ad ern o de lab o rato rio de esa fecha: «Creem os h ab er observado u n nuevo fen ó m en o con extensas consecuencias. [...‫¡ ا‬La energja atóm ica existe realm ente! [...]. ¡Los neutrones secundarios son enorm em ente im por:.i’ites! Si se em itieran h arían posible u n a reacción n eu tró n íca a u to m an ten id a, que desde ]932-1935 he co nsiderado la p rin cip al esperanza p ara “q u e m a r” m ateriales con n eutrones lentos y lib erar energía atóm ica» (Badash, H odes y T iddens 1986; cursiva en ‫ ي‬original). La liberación de energía p o r proceso de fisión, estim ada co rrectam en te p o r

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M eitner y Frisch en u n o s 200 M eV fue m ed id a p o r físicos en las universidades de Coium bia y P rin ceto n en la p rim avera de 1939. A m bos gru p o s hallaron que los dos fragm entos de la fisión te n ía n m asas desiguales y q u e la energía cinética de los fragm entos era cercana a 175 MeV. Esto dejaba u n o s 25 M eV p ara otros pro d u cto s, incluyendo n eu tro n es adicionales. La p ro d u cció n de estos n eu tro n es fue m o stra d a p o r p rim era vez en m arzo de 1939 p o r F’rédéric Joliot y sus co laboradores Fíans von Flalban y Lev Kow arski, y algo m ás tard e p o r dos g ru p o s estadounidenses. Los fí،sicos franceses conciuyeron que u n n ú m e ro p ro m ed io de 3,5 n e u tro n e s se liberaba p o r fisión, u n a cifra que p ro n to se corrigió a 2,4. Lo im p o rta n te era q u e los n e u tro n es adicionales se p ro d u cían en u n n ú m e ro que p o d ría hacer posible u n a reacción en cadena. A p a rtir de consideraciones teóricas, sin em bargo, B ohr sospechaba que el isótopo u ranio-238, m u ch o m ás co m ú n , no se fisionaría con n e u tro n e s lentos, sino sólo el m ás raro (0,7 p o r 100) isótopo u ranio-235. B ohr publicó su sugerencia en u n a n o ta breve el 15 de febrero. F ro n to recibió apoyo de arg u m en to s teóricos adicionales, Sitien carecía de confirm ación experim ental. Sólo en m arzo de 1940 los exp erim entos p ro b a ro n que B ohr tenía razón. £1 nuevo co n o cim ien to parecía im plicar q u e cualquier aplicación práctica de la energía de fisión sería ex trem ad am en te difícil y costosa. En 1939, las especulaciones sobre la energía su b atóm ica estaban lejos de ser algo nuevo. A p a rtir del d escu b rim ien to de la rad iactividad, m uchas personas, científicos y n o científicos, h ab ían sugerido que u n a n u eva y p o ten te fuente de energía se escondía en el in te rio r del átom o. En 1903 Soddy describía la tie rra dram áticam en te com o un «alm acén repleto de explosivos, in concebiblem ente m ás poderosos que cualquiera de los que h oy conocem os, y p o siblem ente esp eran d o sólo u n d e to n a d o r adecuado que haga que la tie rra regrese al caos». O nce años antes, en su libro La liberación m undial, el novelista H . G. Wells escribió sobre poderosas b o m b as atóm icas. A R u therford le m olestaba to d a esta p alabrería sobre ‫ ظ‬energía ató m ica utilizada con fines pacíficos o m ilitares. En 1933, en u n discurso ante la A sociación B ritánica, dijo que «cualquiera que diga q u e con los recursos a n u estra disposición en estos m o m en to s y con nuestro co n o cim ien to actual p o d em o s utilizar energía ató m ica está diciendo tonterías». Tres años después, Bohr se refirió al «m uy d iscutido p ro b lem a de liberar la energía nuclear con fines prácticos», concluyendo que «cuanto m ás avanza n u estro co n o cim iento de las reacciones nucleares, m ás parece alejarse este objetivo» (R hode 1986, p. 227). El descu b rim ien to de la fisión n o hizo que B ohr cam biara su cauta actitud. En u n discurso a u n a au diencia danesa el 6 de diciem bre de 1939, analizó los últim os avances en física nuclear, incluyendo la g ran energía liberada en la fisión del u ran io . «Se pu ed en en te n d e r las terroríficas perspectivas a las que nos en fren taríam o s si se p u d ie ra n hacer explotar cantidades sustanciales de u ra n io y torio», dijo, ? ero no h abía m otivo para preocuparse: «una consideración m ás cu idadosa m u estra que no existe causa p a ra la alarm a a este respecto, au n q u e ta m p o co p u ed a decirse con total certeza que se p u eda descartar cualquier liberación a g ran escala de energía atóm ica». Tenía presente la dificultad d ‫ ؛‬separar los dos isótopos de u ranio. Sin em bargo, otros físicos fueron rápidos en especular sobre u n a posible b o m b a de uran io . En febrero de 1939, O ppenhei-


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m er escribió a U hlenbeck: «Creo ‫ ااأا‬€ realm ente n o es dem asiado im probable que un cubo de diez cm de d e u te ru ro de u ra n io (debería tenerse algo para frenar a los neutrones sin cap tu rarlo s) p o d ría perfectam en te exp lo tar e irse al infierno» (S m ith y W e in er ¡980, p. 209). A finales de 1939, se h ab ían pub licad o m ás de 100 artículos sobre fisión y u n a gran cantidad de co n o cim ien to había sido acu m u lad o p o r p a rte de físicos en Europa y A m érica. Las recensiones publicadas en A lem ania, Inglaterra y Estados U nidos resum ían este conocim iento. U na de las p rim eras recensiones, de N o rm a n Feather, de la U niversidad de C am bridge, com p letad a en m ayo de 1939, concluía que «la posibilidad de u n proceso acum ulativo de d esintegración exotérm ica debe ser considerada» (G raetzer y A nderson 1971, p. 79), y u n a recensión alem ana de Siegfried Flügge, titu lad a «¿Fuede ‫ اﺀ‬co ntenido energético de los núcleos atóm icos hacerse técnicam ente útil?» respondía a la p reg u n ta afirm ativam ente, concluyendo que u n a «m áquina atóm ica» era, en efecto, posible. La energía ató m ica n o era todavía u n a realidad, pero definitivam ente tam poco se tra ta b a ya de tonterías. El en te n d im ie n to teórico era todavía incom pleto, pero con la detallada teo ría sem iem píríca de B ohr y W heeler de septiem bre de 1939, se establecieron u n o s cim ientos p ara la co m p ren sió n posterior. El artículo de B o h ry W h e e .‫ آﺀ‬apareció en Physical Review el I de septiem bre de 1939, el m ism o día que com enzó ‫ ظ‬Segunda G u erra M undial. A unque la p osibilidad de u n a b o m b a de u ra n io n o se discutió explícitam ente durante las prim eras y caóticas sem anas de 1939, los físicos se diero n c u en ta que la in·. estigación en fisión p o d ría llevar algún día a u n a p rim e ra bo m b a, y posiblem ente alem ana. M uchos de los físicos nucleares en Estados U nidos que em p ren d iero n el estudio de la fisión e ra n in m ig ran tes recientes de E uropa central, y estaban p reocupados p o r la situación desde el com ienzo. E ntre ellos estaba Leo Szilard, el visionario refugiado h ú ngaro que h abía trab ajad o en In g laterra y a h o ra vivía en Estados U nidos, d o n d e proseguía de m an era en tusiasta el trab ajo sobre fisión. Ya en 1934, Szilard había concebido la idea de u n a reacción n e u tró n íc a en cadena que p o d ría posiblem ente llevar a u na explosión violenta, pero h abía pensad o en u sar berilio, no uranio. C on el objeto de im p ed ir qu e los alem anes p ro d u je ra n u n a b o m b a de u ran io , Szilard sugirió a sus C O legas físicos en febrero de 1939 q u e m a n tu v ieran secreta to d a investigación sobre el u ranio. La in u su al sugerencia de Szilard se recibió con escepticism o, au n q u e varios fí‫؛‬icos em igrantes estadounidenses apo y aro n la idea. Pero tam b ién había físicos que se o pusieron, p o r razones de p rio rid ad , p o rq u e la en c o n tra ro n poco realista o po rq u e se o p o n ían a la m ism a idea de secretism o, ta n extraña a los ideales de la ciencia; y m u chos pensaban q u e la p o sibilidad de u n a b o m b a era ta n rem o ta que ni siquiera veían el m otivo de discutirla. Sin em bargo, Szilard fue insistente y, tras algunas discusiones, la m ayoría de los físicos p rincipales estuvo d ispuesta a apoyar el plan de secretism o. Fero n o to d o s los físicos: }oliot y su g ru p o en Farís n o deseaban dejar de p u b licar y, p o r esta razón en tre otras, la idea de Szilard n o se p u d o llevar a cabo in m ediatam ente. Las revistas de física co n tin u a ro n p u b lican d o artículos sobre fisión a lo largo de 1939, disponibles p ara cualquiera q u e p u d iera entenderlos.

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Sin em bargo, con la declaración de g u erra la situ ación cam bió y, a p a rtir de 1940, los físicos en ¿ r a n B retaña y Bstados U nidos estuvieron de acuerdo en p a ra r todas las publicaciones de posible relevancia p ara el uso de la energía atóm ica. En Inglaterra, ya existía u n a d eten ció n de las publicaciones y, en abril de 1940, G regory Breit fue nom b rad o directo r de u n com ité estad o u n id en se de cen sura de la investigación sobre el u ran io . N o sólo es notab le que los físicos estuvieran de acuerdo con u n a m edida tan drástica, sino que lo h icieran de m a n e ra p u ra m e n te v oluntaria, sin n in g u n a presión p o r parte de sus gobiernos y que, de hecho, consiguieran que la investigación occidental sobre el u ra n io siguiera siendo u n secreto, ta n to p a ra los científicos alem anes com o, d u ra n te u n tiem p o , p a ra los soviéticos. U no de los ú ltim o s artículos sobre u ra n io que apareció en Physical R eview fue el an u n cio de Edw in M cM illan y A belson del descub rim ien to del «elem ento radiactivo 93» (el n e p tu n io ), que apareció en ju n io de 1940. El siguiente elem ento tran su rán ico , m u ch o m ás im p o rta n te , el p lu tonio, fue producido p o r p rim e ra vez p o r el quím ico de Berkeley G lenn Seaborg y sus colaboradores en 1941, pero en u n m o m e n to en que la p ara d a de publicaciones estaba en vigor. El descu b rim ie n to de Seaborg, g alard o n ad o con u n N obel, se hizo público p o r p rim e ra vez en 1946, cu an d o apareció con la n o ta al pie «Esta carta fue recibida para publicación en la fecha indicada [28 de e n e r o ,1941 ‫ ل‬pero su p ublicación fue v o lu n tariam en te reten id a hasta el fin de la guerra». Se añ ad iero n m uch as de estas notas al pie en artículos de los nú m ero s de 1946 de Physical Review. El p rim e r in te n to serio de explorar la posibilidad de u n a b o m b a atóm ica tuvo lugar en Inglaterra, n o en Estados U nidos. En m arzo de 1940, Frisch y Peierls realizaron u n ráp id o estu d io sobre có m o se p o d ría c o n stru ir en prin cip io u n a «superbom ba» de u ra n io y có m o funcionaría. E stim aron q u e u n a m asa de u n kilogram o de uranio-235 m etálico sería suficiente p a ra u n a b o m b a y qu e «la energía liberada p o r una bom ba de 5 kg sería equivalente a la de una de varios m iles de toneladas de dinam ita» y la radiación p ro d u c id a a «cien toneladas de radio». A parte de delinear el m ecanism o de la bo m b a, ta m b ié n m en cio n ab an algunos de los aspectos políticos, éticos y m ilitares de la «prácticam ente irresistible» su p e rb o m b a que, según tem ían, los alem anes ya estaban en proceso de desarrollar. E ntre estos aspectos estaba que «debido al desplazam iento de sustancias radiactivas con el viento, la b o m b a n o p o d ría pro b ab lem en te usarse sin m a ta r a u n g ran n ú m e ro de civiles, y esto p o d ría hacerla in ap ro p ia d a com o u n arm a p ara uso de esta nación» (Serber 1992, pp. 81 y 86). C om o resultado del m e m o ran d o de Frisch y ?eierls, se fo rm ó u n com ité britán ico , llam ado MAUD, para trab a jar en la su p erbom b a. Los físicos asociados al com ité co n sid eraro n varios problem as, en particular los m éto d o s de separación de isótopos, la posible p ro d u cc ió n de p lu to n io y la p érd id a y m ultip licació n de n e u tro n e s en diferentes volúm enes de u ran io . M uchos de los principales físicos b ritán ico s estuvieron involucrados, incluyendo refirgiados com o Frisch, ?eierls, K em m er, Sim ón, K uhn, K urti y Klaus Fuchs. Se les u n iero n H alban y Kowarski, h u id o s de ?arís tra s la caída de Francia. El com ité M AUD escribió su inform e final en el verano de 1941, concluyendo q u e u n a b o m b a atóm ica era factible pero tam b ién q u e p a ra este trab ajo era necesaria u n a organización m ucho m ás grande. El


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proyecto sería en o rm e y p ro b ab lem en te p ro h ib itiv am en te caro para G ran B retaña en 'olitario. P or aquel entonces, existía poca co o p eració n en tre físícos b ritánicos y esta¿ o u n id e n s e s que trabajasen en energía nuclear. La in fo rm ació n sobre el trabajo brítá-

r.ico en 1941 fue tran sferid a a M oscú p o r Fuchs, el físico com unista refugiado alem án. Mas adelante, d u ra n te la g uerra, Fuchs se conv irtió en u n a figura central en la red so· ¡etica de agentes q u e in fo rm ab an a M oscú del p rogreso que se llevaba a cabo en el proyecto de la b o m b a estadounidense.

Hacia la bomba El progreso del pro g ram a de la b o m b a estadounidense, generalm ente conocido com o ?ro>'ecto M an h attan , es bien conocido y se h a descrito en detalle en m uchas ocasiones. Sim plem ente harem os m ención de los pasos esenciales del program a que, según ‫ ظ‬tra¿ id ó n , com enzó con ‫ ط‬carta que Einstein escribió al presidente Roosevelt en el verano 1939 ‫ﺀق‬. La fam osa carta fue en realidad esbozada p o r Szilard tras consultas con W igner . Teller. Einstein le dijo al presidente de Estados U nidos que tenía razones para creer que ·c. elem ento u ran io p o d ría convertirse en u n a nueva e im p o rtan te fúente de energía en ¿1 futuro inm ediato [...] A hora parece casi seguro que esta [reacción en cadena] po d ría conseguirse en el ftrturo inm ediato». Adem ás, <<[e[ste nuevo fenóm eno conduciría ademas a ‫ ظ‬construcción de bom bas, y es concebible (au n q u e no seguro) que se construyan ‫ أﺛﻖ‬bom bas extrem adam ente potentes de u n a nueva dase. U na única b o m b a de esta cía‫ م‬tran sp o rtad a en barco y d etonada en u n p uerto, p o d ría perfectam ente destruir la to:^ rd a d del p uerto, ju n to con el te rrito rio circundante. Sin em bargo, estas bom bas po‫ﺳﺖ‬

resultar dem asiado pesadas p ara su tran sp o rte aéreo» (G raetzer y A nderson 1971,

p .93‫ر‬. Los alem anes estaban posiblem ente trab ajan d o ya en esta línea (Einstein m encio‫ﻟﻪ‬ explícitam ente a Von Weizsácker) y, p o r este m otivo, Einstein aconsejaba a Roose·elt que pasara a la acción. La carta n o tuvo efecto inm ediato, salvo que el presidente nom bró u n com ité asesor sobre el uranio. A lrededor de u n año m ás tarde, los Estados E'nidos em pezaron a prepararse seriam ente p ara la guerra, lo cual incluía la fundación ‫ ﺀت‬un C om ité p ara ‫ ظ‬Investigación de la Defensa N acional (N I)RC) presidido p o r el in¿eniero y fisíco V rnnevar Bush. El C om ité del U ranio se redefinió com o u n subcom ité

‫ س‬NDRC. En 1941, el N D R(] quedó absorbido en u n a organización m ayor y m ás eficaz, ‫ ص‬O ficina de Investigación y D esarrollo Científico (OSRD), de nuevo con Bush a la car'eza. Por aquel entonces, físícos, quím icos e ingenieros estadounidenses habían com en:،ido a trabajar en reacciones en cadena del u ranio, pero estaban todavía en u n a fase exploratoria. El trabajo era experim ental adem ás de teórico e incluía, entre otras cosas, u n a teoría general de reacciones en cadena controladas desarrollada p o r Ferm i, W igner, '.Nêeler y otros. Un inform e elaborado p o r Lawrence enfatizaba la posibilidad de utíli:a r plutonio com o m aterial para la bom ba. «Si se dispone de grandes cantidades del ele.Tiento 94», escribía Lawrence, «es probable que se pueda pro d u cir u n a reacción en caie n a con neu tro n es rápidos. En u n a reacción así la energía se liberaría a u n ritm o explosivo que p o d ría describirse com o u n a “su p erb o m b a”» (Sm yth 1945, p. 65).

258


Tras el ataq u e jap o n és a ?earl H arb o r, el p ro g ram a n u clear se expandió am pliam en te y g randes cantidades de d in ero del g o b iern o se d estin aro n a la investigación relacionada con la fa tu ra b o m b a nuclear. En la U niversidad de C hicago se creó u n Lab o ra to rio de M etalurgia, o M et Lab, presid id o p o r A rth u r C o m p to n y con Fermi com o d irector del g ru p o de física nuclear ex p erim ental. El objetivo era ahora claro: co n stru ir u n a b o m b a ató m ica basad a en u ran io -2 3 5 , o b ien en plutonio. C o m p to n decidió que u n p rim e r paso ten ía q u e ser u n a reacción en cadena lenta, seguida de u n reactor de u ra n io para p ro d u c ir p lu to n io , y después u n a b o m b a basada en el p lu to n io p roducido p o r el reactor. Según esto plan, el reacto r estaría listo en enero de 1943 y la b o m b a dos años después. El trab ajo progresaba satisfactoriam ente, y estudios teóricos y exper‫؛‬m entales in d icab an q u e en el tie m p o previsto se te n d ría lista u n a b o m b a con u n a energía co rresp o n d ien te al m en o s a dos kilotones de d in am ita. Fero req u eriría u n a enorm e inversión y u n a organización de u n a escala y com p lejidad que sólo el ejército podía p roporcio n ar. A p rin cip io s de 1943, to d o s los esftrerzos se unificaron bajo u n a nueva organización m ilitar, que recibió el n o m b re en clave de D istrito de Ingenieros de M anh a tta n y con el general de brigada Leslie Groves co m o presidente. El p rim e r paso del p ro g ra m a am p liad o era fabricar u n reactor p rim itivo con el objeto de d e te rm in a r si era posible u n a reacción en cadena en el uranio. Ésta fue la labor de Ferm i y sus co laboradores en la U niversidad de Chicago, que em plearon ladrillos de grafito p u ro com o m o d erad o res de los n eu tro n es p ro d u cid o s p o r u ran io , de procedencia n a tu ra l pero de alta calidad. La «pila» de C hicago conocida com o C ? -I consum ió 385 to neladas de grafito, 6 de u ra n io m etálico p u ro y 34 toneladas de óxido de u ran io . El nivel crítico, d o n d e el facto r m ultiplicativo pasa a ser m ayor que uno, se obtuvo ráp id a m e n te y sin m ayores pro b lem as el 2 de diciem bre de 1942. Ferm i estaba entusiasm ado, n o sólo p o r el éxito del trabajo, sino p o rq u e la pila fuera ta n fácil de contro lar con las b arras de cadm io p ara ab so rb er n eu trones. «O perar u n a pila es tan sencillo com o m a n te n e r u n au to m ó v il ro d a n d o sobre u n a carretera recta, aju stando el volante cu a n d o el au to tien d e a irse hacia la derecha o la izquierda», escribió. El hecho de que este p rim e r caso de energía nuclear controlable p ro d u jera u n a m in ú scu la cantid ad de energía era irrelevante, ya q u e su p ro p ó sito no era p ro d u c ir calor o electricidad. c ? - l se constru y ó com o p ro to tip o de u n g en erad o r de plu to n io . Su éxito hizo que el OSRD tu v iera confianza en q u e se p o d ría p ro d u c ir u n a b o m b a atóm ica a tiem po p a ra que se p u d ie ra utilizar en la gu erra, e im plicaba la necesidad de o tra am pliación del proyecto. A finales de diciem bre de 1942, Roosevelt ap ro b ó el plan de Bush para utilizar 250 m illones de dólares en fábricas p ro d u c to ras de u ranio-235 y plutonio. No estaba claro cu án to p lu to n io se p o d ría p ro d u c ir y cóm o de rápido, y p o r este m otivo se decidió proseguir con los dos tipos de m ateriales de fisión. El p ro b lem a m ás form idable con la b o m b a de u ra n io consistía en la separación de u ranio-235 a p a rtir de uranio n atu ral. Se co n sid eraro n varios m éto d o s, y se llegó a la conclusión de que el más práctico era el m étodo de difúsión gaseosa, en el cual se hace fluir hexafluoruro de uranio en estado gaseoso a través de u n sistem a de barreras porosas. O tra posibilidad, propuesta p o r Lawrence, era la separación electrom agnética m ediante enorm es electroim anes ٠

□el enigma del ‫؛‬٧٢^ ٢١© a Niroshima

259

·calutrones», siendo este m étodo aprobado tam bién. En 1944, se suplieron las plantas que utilizaban estos dos m étodos con u n a planta de ،!‫؛‬fusión térm ica. Los tres m étodos ‫ﻣﺤﻖ‬integraron en el en o rm e sistem a industrial construido en O ak Rldge, "l’c nncssee, que com enzó ‫ ظ‬pro d u cció n de ur،،nio-235 en abril de 1945. O ak Ridge Incluía u n reactor de uranio piloto, pero los tres grandes reactores refrigerados p o r agua que p roducirían m aterial para la b o m b a de u ranio se construyeron en H anford, W ashington. El diseño de la b o m b a ató m ica era tarea del n u m ero so g ru p o de físicos que se em pezó a fo rm a r en Los Á lam os, N uevo M éxico, en la p rim avera de 1943. (]©n 1. R obert O p p en h eim er com o d irecto r del lab o rato rio , se establecieron siete divisiones, entre ellas u n a división teó rica dirigida p o r Bethe, u n a experim ental p o r R obert W llson, u n a de física de b o m b as p o r R obert B acher y u n a de explosivos p o r (?;eorge Kistiakowsky. O p p en h eim er n u n ca se h ab ía o cu p ad o de la investigación del u ra n io p reviam ente y al‫ ؛‬u n o s g rupos m ilitares le co n sid erab an u n riesgo para la seguridad, debido a sus fl‫؛‬rteos ocasionales con el co m u n ism o algunos años antes, ? e ro Groves tenía confianza en ‫ ﻗﺪ‬habilidades de O p p e n h e im e r com o líder, y su in tu ició n se dem o stró correcta. O p‫ ^؛‬n h e im e r, respetado ta n to p o r los físicos co m o p o r los generales del ejército, era jus:ám ente el h o m b re ad ecuado p ara u n a tarea im posible. A los físicos que llegaban a Los .Alamos se les p ro p o rc io n a b a n los fu n d am en to s técnicos necesarios en u n curso de cinco clases sobre «C óm o c o n stru ir u n a b o m b a atóm ica» im p a rtid o p o r R obert Seber, un :«‫؛‬órico y colega de O ppenheim er. ? ٠٢ si acaso alguien n o lo sabía ya, Serber em pezaba el curso señalando, «el objeto del proyecto es p ro d u c ir u n « ٢٢«« m ilitar práctica en form a de b o m b a en la cual la energía se libere p o r u n a ráp id a reacción n eu tró n ica en cadena en u n o o m ás de los m ateriales en los q u e se h a d etectado fisión nuclear» (Serber 1992, p. 3). En u n a b o m b a ató m ica los n e u tro n e s d eberían ser rápidos, no lentos com o en u n reactor, y n o se sabía si de hecho p o d ía o c u rrir u n a reacción en cadena con neutt o n e s rápidos. Los p rim ero s experim entos en Los Á lam os p ro b a ro n que sí, e indica-

ro n el ta m a ñ o critico de la b o m b a. O tro de los im p o rta n te s pro b lem as estud iad o s p o r los físicos en el desierto de N uevo M éxico era cóm o acu m u lar u n a m asa crítica de m aterial fisionable a p a rtir de dos m asas subcríticas. U no de los m étodos, u n a versión m ás sofisticada de la que se incluía en el m em o ra n d o de Frisch y ?eierls, era d isp arar u n a de las m asas subcríticas hacia la otra. O tro m éto d o fue p ro p u esto p o r Seth N c'dderm eyer: ro d ea r u n a m asa esférica subcrítica con u n explosivo quím ico y luego «iinplotarla» para hacerla m ucbo m ás peq u eña y densa; au n q u e tuviera la m ism a m asa, su d en sidad m ás elevada la h aría supercrítica. El m éto d o de im p lo sió n n o se hab ía m ed id o y era m u ch o m ás com plejo que el del disparo, pero resultó que p a ra la b o m b a de p lu to n io sólo se p o d ía utilizar la im plosión. Los físicos d escu b riero n que el p lu ،o n‫؛‬o-240, que aparece inevitablem ente con el p lutonio-23 9 o rd in ario , ex p erim en taría u n a fisión espo n tán ea y com o resultado p ro d u ciría dem asiados n eu tro n es p a ra que el m é to d o del disparo firncionara. (La fisión espontán ea en el u ra n io había sido descubierta p o r dos físicos soviéticos, G eorgii Flerov y K onstantln ?etrzh ak , y p u b licad o en Physical Review en 1940.) En vez de apoyarse en u n tip o p articu lar de b o m b a, u n a b o m b a de p lu to n io p o r im plosión o u n a de

260

Generac¡ene$ cá n tic a s

u ra n io p o r disparo, se decidió d esarrollar los dos tipos a la vez. La etapa final del p ro yecto de la b o m b a tuvo lugar en el verano de 1945, tras la rendición incondicional de A lem ania y el final de la g u erra en E uropa. Se había planeado utilizar la b o m b a co n tra el Tercer Reich, pero la nueva situación no alteró n ada la m archa del Proyecto M anh attan . Todavía q u ed ab an los japoneses y la inercia del gigantesco proyecto parecía incontrolable. ¿Q uiénes eran los físicos que trab ajab an en el Proyecto M anhattan? Sería quizá m ás fácil d a r ‫ ظ‬lista de los q u e n o estaban, ya q u e el proyecto incluía a la m ayoría de los físicos m ás b rillantes del m u n d o occidental, desde figuras legendarias com o B ohr a jóvenes físicos p ro m eted o res com o R ichard Feynm an. Los dos extrem os eran igualm ente valiosos p ara el proyecto. Sobre Bohr, oficialm ente «doctor Baker», O p p en h eim er in fo rm ó a Groves a p rin cip io s de 1944 que «el d o cto r Baker se ocupa p rin cipalm ente de ‫ ط‬correlación e interpretación de m uchos datos nuevos sobre fisión nuclear y tem as relacionados [...] [pero] m uy poco de los problem as de ingeniería de nuestro program a aunque es p o r supuesto consciente de su im portancia y su dificultad». Sobre Feynm an, © ppenheim er escribió m ás adelante en 1944 que «[es] no sólo u n teórico extrem adam ente brillante, sino u n h o m b re de ‫ ظ‬m ayor robustez, responsabilidad y calidez, un profesor brillante y lúcido, y u n trab ajad o r infatigable» (S m lth y W eln er 1980, pp. 270 y 276). U na g ran p arte de los investigadores m ás activos del Proyecto M a n h atta n eran físieos que h ab ían residido en E uropa ta n sólo u n o s pocos años antes. U n vistazo a la tabla 17.2 p ro p o rcio n a m uchas de las figuras centrales en el proyecto de la b om ba. Una de ellas era James Franck, el p rem io N obel alem án de 1925, que había ab an d o n ad o el país en 1935 y ah o ra trab ajab a en C hicago. Era u n o de los pocos científicos que trabajaba en el proyecto de ‫ ط‬b o m b a q u e alertó sobre sus consecuencias políticas y éticas en u n a p rim e ra etapa. E l l l d e ju n io de 1945, antes de la explosión de la p rim era b o m b a atóm ica, escribió ju n to con seis de sus colegas de C hicago u n in form e al secretario de G uerra en el cual explicaban su p o stu ra. «٨ los científicos se nos h a acusado en n u m erosas ocasiones de p ro p o rc io n a r nuevas arm as p ara la destrucción m u tu a de las naciones, en vez de m ejo rar su bienestar», escribió Franck. «Nos sentim os obligados a asum ir u n a p o stu ra m ás activa a h o ra p o rq u e el éxito que hem o s conseguido en ‫ ظ‬evolución de la energía nuclear está plagado de peligros in finitam ente m ayores que los de todas las invenciones del pasado». H aciéndose eco de m u ch o s de los arg u m en to s de Bohr, Franck m irab a hacia el fu tu ro y alertaba sobre u n a carrera arm am entística nuclear, ya que «las b o m b as nucleares n o p u e d e n posib lem ente seguir siendo u n “arm a secreta” al servicio exclusivo de este país d u ra n te m ás de u n o s pocos años». M ás específicam ente, el in fo rm e de Franck aconsejaba que la b o m b a de Estados U nidos se «revelara al m u n d o p o r p rim e ra vez m ed ian te u n a d em o stració n en u n área deshabitada seleccionada apro p iad am en te» (G raetzer y A n d erso n ‫ ول‬7 ‫ ﺀا‬p. 104). Pero esto n o fue lo q ue sucedió. F ranck y su p eq u eñ o g ru p o n o d esp ertab an sim patías en tre los líderes m ilitares y su p re o c u p a d a actitu d estaba lejos de ser c o m p artid a p o r la m ayoría de los físicos que trab ajab an en el Proyecto M an h attan . La m ayoría n o ten ían objeciones m orales en tra b a ja r en u n a rm a de d estru cció n m asiva. A lgunos rechazaron el trabajo,

Del enigma del uranio a Niroshima

261

re ro la actitu d general era que estaba justificado en vista de la $itu‫؛‬،ción de guerra y la ^ s ib ilid a d de que H itler p u d ie ra conseguir la b o m b a antes. A dem ás, m u ch o s de los ñ‫؛‬ICOS estaban sim p lem en te «intrigados con u n p ro b lem a científico y de ingeniería fas«únante y difícil», com o reco rd ab a D avid A n d erso n u n o s cu arenta años después (Badash, H odes y T iddens 1986, p. 222).

La muerte de dos oiudades «‫ ﻣﺎ‬im p resió n m ás so rp ren d en te fue la de u n a luz increíblem ente brillante [...] Q uedé a n o n a d a d o p o r el nuevo espectáculo. V im os el cielo en tero brillar con u n lncreíble destello a pesar de las gafas m u y oscuras que llevábam os [...] P or u n m o m en to creí que la explosión p o d ría in cin erar la atm ósfera y acabar así con la tierra, au n q u e era consciente de q u e esto n o era posible» (R hodes 1986, p. 673). Ésta era la im presión de Em ilio Segré al ser testigo de la p rim e ra explosión nuclear de la historia, la p ru eb a den o m in ad a «Trinity» en el desierto de A lam ogordo el 16 de julio de 1945, a lás 5:30 a.m . La bo m b a, colocada al final de u n a to rre de acero de 30 m etros, era del tipo de im plosión de p lu to n io . La p ru e b a fue u n com pleto éxito, con u n a energía correspondiente a u n o s 18 kilotones de d in am ita, que era m ás de lo que esperaban ‫ ظ‬m ayoría de los físicos. Esto, y n o las p reo cu p acio n es de Franck, era lo que im p o rta b a a los físicos que observaron el espectacular fenóm eno. « N aturalm ente, estábam os rebosantes de alegría con el resultado del experim ento», recordaba V íctor W eisskopf. «Nos dirigim os el un o al o tro e intercam b iam o s en h o rab u en as, d u ra n te los p rim ero s m inutos. Después, sentim os u n escalofrío, que n o era debido al frío m atu tin o [...]» (ibid., p. 675). La ta m b a de p lu to n io ftincionó perfectam ente y había m aterial suficiente para la b om ba de uranio, q u e se co m p ren d ía en m ás p ro fu n d id a d y no precisaba p o r tan to u n a p ru eba. Fíabía llegado el m o m e n to de la acción verdadera, y ello, de hecho, im plicaba la destrucción de ciudades japonesas. Fíasta entonces, el desarrollo de la b o m b a se había deiado en m an o s de los físicos, cuyas voces eran ta m b ié n im p o rta n tes en las discusiones políticas y m ilitares. Pero fueron los líderes políticos y m ilitares, p o r supuesto, los que decidieron p a ra qué se utilizarían las bom bas. H abía m uchas discusiones entre los físicos en Los Á lam os, Berkeley, Chicago y o tro s sitios, pero no fo rm a ro n u n frente unid o y, en general, n o se inclin ab an a m o strarse en desacuerdo con los líderes m ilitares. £1 g ru p o asesor científico, que consistía en C o m p to n , Ferm i, Lawrence y © ppenheimer, no veía alternativa aceptable a hacer que las b o m b as explotaran sobre áreas de alta densidad de població n en Japón. En to d o caso, T ru m an, el nuevo presidente, decidió que las bom b as d eb erían tirarse sobre Japón lo antes posible y según el juicio de los generales. Esta decisión h a d ad o lugar a in term in ab les discusiones, pero lo im p o rta n te es que file to m ad a. En esta etapa, a p rin cip io s de julio, los físicos n o tenían m u ch o que decir sobre las criatu ras q u e h ab ían construido. La p rim e ra c ria tu ra era «Little Boy», u n a b o m b a de u ra n io de 4.500 kg, que m edía 71 cm de d iám etro p o r 3 m etro s de largo. T ran sp o rtad a p o r el b o m b ard ero B-29 £ ٢١٠la Gay, se hizo explotar sobre la ciu d ad de H iro sh im a el 6 de agosto de 1945 a las 8:16

262


TABLA 18.1 D atos sobre las dos b o m b as nucleares y sus consecuencias

T ipo de b o m b a Peso de la b o m b a (toneladas) Energía de explosión (kilotoneladas de dinam ita) P oblación Total de edificios d estru id o s M u erto s en la fase inicial H eridos Á rea to ta lm e n te d e stru id a (k m 2) M u erto s p o r k m 2

H iroshim a

Nagasaki

u ra n io -d isp a ro

p lu to n io -im p lo sió n 4,5

4 12,5

22

285.000

7-70-000

54.000

14.000

1 0 5 -0 0 0

65.000

75.000

4 0 .٥٥٠

13

6,7

8.100

9.700

Nota: Basado en cifras dadas en The Impact o f the A-Bomb (Tokio: Iwanami Shoten, 1985).

a.m ., h o ra local, a u n o s 600 m etros sobre el suelo. Llevó a cabo la tarea para la ٩٧ ،; se había con stru id o , excepto que n o forzó a los japoneses a aceptar la o rden de rendición incondicional. Tres días después, «Fat M an» to m ó el testigo. Liberada sobre N agasak‫؛‬ desde o tro B-29 (llam ado Bock’s Car), la b o m b a de p lu to n io explotó a las 11:02 a.m ., a la m ism a altu ra sobre el suelo, apro x im ad am en te. Tam bién cum plió con su com etido (véase tabla 18.1), y cinco días después el g o b iern o japonés y su e m p era d o r capitularon. Era el final de la Segunda G u erra M undial. El proyecto de la b o m b a, de dos m il m illones de dólares, fue el m ayor proyecto de investigación de la histo ria, invo lu cran d o m ás científicos y dinero que cualquier otro proyecto a n te rio r o posterior. F ara casi to d o el m u n d o , d em o stró drásticam ente que la ciencia, y ‫ ط‬física en particu lar, era capaz de g an ar guerras y cam biar el curso de la historia. En realidad, el Proyecto M a n h a tta n se com pletó dem asiado tarde p a ra que fuera de im p o rta n c ia decisiva en lo to can te a la guerra. La verdadera im plicación de la b o m ba atóm ica era m ás política que m ilitar, y esto se hizo evidente sólo después del final de la guerra. D esde u n p u n to de vista m ilitar, la investigación sobre el radar, la o tra área principal de la física m ilitar aliada (que recibió m u cha m enos publicidad) fue m ucho m ás im p o rtan te. Sólo el titánico proyecto estad o u n id en se consiguió desarrollar u n a b o m b a atóm ica, pero se e m p ren d ió la investigación con fines m ilitares en otros países tam bién. En Japón, la M arin a creó u n p ro g ram a de u ra n io co n el pro p ó sito de desarrollar u n reacto r nuclear p a ra p ro p u lsa r naves de g uerra, p ero el proyecto se retiró p o rq u e parecía dem asiad o costoso e in cierto . En la U niversidad de Tokio, u n g ru p o d irig id o p o r N ishina exploró la posibilidad de separar u ran io -2 3 5 para c o n stru ir u n a b om ba, pero el progreso fue lento. En la U n ió n Soviética, se croó u n a C om isión sobro el P roblem a del U ran io en agosto de 1940 en la A cadem ia de las Ciencias. La tarea del com ité era estudiar la posibilidad de u tilizar la energía de u n a reacción en cadena en el uranio. Los


263

principales físicos soviéticos q u e trab ajab an en la com isión, Inhl K hariton, Igor ^ e l’dovich, Flerov e Igor Kurchatov, d u p licaro n in d ep en d ien tem en te el trab ajo de Frisch y Peierls en Inglaterra. A p rin cip io s de 1941, calcularon la m asa crítica de u ranio-235 y hallaron que estaba en to rn o a los 10 kilogram os. Incluso incluyeron en sus cálculos u n reflector de n e u tro n e s pesados. Algo después, K urchatov se percató de la im p o rtan cia del p lu to n io y enfatizó que ‫ ظ‬m e jo r m a n e ra de c o n stru ir u n a b o m b a p o d ría ser Util‫؛‬zando el nuevo elem ento. El equivalente ruso de Eos Á lam os, au n q u e m u ch o m enor, era el «L aboratorio N .٠ 2», establecido p o r K urchatov en la p rim avera de 1943. U n año después, incluía setenta y c u atro personas, de las cuales veinticinco era n c‫؛‬c n t‫؛‬ficos (en Los Á lam os trab ajab an unas 2.000 perso n as). El proyecto de b o m b a soviético se vio seriam ente obstaculizado p o r ‫ ط‬carencia de m ateriales, especialm ente u ran io p u ro y grafito. Por o tra parte, los rusos te n ía n la ventaja de estar in fo rm ad o s sobre el proyccto secreto estado u n id en se gracias a Fuchs, el físico refugiado alem án que trabajaba en Los Álamos. Sin em bargo, en agosto de 1945 los rusos estaban m u y lejos de ten er u n a b o m ba atóm ica. O b tu v iero n sus p rim ero s m icro g ram o s de p lu to n io en agosto de 1944, a p a rtir del ciclo tró n de L eningrado, y el p rim e r reacto r soviético (llam ado F- l ) llegó al estado crítico en los ú ltim o s días de 1946. La iniciativa alem ana, tan tem ida p o r los físicos de G ran Bretaña y Estados U nidos, com enzó pronto. Ya en la prim avera de 1939 -ju s to después ،leí anuncio de Farí‫>؛‬sobre neutrones secu n d ario s- los físicos alem anes señalaron las potenciales aplicaciones m ilitares de la física del u ran io y ‫ ظ‬U ranverein (Sociedad del U ranio) com enzó u n a serie de reuniones. El grupo incluía a Flügge, Paul Harteck, Fritz Bopp, Heisenberg, Von Weizsacker vW alther G ehrlach, entre otros. Se fo rm aro n varios equipos de investigación nuclear, en la U niversidad de Leipzig, la U niversidad de Flam burgo, el Instituto de Física Kai ser 1‫ ا‬¥ ‫؛‬helm en Berlín, y en otros sitios. El propósito general de la U ranverein era estudiar la posibilidad de utilizar energía nuclear, ^ in c ip a lm e n te en form a de u n reactor que pudiera utilizarse para p ropulsar su bm arinos o incluso aeroplanos. Las bom bas atóm icas estaban en la agenda inicialm ente, pero n o se les dio u n a alta p rioridad. Sin em bargo, los físicos eran m uy conscientes de la posibilidad de u n a bom ba. En u n a com unicación en febrero de 1942, H eisenberg m encionó que el aislam iento del uranio-235 po d ría «llevar a u n explosivo de inim aginable potencia» y que u n a m áq u in a de uran io «puede tam bién llevar a la producció n de u n explosivo increíblem ente potente» (H entschel 1996, p. 300). D urante los prim eros dos años de la g u erra,‫ ط‬investigación del uranio en A lem ania estaba al m ism o nivel que en Inglaterra o Estados U nidos, pero tras 1942 el progreso declinó y los m ilitares p erdieron algo de interés en el proyecto. D esconocedor del progreso que tenía lugar en Estados U nidos, H eisenberg y sus colegas investigadores del uranio se concentraron en p ro d u cir u n reactor. C u ando la guerra term in ó y H eisenberg fue hecho preso, la prim itiva m áq u in a todavía n o había o p erado al nivel crítico. H eisenberg, H ahn y los otros físicos alem anes internos en Farm Hall en Inglaterra q u edaron m uy sorprendídos cuando supieron del lanzam iento de «Little Boy» sobre H iroshim a. U no p u ed e llevarse fácilm ente la im p resió n de que to d a la co m u n id ad física estaba ocu p ad a p o r la ciencia m ilitar d u ra n te los años de g u erra y que n o ten ía n tiem p o ni

264


TABLA 18.2 N ú m e ro de artículos sobre física, en to d as las revistas, y páginas en los volúm enes de Physical R eview y Philosophical M agazine Año

1938

1939

1940

1941

1942

1943

1944

1945

1946

1947

1948

1949

A rtículos

5.081 4.705 3.230 7.-737 3.152 2.968 2.687 3.148 3.273 3.765 4.088 7.500

Phys. Rev.

2.965 2.914 1.677 1.041 1.008

428

417

945 1.517 2.240 2.307 7-7.75

Phil. Mag.

2.237 1.478 1.130 1.026

851

855

875

910

884

913

1008

1278

apetito para la ciencia p u ra. Sin em bargo, esto estaría lejos de ser cierto. A unque la cantidad de física académ ica o rd in aria se redujo m ucho entre 1940 y 1945, todavía existían físicos tra b a ja n d o en áreas de la física p u ra y pro d u c ie n d o u n a can tid ad sustanciosa de artículos en esta categoría. D irac reh u só fo rm ar p arte del Proyecto M an h attan y contin u ó trab a ja n d o en p roblem as de electro d in ám ica cuántica (au n q u e tam b ién trabajó en asuntos relacionados con el proyecto de b o m b a b ritán ico ). B orn se m an tu v o alejado de la física m ilitar. «C o n tin ú o con m i trab ajo tran quilo», escribió a £ ‫؛‬n ste‫؛‬n en la

3.000

c/5

٢٠ ‫ص‬

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2.000

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1.000

‫ﺳﻠﻠﻠﻠﺴﻠﻠﻠﻠﺴﺎه‬ 1935

1940

1945

1950

A ño Gráfico 18.1. El núm ero de páginas publicadas en cada año natura‫ ؛‬en Proceedings ‫م‬/،‫ﺀأﻟﻢ‬ Royal Society ofLondon, sección A. Se han com plem entado los cambios en el área im presa de cada página al norm a،izarlas al form ato usado en 1955. Fuente: E. Bullard, «El efecto de la Segunda Guerra M undial en el desarrollo del conocim iento en las ciencias físicas». Proceedings o f the Royal Society A 342 (1975), pp. 519536. Reelaborado con perm iso de The Royal Society

□el enigma del uranio a Hiroshima

265

prim avera de ‫ ول‬4 )‫ر‬. «P ronto m i d e p a rta m e n to [en E dim burgo] será el único sitio de G ran B retaña d o n d e todavía se lleve a cabo trab ajo teórico» (K ragh 1990, p. 159). En ‫ إة‬nuevo In stitu to de E studios Avanzados de D ublín en la n eu tral Irlanda, Schródinger im partió lecciones y organizó coloquios sobre asu n to s teóricos, con p articipantes que O cluían a H eltler, D irac, E d d in g to n y Born. H asta H eisenberg, que trabajaba d u ro en ‫ ظ‬m á q u in a de u ran io , e n c o n tró tiem p o p a ra concen trarse en la teoría p u ra. El ú ltim o artículo que apareció en Z eitsch riftfü r Physik antes del final de la gu erra fue la tercera parte de « fas m ag n itu d es observables en la teo ría de las partículas elem entales», de H eisenberg, u n artícu lo tan alejado de las aplicaciones m ilitares com o se pued a im aginar. Se envió el 12 de m ayo de 1944. Teóricos japoneses, incluyendo a Tom onaga y Sa‫ ؛‬ata , trab ajaro n sim ilarm en te en pro b lem as fu ndam entales d u ra n te la guerra. El im ^ r t a n t e trab ajo de T om onaga «Sobre u n a refo rm u lación relativista de la teoría c á n t i c a de cam pos» apareció (en japo n és) en 1943. Esto no significa negar que la g uerra tu v iera u n m u y serio im pacto en la física academ ica, ta n to cu an titativ a com o cualitativam ente. La física m u n d ial sobrevivió en 1944, pero a u n b ajo nivel. La d ism in u ció n de publicaciones fí،slcas y la lenta recuperación tras la paz q u e d a n ilu strad o s p o r el n ú m e ro de artículos cuyos resúm enes aparecieron en Physics Abstraéis y el n ú m e ro de páginas en dos revistas de física p rincipales (tabla 18.2). El declive se m u e stra en los gráficos 18.1 y 18.2, que se refieren a ‫ط‬ situación en G ran Bretaña.

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1950

A ño Gráfico 18.2. N úm ero total de estudiantes de investigación, la mayoría en ciencias físicas, financiados p o r el DSIR (D epartm ent of Scientific and Industrial Research) cada año. Fuente: E. Bullard, Proceedings o f the Royal Society A 342 (1975), pp. 519-536. Reelaborado con perm iso de The Royal Society.

Tercera parte: progreso y problemas

C A P ÍT U L O 19

Temas peleares

‫ﺀﻫﺎ‬ 1‫مم‬ atómico

Física del !

La física nuclear había avanzado n o tab lem en te a finales de los añ©$ trein ta y su valia ‫ ؟‬ued ó p ro b ad a al p ro p o rc io n a r el cim ien to a la increíble energía nuclear basada en el uranio. Tras la g uerra, cu an d o la física fue volviendo a las universidades y gran parte ;e l trabajo e m p re n d id o en tre 194Í y ‫ ا‬94 ‫ ق‬fue desclasificado, el joven cam po de la física nuclear ex p erim en tó u n tre m e n d o crecim iento. G enerosam ente financiado con di-e ro federal, se co nvirtió en quizá el m ás prestigioso cam po de la física y el que atrajo ‫ ق‬m uchos de los estudiantes m ás brillantes. Los firndam entos de la teo ría nuclear se h ab ían establecido antes de la guerra, gra;]as al trab ajo de físicos com o Bethe, Bohr, W heeler, W igner y Von W eízsácker. ?ero el im presion an te progreso era sobre to d o fenom enológico, y se conocía m u y poco de las fuerzas que m an ten ían a protones y n eutrones ta n firertem ente unidos en el núcleo. Se creía generalm ente que la teo ría deY ukaw a, sobre m esones intercam biándose entre los nucleones, era el m e jo r esfuerzo de explicar a tis fa c to ria m e n te las fuerzas nucleares. D u ra n te la g u erra, y p o co después, ?au lí, Rosenfeld, M oller y algunos otro s teóricos se esforzaron en d esarrollar u n a teo ría m esónica de las fuerzas nucleares, pero sus com plicados cálculos fracasaron a la h o ra de explicar satisfactoriam ente ‫ ط‬fuerza fuerte. Dos principales causas del fracaso fueron que se sabía m uy poco sobre el m esón de Yukawa (p ió n ) y su interacción con los nucleones, y tam b ién que las teorías su p o n ían la existencia de sólo u n tip o de m esón. ? ٠٢ supuesto, tam p o co ayudó el hecho de que se creyera que el cu an to de Yukawa fuera el m esó n ligero que se conocía en la radiación cósm ica. Incluso con el nuevo m esón de 1947, que se desintegraba rápidam ente, el problem a de explicar las fuerzas nucleares resultó ser ex trem adam ente difícil. Se resolvió parcialm ente tan sólo a p rin cip io s de los sesenta, con el descu b rim ien to de nuevos tipos de m esones con vidas cortas. En su Teoría nuclear elem ental de 1947, Bethe escribió que la teo ría m esónica «hasta a h o ra n o h a p ro p o rc io n ad o n in g ú n resultado en

270


acuerdo cu an titativ o con los datos em píricos sobre fuerzas nucleares», y que «en este m o m en to n o existen resultados fiables sobre la teo ría m esónica de las fuerzas nucleares». O cho años después, en u n v o lu m en celebrando el septuagésim o cum pleaños de Bohr, L andau concJuia q u e «no se p u e d e n c o n stru ir teorías m esónicas sin p ro fu n d o s cam bios en )os p rin cip io s básicos de la física m oderna». Sin em bargo, el fracaso n o era to tal y, en cualquier caso, n o im p id ió q u e los físicos exploraran la e stru c tu ra del n ú cleo, in d ep en d ien tem en te de lo que lo m antuviera. El m o d elo favorito de finales de los años trein ta, y sobre el que se basó la com prensión del proceso de fisión, era el m o d elo de gota líquida, desarrollado en p articu lar p o r B ohr y W heeler. Según este m odelo, los núcleos son gotítas casi incom prim ibles de d ensidad ex trem ad am en te elevada, con los nucleones ligados a otros fuerte y colect¡vam ente, de m an era sim ilar a las m oléculas en u n a gota de agua. El m odelo consiguió u n gran éxito, p ero existían en to d o caso n u m ero so s hechos experim entales que no era capaz de explicar, ? o r ejem plo, el m o d elo de gota líquida no p o d ía explicar los estados excitados hallados en los espectros de la energía nuclear. En ]949 afrontó el desafío del m odelo de capas cuyas raíces, com o las del m o d elo de gota líquida, se rem o n tab a n a los años trein ta. Ya en 1933, el físico alem án W alter £lsasser, to m a n d o u n a sugerencia p ro p o rc io n a d a el añ o a n te rio r p o r el estad o u n id en se T. B arlett, había p ro p u esto que los nucleones p o d ría n o cu p ar niveles cuánticos en analogía con los electrones atóm iDe este m o d o , p o d ría explicar varias regularidades en las ab undancias de los elem entos quím icos y las energías de ligad u ra de sus núcleos. La idea de Elsasset' de «ca-

COS.

pas» nucleares era b ien conocida, pero carecía de justificación teórica; adem ás, no p o d ía re p ro d u cir las capas cerradas p a ra los n ú m e ro s neutrónícos 82 y 126 que los datos em píricos sugerían. Por esta razó n , se in sin u ab a que p o d ría ser «nunierología» ١٢٠ dado que co n trad ecía las ideas de B ohr sobre la e stru c tu ra nuclear, era despreciada p o r la m ayoría de los físicos, que p referían tra b a ja r con el m odelo de gota líquida, que tenía éxito em píricam ente. La realidad de algún tip o de disposición en capas quedó clara sólo en 1948, cuando M aria G o ep p ert M ayer ag ru p ó evidencias de d istintos cam pos que m o strab a n la realidad de lo que p ro n to em pezó a conocerse co m o «núm eros m ágicos». El n o m b re parece hab er sido acu ñ ad o p o r W igner. La física alem ana, nacida en Polonia, M ayer (de apellido de soltera, G o ep p ert) había estu d iad o en G otinga bajo la dirección de Born, y en 1930 em igró a Estados U nidos. En 1946 M ayer se m u d ó a Chicago, d o n d e trabajó con Ferm i y Teller y o b tu v o u n a plaza a tiem p o parcial en el nuevo L aboratorio Nacional de A rgonne. Fue sólo entonces cu an d o se percató de las sorp ren d en tes regularidades asociadas con ciertos n ú m ero s nucleares y cu an d o leyó el artículo de Elsasser de 1933. M ayer sostuvo persuasivam ente que los núcleos con 2, 8, 20, 50, 82 y 126 p ro to nes o n eu tro n es eran p a rtic u la rm en te estables y que p o r ta n to estos n ú m ero s m ágicos represen tab an capas cerradas en el núcleo. Estos núcleos n o sólo ten ían energías de lig ad u ra elevadas y m ayor n ú m e ro de isótopos, sino que eran tam b ién m arcadam ente m ás ab u n d an tes que los núcleos colindantes. Los datos sobre ab u n d an cia cósm ica de elem entos que el geoquím ico suizo-noruego V íctor G oldschm idt agrupó '

Temas nucleares

271

te d u ra n te ،os años tre in ta se utilizaro n para conseguir in fo rm ació n ta n to sobre el m icrocosm os com o sobre el m acrocosm os; estos d atos p ro p o rc io n aro n evidencia sobre la e stru c tu ra del núcleo atóm ico y fu ero n de crucial im p o rtan cia p a ra el nuevo m odelo universal del «big bang», d ebido a G am ow . D e hecho, M ayer llegó a su teoría nuclear de capas m ed ian te u n in te n to fallido de e n te n d e r cóm o se fo rm aro n cosm ológicam ente los elem entos. U na revisión de la explicación de Elsesser sobre los n ú m ero s m ágicos en té rm in o s de u n m odelo de capas fue p ro p u esta 1949, de m an era in d ependiente p o r M ayer y p o r los físicos alem anes H an s Jensen y sus colaboradores © tto Haxel y H an s Suess. Jensen h ab ía estado interesado en los n ú m e ro s m ágicos nucleares d u ra n te algunos años, y d u ra n te la g u erra h abía d iscutido el asunto con G oldschm idt en Oslo. En 1948 discu tió sobre ello con B ohr quien , a p esar de su interés p ro p io en el m odelo de la gota líquida, an im ó a Jensen a que desarrollara su idea. Sin em bargo, com o Jenses recordó en su discurso ،leí N obel, cu an d o m an d ó su artículo co m p artid o con Haxel y Suess a «una revista seria», fue rechazado p o rq u e «no es física en realidad, sino ju gar con Jos n úm eros». Sólo cu an d o envió el artícuJo a Physical Review, a través de W eisskopf, fue aceptado. In tro d u c ie n d o u n foerte acoplam iento en tre el m o m en to orbital y el m o m en to de espín de cada nucleó n , M ayer y Jensen p u d ie ro n explicar u n a am plia gam a de datos relacionados con Jos n ú m e ro s m ágicos, l.os núcleos p articu larm en te estables eran aquelíos con ó rb itas cerradas y u n m o m e n to angular to tal nulo. Los estados excitados se debían a «nucleones de valencia» q u e se m ovían en ó rb itas superiores. Al co n trario deí m odelo de la gota liquida, el m o d elo de capas su p o n ía que cada n u cleón se m ovía indep en d ien tem en te de los dem ás en eJ cam po nuclear, en órbitas casi im p ertu rb ad as. Por este m otivo, el m odelo de capas sim ple se conocía tam b ién com o u n m odelo de partículas indepen d ien tes. La p o ten cia explicativa y predictlva de la teo ría indicaba fae rte m en te que era al m enos p arcialm ente correcto, y fue ráp id am en te aceptado y desarrollado p o r o tro s físicos nucleares. El hecho de que el origen del necesario acoplam iento firerte en tre espín y ó rb ita fuera b astan te m isterioso im p o rta b a m enos. En 1963, la im p o rta n c ia del m odelo de capas fue reconocida p o r el com ite del N obel, que otorgó m edio prem io de Física co n ju n tam en te a M ayer y Jensen. (La o tra m itad se o to rgó a Eugene W igner.) Esta fue sólo la segunda vez, y hasta ah o ra la últim a, en la que u n a m u jer ganó el prem io. Sobre 1950 h abía p o r ta n to dos teorías principales del núcleo: el m odelo de gota líquida y el m odelo de capas. A m bos tu v iero n éxito, p ero el éxito fue lim itado, ya que fracasaban a la h o ra de explicar ciertos datos experim entales. Incluso cu an d o se elim inab an varias suposiciones que h acían eJ cálculo m ás ،‫ ؟‬im ple, y Jos m odelos se desarroliaban en versiones m ás sofisticadas, había aspectos que n in g u n a de Jas teorías podía explicar. A dem ás, es obvio que los dos m odelos se co n tradecían m u tu am en te: u n o veía el núcleo com o u n sistem a colectivo, el o tro consideraba Jos nucleones partículas independientes. Ésta era u n a situ ació n clásica en la h isto ria de la física y la respuesta estaba, com o en m uchas situaciones sim ilares, en co n sid erar los dos m odelos casos extrem os de u n m o d elo m ás general. En este caso, sería u n m odelo que incluiría a la gota

272


líquida adem ás de a$pect©s de partículas independientes. Jam es R ainw ater de la Uníversidad de C o lu m b ia se dio cu enta en 1950 de que la evidencia de los m o m en to s cuadru p o lares eléctricos nucleares estaba en desacuerdo con el m odelo de capas en el grupo de tierras raras; esto le llevó a sugerir que la fo rm a del núcleo no era esférica, sino distorsio n ad a en u n esferoide. A p roxim adam ente al m ism o tiem po, Aage B ohr (el hijo de Niels B ohr) y el físico estad o u n id en se-d an és Ben M ottelson em pezaron a desarrollar u n m o d elo b asado en núcleos en ro tació n con form a esferoidal en el cual las oscilaciones superficiales (u n aspecto de g ota líquida) se co m b in ab an con excitaciones de partículas aisladas (u n aspecto del m odelo de capas). D urante 1950-1953, Bohr y M ottelson desarrollaron su m odelo del núcleo, conocido com o el m odelo colectivo o rotacional. La principal característica de esta im agen del núcleo era el m ovim iento rotacional del núcleo, que se d efo rm ab a y se acoplaba con los estados de u n a sola partícula, ? o r aquel entonces, la física nuclear estaba fu ertem en te d o m in ad a p o r Estados U nidos, pero la m ayor p a rte del trab ajo de B ohr y M ottelson tuvo lugar en el in stitu to de Niels B ohr en C openhague, d o n d e u n g ru p o de físicos nucleares desarrolló el m odelo colectivo d u ra n te los años cincuenta. U n a de las m an eras en la que los físicos de C openhague consiguieron valiosa in fo rm ació n sobre la e stru ctu ra del núcleo fue m ediante la excitación de C o ulom b, es decir, excitación del núcleo atóm ico m ediante bom b ard eo con partículas cargadas de baja energía que n o p o d ían alterar el núcleo, sino sólo actu a r sobre él d ^ tro m a g n é tic a m e n te . D e esta m an era, y tam b ién de o tras, el g ru p o de C openh ag u e investigó sistem áticam ente los estados energéticos rotacionales y utilizaro n los datos p a ra co n firm ar y refinar el m odelo colectivo. Rainw ater, B ohr y M ottelson co m p a rtie ro n el p rem io N obel de 1975 p o r «su trabajo en la estru c tu ra in te rn a del núcleo atóm ico». Ése fue hasta a h o ra el ú ltim o p rem io oto rg ad o a trabajos en física nuclear, reflejando el hecho de que la era clásica de este cam po de la física llegó a su cim a alred ed o r de 1960. O tro p rem io N obel que tam b ién se o to rg ó p o r una c o n trib u ció n al enten d im ien to de la estru c tu ra del núcleo fue el del estad o u n id en se R obert H ofstadter, q u ien investígó los detalles del n úcleo m ed ian te experim en to s de esparcim iento de electrones. En p rincip io , este m éto d o era análogo a los exp erim en tos clásicos de esparcim iento alfa de Geiger y M arsd en que llevaron en 1911 al m o d elo atóm ico nuclear de R utherford. El b o m b a rd e o del núcleo con electrones ráp id o s tenía la ventaja de que se p o d ía n ignora r los efectos de las fuerzas nucleares, q u e n o se e n ten d ían bien. H ofstadter em pezó a utilizar el nuevo acelerador lineal de la U niversidad de Stanford en 1953, para estudiar ei esparcim iento de electrones de 116 M eV p o r m etales; tres años después, consiguió utilizar electrones con energías de 550 MeV. E xam inó los electrones esparcidos m ediante u n esp ectró m etro e n o rm e, especialm ente diseñado, y a p a rtir de los datos ded u jo cóm o variaba la d en sid ad de carga del n úcleo en fu n ció n de ‫ ط‬distancia al centro. A nim ad o p o r sus resultados, H o fstad ter aplicó en 1954 el m éto d o al hidrógeno para hallar la d istrib u ció n de carga en u n p ro tó n y tam b ién al deuterio, p ara exam inar la e stru c tu ra del d e u te ró n y el n e u tró n . Los experim entos de Stanford eran p o r tan to de interés n o sólo p ara la física nuclear sino p ara la física de partículas elem entales. Los

Temas nucleares

273

resultados m o stra b a n lo que se su p o n ía desde hacía tiem po: que el p ro tó n y el n eu tró n son distinto s aspectos de la m ism a partícula; y, adem ás, que esta p artícula, el nucleón, es u n objeto de ta m a ñ o finito, au n q u e sin co n to rn o s precisos. Al c o n tra rio de los núcíeos pesados, q u e tien en u n rad io b ien definido, se halló que la densidad de carga de los nucleones decrecía suavem ente a partir del centro. Se encontró u n radio prom edio, definido com o la raíz cuadrada del p rom edio del radio al cuadrado, de unos 0,74 X 10~15 m. H ofstadter se im aginaba a los nucleones rod ead o s de nubes de m esones, con las nubes sum ándose en el caso del p ro tó n y cancelándose en el n e u tró n . Sus experim entos m ostta ro n , com o dijo al final de su discurso del N obel en 1961, que «se h a en co n trad o ahora que el p ro tó n y el n e u tró n , antes co nsiderados partículas elem entales, son cuerpos altam ente com plejos».

Alquimia moderna La creencia de Ferm i en 1934 de que h abía p ro d u c id o nuevos elem entos quím icos m ás pesados que el u ra n io resultó n o ser válida, pero siete años después, los elem entos con n ú m e ro s 93 y 94 se h ab ía n convertido en u n a realidad. £st© fue sólo el p rincipio, au n q u e tuvo u n a im p o rta n c ia crucial. C on el d escu b rim ien to del n e p tu n io y el plutonio, se ab rió u n nuevo cam po de la física y la quím ica, la m an u fac tu ra y la ciencia de los elem entos tran su rán ico s. £1 recon o cid o m aestro de este cam po fue G lenn Seaborg, que em ergería m ás adelante com o u n im p o rta n te abogado de la energía nuclear y sería n o m b ra d o en 1961 presidente de la C om isión de la Energía A tóm ica. Ya en 1944, se descubriero n los elem entos de n ú m ero s 95 y 96 en el g ru p o de Seaborg en el Laborato rio M etalúrgico de la U niversidad de Chicago, y d e n o m in ad o s am ericio y curio, respectivam ente. M ien tras que el am ericio se identificó co m o u n p ro d u c to de la desinteg ración del p lu to n io -2 4 1 , el cu rio se p ro d u jo b o m b ard e an d o plu to n io -2 3 9 con partículas alfa en el ciclotrón de Berkeley. D espués de la guerra llegaron los elem entos con n ú m e ro s atóm icos en tre el 97 y el 101, llam ados berkelio, californio, einstenio, ferm ió y m endelevio (véase tabla 19.1). De éstos, los dos p rim ero s y el ú ltim o se m an u factu raro n « n orm alm ente», con partículas alfa aceleradas en u n ciclotrón. £1 einstenio y el ferm io, p o r o tro lado, se id entificaron p o r p rim e ra vez en los residuos recogidos tras la explosión term o n u clear de p ru eb a en nov iem b re de 1952 en el atolón £ n ‫؛‬wetok. £os científicos q u e exam in ab an los residuos en A rgonne, Los Á lam os y Berkeley concluyeron qu e los isótopos se h abían p ro d u cid o com o resultado de c ap tu ra n eu tró n íca en el intenso flujo p ro d u cid o en la explosión. D u ra n te su trab ajo m an u fa c tu ran d o e identificand o nuevos elem entos, los científicos de Berkeley se hicieron expertos en técnicas m icroanalíticas y a p ren d iero n a o p e ra r con lo que, p o r esa época, se considerab an cantidades de m ateria in creíblem ente pequeñas. Por ejem plo, la identificación del californio se realizó con u n to tal de 5.000 átom os. Incluso este n ú m e ro era grande co m p arad o con la p ro d u cció n del m endelevio, que tuvo lugar (p robablem ente p o r p rim era vez en la h isto ria de la quím ica) con u n a can tid ad no m ed id a del elem ento objetivo, einstenio-253.

274


TABLA 19.1 D escu b rim ien to de los elem entos '

‫ وا‬4 ‫ ا‬- ‫ وا‬6 ‫ا‬

Z Nombre

Símbolo

Año

Localidad

Descubridores

93 neptunio

Np

1940

Berkeley

E. McMillan, F. Abelson

94 plutonio

Pu 1941

Berkeley

95 americio

G. Seaborg, E. Me Millan

Am

G. Seaborg, R. James, 1944

96 curio

Cm

97 berkelio

Bk

99 einstenio

Es

101 mendelevio

Md

R. James

Berkeley

S. Thompson

Berkeley

S. Thompson, K. Street G. Seaborg, A. Ghiorso,

19‫وو‬ Fm

Chicago

G. Seaborg, A. Ghiorso, 19‫ و‬0

100 fermio

L. Morgan, A. Ghiorso,

G. Seaborg, A. Ghiorso, 1949

Cf

Chicago

G. Seaborg, A. Ghiorso, 1944

98 californio

1. Kennedy, A. Wahl

Berkeley etc.

et al. G. Seaborg, A. Ghiorso,

19‫وو‬

Berkeley etc.

et al. G. Seaborg, A. Ghiorso,

19‫وو‬

Berkeley

et al.

102 nobelio

No

19‫ و‬7

Estocolmo

H. Atterling et al.

103 laurencio

Lw

1961

Berkeley

A. Ghiorso et al.

Nota: Los datos no deberían tom arse demasiado literalmente. Los descubrim ientos de los elementos químicos, incluso si están m anufacturados, son eventos complejos que no pueden reducirse fácilmente a datos o nom bres correctos.

H asta el elem ento 101 incluido, el juego de los d escubrim ientos estaba com pleta m en te d o m in a d o p o r los físicos y quím icos estadounidenses -c alifo rn ia n o s, para ser p re ciso s- liderados p o r Seaborg. Los procesos de m an u factu ra estaban basados sobre to d o en el b o m b a rd e o con partículas alfa. Pero los californianos no ju gaban solos. Por ejem plo, el físico sueco H ugo A tterling y sus co laboradores utilizaron el ciclotrón del In stitu to N obel de Física p a ra b o m b a rd e a r u ran io -2 3 8 con iones acelerados de oxíge no. En com p etició n con los estadounidenses, d iero n a conocer la pro d u cció n del ele m en to 100 a p rin cip io s de 1954. Tres años después, en julio de 1957, u n g ru p o de físi cos estadounidenses, suecos y b ritán ico s utilizó el ciclotrón de Estocolm o para p ro d u c ir u n fuerte haz de iones de c a rb o n o -13 (13C 4+) y lo hicieron reaccionar con una m u estra de curio-244. A n u n ciaro n el d escu b rim ien to del elem ento 102 y pro p u siero n llam arlo, p o r obvios m otivos, nobelio. Los científicos de C alifornia, que n o estaban acostu m b rad o s a la co m p etició n en el juego de los descubrim ientos, no co n firm aro n

Temas nuclea‫"؛‬es ■275

_;k resultados de E stocolm o y d u d a ro n de que el elem ento 102 se h u b iera p ro d u cid o á m e n t e . E n c o n tra ro n el elem ento, p ero m ed ian te u n m éto d o distinto. C om o Seaborg escribió en u n artícu lo de recensión en Endeavour en 1959, «en abril de 1958 un ^rupo consistente en G hiorso, T. Sikkeland, j. R. W alton y el autor, identificaron en el laboratorio de rad iació n el isó to p o 102254 [...] A un q u e el n o m b re de nobelio p ara el elem ento 102 te n d rá sin d u d a q u e cam biarse, los investigadores no h a n hecho, h asta el m o m en to de esta redacción, sugerencias p a ra el nuevo nom bre». La controversia tam bién involucraba a u n g ru p o de científicos soviéticos, incluyendo a G eorg‫ ؛؛‬Flero^', que po n ía en d u d a la afirm ación estad o u n id en se y que p ro d u jo el elem ento 102 b o m b ardeando u ran io -2 3 8 con iones de n eó n . Al c o n tra rio de lo que Seaborg esperaba, al final el n o m b re de nobelio fue aceptado p o r la U n ió n In ternacional de Q uím ica P u ra y .Aplicada. Eos experim en to s alquím icos de los años cin cu en ta fo rm a ro n el en tra m a d o p a ra el trabajo p o sterio r en esta área. I.a síntesis de elem entos <
z> 101) co n tin u ó , y en

1998 se reconocía la «existencia» de veinte elem en-

tos artificiales, el m ás pesado co rresp o n d ien d o a Z = 1 1 2 . Los principales actores en la fase posterior de ‫ ط‬alquim ia m o d e rn a fueron el laboratorio I.awrence Berkeley, el centro de investigación nuclear de D u b n a en Rusia y la Gesellschaft fü r Schwerionforschung Sociedad p a ra la Investigación en Iones Pesados) en D a rm stad t, A lem ania. A algunos pioneros m ás de la física n u clear ta m b ié n se les reco n o ció con elem entos b autizados en su h o n o r, incluyendo a R u th erfo rd (ru th e rfo rd io , Rf, 104), B ohr (b o h rio , Bh, 107) y M eitn er (m e itn e rio , M t, 109). El viejo m aestro de la síntesis de elem entos, G lenn Seaborg, fue reco n o cid o con el elem en to de n ú m e ro 106 (s e ^ o rg io , Sg). N o rm alm ente, los elem en to s n o reciben n o m b res de científicos vivos, pero en 1997 la U nión In tern acio n al de Q u ím ica P u ra y A plicada reco m en d ó hacer u n a excepción en el caso de Seaborg.

Esperanzas y pel‫؛‬gro$ de la energía nuclear La teoría básica de u n reactor nuclear fue desarrollada d u ran te la guerra p o r Ferm i, W igner y otros, y se c o m p ro b ó en reactores m ilitares. D espués de 1945, se invirtió u n a gran cantid ad de trab ajo en co m p letar la co m p ren sió n de los procesos de fisión y en desarrollar u n a teo ría detallada del reactor nuclear. En 1958, con la publicación del m uy influyente The Physical Theory o f N eutrón Chain Reactors, de Alvin W einberg y Eugene W igner, el trab ajo de los físicos hab ía te rm in a d o en esta área. U na nueva especié de científico-ingeniero, el ingeniero nuclear, fue la responsable de la segunda fase del desarrollo de reactores nucleares. A los ojos del público, sin em bargo, eran físicos, y la ciencia física equivalía a nuevas m aravillas tecnológicas. Los prim ero s reactores nucleares, co m enzando con la pila de Chicago de 1942, eran experim entales (tabla 19.2). Los reactores p ro d u cto res de energía fueron desarrollados en sus com ienzos p o r ingenieros británicos, estadounidenses y rusos. Al principio, la nueva in d u stria nuclear basada en la ciencia avanzó con lentitud, pero a p a rtir de la m i-

276


TABLA 9.2‫ل‬ Selección de los p rim ero s reactores, 1942-1954 País EEUU EEU U

Localidad

Puesta en marcha

M oderador

Potencia ( k w )

C hicago

1942

grafito

0.3.

O ak Ridge

1943

grafito

2.000

EEU U

C hicago

1943

agua pesada

300

GB

H arw ell

1947

grafito

100

C an ad á

C h alk River

1947

agua pesada

GB

H arw ell

1949

grafito

URSS

M oscow

1949

agua pesada

EEU U

B rookhaven

1950

grafito

N oruega

© slo

1951

agua pesada

300

Francia

Saclay

1952

agua pesada

1.500

EEU U

Id ah o

1953

(n in g u n o )

1.400

GB

O b n in sk

1954

grafito

10.000 6.000 500 28.000

30.000

Nota: Todos los reactores eran más o m enos experim entales y todos, excepto uno, eran ‫ ﺀل‬tipo térm ico heterogéneo. La excepción era el reactor de 1953 de Idaho el cual es u n cultivador, usando el 90 p o r 100 de uranio enriquecido y sin m oderador. La energia dada en la últim a colum na es ‫ ط‬energía térm ica.

tad de los sesenta, el ritm o de desarrollo se in crem entó drásticam ente. Se podría creer que los líderes políticos e industriales de Estados U nidos acogieron la nueva fuente de energía e in te n ta ro n utilizar la avanzada posición de la nación en el área para construir u n sistem a de energía nuclear civil. Sin em bargo, éste no era el caso. M ientras que a los explosivos nucleares se les dio u n a alta p rio rid ad , el interés estadounidense en la energía atóm ica era inicialm ente lim itado. El país contaba con grandes reservas de petróleo y carbón, y las em presas industriales n o preveían u n am plio m ercado p a ra la tecnología nuclear. La p rim era estación de energía nuclear com ercial del m u n d o no fue estadounidense, sino la britán ica C alder Hall, que em pezó a funcionar oficialm ente el 17 de ‫ آه‬tu b re de 1956. El reactor se basaba en la labor experim ental realizada en Harwell p o r

‫ظ‬

Fundación de Investigación de la Energía A tóm ica, el in n ovador centro de investigación nuclear b ritán ico dirigido p o r John C ockcroft. M ás de un año después, u n a estación nuclear estadounidense siguió al reactor de C alder Hall, en S hippingport, Pensilvania, diseñada p ara p ro d u c ir 100 M W de p otencia eléctrica. Pero la ind u stria nuclear estadounidense ta rd ó bastan te en alcanzar el nivel de las dem ás. En 1966 G ran Bretaña era todavía el p ro d u c to r de energía nuclear m ás grande del m u n d o , © tros países la siguiero n m ás lentam ente, en m uchos casos después de co n stru ir prim ero, o im p o rtar, reactores experim entales (tabla 19.3). El p rim e r reactor soviético estaba listo en 1949 y, cinco años después, los científicos e ingenieros soviéticos habían co n stru id o la prim era

Temas ™cleares

277

r ‫؛ < ؛‬nt anuclear ،le، país; ai m enos de algún tipo, ya que p roducía sólo 5 M W de poten-_‫ ئ‬eléctrica y debería describirse com o sem iexperim ental. Al p rincip io , el interés de Estados U nidos en la energía nuclear estaba lim itado rr.n cip alm e n te a aplicaciones m ilitares, lo cual, en lo to can te a reactores, significaba el program a de su b m arin o s con p ro p u lsió n nuclear de la M arina. Fue d u ra n te este proíra m a cu a n d o se con stru y ó el reacto r n u clear que p o r p rim e ra vez p ro d u jo cantidades ¿preciables de electricidad. El reactor, d e n o m in a d o M ark 1, se encendió en la prim aver i de 1 9 5 3 . Bajo la dirección del alm iran te Fíym an Rickover, el p ro g ram a de la M arina ‫؛‬:guió adelante v igorosam ente y co n d u jo a la b o ta d u ra en 1 9 5 5 del N autilus, el p rim e r vehículo del m u n d o que fu n cio n ab a co n energía nuclear. A lgunos años después, u n a nave sem icivil siguió al N autilus, el rom pehielos soviético Lenin. A lgunos cargueros com erciales fuero n equipados m ás adelante con reactores nucleares, pero las brillantes ^ p e ra n z a s de u n a flota m u n d ial de naves fu n cio n an d o con u ra n io ni siquiera llegaron ‫ ق‬m aterializarse. La utilización m arin a de reactores nucleares quedó lim itada sobre to d o a los en o rm es su b m arin o s. El tip o de reactor favorito de la M arin a era el ordinario, o de agua «ligera», en el q u e se utilizaba agua ta n to com o m o d e ra d o r com o refrigerante. Este tip o de reacto r poseía ciertas ventajas técnicas, y, com o p o d ía construirse de m an era relativam ente sim ple y com pacta, era m u y ad ecuado p a ra los su b m arin o s y cargueros que Rickover planeaba. Ésta fue u n a im p o rta n te razón p a ra el d o m in io posterio r del reactor de agua ligera en el m ercado civil. La expansión explosiva de la ind u stria nuclear estad o u n id en se se p ro d u jo d u ra n te la a d m in istració n Kennedy, con la inauguració n en 1 9 6 3 de u n reacto r de agua h irv ien d o de 6 4 0 M W en © yster Creek, a petición de Jersey C en tral Fow er & Light Co. y m a n u fa c tu rad o p o r (General Electric. El m ism o añ o com enzó su fu n cio n am ien to el reacto r de agua presurizada de 5 7 0 M W TABLA 19.3 C recim iento en energía en G W (m iles de m illones de vatios), p a ra u su ario s m ayoritarios de energía n u clear entre 1954 y 1978 1954

1960

0,002

GB Francia

EEUU

URSS

1966

1972

1978

0,482

1,91

14,83

91-71

—

0,414

2,97

4,50

10,95

—

0,08

1,17

?..71

5,58

0,005

0,305

1,02

2,62

10,01

A lem ania O ccidental

—

0,015

0,33

2,33

13,51

C an adá

—

—

0,23

2,00

5,52

Japón

—

—

0,17

1,74

19,32

Italia

—

—

0,60

0,60

1,39 1-18

India

—

—

—

0,58

Suecia

—

—

0,01

0,45

5,58

0,007

1,296

8,41

34,74

184,91

Total m u n d ia l

278


C o n n ecticu t Yankee, c‫)؛‬n stru ‫؛‬do p o r W estinghouse. M uchos de los reactores in tro d u cidos en E uropa y Asia en los años setenta p ro v in iero n de estas dos com pañías. D irecta e in d irectam en te, las arm as nucleares co n tin u aro n siendo u n factor extrem ad am en te im p o rta n te en la evolución de la física en Estados U nidos, ?oco después de la guerra, tu v iero n lug ar m uch as discusiones sobre cóm o organizar la investigación nuclear en tie m p o de paz, especialm ente en lo to can te al papel de los m ilitares en la nueva organización y en cóm o p o n e r de acuerdo las responsabilidades internacionales con los p ro p ó sito s de defensa nacional. M uchos físicos y otro s científicos atóm icos eran activos en estas discusiones y fo rm aro n u n «m ovim iento científico» cuyo proposito era, en tre otras cosas, tra b a ja r p o r u n co n tro l civil de la energía nuclear. Su revista, el Bulletin o fth e A tom ic Scientists, se convirtió en u n im p o rta n te foro de política científica y discusiones sobro las consecuencias éticas de la creciente m ilitarización de la física (véase el capítulo 20). Sin em bargo, no existía nin g ú n consenso entre los físieos, que estaban m u y lejos de fo rm a r u n frente unificado co n tra la influencia de las fuerzas arm adas. Por ejem plo, la p ro p o sició n de ley original de 1945 que enfatizaba los intereses m ilitares en la investigación nuclear y atóm ica recibió apoyo de físicos p rin cipales com o Lawrence, Ferm i, A rth u r C o m p to n y ()p p cn h elm er. Sin em bargo el resultado del debate político fue la Ley de Energía A tóm ica de 1946, gracias a la cual se constituyó la C om isión de Energía A tóm ica (A £C). La AEC fue u n a organización civil p oderosa, y h eredó del estam ento m ilitar un g ran n ú m e ro de instalaciones de los años de la g uerra. A unque el establecim iento de la AEC fue p ercibido en general co m o u n a victo ria civil sobre los intereses m ilitares en los asuntos atóm icos, g ran p arte de ‫ ط‬investigación tem p ra n a de la AEC fue cedida a las fuerzas arm adas. La AEC se con v irtió en seguida en u n o de los grandes benefactores de la física estadounidense, a u n q u e n o era el m ayor de ellos. En 1949 la AEC y el D ep artam en to de D efensa (D © D ), en u n a p ro p o rc ió n m u y ap roxim ada de dos partes respecto a tres, c o m p u ta b a n ju n to s el 96 p o r 100 de to d o el dinero federal invertido en investigación universitaria en la ciencia física. La m ezcla de apoyo m ilitar y civil a la física causó p o ca p reo cu p ació n en tre la m ayoría de los físicos, para quienes el dinero no dejaba de ser dinero. Ya en tiem p o s del Proyecto M an h a tta n , la p osibilidad de u n a b o m b a de fu.‫؟‬lón o de hid ró g en o h ab ía sido seriam ente considerada y defendida, en concreto p o r E dw ard Te11er. La idea de u tilizar u n a b o m b a de u ra n io p a ra p rovocar u n a reacción term onuclear violenta parece q u e se le o c u rrió a Ferm i ya en el o to ñ o de 1941. En ‫ ظ‬prim avera de 1946, u n a conferencia dedicada a la posibilidad de u n a b o m b a term o n u clear concluyó: «Es pro b ab le que u n a su p e rb o m b a se p u e d a c o n stru ir y que funcione» (Rhodes 1995, p. 255). En cu alq u ier caso, al proyecto se le dio u n a p rio rid a d baja y posteriorm ente, en 1946, los estudios sobre la fusión te rm in a ro n en Los Á lam os. Fue sólo a raíz de la explosión nuclear soviética de 1949 cu an d o la idea de Teller de u n a «superbom ba» nuclear, apoyada tam b ién p o r Law rence y A lv arez en Berkeley, fue to m ad a en serio y consiguió apoyo político. En o to ñ o de 1949, el influyente C om ité Asesor Ceneral científico (GAC) de la AEC reco m en d ó n o p ro ced er con la b o m b a de hidrógeno. La

Temas nucleares

279

m avoría, que consistía en O p p en h eim er, C o n an t y Lee D uB ridge (un físico y presiden:‫ ة‬de C altech), a rg u m e n tó con té rm in o s éticos y políticos que la b o m b a era innecesa~ ‫ ق‬- d e hecho, n o d e se a d a - p o rq u e «involucraría u n a decisión de llevar al m atad ero a -_r. am plio n ú m e ro de civiles». Ferm i y Rabi, au n p u b lican d o su apéndice m in o ritario , ^ a b a n de acuerdo en el rechazo de lo que consid erab an ser «un peligro p ara la h u m an id ad en general» y «necesariam ente u n a cosa m ala a todas luces». La «súper», es^ b i e r o n , «no p u ed e ser justificada en n in g ú n cam po ético que otorgue al ser h u m aT‫؛‬o una cierta in d iv id u alid ad y d ig n id ad incluso si o cu rre que sea u n residente de un país enem igo» (B adash 1995, p. 93). Ya en 1946, A rth u r C o m p to n h abía avisado que *este desarrollo n o deb ería ser llevado a cabo, p rin cíp alem ente p o rq u e deberíam os preferir co m b atir en u n a g u erra en vez de conseguir u n a v ictoria o b ten id a a expensas del en o rm e desastre h u m a n o que sería causado p o r su uso d eterm inado» (R hodes 1995, p. 207). Existían o tras voces, m ás ruidosas, especialm ente la de Tellcr, que arg u m en tab a con p asión a favor de u n p ro g ram a de choque term o n u clear. D u ra n te el prin cip io de la G uerra Fría, su voz llegó a los oídos de m u ch o s políticos y, lo que n o so rprende, a m u chos generales y alm irantes. La reco m en d ació n del in fo rm e co n trovertido del GAC no tile aceptada y en 1950 el p residente T rum an au to rizó el desarrollo de u n a sup erb o m ba basada en la fusión. La m ayoría de los m ejores físicos estadounidenses, incluidos algunos de aquellos (com o O p p en h eim er, B ethe y Ferm i) que habían discutido en contra de la su p erb o m b a, ah o ra estaban involucrados colectivam ente en u n esfuerzo para en co n trar el cam in o de cóm o c o n stru ir la b o m b a. La idea fu n d am en tal era la de hacer u n a m asa de m ezcla de d euterio y tritio p o r el en o rm e calor p ro d u c id o p o r u n a bom ba de fisión. D u ra n te u n tiem po, esto parecía casi im posible, pero en la prim avera de 1951, Teller y el m atem ático Staníslau‫ ؟‬D lam en c o n tra ro n u n m o d o de co n c en trar la presión de la radiació n de la b o m b a de fisión de tal m o d o que com p rim iera y calentara el com bustib le de la fusión. C u an d o obtuvo la solución, conocida com o la aproxim ación del acoplam iento de la radiació n , se dijo que O p p en h e im er se había im presionado p o rq u e era «técnicam ente ta n dulce» (Kevles 987‫ ا‬, p. 378). C on este im p o rtan te hito, el trab ajo en Los Á fam os siguió su curso tal com o estaba planeado, y en 1952 estaba listo ü n ap arato de p ru eb a te rm o n u c le a r llam ado «Mike». Fue d eto n ad o con éxito en el atoló n Fniw etok en el Pacífico el 1 de nov iem b re de 1952. Llevó año y m edio de d u ro trab ajo el desarrollo de «Mike» en u n a b o m b a real que p u d ie ra ser lanzada desde u n avión. £1 resultado fue «Bravo», q u e explotó el 1 de m arzo de 1954. Fl rendim iem o destructivo fue im p o n en te, co rresp o n d ien d o a u n as 15 m egatoneladas de din am ita o m ás de m il veces la de la b o m b a de H iro sh im a de 1945. Las b o m b as de hidró g en o , elaboradas sobre to d o p o r razones políticas, fiieron triu n fo s de la ciencia e ingeniería estadounidenses, p ero n o tan to p ara la política mu n dial estadoun id en se. En 1949, la u n ió n Soviética explotó su p rim e r ap arato nuclear, un equivalente de la p ru e b a «Trinity» estad o u n id en se de 1945 que, com o aquella, funcíonaba con plu to n io . Fue esta b o m b a la q u e en gran m ed id a aceleró los e$fuer'¿o$ estad o unidenses p ara c o n stru ir u n a b o m b a aú n m ás p o te n te y p o r ta n to conseguir u n a

280


ventaja decisiva en ‫ ط‬G u erra Fría que hab ía sido recientem ente, sí b ien no declarada, sí reconocida com o u n a realidad. Pero la ventaja d u ró poco. La U n ió n Soviética siguió con celeridad en su carrera de nuevas arm as, p rim e ro en agosto de 1953 con u n aparato de p ru e b a term o n u clear y después en 1955 con u na b o m b a de h idrógeno lanzada desde u n avión. El ren d im ien to estim ado en unas cuantas m egatoneladas fue m en o r que la b o m b a estadounidense, pero era u n a su p erb o m b a y resultó ser sólo el principio. La m ayor explosión provocada jam ás p o r el h o m b re fue conseguida en 1961, cuando la U nión Soviética p ro b ó u n nuevo tip o de b o m b a de hidrógeno. El p o d er explosivo fue de 58 m egatoneladas de d inam ita, co rrespondientes a casi 5.000 bom bas de H iroshim a.

Energía de fusión controlada A p artir del trabajo hecho en la b o m b a de hidrógeno, era natu ral estudiar la posibilidad de usar la energía de fusión tam b ién p ara fines pacíficos, en concreto con el objeto de desarrollar u n reactor de fusión com o análogo al reactor de fisión. El p rim er intento en esta dirección, confinando plasm a caliente en u n cam po m agnético, n o fue p o r ‫؛‬nsplración de la b o m b a de hidrógeno, sino p o r la teoría de las reacciones term onucleares de Bethe. Ya en 1938, dos físicos estadounidenses de física aplicada, A rth u r K antro^'ltz y Eastm an Jacobs, in ten taro n o btener fusión en u n gas de hidrógeno enrarecido encapsulado en un toroide m agnetizado. De m anera no sorprendente, fracasaron. La posibilidad de la fusión controlada fue debatida d u ran te la ú ltim a fase del Proyecto M anhattan, pero n o fue sino hasta 1951 en que se convirtió en u n p ro g ram a de investigación real bajo ‫ط‬ AEC. El p rogram a, conocido com o Proyecto Sherw ood, incluía a u n gran n ú m ero de laboratorio s destacados de física, y se realizaron ocho conferencias de Sherw ood entre 1952 y 1958. Los participantes m ás im p o rtan tes de Sherw ood fheron Los Álam os (con 46 físieos participantes en u n a o m ás de las conferencias de Sherw ood), la U niversidad de Princeton (con 41), el L aboratorio de Radiación de ‫ ظ‬U niversidad de C alifornia (con 86), y el Laboratorio N acional de © ak Ridge (con 22). Sherw ood era gran ciencia, y ciencia cara. El presidente de la AEC entre 1953 y 1956, Lewis Strauss, fue u n gran defensor de la ftrsión controlada, y estaba convencido de que el p ro gram a tendría éxito solam ente sí se le dotaba de suficientes recursos. El dinero n o fue u n problem a: desde 1954 a 1958, Strauss increm entó la inversión en el p ro g ram a de fusión desde los 1,8 m illones a los 29 ‫د‬ m illones. «Sin duda, n o existe u n a reducción de d inero para este trabajo», destacaba un inform e sobre el Proyecto Sherw ood en 1956. «De hecho, u n o tiene la im presión al visitar su.‫ ؟‬diversas instalaciones que el n ú m ero de dólares disponibles p o r cada buena idea m ás bien es incó m o d am en te grande. Existe con certeza u n sentim iento de algo de presión para que se gaste el dinero que está disponible» (B rom berg 1982, p. 44). En los Estados U nidos, el pionero de ‫ ظ‬fusión controlada fue Lyman Spitzer, u n astrofísico q u e había trabajado a tiem po parcial en el proyecto de la b o m b a de hidrógeno y C U )'0 $ estudios astrofísicos le habían convertido en u n experto en la física del plasma. La idea fu n d a m e n ta l de la energía de fusión co n tro lad a es sim ple, en concreto, a lg e así com o co n fin ar ‫ س‬plasm a de h id ró g en o pesado y caliente m ed ian te cam pos m a g

Temas nucleares

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néticos y calentar el plasm a a los m u ch o s m illones de grados necesarios para que los procesos de fusión © curran con u n a frecuencia r a z o n a b l e . £ n su etapa m ás tem p ran a, los principales pro b lem as e n co n trad o s eran: (1) calentar el plasm a; (2) m an te n er el proceso de firsión, esto es, hacer que la energía liberada en el plasm a fuera al m en o s suficiente p a ra m an ten er la te m p e ra tu ra, y (3) co n fin ar el plasm a en u n estado estable. Spitzer sugirió u sar la reacción d e u te ró n -tritó n 2H + 3H —> 4H e + n + 17,6 MeV, que habría sido m ás fácil de conseguir que la reacción d eu te ró n -d eu teró n , bien en la form a 3H e + n + 3,2 M eV o bien com o -’H + 1H + 4,0 M eV E ntre las desventajas de la prim era reacción m en cio n ad a era q u e usaba tritio , que n o existe en la naturaleza, pero esto fue m ás que co m p en sad o p o r la p ro d u cció n may©r de energía y la m e n o r tem peratu ra de ignición necesaria p ara u n proceso autosostenible. M ientras que esta tem peratu ra es de u n o s 45 m illones de K p ara el proceso de d e u te ró n -tritó n , es de unos 400 m illones de K p ara los procesos d e u te ró n -d e u teró n . Eos estadounidenses a fro n ta ro n el p ro b lem a del co n finam iento de m o d o s distintos, de entre los cuales m en cio n arem o s sólo la solución técnica m ás favorecida en la fase tem p ran a, c©noc‫؛‬da com o el stellarator. Spitzer d em o stró ' ' '

que u n to ro

enroscado en fo rm a de o cho (u n tu b o stellarator) y sup lido con bobinas p o rta d o ra s de corriente p ro p o rc io n a ría u n cam p o m agnético axial ad ecuado para confinar el plasm a. El p ro g ra m a stellarator fue iniciado en 1951 p rim a ria m e n te en la U niversidad de P rinceton. Los experim ent© s con el stellarator sufriero n varias m odificaciones y su diseño fue grad u alm en te m ejo rad o al ir consiguiendo los físicos m ás conocim ientos. A finales de 1954, Spitzer y su g ru p o ten ían listo u n stellarator a gran escala (llam ado ¡nodelo D ), u n a m áq u in a de m ás de 150 m etros de largo que o p eraba a u n a tem p e ratu ra de unos 200 m illones de K. La inversión total se estim ó en cerca de m il m illones de dólares y se estim aba q u e la m áq u in a p o d ría p ro p o rc io n a r u n a salida n eta de potencia eléctrica de 5 GW. En cualq u ier caso, n o se llegó tan lejos. En 1954, Teller argüyó que aparecerían inestabilidades en el stellarator an te corrien tes grandes, y la evidencia experim ental de 1955 parecía co n firm ar su predicción. El trab ajo con el m odelo D fue deten id o y se decidió ganar en experiencia con los m odelos m ás p eq u eñ o s p ara p o d er en co n trar form as de estabilizar el plasm a. Al cam b iar la g eom etría esto se co m p ro b ó com o posible, pero sólo en cierto grad o y, a p a rtir de 1956, el p ro g ram a stellarator estaba en u n estado de incertid u m b re, si n o de crisis. A pesar de las num ero sas dificultades, el costoso p ro gram a co n tin u ó en u n a cierta atm ó sfera artificial de op tim ism o. En 1957 se em pezó el trabajo de diseño y co n stru cció n del stellarator de m o d elo c , diseñado para conseguir un a te m p e ra tu ra de u n o s 100 m illones de g rados Kelvin. En esa época, la a ctitu d oficial era aú n optim ista. A m asa Bishop, u n físico de altas energías que desde 1953 era el m iem b ro responsable del AEC p a ra el Proyecto Sherw ood, escribió sobre el pro g ram a del stellarator: «N um erosas dificultades experim entales c o n t i n ú a n plagando el pr©greso del trabajo; existen, sin em bargo, razones p ara creer que estas dificultades pu ed en y serán vencidas con el tiem po». Sobre el proyecto Sherw ood en general: «Con ingenio, trab ajo d u ro y u n p o q u ito de b u en a suerte, parece incluso razonable esperar que un

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aparato de p ro d u cció n de energía term o n u clear a gran escala p u ed a ser co n stru id o en el siguiente decenio o dos decenios» (Bishop 1958, pp. 167 y 170). D espués de todo, el concepto de stellarator sólo era u n a fo rm a de en tre varias de m an te n er el plasm a confinado en las condiciones adecuadas. Q uizá fue u n poco de b u ena suerte el que faltó al proyecto de stellarator. El proyecto co n tin u ó hasta finales de los años sesenta, pero n u n c a llegó a ceder paso a lo p ro m etid o . En esa época u n nuevo concepto, conocido com o el tokam ak y p rim e ro desarrollado p o r los investigadores rusos, em pezaba a parecer m ás prom eted o r. En consecuencia, los físicos de P rinceton cam b iaro n su proyecto de stellarator p o r u n proyecto tokam ak. El cam bio m u n d ial alrededor de 1970 hacia las m áqu in as tokam ak h a sido descrito com o u n cam bio de parad ig m a en la investigación de la fusión. D u ra n te la p rim e ra C onferencia In tern acio n al sobre Usos Pacíficos de la Energía A tóm ica en C in eb ra en 1955, H o m i Bhabha, el físico indio y jefe de la C om isión de Energía A tóm ica de su país, se refirió a la fuente de energía del fu tu ro en térm in o s ٠© m enos optim istas que los de Bishop: «Los pro b lem as técnicos son form idables, pero [...] m e aventuro a pred ecir que se e n co n trará u n m éto d o p ara liberar energía de fusión de u n a m a n e ra co n tro lad a en las dos décadas que vienen. C uando esto o cu rra, los problem as energéticos del m u n d o realm ente h ab rán sido resueltos p ara s ie m p re ,١۵ que el co m bustible será ta n a b u n d a n te com o el h id rógeno pesado de los océanos■ (B rom berg 1982, p. 67). U na de las razones del interés en la fusión con tro lad a es que p ro m e tía u n su m in istro p rácticam en te inagotable de energía barata. Incluso a principíos de los años cincu en ta, sin crisis energética alguna que am enazara, existía la percepción de que las reservas de los com bustibles fósiles eran lim itadas y que el com bustibie nuclear en fo rm a de u ra n io n o p o d ía ser la respuesta final al co n su m o m undiai en constante aum en to . La com u n icació n de B habha era u n a de las p rim eras veces en que u n físico habló ab iertam en te de la fusión controlada. El trabajo en el pro g ram a de fusión estado u n id en se era clasificado, y la p ro p ia existencia del Proyecto Sherw ood su p o n ía q u e era u n secreto. Éste tam b ién era el caso de sim ilares proyectos en otros países. U na de las razones p ara el secretism o era la significación m ilitar de las f u e n te intensas de n eu tro n es q u e 1a fusión co n tro lad a p ro p o rcio n aría. Sin em bargo, en 1956 se decidió que n o había razones n i m ilitares n i políticas p a ra m a n ten e r el trabajo en secreto. En 1958, en tiem p o s de la segunda conferencia de G inebra, ‫ﺳﻤﻬﻞ‬ 0‫ ة‬U nidos desclasificaron la m ayoría de sus trab ajo s y lib eraro n in fo rm ació n sobre el stellarator otros conceptos de la fusión controlada. -

V

Los Estados U nidos n o estaban solos en el in te n to de desarrollar la fusión controlada. En G ran Bretaña, G eorge p. T h o m so n p en só en esta posibilidad ya en 1945 y ‫ﻟﻒ‬ año siguiente entregó u n a p etició n de p aten te de u n ap arato en el cual el deuterio gaseoso se calentaba m ed ian te u n a co rrien te altern a de alta frecuencia. La idea de T hom son era u n ap arataje de efecto «pinch» (o «pellizco» en castellano) en el cual el cam po m agnético co n fin an d o el plasm a n o era externo, sino que estaba provisto p o r la m ‫ﻓﻦ‬m a co rrien te del plasm a. Los ex perim entos de firsión británicos, que usab an ta n to 1‫ﺛﺚ‬ ideas de T h o m so n com o las de P eter T h o n e m a n n de la U niversidad de O xford, em pe

Temas nucleares

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zaron en 1949, antes del co rresp o n d ien te trab ajo am ericano. Estos experim entos re sultaron en la m á q u in a ZETA (de Z ero-E nergy T h erm o n u clear A pparatus), u n to ro re veno de d eu terio gaseoso y en cendido p o r u n pulso de 100.000 am perios o m ás. C u an do fue puesta en fu n cio n am ien to p o r p rim e ra vez la ZETA, se observaron en el plasm a ; n gran n ú m e ro de n eu tro n es, los cuales se estim ab an q ue ten ían u n a te m p e ra tu ra de al m enos u n m illó n de grados Kelvin. Fue u n resu ltad o p ro m e te d o r pero no estaba cla ro si los n e u tro n e s realm en te eran de o rigen term o n u clear y, p o r tanto, que se hu b iera conseguido la fusión. En 1958 resultó q u e la m ayoría de los n eu tro n e s no eran te rm o nucleares. La ZETA c o m p artió el d estin o del stellarator. A m bos fueron decepcionantes, si bien ncrprbvectos inútiles. Incluso siTos a b u n d an tes recursos usados en los procesos term onucleares co n tro la dos no creaban u n reactor de fusión, sí que creaban u n a nueva co m u n id ad científica. La física de plasm a es u n objeto de estudio m ás an tig u o y m u ch o m ás am plio que la fusión. La investigación en esta área se realizó en los años veinte y trein ta, cuan d o L angm uir era el p io n ero en los aspectos experim entales y L andau en los aspectos te ó ricos. En cualq u ier caso, el interés en el cam po era disperso y estaba lim itado a plasm as de bajas tem p eratu ras. La co m b in ació n de los estudios clásicos sobre plasm a con la nueva física de plasm a m agnético tra n sfo rm ó la especialidad en u n a subdisciplina científica im p o rta n te . La desclasificación y libre in tercam b io de info rm ació n entre in vestigadores estadounidenses, b ritán ico s y soviéticos después de la conferencia de G i nebra de 1958 p ro p o rc io n a ro n las condiciones de fo rm ación de u n a co m u n id ad in te r nacional de físicos de plasm a: com o expresó el físicos soviético Lev A rtsim ovih en su com unicación a la conferencia de G inebra, «este p ro b lem a [la fusión controlada] p a rece haber sido creado especialm ente con el objetivo de desarrollar u n a estrecha co o peración entre los científicos e ingenieros de varios países, que trab ajan en este proble m a de acuerdo a u n p lan c o m ú n y co n tin u am en te in tercam biando los resultados de sus cálculos, exp erim en to s y avances de ingeniería» (Post 1995, p. 1640). A la desclasifica ción le vino asociada u n a m area de publicaciones, la m ayoría de ellas clasificadas con an terio rid ad . Los investigadores de la fusión ah o ra em p ezaban a p u b licar en revistas de física corrientes, tales com o Physical R eview y tam b ién en la recientem ente fundada Physics o fF lu id s o, en la U n ió n Soviética, A to m ic Energy. A dem ás d isp o n ían de la re vista Nuclear Fusión, que fue creada en 1960 p o r la Agencia In tern acio n al de Energía A tóm ica (AIEA) y abarcaba artículos en inglés, ruso, francés y español. La nueva si tuación resultó ráp id am en te en nuevos cursos universitarios y program as de posgrado de física de plasm a de altas te m p e ra tu ras y en u n in crem en to de doctores en física en este cam po. En los Estados U nidos el n ú m e ro subió de 14 en 1960 a 99 en 1963, sien do en su m ayoría de la U niversidad de Prin ceto n , d o n d e la física de plasm a se había convertido en el m ayor p ro g ram a de investigación en 1958. O tro in d icad o r de la fu er za del nuevo cam po fue la creación de la D ivisión de Física de Plasm a en la A m erican Physical Society. El cam bio desde u n p ro g ra m a secreto o rien ta d o hacia u n a m isión, a u n a disciplina científica n o rm a l im plicaba u n cam bio en los m étodos y estándares ad optados p o r los físicos del plasm a. La apro x im ació n de ingeniería y a veces de ensa

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yo y e rro r d iero n paso a m éto d o s m ás sistem áticos y rigurosos, conform es con aquelíos de o tras di،sc‫؛‬p‫؛؛‬nas de física académ ica. El proceso hacia la respetabilidad c‫؛‬e n t‫؛‬fica, sin em bargo, n o tuvo lugar sin pro b lem as y h u b o físicos que veían la nueva disciplina con escepticism o. D u ra n te u n tiem p o , la investigación en plasm a y fusión gozó de u n a baja rep u tació n académ ica, en p arte deb id o a su herencia de u n proyecto clasificado com o secreto d ep en d ien te básicam ente de m étodos de ingeniería. C uarenta años y varios miles de m illones de dólares después de que T ho m so n y Spitzer pen saran p o r p rim e ra vez en cóm o o b ten er energía de fusión, los físicos e ingenieros siguieron con sus inten to s de desarrollar u n aparato p ro d u cto r de energía. En 1990 el tokam ak todavía era considerado el concepto de energía de fusión m ás p ro nietedor p o r su excelente h abilidad de co n fin ar el plasm a. En aquella época, las m áquinas m ayores e ran la TFTR (T okam ak F usión Test R eactor) de P rinceton y la eu ro p ea JET (Jo in t E uropean 'ló ru s). A finales de los años ochenta, am bas m áquinas consiguieron u n a calidad de confinam iento - e l p ro d u cto de la densidad del plasm a y el tiem p o que la energía perm anece en el plasm a antes de filtrarse- de 1,5 X 102° seg m ^ y u n a tem p eratu ra de unos 20 kEV (co rrespondientes a u n o s ‫ ل‬5‫ ر؛‬m illones de K). Éstas son condiciones cercanas al nivel crítico, d o n d e se p ro d u ce m ás energía de la que es usada. C om o alternativa a los m étodos de confinam iento m agnéticos, la antigua técnica del efecto «pinch» fue revivida y desarrollada perfe'،;tangente en los años noventa. Los prom etedores resultados hicieron concluir a u n destacado físico e ingeniero que «si podem os em pezar p ro n to a diseñar y co n stru ir el gran escalafón siguiente [la m áq u in a de 400 m illones de dólares X -l], creem os q u e p o d em o s te rm in a r el trabajo en diez años» {Scientific Am erican, agosto 1998, p. 27). De to d o s m odos, al final del m ilenio u n reactor que produzca energía n o se h a hecho realidad y la energía de firsión com ercial sigue siendo u n sueñ o del firturo, incluso posiblem ente de u n fu tu ro lejano.

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* física: ¿una sucursal militar?

La Segunda G u erra M un d ial m arcó u n h ito p a ra la ciencia estadounidense y para sus eientíficos. C am bió la n aturaleza de lo que significaba hacer ciencia y alteró de m anera radical la relación en tre ciencia, ad m in istra c ió n [...] ejército [...] e industria» (Form an 1987, p. 152). Fso escribió en 1984 Jefrold Zacharias, u n im p o rta n te físico de la década de los cin cu en ta con g ran experiencia en proyectos m ilitares y políticas cientifícas. £1 p u n to de inflexión m arcad o p o r ‫ ظ‬g u erra d ep endía en gran m ed id a de u n a nueva escala y e stru c tu ra de financiación de la ciencia, en concreto, un au m e n to espectacular de las subvenciones federales (a escala nacional). A ntes de la guerra, dichas ayudas eran insignificantes, alred ed o r de u n m illó n de dólares p a ra la totalid ad de la investigación básica de física en los F stados U nidos. Se h a estim ado que el m o n ta n te total de din ero federal p a ra física básica en 1953 fue de u n o s 42 m illones de dólares, o ‫ ظ‬m itad de esa can tid ad expresada en dólares de 1938. Los fondos federales reales para física básica en el p erio d o se v ieron, p o r tan to , in crem en tad o s en u n factor de al m enos veinte veces. A dem ás, existía el apoyo de la F u n d ació n Rockc'feller y de o tro s filántropos, pero esta fo rm a de financiación se co nvirtió en relativam ente insignificante en una era d o m in a d a p o r subvenciones m asivas de la a d m in istració n pública federal. En los años cin cu en ta y sesenta, los fondos federales eran en general sin ó n im o de presupuestos m ilitares o de d in ero del D e p a rta m e n to de D efensa y de la C om isión Energética A tóm ica (de carácter civil pero, en la práctica, o rien ta d a hacia lo m ilitar). El gráfico 20.1 resum e de q u é m an era los gastos m ilitares para investigación y desarrollo (1+D) cam b iaro n en tre 1935 y 1985. Hay q u e ten er en cuen ta que el I+ D es u n a categoría m u ch o m ás am plia que la ciencia, que a su vez es m ás am plia que la física. El objetivo es destacar la escala de la investigación m ilitar y el gran porcentaje que constituye lo su b vencionado p o r la ad m in istració n pública. For supuesto, sólo había u n a pequeña p arte de este d in ero d estinada a la física, p ero era u n a p arte fun d am en tal del

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1. Gasto militar en 1+D (dolare ‫ ؛‬constantes de 1964 (, ‫ ا‬9 ‫ت‬ 1960.

-5 -

1 bis. ídem , 196 0-1985. 2 . I + D m i l i t a r e am o porcentaje ie toda la I+D f، deral, 1935-

1960.

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2 bis. ídem , 19Í 0-1985.

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1970 1945

1975 1950

1980 1955

1985 1960

A ños fiscales Gráfico 20.1. El desarrollo de los gastos de I+D militares de EEUU, 1935-1985. El gráfico está doblado para facilitar una com paración entre los dos periodos 1935-1960 y 1960-1985. Fuente: ®'Í9S7 por The Regents o f the University o f California. Reimpreso de Historical Studies in the Physical and Biología¡! Sciences, vol. 18, gráfico p. 153, con permiso. ٠-----

presupu esto de la física estad o u n id en se y, p o r ta n to , de la física m undial. En to rn o a 1950, alred ed o r del 70 p o r 100 de to d o el tiem p o de investigación de los físicos en la universidad se em pleaba en estudios p atro cin ad o s p o r el D ep artam en to de Defensa (D O D , p o r sus siglas en inglés) o la C om isión de Energía A tóm ica (A tom ic Energv C om m ission, AEC). Al m ism o tiem p o , el 98 p o r 100 de los 22 m illones de dólares em pleados p o r el g obierno en física académ ica venía de u n a de las dos instituciones m e n cionadas. C o n el auge de la F u n d ació n N acional de la C iencia (N ational Science F oun datio n , NSF), el porcen taje d ism inuyó, p ero no de m a n era drástica. En 1960, bajó al 92 p o r 100. Los d atos de apoyo federal a la física fu n d am en tal de estado sólido ilustran la


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estructura general de d istrib u ció n de fondos. En 1953, esta área recibió 3,1 m illones de dolares en apoyos federales, de los cuales solam ente 10.000 dólares venían de la NSF. D os años después, el apoyo se in crem en tó a 4,5 m illones con 3,8 m illones provenientes del presup u esto m ilitar, 0,6 m illones de la AEC y 0,1 m illones de la NSF. El apoyo rruiitar se dividía en tre el Ejército, la M a rin a y las Fuerzas Aéreas en u n a p ro p o rció n de " : 6 : 5 . Sin fijarnos en los detalles, d u ra n te las dos p rim eras décadas después de la gue rra, las fuentes d o m in a n te s de financiación de la física estad ounidense estaban todas relacionadas con el sistem a m ilitar. N o debería so rp ren d ern o s que algunos físicos p en saran que su ciencia estaba peli c a n a m e n te cercana a convertirse en u n a sim ple ra m a de la estru ctu ra m ilitar. Philip M orrison; u n o de los científicos jóvenes del Proyecto M an h attan , hizo co n star su p re o cupación en 1946, declaran d o que «por cada d ó lar que la U niversidad de C alifornia ;a sta e n 'su s físicos de Berkeley, la A rm ad a gasta siete [...] En algunas escuelas el n o venta p o r 100 de su apoyo en investigación p roviene de los fo ndos del Ejército». M orrison estaba p reo cu p ad o de lo que parecía u n a m ilitarización de la física, pero se dio cuenta del dilem a q u e a fro n tab an ta n to él co m o sus colegas, «el físico sabe que la si tuación es equivocada y peligrosa. Sabe que debe seguir adelante, p o rq u e sin d u d a n e cesita el din ero [...] N o es sólo q u e la g u erra le h a enseñ ad o que u n esfuerzo m u y apovado económ icam en te p u ed e a u m e n ta r m u ch o su efectividad, sino tam b ién que su cam po ya n o sigue g iran d o en to rn o a lo que hacen posible pequ eñ o s gru p o s de h o m ares [...] el físico necesita apoyo m ás allá de la cap acid ad de las universidades. Si la O N R [O ficina de Investigación Naval, Office o f N aval R esearch], o su nuevo equiva lente en la A rm ada, el G -6, aparece con u n b u e n co n trato , sería casi im posible rec h a zarlo» (M o rriso n 1946, p. 5). M o rriso n hizo ca m p a ñ a p a ra que la NSF civil, entonces cuestionada, sustituyese a las in stitu cio n es m ilitares com o principales benefactores de la física. La filosofía de la NSF estaba basada en gran m ed id a en las ideas de V annevar Bush en su inform e de 1945, Science: The Endless Frontier. En este influyente trabajo, Bush p ro p u g naba u n a «organización co n tro lad a p o r lo civil con relaciones estrechas con la A r m ad a y la M arina, p ero con fon d o s directos del C ongreso, y el p o d er claro de iniciar investigación m ilitar q u e servirá co m o su p lem en to y fortalecim iento a la investigación llevada a cabo d irectam en te a través del Ejército y la M arina» (Schweber 1989, p. 676). No obstante, cu an d o la NSF em pezó en 1950 tenía u n o s recursos m uy lim itados, y p o r tan to u n a im p o rta n c ia relativam ente baja en sus com ienzos. Sólo en 1972 o cu rrió u n cam bio im p o rta n te al aprobarse en el C ongreso de Estados U nidos la en m ien d a de M ansfield, en v irtu d de la cual las in stitu cio n es m ilitares debían restrin g ir sus esfuer zos investigadores a proyectos de relevancia m ilita r y a b a n d o n a r su co m p ro m iso con la investigación básica. A unque siem pre h u b o físicos resentidos p o r el papel m ilitar en la ciencia civil, eran pocos y sin m u ch a influencia. Al declararse la G u erra de Corea, las críticas fueron m uy silenciadas. M uchos físicos q u e eran críticos con el d o m in io m ili ta r ah o ra acep tab an la situación y estaban dispuestos a trab a jar para los m ilitares o a recibir su dinero.

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Los nexos en tre ١٠ m ilitar, la in d u stria de defensa y los físicos fueron reforzados aún m ás después del llam ado «im pacto del sp u tn ik» en 1957. En ese m ism o año, el presid ente Eisenhow er estableció u n a nueva in stitu ció n en la Casa Blanca, el C om ité Asesor del P residente en Ciencia, dirig id o p o r James Killian, presidente del M IT (M assachusetts Institu te o fT ech n o lo g y ). El com ité de Killian estaba d o m in a d o p o r físicos, así com o el de su sucesor, Jerom e W iesner, asesor científico del presidente Kennedy. Tanto K illian com o ^îesner estu d iaro n física e ingeniería y ten ían conexiones cercanas con los m ilitares. El n acim ien to en 1958 de ‫ ظ‬NASA (N ational A eronautics an d Space Adm in istra tio n ) p ro d u jo nuevas ventajas p ara los físicos. La G u erra Fría y la carrera espacial y de m isiles crearon o p o rtu n id a d e s única.‫ ؟‬p a ra los físicos que ah o ra p o d ían en m u ch o s casos elegir en tre los fondos de la a d m in istració n m ilitar (D O D ), civil (NSF, NASA) y cuasi-civil (AEC) p a ra sus proyectos de presupuestos m ás elevados que n u n ca. En los años sesenta, los físicos de Estados U nidos estaban en la cúspide del m u ndo, en lo económ ico, social y científico. La atm ósfera general de entusiasm o p o r la ciencia y de o p tim ism o tecnológico sin b arreras h a sido descrita entusiastaniente p o r Daniel Kevles: «Era u n a época en la cual los estadounidenses señalaban a los físicos nucleares com o la tercera m ejo r profesión en cu an to a su estatus, habiendo sido los decim oquintos en 1947, p o r encim a de tod o s excepto de los jueces de la C orte Suprem a y de los médicos; cu an d o los físicos, en tre otros científicos, eran identificados no sólo com o los constructores de b o m b as y misiJes sino los progenitores de aviones, ordenadores, telefonía de m arcación directa, radios de transistores, equipos de sonido estereofónicos y televisión en color, cu an d o ‫ ط‬investigación y desarrollo en el cual Clark Kerr, presidente de la U niversidad de C alifornia llam ó a ésta la “era de la in d u stria del conocim iento” eran supuestas generadoras de u n a expansión económ ica infinita» (Kevles 1987, p. 391). Los físicos estaban m im ad o s ta m b ié n en lo económ ico. En 1958, Ja p o b lació n de físicos era de J2.702, siendo sus dos cam p o s principales Ja física nuclear (2.622) y la física de estado sólido ( 9 2 6 .‫)ل‬. En té rm in o s cuantitativos, la c o m u n id a d de físicos no era ta n im p resio n an te. En el m ism o año, Estados U n id os contaba con 35.805 quím icos y 18.0f5 biólogos; incluso las ciencias de la tierra, con 13.071 geólogos, ten ían m ás científicos que la física. Pero au n q u e hab ía casi tres veces m ás quím icos que físicos, Ja quím ica recibió sóJo Ja m itad de fondos federales p ara investigación. C ada físk o recibió de m edia lf.0 0 0 dólares, siendo la can tid a d p a ra cada quím ico de 1.900(dólares, para cada biólogo 4.900 y p a ra geólogos y m atem ático s las cantidades eran de 1.80ífy 1.700 respectivam ente. El apoyo m ilitar n o estaba lim itad o a las áreas de pertin en cia directa e incluso indirecta a lo bélico, sino que cu b rían to d o s los aspectos de Ja física, incluyendo áreas que parecerían de m ín im a im p o rta n c ia p a ra los intereses m ilitares. N um erosos laboratorios, conferencias, escuelas de veran o y proyectos de investigación eran financiados en p arte o co m p letam en te p o r las institu cio n es m ilitares. El sistem a enseguida se m ultiplicó com o las setas convirtién d o se en u n a in d u stria pro p ia y en u n a p arte n atu ral de la vida diaria de los físicos y, en cierto m o d o , así sigue siendo en nuestros días. C om o ejem plo de investigación m ilitar física en lo que parecería estrictam ente u n área no m i


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litar, estarían los L aboratorios de Irwestigación A eronaútica (A eronautic Research Laboratories, ARL) en la base aérea \^ ^‫؛‬g h t-P atterso n en O hio. Encabezada p o r Joshua G oldberg, en 1956 los ARL in iciaro n u n a investigación

‫؛‬I m p o r t a n t e

y u n p ro g ram a de

apoyo a ‫ ط‬relatividad general, en u n a época en q u e esta ram a de la ‫؛'؛‬sica m atem ática era incluso m ás esotérica e in ú til que h oy en día. D u ra n te sus dieciséis años de ex‫؛‬stencia - fu e elim in ad o p o r la en m ien d a M an sfield - el p ro g ram a desem peñó u n papel m uy ‫؛‬m p o rta n te en la revitalización de la teo ría de la relatividad general. P or ejem plo, apoyo a teóricos p u n te ro s co m o John W heeler, H e rm a n n B ondi, Pascual Jordán, Félix Pirani, Roy K e rry A lfre d Schild. C om o u n a de sus p rim eras actividades, los ARL apoyaron, ju n to con la O ficina de Investigación de la A rtillería y la NSF, la conferencia de C hapel H íll de 1957 sobre «El papel de la gravitación en la física», su b vencionando ‫؛‬٨ cluso los viajes desde E uropa p o r tra n sp o rte m ilitar aéreo para los '' ' europeos. D u ran te sus ú ltim o s años, los ARI, o rg an izaro n m ás conferencias, apoyaron a teóricos estadounidenses y ex tranjeros y firm a ro n co n trato s con universidades. El trabajo resultante del p ro g ram a era científicam ente relevante, pero a d u ras penas de relevancia m ilitar. Los títu lo s típicos de los in fo rm es de los ARL eran «C uantización de las teorías de cam po covariante» (de Peter B ergm ann) o «C ontribuciones a los problem as reales de la relatividad general» (de Jordán). La m ás im p o rta n te de las p rim eras agencias de p atro cin io m ilitar en ciencia era p robablem en te la O N R , ‫ ظ‬cual en 1949 p o d ía decir que «el in m en so p ro g ram a un iversitario de investigación del D e p a rta m e n to de la M arin a es la cooperación m ás grande en tiem p o s de paz llevada a cabo en la h isto ria en tre el m u n d o académ ico y el gobierno». C on u n gasto total de ap ro x im ad am en te 20 m illones de dólares, «casi 3.000 científicos y 2.500 estudiantes universitarios están involucrados de m an era activa en proyectos de investigación básica en los n u m ero so s cam pos de interés vital p a ra la M ariña» (Schweber, 1988, p. 17). El gasto de la O N R era m en o s del 5 p o r 100 del gasto de la M arina en investigación y desarrollo hasta 1950 (ap ro x im ad am en te 1,8 miles de m illones), pero a u n así m ás que duplicaba el d ato to tal de 1940 de 8,9 m illones. En otras palabras, a lo largo de u n a década, el gasto de la M arina en investigación y desarrollo se m ultiplicó p o r el increíble factor de veinte. E ntre las num erosas actividades de la O N P se en c o n tra b a el p atro cin io del L ab o rato rio de C iencia e Ingeniería N uclear del MIT, con u n p resu p u esto en 1950 de casi 1,2 m illones. La O N P tam b ién organizó conferencias y escuelas de verano, siendo el estu d io «Proyecto H artwell» de 1950 u n o típico suyo. Éste era u n proyecto con certad o e n tre el M IT y la O N P , dirigido p o r Zacharias, d irecto r del L aboratorio de C iencia e Ingeniería N uclear. Su objetivo era estudiar la guerra su b m arin a, incluyendo su coordin ació n con las arm as atóm icas tácticas. El breve e intensivo estu d io atrajo a algunos de los m ejores físicos de la nación, com o Luís AJvarez, P o b ert D¡cke, Philip M orse, C harles L auritsen, E dw ard Purcell y Jerom e W iesner. Era u n o m ás de los n u m ero so s proyectos de estilo sim ilar que estaban siendo conducidos entonces y sin d u d a d u ra n te lo q u e q u ed ab a de siglo. Fue m uy im p o rtan te para los p rim ero s proyectos de defensa el hacer partícipes a físicos excepcionales de gran valía científica y de im p o rta n c ia com o m érito académ ico: si u n p rem io N obel y

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destacado físico p o d ía u n irse a u n proyecto m ilitar, ¿١٦() debería hacerlo usted? La M ariñ a y el resto de ‫؛‬as fuerzas arm ad as d isfru taro n de u n adm irable éxito en la estrategia. Sería m uy difícil p o d e r m en cio n ar a u n físico estad ounidense im p o rta n te que sistem áticam en te se negara a tra b a ja r en proyectos m ilitares. D esde 1950, m ás de trein ta prem ios N obel h ab ían recibido fon d o s directos del D e p a rta m en to de Defensa. La participacibn en trab ajo s o rien tad o s hacia la defensa se aceptó p ro n to e incluso era considerad a com o u n a cualificación académ ica. Lstados U n id o s n o fue el óuico país en m ovilizar físicos al servicio de ‫ ط‬G uerra Fría, ta m b ié n lo hizo la U n ió n Soviética. T anto p o r razones científicas com o m ilitares, era im p o rta n te p a ra los am erican o s y p a ra sus aliados occidentales conocer qué pasaba d e n tro de los lab o rato rio s soviéticos. La in m en sa m ayoría de la investigación sovíética no clasificada era p u b licad a en ruso, y p o r esa m era razón no era fácilm ente accesible p a ra los científicos occidentales. En 1955, el In stitu to A m ericano de Física, con el apoyo de la NSF inició u n p ro g ram a de trad u cció n de revistas científicas soviéticas para que los físicos occidentales p u d ie ra n estar al ta n to de los últim os avances en la U n ió n Soviética. Fíacia 1959, nueve revistas soviéticas eran trad u cid as p o r com pleto, ju n ta n d o unas 13.000 páginas en conju n to . Las revistas trad ucidas incluían la JETP (Revista de Física Teórica y Experim ental), la revista de resúm enes Uspekhi y Doklady, la sección de física de las Actas de la A cadem ia de C iencias de la URSS. ¿Cuál fue el efecto del p a tro cin io m ilitar m asivo de la física estadounidense? En prím er lugar, desde luego, hizo q u e creciera realm ente, n o sólo en física aplicada, sino en física fu n d am en tal, d o n d e la posición estad o u n id en se fue reforzada en su liderazgo m u n d ial. A parte del efecto que los intereses m ilitares tenían en la escala, organización y p rio rid ad es de la física, ta m b ié n es posible q u e influyera en el tip o de física que se investigara y en la actitu d de los físicos hacia su ciencia -« la naturaleza de lo que significa hacer ciencia», en palabras de Zacharias. A lgunos historiadores de la ciencia h an sugerido que hab ía en este p erio d o u n a o rien tació n general hacia los aspectos de ingeniería y física aplicada, ju sto el tip o de física en el cual estarían interesados los militares. El espíritu m ilitar se p u ed e id entificar incluso en la teoría esotérica, según arg u m en tan , en la a c titu d p rag m ática e in stru m e n ta l hacia la física de altas energías que caracterizaba a m u ch o s teóricos estadounidenses. M ientras que la teorización pragm ática no era u n invento de la g uerra, sino u n hech o característico incluso en los años trein ta, se p u ed e a rg u m e n ta r que la im plicación de los físicos en los proyectos m ilitares reforzó u n a ten d en cia ya existente y la co nvirtió en u n a n o rm a a escala m u n d i^ h Sea cual sea la validación de la p rem isa (la cual es difícil de especificar e incluso m^s difícil de p ro b a r), es u n hecho que los físicos n o rteam erican o s estaban b astante ínteresados en aquellos cam pos de la ciencia que p arecían de interés m ilitar, incluyendo electró n ica, in stru m en to s, física nuclear y física del estado sólido. Es entendióle que esos cam pos se llevaran gran p a rte del pastel de los fo n d o s federales. En 1953, p o r ejem plo, el 64 p o r 100 de los fon d o s federales p a ra investigación básica no clasificada en departam en to s un iv ersitarios de física fue destin ad o a la física nuclear, en ten d id a de m anera am plia. La física del estado sólido recibió u n 10 p o r 100, la investigación de rayos

Militarizaciún y megatendencias

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cósm icos u n 6 p o r 100, la física ató m ica 5 p o r 100 y la física de bajas tem p e ra tu ras u n ‫ ا‬p o r 100. (Véase tam b ién la tabla 21.4 del capítulo 24.) La breve descripción d ad a aquí se ha d eten id o exclusivam ente en el escenario estadounidense, d o n d e ‫ ظ‬evolución h istó rica de la relación en tre física y defensa ha sido objeto de m u ch o s estudios detallados. M ucho m en o s trabajo histórico h a sido realizado a pro p ó sito de las relaciones co rresp o n d ien tes en E uropa y en la U nión Soviética. No hay d u d a de que el caso am erican o era de p articu lar im p o rtan cia, no sólo p o r ser u n a relación m ás cercana y de u n a d im en sió n desconocida en E uropa, sino tam b ién p o rq u e Estados U nidos era el líder político, m ilitar y científico del m u n d o occidental. La relación en tre los físicos y los m ilitares era ta n cercana, o incluso m ás, en la U nión Soviética, pero se sabe m u y poco h asta ah o ra de la in teracción entre los dos estam entos. Lo m ilitar desem p eñ ó u n papel im p o rta n te en algunos países europeos, especialm ente en Francia y en Inglaterra, pero su papel n o llegaba ni de lejos a ser tan im p o rtan te com o el de los Estados U nidos. Y en algunos de los países europeos m ás pequeños, los m ilitares n o d esem p eñ ab an p apel alguno en la física. C ualesquiera que fu eran los roles atrib u id o s p o r las ftrerzas m ilitares en los sistem as científicos de E uropa y de los Estados U nidos, las dos regiones d o m in an tes de la ciencia m u n d ial evo lu cio n aro n de m an era b astan te diferente d u ra n te la década siguiente a la finalización de la S egunda G u erra M undial. U n a razón im p o rta n te p ara explicar el retraso de la física euro p ea era sim p lem en te q u e las naciones europeas estaban m ás em pobrecidas que los Estados U nidos. C u an d o u n físico n u clear estadounidense vis¡tó las instalaciones de física italianas en 1950, n o tó que éstas «están gravem ente em pobrecidas p o r la falta de d in ero p ara p o d e r investigar y con salarios bajos para los físicos». ? a ra los lectores de Physics Today (Física H oy), relató que el lab o rato rio de física de la U niversidad de R om a, orgullo de Italia, o p erab a con u n p resu p u esto anual de 20.000 dólares, «una su m a que p o d ría parecer rid icu la para cualquier universidad sim ilar en Estados U nidos» (P T , enero 1951). A un q u e la diferencia en p ro d u ctiv id ad y calidad entre los dos m u n d o s de la física n o eran debidas sólo a razones económ icas: estaba ta n to o m ás enraizado en las diferentes m entalidades, tradiciones culturales y en sistem as educativos. Esto fue reconocido de m an era clara p o r u n físico francés, A ndré G uinier, después de regresar en 1947 de u n a visita de dos m eses a unos lab o rato rio s estadounidenses. En u n a co m p aració n reveladora en tre am bos países, hizo hincapié en que los físicos am ericanos se especializaban desde jóvenes, m ien tras que los franceses «tenían u n gusto p o r la n o especialización» que les desfavorecía a la h o ra de p ro d u c ir resultados científicos. «El dilem a real es elegir en tre ten er u n co n ocim iento profirndo pero lim itad o o ten er u n co n o cim ien to m en o s p ro fu n d o pero am pliado a lo largo de varios aspectos», escribió. «Es en esta decisión en la cual los estadounidenses difieren de nosotros. N osotros siem pre consideram os la cu ltu ra general com o superior, ?ero a m en u d o nos olvidam os de reconocer que eso es superficial». G uinier estaba im presion ado p o r la atm ó sfera in fo rm al y cordial que observó en los labo rato rio s am ericanos y lo consideró com o u n a razó n p rim o rd ial p a ra explicar el éxito de la física estadounidense: «Entre directores y trabajadores, las relaciones son m u y libres. El trab a jad o r jo

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ven llam a a su jefe p o r su n o m b re de pila [...] en este p u n to u n o no puede sino envidiar el sistem a estadounidense: es indispensable en el trab ajo científico que la auto ridad no sólo provenga del rango sino de las capacidades. Esta atm ósfera hace posible el trabajo en equipo. H ay pocos artículos en las revistas am ericanas que no estén firm ados p o r dos o m ás n om bres. Existen trab ajo s recopilados p o r el c o n ju n to de trabajadores de lab o rato rio s g randes [...] A penas ha h ab id o sim ilares in ten to s de trab ajo en equipo en Francia que se hayan co ro n ad o con éxito» (PT, m ayo 1950).

Máquinas grandes El din ero a lo g ran d e n o es co n d ició n suficiente, pero sí necesaria, p a ra ‫« ظ‬gran ciencia», p o r ta n to n o so rp ren d e q u e la era de la gran ciencia en física coincidiera con el increm en to en las provisiones de fondos de las adm inistraciones. Sin em bargo, es imp o rta n te señalar q u e la gran ciencia no sólo es cuestión de tam añ o o dinero, y que tam poco es p u ra m e n te u n fen ó m en o posbélico. El observ atorio de Tycho Brahe (1580), la m á q u in a electrostática de M a rtin u s van M a ru m (1784) y el telescopio gigante de Earl de Rosse (1845) eran to d o s m u y grandes y e x trao rd in ariam en te caros en relación con los presup u esto s p a ra investigación de sus épocas respectivas, ?e ro eran excepciones, y no fue sino hasta la p rim e ra m ita d del siglo XX en q u e el e q u ip am ien to y los laboratoríos de la g ra n -p ro to -c‫؛‬encia em p ezaro n a influir en el curso de ‫ ظ‬ciencia. A n teriorm ente, hem o s m en cio n ad o el lab o rato rio de bajas te m p eratu ras de K am erlingh © nnes en Leiden com o u n ejem plo, y los ciclotrones de bawrence en los años trein ta del siglo XX com o van g u ard ia de las instalaciones científicas de la g ran física. Los grandes y caros ciclotrones necesitaban de u n a nueva organización de investigadores, u n nuevo espíritu de trabajo. Las m áq u in as d iero n paso al trab ajo en equipo y a u m e n ta ro n la dem anda de fondos externos y facilitaron el paso hacia u n a nueva a c titu d de lo que constituye la ciencia con éxito. Estos cam bios en los contextos in tern o s y externos de la ciencia, m ás que p o r el cam bio de escala, co n v irtiero n el sistem a de la gran ciencia en u n fen ó m e n o im p o rta n te . A unque la g ran ciencia de la posguerra*estaba lejos de estar ‫؛؛‬mitada a la física -d e se m p e ñ a b a u n papel de sim ilar im p o rtan c ia en astronom ía, por e je m p lo - se d esarrolló con m ás esp ectacularidad en asociación con aceleradores y o tros in stru m e n to s usados en física de altas energías. M ás que in te n ta r describir el desarrollo p o r com pleto, lo ejeinphficarem os al m en cio n ar unas pocas m áq u in as y los lab o ra to rio s m ás destacados. El crecim iento en la energía de aceleración de haces hasta m ediados de los años o ch en ta y las n u m ero sas fam ilias de aceleradores se m u estran en la gráfica 20.2. Los dos com plejos de investigación de aceleradores m ás im p o rtan te s de la tem p rana posg u erra em erg iero n com o consecuencia directa de los esfuerzos bélicos. El Laborato rio N acional Brookhaven (BNL), que sobre to d o d a servicio a universidades del noreste de los E stados U nidos, fue eq u ip ad o con varios aceleradores, siendo el m ás potente el C o sm o tró n . Este sin c ro tró n de p ro to n es de 3 GeV se basó en el concepto de la estabilidad de fase que describió Edw in M cM illan en 1945, y que fue sugerida de m a-


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.000 TeV о 100 TeV

10 TeV Anillo de alm acenam iento de protones (energía equivalente)

w

1 TeV

٥

Л، Щгу‫؛‬

11

Enfoque débil de sincrotrón protónico

100 GeV

LÜ>‫؛‬

¥

Linac electrónico

lO G eV

M 1 GeV

Sincrociclotrón

Enfoque débil de sincrotrón electrónico

Linac protónico Betatrón

100 M eV

٠''' Ciclotrón de enfoque por sectores

Ciclotrón

lO M eV

G enerador electrostático

G enerador rectificador

1 M eV

100 KeV 1930

J_ 1940

1950

1960

1970

J

1980

1990

Gráfico 20.2. Crecimiento de energía de haces de acelerador con el tiempo, 1930-1984. Fuente: Repro ducido con perm iso de Physics Through the 1990s: Elementary-Particle Physics. © 1986 p o r National Academy of Sciences, cortesía de National Academy Press, Washington, D.C.

ñera in d ep en d ien te p o r V ladim ir Veksler en la U n ió n Soviética. El o tro centro de ace leradores m ás im p o rta n te estaba en la C osta O este, en el L aboratorio de R adiación de la U niversidad de C alifornia, m ás tard e co nocido com o el L aboratorio de Radiación Lawrence (LRL). Allí se con stru y ó u n sin c ro tró n a u n m ás po ten te, el B evatrón de 9 m i

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llones de dólares, que en 1954 aceleró p ro to n es h asta u n a energía de 6,2 GeV. El Cosm o tró n y el B evatrón d o m in a ro n las p rim e ra s fases de la física de altas energías apoyadas en la aceleración, p ro m o v ien d o im p o rta n te s descubrim ientos, com o la producción en parejas de partículas extrañas en 1953 y el a n tlp ro tó n en 1955. Sincrotrones convencionales m ás p o ten tes que estas m áq u in as serían prohibitivos p o r su precio, pero u n nuevo tip o de acelerador, la m á q u in a de grad iente alternante, se m o stró com o u n m erecido sucesor. E1AGS B rookhaven (A lternating G radient S ynchrotron) de 1960 usaba u n p rin cip io llam ado de en foque fuerte y se convirtió en el siguiente acelerador estadounid en se altam en te exitoso. Fue alcanzado p o r el sin cro tró n de p ro to n e s (PS) diseñado in d ep en d ien tem en te p o r el CERN, siendo u n a m á q u in a de 30 m illones de dólares com p letad a en 1959 que p o d ía acelerar p ro to n es a 28 GeV. U n acelerador de p ro to n es au n m ás p o ten te se con stru y ó en el cen tro Serpukhov en Rusia. C on una energia de 76 GeV en sus com ienzos de 1971 fue, d u ra n te u n breve p eriodo, el m ayor acelerador del m u n d o . En 1957, los físicos de S tanford p ro p u siero n al AEC, al D O D y a la NSF c o n stru ir u n nuevo acelerador lineal de p artículas, u n desarrollo u lte rio r de u n tipo de acelerad o r lineal (o «linac») ya operativo en Stanford. La m áq u in a p ro p u esta era m ás que la co n tin u ació n de u n p ro g ram a existente, era u n paso hacia un nuevo rango de la gran ciencia. El acelerador, en su época el m ayor in stru m e n to científico de la historia, iba a te n e r 3,2 k m de largo, y su coste de co n stru cció n se estim ó en 78 m illones de dólares. Si no h u b iera sido p o r el im p acto del sp u tn ik, pued e que no se h u b iera c o n tin u a d o con el proyecto, que sólo tenía justificación p o r su valor en la física de alta energía. Eísenhow er quería d e m o stra r la fherza científica estad o u nidense y en u n a charla de 1959 precisam ente d e n o m in a d a «La ciencia, sierva de la libertad» dio apoyo al proyecto y decidió p ed ir al C ongreso h asta 100 m illones de dólares para llevarlo a cabo. El cam ino p o r el C ongreso fue de to d o m en o s fácil, y a m u ch o s les parecía, ta n to a políticos com o a científicos, que el proyecto era sim p lem en te dem asiado costoso com o para am o rtizarlo sólo p o r sus m érito s científicos. «¿Cuál será el resultado práctico de este acelerador?», p re g u n tó u n congresista. «¿Cuáles son las proyecciones de p o n e r en uso el co n o cim ien to que o b ten d rem o s del acelerador en u n uso práctico? ¿De qué m o d o subirá el nivel de v ida de n u e stra gente?» (W ang 1995, p. 354). La respuesta sin duda fue que el SLAC -S ta n fo rd Linear A ccelerator C en ter (C entro de A celeración Lineal de S ta n fo rd )- n o a u m e n ta ría el nivel de vida. Sin em b argo la p ro p u esta se ap ro b ó consiguiendo en 1961 114 m illones de dólares, firm án d o se u n co n trato el año siguiente entre Stanford y el AEC. Bajo el m a n d o de ^ôlfgang Panofsky, el SLAC estaba listo y operativo en 1966. Incluso a u n q u e el cen tro de aceleración no au m e n ta ra el nivel de vida de la m ayoría de los estadounidenses, consiguió o b ten er u n éxito tre m e n d o desde un p u n to de vista científico. C o m o verem os en los dos siguientes capítulos, el SLAC fue de u n a im p o rta n c ia crucial p a ra la nueva física de altas energías de la década de 1970. Los planes p a ra c o n stru ir u n acelerador estad o u n id ense au n m ás p o te n te que el Bevatró n , el AGS B rookhaven y el S in cro tró n Serpukhov, em pezaron al p rin cip io de los años sesenta. Iba a ser, com o casi to d o s los aceleradores, financiado p o r el AEC, u n a


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institución que en 1964 gastó 135 m illones en física de altas energías, Por ser u n gasto >m precedentes el de la nueva m áq u in a, sólo se p o d ía co n stru ir u n a, lo cual provocó grandes controversias en tre los g ru p o s en Berkeley y B rookhaven. D espués de m ucha discusión de d ó n d e localizar el centro n o rteam erican o de aceleración del futuro. Batavia, en Illinois, ganó a Berkeley y Brookhaven. En 1967, el presidente Johnson firm ó la pro p u esta de ley p ara el L aboratorio del A celerador N acional, o Ferm ilab (FNAL), pro vecto de 250 m illones de dólares alrededor de u n acelerador de 200 GeV. Bajo el liderazgo de Robect W ilson, p rim e r d irecto r del Ferm ilab, este in m enso proyecto fue com pletado en 1972. En cuestión de m eses, W ilson forzó al acelerador a p ro d u c ir u n haz de p ro to n es de 400 GeV, que era con diferencia la m ayor energía p ro d u c id a en u n lab o rato rio . Pero esto n o era todo. El m éto d o de alm acen am iento de rayos en ó rb itas fiias para p o ste rio rm e n te hacerlas colisionar fue realizado p o r p rim e ra vez en 59‫ وا‬con rayos electró n -electró n (S tanford) y en 1963 con rayos de e lec tró n -p o sitró n (Orsay, zona de Farís). C olisionadores electró n -p o sitró n u lteriores y con m ás potencia y de gran valor científico, fuero n co n stru id o s en el SLAC en 1972 (llam ado el SPEAR) y en el CERN en 1989 (llam ado el LEP). El acró n in ro LEP es p o r Large Electron Positron COllider, o G ran C olisio n ad o r E lectró n -p o sitró n , y con su anillo de 27 kilóm etros de largo, sin d u d a era u n a m á q u in a grande. Los colisionadores p ro tó n -a n tip ro tó n se ،iesarrollaron en paralelo con los de e le c tró n -p o sitró n y c o n d u jero n hasta el colisionador SPS (Super Proton Synchrotron) del CERN con el cual se p o d ía o b ten er u n a energía de 500 GeV. La respuesta am erican a fue el T evatrón del Ferm ilab, que em pezó a o p e ra r en 1985, hacien d o uso avanzado de im anes su p erco n d u cto res p a ra em p u jar los pro to n es a lo largo de su anillo de 6,3 kilóm etros. El n o m b re de la m á q u in a se refería a su m áxim a energía de u n teraelectronvoltio, I TeV = 1.000 GeV. En 1987 los japoneses se u n iero n a la carrera hacia energías m ayores con el colisionador TRISTAN, u n colision ad o r e lectró n -p o sitró n con rayos de hasta 30 G eV c o n stru id o en el L aboratorio Nacional de Física de Altas Energías (KEK) cerca de Tokio. La tabla 20.1 resum e la evoiución de los aceleradores en tre 1946 y 1985. M uchos físicos sin tiero n , y seguram ente todavía sientan, que u n a instalación verdad eram ente in tern acio n al de aceleración de partículas sería la elección m ás racional, en u n cam po que es, después, de to d o intern acio n al. ¿Por qué no evitar la ridicula y costosa co m p etitiv id ad en tre naciones y tra b a ja r juntos? La idea de u n «acelerador m u ndial p a ra la paz m undial» se debatió p o r p rim e ra vez entre físicos

'

ses, soviéticos y europeos. La idea - d e c o n stru ir u n acelerador intern acio n al de I TeV con u n coste de u n o s m il m illones de ،!(')lares- p re su p o n ía que fuera a lid erar no sólo grandes resultados científicos sino tam b ién , y n o era m enos im p o rta n te, crear u n clim a de paz. Según R ob ert W ilson, u n o de los físicos destacados detrás de la idea del acelerador m un d ial, «la m ayor fuerza de tal lab o rato rio in tern acio n al será la de desarrollar n u estra cu ltu ra c o m ú n en la ciencia física [...] partículas, aceleradores y la sociedad p o d ría in teraccio n ar de nuevo -e s ta vez p a ra proveer de u n a fuerza p a ra la a rm o n ía intern acio n al-» (Kolb y H o d d eso n 1993, p. 106). El lab o rato rio m u n d ia l siguió siendo discutido d u ra n te varios años y en los setenta la idea fue actualizada hacia u n a m áqui-

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TABLA 20.1 El auge de la g ran ciencia en la física de altas energías N om bre ‫ ﻣﺎ ؛ ه‬،‫ا‬

Localidad

S incrociclotrón

Berkeley

C o sm o tró n

BNL

B evatrón

Berkeley

Energía (G eV)

A ñ o d e p u esta en marcha

0,35

1946

3

1952

6,2

1954

S in cro tró n de p ro to n es

D u b n a (URSS)

10

1957

PS

€£R N

7-8

1959

AGS

BNL

33

1960


S erp u k h o v

76

1971


FNAL

400

1972

SPS

C £RN

400

1976

Tevatrón

FNAL

1.000

1985

Nota: Aceleradores de protones seleccionados 1946-1985. Debido a los diferentes principios detrás de los aceleradores, sus energías no pueden ser com paradas directamente.

n a de 10 TeV. Era la idea favorita en tre m u ch o s físicos que qu erían co m b in ar objetivos científicos que m erecieran la p en a con objetivos im p o rtan te s en política y ética. Pero esta idea ro m án tica n u n c a pasó del nivel del debate y, a pesar de to d a ‫ ط‬retórica politica sobre el in tern acio n alism o en la ciencia, n o fue realista. S intiendo que la iniciativa en física de altas energías estaba en cam in ad a a ser dom in a d a p o r E uropa, los físicos estad o u n id en ses sug irieron en 1983 co n stru ir la instalación definitiva en aceleración basada en u n s s c , " " (Superconducting Supercollider). L lam am ientos de sen tim iento nacionalista estaban en tre los arg u m en to s de los físicos de altas energías que estaban a favor del s s c . Sheld o n G lashow y León L ederm an, dos de los físicos de p artículas m ás destacados, argum e n tab a n de ‫ ط‬siguiente m anera: «C ada vez m ás, los logros am ericanos o bien se qued an en el p resente perfecto u oscilan hacia el fu tu ro condicional, m ien tras que los europeos persiguen el p resente de indicativo [...] N u estra p reocupación es que sí dejam os pasar la o p o rtu n id a d q u e el s s c ofrece p ara los años noventa, la p érd id a será no sólo en n u e stra ciencia, sino tam b ién en el hecho m ás am plio del orgullo nacional y la confianza en n u e stra p ro p ia tecnología» (PT, m arzo 1985, p. 34). La d en o m in ació n de s s c no era exagerada: con u n a energía de colisión de p ro to n es de unos 40 TeV (ó 40.000 GeV), y u n anillo su b terrán eo de 83 k m de circunferencia, iba a ser realm ente un a sup erm áq u in a; el sistem a su p e rc o n d u c to r m agnético planeado incluía 41.500 toneladas de h ierro y 2 m illones de litros de helio liquido. Los gastos, estim ados en 1990 en u n o s 10 m il m illones de dólares, tam b ién iban a ser súper. Iba a ser la instalación m ayor y m ás cara c o n stru id a jam ás. El proyecto gigante estaba apoyado p o r el presid ente Reagan y en 1988 se an u n ció su localización en W axahachie, peq u eñ a localidad de Texas. T am bién al siguiente presidente, el tejano G eorge Bush, le gustaba el proyec

Militarización

‫ﻣﺮ‬megatendencias

297

to, al cual co m p aró - e n u n raro ejercicio de in sp iració n p o é tic a - com o «el Louvre, las pirám ides y las cataratas del N iágara todas en uno» (Kevles 997 ‫ل‬, p. 292). Existían b u en as razones c'‫؛‬c n t‫؛‬fica$ p a ra c o n stru ir el

ssc, pero para u n a inversión

de tales dim ensiones, las razones cicntíficas n o b astaban. E ntre otras razones aducidas p o r los prop u lso res del ssc se usó la sugerencia engañosa de que el trabajo con im anes su p erco n d u cto res p o d ría ayu d ar al desarrollo de técnicas m édicas que p o d rían probarse útiles en la lucha c o n tra el cáncer. C o m o en algunos casos anteriores de proyectos de grandes de aceleradores, la o posición al s sc n o venía sólo de entre los politicos, sino tam b ién en tre físicos y o tro s científicos que arg u m en tab an que la física de altas energías estaba so b re-subvencionada y q u e se o b tien en unos beneficios m ucho m ayores, tan to científicos com o tecnológicos, al invertir m ás dinero en otros cam pos de la ciencia. U no de los críticos fue ?h ilip A nderson, el teórico del estado sólido y poste rio rm en te p rem io N obel, que ya en 1971, sugirió q u e «la tarta es finita y lo que es “p ro ” altas energías es “a n ti” otro s, p o r lo que es obvio a h o ra que si querem os m anten er u n a ciencia saludable, d ebem os lanzar u n a m irad a crítica a todas sus divisiones». A nderson n o sólo expresó d u d as hacia los esperados resultados derivados supuestos de la física de altas energías, sino q u e tam b ién o bjetaba a «la justificación intelectual de física de partículas elem entales com o la única dirección en la cual las verdades “realm ente fun d am en tales” o “intensivas” h an ser descubiertas» (A nderson 1971). Veinte años m ás tard e, A n d erso n reforzó su crítica c o n tra el proyecto ssc. N atu ralm en te sus arg um entos fuero n atacados p o r los defensores del ssc, incluyendo a León Lederm an, Steven W einberg y o tro s popes de la co m u n id a d de físicos de altas energías. El trabajo alrededor del s sc c o n tin u ó p o r u n tiem p o , pero en 1992 el proyecto se e n c o n tró con m uy serias dificultades. Al final fue rechazado en ‫ﻝ‬99‫ ﺕ‬después de haber gastado casi dos m il m illones de dólares. La razó n del rechazo fue ta n to política com o económ ica. Diez mil m illones de dólares era, después de to d o , u n a can tid ad asom brosa de dinero para gastar en satisfacer la cu riosidad de u n pequ eñ o g ru p o de físicos de altas energías. Bajo distintas condiciones políticas, el proyecto p o d ría h ab er sido aceptado, sobre todo si se h u b iera relacionado con cuestiones de seguridad nacional, ?ero no se conectó con nin g ú n valo r m ilitar en p a rtic u la r y, en cu alq u ier caso, era m ala época p ara el proyecto: en

1992, la G u erra Fría había te rm in a d o y la U n ió n Soviética ya no existía.

U no de los efectos del nuevo tip o de g ran ciencia que floreció en los años cincuenta file u n cam bio destacado del papel del físico, p a rtie n d o de ser u n investigador individual a ser u n a p eq u eñ a ru ed a en u n esfiierzo de investigación co n ju n to . El físico ya no investigaba p a ra él m ism o, sino que p articip ab a en u n proyecto de investigación. Fue u n salto que m u ch o s físicos de la vieja escuela o d iaron. U no de ellos era ?ercy B ridgm an, p re m io N obel y filósofo de la ciencia que argüyó que el nuevo estilo de física iba en d e trim e n to de las ideas creativas y de la lib ertad intelectual. D os décadas después, ésta sería u n a crítica rep etid a y reforzada p o r u n a generación m ás joven de físicos. B ridgm an atrib u y ó este estilo a la e stru c tu ra de investigación creada d u ra n te la guerra, cu a n d o los jóvenes científicos que « nunca h ab ían experim en tad o el trabajo ind ependiente y n o sabían lo q u e era» se u n ie ro n a los g randes proyectos de investiga

298


ción. «El resultado», escribió B ridgm an, «es q u e está creeiendo u n a generación de físieos que n u n c a h a n ejercitado n in g ú n grad o específico de iniciativa individual, que no h an ten id o la o p o rtu n id a d de ex p erim en tar sus satisfacciones o sus posibilidades, y que consideran el trab ajo cooperativo en grandes equipos com o lo n o rm al [...] El tem peram e n to de la geHeración em ergente es reconociblem ente diferente de aquél de ‫ ظ‬anterior» (B ridgm an ]950, p. 299). La g ran ciencia abrigaba, y p o r ta m o d em andaba, un espíritu cooperativo así com o co rp o rativ o desconocido en los años veinte, cuando B ridgm an realizó sus trab ajo s m ás im p o rtan tes. No sólo había poco espacio p ara el individualism o en los experim entos a gran escala, sino que los in stru m en to s m ás caros tam bién parecía que tenían vida propia, y se convirtieron en m ás im p o rtan tes que los físicos que trabajaban con ellos. ¿Fueron las máquinas m o n stru o s creados p o r físicos Frankenstein? La relación cam biada entre físicos y m áquinas fue enunciada sin intencionalidad p o r el director del C o sm o tró n Brookhaven, Samuel G o u d sm it (que, com o B ridgm an, era u n prem io N obel que inició su carrera en los años veinte). En u n m em o ran d o in tern o de 1956, G oudsm it enfatizó, «en esta nueva form a de trabajo experim ental las habilidades deben ser com plem entadas p o r rasgos de personalidad que realcen y alim enten ‫ ظ‬m uy necesitada lealtad cooperativa», pros‫؛‬guiendo, «siendo u n gran privilegio trab ajar con el C osm otrón, siento ahora que debem os negar su uso a cualquiera cuya estru ctu ra em ocional pueda ir en detrim en to del esp íritu cooperativo, n o im p o rta cóm o de b u en o sea com o físico... Me reservo el derecho de negar el trabajo experim ental en altas energías a cualquier m iem bro de m i personal que piense que no esté capacitado p ara la colaboración en el grupo. D ebo recordarle que después de todo, no es usted sino la m áq u in a la que crea las partículas y hechos que está usted investigando con ta n ta pasión» (Fieilbron 1992, p. 44). Los peligros - y quizá ‫ظ‬ esencia de la física de la gran cien cia- n o se p u d o expresar de m anera m ás afinada.

Una avenara europea de gran ciencia A lrededor de 1950, cu an d o ‫ ظ‬física nuclear y de partículas em pezaron a verse dom inadas p o r los aceleradores, E uropa se m a n te n ía en u n a posición m u y p o r detrás de los Estados U nidos. En esa época, las p rim eras iniciativas para organizar u n proyecto de investigación c o n ju n ta euro p ea to m ó cuerpo con el físico francés Pierre Auger y el italiano E do ard o A m aldi en tre los prim ero s. El resultado de n u m erosas y difíciles negociaciones fue el n acim ien to provisional del CERN (C onsell Européen p o u r le Recherche de N ucléaire) en 1952 y el establecim iento de u n a organización perm an en te en 1954. La iniciativa era m a u r ita n a m e n te francesa e italiana, m ien tras que la resp u esta de la p rin cip al n ació n euro p ea en ciencia. R eino U nido, fue tibia. Los británicos ten ían su p ro p io acelerador, u n sin c ro tró n de 400 M eV en Liverpool, y n o ten ían confianza en el g ran d io so p lan co n tin en tal, el cual fue descrito p o r Blackett com o «basta n te loco». A dem ás, n o había interés en Inglaterra p o r la cooperación europea, y m en os a ú n p o r la u n id a d europea. Al p rin cip io , el g o b iern o b ritán ico declinó p a rtic ip ar y sólo se unió p o r com pleto en 1954. A lem ania, o m ás bien la nueva R epública Federal


299

Alem ana, presen tab a o tro p ro b lem a político, en tre o tro s m otivos p o rq u e todavía no era m iem b ro de la UNESCO. La fu n d ació n del CERN se veía no sólo com o u n proyecto científico, sino tam b ién com o u n proyecto político, fu n d am entalm ente u n m odelo para la cooperación europea. Para H eisenberg y otros físicos alem anes, adem ás era una m a nera de rehabilitar a los físicos alem anes después de la guerra y de olvidar el pasado nazi. En 1956, las naciones del CERN incluían a Bélgica, D inam arca, A lem ania O ccidental, Francia, Grecia, Italia, Países Bajos, N oruega, Suecia, Suiza, Inglaterra y Yugoslavia. Las m ayores contrib u cio n es venían de Francia y de Inglaterra (u n 24 p o r 100 aproxim ado cada u n o ), seguidos de A lem ania e Italia (18 y 10 p o r 100 respectivam ente). El pro p ó sito del CERN era « dotar de colaboración entre Estados europeos en in vestigación nuclear de carácter p u ra m e n te científico y fu n d am e n tal y en la investiga ción esencialm ente relacionada con ella». La espina dorsal de la colaboración estaba planeada que fuera el m ayor acelerador del m u n d o , el cual en 1954 significaba u n o con m ás de 6 GeV de potencia. Se m en cio n ab a específicam ente que «la organización n o es tará preo cu p ad a p o r trab ajo s p ara req u erim ien to s m ilitares y los resultados de su ex perim en tació n y sus trab ajo s teóricos serán publicados o, de o tro m odo, hechos acce sibles en general». D esde luego, u n a de las m ayores diferencias entre la física de altas energías y en general los proyectos de la g ran ciencia, eran los m u y distintos roles ju gados p o r las fuerzas arm adas. D esde luego, u n a de las razones p a ra la indiferencia con la cual las estru ctu ras m ilitares europeas m ira b a n al CERN era que no había u n a m ili cia europea. Las diferentes fuerzas arm ad as de E uropa n o tenían n in g u n a trad ició n de apoyo a gran escala de la ciencia básica, y n in g ú n interés en u n a organización m u lti n acional com o el CERN. Para subrayar el proyecto del CERN com o n o m ilitar y a p o lítico, se decidió n o incluir n in g ú n reacto r nuclear y situ ar el lab o rato rio cerca de G i nebra, en la n e u tra l Suiza. En la p rim e ra fase del proyecto, se consideró C openhague, pero B ohr y K ram ers, sus principales activos, n o lo consiguieron. El p rim e r proyecto principal, el sin c ro tró n de pro to nes, se pensó en origen com o una versión extrapolada del C o sm o tró n Brookhaven. En 1954, se planeó ten er u n a energía de u n o s 30 GeV y su coste estaba estim ado en 16 m illones de dólares, alrede d o r de la m itad del coste real. La m á q u in a se com p letó de acuerdo a su planificación y d u ra n te los años sesenta el lab o rato rio se ex pandió con nuevos y m ás grandes acelera dores y sistem as de detección. Era u n proyecto de g ran ciencia desde su p ro p io co m ienzo y creció m ás y más. P or ejem plo, en 1955, el p resu p u esto era de 64 m illones de francos suizos (M SF) o u n o s 16 m illones de dólares, y el p ersonal consistía en 144 p e r sonas. Diez años m ás tarde, el p resu p u esto se in crem en tó a 275 MSF y el p ersonal a 2.251 personas y, en 1975, el p resu p u esto era de 844 MSF, el p ersonal de 3.788 p e rso nas. A dem ás, el n ú m e ro de científicos visitantes se in crem en tó so stenidam ente desde 21 en 1955, 315 en 1965 y 1.289 en 1975. El perso n al ad m inistrativo y técnico se in crem entó au n m ás ráp id o que el n ú m e ro de científicos (véase tabla 20.2). A unque el proyecto co n ju n to eu ropeo fue u n éxito en m uchos sentidos, al p rin c i pio no lograba re ta r seriam ente el liderazgo am erican o en física de altas energías. La m ayoría de las veces, los lab o rato rio s de aceleradores estadounidenses eran los p rim e

300


ros en sacar a la luz im p o rta n te s d escu b rim ien to s q u e típicam ente se veían confirm ados p o r los euro p eo s en u n co rto lapso de tiem po. Los prim eros diez o quince años fireron esencialm ente u n p e rio d o de aprendizaje p a ra los físicos del CERN, la m ayoría de los cuales n o estaban aco stu m b rad o s a realizar experim entos de gran ciencia a la am ericana. En los E stados U nidos, los ex perim entos de aceleradores a gran escala, el esp íritu em p re n d e d o r y la cercana cooperación en tre experim entadores, teóricos, adm in istrad o res e in d u stria ya existían desde los años trein ta y esa tra d ició n se reforzó sobre to d o p o r los proyectos m ilitares d u ra n te la g uerra. C u an d o los físicos europeos ap ren d iero n p o r p rim e ra vez los nuevos m éto d o s de hacer y de organizar la física, el CERN se con v irtió en u n a in stitu ció n com petitiva con los m ejores labo rato rio s am ericanos. Sin d u d a, después de u n o s tre in ta años de d o m in a ció n m asiva am ericana en física de partículas, al final de los años setenta, el equilibrio de p o d e r cam bió y los lab o rato rio s de física de altas energías em p ezaro n a to m a r el relevo (gráfico 20.3). El cam bio ha sido d o c u m e n ta d o a través de d atos b ib liom étricos. ?٠٢ ejem plo, m ientras que el 53 p o r 100 de to das las publicaciones de física experim ental de altas energías se o rig in aro n en los lab o rato rio s de los Estados U nidos en 1970 y sólo el 36 p o r 100 en E uropa, en 1982, los n ú m e ro s eran del 35 p o r 100 en Estados U nidos y el 56 p o r 100 en E uropa. Los d ato s co rresp o n d ien tes p ara el n ú m ero m edio de citas p o r artículo científico eran de 3,3 (EEU U ) y 2,9 (E uropa) en 1970, y de 3,0 (EEU U ) y 3,9 (E uropa) en 1982. Los principales com p etid o res d u ra n te los años setenta eran el Ferm ilab y el CERN. M ien tras q u e el F erm ilab se ganaba casi la c u a rta parte de todas las citas en física experim ental de altas energías en el p erio d o 1973-1976, el porcentaje cayó al 9,3 p o r 100 d u ra n te 1981-1984. D u ra n te el ú ltim o p erio d o de cinco años m ás del 15 por 100 de las citas eran sobre artículos o riginados en el p ro g ram a SFS del CERN. En 1984, el n ú m e ro m ed io de citas de artículos o riginados en el colisionador del CERN era de 24, u n n ú m e ro m u y alto, lo cual indica u n valo r científico elevado. Al final de 1997, cu atro años antes del deceso del s s c , los Estados U nidos llegaron a u n acuerd o co n el CERN p a ra p a rtic ip a r en la co n stru c ció n y uso del fu tu ro gran colisionad o r de hadro n es, Large H adron Collider (LH C ) y sus detectores de partículas asociadas. Los am ericanos estuvieron de acuerdo en c o n trib u ir con 531 m illones de TABLA 20.2 D istrib u ció n del perso n al del CERN Categoría C ientíficos e ingenieros T écnicos

1955

1960

1965

83

170

349

102

527

604

P ersonal auxiliar

35

241

87‫ا‬

Personal ad m in istrativ o

49

127

316

M iem b ro s visitantes

18

71

73

Nota: Basado en datos de H erm ann et al., pp. 396-398.


301

dólares. El LH C, previsto p ara o p e ra r en 2005, tiene u n coste estim ado de 6.000 m illo nes de dólares y será el acelerador m ás p o ten te del m u n d o . La últim a fase de la h isto ria de la física de aceleradores d em u estra q u e el centro de la física de altas energías se ha traslad ad o d efinitivam ente a E uropa. T am bién d em u estra que la g ran física de p a r tículas in tern acio n al n o feneció a la vez que el proyecto SSC. A u nque sea u n proyecto europeo, el LHC n o está co n fin ad o a los países m iem b ro s del CERN, sino que a rrastra u n a cooperació n de cu aren ta y cinco países diferentes. En algún sentido, es la puesta en m arch a del viejo sueño de u n «acelerador m undial».

Gráfico 20.3.3 Porcentaje de citas de artículos de física de altas energías publicados en un año dado y en los tres años previos, por región y p o r año. Fuente: Redibujado a partir de Irvine et al., 1986.

C A P ÍT U L O 21

Descubrimientos de partículas

Principalmente mesenes En 1948, la física de partículas elem entales n o exi$tía todavía com o disciplina, y el térm in o de física de altas energías n o h abía e n tra d o en el vocabulario de los físicos. El estu d io de los nucleones, m esones y o tras partículas elem entales era visto com o p arte de la física nuclear y las actividades del cam p o eran en m arcadas a m e n u d o en nuevos lab o rato rio s e in stitu to s dedicados a los «estudios nucleares». C on el reconocim iento en 1947 de que el mesón-TT de Yukawa era m u y d istin to del m esón-[i del rayo cósm ico, to d o estaba dispuesto p a ra la investigación de partículas au n m ás novedosas, y finalm en te para la em ergencia de u n a subdisciplina científica m a d u ra de la física de p artículas. En su m on o g rafía de 1949, Teoría del núcleo atómico y fuentes de energía nuclear (Theory o f A tom ic Nucleus and Nuclear Energy Sources), G eorge G am ow y Charles C ritchfield sug iriero n «un nexo conveniente, incluso a pesar de no estar definido con m u ch a precisión, en tre \a física nuclear genuina y la siguiente, au n q u e todavía bastante inexplorada, división de la ciencia de m ateriales, que p o d ría den o m in arse en p rin cipio hifisica de las partículas elementales» (en cursiva en el original). M ientras que en los ocho p rim eras conferencias anuales de Rochester, desde 1950 a 1957, tra ta b a n tan to de la física de m esones com o de la física nuclear de altas energías, su co n tin u ació n en G inebra en ¡958 dejó caer lo «nuclear» y se con v irtió en u n a conferencia sobre «física de altas energías». En aquella época, existía u n a necesidad de m ayor " internacio n al, de las n u m ero sas conferencias sobre física de altas energía. La A sam blea G eneral de la 1UPAP en 1957 estableció la C om isión de Física de Altas Energías. En la p rim e ra com isión estaban R obert M arsh ak y W olfgang Panofsky de Estados U nidos, C ornelis Bakker y R udolf Peierls de E uropa e Igor T am m y V ladim ir Vekslar de la U n ió n Soviética. En los p rim ero s años cincuenta, u n a confianza creciente en el in stru m e n tal com plicado, po ten te, sofisticado y caro p recip itó la tra n sfo rm a ció n del su bcam po en la

□ c u b rim ie n to s de partíeulas

303

gran ciencia de la física de altas energías. E l subeamp© se caracterizó e n s e g u id a , com o se describe en el capítulo 20, p o r las eno rm es subvenciones gubernam entales y las COla b o r a c io n e s q ue m uchas veces afectaban a docenas de investigadores. En 1950, cuan-

do el n ú m e ro de partículas y an tip artícu las elem entales detectadas y predichas se m antenía en u nas veinte, la rad iació n cósm ica era aú n la prin cip al ‫؛‬d e n te de partículas, pero u n o s pocos a ú o‫>؛‬después, la nueva generación de a c e le ra d o re s y detectores cam bió la situación de m o d o significativo. La p rim e ra p artícu la que fue descubierta artlficialm ente, p ro d u c id a en u n acelerador en vez de ser en co n trad a en la naturaleza, fue el p ió n n eu tro . La existencia de u n a m esón Yukawa hab ía sido pro p u esta ya en 1938 p o r el físico g erm an o b ritán ico N icholas K em m er, y en 1947 O p p en h eim er sugirió que la p artícula h ip o tética se d esintegraría m u y ráp id am en te en dos rayos gam m a. La p artícula se detectó p o r p rim e ra vez en el sin cro tró n de Berkeley en 1950 y fue identificada p o r la conversión de rayos g am m a en pares de electrones ( tt° —» y y seguido de y —>e+ ‫ )■ ج‬Poco tiem p o después, los físicos b ritán ico s e n c o n tra ro n la p artícula en la radiación cósm ica. (D esde u n p u n to de vista m ás filosófico, no es obvio en qué m o m en to u n (٦١١jeto pertenece a la n aturaleza y cu án d o es p ro d u cid o artificialm ente. Se p u ede argum en tar que el electrón que aparece en el tu b o de rayos catódico de ١. ١. T h o m so n fue la p rim era p artícu la elem ental p ro d u cid a.) La p rim e ra evidencia de u n m esón pesado se com unicó antes del d escubrim iento del pión. En 1944, los físicos franceses Louis L eprince-R inguet y M ichel l’H eritier pub licaron en Comptes Rendus u n artícu lo sobre la «Posible existencia de u n a partícu la de m asa 990 m o en la radiació n cósm ica», p o siblem ente lo que se llam ó po sterio rm en te u n m esó n k o kaón. En cualq u ier caso, n o llam ó m u ch o la atención este evento p o r sí solo, y los franceses n o fueron reconocidos com o sus descubridores. D espués de la guerra, los m esones pesados fuero n descubiertos p o r p rim e ra vez p o r dos físicos de M anchester, (^llt'ford Butler y (íeo rg e Rochester, quienes en octu b re de 1946 -a lre d e d o r de u n año antes de descubrirse el p ió n -, e n c o n tra ro n u n proceso en form a de V en la radiación cósm ica en su cám ara de niebla. Lo in te rp re ta ro n com o resultado de la desintegración de u n a partícu la n e u tra pesada, © tro proceso V o b tenido a p a rtir u n a p artícula cargada fue detectado en 1947, pero n o fue hasta 1950 cuando los descubrim ientos ftreron co n firm ad o s p o r m ás observaciones. Lstas fueron realizadas p o r Cari A nderson en Caltech, que obtuvo n um erosos procesos V. En 1952, las partículas ٧ estaban firm em ente norm alizad as y se reconocía que las hab ía de cu atro tipos. R obert T h o m p so n , de la U niversidad de In d ian a, m o stró las p artícu las n e u tras com o desintegrables enpTTó TI- n "\ llam ándolas A y 0, respectivam ente (o ٧١ y V p . Se en co n traro n m uchas m ás desintegraciones, algunas de ellas sospechosas de p ertenecer a partículas no conocidas hasta entonces. Para p o d er co m p a ra r las distintas observaciones, d e term in ar el núm ero de partículas co m p arad as con las desintegraciones y estandarizar la no m en clatu ra, se organizaro n conferencias en Estados U nidos y en E uropa. En u n a reu n ió n en Francia en 1953, el C ongreso In tern acio n al de R adiación C ósm ica sugirió dividir las p artículas extrañas en g rupos, p o r u n lado los m esones K o pesados con m asa m e n o r que el nucleón y p o r o tro los h ip ero n es con m asa m ayor que el nucleón pero m ás p eq u eñ a

304


TABLA 21.1. Partículas extrañas com o eran conocidas sobre 1957 Clase M esones K

H iperones

Sím bolo(s)

M asa ( m j

Tiem po de vida (segundos)

Extrañeza

K+

9 6 6 ,5

1,2 x ΙΟ'8

+1

KK°

9 6 6 ,5

x 1,2 1 0 ‫؛؛‬

-1

965

~ 1 0 10

(+1)

K°2

965

~ 10-7

(+1) -1

A

(V ‫(؟‬

2.182

3 -

z +( v p

2.3 2 7

0 , 7 X 1 0 10

-1

Z -(V j)

2.3 4 3

1,5 X 1 0 10

-1

Σ° ٠^٠—

2.325

< 10 10

-1

2.585

~ 2 X 1 0 10

-2

1 0 10

que el deu teró n . Los m esones L o ligeros incluían piones y m uones. La tabla 21.1 resu m e las nuevas p artícu las tal co m o se con o cían en 1957. En ese año, to d o lo relativo al n ú m ero y clasificación de las p artícu las estaba evolucionando y algunas partículas iguales ten ían varios n o m b res y sím bolos. M ien tras q u e la m ayoría de las nuevas partículas «extrañas», com o se d e n o m in aro n después, estaban identificadas o rig in alm en te con la radiación cósm ica, a p a rtir de 1953 los grandes aceleradores iban d o m in a n d o in crescendo el cam po; y m ien tras que los d escubrim ien to s p io n ero s h ab ían sido realizados p o r físicos franceses y británicos, a p a rtir de esa época, el cam po lo d o m in a ro n los científicos estadounidenses. El Cosm o tró n de 3 GeV en el L ab o rato rio N acional de B rookhaven em pezó a p ro d u c ir haces de piones en 1953, y en 1954 el B evatrón en el L ab o ratorio de R adiación en Berkeley p ro d u jo rayos de hasta 6 GeV. Los aceleradores a n u n cia ro n u n a nueva era en la joven ciencia de la física de altas energías. N o m en o s im p o rta n te que los aceleradores fu ero n los nuevos m étodos in tro d u c i dos para d etectar procesos de interacción en tre partículas. En la p rim era fase de la fí sica de altas energías, la cám ara de niebla fue el d etecto r preferido, la cual fue d esarro llada en los p rim ero s años cin cu en ta en varias versiones especiales, adecuadas para experim entos en aceleradores (alta presió n y cám aras de difusión de niebla). Al m ism o tiem po, se generalizó el uso de nuevos tipos de em ulsiones fotográficas. El m éto d o de la em ulsión nuclear fue d esarrollado en los años trein ta, en concreto p o r la física n u clear vienesa M arietta Blau, p ero n o fue sino después de la guerra cu an d o este m étodo resultó ser de im p o rta n c ia decisiva en física de partículas. Esto fue el resultado de la co op eració n en tre los físicos de rayos cósm icos b ritán icos e Illford, Ltd. Los m éto d o s tradicionales, de bajo coste, com o las cám aras de niebla y las em u l siones, fueron suplidos y reem plazados p o r la técnica de la cám ara de b u rb u jas inven tada p o r D o n ald G laser en la U niversidad de M ichigan en 1952. La invención de Glaser se conv irtió p ro n to en u n in stru m e n to versátil, en concreto p o r Luis Alvarez y su


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gru p o de Berkeley. Las cám aras de b u rb u ja s con h id ró g eno líquido com o fluido de trabajo se d e m o stra ro n Idóneas p a ra su uso con aceleradores y ‫؛‬ueron usadas de m an era general a p a rtir del final de la d écada de 1950. D iferían de los sistem as de detección no sólo en su técnica, sino tam b ién en su tam añ o , coste y com plicado m anejo; eran un tipo de detecto r que los p eq u eñ o s lab o rato rio s n i p o d ría n p erm itirse n i hacer m u ch o uso de él; en o tras palabras, u n d etecto r «no dem ocrático». La cám ara de b u rb u jas de h idrógeno de 183 cm de AJvarez de 1959 costó 2 m illones de dólares, y necesitaba de u n o rd e n a d o r de u n m illón de dólares p a ra analizar los datos. Ya en el año 1957, se construyó la p rim e ra m á q u in a lectora que p o d ía seguir y m e d ir trazas de m a n era autom ática. Fue d esarrollada p o r Jack Franck, u n ingeniero de Berkeley, y apo d ad a acertad am en te com o «Lranckenstein». Las fotografías de cám aras de b u rb u ja s se convirtiero n en u n a p e q u e ñ a in d u stria. Se estim ó q u e en 1967 u n o s dos m illones de eventos de cám aras de b u rb u ja s eran m ed id o s cada año. En el experim ento de 1964, que sirvió para d escu b rir el h ip e ró n Q - (véase a c o n tin u ació n ), u n as 100.000 fotos fueron to m adas y parcialm en te analizadas. M uy poco después del d escu b rim ien to de las p rim eras partículas pesadas, los físieos em pezaro n a p reg u n tarse có m o enten d erlas de m an era teórica, lo cual significaba clasificarlas inicialm ente en fam ilias. U n p ro b lem a m u y discutido fue el de la relación entre la pro d u cció n y la d esintegración de las nuevas partículas, in d ican d o que estaban in terac tu an d o de m a n e ra fuerte, pero te n ía n tiem p o s de vida que n o coincidían con desintegraciones fuertes. D ebido a esta co n d u cta d esconcertante, se d e n o m in ab a a estas partículas com o «extrañas». En 1951, A braham Fais, e ind ep en d ien tem en te u n grupo de físicos japoneses, sug iriero n la idea de u n a p ro d u cció n asociada, la cual im plicaba que las partículas v isó lo se p o d ría n p ro d u c ir en parejas. Pais presen tó u n tip o de n ú m e ro cuántico, análogo a la p arid ad , p a ra explicar las desintegraciones observadas y no observadas. El n ú m e ro cuán tico de Fais era m ultiplicativo y funcionaba com o u n a regla de selección, n o siendo d istin to a los n ú m ero s cuánticos p resentados en la p rim igenia teoría cuántica con el objetivo de en co n trarle u n a lógica a los espectros óptiCOS. Su p ro p ó sito era actu ar co m o u n p rin cip io de o rd en ació n a través de la colección de nuevas partículas en g ru p o s o fam ilias. En su artícu lo de 1951, Pais m en cio n ó que «la b ú sq u ed a de los p rin cip io s o rd en an tes en este m o m e n to pued e al final ser asim ilada al in te n to de u n quím ico de c o n stru ir la tabla perió dica si sólo ten em o s u n a docen a de elem entos sin relación en tre sí» (Pais 1986, p. 519). P udo hab er sido la p rim era vez, pero desde luego n o ha sido la ú ltim a en la q u e las reglas de u n a clasificación en p articu lar h a n sido descritas com o análogas al sistem a quím ico de M endeleiev. A pesar de la p o p u la rid a d de la analogía, ésta estaba fu n d a m e n talm en te equivocada. Los físicos de partículas n o estaban sólo m etid o s en u n juego de o rd en ar partículas, tam bién querían entenderlas com o m anifestaciones de unas pocas partículas de verdad fúndam entales, com o los quarks. Sus esquem as de clasificación estaban guiados p o r nociones teóricas y expresados en el lenguaje de la física m atem ática; a este respecto, su trabajo difería radicalm ente del de M endeleiev. El q uím ico rus،) planeó su fam osa tabla periódica de m a n e ra p u ra m e n te em pírica, com o u n a clasificación racional de las p ro

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piedades fisicoquím icas conocidas de los elem entos. Al c o n trario que algunos otros quím icos de la época, avisó c o n tra u n a concepción del sistem a com o reflejo de algún tip o de a rm o n ía su b ató m ica in te rn a en tre los elem entos. U n esquem a de explicación m ejo rad a de las partículas fu ertem ente interaccionantes fue desarrollado p ro n to p o r M u rray G ell-M ann, de veintiséis años, en la Universidad de Chicago, y tam b ién p o r K azuhiko N ishijim a y Tadao N akano en Japón. GellM an n p resen tó u n n ú m e ro cuántico aditivo, al cual llam ó «extrañeza» (o strangeness, S) - u n n o m b re que d atab a de o to ñ o de 1953- y que era el cero para piones, m uones y nucleones p ero n o cero p a ra las nuevas p artícu las extrañas. P or ejem plo, al K + se le asignó S = + f y a l s e l e asignó s = -1. En todas las interacciones fuertes, la extrañeza qu ed aría inalterable, y de este m o d o el concepto fu n cio n aría com o u n a guía p o r la cual las reacciones p o d ría n o c u rrir o no. U na reacción com o TT~ + p —> K + ‫ ة‬+ no estaba perm itid a, p o rq u e infrin g iría la conservación de la extrañeza (al m odificar

s de o a -

2). Varias predicciones de la teo ría de G ell-M ann-N ishijim a fu eron verificadas p o r los experim entos, y en ‫ل‬96 ‫ا رآ‬،‫ إ‬idea de extrañeza, au n q u e n o bien en ten d id a desde el p u n to de vista teórico, estaba firm em en te establecida com o la idea m ás útil en la ju ngla de las partículas elem entales. L‫ ؛؛‬teo ría im plicaba u n a reclasificación contro v ertid a de los m esones K n eu tro s, los cuales d eb ían en tenderse ah o ra, según Pais y G ell-M ann, com o u n a m ezcla de K° y su an tip artícu la, siendo esto d istin to de K° y con extrañeza opuesta. K° y K° estaban conectadas a través de interacciones débiles y las partículas desintegradas se in te rp re ta b an com o u n a «mezcla» o su p erp osición de K° y K° con disfintas de^n teg racio n es. La K° era conocida p o r desintegrarse en dos piones y la K° de larga vida se su p o n ía que se desintegraba en tres partículas. Esta presu n ció n se confirm ó en 1956, cu an d o el K°2 se observó p o r p rim e ra vez en u n experim ento en el Cosm o tró n Brookhaven. M esones, h ip ero n es y partículas de resonancia n o fueron las únicas partículas nuevas de los años cincuenta. El a n tip ro tó n , p red ich o p o r D irac en 1933, había sido largo tiem p o esperado, e incluso h u b o info rm acio n es de su descu b rim ien to en algunas ocasiones. P or ejem plo, los científicos soviéticos afirm aro n en 1946 h a b er detectado la partícula en la rad iació n cósm ica, p ero n i esta ni otras afirm aciones realizadas antes de 1955 fiieron aceptadas. Para p ro d u c ir an tip ro to n e s p o r colisiones de m a te ria-p ro tó n , la energía de los p ro to n e s debía ser de al m en o s 5,6 GeV. La m áxim a energía obtenida con el B evatrón de 10.000 toneladas y casi diez m il m illones de dólares era de 6,2 GeV m uy p o r encim a de la energía u m b ral. A unque el B evatrón era u n a m á q u in a ideal de n o se con stru y ó con el a n tip ro tó n en m e n te ,y no fue sino hasta 1955 en que se usó p a ra p ro d u c ir dicha p artícula. La detección de u n an tip ro tó n se consiguió p o r vez p rim e ra en el o to ñ o de 1955 p o r los físicos de Berkeley O w en C ham berlain, Em ilio Segré, Clyde W iegand y T h o m as Ypsilantis. Sus escintiladores y contadores C herenkov m o stra b a n u n o s 60 candidatos a an tip ro to n es, pero la p ru eb a irrefutable de esta p artícu la, su aniq u ilació n co n u n p ro tó n n o rm al, n o se confirm ó ‫؛‬n m ediatam ente. Eso llegó en 1956, cu an d o u n g ru p o de físicos italianos, dirigidos p o r Am aldi, en coo p eración con el g ru p o de Berkeley, in fo rm a ro n de la fijación de u n a n tip ro tó n en una

Desabrim ientos de p artieras

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pila de em ulsión. El siguiente pas©, usand© an tip ro to n e s del B evatrón para p ro d u c ir an tin eu tro n es, se llevó a cabo en 1957 p o r o tro g ru p o de Berkeley. N in g u n o de los descu b rim iento s su p u so u n a gran sorpresa. H abía m ás en los p rim ero s experim en to s del B evatrón que progreso científico. El éxito experim ental, apoyado en el uso de u n sistem a de im anes tetrapo)o$ sugerido p rim ero p o r el físico de Brookhaven © reste ?iccio n i, que p ensaba que los físicos de Berkeley le hab ían ro b ad o su idea. En 1972, trece años después de que a Segré y C ham berlain les ftrera concedido el p rem io N obel p o r su descubrim iento, Piccioni to m ó el paso bastan te extrem o de d ar a conocer sus cargos en u n a d em anda. N ada excepto el seguim iento de la p ren sa se d ed u jo de la in u su al iniciativa. La d em an d a de Piccioni no fue ‫ ط‬única consecuencia insólita de los experim entos. En 1 9 7 9 ,‫ر‬. c . C o o p er acusó a Segré y a C h am b erlain de h ab er su p rim id o d elib erad am ente datos que m o stra b an la evidencia de taq u io n es o partículas m ás veloces que la luz. «El experim ento Segré es a la co m u n id a d de la física lo q u e las cintas del W atergate fu eron p a ra el ex presidente Nixon», dijo de m an era d ram ática (Franklín 1986, p. 239). D esgraciadam ente para el dram a, pero a fo rtu n a d a m en te p ara la física, a la acusación le faltaban pruebas y pocos físicos la to m a ro n en serio.

Interacc^ne$ débile$ El n e u trin o evitó su detección cuatro años m ás que el a n tip ro tó n . Al co n trario que esta ú ltim a p artícula, que apenas desem peñó papel alguno en la física teórica, el neutrin o (o m ás b ien el a n tin e u trin o ) se hizo m u y im p o rta n te después de la teoría de Fermí de 1933 de la d esintegración b eta y fue usada ru tin a ria m e n te p o r físicos nucleares en ‫ل‬94 ‫ ه‬. Los físicos creían en la existencia del n e u trin o ind ep en d ien tem en te de sí la p artícula h ab ía sido d etectada o no. ¿٧ qué significaba que u n a partícu la existía? En u n artículo de 1952, en el Bulletin o f the A tom ic Scientists titu lad o «¿Existo realm ente el neutrino?» el físico teórico Sidney D an co ff m an ten ía desde u n a perspectiva positivista que era u n a cuestión insignificante y que conceptos co m o «neutrino» y electrón» eran sim plem ente m an eras cóm odas de o rganizar los datos experim entales. Lo único que le im p o rta b a a D ancoff era que el n e u trin o , h u b ie ra sido detectado o no, era ta n «real» com o el electrón. D u ra n te m ás de u n a década se asum ió de m a n era generalizada que el n e u trin o siem pre q u ed aría sin detectar p o r su in teracción extrem adam ente débil con la m ateria. N o existía u n g ran interés en in te n ta r u n experim ento de detección, pero en Los Á lam os, F rederick Reines y Clyde C ow an v ieron en 1951 que las desintegraciones beta intensas derivadas de u n a explosión nuclear p o d ría n proveer de suficientes (a n ti)n e u trin o s p ara su detección, a través de interacciones con los protones. Reines y C ow an p en saro n seriam ente utilizar u n a b o m b a atóm ica para su experim ento, pero se d e can taro n p o r el m ás pacífico am b ien te radiactivo de un reactor nuclear. D espués de m uchas dificultades, d iseñ aro n u n ex p erim ento en el cual el efecto de los n e u trin o s en el agua p ro d u ciría una señal d istintiva de coincidencias de rayos gam m a. Para m e d ir la señal, d esarro llaro n u n sistem a de detección com pleja de 330 tu b o s m uí-

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tiplicadores in m ersos en u n líq u id o orgánico. En 1956, u san d o el reactor del rio Savan n ah com o fuente de n eu tro n es, en c o n tra ro n señales de que había indicios inequívocos de reacciones n e u trin o -p ro tó n . El d escu b rim ien to del n e u trin o fue incluso m enos sorp ren d en te que el d escubrim iento del a n tip ro tó n realizado el año previo. U nos años después del ex p erim en to exitoso de Reines y C ow an, otros experim entos m o stra ro n que las reacciones q u e o c u rría n con el n e u trin o n o o c u rría n con el antin e u trin o , y que las dos partículas eran p o r ta n to diferentes. Esto estaba de acuerdo con la conservación del n ú m e ro lep tó n ico (L), u n a idea im plícitam ente in tro d u cid a p o r Emil K onopinski y H o rm o z M a h m o u d en 1953. Tanto el electrón com o el m u ó n negativo tien en L = +1, así com o los n e u trin o s asociados. Pero m ien tras la desintegración de u n m u ó n en u n electrón y u n p a r n e u trin o -a n tin e u trin o era bien conocida, la desintegración en u n electrón y u n cu a n to gam m a n o se había observado; y, sin em bargo, se p erm ite según la conservación del n ú m e ro leptónico. De m an era form al, esto se contabilizaba in tro d u c ie n d o incluso o tra ley de conservación, p o r la cual el nú m ero m u ó n ico se conserva. Esto hizo que se sugiriera q u e el n e u trin o asociado con la desintegración TT(i sería diferente del n e u trin o o rd in a rio asociado con el electrón en la desintegración del n e u tró n . Si éste era el c a so , ‫ ار’ ا‬+ ‫ﺳ ال س‬ ‫م‬+ estaría perm itid o , m ientras que ‫ إإاأ‬+ n —> e~ + p estaría p ro h ib id o . La diferencia en tre estas dos reacciones, y p o r tan to la existencia de u n m u ó n -n e u trin o separado del e ^ tr ó n - n e u tr in o , fue m ostra d a ex p erim en talm en te en 1962 en u n a co laboración entre la U niversidad de Colu m b ia y el L ab o rato rio N acional B rookhaven d irig ida p o r León Lederm an, M elvin Schw artz y Jack Steinberger. El éxito del ex p erim en to se aseguró p o r el sistem a de detección, u n a gigantesca cám ara de chispa de diez toneladas de peso. C on gran diferencia, el avance m ás sensacional en la física de interacciones débiles en los años cin cu en ta fue la p ru e b a de que la p a rid a d no se conserva en los procesos débiles. El p rin cip io de la invariancia de la parid ad , o sim etría ' fúe trasladado a la m ecánica cu án tica p o r E ugene W igner en 1927-1928, e ' te obtuvo u n estatus paradigm ático. D ebe tenerse en cuen ta que la p arid ad es en este contexto u n concepto específicam ente m ecánico-cuántico. C uan d o H e rm a n n Weyl, en 1929, p ro p u so u n a ecuación o n d u la to ria D irac de dos co m ponentes p a ra partículas con m asa cero y espín de u n m edio, Pauli rechazó la ecuación p o rq u e n o satisfacía la invariancia de la parid ad . La ecuación de Weyl n o fue rehabilitada hasta m u ch o después, p o ste rio rm e n te al d escu b rim ien to de la n o conservación de la paridad. H asta m ediados de los años cincu en ta, los físicos n o se cu estionaban el dogm a de la conservación de la p arid ad , y los pocos ex perim entos que, en retrospectiva, indicaban el incu m p lim ien to de la ley de la conservación n o fuero n in terp retad o s com o tales. C o n el d escu b rim ien to de las p artícu las extrañas, se hizo evidente que u n a de ellas, llam ada 0+, se desintegraba en dos pio n es (tt+ u ° ) ; la otra, la p artícula T+, en tre‫ ؟‬piónes (rr_ TT+ TT+). A dem ás, las dos p artícu las tenían la m ism a m asa y el m ism o tiem p o de vida, p o r lo q u e parecería q u e serían sim p lem en te dos m o d o s d istintos de desintegrarse de la m ism a p artícula. En cualq u ier caso, com o d e m o stra ro n Richard i)alitz y otros en 1 9 5 4 , el estado de espín y de p arid ad de 0 era d istin to del de T , p o r tan to eran p re

Desabrimientos de p artieras

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su n tam en te d istintos. La enrevesada cuestión fue am p liam en te d ebatida en 1955-1956 y se p ro p u sie ro n varias sugerencias p a ra resolverlo. £[٦ 1956, Tsung l)‫؛؛‬o Lee y C hen N ingY ang, dos físicos chinos q u e llegaron a la U niversidad de Chicago poco después de la guerra, sugiriero n que la no conservación de la p a rid ad era u n a posibilidad realista. Se en c o n tra ro n p ara su sorpresa, con que la conservación de la p a rid ad no estaba bien apoyada p o r los ex perim entos anteriores: «Se nos m o stró com o obvio que no había, en aquella época, u n a sola evidencia de la conservación de la p arid ad en la desíntegración (‫؛؛‬, ¡y que deb im o s de ser m u y estúpidos!» (F ranklin 1986, p. 14). H abiendo «term in ad o de calcular y em pezado a pensar» sugirieron al final de 1956 que la conservación de la p arid ad se in cu m p lía en in fra c c io n e s débiles, au n q u e avisaron de que «este a rg u m en to [...] n o debe ser to m a d o d em asiado en serio p o r la o p acidad de núestro co n o cim ien to actual de las p articu las extrañas». El pen sam ien to de Lee y de Yang les hizo sugerir dos tipos de experim entos, u n o sobre la desintegración beta y o tro sobre la desintegración TT\ie, que deberían ser capaces de revelar el sospechado incum plím iento de la conservación de la p arid ad . Los exp erim entos frieron realizados p o r tres grupos de físicos a p rin cip io s de 1957: C h ien -S h iu n g W u en la U niversidad de C olum bia investigó la d esintegración beta, la d esintegración m esón fue exam inada p o r Richard G arw in, fe o n L ederm an y M arcel ^^'’einrich, tam b ién en la U niversidad de C olum bía, y u san d o u n a técnica distin ta, ferom e F riedm an y V alentine Telegdi en la U niversidad de C hicago. Los resultados p ro b a ro n que Lee y Yang ten ía n razón: la parid a d n o se conserva en las in teracciones débiles. La ru p tu ra de la ley de la conservación de la p a rid a d fue, a pesar de su n atu raleza revolucionaria, aceptada ráp id am en te p o r la com unidad física. Paul¡, gran seguidor de los principios de sim etría y que, ya en enero de 1957, había escrito a V ictor W eisskopf que «no creo que el Señor sea un débil zurdo» no fue u n a excepción. En o tra carta a Weisskopf, describió su propia reacción: «Ahora, después de haber superado el p rim er im pacto, em piezo a recoger m is pedazos. Sí, file m uy dram ático [...] estoy im pactado, n o tan to p o r el hecho de que el Señor prefiera la m ano izquierda, sino p o r el hecho de que El todavía parece ser sim étrico izquierda-derecha cuando él se expresa a Sí m ism o de m anera fiierte» (Franklin 1986, p. 25). El descu b rim ien to de la n o conservación de la p arid ad con trib u y ó a u n cam bio general en el clim a intelectual de la física ífindam ental, dirigida a u n a ten dencia a cuestionarse la validez absoluta de o tras leyes de conservación tam b ién . C om o expresó Philip M ocrison en 1958, «no p o d em o s escapar a m ira r todas las sim etrías ta n abiertas com o ah o ra a u n a d u d a razonable, y com o candidatas a u n a p ru e b a ' (K ragh 1997c, p. 204). Incluso los p rin cip io s de conservación de energía y conservación de la carga se p o d ría n cuestionar, com o lo fu ero n en conexión con algunos de los m odelos cosm ológicos d ebatidos en ese tiem po. La explicación de Lee-Yang m o stró no sólo que la p a rid a d (‫ ) ﺀ‬se in cu m p lía en interacciones débiles, sino que tam b ién era el caso con la conjugación (C) de la carga, esto es, la sim etría partícu la-an tip artícu la. Esta p ro p ied a d invariante nos re tro tra e a la in tro d u cció n de las an tip artícu las de D irac en 1931, fue fo rm u lad o com o u n teo rem a p o r W endel F u rry el año siguiente y declarado com o p rin cip io de in v ^ ia n c ia general p o r K ram ers en 1937. Landau, au n q u e acepta

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ba el resu ltad o de W u y o tro s, estaba en tre aquellos que no estaban eo n ten to s eon la no eonserv ació n de la p a rid a d p o rq u e p arecía q u e estaba en conflicto con la isotropía del espacio. «En m i o p in ió n u n a sim ple n egación de la conservación de la p a rid a d p o n d ría a la física teó rica en u n a situ ació n incó m o d a» , escribió L andau en 1957. ? ٠٢ esa razó n sugirió q u e «todavía ten em o s invariancia con respecto al p ro d u c to de las dos operacio n es [CP], a la cual llam am o s inversión co m b in a d a [...] [y la cual] consiste en reflejo del espacio co n in tercam b io de p artícu las y antipartículas» (F ranklin 1986, p. 79). C om o m o straro n Pais y ?iccioni en 1955, la teoría de m ezcla de partículas de los kaones propuesta p o r G ell-M ann y Pais predecía que u n haz de las partículas de larga vida K°2 después de su paso p o r la m ateria «regeneraría» las partículas K° de corta vida que habían sido en origen m ezcladas con las partículas K°r Este fenóm eno ،he confirm ado en 1961 y u n o s pocos años m ás tard e los físicos de P rinceton James (]ronin, Jim Christen só n y Val Fitch, en colaboración con el francés P ené 'l'urlay, se u n iero n para investígar con m ayor pro fu n d id ad . Al m ism o tiem po, estu d iaron la desintegración de K°2 en dos piones, u n proceso que n o estaría p erm itid o según la conservación de CP. Los resultados del elaborado experim ento, llevado a cabo en el nuevo sincrotrón de gradiente alternante de Brookhaven, fueron publicados en 1964. M ostraban 45 desintegraciones de dos piones de en tre casi 30.000 desintegraciones analizadas. C om o ap u n tab a el grupo de ?rin ceto n , esto p ro b ó que en esta desintegración, en concreto, incluso la conservación CP era incum plida. Este resultado im p o rtan te, m ás tarde reconocido con un prem ió N obel, sólo fue m en cio n ad o brevem ente en el artículo de los físicos de Princeton. «La presencia de u n a desintegración de dos piones im plica que el m esón K°2 n o es un p u ro eigen-estado de CP», escribieron. Eso era todo, pero era suficiente. El que quizá sea el m ás firerte de to d o s los p rin cip io s de invariancia, el teorem a CPT, m antien e que tod o s los procesos son invariantes bajo las operaciones com binadas de c , p, y la inversión del tiem p o (T). Esto fue fo rm u lad o en distintas versiones en los años cincuenta, pero n o se p u ede adscrib ir a u n ú n ico físico o darle u n a ñ o concreto de nacim iento. Se le suele acred itar la p a te rn id a d a Pauli, G erhard Lüders o a Julián Schwinger, p ero John Bell y B runo Z u m in o d eberían tam b ién considerarse candidatos. Ya fu n d ad o sólidam ente en los conceptos m ás elem entales de relatividad y de m ecánica cuántica, el teo rem a C P T goza de u n estatus en ‫ ظ‬física m u y alto, casi sagrado. C on la p ru e b a de la infracción de la d esintegración de K°2, se hizo n o to rio que o bien el teorem a C P T n o p o d ía apro p iarse de u n a validez absoluta o la inversión del tiem p o falia. A pesar de este dilem a, que se dirigía a u n a elección entre dos consecuencias igual de poco atractivas, la m ayoría de los físicos aceptó los resultados de P rinceton com o p ru e b a de la infracción de CP. Se sug iriero n explicaciones alternativas, pero n in g u n a consiguió u n a aceptación am plia. El m e n o r de los dos m ales, según le parecía a la m ayoría de los físicos, era aceptar que la sim etría del inverso del tiem p o se ro m p e en I‫؛؛‬ desintegración de los dos pio n es de K°2. A un q u e los físicos h a n buscado evidencias directas de la infracción de T desde m ed iad o s de los años sesenta, no se ha en co n trad o u n a confirm ación definitiva.


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‫ ﻣﺤﺎ‬significación de los experim en to s de la violación de la p arid ad de 1957 y la vioación de CP en 964 ‫ ا‬n o estaba restrin g id a a las im plicaciones cognitivas; éstos fueron decisivos para ‫ ط‬fo rm ació n de la subdisciplina conocida com o física de interacciones .:ebiles, u n cam po q u e ya se en c u e n tra en la teo ria de Ferm i, en 1933-1934, pero que solo tuvo u n significado social en 1957. Los datos '

m o stra b an clara-

m ente la im p o rta n c ia de los dos eventos en el auge de la teoria de interacción débil. C om o porcentaje del n ú m e ro to tal de publicaciones de física, las publicaciones sobre interacciones débiles florecieron desde el 1 al 3 p o r 100 en 1958, y después cayeron a su can tid ad «norm al» del 1 p o r 100 en dos años. D u ra n te los años 1950- 1970, el p o rcentaje de artículos de física de interacción débil q u e eran p re d o m in an te m en te te ó r‫؛‬eos con respecto a los que eran p re d o m in a n te m e n te experim entales, floreció de un aproxim ado 0,8 a u n 5,8 p o r 100 (V lachy 1982, p. 1066). Los in crem en to s súbitos del ‫ ^؛‬rc e n ta je alred ed o r de )958 y 1965 reflejan el im pacto de los dos descubrim ientos pioneros sobre el in cu m p lim ien to de la sim etría.

Los quarks De acuerd o con el folklore de la física, se le atribuye a F erm‫ ؛‬haber contestado u n a preg u n ta relativa a los n o m b res de las p artícu las elem entales con «joven, si fuera capaz de recordar los n o m b res de estas partículas, m e h u b iera hecho botánico». Eso fue en 1954, en u n tiem p o en el que se conocía u n a docena de partículas. Diez años después una reseña subrayaba que «hace sólo cinco años, se p o d ía hacer u n a lista ord en ad a de 30 partículas subatóm icas, [...] desde entonces, se h a n d escubierto entre 60 y 70 objetos subatóm icos más» (Fickering 1984a, p. 50). E n efecto, d u ra n te esos años el n ú m ero de m esones y b ario n es [...] fu ertem en te desintegrables explotó com o resultado de las innovaciones en la tecnología de aceleradores y detectores. C on el in crem ento de partículas a u m e n tó la necesidad de entenderlas o, al m enos, de clasificarlas de acuerdo con algún m arco teórico. Las ideas p ara o rganizar las partículas elem entales, en el sentido de reducirlas a m en o s objetos, venían del final de los años cu arenta y estaban basadas en el form alism o del isospín. En 1949 Ferm i y Yang especularon que el p ió n pod ría ser concebido com o u n a co m b in ació n de u n n u cleó n y u n an tinucleón, y en 1956 el físico jap o n és Shoichi Sakata sugirió u n a teo ría de acuerdo con la cual los dos n u cleones y la p artíc u la ٨ - a veces conocidos co m o « sakatones»- eran los pilares de construcción de los m esones pesados y de los hiperones. El interés de Sakata y de otros científicos en la U niversidad de N agoya p o r la com po sición de las partículas elem entales estaba guiado p o r la m etod o lo g ía m arxista del m aterialism o dialéctico. A unque el m odelo de Sakata parecía p ro m eted o r, y fue ú til p a ra p o d er e n ten d e r los estados m esónicos, a finales de los años sesenta n o atraía ya m u ch a atención fuera de Japón. El m ás exitoso de los p rim ero s sistem as de clasificaciones estaba basado (com o el de Sakata) en el g ru p o de sim etría SU (3), o rig in alm en te com o p arte de u n a teoría de cam po de gauge de interacciones fuertes. La p ro p u esta del g ru p o SU(3) fue realizada en 961 ‫ل‬, de m an era in d ep en d ien te p o r G ell-M ann, entonces en C altech, yY uval N e’e-

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m an , u n joven teórico israelí que en la época estaba trab ajan d o com o agregado m ilitar en Londres. La idea se v in o a conocer com o «Eightfold Way» (vía óctuple»), té rm in o acuñado p o r G ell-M ann. De acuerdo con esta vía o sistem a de clasificación, las p a rtí culas estaban agru p ad as o «representadas» en m últiplos, caracterizados p o r u n espín y nú m ero s de p arid ad definidos e incluyendo p artícu las con isospines y extrañeza d is tintos. Por ejem plo, las p artícu las con u n espín de u n m edio y p a rid ad positiva fo rm a b an u n octeto q u e consistía en p, n, A , X+, ٤ ", S° E~ y E +, siendo caracterizadas cada u n a de las o cho p artícu las p o r su isospín y p o r su extrañeza. El octeto era la en tid ad básica de la teo ría G ell-M ann-N e’em an, que ta m b ié n incluía decupletos y, p ara los m e sones, non eto s. En la época en que se p ro p u so la vía óctuple existían varios «agujeros» en los m odelos en fo rm a de partículas desconocidas, y existía in c ertid u m b re con rela ción al lug ar ad ecuado de algunas de las p artícu las recientem ente detectadas. En el oc teto co n stitu id o p o r pion es y kaones, faltaba u n a partícula. C u an d o se e n co n tró la re sonancia ٦ en o to ñ o de 1961 y resultó acoplarse de u n a m an era fácil en el esquem a, esto le dio u n apoyo valioso a la vía óctuple. La teo ría fue d ebatida en la conferencia de Rochester de 1962 y ta m b ié n en u n a conferencia en el CERN el m ism o año. En am bas conferencias, el m ú ltip lo de b a rió n de espín 3/2 y de p arid ad positiva estaba entre los tem as a tratar. Este m ú ltip lo co n ten ía nueve partículas, algunas de las cuales, la X* y la E*, fuero n dadas a conocer p o r p rim e ra vez en la conferencia del CERN. Si era u n d e cúplete, debería co n ten er u n a p artícu la adicional - y aún d e sco n o cid a - G ell-M ann e indep en d ien tem en te N e’em an a rg u m e n ta ro n q u e el décim o m iem b ro debería tener u n a extrañeza de - 3 y u n a m asa de u n o s 1680 MeV; adem ás, debería ser u n a partícula o rd in aria con u n tie m p o de vida relativam ente largo, m ás que u n a resonancia. GellM an n n o m b ró la p artíc u la p red ich a com o h ip e ró n Q~ y dejó el escenario abierto para los físicos experim entales. (La u n id a d de m asa MeV, abrev iatu ra de M eV /c2, equivale a aproxim ad am en te la m asa de dos electrones.) Los físicos en E uropa y en Estados U nidos estaban deseosos p o r igual de encontrar, o m ás bien d esarrollar y después en co n trar, la partícu la predicha. La b ú sq u ed a derivó p ro n to en u n a com p etició n en tre el CERN en E uropa y el lab o rato rio Brookhaven en Estados U nidos, con los estad o u n id en ses com o ganadores de la carrera. A principios de 1964, u n g ru p o de tre in ta y tres físicos de B rookhaven, dirigidos p o r N icholas Sam ios, p u d o a n u n ciar u n ex p erim en to de to tal éxito. E n c o n tra ro n en su cám ara de b u r bujas de h id ró g en o expuesta a kaones u n a traza que, concluyeron, era el resultado de la desintegración de Q- p ro d u cid a com o K~ p —» Q~ K + K°. N o sólo tenía la p artícula la extrañeza (-3 ) y tiem p o de vida (0,7 x 10-10) adecuados, tam b ién en co n traro n que la m asa era de 1.686 ± 1 2 MeV, excelentem ente acorde con el valor predicho. La co n fir m ación, p o r supuesto, fue u n g ran triu n fo p a ra SU(3) y para el esquem a de clasifica ción de la vía óctuple, con u n a co n tu n d e n c ia que ya no p o d ía ser pu esta en duda. C on el éxito del esquem a, los físicos n a tu ra lm e n te se p reg u n ta b an p o r qué fu n cionaba ta n bien, u n a cu estió n que h ab ía sido co n sid erad a p o r G ell-M ann y o tro s incluso antes del éxito de Q~. Existía o tra d im e n sió n en el ex p erim ento, ta n característica de la físi ca de partícu las m o d e rn a co m o la p u ra d im e n sió n científica. A ntes de que el eq u ip o

D e sca im ie n to s de partieras

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de B rookhaven en treg ara su artícu lo a ‫ ظ‬Physical R eview Letters, de p u b licació n rápida, d iero n u n a co n feren cia de p re n sa , co n la in s tru c c ió n de q u e los p erió d ico s sólo p u b lic a ría n la n o tic ia u n a vez q u e h u b ie ra ap a re c id o el artícu lo . D e alg ú n m o d o h u b o u n a filtra c ió n , y a p a re c iero n n o ticias so b re el d e sc u b rim ie n to en la N ew Scientist an tes de la fecha de p u b lic a c ió n . U n o de los físicos de B rookhaven dijo: « fu e u n desastre. A rru in ó n u e s tra p u b lic id a d . H u b ié ra m o s o b te n id o la p rim e ra página del N ew York Tim es del d o m in g o , q u e es algo m u y b u e n o de ob ten er. D espués de to d o , ¿de d ó n d e co n seg u im o s el d in e ro nacional? D el C ongreso. S u p o n e u n a g ran diferencia co n seg u ir la p o rta d a en el N ew York Times, ya q ue casi to d o s los congresistas la leen. Es u n factor, y n o p o d e m o s neg arlo , p o r lo q u e no s im p o rta m u ch ísim o » (G astón 1973, p. 86). En 1964 la in terp retació n de la E ightfold Way en té rm in o s de u n m odelo com puesto de h ad ro n es (partículas de in teracción fuerte) fue pro p u esta p o r G ell-M ann, quien, insp irad o en u n pasaje de Finnegans Wake, de Jam es Joyce, llam ó a las partícu las constituyentes «quarks». U na sugerencia m u y sim ilar, pero u san d o el té rm in o «ases» (en inglés, «aces») en vez de «quarks», fúe realizada de m an era in dependiente p o r G eorg Zweig, u n am ericano, ru so de nacim ien to , de veintiséis años, y alu m n o de G ell-M ann q u e trab ajab a en el CERN; los físicos a d o p ta ro n el n o m b re m ás literario. Según a la idea del q u ark , to d o s los h ad ro n es consistían en com binaciones de dos o tres quarks y sus an tiq u ark s. Jo que significaba q u e los cientos de partículas h ad rónicas y resonancias se reducían a com binaciones de tres en tidades fundam entales. Éstos eran los q u ark «up» (tam b ién conocidos com o q u ark «arriba») y los q u ark «down» (tam bién conocidos com o q u a rk «abajo»), am bos con extrañeza cero, pero con i$o$pín opuesto, y el q u ark «extraño» con 5 = 1 . P or ejem plo, el p ro tó n estaba com puesto p o r uud, y el pión negativo p o r díi. El hecho m ás destacable en la concepción del q u a rk era que los nuevos objetos hipo tético s ten ían cargas eléctricas fracciónales, en concreto, + 2/3 para el q u ark « y - 1 /3 p ara los q uarks d y s . ¿Eran los quarks, m ás que u n a ano tació n de contabJe, u n a regla m em o técn ica útil? ¿Existían com o objetos dinám icos que p o d ían ser detectados? Estas cuestiones frieron p lanteadas in m ed iatam en te p o r físicos que reconocían el éxito de clasificación del m odelo del q u a rk sim ple, pero que ten ían reservas respecto al estatus ontológico de los quarks. G ell-M ann, el inventor del q uark, enfatizó que su invención n o existía. «Es d ivertido especular cóm o se c o m p o rtaría n los q uarks si frieran partículas físicas de m as‫ ؛؛‬finita», escribió en su artículo de 1964. «Una b úsq ueda de q u ark s estables de c a rg a - 1 /3 ó - 2 /3 y/o d iq uarks estables de carga - 2 /3 ó + 1/3 ó + 4/3 en los aceleradores de m ayor energía n os ayudaría a reafirm arnos en la no existencia de los q u ark s reales» (Pickering 1984a, p. 88). C>ell-Mann afirm ó después que había em pleado la palabra «real» com o o p u esta a «m atem ática», no p ara negar que los q uarks existiesen, sino p ara evitar discusiones filosóficas relativas al significado de la existencia de objetos p e rm a n e n te m en te confinados. El m odelo del q u a rk n o fue especialm ente bien recibido en sus p rim ero s años. U na de las razones fúe el fracaso p ersistente de los experim entalistas en la detección de q uarks libres; o tro, que el m odelo q u a rk se veía en general com o teó ricam ente inftin-

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Generaciones c á n tica s

dado y €١٦desacuerdo con otras alternativas m ás p o p u lares en la época. Los quarks funperfectam en te en el nivel fenom enológico, pero para m uchos físicos eran

C lo n a b a n

m eras expresiones sim plistas de las dinám icas de u n m u n d o h ad ró n ico que todavía no se entendía. La m en o s que en tu siasta respuesta n o evitó que los x ^ r im e n ta lis ta s inte n ta ra n refu tar a G ell-M ann, esto es, m o stra r que ios quarks existían, m ás que m ostra r que n o existían. U n estudio de 1977 de experim entos de b ú sq u ed a de quarks listó unas ocho búsq u ed as de este tipo. E ntre las m uchas b ú squedas que seguían la teoría de 1964, la m ás interesante fue llevada a cabo p o r W illiam F airbank y sus colaboradores en

la

U niversidad de Stanford. En 1977, después de varios años de trabajo,

el

gru p o de

Stanford com u n icó que había e n c o n tra d o cargas fracciónales en experim entos tipo M illikan, en concreto, tres casos de bolas d im in u tas de niobio que poseían u n tercio de la carga del electrón. El hallazgo fue contro v ertid o , ta n to experim ental com o teóricam ente, ya que en esa época los teóricos se h ab ían convencido de que los quarks libres no existían, sino que estaban p e rm a n e n te m en te confinados d e n tro de los hadrones, de los cuales fo rm ab an parte. Baste decir que el hallazgo no fue co nfirm ado p o r otros experim en to s y que fue, después de m u ch o debate, rechazado p o r la c o m u n id ad física de p artículas elem entales. El q u ark n o fue la ú n ica p artícu la elem ental que escapó a la detección. M uchas otras partículas exóticas h abían sido predichas sin h ab er sido n u n ca en co ntradas, b ien p o r ser dem asiado difíciles de en co n trar, b ien p o rq u e no existían: el m o u o p o io m agnético es u n ejem plo. D irac d em o stró en 1931 que los polos m agnéticos aislados eran posibles, esto es, consistentes con las leyes básicas de la física. D u ran te m ás de tres décadas, la posibilidad fue ignorada, pero, en los años setenta, los m on o p o lo s se convirtieron en objetos interesantes, después de que G erardus ’‫ ؛‬H o o ft en los Países Bajos y A lexander Polyakov en la U n ió n Soviética m o stra ra n que ciertas teorías de cam po de gauge predecían m o n o p o lo s m agnéticos enorm es. En 1975, Paul B uford Price y sus colegas an u n ciaro n que h ab ían e n c o n tra d o en la rad iació n cósm ica u n m o n o p o lo con la fuerza predicha. El d escu b rim ien to , an u n ciad o en u n a conferencia de prensa, causó sensación. Price m en cio n ó (quizá de m an era irónica) que «se pu ed en im pulsar barcos por los m ares p o n ie n d o u n o s cu an to s m o n o p o lo s en el barco y haciendo que el cam po m agnético de la T ierra tire a lo largo del océano»; y esto n o era todo, de acuerdo con el In stitu to A m ericano de Física, el d escu b rim ien to p o d ría derivar en aplicaciones tan útiles com o «nuevas terapias m édicas en la lucha co n tra enferm edades com o el cáncer y nuevas fuentes de energía». Al ser c o n fro n tad o con sem ejante declaración, el p o rta voz del A IP (A m erican In stitu te o f Physics) dijo que «la gente espera que seas capaz de decir qué uso p u ede ten er u n ex p erim en to y él [el portavoz] sim plem ente está haciéndolo lo m ejo r q u e puede» (K ragh 1981b, p. 160). Ni se obtuvo energía m agnética ni u n a cu ra c o n tra el cáncer. U n año después, se decidió p o r consenso que el an u n cio del descu b rim ien to hab ía sido erróneo. El fracaso de Price n o p aró a los cazadores de m o n o p o lo s, que co n tin u ab a n buscando la escurridiza partícula. En 1982 se hizo o tro a n u n cio de u n sensacional descub rim ien to , esta vez p o r Blas C abrera en la U niversidad de Stanford. G rabó el cam bio


315

en el flujo m agnético de u n anillo su p e rc o n d u c to r y lo in te rp re tó com o el resultado de u n m o n o p o lo p asan d o p o r el anillo. A unque el suceso n o estaba explicado en térm in o s de otras fuentes, n i estaba p o r o tra p arte p ro b a d o com o u n error, ni C abrera ni otros lo g raro n confirm arlo. U n suceso solo n o fue suficiente p a ra cam biar el estatus del m o nopolo: de fam osa p artícu la p o r e n c o n tra r a p artícu la real.

El crecimiento de la física de partículas D esde u n p u n to social y cu an titativ o , el p rim e r c u a rto de siglo de la física de altas energías se caracterizó p o r dos hechos: u n fu erte crecim iento y u n fuerte d o m in io es ta d o u n id en se - n o u n a «am ericanización», u sar ese té rm in o im plicaría que los E sta dos U nidos se h u b ie ra n ap ro p ia d o de u n ca m p o ya establecido, y éste n o era el caso -; la física de altas energías era en g ran m ed id a u n a invención estadounidense. (En esta sección, de acuerd o co n la convención, n o s referirem os a la física de altas energías com o H E P (siglas del inglés H igh Energy Physics). N o hay datos co n tu n d e n te s sobre la d istrib u c ió n in te rn a c io n a l de la H EP en el p e rio d o e n tre 1950 y 1970, pero en el es tu d io del In stitu to A m erican o de Física se in d ica que, a m ediados de los sesenta, el 32,3 p o r 100 de los físicos teó rico s de altas energías era n estad o u n id en ses o can a dienses, el 35 p o r 100 era de la E u ro p a n o co m u n ista, y la m ayor p a rte del resto era de la U n ió n Soviética y sus aliados en la E u ro p a del Este. La co n trib u c ió n de los físi cos japoneses fue significante, y la de los países del Tercer M u n d o apenas destacable. El d o m in io am erican o está fuera de d iscusión, lo que, dada la situación antes de la guerra y el curso de los eventos d u ra n te y p oco después de la guerra, n o es m uy so r p ren d en te. A un q u e hay o tro s dos factores im p o rta n te s: E stados U nidos in v irtió en HEP, p ero n o m u c h o m ás que algunos países europeos. P o r ejem plo, en 1967-1968, los Estados U nidos gastaro n u n o s 160 m illones de dólares en HEP, sin d u d a u n a gran sum a; eso fue u n as c u atro veces lo gastado en G ran B retaña, pero te n ien d o en c u en ta las diferencias de p o b lació n y re n ta p e r cápita, el resu ltado final es que G ran B retaña in v irtió m ás recursos en H EP q u e los Estados U nidos. La o tra cu estió n p a ra reco rd ar es que la m ayoría de los físicos q u e tra b a ja b a n en E stados U nidos y, p o r tan to , c o n trib u ía n a la p a rte de la física de ese país, e ra n euro p eo s o asiáticos. Al 30,4 p o r 100 de los ciu d ad an o s estad o u n id en ses q u e c o n trib u y e ro n a ese 32,3 p o r 100 de n o rte a m e ri canos in d icad o antes, debe añ ad irse u n ap ro x im ad o 12 p o r 100 que n o eran estad o u nidenses pero que tra b a ja b a n en los E stados U nidos. D u ra n te las p rim e ras décadas del p e rio d o de p o sg u erra (y todavía hoy, en m e n o r m ed id a), los Estados U nidos ac tu aro n com o u n im á n en m u ch o s cam p o s de la física y c o n trib u y e ro n a u n a in tern acio n alización -a lg u n o s lo llam arían u n a a m e ric a n iz a c ió n - de la física. Sin em bargo, la d o m in ació n am erican a n u n c a fue to tal, n i cu an titativ a n i cualitativam ente. El ran k in g de países de 1981, m ed id o s en relación con la p ro p o rc ió n del total de publicaciones totales m u n d iales en HEP, estaba en cabezado p o r los E stados U nidos com o claro n ú m ero u n o , con casi el 30 p o r 100. Le seguían, p o r este o rd en , la U n ió n Soviética, A le m an ia, Japón, R eino U nido, Francia e Italia, to d o s con u n 4 p o r 100 o m ás. En la «se-

316


TABLA 21.2 D istrib u ció n regional de publicaciones de física de altas energías, 1982 Porcentaje de publicaciones

N ° de posición

País o región

1

E u ro p a occidental

34

2

N o rteam érica

31

3

U n ió n Soviética

14

4

la p ó n

6

5

E u ro p a del Este

5

6

In d ia

3

O tro s

7

-

Nota: En este año, el núm ero total de publicaciones en el cam po fue de alrededor de 4.000. Datos de Vlachy 1982.

‫ؤ‬ ‫ﻣﻪ‬

‫ﺀ‬

‫ج‬ ‫ﺀ‬

-٠ ‫م‬ O

‫ا‬ Gráfico 21.1.La expansión de Progress ofTheoretical Physics 1946-1960, indicada p or el núm ero total de páginas anuales. Fuente: Reproducido de Konuma 1989, con perm iso de Cambridge University ?ress.

gu n d a división», c o n trib u y e n d o e n tre u n í y u n 4 p o r 100, venían la In dia, C hina, Canad á, Polonia, E spaña e Israel (véase tab la 21.2). U n recu en to del m ism o año, 1981, m u e stra q u e si se m id e p o r n ú m e ro de artícu lo s de física de partícu las p o r m illón de


317

h abitantes, Israel es el claro n ú m e ro u n o , seguido p o r Suiza, A lem ania, D inam arca y Estados U nidos. Siendo de interés dichas cifras, n o deberían to m arse dem asiado en serio. C om o casi todo el resto de ram as de la física, la H EP es in tern acional y lo que cuen ta de verdad no es ta n to el origen nacional com o las institu cio n es en las que se ha llevado a cabo la investigación. A este respecto, com o co m en táb am o s en el capítulo 20, el CERN y otros laboratorio s euro p eo s to m a ro n la iniciativa desde ap ro x im adam ente 1980. El relevo estaba basado en p o rcentajes de crecim iento diferentes en la p ro d u cció n de los físicos de altas energías. En 1962 la c o m u n id a d euro p ea de HEP estaba form ad a p o r 685 cien tíficos y la co m u n id ad am ericana p o r 798. Llegando a 1975, E uropa hab ía sobrepasa do a los Estados U nidos en cu a n to a m a n o de obra. En ese año, la población e stad o u nidense de físicos d o cto rad o s en H EP se in crem en tó a 1.732, m ien tras que Europa p u d o subir hasta 1.806 doctores en física de HEP. A pesar del intern acio n alism o , n a tu ra lm e n te hab ía tendencias particulares de cada espacio nacional y cultural. Por ejem plo en Japón, la física de partículas y la teoría cuántica de cam pos d isfru tab an de u n a posició n fuerte antes de la guerra, u n a posición que de m a n e ra p rim o rd ia l se debe a los trab ajo s de N ishina y Yukawa. En p erio d o de guerra, Yukawa, T om onaga, Sakata y o tro s c o n tin u a ro n su trabajo bajo condiciones cada vez m ás difíciles. C o n la o cu p ació n de los Estados U nidos, se generó u n a queja de TABLA 21.3 D istribución de publicaciones de cam pos científicos según Physics Abstraéis, 1964 y 1968 1964 C am po de estudio

N ú m ero

Porcentaje

C recim iento anual (porcentaje)

1968

Porcentaje

N úm ero

Física del estado sólido

9.024

31,5

16.992

33,7

22

Física n u clea r y física de altas energías

5.486

19,1

8.242

16,3

13

E lectricidad y m ag n etism o (incluye física del plasm a)

3.781

13,2

4.572

9,1

5

A tóm ica y m o lecu lar

2.156

7,5

4.327

8,6

24

Fluidos

1.487

5,2

3.612

7,1

36

A strofísica

1.124

3,9

2.288

4,5

25

Geofísica

1.110

3,9

2.596

5,1

35

Ó ptica

798

2,8

1.407

2,8

19

Biofísica

206

0,7

83

Total

28.656

0,16

50.477

Nota: No están incluidos todos los campos. Basado en Anthony, East y Slater 1969, p. 723.

-1 5 19

318


que «toda la investigación en Japón, sea de n aturaleza fu n d am en tal ‫ ه‬aplicada, en el cam po de la energía atóm ica, debería ser p rohibida» (K onum a 1989, p. 536). A pesar de m ucho s problem as, los teóricos de H EP florecieron en Japón de u n m o d o destacable. El crecim iento está ilu strad o p o r ‫ ظ‬revista científica in ternacional japonesa Progress ofTheoretical Physics (Progreso de lafísica teórica), fundada p o r Yukawa en 946 ‫ ا‬y que se convirtió en u n a revista científica líder de H EP (véase gráfico 21.1). La im p resió n general es la de que la H EP «explotó» en los dos p rim ero s decenios después de 1945, y n o es u n a im p resió n sin fu n d am ento. N o hay cifras fidedignas de antes de 1964, pero en tre 1964 y 1968 - e n m u ch o s aspectos, los años de explosión de la H E P - las publicaciones bajo la categoría de «física nuclear y de altas energías» subieron de 5.486 artículos a 8.242. Tras u n p rim e r vistazo, puede parecer u n increm ento espectacular, p ero de hecho ni siquiera igualó el in crem ento m edio en la física: el porcentaje de artículos científicos sobre H EP en tre todos los artículos de física cayó del 19,1 al 16,3 (tabla 21.3). La razón p rin cip al es que lo que hasta entonces se consideraba com o la h e rm a n o m ayor de la HEP, la física nuclear, se hizo m enos popular, no que el interés en H EP declinara. B astante al c o n trario , d u ra n te este p erio d o de cu atro años, la H EP ex p erim en tó u n boom ex trao rd in ario , desde los ‫ل‬. 52 ‫ و‬a los 4.776 artículos, una razón de crecim iento de u n 212 p o r 100, sin precedentes. La tabla 21.3 lista el crecim ien to en distin to s cam pos d u ra n te 1964-1968, y la tabla 21.4 el crecim iento en alguñas especialidades en el m ism o p eriodo. Este es el p e rio d o en el que la H EP y la física del estado sólido p re d o m in a b a n y en el q u e la co rrien te p rin cip al de la década anterior, la física nuclear, p erd ió su posición privilegiada. D esde m ediados de los años trein ta hasta m ediados de los cincuenta, la física n u clear fue la ram a de m o d a p o r excelencia de la física, con la H EP sim p lem en te siguiendo sus pasos. En 1939, el 33 p o r 00‫ ل‬de todos los artículos en Physical R eview estaban en la categoría «física nuclear» y el 10 p o r 100 en «física de altas energías». En 1949, las p ro p o rciones eran del 51 p o r 100 y 12 por TABLA 21.4 C recim iento en subdisciplinas seleccionadas, 1964-1968 N úm ero C am po Física de altas energías P ropiedades m agnéticas de los sólidos P ropiedades eléctricas de los sólidos

1964

1968

C recim iento anual (porcentaje)

1.529

4.776

53

910

2.563

46

1.232

2.808

32

985

2.009

26

1.437

2.329

<6

D efectos de los sólidos

858

1.229

11

Física del plasm a

962

1.373

11

1.043

1.301

6

P ropiedades ópticas de los sólidos Física m o lecu lar

R eacciones nucleares N‫؛‬٠ «: Basado en Anthony, East y Slater 1969, p. 724


319

100 respectivam ente, pero d u ran te la siguiente década la p ro p o rció n de H EP subió rá p i dam ente y la de la física nuclear decreció de m an era correspondiente. H ay m ás en este m odelo q u e sólo u n a explosión: hay que considerar p rim e ro las subvenciones de la física de altas energías de los Estados U nidos, prin cip alm en te del D ep artam en to de E nergía y de la N ational Science F o u n d atio n (tabla 21.2). En el d e cenio de 1955 hasta 1965 se dio u n crecim iento in in te rru m p id o , llegando a u n pico al red ed o r de 1970, cu a n d o el cam p o recibió casi 800 m illones de dólares anuales (en p re cios de 1984), p ero a p a rtir de entonces, la H EP ex p erim en tó u n a caída en su apoyo económ ico, si bien n o fue drástica; de tod o s m o d o s, h u b o periodos en los cuales la co m u n id a d de H EP tuvo razones p ara p reo cu p arse (véase tam b ién el capítulo 26). En 1975, la H EP estad o u n id en se recibió sólo la m ita d de d in ero del que recibió cinco años antes. D u ra n te este breve p erio d o de crisis, incluso los pagos en dólares constantes d is m inuyeron. D esde ap ro x im ad am en te 1970, h u b o u n in crem en to real del interés en la H EP am ericana, reflejado p o r ejem plo en el n ú m e ro total de docto rad o s realizados en el cam po. La H EP se h ab ía aco stu m b rad o a su crecim iento y en 1971, el n ú m e ro de d o ctorados en HEP llegó a u n pico con u n o s 280 g rad u ad o s que se d o c to raro n en HEP. D espués la cifra d ism in u y ó velozm ente a 130 en 1975 y se m antuvo en este nivel d u ran te los siguientes q uince años. La ten d en cia co rresp o n d ía a u n a d ism in u ció n del 19 p o r 100 de to d o s los d o cto rad o s físicos en 1963 (el año récord) al aproxim ado 12 p o r

million 1984 dollors per yeor

1950

1960

1970

1980

1990

Gráfico 21.2. Financiación en los EEUU de la física de altas energías p or año y el núm ero de m iembros de la American Physical Society. Fuente: Reproducido de Yang 1989, con perm iso de Cambridge University Press.

320


100 en el p erio d o siguiente p o ste rio r al m al añ o de 1975. U na cosa es el din ero que liega, o tra los estud ian tes de d o cto rad o ; ¿y q u é decir de las ^ b lic a c io n e s , * consideradas com o u n a m ed id a objetiva de la salud de u n a disciplina cicntífic1£ ?‫ ؛؛‬n ú m ero de publicaciones de H EP subió de m a n e ra sostenida e im p resio n an te desde 1960 a 1990, p ero el in crem en to es de algún m o d o u n a ilusión: al m edirse en p ro p o rció n al total de las publicaciones de fí،sica, el n ú m e ro d ism inuyó de casi u n 14 p o r 100 en 1960 a u n ó p o r 100 en los años posterio res a 1975 (gráfico 21.3). Éstas sólo son cifras de la H EP am ericana. En el ám b ito m u n d ial, la p ro p o rc ió n de artículos de H EP de to d o s los

٧٠٠٢

٧—

Gráfico 21.3. El gráfico superior m uestra las publicaciones anuales sobre física de altas energías, como indica el núm ero de entradas en las secciones de Physics Abstracts dedicadas a las partículas elem enta les, teoría de campo cuántica, rayos cósmicos y aceleradores y detectores de partículas e instrum ental relacionado. En la figura inferior, los mism os datos están m ostrados como porcentaje de todas las en tradas en Physics Abstracts. Fuente: Reimpreso con perm iso de R. Corby Hovis y Helge Kragh, «Resour ce letter H EPP-1: history o f elem entary-particle physics» AJP 59 (1991), pp. 779-807. (©) American As sociation of Physics Teachers.


321

artículos de física era alrededor del 4 p o r 100 en 1981, con los Estados U nidos ligera m ente p o r debajo de la m ed ia de algunos países m ás peq ueños, com o España, Italia, Is rael y Pakistán, m u y p o r encim a de la m edia. Hay, p o r supuesto, u n a ap o rtac ió n del Tercer M u n d o en HEP, com o la hay en la ciencia en general. En m u y resum idas cu en tas, los países en vías de desarrollo apenas h a n sido visibles en la HEP, y cu a n d o lo han sido, sus físicos a m e n u d o h a n trab ajad o y vivido en E uropa o en N orteam érica. Por ejem plo, m ien tras q u e alred ed o r de 1965, el 6 p o r 100 de los físicos de altas energías eran indios, sólo el 2,4 p o r 100 estaban em pleados en India. ¿D ónde publicab an los físicos de altas energías sus artículos? Resulta, de m an era no inesperada, que había u n a jerarq u ía b astan te definida, con algunas publicaciones p e r cibidas com o m ás prestigiosas (o deseables) q u e o tras. El ran king de las publicaciones de H EP relevantes en los años sesenta era éste: Physical R eview Letters; Physical Review /am b o s de la A m erican Physical SodetyJ] Physics Letters (europea, establecida en Paí ses Bajos) y N uovo C im ento (Sociedad Italiana de Física). La H EP experim en tal ráp id am en te evolucionó hacia el m odelo colaborativo de la ciencia, caracterizado p o r m uchas colaboraciones en tre m uchos científicos, y ya no el trabajo de físicos individuales del tip o R u th erfo rd o C urie. Esto fue, p o r supuesto, el resultado de la d ep en d en cia creciente de las instalaciones de gran ciencia, com o acele radores y detectores de cám ara de bu rb u jas. H acia el final de los sesenta, no era raro que u n eq u ip o de veinte o tre in ta físicos apareciera com o au to r de u n artículo, y esto sólo era el principio. Tam bién hay que destacar la relación cam biante en tre experi m en tació n y teo ría en la HEP. El n ú m e ro de teóricos creció m u ch o m ás deprisa que el n ú m ero de experim en tad o res, y los d os g ru p o s cada vez se separaban más. En 1968, 316 de en tre 682 estudiantes de p o sg rad o en H EP estadounidenses eran teóricos. Sólo en casos m uy d eterm in ad o s, los jóvenes teóricos m ig rab an a la cu ltu ra experim ental o viceversa. D e en tre los jóvenes científicos que p u b licaro n dos ó m ás artículos en física de interacciones débiles alrededor de 1970, la ap roxim ación del 94 p o r 100 de ellos en su segundo artícu lo era el m ism o q u e el de su p rim e r artículo (esto es, experim ental o teórica).

CAPÍTULO 22


QED Com© se m en cio n ab a en el capítu)o 13, la teo ría cu án tica de interacciones electrom agnéticas -e le c tro d in ám ica s cuánticas o Q ED (de Q u a n tu m Electrodynam ics)- fue objeto de m u ch o debate en los años trein ta. En esa época, m uchos físicos p en saro n que n o sería posible desarro llar la teo ría convencional en u n m odelo que fuera a la vez teó ricam en te satisfactorio y em p íricam en te fructífero. M ientras que las cantidades intínitas que resultaban en las aplicaciones de la teo ría n o p u d ie ran ser evitadas, había poca esperanza de u n p rogreso ftrndam ental. Los problem as no recibieron m ucha atención d u ra n te ‫ ط‬g uerra, cu an d o la m ayoría de los físicos estaban ocupados con o tras m aterias, p ero después de 1945 era el m o m e n to o p o rtu n o de enfrentarse nuevam en te a los infinitos. A un q u e el g ran avance n o estaba causado d irectam ente p o r nuevos resultados em píricos, la teo ría y la e x p e r i m e n t a c ió n fueron de la m an o en los im p o rta n te s avances de 1947-1948 que d iero n lugar a u n a nueva teoría de QED. La teo ría de 1928 del áto m o de h id ró g en o de D irac rep ro d u jo la fórm ula de la estru c tu ra fina co n firm ad a p o r exp erim en to s de S om m erfeld y se le dio crédito, en general, p o r encim a de las críticas que p u d o recibir. La teoría ig n oraba los efectos asociados con la interacción del electrón con su p ro p io cam po, n o obstante, experim entos en los años tre in ta in d icab an que la e stru c tu ra de línea de hid ró g en o H a no encajaba exactam ente en las predicciones. H abía varias conjeturas sobre esa discrepancia que, de ser real, estaría causada p o r desviaciones de la ley de C oulom b. En 1938, el teórico de C altech Sim ón P asternack sugirió lo que diez años m ás adelante se vino a conocer com o el d esplazam iento de Lam b, si bien en esa época la situación experim ental n o estaba clara y ‫ ظ‬idea de Pasternack se m antuvo sin desarrollar. H ubo que esperar hasta después de la guerra, cu an d o se dio la p ru eb a experim ental definitiva del cam bio espectral. U sando u n a técnica de m icro o n d as sofisticada con la que se hab ía fam iliarizado dura n te el tie m p o de g u erra, W illis Lam b, en el L ab o ra to rio de R adiación de C o lu m b ia,


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explicó la cuestión. Junto a su estu d ian te R obert R etherford, dem o stró en la prim avera de 1947 que los dos estados del h id ró g en o 2S1/2 y 2 P 1/2, que según la teoría de D irac ten d rían la m ism a energía, estaban separados p o r u n a p eq u eñ a energía correspondiente a la o n d a n ú m e ro 0,033 €٨٦“'. La significación del desplazam iento de Lam b fue reconocida inm ed iatam en te p o r los particip an tes de la conferencia en Shelter Island sobre «Los fu n d am en to s de la m ecánica cuántica», cerca de N ueva York a p rin cip io s de ju n io de 947 ‫ا‬. E ntre los participantes de esta im p o rta n te conferencia estaban Bethe, W eisskopf, Kr‫؛‬uner$, Pais, Schwinger, F eynm an y tam b ién Lam b, que dio a conocer sus resultados. La im p o rta n cia teórica del desplazam iento de Lam b era que p o d ía ser debido a u n a interacción del electrón con el cam p o de rad iació n y que p o d ría, p o r tan to , servir com o u n a guía para u n a teoría m ejo rad a de QED. Q ue el desplazam iento de Lam b era sin d u d a u n efecto QED fue m o strad o p rim e ro p o r Bethe, in m ed iatam en te después de la conferencia. Bethe dem o stró en u n cálculo provisional que la m ayor p arte del desplazam iento de Lam b se p o d ía explicar de este m o d o ; su cálculo estaba basado en u n a form a sim ple de la teoría de la ren o rm alizació n de la m asa, u n a idea q ue ya había sido p ro p u esta antes de la guerra, p o r K ram ers en concreto. El cálculo de Bethe n o era del to d o relativista, y el siguiente paso era extenderlo y refinarlo hacien d o uso de u n a aproxim ación reíativam ente invariante. Tales cálculos frieron realizados p o r varios físicos entre 1947 y 1949, incluyendo a Lam b y N o rm a n Kroll, W eisskopfy Bruce French, Schwinger, Feynm an y T om onaga y su g ru p o en Japón. El resultado fue u n a concordancia absoluta con los experim entos y u n a co n firm ació n de la técnica de la renorm alización. Las co n trib u cio n es sem inales de Julián Schw inger a la nueva QED fueron asociadas con o tro ex p erim en to delicado, ‫ ظ‬m ed ició n del m o m e n to m agnético anó m alo del electrón. En 1947, u n g ru p o de físicos de la U niversidad de C olum bia d em o stró que el valor del m o m e n to m agnético era u n poco m ayor que el predicho en la teoría de D irae. En ese m ism o año, Schwinger, de 29 años de edad, em pezó a desarrollar su pro p ia versión de u n a Q ED consistente y covariante, aplicándola para calcular tan to el saJto de Lam b com o el m o m e n to m agnético an ó m alo del electrón. La teoría de Schwinger era trem e n d a m e n te com pleja en su aspecto m atem ático, pero entre la jungla m atem ática se vislu m b rab an valores n u m érico s que co n co rd aban perfectam ente con los experim entos. Por ejem plo, el m o m en to m agnético del electrón se da p o r el factor g, que según la teoría de D irac era exactam ente 2, pero experim entalm ente se sabía que era u n poco mayor. M ientras que los experim entos en 1948 le daban u n valor de 2,00236 para el factor g del electrón, Schwinger encontró de m anera teórica que g = 2,00232. Schwinger presentó su refo rm u lació n covariante de Q ED en la prim avera de 1948 en u n a reu n ió n en P ocono M anor, u n a secuela de la re u n ió n de Shelter Island. A parecieron versiones publicadas de la teo ría en u n g ru p o de artículos en Physical Review entre 1948 y 1951. En el p rim ero de estos artículos, u n a n o ta p relim in ar sobre el cálculo del m o m e n to m agnético, Schw inger d en o tó q u e en su nuevo form alism o de QED, «la interacción entre m asa y rad iació n p ro d u ce u n a ren o rm alizació n de la carga del electrón y de su m asa, estan d o con ten id as to d as las divergencias en los factores de renorm alización».

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Sam Schwebef ha resu m id o la significación del trabajo de Schw inger del siguiente m odo: «Su m éto d o era general en el sen tid o de que daba paso a u n a electrodinám ica cuántica consistente p ara o rd e n a r ‫ ﺗﻢ‬/ ‫ ج‬, y exhibía u n h a m ilto n ia n o sin divergencia p a ra o rd e n a r e2/Hc que se p o d ría consid erar com o el p u n to de a rra n q u e p a ra describir u n cu an to m ecánicam ente com o cualq u ier sistem a com puesto de electrones, positrones y fotones en la presencia de u n cam p o de C o u lo m b externo. Lo que previam ente eran piezas teóricas se so ld aro n y u n ificaro n en u n a electrodinám ica cuántica consisten te y co herente p a ra o rd e n a r a ٢ = e2/ fie]» (Schw eber 1994a, p. 309). A unque desconocida p a ra Schw inger y los dem ás p articipantes en la conferencia de la isla Shelter, u n a teo ría b astan te sim ilar a la de Schw inger ya h abía sido desarrollada en Japón p o r S in -ltiro T om onaga y sus colegas. In sp irad o p o r algunas de las teorías de D irac, "í’o m o n ag a desarrolló su ap roxim ación de ren orm alización de la m asa covariante a Q ED d u ra n te y poco después de la gu erra, en p arte ju n to con Ziro Koba y bajo circunstancias externas m u y difíciles. Se dice que los físicos japoneses ob tu v iero n su prim era info rm ació n sobre el desplazam iento de Lam b a través de Newsweek. D espués de h ab er co n tactad o con © p p en h eim er (q u e h abía organizado la conferencia de la isla Shelter y al tiem p o actu ad o com o u n a cám ara de co m pensación de Q ED ), en 1948 Tom onaga y sus co laboradores p u b licaro n en Physical Review u n resum en de su trabajo, incluyendo u n cálculo del d esplazam iento de Lamb. Tom onaga expresó su visión de la teoría de la ren o rm alizació n co m o sigue: «La m asa y la carga de los electrones que podíam os o bservar de hecho [son] las cantidades corregidas m + b m y e + be. Por consiguíente, [incluso] au n q u e los valores teóricos d e m + b m y e + ‫ ﺀ ة‬p u ed an ser infinitam en te grandes, sus valores de hecho son finitos. Y p o r consiguiente, de nuevo, las dificultades del infinito en los valores en lugar de los teóricos m + b m y e +be Resum iendo, p o d em o s decir que hem os ag ru p ad o todas las dificultades relativas al infinito en ‫ ظ‬autoenergía de u n electrón libre y en el p ro b lem a de la polarización del vacío» (Schweber 1994a, p. 271). El im p o rta n te trab ajo de T om onaga hasta cierto p u n to era paralelo al de Schwinger, p ero o c u rrió de m a n e ra aislada de la fase creativa de la QED am erican a y n o influyó n i en Schw inger n i en Feynm an. La tercera versión de Q ED era la de R ichard Feynm an, o tro joven teórico brillante. F eynm an realizó su d o c to ra d o bajo la dirección de W heeler en 1942 y su p rim e r trabajo científico tra ta b a de u n a nueva fo rm u lació n de la electrodinám ica clásica basada en interacciones directas en tre partículas. La idea original de Feynm an era la de resolver los pro b lem as de divergencia en la teo ría clásica en el sentido de su in terp retació n del cam p o libre, y después esperar que los p roblem as desaparecieran cuan d o la teoría fuera tran sferid a a la m ecánica cuántica. A unque n o o cu rrió así, sus p rim ero s trabajos le a ^ d a r o n a fam iliarizarse con u n p u n to de vista espacio-tiem po general que posterio rm e n te le llevó a la idea de fo rm u lar la m ecánica cuántica en té rm in o s de integrales de cam ino. En 1947, com o resultado de la conferencia de Shelter Island y del cálculo de Beth del d esplazam iento de Lamb, Feynm an em pezó a desarrollar su alternativa, u n a teo ría altam en te original de la QED. La teo ría estaba basada en ‫ ط‬fo rm ulación de las integrales de cam in o y en cálculos apoyados p o r u n a técnica de diagram as que


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p ro n to se conoció com o los diagram as de Feynm an. D esarrolló la teoría en artículos entre 1948 y 1951 e incluyó las reglas p ara los fangosos diagram as en su trab ajo clásico «A proxim ación esp acio -tem p o ral a la electro d in ám ica cuántica», aparecida en Physical Review en 1949. En este artículo, a p u n tó con satisfacción que, au n q u e todavía h u biera problem as teóricos, «sin em bargo, parece q u e a h o ra tenem os disponible u n m éto d o com pleto y definitivo p ara el cálculo de procesos físicos de cualquier o rd en en electrodinám ica cuántica». En el verano de 1948, existían dos versiones distintas de ren orm alización de la QED, la form u lació n Schw inger-T om onaga y la fo rm u lación Feynm an. A unque las dos form ulaciones d ab an los m ism os resultados, la relación en tre am bas distaba de ser obvia. La situación n o era diferente de la existente en tre la m ecánica de m atrices y la m ecánica o n d u la to ria poco después de que la teoría de ^ h r d d in g e r h u b iera aparecido veintidós años antes. El que las dos teorías de Q ED fu eran equivalentes de facto fue dem o strad o en 1949 en u n trab ajo im p o rta n te de Lreem an D yson, u n m atem ático inglés de 25 años, que h ab ía llegado dos años antes a la U niversidad de C ornell para trab ajar con la teoría cu án tica de cam pos. En 1948, D yson hab ía com pletado el cálculo del desplazam iento de Lam b y reconocido que las teorías de $ch^vinger y Tom onaga eran sim plem ente dos form ulaciones diferentes de la m ism a teo ría física. El año siguiente derivó la teoría de Feynm an a su p ro p ia m anera, fo rm u lán d o la p o r p rim era vez com o una teo ría de cam pos, y p ro b a n d o q u e las teorías de Schw inger y Feynm an eran equivalentes. C on la teo ría sintética de D yson, la n u eva ren o rm alización de la (‫ ؤ‬EL} estuvo esencialm ente com pletada. La im p o rta n c ia de los eventos de finales de los años cuarenta que dieron lugar a la nueva Q ED se ve ilu strad a con el hecho de que cinco de los físicos que co ntribuyeron a su desarrollo fireron g alardonados con el p rem io N obel: Lamb y Folykarp Kusch lo recibieron en 1955, el ú ltim o p o r su d eterm in ació n precisa del m o m en to m agnético del electrón, y Schwinger, F eynm an y T om onaga recibieron el p rem io en 1965; au n q u e la renorm alizació n de la Q ED era claram ente el trab ajo de cu atro físicos -S chw ingen, T om onaga, Feynm an y D y so n - éstos n o fueron los únicos que tra b ajaro n en el cam po y que realizaron co n trib u cio n es a éste. Fero al c o n tra rio de la situación de m ediados de los años veinte, cu a n d o nació la m ecánica cuántica, los físicos europeos y sus in stituciones no d esem p eñ ab an n in g ú n papel significativo en la fase form ativa de la renorm alización de la QED. Pauli, q u e había regresado a Z urich desde los Estados U nidos en 1946, siguió de cerca el desarrollo de la nueva teo ría pero no con trib u y ó a su generación. El único eu ro p eo q u e realizó co n trib u cio n es originales a la Q ED (excepto D yson, que en su contexto c u en ta com o u n estad o u n id en se) fue el excéntrico físico suizo Ernst Stueckelberg, q u ien alrededor de 1946 alcanzó m uchos de los resultados obtenidos con p o sterio rid a d p o r Schw inger y Feynm an. Los escritos de Stueckelberg, ‫ ط‬m ayoría en francés, ftreron co nsiderados m u y difíciles y oscuros y su valor solam ente fue reconocido en la década de los cincuenta, después de su m uerte. La historia de la Q ED de la posg u erra te m p ra n a invita a varias observaciones. En p rim e r lugar, que Schw inger y T om onaga, que vivían en dos m edios culturales m uy

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distintos, p ro d u je ro n de m an era in d ep en d ien te p rácticam en te las m ism as teorías de Q ED " Jun to con o tro s ejem plos de la h isto ria de ciencia, esto apoya la hipótesis de q u e el co n ten id o cognitivo de la física n o depende s‫؛‬g )f ífic t‫؛‬vam ente del en to rn o sociocultural. En segundo lugar, pocas veces u n gran adelanto teórico ‫؛‬m p o rtan te había sido ta n co n serv ad o r en su n atu raleza com o la renorm alización de la QED del final de los años cuarenta. N o era, en realidad, u n a nueva teoría en el sentido de u n a teoria que repusiera o negara la Q ED de la p reg uerra, sino m ás bien la teo ría antigua en u n m o d o m ejo rad o . Los jóvenes físicos clave estaban todavía al ta n to de la co n tin u id a d y lu ch aro n co n stan tem en te p ara m a n te n e r los principios de la teoría establecida. En u n con traste claro a las actitudes revolucionarias de la generación de los m ayores (gente com o D irac, B ohr y H eísenberg), el p u n to de vista de Schwinger, Feynm an , T om onaga y D yson era esencialm ente co n serv ador y pragm ático. D ab an p o r supuestas la m ecánica cu án tica y la relatividad especial y se p reg u n tab an cóm o p o d rían usarse las dos teorías p ara fo rm a r u n a teo ría consistente e útil de la QED. En tercer lugar, la actitu d conserv ad o ra iba de la m a n o de actitudes que eran pragm áticas y básicam ente n o filosóficas. Para Feynm an, la física estaba hecha de cálculo y com paración entre resultados calculados y experim entales, n i m ás ni m enos. Feynm an estaba de acuerdo con el credo positivista de D yson, «no puedes realm ente en ten d er n ad a al m enos que lo p u ed as calcular». En 1953, D yson escribió sobre la QED: «Es el único cam p o en el cual p o d em o s elegir u n ex p erim en to hipotético y predecir el resultado hasta el nivel de cinco decim ales, confiados de q u e la teo ría to m a en c u en ta to dos los factores relevantes. La electro d in ám ica cuántica n os da u n a descripción com pleta de lo que hace u n electrón; p o r ta n to , en u n cierto m odo, n o s d a u n en ten d im ien to de lo que es u n electrón. Es sólo en la electrodinám ica cu ántica que n u estro conocim iento es tan exacto que p o d em o s sentir q u e tenem os algo de co n ocim iento sólido de la naturaleza de u n a p artícu la elem ental» (Schw eber 1994a, p. 568).

Los auges y decadencias de la teoría de campo$ Tras los exitosos avances de la Q ED de 1947 a 1949, existía g ran esperanza de que m étodos sim ilares a los de la teo ría cuántica de cam pos (TCC) fu eran tam b ién aplicados a o tras interacciones fu ndam entales. En cualq u ier caso, estas esperanzas n o fueron cum plidas de in m ed iato . En palabras de Steven W einberg, teórico em inente, en real‫؛‬d ad lo qu e o c u rrió en los años cin cu en ta fue esto: «No pasó m u ch o tiem p o hasta que h u b o o tro colapso en la confianza: los títu lo s bursátiles de ‫ ظ‬teoría cuántica de cam pos se h u n d ie ro n en la Bolsa de la física, y com enzó u n a segunda D epresión, que duraría al m en o s veinte años» (W einberg 1977, p. 30). H abía varias razones p a ra explicar ‫ ظ‬crisis q u e a m ediados de los cin cu en ta se m anifestó en u n desencanto generalizado de la TCC en la c o m u n id a d de física de altas energías, a pesar del éxito brillante de la teoría en QED. E ntre ellos, que a u n o s pocos físicos les disgustaba la " de QED, p o rq u e p en sab an que estaba basada en u n a teo ría equivocada y p o r ta n to no p o d ría ser v erd ad eram en te u n a teo ría fu n d am en tal. Se creyó de m a n e ra generalizada

Teorías fandamentaíes

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que la ren o rm alizació n era u n tru c o m atem ático, pero a la m ayoría de lo$ jóvenes físico$ no le im p o rta b a m ien tras que el tru c o firncionara. El p rim e ro entre aquellos a los que sí les im p o rta b a , era D irac, cuyo trab ajo en los años veinte y tre in ta había sido esencial para cualq u ier versión de la QED. D irac creía firm em en te que u n a teoría que se h abía despojado de los infinitos p o r procesos de renorm alización era «fea», y p o r ta n to equivocada, a pesar de sus logros in stru m en tales, © tro veterano de la m ecánica cuántica. Lev L andau, n o era m en o s crítico: ju n to con u n g ru p o de teóricos rusos, Land au arg u m en tab a que la TCC era sospechosa, ya que la teoría agregó conceptos inobservables, com o la causalidad, los operadores de cam pos locales y la co n tin u id ad del espacio -tiem p o en el nivel m‫؛‬crofí$i<:o. En u n a conferencia en K‫؛‬ev en 1959, L andau sugirió retira r la TC C com o teo ría fu n d am en tal, rep o n ién d o la p o r u n a teo ría basada en cantidades observables, com o am p litu d es de dispersión, y p o r el concepto de p artículas de co m puestos igualm ente elem entales. La sugerencia radical de L andau fue alim en tad a p o r la falta de extensión de la teoría de cam pos tip o Q ED a las interacciones débiles y firertes. La teo ría de Ferm i de la d esintegración beta, así com o la teo ría «٧ ٨ - » que F eynm an y G ell-M ann pu b licaro n en 1958 com o u n a extensión de la n o conservación de la p arid ad de la teo ría de Ferm i, fueron com p ro b ad as com o n o renorm alizables. Tam bién, cu an d o los físico‫ ؟‬in te n ta ro n aplicar la TCC al estu d io de interacciones fuertes, o b tu v iero n poco éxito. N o había p roblem as específicos en fo rm u la r TCC de interacciones firertes renorm alizables, pero estas teorías prácticam ente n o te n ía n n in g u n a utilidad, ya que no llevaban a predicciones fiables y, p o r consiguiente, efectivas m ás allá de su experim entación. For éstas y otras razones, la TC C estaba en u n p u n to bajo alred ed or de 1960, cu an d o m uchos físicos estaban dispuestos a seguir la reco m en d ació n de L andau y a b a n d o n a r la teoría. D e acuerdo con D yson, «m ucha gente a h o ra es p ro fu n d am en te escéptica con respecto a la relevancia de la teo ría de cam p o s en la física de in teracciones fuertes. La teo ría de cam pos está a la defensiva con respecto a la m a triz s a h o ra de m oda». D yson creía que «es fácil im ag in ar que en u n o s pocos años ‫؛‬os conceptos de teoría de cam pos desaparecerán del to d o del vocabulario de trab ajo d iario en la física de altas energías» (PT, junio de 1965, p. 21). W einberg, o tro destacado teórico de cam pos, no era m ás optim ista. En 1964 escribió que «todavía n o está claro si la teo ría de cam pos co n tin u a rá ' u n papel en la física de p artícu las o si finalm ente será sup lan tad a p o r u n a p u ra teo ría de m a triz s» (C ushing 1990, p. 160). La falta de confianza en la TCC, especialm ente con relación a la física de interacciones fírertes, fue agravada p o r la presencia de u n a teoría alternativa fuerte, la teoría de m a triz s. El cim ien to de este tip o de teo ría hab ía sido fo rm u lad o p o r H eisenberg ya en 1943 en u n in ten to de d esarrollar u n a electro d in ám ica cuántica relativista sin cantidades infinitas. El p ro g ra m a de H eisenberg de 1943 estaba m o delado conscientem ente en su m ecánica cuántica de 1925 y, com o esta teoría, basado p o r entero en térm inos de cantidades observables. C om o tales cantidades, eligió la dispersión o m atriz

s rep resen tan d o la tran sició n de u n sistem a físico de u n estado inicial ٠١. a u n estado fínal ‫مإلﺀ‬- D e m an era fo rm a l, ‫ = م(ا؛‬Sf¡ 4 ‫لآ‬d o n d e el cu ad rad o de la m atriz de dispersión 5‫م‬

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daría la p ro b ab ilid ad de tran sició n . D espués de la guerra, [٤١ teoría de H eisenberg fue desarrollada p o r C h ristian M oller, E rnst Stueckelberg, W alter H eitler y otros, pero en 1950 el p ro g ram a original en su m ayoría había llegado a u n alto. C on la llegada de la " de ‫ ظ‬QED, la teo ría m atem áticam en te com pleja de H eidelberg n o seguía parecien d o necesaria. En o tras palabras, la idea de la m atriz

s seguía viva y, desde

m ediados de los cincu en ta, se fue in c o rp o ra n d o en la teo ría de interacciones fuertes y se dio a conocer com o «teoría analítica de la m atriz ‫» ة‬. A lgunos físicos, incluidos CellM ann, consid erab an la teo ría de la m atriz s com o co m p lem en taria a la TCC o u n a m añera alternativa de fo rm u la r u n a teo ría cu án tica de cam pos de las interacciones fuertes. ?e ro o tro s teóricos, a p a rtir de ap ro x im ad am ente 1960, to m a ro n u n a posición m ucho m ás radical, y enseguida llegaron a ver la teo ría de la m a triz s com o antitética a la TCC. A dem ás, d e n tro de este g ru p o de teóricos anticam pos estaba Geoffrey Chew de la U niversidad de C alifornia, Berkeley. En u n discurso de ‫ل‬9 6 ‫ل‬, C hew destacó sus ideas de u n a ru p tu ra de la TCC y an u n ció u n a revolución p o r venir en la física fundam ental. «La teo ría convencional de cam pos», dijo Chew, «es estéril con respecto a las ’ fuertes y [...] com o u n viejo soldado, está destinada no a m o rir sino sim p lem ente a desaparecer poco a poco.» (C ushing 1990, p. 143). D os años después, C hew expresó su creencia u san d o o tra m etáfora: «La nueva am an te [la teo ría de la m a triz S] está llena de m isterios pero de m an era co rresp o n d ien te llena de prom esas. La antigua am an te [TCC] está peg an d o zarpazos y ara ñ a n d o p a ra m a n ten e r su estatus, pero sus días h a n pasado» (ibid, p. 175). La esencia de la teoría de la m atriz s de Chew, tam b ién conocida com o teoría ‫ ظ؛‬،١٥ strap («teoría del co rd ó n de zapato» en castellano), se desarrolló de 1961 a 1966. Se p u ede resu m ir com o sigue: al principio, C hew negaba que p u d iera haber partículas elem entales en el sentido red uccionista o rd in ario ; esto es, consideraba que todas las partículas serían, p o r igual, com puestas, o, si se quiero, igual de elem entales. Esta idea de democracia nuclear incluía la n o ció n de u n m ecanism o de «cordones de zapato», es decir, que to d o s los h ad ro n es d eb erían ser autogenerados a p artir de la estructura m atem ática de la teoría. ?٠٢ ejem plo, la m asa del p ro tó n debe de ten er el valor que tiene com o ' de la d in ám ica de las interacciones. (Este hecho es u n a rem iniscencía de otras teorías m u y am biciosas, co m o la de E ddington.) En segundo lugar, la teoría estaba basada d irectam en te en m o m en to s de partículas. En u n contraste severo con relación a la teoría de cam pos, ign o rab a el su puesto concepto m etafísico de un c o n tin u o esp acio -tem p o ral m icrofísico. A unque la teoría era co m pletam ente consisten te con la m ecánica cuántica, n o o p erab a con u n a fu nción o n d u lato ria ٠ (x, y, z, t) definida en cada p u n to en el espacio-tiem po. En tercer lugar, desde u n p u n to de vista ■ la teo ría de la m atriz s de C hew era tan am biciosa com o radical. De acuerdo con ‫ ظ‬hipótesis bootstrap, todas las cantidades físicam ente significativas p o d ría n ser derivadas ú n icam en te desde la m a triz s com o requisitos de autoconsistencia. Las m asas, los espines y las m asas de las partículas elem entales de interacciones fuertes, así com o el n ú m e ro de dichas partículas, d eb erían ser fijados p o r la teoría m ás que ser asignados em píricam en te. «Los del bootstrap b u scan e n ten d e r la naturaleza n o en té r


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m inos de fu n d am en to s sino a través de la autoconsistencia, creyendo que to d a la físi ca fluye ú n icam en te a p a rtir del requisito de q u e los com p o n en tes sean consistentes u n o con el o tro y consigo m ism os. N in g ú n co m p o n en te debería ser arbitrario.» (C hew 1970, p. 23). C o m o p rin cip io , sugirió Chew , u n a teo ría com o la teo ría de m atriz S p o dría explicar las leyes de la física com o las únicas leyes posibles. Incluso habló de la te o ría de m atriz S co m o «la p recu rso ra de u n a nueva ciencia, tan radicalm ente diferente en esp íritu de lo q u e h em o s conocido q u e resulta indescriptible con el lenguaje exis tente» (C ushing 1990, p. 180). En cualquier caso, C hew defendía u n a hipótesis de bootstrap lim itada, esto es, u n a sólo válida p a ra los h ad ro nes. N egaba que la hipótesis del bootstrap p u d ie ra ser generalizada a la física en u n sentido global. La teoría de m atriz S fue m u y influyente en la física de interacciones fuertes en los años sesenta. A trajo filosóficam ente a m uchos físicos y consiguió varios éxitos cien tí ficos. A unque m uy pocos físicos siguieron a C hew en su cruzada anti-T C C , las ideas ge nerales de la teoría de m a triz S d isfru taro n de gran p o pularidad: G ell-M ann y o tro s fí sicos se in sp iraro n en ella, y con trib u y ero n a la teo ría de m atriz S pero sin suscribir la idea de la dem ocracia nuclear tan o bviam ente en conflicto con el concepto de los quarks. Para ellos, n o existía n in g ú n conflicto irreconciliable entre la TCC y u n a versión -m oderada de la teo ría de m atriz S. El p ro g ram a de m atriz S de C hew es u n interesante ejem plo de u n a revolución fallida en la física; a finales de los años sesenta, sobrevivió con problem as y con los desarrollos con éxito de la física de quarks y la teoría de cam pos de gauge en los te m p ran o s años setenta, el am bicioso p rogram a m ás o m enos se d i solvió. La teoría de m atriz S era en m u ch o s aspectos u n a teoría grandilocuente e im presionante, p ero p ro m etía m ás de lo que p o d ía ofrecer. P ro n to se convirtió en tan desesperanzadam ente com pleja que m ás de u n físico de finales de los sesenta la co m p a ró con la astro n o m ía de P to lo m eo poco antes de la revolución copernicana. O tro p ro blem a es que la teo ría estaba efectivam ente lim itada a interacciones fuertes y no decía n ad a sobre las fuerzas débiles y electrom agnéticas. C om o arg u m en tó u n crítico, la teo ría de m atriz S «no es consistente con la teo ría de cam pos electrom agnéticos. Ya que el cam po electrom agnético está involucrado en las propias form as de m edida y de obser vación, ésta es u n a lim itación seria» (Stern 1964, p. 43). Al igual que el interés en TCC fue decreciendo en los años cincuenta, tam b ién el interés en la teoría de m atriz S fue d e creciendo en los años setenta. En n in g u n o de am bos casos fue resultado de teorías que fueran com probadas com o erróneas, sino m ás bien en su incapacidad para generar re sultados nuevos experim entalm ente relevantes, u n a incapacidad que en el caso de TCC era tem poral. Es irónico que la com p aració n de C hew de 1961 de la TCC con u n viejo soldado «que está d estinado n o a m o rir sino sim plem ente a desaparecer poco a poco» se validaría, n o con respecto a la TCC, sino con respecto a su propia teoría de m atriz S.

Campos de gauge y unificación electrodébil A prin cip io s de los años setenta, la física de altas energías ex p erim en tó u n d esarro llo to rm e n to so q u e tra n sfo rm ó el objeto de estudio en un estado al que se referían a

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veces com o «Ja nueva física». La novedad de la física de a r tic u la s de Jos setenta estaba basada p rin cip alm en te en dos innovaciones teóricas: teorías gauge de cam pos cuántieos y cro m o d in ám ica cuántica. M ien tras q u e eJ p rim er tip o de teoría era u n a teoría de cam pos general con aplicaciones en Jas teorías débiles en particular, la cro m o d in ám ica cuántica era u n a extensión de la teo ría de q u ark s de interacciones fuertes o partículas hadrónicas. El concepto de invariancia de gauge (o escalar) fue pro p u esto o rig inalm ente p o r H erm án Weyl en su in te n to fallido de 1918 de u nificar las teorías de electrodinám ica y relatividad general. C u an d o irru m p ió la m ecánica cuántica, Weyl y o tro s refo rm u laro n la idea p a ra significar, explicado en brevedad, q u e la decisión de fase de u n a fruición o n d u lato ria n o afecta a la ecuación o n d u lato ria. La teoría de Weyl de la invariancia cuántica de gauge apareció en 1929, pero desem p eñ ó u n papel m uy lim itad o en el desarrollo u lte rio r de la teo ría cuántica. Tuvieron que pasar 25 años hasta que hasta que el concepto se co nvirtió en u n p rin cip io d in ám ico potente. En 1954, ¥ang y R obert Mills en el ín stitu te for A dvanced Study en Princeton in te n ta ro n c o n stru ir u n a teoría de cam pos local de gauge invariante en interacciones fuertes, basado en la QED. La teoría de Yang-Mills estaba regida p o r u n p rin cip io de sim etría de gauge que aseguraba que las ecuaciones básicas eran invariantes con respecto a ciertas tran sform aciones dependientes de su p osición y tiem po. Yang y M ills v ieron que u n triplete de bosones vectoriales pesados (espín 1, p arid ad positiva) estaba asociado con la teoría, del m ism o m o d o que el fo tó n estaba asociado con la QED. D esgraciadam ente n o se conocía ning una de estas partículas experim en talm en te. P or la estrecha analogía en tre la QED y la teoría de Yang-M ills se consideró a los b o sones vectoriales com o faltos de m a sa je o rresp o n d ien tes a u n a fuerza de largo alcance. T eniendo en cu enta que las fuerza*‫ ؛‬débiles y firertes eran am bas de corto alcance, n o estaba claro a qué área de la naturalizarse p o d rían aplicar, si es que era aplicable en algún sitio. La teoría de Yang y M ills fue considerada com o m atem áticam en te interesante, p ero con m u y poca o n in g u n a utilidad física. Se necesitó u n a década h asta que se d iero n cu enta que esta teoría «inútil» era, de hecho, de u n a im p o rta n c ia esencial p a ra u n a n u eva tra d ició n teórica de cam pos de gauge destin ad a a cam biar la física de altas energías. Ya en el añ o 1938, en la conferencia de Varsovia, O skar Klein había sugerido que u n a p artícu la de espín 1 m ed iab a en la d esintegración beta y desem peñaba u n papel en las im eracciones débiles sim ilar a la del fo tó n en el electrom agnetism o. La hipótesis de K lein era p a rte de u n in te n to de fo rm u la r u n a teo ría de cam pos unificada que incluyera fuerzas fuertes, débiles y electrom agnéticas, p o r usar u n a term inología posterior. La especulación n o fue m u y conocida, pero casi veinte años después, fue reto m ad a p o r Schw inger en u n in te n to de p ro d u c ir u n a teoría unificada de las interacciones débiles y ^ c tro m a g n é tic a s . La teo ría ten tativ a de Schw inger de 1957 incluía la idea de que el fotón y las dos partículas de in tercam b io cargadas de Yang-Mills (W +, W ) eran nfíem bros de la m ism a fam ilia. C uatro años m ás tard e, Sheldon Glashow, o tro físico de H ‫؛‬u vard, sugirió u n a teoría de interacciones débiles de gauge con tres partículas de Íntercam bio enorm es. En a ñ a d id u ra a W+Y w~, incluía u n a p artícula n e u tra z°. La teoría

"


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de Glashow, y u n a sim ilar p ro d u cid a p o r A bdus Salam y John c . W ard en Inglaterra, describieron las interacciones ta n to electrom agnéticas y com o débiles, ‫ ظ‬p rim e ra con conservación de ‫ ظ‬p a rid a d y la segunda con u n a violación de la conservación de la paridad. Las m asas de los b o sones de vector in term ed io n o se derivaban de la teoría, sino que ftreron elegidas p ara asegurar la concord an cia con el co n o cim iento ' De hecho, la teo ría n o era capaz de explicar p o r q u é los bosones vectoriales, al co ntrario que el fo tó n , p o d ían te n e r m asa alguna. U na versión m ejo rad a del m o d elo G la s^ w -S a la m -W a rd fue desarrollada en 1967, publicada p rim e ro p o r Steven W eiñberg y poco después p o r Salam, u n teórico paquistañ í que trab ajab a en el Im p erial College de Londres. La teoría electrodébil de W einberg y Salam, g an ad o ra del p rem io N obel, hizo uso de u n concepto conocido com o ru p tu ra de la sim etría esp o n tán ea, q u e o rig in alm en te había sido presentado en 1961 en el contexto de la teoría de la su p erco n d u ctiv id ad p o r Yoichiru N am bu y otros. Con la inspiració n del trab ajo de N am b u , el teórico b ritán ico Peter Higgs sugirió en 1964 u n m ecanism o p o r el cual p o d ría n generarse las m asas de la p artícula en las teorías de gauge de Yang-Mills. U na sugerencia sim ilar fue realizada de m o d o a u tó n o m o p o r Rob e rt B rout y L ran‫ ؟‬o‫؛‬s E nglert en Bélgica. W eiñberg y Salam aplicaron el m ecanism o de Higgs para d e te rm in a r las m asas de partículas en su teo ría de gauge de ru p tu ra espontánea electrodébil. El artícu lo de Higgs sobre la ru p tu ra espontánea de sim etría genera d o ra de m asa, ah o ra reconocido com o u n artícu lo clave en la física teórica, fue rechazado al p rin cip io p o r Physical Letters. Llegó en u n tiem p o en el cual la física de partículas estaba m u y d o m in a d a p o r la teo ría de la m a triz 5 y la TCC n o estaba de m oda. C om o llegó a decir después Higgs, «siendo consciente de que m i artículo se quedaba corto en cu an to a palab rería de vendedor», rehizo el artículo, y lo p resentó a Physical Review Letters (H o d d eso n et al., 1997, p. 508). Esta vez fue aceptado. En los años setenta, la teo ría W einberg-Salam fue reconocida com o u n a co n trib u ción p io n e ra al p ro g ra m a de u nificación naciente, pero, en sus p rim ero s años, la teoría fue am p liam en te ig n o rad a. Esa falta de im p acto te m p ra n a se ilustra p o r el n ú m e ro de citas, expresado aquí e n tre paréntesis, del artícu lo de W eiñberg: 1967 (٠), 1968 (0), 1969 (0), 1970 (1), 1971 (4), 1972 (64), 1973 ( 242 1974 ) ‫ل‬62 ‫)ﻣﺮ‬. Las cifras incluyen referencias p ro p ias, lo q u e indica q u e W eiñberg n o e n c o n tró su p ro p io tra b ajo especialm ente im p o rta n te al p rin cip io . El cam b io en su recibim iento en 1972 se reíacionó con el reco n o cim ien to de que la te o ría de W einberg-Salam n o era sólo u n a teoría de gauge electrodébil coherente, sino que ta m b ié n era renorm alizable y, p o r tan to , co m p a rtía con la Q ED las p ro p ied ad es deseables de pred ictib ilid ad y calculabilidad. Esto fue hech o p úb lico p o r p rim e ra vez en 1971, p o r el físico holan d és de 25 años G erard u s t ’H o o ft, que p ro b ó q u e u n a clase am p lia de teorías sim étricas de gauge (n o abelianas), a las cuales p erten ecía la teo ría electrodébil, era n renorm alizables. O tra versión de la p ru e b a fure p ro d u c id a p oco después p o r B enjam in Lee, u n físico corean o -estad o u n id en se. Las p ru eb as de t’H o o ft y Lee fu eron ex trem ad am en te im p o rta n tes. Sólo entonces la teo ría de W einberg-Salam se co n virtió en u n a teo ría aplicable y, m ás en general, las teo rías de cam p o de gauge fu ero n reconocidas com o p ro

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fundas teorías de in teracciones. C o m o expresd en u n artícu lo el físico Sidney Colém an sobre los p rem io s N obel en treg ad o s a (ilashow , W einberg y Salam , el artícu lo de t ’H o o ft «revelaba la ran a de W einberg y Salam com o u n prín cip e encantado» ( Science, 14 de d iciem bre de 1979). La revo lu cid n del cam po de gauge que com enzó en 1971 alu m b ró de nuevo a la TCC. La teo ría de W einberg-Salam era renorm alizable y teó ricam ente atractiva, pero ¿era tam b ién co rrecta en el sentido de ser coherente con ios experim entos? C om o el m odelo an te rio r de Glashow, la teo ría predecía u n socio en o rm e y n eu tro del fo tó n que m ediaria en interacciones débiles sin transiciones de carga entre partículas en tran tes y salientes. Tales procesos de «corriente n eutra», con p articipación de la hipotética z° ôm o partícu la !mensajera, distin g u ían el m o d elo unificado de W einberg-Salam de teorías an terio res de interacciones débiles. H asta q u e se establecieron ' las corrien tes neu tras, la teoría W einberg-Salam no podía ser considerada com o u n a teoría em p íricam en te satisfactoria. A m bas corrientes n eu tra s fueron sem bradas en los Estados U nidos (Ferm ilab) y en Europa (CF.RN). En el verano de 1973, los experim entadores del CERN anunciaron su descubrim iento de la corriente neutra débii, basada en el anáiisis de procesos entre neutrones y neutrínos. El instrum ento crucial en el éxito del CERN fue «G argam elle», u n a c á m a ra de b u rb u ja s de c o n stru c c ió n francesa de 20 toneladas. Los resultados del CERN fuero n co n firm ados finalm ente p o r experim entos de n e u trin o s realizados en el F erm ilab en 1974, au n q u e la confirm ación no llegó de m anera fácil. Existía u n a d u d a considerable con respecto a los resultados y, d u ra n te un tiem po , los físicos estadounidenses - y con ellos la m ayoría de los físicos de altas energ ías- creían q u e las corrientes n e u tra s n o existían y que los físicos del CERN se habían equivocado. Sin em bargo, en verano de 1974, las in certid u m b res hab ían desaparecido y desde entonces las co rrientes n eu tras se con so lid aron de m an era fírm e. El descubrím iento de corrientes n eu tras llevó a la confirm ació n de ‫ ط‬teoría de gauge de W einbergSalam de 1967 La teo ría de W einberg-Salam era u n a teo ría de interacciones electrodébiles y a través del m o d elo del q u ark , tenía u n a relación obvia con las interacciones firertes. Al principio, desde m ás o m enos 1967 a 1974, parecía que ‫؛‬os cu atro leptones (e, v e, ‫إل‬, ‫) ﺍﺭﺭﺃ‬ se corresp o n d ían con los cu atro q u ark s (u, d, s, c) de acuerdo con lo que se esperaría de u n p u n to de vista unificador. En 1974, M a rtin Perl y sus colaboradores analizaron sus datos de colisiones e le c tró n -p o sitró n recopilados en el SPEAR, el anillo de alm acenaje de e lectró n -p o sitró n , o colisionador, recien tem ente term in ad o en el Stanford Linear A ccelerator C en ter (SLAC). El g ru p o de Stanford en c o n tró evidencias de u n a nueva partícu la, posib lem en te u n leptón sup erp esad o (tau,

t),

se desintegra en m u o n es o electrones (e+ e

|، r |i.+ VT V~T

—> T + T "

p ro d u cid o en pares y que

‫إﻣﺎ‬

‫اأاا‬

).

Los datos

analizados p o r Perl y su g ru p o n o fu ero n aceptados inm ed iatam en te com o p ru eb a de u n leptó n T y ya final de 1975, Perl y sus 35 co laboradores escribieron precavidos que «no ten ían u n a explicación convencional» p a ra los datos; com o explicación no convencional, sugirieron «la p ro d u cció n y d esintegración de u n p ar de nuevas partículas, cada u n a con u n a m asa en tre 1,6 y 2,0 G eV /c2» (C ahn y G oldhaber 1989, p. 300). Sa

Teorías fundamentaíes

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bían que habían descu b ierto algo nuevo, pero n o estaban seguros de lo que era. C om o indicativo de su in certid u m b re, a veces se referían a la nueva partícu la com o u, p o r «desconocida» (del inglés unknow n). (D e fo rm a incidental, 40 años antes, Yukawa intro d u jo o tra p artíc u la u, d e n o m in a d a p o ste rio rm e n te pión.) 1.a confusión te rm in ó u n año después con u n a serie de exp erim en to s en el PETIZA (Positron-E lectron Tándem Ring A ccelerator) de H am b u rg o , p arte de la instalación de altas energías DESY (D eutsches E lektronen S ynchrotron). Los exp erim en to s alem anes co n firm aro n los resultados de Stanford, y sirvieron de p ru e b a final de la existencia de u n lep tó n m uy pesado, 1,8 GeV y con u n tiem p o de vida de 10-13 segundos, Se dio p o r supuesto al n e u trin o tau aco m p añ an te p o r m ás que detectado. La aceptación del lep tó n ta u (o ta u ó n ) im plicaba que la sim etría en tre q uarks y leptones - o en tre interacciones fuertes y d éb ile s- ya no se satisfacía. Se necesitaban dos nuevos sabores de quarks y, com o verem os enseguida, después se e n co n traro n . A finales de los años setenta, la cro m odinám ica cuántica y la TCC se asociaron de m a n e ra cercana a la teoría electrodébil·. N atu ralm en te ah o ra el reto era rep etir los éxitos de la Q ED y extender la teoría electrodébil de W einberg-Salam al rein o de las interacciones fuertes (véase capítulo 27). ٩١ su reseña de 1979, antes m en cio n ad a, C olem an describió el desarrollo de la te©ríajííectrod éb il a lo largo de los años setenta del siguiente m odo: En 1973, los ex p erim en to s del CER N y F erm ilab d e te c ta ro n procesos co n co rrien tes n e u tra s [...] co n u n a fo rm a y m a g n itu d co n sisten tes co n la teoría. Los cinco a ñ o s siguientes fu ero n u n p e rio d o co n fu so d e eu fo ria y d esen can to s, alarm as y excursiones. U n ex p erim en to co n firm a b a la teo ría; o tro s ex p erim e n to s n eg ab an la teo ría. U n esfiierzo teó rico e n o rm e se ded icó a p ro d u c ir versiones m u tan tes grotescas d e la teo ría concord an tes c o n los nuev o s resu ltad o s ex p erim en tales; los nuevos e x p erim en to s se v iero n que estab an equivocados; los m u ta n te s fu ero n d ecap itad o s. En los siguientes añ o s, sin em bargo, la situ ació n ex p erim en tal p arece ،]ue se h ab ía estabilizado d e ac u erd o con la versión orig in al de 1971 d e la teo ría. El m o d elo de W einberg-S alam es a h o ra la teo ría está n d a r de las interaccio n es débiles.

Los «m utantes» m en cio n ad o s p o r C olem an se referían a las teorías designadas a explicar anom alías que n o p o d ría n en p rin cip io estar de acu erdo con la teoría W einberg-Salam . El éxito de la teoría electrodébil era in co m p leto en ta n to que los tres «weakons» -lo s boson es vectoriales in te rm e d io s - eran todavía p artícu las hipotéticas. Esta sitúación cam b ió a p rin c ip io s de los o ch en ta, cu an d o los nuevos colisionadores p ro tó n a n tip ro tó n del CERN y Ferm ilab ya p ro d u c ía n las energías necesarias para generar las en o rm e s partícu las. El ex p erim en to del CERN era de coste relativam ente bajo, basado en u n a tecnología q u e hacía uso de instalaciones existentes p ara alm acenaje de antip ro to n es en u n anillo y h aciéndoles colisionar con p ro to n es en el m ism o anillo. El co lisio n ad o r del CERN em pezó a p ro d u c ir colisiones en v eran o de 1981 y, en o to ñ o de 1982, ap areciero n las p rim e ra s evidencias de p artícu las

w enorm es. El 21

de en e

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ro de 1983, los ‫؛‬ísico$ del CERN a n u n c ia ro n q u e h ab ían e n c o n tra d o diez candidatos de partícu las \'V que se d esin teg ran en u n electró n y en u n n e u trin o . La m asa W se vio que era a lred ed o r de 80 CeV, de acu erd o con la teoría. M edio año después, la p artícula

z fue

d etectad a a través de su d esin teg ració n en e+ e~ y (‫ﻟﺮ ال‬ ■, y le fue asignada

u n a m asa de u n o s 95 CeV. N in g u n o de estos d escu b rim ien to s resu lta ro n ser grandes sorpresas. F uero n rá p id a m e n te co n firm ad o s en ex p erim entos sucesivos en el CERN y Ferm ilab, y los físicos del CERN C ario R ubbia y S im ón van der M eer fu ero n velozm e n te galard o n ad o s con el p re m io N obel de 1984 p o r el d escu b rim ien to . El italiano R ubbia era la fuerza m o to ra detrás del p ro g ra m a ex p erim ental y el p io n ero del colisio n ad o r p ro tó n -a n tip ro tó n ; la tecnología esencial de p ro d u c ció n de proyectiles en rayos co n cen trad o s fue d esarro llad a p o r Van d er M eer, u n técnico físico holandés. H abía, p o r supuesto, m u ch o s m ás físicos inv o lu crad o s en el d esc u b rim ie n to que los dos g anadores del prem io . La escala de la física de altas energías se ilu stra p o r el hecho de q ue los dos artícu lo s del d esc u b rim ie n to (u n o de cada u n o de los gru p o s det¿‫؛‬ctores d en o m in a d o s UA1 y UA2) fueron firm ad o s p o r n o m en o s de 126 físicos de once ínstitu cio n es diferentes.

La cromodinámica cuántica C om o se m en cio n ó en el capítulo 21, en 1964 G ell-M ann y Zweig p ro p u siero n que los h adron es (partículas fu ertem en te in teractu an tes) consistían en partículas fraccion alm en te cargadas llam adas quarks. A m ediados de los años sesenta, el m odelo de los q uarks no llam aba m u ch o la atención, y le llevó casi u n a década llegar a o c u p ar una p o sición cen tral en la física de interacciones fuertes. Los experim entos desarrollados 1967 p o r físicos del SLAC y del M IT con la dispersión inelástica de electrones en pr to nes diero n resultados que c o n fu n d iero n a los teóricos, hasta que Feynm an ínterpretó las secciones eficaces de dispersión in u su al com o u n a señal de que el p ro tó n contenía centros de dispersión de tip o p u n tu a l. Feynm an, que publicó p o r p rim e ra vez su teoría en 1972, sugirió que el p ro tó n , al igual que o tro s h adrones, estaba fo rm ad o p o r u n a niebla indefin id a de partículas d u ras de tip o p u n tu a l a las que llam ó p artones. En colisiones de alta velocidad, los p arto n es esencialm ente actuarían com o partículas independientes. El m odelo de p arto n es de Feynm an proveía u n m arco adecuado p a ra ente n d e r m u ch o s experim en to s y enseguida fue ‫؛‬u n p lía m e n te aceptado. M uchos físicos te n d iero n a id entificar los p a rto n e s con los quarks, y a no ten er en cu enta las diferencias considerables que existían entre las descripciones de am bos hadrones. Por ejemplo, m ientras que los q uarks estaban estrecham ente entrelazados en tre los h adrones, los p arto n e s de Feynm an eran en esencia en tidades libres. La hipótesis p a rtó n = q u ark recibió apoyo en 1971, cu an d o los experim entos en el SLAC fueron in terp retad o s en térm in o s de p arto n es con u n espín de u n m edio. U n apoyo aun m ayor vino de los experim en to s de d ispersión de n e u trin o -p ro tó n del CERN, d o n d e la nueva cám ara de b u rb u jas G argam elle p ro d u jo evidencias convincentes p ara el m odelos de los partones. Los resultados publicados p o r el g ru p o G argam elle en 1975 ‫ل‬973 ‫ س‬se acep taro n gene-


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raím ente com o p ru eb a de q u e los p arto n es eran q u ark s fraccionalm ente cargados, una conclusión que tam b ién estaba apoyada p o r experim entos con reacciones de hadrones. U n apoyo m ayor p a ra el m odelo de p a rto n e s llegó de la m an o de los desarrollos en la teoría. En 1973, los teóricos estadounidenses D avid Politzer, F rank W ilczek y D avid Gross descu b riero n q u e las teorías de cam po de gauge de tip o Yang-Mills eran «asintó ticam en te libres», q u erien d o decir que en distancias m uy cortas (o ante energías m uy altas), la fuerza g rad u alm en te se a m in o ra ría y ten d ería asintóticam ente hacia cero. Este resultado im p o rta n te explicaba có m o el m o d elo de F eynm an con los p arto n es libres po d ría ser ta n exitoso: conco rd ab a con tod o s los hechos conocidos de la física de h a drones y hacía posible cálculos detallados. En general, la lib ertad asintótica dio u n a p o yo fuerte a la validación de la TCC y allanó el cam in o p a ra la teoría de quarks de c am po de gauge. En el m o d elo de q u ark s original, el q u ark estaba caracterizado p o r el n ú m ero cuán tico «sabor», que p o d ría ser ta n to u, d o b ien s. Q ue era deseable u n se gun d o n ú m e ro cuán tico fue sugerido m ás adelante en 1964 p o r O scar G reenberg, de la U niversidad de M aryland. G reenberg a p u n tó que la com posición quárkica de algu nas partículas elem entales, tales com o Q“(sss), n o se adecuaba al prin cip io de Pauli si tres quarks eran idénticos. Su sugerencia fue desarrollada el año siguiente p o r N am y otro s teóricos de gauge. De acuerdo con N am bu, los quarks llevaban u n «color» adem ás del sabor, p o r lo q u e cada sab o r de q u a rk se relacionaba con tres colores («rojo», «verde» y «azul»). El color se veía com o u n a analogía de la carga eléctrica, pero n o se esperaba que tuviera n in g u n a relevancia en los h ad ro n es conocidos, los cuales eran considerados com o incoloros. P or esta razó n , el color quárkico fue p o r u n a te m p o ra d a con sid erad o sólo de interés teórico. Los experim entos de principios de los años setenta m o stra ro n , sin em bargo, q u e éste n o era el caso. Los experim entos indicaron que el colo r sí existía y qu e los q u ark s coloreados estaban cargados fraccionalm ente del m ism o m o d o que los q u ark s de sabores. El estatus de la cro m o d in ám ica cuántica - l a teoría de cam po de gauge de in terac ciones fu e rte s- cam bió drásticam ente en o to ñ o de 1974, en u n tiem po en que el té rm i no crom odinám ica cuántica y su acrónim o C D C (en inglés QCD, en analogía con Q ED), n o habían sido acuñados aún. (Los n o m b res parece que fueron propuestos p o r GellM an n y aparecieron p o r p rim era vez en 1978.) El 11 de noviem bre de 1974 dos grupos de físicos estadounidenses an u n ciaro n que h abían descubierto una partícula elem ental altam ente inusual, que fue considerada com o u n a m anifestación del sabor quárkico «charm» o encanto. Q u e tal sabor debería existir había sido sugerido p o r G lashow y Ja m es Bjorken poco después del desarrollo de la teo ría original de quarks de G ell-M ann y Zweig. El q u ark encantado ten d ría dos tercios de la carga eléctrica del p ositrón, y m ientras q u e el encanto (com o la extrañeza) se conservaría en interacciones fuertes y electrom agnéticas, n o se conservaría en interacciones débiles. En cualquier caso, la h i pótesis G lashow -B jorken fúe ig n o rad a d u ra n te varios años porque no tenía apoyo ex perim ental. El d escubrim iento de los q uarks encantados en la «revolución de noviem bre» n o solo confirm ó la teoría de los quarks, sino que tam b ién significó u n gran triu n fo p ara la teo ría de gauge en general y la cro m o d in ám ica cuántica en particular.

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Los datos sobre la aniquilación electrón-positrón de 1972-1973 no se correspondían con las expectativas teóricas y fu ero n vistas am p liam en te com o u n a am enaza c o n tra el m odelo p a rtó n -q u a rk . Pero esta situación in có m o d a cam bió de form a ab ru p ta, de un fracaso am en azan te a u n to tal éxito, cu a n d o la p artícula J/ip fue descubierta en n o v iem bre de 1974. La partícu la fue d etectada en u n o s experim entos de colisión p ro tó n núcleos en B rocaban p o r u n g ru p o lid erad o p o r Sam uel T ing y, en experim entos de co lisión e le c tró n -p o sitró n en el SPEAR de S tanford, p o r u n g ru p o liderado p o r B u rto n Richter. El g ru p o de Ting ya tenía evidencias del m esón pesado desde hacía varios m e ses, pero n o estaba seguro de si la p ru e b a era real o debida a algún artificio. Sólo c u a n do Ting oyó h ab lar de los resultados del SPEAR, se dio cu en ta de que hab ía realizado u n descu b rim ien to . T ing y R ichter co m p a rtie ro n el p rem io N obel de 1976 p o r el des cu b rim ien to de la p artíc u la q u e T ing llam ó J y R ichter 4‫؛‬, p o r ta n to n o rm alm en te se la conoce p o r el n o m b re com p u esto JA|j. La p artícu la tenía u n tiem p o de vida in u su al m ente largo y, con u n a m asa de 3,1 GeV (tres veces la de u n p ro tó n ), in u sualm ente grande. E staba p ro d u c id a p o r los cu an to s g am m a de la aniquilación electró n -p o sitró n y se desintegraba en hadrones. U nas pocas sem anas m ás tarde, otro nuevo vector m e són (4 0 de m asa 3,7 GeV fue d escubierto y o tras partículas en orm es y de larga vida pertenecientes a la m ism a fam ilia le siguieron d u ra n te los siguientes años. La razón p o r la cual se consideraba de ta n ta im p o rtan cia a J/<|s era que ella y las otras partículas n u e vas eran percibidas co m o m anifestaciones de u n nuevo sabor quárkico llam ado en canto. P o r ejem p lo , la J/4‫ ؛‬se veía c o m o u n a c o m b in a c ió n de u n q u a rk con e n ca n to y su a n tiq u a rk . Para explicarlo co n b rev ed ad , el e n c a n to fue d esc u b ie rto en la re v o lu ció n de n o v ie m b re y el d e sc u b rim ie n to c o n v irtió la c ro m o d in á m ic a cu á n tic a y el m o d elo q u á rk ic o en realid ad . Se su m ó al d e sc u b rim ie n to de q u a rk s (co n fin ad o s) co m o constituyentes reales de h ad ro n es. La existencia de encanto fue c o rro b o rad a m ás tarde cu an d o se d escu b riero n los m esones D en 1976; éstos se in te rp reta ro n c o m o -e s ^ tados de en can to d esnudo, esto es, com binaciones de quarks «ordinarios» (d) y quarks encanto. La in m en sa m ayoría de físicos concluyó que los quarks hab ían sido descu biertos com o partículas reales, n o co m o m eros objetos m atem áticos. M uy pocos escu ch aron a los q u e q u ed ab an ab ogando p o r la d em ocracia nuclear y au n m enos al enve jecido H eisenberg, q u e en los años setenta sostenía q ue u n a teoría unificada debía estar basada en las sim etrías subyacentes de las ecuaciones, m ás que en la n o ción de p a rtí culas elem entales. En 1976, se reconocía la existencia de cu atro tipos de quark: u, d, s y c. C on el des cu b rim ien to del lep tó n ta u y el reco n o cim ien to de q ue pertenecía a u n a «tercera gene ración» de p artícu las fund am en tales, la sim etría q u a rk -lep tó n se ro m p ió u n a vez m ás. Para p o d er restau rarla h arían falta dos nuevos sabores de quarks. U no de los sabores deseados se p ro d u jo enseguida. En 1977, León L ederm an, de la U niversidad de Colum bia, an u n ció que su g ru p o en el F erm ilab h abía e n c o n tra d o en aniquilaciones de |i + ٣ evidencia de u n a p artícu la m u y pesada de m asa 9,5 GeV (casi diez veces la m asa del p ro tó n ). La p artícu la, llam ada ypsilón, se vio co m o u n a m anifestación de u n q u in to sabo r quárkico. Así com o los experim en to s de 1974 se in te rp reta ro n com o un des-


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cu b rim ien to de los q u ark s encanto, tam b ién en el ex p erim ento de 1977 se vio com o el descu b rim ien to del q u a rk b (b p o r bottom, «inferior», o beauty, «belleza») con carga eléctrica -1 /3 . La com po sició n del q u ark ypsilón se in te rp re tó com o b b . El sexto y ú l tim o q uark, el q u a rk t (t p o r top o «superior», o «truth», verdad) no apareció en los ex p erim en to s hasta m u ch o s años después, p ero a pesar de la falta de evidencia experi m ental, se asum ía en general co m o existente. En 1980, el n ú m ero de quarks aceptados se h abía in crem en tad o a seis (u, d, s, c, b y t), co rresp o n dientes a los seis leptones (ta bla 22.1). Para com pletar la historia, u n g ru p o de físicos del Ferm ilab al final descubrió el q u ark to p en 1995. La m asa ex trem ad am en te grande de este quark, m edida en el ex perim en to com o de 176 GeV, coincidía con la teo ría y el descubrim iento fue, p o r tanto, u n éxito m ás de la cro m o d in ám ica cu ántica y de la teoría electrodébil. C on el d escu b rim ien to de los nuevos m esones y q uarks, la cro m o d in ám ica c u á n ti ca vino a d o m in a r la física de interacciones fuertes. D e acuerdo con esta teoría, los hadrones consistían n o solo en quarks, sino tam b ién en los «gluones» sin m asa, que m a n ten ían ju n to s a los quarks. C o m o en tidades teóricas, los gluones eran estudiados desde 1 7 1?‫؛‬, cu a n d o algunos físicos in te rp re ta ro n la p ru eb a de p a rto n es n e u tro s com o el p e gam ento qu e sujetaba a los q u ark s fraccionalm ente cargados ju n to s d e n tro de los hadrones. Los gluones ad q u irie ro n u n a m ed id a de realidad en 1979, cu an d o los experi m en to s en el nuevo anillo de alm acen am ien to del PETRA identificaron «eventos de tres chorros» que fuero n in terp retad o s com o interacciones en tre quarks y gluones. Se

TABLA 22.1 Partículas fun d am en tales conocidas alrededor de 1995 N om bre(s)

Sím bolo

Carga eléctrica (e)

M asa en reposo (M eV )

Q u arks up

u

+2/3

360

dow n

d

- 1 /3

360

extraños

s

-1 /3

540

+2/3

1.500

encanto

‫ﺀ‬

bottom

b

-1 /3

5.000

top

‫ﺀ‬

+2/3

176.000

Leptones 0,51

electrón

‫ﺀ‬-١

m uón

٣

-1

107

tauón

T

-i

1.784

0

0

■·

0

V

0

0 0

neutrino electrónico neutrino m uónico neutrino tauónico

٠

٣

Nota: No se incluyen fas antipartículas.

338


suponía que los electrones y p o sitro n es colisionadores iban a reaccionar de acuerdo con el esquem a e~ e+ —> qqg, d o n d e la g d e n o ta u n gluón. A unque los físicos europeos subrayaban que no h ab ían «descubierto» realm ente los gluones, así es com o fueron in terp retad o s los exp erim en to s en general p o r la p rensa, y n o sin la ayuda de los físicos estadounidenses. La situ ació n hizo que la publicación b ritán ic a N ew Scientist se p re guntara: «la p ru e b a [de la existencia de gluonesj es, p o r tan to , débil, ¿entonces, p o r qué a estos resultados se les h a d ado ta n ta im p o rtan cia, sobre to d o en los Estados Unidos?». La respuesta en la revista era ésta: «La ú n ica conclusión parece ser que los físicos de partículas estadounidenses in te n ta n p o r to d o s los m edios m a n ten e r el im pulso de los fondos federales p ara su costosa fo rm a de experim entación. La batalla está en la si guiente generación de aceleradores, p a ra conseguir energías m ás altas, p o r lo que los físicos necesitan d e m o stra r que el gasto fu tu ro es u n a b u en a inversión» (Pickering 1984a, p. 344). Sin em bargo, el d escu b rim ien to p ro b ó ser real y consistente; a finales de 1979, o tro s experim entos en el PETRA y en o tro s lab o rato rio s co n firm aro n la in te r pretación, y, en general, la detección del guión fue finalm ente aceptada.

C A P ÍT U L O 23

La cosmología y el renac¡miento de la relatividad

Hacia el universo del

big bang

Si 1932 fue el annus mirabilis de la física nuclear y el com ienzo de la física de p artícu fio 1917 p o d ría celebrarse com o el del n acim ien to de la cosm ología racional. £1 científico de to d a la a m p litu d del universo se apoyó en u n a nueva e stru ctu ra cu an d o £ in stein sugirió sus ecuaciones de cam po cosm ológicas basadas en su teoría general de la relatividad, recientem ente p ropuesta. £1 títu lo del trabajo p io n ero de £ in ste‫؛‬n, pub licad o en el Proceedings ‫م‬/ ‫ ﺀﺀﻟﻢﺀ‬Prusian A cadem y o f Sciences en el ecuador de la P rim era G u erra M undial, fue «C onsideraciones cosm ológicas concernientes a la teoría general de la relatividad». O cho años m ás tarde, el trab ajo de £ in stein todavía se consideraba com o el cim ien to de la cosm ología científica. C uan d o £in stein publicó su teoría, el co n o cim iento observacional de las estadísticas y el m o v im ien to de las galaxias era exiguo, y la separación en tre la cosm ología teórica y observacional, abism al. A unque las p rim eras m edidas de recesión galáctica se rem o n tan a 1912, y algunos a stró n o m o s en los años veinte intuyeron una relación entre la distancia y la velocidad recesional, en general las observaciones no d esem peñaron un gran papel en la p rim era fase de la cosm ología relativista. En esta ‫؛‬ase, entre 1917 y 1930, se aceptaba en general que el universo era estático, y el p rin cip al pro b lem a que ocupaba a los cosm ólogos teóricos ten ía que ver con la com p aració n entre los dos m o délos estáticos que satisfacían las ecuaciones de cam po. Según el m odelo de £ in ste‫؛‬n, el universo era cerrado, m ien tras q u e era ab ierto e infinito (pero sin m asa) de acuerdo con el m odelo sugerido en 1917 p o r W illem de Sitter en los Países Bajos. No fue hasta 1930, después de que Edwin H ubble estableciera que las galaxias se separan con una velocidad p roporcional a su distancia en que el paradigm a estático se rom pió y se dieron cuenta de que el universo se expande. A este im p o rtan te p u n to de vista ya había llegado el belga Georges Lem aítre en 1927, y la teoría fue argum entada p o r el ruso A lexander Friedm an n ya en 1922. Los trab ajo s de F ríed m an n y L em aítre fueron ignorados hasta

340


que se redescu b riero n en 1930. D u ra n te las dos décadas siguientes, la m ayoría de astró n o m o s y físicos acep tab an q u e el universo estaba en expansión, de acuerdo con los datos de H ubble y las soluciones de F ried m an n -L em aitre de las ecuaciones relativistas de cam po. £ ١ m o d elo cosm ológico m ás p o p u la r p ro b a b lem e n te fuera el m o d elo de L r o ^ tr e - £ d d in g to n , según el cual el universo com enzó su expansión a p a rtir de u n estad o estático, co m o el p ro p u esto p o r F‫؛‬nstc‘in, hace u n tiem p o infinito, © tro m odelo evolucionista fue sugerido p o r Lem aitre en 1931, a saber, que la expansión com enzó a p a rtir de u n «átom o prim igenio» y, p o r tan to , al universo se le p o d ría adscribir una edad definida. £ l p rim e r m odelo de big bang (gran explosión) fue recibido con frialdad al prin cip io , p ero a finales de los trein ta, la idea general de u n universo evolutivo de edad finita descrito p o r las leyes de ‫ ظ‬relatividad general ganaba respeto de m o d o creciente, fo s cim ientos relativistas n o fu ero n aceptados p o r to d o s los especialistas, a pesar de to d o , y existían num ero sas teorías rivales, de las cuales la alternativa de £ d w ard M ilne fue la m ás d eb atid a (véase capítulo ‫ زوا‬. Los cosm ólogos del p erio d o de en treg u erras n o tenían una id en tid ad profesional. C onsistían en u n a m ezcla irreg u lar de m atem áticos, físicos teóricos, a stró n o m o s y quím icos físicos que se d edicaban a tiem p o parcial a los problem as cósm icos. A unque los aspectos físicos del universo d esem p eñ aro n u n papel secundario respecto a los aspeetos geom étricos o los espacio-tem porales, las consideraciones de los procesos físicos no estaban ausentes del todo: p o r ejem plo, en u n a serie de artículos publicados en tre 1928 y 1933, el fisicoquím ico y especialista en relatividad estadounidense R ichard Tolm an investigó la term o d in ám ica de los universos ta n to estáticos com o en expansióju-¥a en 1922, T olm an h abía estu d iad o el equilibrio en tre h id ró g en o y helio, en u n inten to infru ctu o so de explicar las relativas ab u n d an cias de los dos elem entos. La física cuántica en tró p o r p rim e ra vez en la cosm ología, a u n q u e de u n a m an era vaga y especulativa, con la breve n o ta de Leniaítre en 1931 sobre la teo ría del big bang titu lad a significativam ente «£l p rin cip io del m u n d o desde el p u n to de vista de la teo ría cuántica». £1 físico belga describió el universo original com o «un cu an to único» en el cual se dio «un tip o de proceso superradiactivo» con la p ro d u cció n de elem entos sú p er pesados y radiactivos com o resultado. Sugirió que las partículas em itidas p o r los hipotéticos superáto m o s estarían a ú n en tre n o so tro s en fo rm a de rayos cósm icos. Las especulaciones de L em aitre eran audaces, visionarias y poéticas; desdichadam ente estaban tam b ién desconectadas del progreso de la física nuclear que em pezó a acelerarse en la época. £1 desarrollo fructífero que finalm ente estableció a la cosm ología com o u n a ram a de la ciencia física tuvo sus com ienzos a finales de los años trein ta, cuan d o u n o s pocos físieos nucleares se in teresaro n p o r pro b lem as astrofísicos tales com o la p ro d u cció n de energía estelar y la ab u n d an cia de d istrib u c ió n de los elem entos. La astrofísica nuclear fue d a n d o sus pasos p io n ero s a finales de los años veinte de la m an o de A tkinson, H o u te rm a n s y G am ow ; el sub eam po obtuvo su p rim e r éxito arro llador con la celebrada teoría de B ethe de 1938-1939 (véase capítulo 12). £1 trabajo de Bethe era u n a teoría de p ro d u cció n de energía estelar, no de fo rm ació n de elem entos, y p o r esta razó n n o se consideró d irectam en te relevante para la cosm ología. La p rim e

La cosmología y el renacimiento de la relatividad

341

ra teoría nuclear-cosm ológica fue incluida en la teo ría d eV on W eizsacker de 1938, una versión m ás p rim itiv a de la teo ría algo m ás ta rd ía de Bethe. Von W eizsacker desarrolló g ran diosam en te el p ro g ram a nuclear-arqueológico - e s to es, el in te n to de reco n stru ir ‫ ط‬historia del universo a través de los h ip otéticos procesos nucleares y verificarlos p o r el m odelo resultante de ab u n d an cias de elem entos o, co m o expresó en el Physikalische Zeitschrift, «dibujar desde la frecuencia de d istrib u ció n de los elem entos conclusiones de un estado prim itiv o del universo en el cual esta d istrib u ció n haya p o d id o originarse»-. Según Von W eizsacker: «£$ b astan te posible que la conclusión de la form ación de los elem entos to m a ra lugar antes del origen de las estrellas, en u n estado del universo significativam ente diferente al de hoy, [y con] u n a te m p e ra tu ra de u n o rd en de m agn itu d de ‫ ط‬cual se derivaría la tran sfo rm ació n com pleta de la energía de enlace nuclear en calor [apro x im ad am en te 2 X 10‫ '؛‬K]. La d ensidad que lo aco m p añ a está, de form a sim ilar, tam b ién en el e n to rn o de la d en sid ad del núcleo» (Kragh 1996b, p. 98). La descripción de Von W eizsácker era, p o r tan to , la de u n universo del big bang. A unque estaba desarrollado de m an era in d ep en d ien te, su m o d elo tenía m ucho en c o m ú n con ‫ ظ‬hipótesis del á to m o p rim ig en io de Lem aítre. El p ro g ram a iniciado p o r Von W eizsácker fue co n tin u ad o in d ep en d ien tem en te p o r G am ow hacia u n m o d elo del universo te m p ra n o de cim iento físico-nuclear. Es n o table que ni G am ow , n i Bethe, ni Von W eizsácker tu v ieran n in g u n a form ación sólida en astronom ía. C onfiados en el p o d e r de la teo ría nuclear y cuántica, e n tra ro n en el cam p o com o físicos y frieron a p ren d ien d o la astro n o m ía necesaria a lo largo del cam ino. En 1939, G am ow subió el p eld añ o desde las estrellas h asta el universo, dándole vueltas a la no ció n de u n universo del big bang pero todavía sin saber cóm o se habían form ado los elem entos desde el estado h ip o tético del h id ró g en o prim igenio. El pro b lem a era re p ro d u cir u n a d istrib u ció n de elem entos que se co rrespondiera con lo que se conocía de m o d o em pírico, que en la época eran los datos publicados p o r V ictor G oldschm idt en 1937. En la octava conferencia de W ashington sobre física teórica, llevada a cabo en abril de 1942 -c u a tr o m eses antes de que los Estados U nidos declararan la gu erra contra Japón, A lem ania e Ita lia - G am ow y o tro s físicos estadounidenses llegaron a ‫ ط‬conclusión de que u n universo del big bang era necesario p a ra considerar de m o d o cualitativo los datos de G o ld sch m id t de los elem entos m ás pesados. D e acuerdo con el in form e de la conferencia, «los elem entos se o rig in a ro n en u n proceso de carácter explosivo, el cual to m ó lugar “en el com ienzo del tie m p o ” y resultó en ‫ ط‬expansión presente del universo» (K ragh 1996b, p. 105). El m odelo del big bang estaba g an an d o im pulso y su fúerza m o triz era la física n u clear. A hora se d ab an cuenta, en tre u n p eq u e ñ o g ru p o de físicos y astró n o m o s, de que la m ateria b ru ta del m u n d o actual era p ro b ab lem en te el resultado de lo que pasó en un estadio prim itiv o altam ente c o m p rim id o y caliente hace dos m il m illones de años (el tie m p o c o m ú n m e n te aceptado en la época de H ubble, apenas la edad del universo). Éste fue u n cam bio co n ceptual en o rm e, p ero en aquella época no provocó n in g ú n titu la r de prensa: n o sólo se estaba d esarro llan d o u n a guerra, sino que la conclusión ta m b ién era p rovisional y especulativa. Lo q u e le faltaba p ara p o d e r desarrollarse en

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u na cosm ología grande y adecuada del big bang era u n a conexión entre la física nuclear del universo te m p ra n o y los m od elo s relativistas de la evolución cosm ológica. D urante la Segunda G u erra M undial, tales problem as esotéricos disponían de u n a p rio rid a d baja, pero poco después del fina) de la g uerra, G am ow convirtió el pro b lem a en algo prom etedo r. El 24 de o ctu b re de 1945, G am ow felicitó a B ohr en su 60.° cum pleaños. «[Estoy] estu d ian d o el p ro b lem a del o rigen de los elem entos en las prim eras etapas del universo en expansión», dijo G am ow a Bohr. «Esto su p o n e reu n ir las fórm ulas reiativistas de la expansión con las razones de las reacciones term onucleares y de fisión. U n p u n to interesante es que el p e rio d o de tiem p o d u ra n te el cual tuvo lugar ‫ ط‬fisión original (tal com o fue estim ado a p a rtir de las fórm ulas de la expansión relativista) debió de h ab er sido m e n o r que u n m ilisegundo, m ien tras que apenas u n a décim a de segúndo estaba d isponible p a ra que se estableciera el u lterio r equilibrio haberlo) en tre los diferentes nócleos m ás ligeros» (K ragh 1996b, p. 106).

(de

f a nueva aproxim ación de G am ow , tal com o fue p resentada en 1946, estaba basada en u n a descripción del universo te m p ra n o consistente en u n gas de n eu tro n es relativam ente ‫؛‬río y en expansión, de acuerdo con las ecuaciones de F riedm ann-L em aítre. En 1948 desarrolló u n a versión m uy m ejorada, p rín c ip e m e n te en colaboración con su d o cto ran d o R alph A lpher, al hacer uso de nuevos datos en las tasas de reacción de secciones eficaces de c ap tu ra de neu tro n es, datos que no h abían sido clasificados hasta entonces. El universo p rim itivo se describía ah o ra com o u n gas de neu tro n es caliente y altam ente co m p rim id o que, de alguna m an era, em pezó a expandirse desintegrándose en p rotones y electrones. A lgunos de los p ro to n es se co m binarían con los neutrones que q u ed aran p ara fo rm ar d eu tero n esy , a p a rtir de estos núcleos, los elem entos m á sp e sa dos se supone que serían sintetizados p o r capturas de n eu tro n es sucesivas y desintegraciones beta. N i en esta versión n i en las posteriores, in te n tó G am ow contestar la pregunta de qué causó la explosión o la desintegración inicial de los neu trin o s hace dos m il m illones de años. G am ow y A lpher q u erían evitar preguntas sobre el origen del universo y sim plem ente d iero n p o r b uenas las condiciones iniciales. C onsideraban el principió d e í = 0 №٥١٥ ajeno al reino de la física y, p o r esta razón, n u n ca usaro n el térm in o «big bang» p ara su teoría. F osterio rm en te, en 1948, G am ow y A lpher c o m p ro b aro n que el universo prim igenio, con u n a te m p e ra tu ra en to rn o a los ‫ل‬0 ‫ و‬K, debía de estar d o m in ad o p o r la radiación m ás que p o r la m ateria. Esto afectaba a los detalles de los cálculos y, lo que es m ás im p o rtan te , llevó a A lpher y a su co lab o rad o r R ob ert H erm án a concluir que los restos fósiles de la rad iació n p rim o rd ia l enfriad a todavía debían de estar en tre nosotros. En u n artícu lo breve de 1948, calcularon la te m p e ra tu ra actual de fo n d o del universo en 5 K. G am ow , A lpher y H erm án in fo rm a ro n de ‫ ظ‬predicción de u n a radiación cósm ica de fo n d o en siete ocasiones en tre 1948 y 1956, pero, a pesar de ser ta n conocidos, su resultado n o atrajo p a ra nada la atención; curiosam ente, la predicción fue ignorada y finalm ente olvidada, hasta q u e fue restau rad a a m ed iados de los años sesenta, en u n a época en que G am ow y sus dos asociados ya n o estaban en activo en la investigación cosm ológica. D e la m ism a m an era, el m o d elo de G am ow del universo co n tin u ó sien

‫ ﺉ‬cosmología y el

renacimiento de la relatividad

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do desarrollado y refinado, p rin cip alm en te p o r A lpher y H erm án , pero tam b ién con aportacion es ocasionales de o tro s físicos nucleares, incluyendo algunos ta n notables com o Ferm i o W igner. La asu n ció n original de u n universo inicial com puesto únicam en te de n e u tro n e s se con v irtió en insostenible, co m o fue a rg u m en tad o en p rim e r lugar p o r el físico jap o n és C h u sh iro Hayashi en 1950. D e acuerdo con H ayashi, los procesos nucleares distin to s de la desintegración del n e u tró n deberían to m arse en cuenta, lo que le hizo sugerir que el universo m ás te m p ra n o consistía en u n a m ezcla de pro to nes, n eu tro n es y fotones. A p a rtir de esta prem isa, H ayashi realizó u n cálculo aproxim ado de la d istrib u c ió n existente en tre h id ró g en o y helio, con resultados m u y concord antes con los datos de observación m ás bien inciertos que existían en la época. U n m odelo aú n m ás refinado fne desarrollado p o r A lpher, H erm án y Jam es Follín en 1953, en u n artícu lo que m arcó el cénit de la teoría clásica del big bang. H aciendo uso de los avances m ás recientes de la teoría nuclear y de partículas, los tres físicos realizaron u n análisis detallado y exhaustivo del universo tem p ran o , em p ezan d o en u n tiem p o de 10"4 segundos después de la explosión inicial, cu an d o la te m p e ra tu ra era de aproxim ad am en te 1012 K. F.ntre los resultados o b ten id o s p o r A lpher, H e rm á n y Follin había la de u n porcen taje de peso p resente de helio de u n 32 p o r 100 aproxim ado, u n a cifra que casaba razo n ab lem en te b ien con la estim ada a p a rtir de los datos espectroscópicos. A pesar de los avances im p resio n an tes realizados en la teoría del big b a n g en tre 1948 y 1953, la teo ría fue in fru ctu o sa a la h o ra de a traer interés y fue ab an d o n a d a d efacto d u ra n te m ás de u n a década. ¿For qué esta teoría, esencialm ente correcta, com o la vem os ah o ra, fue desechada h asta m ediados de los años sesenta? U na teoría tan grandiosa com o la cosm ología de G am ow -A lpher n atu ra lm e n te tuvo que en carar problem as, entre los cuales estaba el de su aparen te incap acid ad p ara ten er en cu enta la form ación de las galaxias y, lo que es m ás grave, su fracaso en explicar la form ación de los elem entos m ás pesados. ? a ra c o n stru ir elem entos m ás pesados que el helio, ten ía que encontrarse algún tip o de p u e n te en tre la !}recha de los n ú m ero s m ásicos 5 y 8 (en los que no existe núcleo). El p ro b lem a era que, a pesar de realizar m uchos intentos, n o se enco n tró n in g u n a solución satisfactoria -e s to es, u n a co rresp o n d ien te a las condiciones físicas del universo te m p ra n o -. £1 fracaso parecía im p licar que las razones originales de la teoría de G am ow , la fo rm ació n cósm ica de elem entos, debían ser abandonadas. For o tra parte, el fracaso n o llegó a co n stitu ir u n a refutación de la teoría, p o r lo que era b astante posible asu m ir que, au n q u e el helio se p ro d u je ra de m an era cosm ológica, los otros elem entos fueran los resultados p o steriores de reacciones nucleares en el ‫!؛‬٦terior de las estrellas. Es difícil evitar la conclusión de que la falta de interés en la teoría del big bang de G am ow después de 1953 n o fuera en p arte la resultante de factores sociológicos n o relacionados con las cualidades de la teoría en sí m ism a. U na de las razones era, in d u d ab lem en te, que la teo ría n o tenía u n a afiliación disciplinar clara, sino que involucraba dos cam pos de la física q u e en su m o m e n to se veían com o claram ente diferentes. Era u n a teoría m ás física que astro n ó m ica pero, al co m b in a r la física nuclear con la relatividad general, iba c o n tra la ten d en cia de e ^ c ia liz a c ió n que caracterizó la física estad o u n id en se en los años cincuenta. La b a rrera de separación entre los

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físicos nucleares y los de partículas, ta n en boga, y (los que eran considerados com o) los polvorien to s cosm ólogos, im plicaba que los p ro g ram as de investigación m u ltid is ciplinar co m o el de G am ow ten ían dificultades en reclutar personas nuevas y tra e r el interés de las especialidades existentes. E ntonces, cu an d o G am ow se m u d ó desde la cosm ología a la biología m o lecu lar y o tro s tem as a m ediados de los años cincuenta, y cuan d o A lpher y H erm án al m ism o tiem p o se traslad aro n a carreras científicas en la in d u stria privada, no h u b o nadie que o cu p ara su lugar d o n d e lo dejaron. La cosm ología trad icio n alm en te ha sido vista com o u n a disciplina a m itad de ca m in o entre la ciencia y la filosofía y, p o r esta razó n , u n a disciplina que necesitaba de u n a m etod o lo g ía d istin ta de la im p e ra n te en la investigación física ord in aria. G am ow y su p eq u e ñ o g ru p o de cosm ólogos n o estaban de acuerdo. Siendo físicos de form ación y de espíritu, veían el universo te m p ra n o com o algo que p o d ía ser tra ta d o con los m é to d o s regulares de la física: lo con sid erab an com o u n p ro b lem a difícil, p ero no m enos com o u n p ro b lem a que n o difería cu alitativam ente de otros problem as de la física n u clear. C onfiados en q u e los cálculos avanzados asistidos p o r ord en ad o r, con en trad a de datos de los lab o rato rio s nucleares-físicos, d arían la respuesta adecuada, no vieron la necesidad de in tro d u c ir nuevos p rin cip io s o d e b a tir el estado conceptual de la co sm o logía en n in g u n o de sus aspectos. A breviando, su actitu d era pragm ática y em pírica. G am ow se vio a sí m ism o com o u n co sm o-ingeniero, y en u n a ocasión co m p aró al cos m ólogo con el ingeniero que diseña u n coche nuevo: m ien tras que el ingeniero tiene que basarse en las leyes y m ateriales conocidos, así tam b ién debería el cosm ólogo b u s car m odelos del universo q u e satisficieran las leyes conocidas y estuvieran de acuerdo con los dato s experim entales. Ésta era u n a a c titu d radicalm ente diferente de la doprr^ n an te en la cosm ología, y p ro b ab lem en te co n trib u y ó al distanciam iento del pro g ram a de G am ow del tip o de cosm ología teó rica cultivada en Europa. P or u n a p arte, la a p io xim ación de la cosm ología-co m o -in g en iería de G am ow era perfectam ente acorde con el espíritu prag m ático q u e caló en la física estado u n id ense de la época (véase capítulo 22). Por o tra , su p ro g ram a de investigación carecía del único ingrediente que po d ría h ab e r atraíd o el interés de los físicos, a saber, los d ato s experim entales y la posibilidad de realizar com probaciones.

El reto del estado estacionario 1948 no fue sólo el añ o de la teo ría del big bang de G am ow , sino tam b ién el año en que se p ro d u jo en C am bridge, Inglaterra, u n a p ro p u e sta de alternativa radical a la evo lu ción cosm ológica. Esta teoría, la «nueva cosm ología», o teoría del estado estaciona rio del universo, fue sugerida en dos versiones diferentes, u n a p o r Fred Hoyle y la o tra p o r H e rm a n n B ondi y T h o m as G old. A unque las dos versiones diferían en sus aspec tos filosóficos, c o m p artían los m ism os cim ientos y dab an los m ism os resultados observacionales. Hoyle, B ondi y G old ten ían en c o m ú n con G am ow , A lpher y H e rm á n que eran físicos sin fo rm ació n form al en astro n o m ía. Ésta era p rácticam en te la única se m ejanza en tre los dos g ru p o s de cosm ólogos.


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La teoría del estado estaeíonario fue m o tiv ad a p o r u n a insatisfacción m etodológica con las cosm ologías evolucionistas basadas en la teoría de la relatividad, especialm en te con aquellas que asu m en u n com ienzo o creación del universo. Ho>le hacía nota r que la creación n o se p o d ía explicar de m a n e ra causal y, p o r tan to , com o escribió en su artícu lo de 1948, estas teorías iban « contra el espíritu de la indagación científica». A parte de las objeciones basadas en la filosofía, los tres físicos de C am bridge liam aró n la aten ció n sobre la llam ada dificultad de tiem po-escala, u n p ro b lem a c o m ú n a ‫ ط‬m ayoría de teorías relativistas del tip o del big bang. D e acuerdo con estas teorías, la edad del universo está relacionada con el p a rá m e tro H ubhle, en el sentido de que la edad es m e n o r que la co nstante inversa de recesión (el tiem p o H ubble) que alrededor de 1950 se p ensaba que era de 1,8 m il m illones de años, considerablem ente m e n o r que los tres m il m illones de años q u e los m éto d o s fiables de datación radiactiva indicaban para la tierra. Esta discrepancia ta n vergonzante desapareció m ás tard e en los años cincu enta con m edidas m ejoradas del p a rá m e tro de H ubble, pero en 1948 era suficientem ente real y u n p ro b lem a que la cosm ología relativista sólo podía evitar haciendo com o si n o existiera. La solución de H oyle, B ondi y G old fue la de basar su alternativa en el p o stu lad o de que el universo n o es sólo espacialm ente sino tam b ién te m p o ralm en te hom ogéneo, esto es, que parece el m ism o en cualq u ier localización y en cualquier tiem po. Para poder hacer coincidir u n universo estacionario e in fin itam en te an tig u o con la recesión de las galaxias, asu m iero n que la m ateria elem ental (com o los átom os de hid ró g en o o los neu tro n es) se crea de m o d o co n tin u o a través del universo. La creación de la m ateria tenía que llevarse a cabo a u n ritm o ex trem ad am en te lento para que el proceso fuera im posible de observar directam en te, p ero n o p o r ello era m enos im p o rta n te u n a hipótesis drástica, p o rq u e violaba ta n to el venerable p rin cip io de la conservación de energía com o la respetada teo ría general de ‫ ط‬relatividad. Sum ándose ٤١ estas asunciones, los cosm ólogos del estado estacionario d ed u jero n que el universo era un espacio euclídeo en expansión exponencial con u n a co nstante de densidad m edia de m ateria de p = 3H 2/8itG , siendo H la co n stan te de H ubble y G, la constante de gravitación de N ew ton. E n tre las d em ás deducciones sobrevenidas a p a rtir de la teoría, estaba que la edad m edia de las galaxias en cualq u ier región extensa del universo era de u n tercio del tiem p o de H ubble, o ap ro x im ad am en te de 600 m illones de a ñ o s . ‫ آ‬.‫ ل؛‬teo ría se m antuvo en esencia sin cam bios d u ra n te los años cin cu en ta, ' que el físico b ritán ico W illiam M cCrea, en 1952, la rein terp retó en su cercana analogía con ‫ ط‬teoría general de la relatividad y afirm ó que la creación c o n tin u a de m ateria n o violaba necesariam ente la conservación de la energía. La ingeniosa in terp retació n de M cC rea incluía ideas explicativas q u e m ás tard e serían redescubiertas en ‫ ظ‬cosm ología relativista, pero que en la época atrajero n poco interés. D esde su com ienzo en 1948, la teo ría del estado estacionario se ganó u n a fiera op o sición, no sólo p o r su n atu raleza n o convencional, sino tam b ién p o rq u e Hoyle la usó de m an era ideológica en ataques c o n tra la teo ría del big bang y c o n tra lo que él calificaba de fu n d a m e n to religioso en la m ism a. Q u e h ab ía u n a alianza n o sagrada en tre la

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creencia cristian a y las ideas cosm ológicas de la creación del universo pareció confirm ad o en 1952, cu an d o el p ap a ? ‫؛‬o XII a rg u m en tó que la cosm ologia m o d ern a del big bang estaba en p ro fu n d a a rm o n ía con los dogm as cristianos y que daba gran apoyo a la existencia de u n C read o r trascendental. A unque los arg u m en to s religiosos y filosófieos fa ero n d ebatidos acaloradam ente, sin em bargo, el curso y el resultado de la controversia en tre las dos teorías cosm ológicas n o d ep en d ían de estos tem as. Lo que ¡mp o rta b a realm ente eran los arg u m en to s de n aturaleza científica m ás convencional, que, firndam en talm en te, q uería decir p ru eb as observacionales. La teo ría del estado estacion ario cosechó victorias m en o res al proveer m ecanism os plausibles de fo rm ació n de las galaxias y, en concreto, la base de u n a teo ría nuclear de éxito sobre el origen estelar de los elem entos m ás pesados que el helio. Esta im p o rta n te teoría, u n hito en la astrofísica nuclear, fue d esarrollada en 1956-1957 p o r H oyle en colaboración con M argaret y Geoffrey B urbidge de Inglaterra y el físico nuclear de Caltech W illiam Fowler. La teoría de B u r b i d ^ B u r ^ d ^ H o y le - F o w l e r tra ta b a de salvar la brecha de la m asa 8 que sólo p o d ría p ro d u cirse en el in te rio r de las estrellas, y, p o r ta n to c o n tra d iría los supuestos de la teo ría del big bang de G am ow . En cualq u ier caso, au n q u e la teo ría de B2H F (com o era llam ada) estaba am p liam en te e n ten d id a com o u n arg u m en to para apoyar la teoría del estado estacionario, n o descalificó la teo ría rival del big bang. La victoria que o b tu vo Hoyle fue m ás psicológica q u e real. M ien tras que las cosm ologías evolutivas p redecían que la razón de la recesión galáctica era p ro p o rcio n alm en te m ayor p ara las galaxias distantes, según el m odelo del estado estacionario la velocidad se in crem en taría en p ro p o rc ió n directa a la distancia. El d iagram a H ub b le p a ra galaxias m u y distantes debería p o r tan to ser capaz de discer^ n ir en tre los dos tipos de m odelos. A lian Sandage, en el C bser^'atorío de M o u n t W ilson, recopiló datos que in dicaban u n a expansión ralentizada de acuerdo con 1‫ ة‬perspectiva evolucionista y concluyó que los datos con trad ecían la teoría del estado estacionario. En cualq u ier caso, los datos n o eran lo b astante irrefutables com o para co n stitu ir u n a p ru e b a crucial que p u d iera ser aceptada p o r am bos bandos. La situ ació n general de finales de los años cin cu enta se caracterizó p o r la in capac‫؛‬d ad de las distintas p ru eb as observacionales de elegir u n a, claram ente, entre las dos teorías. A lgunas de las p ru eb as parecían favorecer u n tip o de teoría, o tro s parecían favorecer la o tra, p ero n in g u n a de ellas era concluyente. C u an d o los m edios rad io astro nóm icos fueron aplicados al m ism o pro b lem a, p rim ero en 1955 p o r M artin Ryle de la U niversidad de C am bridge, la h isto ria al p rin cip io parecía repetirse. Ryle observó que la d istrib u ció n de las firentes de rad io se co n trad ecían in ten sam en te con la teoría del estado estacionario, pero su conclusión fue p re m a tu ra y fue contestada p o r radioastró n o m o s en A ustralia. Tuvo que llegar 1960 p ara que nuevas m edidas consiguieran el consenso en tre los ra d io a stró n o m o s con relación a q ue la distrib u ció n de las radiogalaxias co n trad ecían de m a n e ra clara ‫ ظ‬teo ría del estado estacionario. Esto sin em bargo n o supu so la caída in m ed iata de la teoría y, d u ra n te algunos años, Hoyle y sus colaboradores in te n ta ro n evitar la conclusión, b ien fuera reinterpretar^do los datos, bien inventándose nuevas versiones de la teo ría del estado estacionario que co n co rd aran con


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los recuentos de fuentes de radio. D esde esa época en adelante, sin em bargo, la teoría del estado estacionario n o se consideró ya m ás com o u n a alternativa seria p o r la m a yoría de los astró n o m o s. La teo ría del estado estacionario n o es sólo d istin ta de la teoría del big bang en el sentido convencional de ofrecer u n a descripción diferente del universo y que produce predicciones diferentes. Las dos teorías diferían tam b ién de m a n era m arcada en u n sentido filosófico y sociológico. R epresentaban «estilos» co n trastad o s en cosm ología, y desde luego, en la ciencia com o tal. B ondi, G old, Hoyle y sus seguidores negaban que la cosm ología fuera sim p lem en te u n caso especial de física, y hacían n o ta r la d iferen cia entre la física terrestre con sus fen ó m en o s repetibles y gobernadas p o r leyes, y la ciencia del universo. P or causa de la u n icid ad del concepto de universo, la cosm ología n o se tra tó com o u n a ciencia n o explicable, sino sólo com o u n a ciencia descriptiva; adem ás de esto, el en te n d im ie n to del universo debía estar basado en p rin cip io s n o derivables de la física local, y si éstos co n d u cían a consecuencias co n trarias al co n o ci m ien to aceptado, los físicos de C am bridge estaban dispuestos a sacrificar la validez ab soluta de las leyes de la naturaleza. La teoría del estado estacionario fue u n inten to de revolucionar la física cósm ica, p ero el in te n to fracasó. N o es n in g u n a casualidad que la cosm ología de estado estacionario em ergiera en Inglaterra y que sólo fuera en este país d o n d e la teo ría en c o n tra ra u n am plio apoyo y p rovocara u n debate serio. En algunos rectos, el esp íritu de la teo ría del estado estacionario era u n a co n tin u ació n de las teos apriorísticas de cosm ofísica que fuero n p opulares en la física y astro n o m ía b ritá nicas en los años tre in ta y que hem o s descrito en el capítulo 15.

La cosmología después de 1960 A unque el cam bio radical a b an d erad o p o r los teóricos del estado estacionario fra casó, sí qu e h u b o u n a especia de revolución en la cosm ología en los años sesenta, a u n que fue u n a revolución co n serv ad o ra q u e se m o n tó a p a rtir de la física establecida y es taba fu ertem en te enraizad a en el pasado. El h ab lar de u n «renacim iento» sería m ás ap ro p iad o q u e h ab lar de u n a «revolución»: el cam bio estuvo asociado con, y dependía de, u n a serie de d escu b rim ien to s espectaculares q u e d em o strab an la existencia de n u e vos objetos y fen ó m en o s de relevancia cosm ológica. Estos d escubrim ientos dependían de nuevo de la ráp id a evolución de in stru m e n to s y tecnologías tales com o m étodos de rad io o n d as y m icro o n d as, cohetes espaciales y satélites artificiales. Incluso la ciencia celeste de la cosm ología estaba p ro fu n d a m e n te influida p o r el in stru m e n tal y los m é todos orig in ad o s en el contexto de la física m ilitar. Así com o los descubrim ientos ines perad o s de los años 1890 forzaro n a u n a nueva d escripción del m icrocosm os, lo m is m o hiciero n los d escu b rim ien to s in esperados de la década de 1960 en el m acrocosm os, au n q u e, en el ú ltim o caso, era m ás la cu lm in ació n de una descripción ya conocida que la aparició n de u n a nueva. E ntre los nuevos d escu b rim ien to s estaba el que el cielo está lleno de rayos X, tan to en la form a de fuentes discretas com o de radiación difusa de fondo. Este descubrí-

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m iento, realizado en 1962 p o r el estad o u n id en se R iccardo G iacconi y sus co lab o rad o res, llegó a ser el p u n to de com ienzo de u n a nueva ram a im p o rta n te de la astronom ía. M ás im p o rta n te p ara la cosm ología fue el d escu b rim ien to de objetos cuasiestelares que los astró n o m o s del C altech M aarten Schm idt y Jesse G reenstein realizaron a principios de 1963. E n c o n tra ro n u n a serie de objetos de tip o estelar que difería de las estrellas norm ales y de las galaxias p o r sus espectros inusuales, su in ten sid ad variable, su e n o r m e salida de radioenergía y su fuerte co rrim ien to al rojo. Es interesante hacer n o ta r que los quásares, com o enseguida fu ero n d en o m in ad o s, habían sido observados en placas fotográficas años antes de d escubrirse que eran u n a fo rm a enteram en te nove dosa de radioobjetos. A este respecto, el caso p u ed e rem e m o rarn o s a otros episodios de la h isto ria de la física, co m o el de los rayos X y el d escu b rim ien to del p o sitró n (capí tulos 3 y 13). Estos casos ilustran el p u n to obvio de que describir algo no es idéntico a d escub rir algo. Los quásares com o objetos de estu d io entre astrofísicos se pu siero n in m ed iatam en te de m o d a, a la vez q u e fuero n controvertidos. ¿Qué procesos físicos p o d rían derivarse de su gigantesca p ro d u cció n de energía? ¿Indicaban sus co rrim ien to s al rojo que eran objetos cosm ológicos o p o d ían ser explicados de o tra m anera? P ro n to se consensuó q u e los quásares estaban sin d u d a a grandes distancias cosm ológicas que im plicaban que p ro b ab lem en te estaban en co n trad icción con la teo ría del estado esta cionario, según la cual n o p o d ría n existir objetos tan alejados en la distancia y en el tiem po. Para asentar la cuestión, los a stró n o m o s idearon u n a p ru eb a cartografiando los co rrim ien to s al rojo de los quásares c o n tra sus densidades de flujo. Los resultados, publicados en 1966, co n trad ecían la d istrib u c ió n p redicha p o r la teoría del estado es tacionario. A unque era posible justificar la contradicción, com o hizo Hoyle, la m ayo ría de los a stró n o m o s y físicos la acep taro n com o u na refutación genuina de la teoría del estado estacionario. En la época, la teoría ya hab ía sido sacudida p o r el descu b rim ien to aú n m ás im p o rta n te de la rad iació n de m icro o n d as cósm icas de fondo. C om o se m encionaba p re viam ente, ya en 1948, A lpher hab ía pred ich o tal rad iación de cu erp o negro de tem p e ra tu ra 5 K, p ero su p redicción fue olvidada. Dieciséis años después, el físico de P rinceto n R o b ert Dicke llegó de m o d o in d ep en d ien te a u n a conclusión sim ilar y sugi rió a su colega James Peebles que ex am in ara la cuestión. Peebles estim ó que la te m p e ra tu ra p resente de rad iació n h ip o tética de fo n d o era de u n o s 10 K y, en la prim avera de 1965, D icke y Peebles co m en zaro n u n a co laboración con físicos experim entales p ara detectar la radiación. A ntes de q u e h u b ie ra n o b ten id o resultado alguno, tuvieron constancia de u n o s exp erim en to s realizados p o r dos físicos en Bell L aboratories, A rno Penzias y R obert W ilson. Los dos físicos de AT&T habían usado u n ra d ió m e tro para m ed ir señales de la Vía Láctea y, en el tra n sc u rso de sus m ediciones, se diero n cuenta de que hab ía u n exceso sistem ático de te m p e ra tu ra de 3,3 K, in d ep en d ien tem en te de la dirección a la q u e a p u n ta ra la antena. Penzias y W ilson no p o d ía n explicarse el exceso de tem p e ra tu ra, p ero D icke y Peebles e n ten d iero n de in m ed iato que lo que hab ían d e tectado era de hecho el fo n d o de m icro o n d as del big bang. El d escubrim iento, p ro n to co nfirm ad o en o tras long itu d es de o n d a, fue an u n ciad o en el ejem plar de julio de 1965


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de Astrophysical Journal. Aquí hab ía u n d escu b rim ien to que efectivam ente m enoscabó la teoría del estado estacionario y dio u n so p o rte sólido a la teoría del big bang, que p re decía de m o d o exacto este tip o de radiación. Para la m ayoría de físicos y astró n o m o s, el descu b rim ien to del fo n d o de m icro o n d as era u n ex p erim ento crucial, sin d u d a, la p ru e b a de q u e el universo hab ía com enzado con u n a gran explosión o big bang. La ra diación 3 K - a h o r a su te m p e ra tu ra se m id e en 2,735 K - se sigue co n siderando com o el arg u m en to m ás im p resio n an te a favor de la teo ría del big bang. D espués del descu b rim ie n to en 1965, se co m p ren d ió que la rad iació n de fo n d o cósm ica era im p o rtan te en los cálculos de la ab u n d an cia del helio, u n p ro b lem a que no p o d ía ser solucionado p o r las teorías de fo rm ació n estelar de los elem entos. Basándose en los preceptos de la teoría del big bang y u n fo n d o de m icro o n d as de 3 K, en 1966 Peebles en c o n tró u n a ab u n d an cia de helio del 27 p o r 100, con u n a correlación excelente con lo que había sido estim ad o a p a rtir de las observaciones. Éste fue tam b ién o tro triu n fo de la nueva cosm ología del big bang. Penzias y W ilson recib iero n en 1978 el p re m io N obel p o r su descu b rim ien to , a p e sar del h echo de q u e n o h ab ían d escu b ierto defacto la rad iació n - e s to es, no la hab ían identificado com o de o rigen c ó sm ic o - sino q u e sólo h ab ía n detectado algo que no p o d ían explicar. En el discurso de bienvenida, el p resid en te del co m ité N obel de Físi ca dijo q u e el d esc u b rim ie n to h ab ía co n v ertid o «la cosm ología [en] u n a ciencia, ،bierta a la verificación y a la observación». El sen tim ien to de que em ergía u n a cos m ología científica o física (o p u esta a la m atem ática) sólo con los eventos de 1963-

250

200

150

Gráfico 23.1. El crecimiento de la cosmología, como está indicado p or el núm ero anual de publicacio nes listadas bajo «cosmología» y «cosmogonía» en Physics Abstracts. Fuente: reproducido con permiso de M. P. Ryan y L. C. Shepley, «Resource Letter RC-1: Cosmology». AJP 44 (1976), pp. 223-230. (©) 1976 American Association o f Physics Teachers.

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1966 estaba m u y generalizado a finales de los años sesenta, y todavía es p arte de la h is to ria actu al de los cosm ólogos. Según esta h isto ria, los sucesos anterio res a 1963 p e r tenecen a u n estadio precientífico, sem im ítico, g o b ern ad o p o r m atem áticas estériles, o ideas supersticiosas, tales com o u n a creación co n tin u a de la m ateria. A parte de la falsedad obvia de esta in te rp re ta c ió n de la h isto ria, es im p o rta n te recalcar que la des crip ció n del big bang n o fue u n resu ltad o de m ed iados de los años sesenta, sino que p u ede en co n trarse p len am en te desarrollada en los trabajos m ás te m p ra n o s de Gam ow y sus colaboradores. Sin em bargo, es cierto que la cosm ología ex p erim en tó u n despegue ex trao rd in ario en los años sesenta, ta n to científico com o social. C o m o ejem plo, el n ú m e ro anual de artículos científicos sobre cosm ología se in crem en tó entre 1962 y 1972 desde unos 50 a u n o s 250 (gráfico 23.1). Incluso u n a p ro d u c c ió n de 250 artículos es u n n ú m ero p e qu eñ o para u n a subdisciplina científica, en to d o caso. La m o d esta escala de la cosm o logía se ilustra p o sterio rm en te p o r el h echo de que, en 1972, m enos del 0,3 p o r 100 de todas las publicaciones resum idas en Physical Abstracts estaba bajo los epígrafes de «cosm ología» o «cosm ogonía». De m ayor im p o rta n c ia que el n ú m e ro de publicaciones, con la elim inación del r i val del estado estacionario, apareció a m ed iad o s de los sesenta u n consenso entre los cosm ólogos con respecto a los principales p roblem as que había que resolver y los c ri terios que d ebían em plearse. La teo ría relativista del big bang «caliente» obtuvo u n es tatu s paradigm ático, y las in terp retacio n es alternativas fueron m arginadas. Al m ism o( tiem p o que la cosm ología se convirtió en cognitivam ente institucionalizada, logró u n a institucionalización social q u e hizo del tem a u n a o cu pación profesional a tiem p o c o m pleto gozando de u n a respetabilidad científica en aum ento. Existía u n a integración creciente en los d e p artam en to s de las universidades, y no sólo en los d ep artam en to s de m atem áticas, d o n d e h ab itu alm en te se h ab ían llevado a cabo los escasos cursos de los años cincuenta. D esde los años setenta, la cosm ología in crem en tó su docencia en d e p a rtam en to s de astro n o m ía, física y ciencias espaciales, y los estudiantes fueron e d u cados en u n a trad ició n de investigación con u n a herencia com partida. Las diferencias nacionales q u e h ab ían caracterizado la cosm ología m ás te m p ra n a tam b ién desapare cieron. O rigin alm en te, la teo ría del big bang era u n a teoría estadounidense, la teoría del estado estacionario pertenecía a los britán ico s y los rusos d u d a b a n si realizar co sm o logía alguna. A h o ra el cam p o se hab ía hecho v erd ad eram ente internacional, ya no se podía ded u cir la n acio n alid ad de u n a u to r a p a rtir de la teoría que defendiera. La colaboración en tre la física n u clear y la cosm ología que em pezó con G am ow en los años cu aren ta se aceleró en los setenta cu an d o la física de partículas elem entales lle gó a ser u n ingrediente im p o rta n te en la nueva cosm ología. Por ejem plo, los cálculos detallados realizados en 1977 p o r G ary Steigm an, D avid S chram m y James G u n n en la U niversidad de Chicago m o stra b a n que el n ú m e ro de n eu trin o s diferentes n o podía ser m ás de tres, o posib lem en te cuatro, si era correcta la teoría del big bang caliente. La p re dicción fue co n firm ad a m ás tard e p o r exp erim en to s en aceleradores de altas energías y sirvió p a ra in c re m e n ta r la confianza en la corrección básica del m odelo del big bang.


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La co n trib u ció n m ás destacable de la física de p artículas a la cosm ología m o d ern a fue la teoría inflacionaria que el físico estad o u n id en se de 31 años A lan G u th sugirió en 1981. (U na fo rm a de inflación hab ía sido p ro p u esta p o r el físico ruso Alexei Starobinski en 1979, pero no hab ía conseguido a traer la atención.) Basado en el concepto de «falso vacío», G u th ideó u n m odelo según el cual el universo m u y te m p ra n o pasó p o r u n en friam ien to extrem o y se expandió de p ro n to en u n factor gigantesco, u n incre m en to de u n factor 1030en u n p erio d o de 1O-30 segundos. D espués de la explosión in i cial, la expansión se ralentizó de acuerdo con la teo ría están d ar del big bang. En 1982, la teoría de G u th fue m ejo rad a p o r A ndrei Linde en la U nión Soviética e in d e p en d ien tem ente p o r A ndreas A lbrecht y Paul S tein h ard t en los Estados U nidos. El nuevo m o delo de universo inflacionario explicaba, en tre o tras cosas, la hom o g en eid ad a gran es cala del universo, la ausencia de m o n o p o lo s m agnéticos y la cu asiplanitud del espacio, n in g u n a de las cuales p o d ía ser explicada p o r la teo ría estándar. A unque el m odelo in flacionario n o está libre de problem as, obtuvo gran éxito y causó u n cam bio significa tivo en el p en sam ien to cosm ológico. En 1977 se h ab ían publicado m ás de tres m il a r tículos sobre la teo ría inflacionaria. C o n tin u arem o s con algunos aspectos m ás de la interacció n física de p artículas-cosm ología en el cap ítulo 27.

El renacimiento de la relatividad general A m ed iad o s de los añ o s veinte, la te o ría gen eral de la relativ id ad de E instein esta ba ra zo n a b le m en te b ien c o n firm a d a y acep tad a p o r la m ayoría de los físicos. Sin e m bargo, sólo u n p u ñ a d o de físicos y m a tem ático s tra b a ja ro n con la teo ría co m o tem a de investigación; la in m e n sa m ay o ría enfo có la relatividad general com o algo ta n ex p e rim e n ta lm e n te vacío co m o m a te m á tic a m en te ab struso. M ie n tra s que la teo ría es pecial de la relativ id ad se u saba c o tid ia n a m e n te en la física a tó m ic a y de p artículas, la relativ id ad general p arecía n o te n e r apen as co n ex ió n con la ex p e rim e n ta ció n y p a recía irrelev an te a la m ay o ría de las ram as de la física. En el d e sp e rta r de la m e cá n i ca cu án tica relativista-especial de D irac de 1928, m u c h o s físicos b u sc aro n un ificar la m ecánica c u án tica y la relativ id ad general, p ero n in g u n o de los in ten to s fue viable. La te o ría general de la relativ id ad , en to d o caso, fue tra ta d a p o r u n p e q u e ñ o g ru p o de m atem ático s, físicos teó rico s y a stró n o m o s, quienes investigaron la e stru c tu ra m atem á tic a de la teo ría o d eriv aro n resu ltad o s de ella que, sin em bargo, n o p o d ía n ser p ro b a d o s de m a n e ra ex p erim en tal. En los tre in ta y en los c u a re n ta, era u n a te o ría d e cid id a m e n te p asad a de m o d a , so b re to d o c o m p a ra d a con la teo ría c u án tica y la física nuclear. La ú n ica área de investigación física en la cual la teo ría d e sem p eñ ab a u n p apel im p o rta n te era la cosm ología, p ero la m ay oría de los físicos veían los e stu dios cosm ológicos co m o algo en la p eriferia de la ciencia, si n o fuera de ella. Lo que se h a llam ado el m o m e n to de m ayor sequía de la relatividad general d u ró hasta p rin cip io s de los cincuenta. D esde entonces y hasta ahora, especialm ente desde alrededo r de 1960, el cam po em pezó a a traer u n nuevo interés y p ro n to experim entó un renacim ien to notable. Los p eq u eñ o s g rupos de jóvenes relativistas em pezaron a ali

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nearse ju n to a teóricos com o }ohn W heeler o Peter B ergm ann en Jos Estados U nidos, B ondi en In ^ a te rra , L eopold Infeld en Polonia y V Jadim ir Fock en ‫ ط‬U nión Soviética. U na señal del ren o v ad o interés fue u n a serie de conferencias sobre los problem as de la relatividad general y áreas asociadas, siendo la p rim e ra la conferencia de B erna de 1955 q ue celebraba el 50 aniversario de la teo ría de Ein‫؟‬tein; fue seguida de la conferencia de C hapel №11 en los Estados U nidos (1957), u n a conferencia en R oyam ont, Francia (1959), y o tra C‘I1 Varsovla (1962). Los tem as tratad o s en las prim eras conferencias eran de natu raleza teó rica y m atem ática o se referían, en u n o s pocos casos, a ' astronóm icas. En 1970, la p ublicación de u n a revista llam ada General R elativity and Gravitation com enzó bajo los auspicios del In tern atio n al C o m m ittee on G eneral Reíativity a n d G ravitation (C o m ité In tern acio n al sobre Relatividad G eneral y G ravitación), fo n d a d o en 1960 com o resultado de la re u n ió n de R oyam ont. En el p rim e r n ú m e ro de la revista, el ed ito r A ndré M ercier llam ó la aten ció n sobre «la extrao rd in aria y m u y satisfactoria co m b in ació n de astrofísicos y RGG [R elatividad general y gravitación] que había aparecido en los ú ltim o s años». Sobre esta co m b in ació n escribió: «La RGG ha salvado a la cosm ología del “dem asiado h ip o tético ”, y la astrofísica co m binada con la física de partículas ha convertido las teorías RGG en algo sólido, m ien tras que en cam bio, d u ra n te u n a o dos décadas h a n sido despreciadas p o r tan to s físicos bajo el pretexto de que n o eran físicas». En los d e p a rta m e n to s de física, los cursos sobre relatividad general se m u ltip licaro n y se escribieron nuevos libros de texto. La publicación en 1973 de Gravitation, u n libro de texô en o rm e (de 1.280 páginas), escrito p o r C harles M isner, Kip '[ h o rn e y W heeler, era o tra señal de que la relatividad general había cam biado y se había traslad ad o a la física m ayoritaria. Existían básicam ente cuatro razones p o r los cuales el estatus y el interés en la relatividad cam biaron ta n d rásticam ente en los años sesenta. Prim ero, el rechazo de la teoría del estado estacionario foe in terp retad o extensam ente com o u n triu n fo de la relatividad general. En segundo lugar, los nuevos d escubrim ientos en la astronom ía rep ro d u cían la aplicación de la relatividad a los problem as astrofísicos. En tercer lugar, la teoría de Einstein fue desafiada p o r u n a nueva y co n trovertida teoría de la gravitación. En cu arto y m ás im p o rta n te lugar, los nuevos m étodos de la física experim ental convirtieron la teoría general de la relatividad en u n a ciencia de laboratorio. «La teoría de la gravitación de Einstein, su teoría general de la relatividad de 1915, se m u d a del reino de las m atem áticas al de la física», concluyó el físico teórico estadounidense Alfíed Schlld en 1960. «Después de 40 años de u n a precaria escasez de com probaciones astronóm icas, se hace posible realizar y planificar nuevos experim entos terrestres» (K ragh 1996b, p. 318). U no de los exp erim en to s p io n ero s referidos p o r Schild foe realizado en los prim eros años sesenta p o r R obert P o u n d y G len Rebka de la U niversidad de H arvard, m id iendo el «peso ap aren te de fotones» co m o se titu ló su artículo, o expresado de o tra m anera, el co rrim ien to al rojo (redshift) gravltatorio. Esta predicción de la relatividad general h abía sido co n firm ad a p o r m ediciones astro nóm icas a prin cip io s de los años veinte, pero con poca exactitud y de u n a form a n o m uy aclaratoria. Para p o d er m edir el desplazam iento en la frecuencia causado p o r la v ariación del cam po gravltatorio de


la

tie r r a

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sobre apenas veinte m etro s (la altu ra del edificio del lab o rato rio de H arvard),

P o u n d y Rebka hicieron u n uso sofisticado de u n nuevo m éto d o de estrecham iento de la form a de las líneas espectrales, p ro d u c ie n d o así u n rayo gam m a con u n a frecuencia extrem ad am en te bien definida. El m éto d o estaba basado en el efecto M óssbauer, den o m in a d o así p o r el físico alem án R u d o lf M óssbauer, que lo había descubierto en 1958. El efecto M ó ssbauer tuvo aplicaciones en cam pos diversos, desde la quím ica n u clear hasta la relatividad general, y a su joven d escu b rid o r le fue concedido el prem io N obel de 1961 p o r su trabajo. £1 experim ento de ?ound -R eb k a confirm ó la predicción relativista con u n a tolerancia del 10 p o r 100 y, en u n experim ento m ejorado de 1965, ‫ ظ‬coincidencia se estrechó hasta el 1 p o r 100. La im p o rtan cia del experim ento de Pound-R ebka no era sólo que apoyaba la teoría de Einstein, sino que tam b ién m arcó el preludio de u n a nueva era de la relativldad experim ental. El resultado com binado de los experim entos en los años setenta, haciendo uso de relojes atóm icos, cohetes, satélites, ordenadores y otros in strum entos electrónicos avanzados, fue u n a confirm ación com pleta de la teoría de la relatividad. A finales del siglo XX, la relatividad general em pírica se había convertido en gran ciencia. Los aspectos teóricos de la relatividad general fu ero n estudiados p o r John W heeler, Bryce D eW itt y Roger ?enro se, p o r m en cio n ar u n o s pocos. En 1960, Penrose, u n m atem ático b ritán ico , p resen tó nuevas y po ten tes h e rra m ien tas topológicas en la teoría y, en 1965, d e m o stró que u n a estrella en colapso gravitatorio inevitablem ente te rm in ará com o una sin g u larid ad espacio-tem poral. Los descubrim ientos astronóm icos de los sesenta y setenta resultaron ser o tra fuente im p o rtan te p ara el renacim iento de la relatividad general (véase tabla 23.1). El descubrim iento de los quásares en 1963 y el descubrim iento casual de los púlsares cuatro años después p o r Jocelyn Bell y A nthony Hewish en la U niversidad de C am bridge resultaron inm ediatam ente en intentos de entender los dos fenóm enos reseñados de m odo teórico. Se vio que las explicaciones sólo eran posibles haciendo uso de la teoría de le relatividad TABLA 23.1 D escu b rim ien to s astrofísicos im p o rta n tes, 1962-1979 Descubridores

Fenóm eno

Año

Rayos X estelares

1962

B ru n o Rossi, R icardo G iacconi (EEU U )

Q uásares

1963

M a a rte n S chm idt, Jesse G reen stein (EEU U )

M áseres cósm icos

1965

H aro ld Weaver, S. W einreb, A. B arrett (EEU U )

F o ndo de m icro o n d as

1965

A rn o Penzias, R o b ert W ilson (EEUU )

Estrellas in frarro jas

1965

G e rry N eugebauer, R o b ert L eighton (EEU U )

Púlsares

1967

Jocelyn Bell, A n th o n y H ew ish (RU)

F uentes su p erlu m ín icas

1971

Irv in S hapiro (RU )

Púlsares b in ario s

1974

Russell H ulse, Joseph Taylor (EEU U )

Lente g rav itato ria

1979

D en n is W alsh (RU)

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general. De acuerdo con □na sugerencia realizada prim ero p o r T hom as G old en la U n‫؛‬versidad de C ornell, lo$ púlsares se explicarían com o estrellas de neutrones ro tando con velocidad y regularidad extrem as. Las estrellas de neutrones, que surgen a p artir del COlapso gravitacional de estrellas enorm es, habían sido debatidas tedricam ente p o r © ppenheim er y H artlan d Snyder en 1939, pero tuvieron que pasar dos décadas hasta que el tem a atrajera u n a atencidn generalizada. En 1967, W heeler acuñó el térm in o de «agujero negro» p ara u n a m asa esférica colapsada en la singularidad, y en 974 ‫ ا‬fue dado a COnocer el posible descubrim iento de u n agujero negro en la fuente de rayos X Cygnus X -l. A unque los agujeros negros en general se asum e que existen en abundancia, todavía no ha habido n in g u n a confirm ación inequivoca de estos destacables objetos cósmicos. Todavía o tro d escu b rim ien to in esperado en astrofísica hab ría de ser realizado en 1974, cu an d o Joseph Taylor y Russell Hulse d etectaro n señales rad io a s^ o n ó m ic as que in te rp re ta ro n com o em itidas p o r u n p u lsar b in a rio -e s to es, u n púlsar en ó rb ita aired ed o r de u n co m p añ ero invisible, quizá o tro p ú lsa r-. El hallazgo de Taylor y H ulse era m ás que sim p lem en te o tro d escu b rim ien to cósm ico: causó g ran em oción entre los relativistas, que c o m p ren d iero n q u e los púlsares b in ario s eran ideales com o objetos de p ru eb a p ara la teo ría de la relatividad general: la teo ría co n cordaba p erfectam ente con las observaciones; de m o d o au n m ás im p o rta n te , en 1978 Taylor m o stró que los datos del pú lsar b in ario sugerían de m o d o intenso que la em isión de rad iación gravitacional tenía u n a tasa que coincidía con lo p red ich o p o r la relatividad general. El que e‫؛‬ gantescos cu erp o s acelerados em itieran rad iació n gravitatoria fue a rg u m en tad m ero p o r E instein en 1916, pero la sugerencia se m antuvo com o u n a especie de culación teórica hasta la d em o stració n de Taylor. En 1993, Taylor y H ulse recibieron el p rem io N obel «por el d escu b rim ien to de u n nuevo tipo de púlsar, u n d escubrim iento q ue ha ab ierto la p u e rta a nuevas posibilidades de estudio de la gravitación». A p ro p ó sito, ésta fue la p rim e ra vez que u n p rem io N obel estaba m otivado en p arte p o r la re ferencia a la física gravitacional. Incluso antes del d escu b rim ien to de Taylor-Hulse, las o ndas gravitacionales se buscab an ex p erim en talm en te, de m o d o n o tab le en u n a serie de experim en to s co n d u cid o s p o r Joseph W eber en la U niversidad de M aryland. W eber pensaba q u e las señales recibidas en su d etecto r in d icaban la recepción de ondas g ra vitacionales y an u n ció el d escu b rim ien to de las o n d as en 1969. Sin em bargo, su p ro clam ación fue d iscutida y la m ayoría de los físicos concluyó que W eber n o había des cu b ierto la rad iació n gravitacional. W eber n o estaba de acuerdo y co n tin u ó sus experim entos. A un en 1998 las o n d as gravitatorias n o h ab ían sido observadas d irecta m ente, y p o r su im plicación, tam p o co lo ha hecho el gravitón, la versión cuantizada de las ondas gravitatorias. A la teoría general de E instein n u n ca se h a n faltado rivales en fo rm a de teorías al ternativas de la gravitación. Por m en cio n ar unas pocas, D irac y Jordán b u scaron sin éxito desarro llar teorías con u n a co n stan te grav itatoria variable en el tiem po, y en 1964, H oyle y Jayant N arlikar p ro p u siero n u n a teo ría no einsteiniana basada en in te racciones directas en tre partículas. El reto m ás serio a la relatividad general en los años sesenta fue quizá u n a teo ría desarrollada p o r C ari Brans y R obert Dicke en la U niver


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sidad de P rin ceto n en 1961. La teoría de B rans-D icke fue m u ch o m ás debatida alrede d o r de 1970, cu an d o fue evidente que daba lug ar a u n n ú m ero de predicciones geofí sicas y astrofísicas diferentes a las de la relatividad general. Por ejem plo, las teorías de Brans y Dicke p red ijero n u n a precesión del perihelio de M ercurio m en o r que los 43 se gundos de arco q u e predecía la relatividad general. D icke arg u m en tó , a p a rtir de las o b servaciones solares, que p arte del valor observado y, p o r tan to , la concordancia con la relatividad general, era deb id o a que el sol estaba m ás achatado de lo que se creía. La extensión del ach atam ien to solar co n tin u ó siendo u n tem a de debate d u ra n te u n a d é cada, pero a m ediados de los años o ch en ta estaba claro que la teo ría B rans-D icke no encajaba con los experim entos, m ien tras que la relatividad general sí lo hacía. La co m b in ació n de ex perim entos de lab o rato rio , observaciones astronóm icas y avances en los cim ientos m atem ático s de la relatividad general hicieron posible un nuevo y em o cio n an te subcam p o , la astrofísica relativista. El cam po fue p resen tad o en el p rim e r Texas Sym posium o n Relativistic Astrophysics en 1963, la p rim e ra de u n a se rie im p o rta n te de conferencias que fue la c o n tra p a rte relativista a la serie de conferen cias de Rochester de los físicos de partículas. El tem a del p rim e r sim posio de Texas fue el colapso gravitato rio y los nuevos quásares. Era u n a re u n ió n v erdaderam ente interdisciplinar, incluyendo en tre sus p articip an tes a físicos nucleares, teóricos relativistas, cosm ólogos y astró n o m o s. Fred Hoyle, W illiam Fowler, Kip T h o rn e, Alian Sandage, Edw in Salpeter, Roy Kerr y M arteen S chm idt p resen taro n artículos. M ientras que el sim posio de 1963 incluyó u n o s 300 p articip an tes, m ás de 800 físicos y a stró n o m o s to m a ro n p arte en el noveno sim posio de 1978. Los m ú ltiples sim posios y escuelas de ve ran o sobre astrofísica relativista fuero n seguidos p o r libros de texto y volúm enes de ac tas finales. E n tre los p rim ero s y m ás com pletos libros en el nuevo cam po estaba Relativistic Astrophysics (1971) de Yakov Z el'dovich e Igor Novikov, dos em inentes físi cos soviéticos. El renovado interés en la física g ravitatoria y en la física relativista fue reflejado p o sterio rm en te en los venerables congresos de Solvay. El u n d écim o congreso de 1958 tra ta b a de «Astrofísica, gravitación y la e stru c tu ra del U niverso» e incluía dis cursos de Hoyle, Lem aitre, O. Klein, W heeler y otros. Seis años después, el XIII c o n greso se dedicó a «La e stru c tu ra y evolución de las galaxias» y el tem a del XVI congre so en 1973 fue «Astrofísica y gravitación». Los tem as trata d o s d u ra n te la conferencia de 1973 incluían las fuentes de rayos X, las estrellas de n eu trones, los quásares, los p ú l sares y los agujeros negros.

C A P ÍT U L O 24

Elementos de la física del estado sólido

£١e$tado $ól‫؛‬do antes de

1940

A lrededor de 1930, m uchos físicos estaban o cu pados en investigar las propiedades de los cuerpos sólidos. Pero a pesar de la considerable actividad en estas áreas de investígación -m u c h a s de ellas con raíces en el siglo XIX- n o existía n in g u n a disciplina de física del estado sólido en sus aspectos social, institucional ni cognitivo. D esde u n p u n to de vista sociológico e histórico, la física del estado sólido no existía. Tuvo que pasar la Segunda G u erra M undial p ara q u e la nueva ciencia de los cuerpos sólidos, m ás tarde con el nuevo n o m b re de física de la m ateria condensada, despegara y absorbiera varias especialidades que hasta entonces n o se pensaba que pertenecieran de m an era n a tu ra l a la m ism a área cicntífica. El volu m en de 1930 de Physics Abstraéis (entonces todavía liam ado Science Abstraéis, sección A) n o incluía n in g u n a en trad a entre sus m aterias d e n sica del estado sólido o térm in o s relacionados. Las principales m aterias de estudio eran Física general, Luz (que incluía radiactividad), Calor, Sonido, Electricidad y M agnet‫؛‬،sm o y Física Q uím ica. C ada u n o de estos gru p o s incluía artículos que u n a generación p osterio r reconocería com o pertenecientes al cam po de la investigación del estado sólido. Diez años después, en 1940, el índice de m aterias de Physics Abstracts incluyó una en trad a de Sólidos que estaba dividida en las categorías de E structura y Teoría. La entrad a de Teoría del Estado Sólido se dividía en Sólidos, Teoría; Cristales, D inám ica de Redes cristalinas; y Teoría cuántica. A p a rtir de entonces, se puede em pezar a hablar de la física del estado sólido com o u n a disciplina separada, cuyos practicantes estaban en el proceso de form ación de u n a co m u n id ad científica. El núcleo científico de la nueva disciplina, el m arco teórico que le daba la « )h eren cia cognitiva necesaria, fue u n a aplicación de la m ecánica cuántica al estado sólido de la m ateria. Antes de los m ecánicos cuánticos, los físicos (ju n to con los quím icos, los cristalógrafos y m etalúrgicos) h ab ían estu d iad o las propiedades m ecánicas, ópticas, m agnéticas, eléctricas y cristalinas de los sólidos, pero no había n in g ú n d e n o m in ad o r


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teórico c o m ú n a estos estudios, que co n secu en tem ente parecían estar sólo conectados de u n a m an era ligera, si es que estaban conectados en algo. Ya en 1930 era c o m ú n ‫ ط‬cluir grandes partes de física quím ica. Incluyendo debates sobre espectros m oleculares y reacciones quím icas, en libros y artículos dedicados a la física de m ateria condensada. U no de los p rim ero s articulos de revisión que incluyó «sólidos» en su títu lo fue escrlto en 1937 y apareció en el Journal o fA p p lied Physics. f o s autores, Frederick Seitz y R alph Johnson, escribieron: «hasta aho ra, las diversas teorías de diferentes sólidos carecían visiblem ente de u n id ad . P ara in te rp re ta r las propiedades distintivas de los tres sólidos cobre, d iam an te y roca salina, p o r ejem plo, u n o tenía que em pezar con tres descripciones m u y distintas de su co n stitu ció n interna». A hora la situación había cam biado y u n a teo ría unificada del estado sólido basada en la m ecánica cuántica era una posibilidad realista. C o m o escribieron los autores, «la teoría cuántica h a ten id o éxito en in te rp re ta r m u ch as de las prop ied ad es observadas de los sólidos que las descripciones clásicas d ejaban sin explicar» (W eart 1992, p. 628). Tres años después, Seitz escrlbió u n o de los p rim ero s m anuales de la nuev a física del estado sólido, a ^ o p ia d a m e n te titu la d o Teoría m oderna de los sólidos (.M odern Theory ،.‫؟‬ ‫ر‬/ ‫' أا<)'ذس‬،‫) ا‬. E ntre las n u m ero sas especialidades que co n stru y eron la protofíslca del estado sólído de los años trein ta, la teo ría de los m etales fue u n a de las m ás im p o rtan tes. Las pri^ e r a s teorías de f)ru d e, Riecke, Lor(‫؛‬n tz y ô h r, todas basadas en el m odelo de gas de e le c tro n e s libres, d iero n lug ar a resultados razo n ab lem ente bu en o s en algunas áreas, com o en la relación en tre la co n d u ctiv id ad térm ica y eléctrica. Sin em bargo, n o daban ‫ ظ‬adecuada te m p e ra tu ra de d ep en d en cia de resistencia de los m etales puros, ni tam poco las antiguas teorías tu v iero n éxito en la explicación de las propiedades m agnétlcas de los m etales. D e acuerdo con la teoría clásica, se suponía que los calores específico,‫؟‬ de los m etales eran m u ch o m ayores que aquellos de los aislantes, a u n q u e los experim entos p ro b a ro n que n o era el caso. Era evidente que se necesitaba alguna idea nueva, y que la nueva idea debería venir de la m a n o de la m ecánica cuántica. El p rim e r físico que aplicó la nueva m ecánica cu ántica al estudio de los m etales fue Pauli, que en 1927- 926 ‫ ل‬vio que los electrones libres en u n m etal debían obedecer las estadísticas de ferm l-D Irac. C u an d o p o r p rim e ra vez Ferm í - y después, de m o d o independ ien te, D ira c - p resen taro n las nuevas estadísticas en 1926, no estaba n ad a claro si era esta fo rm a de estadísticas o la estadística alternativa de lôse-Linstein la que COrrespon d ía a la m ateria. Por ejem plo, ta n to fe rm i com o D irac creyeron '' que las m oléculas de gas o bedecían a las m ism as estadísticas que los electrones -e sto es, que eran ferm io n es-, (Los n o m b res «ferm ión» y «bosón» fueron acuñados p o r Dirae en 1945.) La cuestión sólo fue aclarada con el trab ajo de Pauli. Sobre la base del p rincipio de exclusión y las estadístieas relacionadas de F erm i-f)‫؛‬rac, desarrolló una teoría im p o rta n te del p aram ag n etism o , que en m uchos de sus aspectos se convirtió en el p u n to de a rra n q u e p ara to d as las teorías cuánticas de m etales posteriores. Es írónlque el trab ajo de Pauli o b tu v iera este estatus, ya q ue Pauli no estaba p articu larm en te interesado en la teo ría del estado sólido y consid eraba que el cam po era m u ch o m enos ‫ﻩﺀ‬

«puro» que la em o cio n an te física fu n d a m e n ta l de la teo ría euántica de cam pos. En los

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p rim ero s años trein ta, Pauli a veces se refiere a la física del estado sólido com o «física sucia». En u n a carta del ١ de ju lio de 1931, escribió a Peierls, que acababa de calcular ‫ ظ‬resistencia residual en m etales, «la resistencia residual es u n efecto sucio y u n o no debería revolcarse en la m ugre». Al m ism o tiem p o , P auli d esem peñó u n papel im porta n te en la fase te m p ra n a de la teo ría del estado sólido y parece que n o tuvo problem as en hacer física «fundam ental» y «sucia» al m ism o tiem po. N i tam p o co H eisenberg, Bethe, Peierls, Bloch, M ott, Prenkel ni L andau. N o eran físicos del estado sólido, sino físicos con u n interés en el estado sólido com o u n a de las diversas áreas de aplicación de la m ecánica cuántica. El trab ajo de Pauli fue co n tin u a d o p o r el trab ajo de su antiguo profesor, A rnold Som m erfeld, qu ien , ese m ism o año, hizo uso de la estadística de Fernri-D írac para m o stra r u n a teoría m u y m ejo rad a de la co n d u cció n eléctrica en m etales. Som m erfeld m o stró que el gas de electrones debe deg en erar co m p letam ente y que sólo u n a pequeña fracción de los electrones p u ed e c o n trib u ir p o r ta n to al calor específico del m etal. De este m o d o , el calor específico relativam ente bajo tenía u n a explicación cualitativa. Los trabajo s de Pauli y S om m erfeld ab riero n u n nuevo capítulo en la h isto ria de la física del estado sólido, p ero eran sólo el p rin cip io , y au n q u e em pezaron a c o n stru ir ‫ظ‬ estadística cuántica y el espín de los electrones n o em plearon to d o el instru m en tal de la m ecánica cuántica. A unque la teoría de Som m erfeld era u n avance notable, su grado de concordancia con las observaciones distaba de ser perfecto; sin em bargo, la teoría im perfecta estim uló m uchas críticas y refinam iento y fo rm ó el núcleo de u n p rogram a de investigación entero. Por ejem plo, en 1928, el Z eitsch riftfür Physik contenía 14 artículos d irectam ente relacionados con la teo ría de los electrones de som m erfeld. P ronto se vio que el principal p roblem a de la teo ría de Som m erfeld n o era su falta de coincidencia con algunos datos experim entales, sino m ás b ien que funcionaba bien después cá todo. U na teo ría v erdaderam ente m ecánico-cuántica de m etales fue desarrollaba d i e n t e los cuatro años siguientes, p rim ero p o r jóvenes físicos asociados con Pauli, S onuêrfeld y H eisenberg. La fase p ion era de este desarrollo tuvo lugar en M únich, Z urich y Leipzig, pero poco después frieron llegando im p o rtan tes contribuciones desde Inglaterra, Francia, la U n ió n Soviética, y tam b ién de los Estados U nidos. A finales de los años veinte, ‫ ظ‬estru ctu ra m atem ática y conceptual de la m ecánica cuántica fue prácticam ente culm inada y se an im ab a cada vez m ás a los estudiantes de física a que aplicaran la teoría a nuevas áreas, en tre las cuales ‫ ظ‬de los sólidos se veía com o particu larm en te prom etedora. U no de los estudiantes era Félix Rloch, que trabajaba para H eisenberg en Leipzig. C om o p arte de su tesis doctoral, en Í928 Bloch com enzó u n a investigación m ecánico-cuántica de las ftrnciones o n d u lato rias de electrones en la red cristalina. C onceptos im p o rtan tes, com o el «teorem a de Bloch» y los «estados de Bloch» datan de esta época. D ándole vueltas a ideas de la nueva quím ica cuántica, debida a H u n d , L ondon y Heitler, Bloch exam inó el co m p o rtam ien to de los electrones, no en fo rm a de átom os o de m oléculas individuales, sino en la fo rm a de cam pos eléctricos solapados de los n u m erosos átom os que constituyen u n cristal. D io p o r supuesto u n potencial en el cual los electrones están estrecham ente u n id o s a la red cristalina. Entonces resultaba que los es


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tados energéticos n o eran discretos, sino b andas co ntinuas de energías perm itidas. El trabajo de Bloch y los casi sim ultáneos trabajos de Peierls y Bethe allanaron el cam ino de ‫ ط‬teoría de bandas, posiblem ente la p arte m ás im p o rtan te de ‫ ط‬teoría del estado sólido: se derivó de la te m p ra n a teoría de b andas que la alta conductividad no es m eram en te lo relacionado con u n alto grado de m ovilidad de electrones. Los electrones necesitan e n co n trar estados libres en las b andas de energía; si tales estados no existen, el cristal será u n aislante. A lo largo de esta línea de pensam iento, Bloch explicó con éxito, p o r vez prim era, la diferencia en tre m etales y aislantes. En 929‫ل‬, a p a rtir de la sugerencia de H elsenberg, Pelerls investigó el anóm alo o «positivo» efecto Hall, en el cual u n a co rrien te en algunos m etales es influida p o r el eam po m agnético com o si los conductores m ensajeros estuvieran cargados positivam ente. En relación con este trabajo, se percibió que u n electrón cerca del bo rd e de b an d a se com p o rta ría de u n m o d o peculiar, en otras palabras, se m overía com o si tuviera carga pos‫؛‬tiva. Esto era la base de la idea del «agujero» - o electrón defectuoso, com o lo llam aba P eierls- com o u n hueco libre cerca de la p arte su p erio r de u n a b an d a de o tro m o d o liena. Tal agujero, com o m o stró explícitam ente H eisenberg en 1931, se co m p o rtaría com o u n electrón de carga positiva, y con u n a m asa positiva efectiva. (El agujero de estado sólido de Peierls y f leísenberg co m p artía sim ilitudes con el agujero antielectrón de D irac dad o a conocer al m ism o tiem po, pero am bas ideas eran independientes.) O tro concepto de estado sólido im p o rta n te fue p resentado p o r el físico parisino Léon Bríllouin, quien en 930‫ ل‬desarrolló las ideas de Peierls en ‫ ط‬técnica geom étrica que, desde entonces, se conoce com o zonas de B ríllouin. D espués com entó, «al p rincipio no m e di cuenta de que estaba h aciendo algo que p o d ría convertirse en m uy im p o rtan te. Lo hice p o r divertirm e, siguiendo m i p ro p ia línea de investigaeión p o r p u ra curiosidad» (H oddeson, Baym y Eckert 1992, p. 119). La teoría de bandas fue desarrollada u lterio rm en te por Alan W ilson, u n físico de C am bridge que fue a Leipzig a trabajar con H eisenberg y Bloch en p arte p o rq u e consideraba que la físiea de C am bridge estaba dem asiado preocu pada p o r el núcleo atóm ico. En 1931, W ilson publicó sus artículos pioneros sobre sem iconductores, en los cuales p o r p rim e ra vez describió u n sem iconductor com o u n aislam e con u n hueco de b anda, a través del cual los electrones pueden pasar com o resultado de u n a excitación. El m odelo de W ilson estaba en u n a etapa den tro del cam ino hacia u n o s cálculos m ás realistas en el estado sólido y p o r ta n to hacia u n a m ayor un idad entre teoría y ex perim entación. La tendencia co n tin u ó a través de los años trein ta e incluyó com o elem ento im p o rta n te la aplicación de la teoría de bandas al sodio y a otros m etales reales. La p rim era aplicación de este tip o fue realizada en 1933 p o r W igner y su estudiante Frederick Seitz en el nuevo In stitu to de Estudios Avanzados de Princeton (ftrndado en 1932). Los cálculos de W igner-Seitz ftreron desarrollados m ás adelante por John Slater y sus estudiantes en el MIT. La fase te m p ra n a de Ja te o ría de electrones m ecánico-cuántica de m etales se com pJetó en 1933, cu an d o to d o eJ cam p o fue revisado p o r Bethe en el H andbuch der Physik. El artículo, de casi 300 páginas, apareció bajo los n o m b res de Som m erfeld y Bethe, pero estaba escrito casi en su to talid ad p o r Bethe, el a u to r júnior. O tro s artículos del

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m ism o v o lu m en tratab an sobre «teoría de d in ám ica de redes» y «propiedades de cristales estru ctu ralm en te sensibles» e in d icab an que la ‫؛؛‬sica del estado sólido estaba encam inada a fo rm ar u n a subdisciplina científica diferenciada. La nueva subdisciplina era alem ana de nacim ien to , p ero se extendió ráp id am en te a o tro s países. En los Estados U nidos, los p rim ero s centros de física de estado sólido fu eron el d e p a rtam en to de física de Slater en el M IT y el de la U niversidad de P rínceton, d o n d e W igner daba charlas y superv isab an Seítz y John B ardeen. La in stitu c ió n de m ayor éxito de las orien tadas al nuevo estado sólido era quizá la U niversidad de Bristol, que hasta los años treinta no había sido u n o de los centros de física m ás im p o rtan te s de Inglaterra. En 1930 el D ep a rta m e n to de la Investigación (Científica e In d u strial (en inglés DSIR, D ep artm e n t for Scientific a n d In d u strial Research) ap ro b ó u n p ro g ram a sobre física del estado SÓlido en la universidad, u n a iniciativa que, com o solía o currir, estaba m ás apoyada p o r círculos ind u striales y g u b ern am en tales que p o r la p ro p ia universidad. En 1932, Nevill M ott, u n físico nuclear sin co n trib u cio n es previas a la física del estado sólido, llegó a ser profeso r en Bristol. A un q u e su profesada ig n o ran cia de la teo ría del m etal era «profunda», enseguida tra n sfo rm ó el d e p a rta m e n to de física en u n centro m u n d ial de la investigación en estado sólido. M o tt dijo después que «estaba fascinado de ap re n d er que la m ecánica cu ántica se p o d ía aplicar a p roblem as de tal im p o rtan cia práctica com o las aleaciones de m etales y esto fue, m ás q u e n in g u n a o tra cosa, lo que desvió m i interés a los problem as de los electrones en los sólidos» (Eckert y Schubert 1990, p. 91). En Bristol, com o en cu alquier o tro lugar, la im p o rta n c ia práctica de la física del estado sólido le dio a ésta u n a g ran p rio rid a d y fue u n m otivo im p o rta n te p a ra su apoyo económ íco, au n q u e íue ‫ ط‬física académ ica, y n o la física de ingeniería, lo que interesó a M o tt y a sus colegas. La Teoría de las propiedades de metales y aleaciones, escrita p o r M o tt y H arry Jones en 1936, usó cálculos m ecán ico -cu án tico s cuantitativos adap tad o s a m etales reales y m ezclaba a v o lu n tad consideraciones em píricas con m étodos de aproxim ación. A un q u e era «física sucia» según la escala de valores de ?auli, el libro llegó a ser u n trabajo de referencia p a ra u n a nueva generación de físicos de m etales. El g ru p o de B ristol d isfru tab a de estrechos contactos con sus colegas en los Estados U nidos, tan to del m u n d o académ ico com o del m u n d o com ercial, y en In g laterra el g ru p o colaboraba con el L abo rato rio N acional de Física y con la in d u stria privada. Los estrechos vinculos en tre la in d u stria y la física del estado sólido fu ero n m uy im p o rtan te s después de la Segunda G u erra M undial, pero, incluso antes de la guerra, tales nexos estaban ya b ien establecidos en países com o Inglaterra, A lem ania, los Faíses Bajos y no m enos en los Estados U nidos.

Semiconductores y

٠١ auge de la comunidad

del estado sólido

Flay sustancias que n o p ertenecen n i al típico estado m etálico ni al típico estado no m etálico, 'l’ales sem iconductores, ta n to elem entos quím icos com o com puestos, se conocen desde m ediados del siglo XIX. Ya en 1833, M ichael Faraday había observado que la resistividad del sulfito de plata decrece al a u m e n ta r la tem p eratu ra, u n c o m p o rtam ien

Elementos de la física del estadc sólidc

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to co n trario al de los m etales. P osteriorm ente en el m ism o siglo XIX, se descubrieron las fotocorrientes en el selenio, y en 1874 el físico alem án F erdinand B raun observó que los contactos en tre algunos m ateriales ten ían el efecto de reetificar la corriente. £1 térm in o «sem ieonductor» (el alem án Halbleiter) parece hacer sido acuñado en 1‫ل‬9 ‫ ل‬. En los años treinta, la m ayoría de estas y o tras propiedades sem iconductoras estaban razonablem ente explicadas p o r la teoría de b andas de W ilson al ser desarrollada p o r u n núm ero creciente de físicos del estado sólido. Se en ten d ía que los sem iconductores eran aíslantes con u n a p equeña b a n d a p ro h ib id a entre la b an d a de valencia y la b anda conductora. Al m ism o tiem po, los sem iconductores fueron estudiados de form a s e m ie x ^ rim e n tal, n o m enos en G otinga, d o n d e R obert Polrl estableció u n a im p o rta n te escuela en ‫ط‬ física del estado sólido experim ental. A finales de los años treinta, se sabía que el efecto de rectificación era u n efecto conjunto, que se daba en la interfaz entre el m etal y el sem iconductor, y que los sem iconductores eran de dos tipos, el tipo ‫ م‬y el tipo n. Estos dos nom bres, ah o ra fam iliares, fireron in tro d u cid o s en 1941 p o r Jack S caffde Bell Laboratories p ar rep o n er los n om bres previam ente usados de tipos de defecto y de exceso. En los sem iconductores de tip o exceso o 1Í, la m ayoría de los tran sp o rtad o res de carga son negativos, m ien tras que son positivos en el caso de los sem iconductores de tip o p o defecto. A unque existían varias teorías p ara la rectificación en am bos tipos de intersecciones (m etal a sem ico n d u cto r ta n to de tipos p o ti), era difícil e n co n trar u n a explicación satisfactoria. U na teoría de m u ch o éxito de contactos rectificados fue desarrollada sobre 1940, p rim ariam en te p o r W alter Schottky en A lem ania, M ott en Inglaterra y B. L Davydov en Rusia. La física de sem iconductores fue u n a p arte m uy peq u eñ a de la física del periodo. En 1933 se p u b licaro n u n o s 60 artículos en la m ateria y, d u ran te los años siguientes, el n ú m e ro de artículos decreció de m an era sostenida hasta alcanzar u n p u n to m ínim o de 20 en 1940. La gu erra significó u n g ran in crem en to en la investigación de los ' en p a rtic u la r p o rq u e el silicio y el g erm an io p u ro s eran de im p o rtan c ia crucial com o detectores de radar. Pue en el curso de trab ajo s relacionados con la gu erra cu an d o se investigó la p rim e ra u n ió n p-« , q u e d em o stró ser u n excelente rectificador. Este tip o de rectificador ya había sido sugerido p o r D avydov en 1938, pero su sugerencia atrajo poca atenció n en su m o m en to . El aco n tecim ien to m ás im p o rta n te en la historia de la investigación en sem ico n d u cto res fue, in d u d ab lem en te, la invención del tra n sisto r a finales de 1947. La idea de extender la analogía en tre u n sem ico n d u cto r y un d io d o de vacío a u n o incluyendo u n trio d o era bien conocida, y u n trio d o en fiincionam iento de estado sólido ya h abía sido co n stru id o antes de la guerra p o r Pohl y R udolf Hllsch en G otinga. C o m o resultado de las pesquisas de la co m p añ ía electrotécnica de gran VOlu m en AEG (Aflgem eine E le c k ti^ á ts -G e se llsc h a ft), en 1938 los dos físicos desarrollaron experim en to s co n corrientes eléctricas con tro lad as p o r cristales. Su ap arato usaba u n cristal de b ro m u ro de p o tasio y am plificaba la co rriente en m ás de cien veces. Era práctico y, sin em bargo, no fue p ate n ta d o n i desarrollado con p o sterio rid ad . A unque Pohl tenía buen o s contactos en la in d u stria, n o estaba interesado en reenfocar su carrera en innovaciones tecnológicas o en conseguir patentes.

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E rnest B raun, u n físico el estado sólido e h isto riad o r de la ciencia, h a resum ido el desarrollo de la física de sem iconductores del siguiente m odo: «La historia de la física de sem iconductores n o es u n a de grandes teorías heroicas, sino u n a de labor inteiigcnte y concienzuda. N o son golpes de genio p ro d u cien d o edificios m ajestuosos, sino una gran inventiva y u n co n stan te vaivén en tre la esperanza y la desesperación. N o eran generalizaciones b arred o ras, sino juicios cuidadosos en la línea divisoria en tre ‫ ظ‬perseverancia y la obsfínación. ? o r ta n to la h isto ria de la física del estado sólido en general y de los sem iconductores en particu lar, n o es ta n to sobre grandes ho m b res y m ujeres y sus grandes gestas, sino sobre los héroes no reconocidos de miles de ideas astutas y de experim en to s habilidosos, el avance de u n o b stin ad o ciem piés m ás que el de u n lustro so p u ra sangre, y p o r ta n to u n reflejo de u n a era de la organización m ás que de la individualidad» (B raun 1992, p. 474). ?ero a pesar del desarrollo generalm ente poco ro m án tico de la física de sem iconductores, al cam p o no le faltaban grandes ho m b res o gloriosas acciones. La invención del tra n sisto r p o d ría den o m in arse u n a gesta gloriosa. El tra n sisto r fue la c ria tu ra de Bell L aboratories, que en 1945 estableció u n program a de investigación sobre física del estado sólido que incluía u n su b g ru p o en física de sem iconductores d irigido p o r W illiam Shockley u n físico del M IT que había trabajado con AT&T desde 1936. El objetivo a largo plazo de Shockley y W alter B rattain, u n experim entalista de Bell, era c o n stru ir u n am plificador de estado sólido que p u d iera ser utilizado, en tre o tras cosas, com o u n in te rru p to r de cam bio de sistem as telefónicos. En cualquier caso, n o era u n p ro g ram a de desarrollo y el objetivo p rim ario de Shockley y B rattain y o tro s colegas era sim p lem en te am p liar el conocim iento científico de las propiedad es del silicio y del germ anío. Al p rin cip io , sus in ten to s fallaron, pero en 1947 John B ardeen, que h ab ía llegado a Bell L aboratories dos años antes, analizó teóricam ente los problem as de los experim entos. B ardeen concluyó que los estados energétieos en la superficie del sem ico n d u cto r tenían q u e ser to m ad o s en cuenta, p o rq u e los electrones p o d ría n haberse q u ed ad o atrap ad o s en la superficie. La teo ría de los estados de energía de superficie hab ía sido sugerida prev iam ente p a ra la superficie libre de u n sólido, pero n o p a ra sem iconductores. Según B ardeen, «el rasgo novedoso no era la idea de los estados de superficie [...] sino aplicar la idea para en te n d e r la superficie real de u n sem iconductor» (B raun 1992, p. 468). D espués de la explicación posterior, u n gran avance experim ental siguió al g ran avance teórico. El 23 de diciem bre de 1947, B ardeen y B rattain observ aro n el efecto tra n sisto r en el p rim e r tra n sisto r de p u n to de contacto, q u e consistía en dos electrodos m etálicos y p u n tiag u d o s conectados a un cristal de germ anlo. El n o m b re «transistor» se usó com o fo rm a abreviada de transfer resistor o resistencia de transferencia. D espués de u n p erio d o de secretisnro de m edio año, el am plificad o r de estado sólido o trio d o de cristal, com o se llam ó al invento, fue dad o a conocer en u n a conferencia de p ren sa y se in fo rm ó de él, sin fanfarria, en el N ew York Times del 1 de julio de 1948. En cu alquier caso, au n q u e era u n a invención de gran alcance, el tra n sisto r de p u n to de contacto te n ía los días c o n ta d o s y de hech o q u ed ó o b soleto ta n p ro n to co m o fue p ro d u c id o . Fue rá p id a m e n te su stitu id o p o r el tra n sistor de u n ió n p -n b asado en u n a teoría que Shockley desarrolló en 1948, pero la cual

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la Physical R eview rechazó p ublicar p o rq u e pen saro n que carecía de base teórica. Fue este trab ajo el· que hizo a Shockley c o m p a rtir el p rem io N obel de 1956 con B rattain y B ardeen p o r «sus investigaciones sobre sem ico n d u ctores y su descu b rim ien to del efecto transistor», y fue este trab ajo , incluido en el libro de Shockley de 1950 Electrons and Holes in Sem iconductors (Electrones y agujeros en semiconductores), el que cim entó la electrónica del estado sólido m o d ern a. La celebrada invención del tra n sisto r ftre u n o de los acontecim ientos que hicieron que la física de sem iconductores, y la física del estado sólido en general, floreciera en los años cincuenta. £1 crecim iento explosivo se ilu stra p o r las publicaciones sobre física de sem iconductores: en tre 1948 y 1955, el n ú m e ro de artículos p o r año se increm e n tó de 20 a casi 400. La década de los cin cu en ta fue la época en que la física del estad o sólido realm en te se con v irtió en u n a disciplina científica in d ep en d ien te y en u n a co m u n id ad social de u n a nueva cam ada de físicos. Las señales que m u estra n que una especialidad científica se h a desarrollado en u n a c o m u n id a d incluyen n o rm alm en te lib ros de texto, cursos universitarios, cargos designados, conferencias, sociedades profesionales y publicaciones especializadas. A lgunos de estos indicadores existían antes de la guerra, pero la m ayoría llegó sólo en los años cincuenta. D u ran te los años de guerra, h u b o m u ch o debate en la A m erican Fhysical Society acerca de la form ación de las nuevas divisiones, lo cual era u n deseo sobre to d o en tre los físicos de física aplicada, qulenes sintiero n que sus áreas de investigación n o estaban suficientem ente bien representadas o respetadas en la organización existente. En 1944 se realizó u n a p ro p u e sta de fo rm ar u n a división del estado sólido, o u n a división de física del m etal, com o se liam ó al principio. La división fue finalm ente ap ro b ad a en 1947, y desde aquel año se p u ede hab lar de «físicos del estado sólido» com o científicos, no ún icam en te involuerados en u n área en p articu lar de investigación, sino pertenecientes tam b ién a u n a COm u n id a d científica distin ta de las dem ás. T uvieron que pasar varios años hasta que la n ueva disciplina fuera im pulsada, siendo u n a de las razonas de este retraso ‫ ط‬com petencia con la disciplina de la física nuclear, que en la época estaba desarrollándose con extrem a velocidad y vigor. En efecto, la física nuclear y de partículas pareció m o n o p o lizar la física estad o u n id en se d u ra n te u n cierto p eriodo. N o solam ente estaba este cam p o generosam ente apoyado p o r los fondos federales y privados, sino que tam b ién tenía u n a reputación intelectual y cognitiva com o ciencia «heroica», con la cual ninguna otra ciencia p o d ía com petir. La física del estado sólido, p o r o tro lado, había sido trad icionalm en te considerada com o m enos valiosa p o r sus conexiones con la in d u stria y ser u n d o m in io m enos fu n d am en tal de la naturaleza. Todavía tenía entre algunos científieos u n au ra de «física sucia». Slater dijo con p o ste rio rid a d que en el M IT «nuestro dep arta m e n to a m e n u d o era m ira n d o p o r encim a del h o m b ro , en cierto m odo, p o r aquelíos que pensab an q u e n in g ú n físico im aginativo estaría en n in g ú n cam po que no ftrera el nuclear o de la física de altas energías» (W eart 1992, p. 656). Sin em bargo, la nueva co m u n id a d del estado sólido dem o stró ser m uy com petitiva, incluso con la m ás g lam orosa disciplina de la física nuclear. D u ra n te m u ch o tiem po, la física del estado sólido n o tuvo su publicación propia; no la necesitaba realm en

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te, p o r la siem pre en expansión Physical Review, q u e hacía las funciones de u n m ues tra rio de u n a g ran p arte de la literatu ra m ás valiosa del estado sólido. En 1964, la re vista se publicó en dos secciones, u n a de las cuales ten ía que ver p rin cip alm en te con el estado sólido y la o tra con la física nuclear y de partículas. C u an d o se separó en dos publicaciones separadas en 1970, Physical Review B se dedicaba a los sólidos y era m ás grande que la Physical R eview A. En el sen tid o del personal científico, había u n o s 350 doctores estad o u n id en ses de física del estado sólido en 1951 o u n a décim a parte a p ro x im ada de la población de físicos estad o u n id en ses y m enos de la m itad del n ú m ero de doctores de física nuclear. D iez años después, la situación había cam biado de m odo sustancial, n o p o rq u e la física nuclear se h u b iera convertido en m enos popular, sino p o rq u e la física del estado sólido h abía despegado. A h o ra había u n o s dos m il doctores en física del estado sólido en los E stados U nidos, casi tan to s com o físicos nucleares. Se h a estim ad o que el p resu p u esto to tal p a ra la física del estado sólido en la época estaba en el o rd en de los 100 m illones de dólares.

Gráfico 24.1. Producción acum ulada de artículos sobre física del estado sólido y otros varios subcampos de la física. Fuente: M enard 1971. Reproducido con perm iso de la editorial de Science, Growth and Change, de H enry W. M enard, Cambridge, Massachusetts, H arvard University Press, derechos reserva dos (©) 1971 por the President and Fellows o f Harvard College.


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El crecim iento fenom enal de la física del estado sólido en el p erio d o de 1950 a 1968 se ilustra en el gráfico 24.1. N ótese q u e la tasa de crecim iento era u n poco m ayor que en la categoría «A tóm ica, m olecular y de partículas» (que incluye física nuclear) y que en 1965, el n ú m e ro de artículos sobre estado sólido h abía sobrepasado a los de la cate goría de las partículas. U n factor im p o rta n te de crecim iento fúe el auge de la in d u stria de sem iconductores y de o tras in d u strias d o n d e se veía útil la física del estado sólido. M ientras q u e en la física estad o u n id en se en general, la p ro p o rció n en tre físicos e m pleados en la in d u stria y en la educación su p e rio r era de u n aproxim ado 1:2, la p ro p o rció n en tre los físicos de estado sólido era la inversa, de u n 2:1. La filiación con la in d u stria se ilu stra p o ste rio rm e n te p o r la e stru c tu ra del apoyo financiero: au n q u e la física de altas energías atrajera el m o n ta n te m ayor de inversión federal, la física del es ta d o sólido era con diferencia, la m ayor receptora de dinero in d u strial (tabla 24.1). Las cifras dadas aquí son de la física estadou n id en se, q u e era la c o m u n id ad nacional m a yor y la ú nica de la cual hay datos disponibles. La situación en otro s países no era sus tan cialm en te distinta, p ero existía en u n a escala m e n o r y las tendencias en el d esarro llo viniero n algo m ás tarde. Según u n estudio de publicaciones de estado sólido de 1961, los Estados U nidos y la U n ió n Soviética, cada u n o de ellos, co n tab an con u n cu arto ap ro x im ad o de los artículos. G ran B retaña y Japón co n tab a ju n to s con o tro cu arto y Francia y A lem ania ju n to s ap ro x im ad am en te con u n a décim a parte. A p a rtir de ahí les seguían las n aciones científicas m enores, incluyendo Italia, los Países Bajos, Suiza y D inam arca.

TABLA 24.1 Los cu atro m ayores subcam pos de física básica en EEU U en 1970 C am po

Federal (nacional)

Industrial

Total

Porcentaje

A ltas energías

150

—

150

27

E stado sólido

56

80

136

24

Plasm as y fluidos

77

10

87

16

N uclear

73

2

75

13

Nota: Las cantidades son en millones de dólares. Fuente: PT, julio 1972.

Grandes avances en superconductividad C om o se hace m en ció n en el capítulo 6, la su p erco n d u ctiv id ad era u n com pleto enigm a en los años veinte. C on la teoría de los m etales de Bloch de 1928, cu ajaro n n u e vas esperanzas de en te n d im ie n to del fen ó m en o y m u ch o s físicos teóricos em pezaron a aplicar las nuevas ideas del estado sólido al caso de la superconductividad. Los n o m bres de aquellos involucrados en el esfuerzo d a n lugar a u n a lista im p resio n an te de fí

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sicos de elite: B ohr, H eisenberg, Bl©ch, L andau, B rillouin, Frenkel, K ronig, Bethe, Casim ir y Pauli estaban en tre aquellos que, de m an era o p tim ista, tra ta ro n de resolver el problem a. En eualq u ier caso, todas sus astu tas ideas fracasaron. Bloch, que trab ajó d u ram ente en la superconductividad alrededor de 1931 (pero que nun ca publicó su trabajo) posteriorm en te recordó que «estaba ta n desanim ado p o r m i resultado negativo que no encontré o tra form a de progresar, y d u ran te u n tiem po considerable sólo m e m antuvo la dudosa satisfacción de ver que otros, sin notarlo, seguían cayendo en la m ism a tram pa. Esto m e llevó a la declaración b u rlo n a de que todas las teorías de superconductividad pued en ser refutadas, m ás tarde citada en la form a m ás radical del “teorem a de B loch’: la superconductividad es im posible» (G avroglu y G oudaroulis 1989, p. 77). El fracaso de los teóricos estaba de algún m o d o co m pensado p o r el progreso realizado p o r los experím entaiistas, siendo el m ás im p o rta n te el d escubrim iento del efecto M eissner en 1933. W alter M eissner y R obert O chsenfeld, dos físicos del ?hysikalischTechnische R eichsanstalt de Berlín, d escu b riero n que cu an d o u n cilindro sólido de hojalata o p lo m o era enfriado p o r debajo de su p u n to de tran sició n en u n cam po m agnético constante, las líneas de fuerzas eran expulsadas rep en tin a m en te del m etal. El carácter diam agnético de los su p erco n d u cto res era to talm en te inesperado, y encaraba a los teóricos con o tro fen ó m en o m ás que necesitaba u n a explicación y ser inco rp o rado en sus m odelos teóricos. El efecto M eissner daba u n estím ulo im p o rta n te a la prim era teoría satisfactoria de la su p erco n d u ctiv id ad , u n a teoría m acroscópica desarroliada en 1935 p o r los h erm an o s Frítz y H einz L ondon, q ue en aquella época eran físicos reftrgiados en Inglaterra. La teoría p ro p o rcio n ab a ecuaciones electrom agnéticas que d escribían la desap arició n de la resistencia en u n su p erconductor, así com o el carácter diam agnético, que los h e rm a n o s L o n d o n con sid erab an com o u n a p ro p ied ad ‫؛‬n trínseca de los m etales su p erco n d u cto res. A pesar de este éxito, se percibió que la teoría Lond o n -L o n d o n n o era ‫ ط‬respuesta final al p ro b lem a de la su perconductividad, al ser u n a teoría fenom enológica y n o explicar los fen ó m en o s en u n a escala m icrofísica. D espués de 1945, el trab ajo teó rico sobre la su p e rco n d u ctiv id ad c o n tin u ó con vigor renovado, a h o ra asistido n o sólo p o r las h e rra m ie n tas de la teoría del estado sólid o sino ta m b ié n de la teo ría c u án tica de cam pos. E ntre los que c o n trib u y e ro n a la nueva fase se incluyen estrellas co m o L andau, Born, H eisenberg y Feynm an, p ero el p ro b lem a parecía ser ta n difícil de resolver co m o antes de la guerra. F eynm an com p a rtía con Bloch la fascinación hacia la su p erco n d u ctiv id ad , así com o su fru stració n p o r no ser capaces de resolver el p ro b lem a, ? o co antes de su m u e rte, Feynm an dijo: «invertí m u ch ísim o tie m p o in te n ta n d o en ten d erlo y h acien d o to d o lo que p o d ía para p o d e r ap ro x im arm e a ella [...] desarrollé u n b lo q u eo em ocional c o n tra el p ro b lem a de la u p e rc o n d u c tiv id a d , así q u e cu an d o supe del artículo de BCS [B ardeen-C ooperSchrieffer] n o fui capaz de leerlo d u ra n te m u c h o tiem po» (M ehra 1994, p. 430). Fue u n físico m en o s im p o rta n te el q u e dio u n paso significativo hacia u n a teo ría m icroscópica. H erb e rt F róhlich, u n físico alem án q u e h ab ía em ig rad o a In g laterra d u ra n te el régim en nazi, sugirió en 1950 q u e la su p e rco n d u ctiv id ad p o d ría ser el resu ltad o de u n a interacció n en tre electrones p ro d u c id a p o r las vib raciones cuantizadas de la red


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cristalina (los llam ados fo n o n es). A poyándose en esta idea y h aciendo uso de m étodos de la teo ría cu án tica de cam pos, desarrolló u n a te o ría que im p lícitam en te contenía el resu ltad o de que u n a te m p e ra tu ra crítica decrecería con la m asa atóm ica del superco n d u cto r. In te n to s m ás te m p ra n o s de m ed ició n de u n a dep en d en cia de la te m p e ra tu ra con relación a la m asa h ab ían d ad o resu ltados negativos y, h a sta 1950, no h u b o razones teóricas p a ra creer en u n efecto isotópico. £1 efecto fue, n o obstante, descubierto en 1950, y F róhlich a h o ra se daba c u en ta de que su teoría incluía la predicción de q u e la te m p e ra tu ra crítica v ariaría con el inverso de la raíz c u a d ra d a de la m asa atóm ica. C u an d o los ex p erim en to s realizados p o ste rio rm e n te en 1950 confirm a ró n la v ariació n M “1/2, n a tu ra lm e n te fu ero n in te rp retad o s com o u n g ran apoyo a la teo ría de F róhlich. Sin em bargo, a u n q u e fue u n avance n otable, la teo ría n o era aceptable p o rq u e n o explicaba la in teracció n elec tró n -fo n ó n ; en 1955 B ardeen y David Fines ta m b ié n h iciero n co n sta r la rep u lsió n directa de C o u lo m b en tre dos electro n es y m o stra ro n que, incluso bajo estas condiciones m ás realistas, h a b ría u n a atracció n an te bajas energías. £1 avance realm ente im p o rta n te vino en 1957, con la interacción co m binada electró n -fo n ó n y con el co n o cim ien to de que los electrones con espines opuestos pueden fo rm a r pares de bosones ad h erid o s en m etales, co m o resultado de la interacción de atracción en tre electrones dirigidos a través de la red. Tales «pares de Cooper» ya habían sido sugeridos en 1946, en u n contexto quím ico, pero n o fue hasta 1956 cuando León C oop er le dio u n a justificación teó rica a la idea. Adem ás, sugirió que los pares deberían ser tra ta d o s n o com o en tidades discretas, sino de m an era colectiva. Al año siguíente, C o o p er ju n to con sus colegas de la U niversidad de Illinois lohn Bardeen y John Schrieffer, desarrolló la hipótesis del p a r electrón en u n a teoría m icroscópica detallada de superco n d u ctiv id ad . B ardeen hab ía dejado Bell Laboratories p o r Illinois en 1951 y Schrieffer era su d o cto ran d o , dedicado a la superconductividad. La teoría de los tres hom bres, después conocida com o la «teoría BCS» adscribía el estado de supercondu ctividad esencialm ente a u n a conden sació n de electrones en pares de C o oper con u n m o m e n to c o m ú n y siendo representados p o r u n a fu n ción de ondas única coherente. La teoría de B ardeen, C o o p er y Schrieffer explicaba to d o s los hechos experim entales conocidos de su p erco n d u ctiv id ad e hizo unas cu an tas predicciones cuantitativas novedosas, las cuales eran ráp id am en te confirm adas. C om o resultado, la teoría BCS fue aceptada com o la respuesta correcta, si n o ‫ ظ‬final, a ‫ ط‬vieja p reg u n ta de p o r qué algunos m etales son superco n d u cto res. C o m o dijo B ardeen, «si existía u n a discrepancia, n o rm alm e n te se en co n trab a, al repasarlo, que se h ab ía com etido u n e rro r en el cálculo. Todos los hechos enrevesados de los su p erco n d u cto res a p a rtir de entonces encajab a n lim piam en te, com o las piezas de u n rom pecabezas» (B ardeen 1973, p. 35). Los tres físicos estadounidenses recibieron el p re m io N obel de 1972 en reco nocim iento a su gran avance teórico, B ardeen p o r segunda vez, siendo el único físico d o b lem en te laureado. O tro p rem io N obel le siguió en el d esp ertar de la teoría BCS, cu an d o el físico b ritán ico de 22 años Brian Josephson predijo que el estado su p erco n d u cto r cuántico debería ser capaz de filtrarse a través de u n a b a rre ra entre dos m ateriales su p erco n

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ductores. El efecto Josephson, pred ich o en 1962, fue co nfirm ado experim entalm ente de m a n e ra ráp id a y u sado en la tecnología de m ed ición avanzada. La teoría BCS n o fue sólo u n triu n fo de ‫ ظ‬teoría del estado sólido cuántica, sino que tam bién reafirm ó la validez universal de la m ecánica cuántica no relativista. A m ediados de los cincuenta, llevaba buscándose desde hacía u n cuarto de siglo u n a teoría m icroscópica de la conductividad, y la falta de éxito podía hacer sospechar razonablem ente la indicación de alguna debilidad en la estru ctu ra de la propia m ecánica cuántica. En una carta dirigida a L andau en 1954, Feynm an contaba que, aparte de la gravitación, era el único fenóm eno que todavía se resistía a u n a explicación en térm inos de m ecánica cuántica. Tres años antes, la lista de fenóm enos problem áticos se redujo de dos a uno. Desde luego el éxito de la teoría BCS n o significaba u n final para el trabajo teórico en superconductividad; al contrarío, estim ulaba m ucho nuevos trabajos, tan to en superconductividad com o en otras áreas de física teórica. A lo largo de la m ayor parte de su historia, la teoría de la superconductividad hizo uso de avances teóricos en otros cam pos, especialm ente en la teoría cuántica de cam pos. La transferencia teórica ،fíe facilitada p o r el hecho de que varios de los científicos interesados en superconductividad venían de o tenían u n a sólida form ación en la teoría cuántica de cam pos y física de partículas elem ental: Fróhlích y Cooper, p o r ejem plo, eran expertos en estas áreas, que en apariencia eran tan distintas de la m ateria condensada a m u y bajas tem peraturas. La sup erco n d u ctiv idad , especialm ente después de la teoría BCS, atrajo a físicos teóríeos que p en saro n que m erecía la p en a investigar las conexiones entre la teo ría de sup erco n d u cto res y la m u ch o m ás general teo ría cu án tica de cam pos. ?٥٢ ejem plo. Yo‫؛‬chiro N am b u exploró la analogía en tre las dos teorías de m an era sistem ática, y aplicó los m éto d o s de la electrodinám ica cu án tica a la su p erconductividad. La teoría BCS no era invarian te de gauge y varios teóricos, v ien d o esto com o u n defecto, in ten taro n a p a rtir de ésta fo rm u la r u n a versión invariante de gauge, sin perd er el p o d er explicativo de la teoría. N am b u p ro b ó en 1960 que la falta de invariancia de gauge no es u n defecto, sino que refleja la n atu raleza de la su p erco n d u ctividad, en otras palabras, el hueco de energía d ep en d ien te de gauge. N am b u n o solam ente estaba interesado en explorar la su p erco n d u ctiv id ad , sino que tam b ién percibió la existencia de u n a llam ativa analogía m atem ática en tre las dos teorías y q u e los m étodos de la teoría de superc o n d u ctiv id ad p o d rían , p o r tan to , ser usados p ara resolver problem as en la teoría cuántica de cam p o s (véase capítulo 22). El estatus de la teoría BCS n o sufííó afecciones significativas p o r los refinam ientos y generalizaciones que tuvieron lugar después de 1957 y, hasta los años setenta, el cam po de la investigación de superconductores pued e que pareciera am pliam ente com pletado, al m enos en lo concerniente a la teoría, ya que los e ^ e rim e n ta lísta s estaban ocupados aplicando el conocim iento teórico y b uscando nuevos superconductores con mayores tem peraturas críticas ( T ) ; este tipo de trabajo no tenía m ucho que ver con la teoría y sí m ucho con los experim entos sistem áticos y el saber de la profesión. John H ulm y Bernd M atthias, u n inglés y u n suizo que habían trabajado en los Estados U nidos, investigaron las propiedades de bajas tem p eratu ras de los com puestos de metales de transición y m a-


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feriales similares. La nueva clase de superconductores («tipo 1‫ ز«ل‬tenía cam pos m agnétieos críticos m uy grandes en com paración con los superconductores ordinarios. En 1953 H ulm y M atthias en co n traro n m ateriales (V 3Si y N b‫؛‬Sn) con u n a '/‫ أ‬alrededor de 18 K, u n a m odesta m ejora con relación al registro previo de 15 K registrado p o r físicos alem anes en 1941. E xperim entos ulteriores con otros m ateriales au m en taro n el registro a 23 K, una tem p eratu ra o b tenida en 1973 p ara u n com puesto de niobio-germ anio. Las previsiones de superconductores de T. alta, y después, posiblem ente, u n gran avance en el uso práctico de la tecnología de los superconductores, parecían tenues hasta m ediados de los ochenta, década en la cual ‫ آ‬. G eorg B ednorz y K. Alex M üller en el Laboratorio de Investigación de IBM en Z urich se co n cen traro n en las llam adas perovskitas, u n a clase de m‫^؛‬ nerales de m etal-óxido (cerám icos). Los físicos alem án (Bednorz) y suizo (M üller) encon traro n en 1986 que u n sistem a Ba-La-Cu-O tenía u n a T de 35 K, u n descubrim iento que estim uló u n a oleada de trabajos en laboratorios de bajas tem peraturas en to d o el m undo. Tam bién era u n reto p ara los teóricos, ya que la teoría BCS fracasó al explicar el nuevo tipo de superconductividad. Equipos liderados p o r C hung-W u C hu en H ouston y su antiguo estudiante, M aw -K uen Wu, en A labam a investigaron sobre u n m aterial YB a-C u-C e in fo rm aro n a principios de 1987 que era sup erconductor incluso en nitrógeno líquido ordinario. U na de las prim eras cosas que hizo C hu fue redactar una solicitud de patente. La T = 90 K com unicada fue enseguida confirm ada y com enzó u n desarrolio explosivo en la investigación de superconductividad a alta T ,c o n la reu nión de m arzo de 1987 de ‫ ظ‬A m erican Physical Societ)' com o u n p rim e r clímax. M ás de 4.000 físicos asistieron a la tu m u ltu o sa sesión, conocida com o el «W oodstock de la Física» sobre las nuevas cerám icas ^ e r c o n d u c to r a s . H asta agosto de 1987, el Physical Review Letters había recibido m ás de 300 m anuscritos sobre superconductividad a alta Tc, El año siguiente un grupo japonés anunció superconductividad a ¡10 K y, posteriorm ente en ese año, un grupo estadounidense obtuvo ^ = 1 2 5 K e n u n a cerám ica de Tl-Ca-Ba-Cu-O . En 1995, el registro fue sobre 164 K, o btenido p o r u n m aterial de H g-B a-C a-C u-O bajo presión (gráfico 24.2). La im p o rtan cia del descubrim iento de B ednorz y M ííller fue reconocida p o r el com ité N obel en Estocolm o, que entregó el prem io a los dos físicos en noviem bre de 1987, haciendo que fuera u n o de los reconocim ientos m ás rápidos de ‫ظ‬ historia de los prem ios. U na razó n fu n d am en tal p a ra el entu siasm o con q u e fue recibida la sup erco n d u ctividad a alta T era la posibilidad de que el d escu b rim ien to p u d iera desarrollarse en tecnologías p a ra el m ercado com ercial. Ya en julio de 1987, cu an d o la C onferencia Federal sobre A plicaciones C om erciales de la S u p erco n d u ctividad se reu n ió en W ashington, D.C., el cam p o n aciente había d ad o a luz a u n negocio en expansión de las ^ b lic a c io nes científicas, incluyendo siete b oletines sem anales c u b rien d o las últim as novedades. Los científicos japoneses y los intereses económ icos estaban p artic u larm en te activos en la carrera p ara com ercializar la su p erco n d u ctiv id ad e invertir los recursos que fueran necesarios p a ra g an ar la carrera. Las ad m in istracio n es y la in d u stria privada firndaron el In te rn atio n a l S u p erconductivity C en ter (ISTEC) o C en tro In ternacional de Superconductividad, con el p ro p ó sito de d esarrollar tecnologías com ercialm ente útiles basa-

370


‫هه‬ E ‫ﻟﻢ‬

‫؛‬0

‫ا‬-

‫ ؟‬ea،

Gráfico 24.2. Mayores tem peraturas cr‫؛‬t‫؛‬cas y los años en que fueron observadas. Fuente: p. ٢. Dahl, Superconductivity: Its Historical Roots and Development from Mercury ‫؛‬٠ the Ceramic Oxides (1992). Derechos reservados por Springer-Verlag. Usado con permiso.

das en la su p erco n d u ctiv id ad a alta T . El IS T E C era u n consorcio abierto a com pañías en to d o el m u n d o pero, de hecho, casi to d as las co m p añ ías-m iem b ro eran japonesas. Para particip ar de pleno en el p ro g ram a, u n a co m p añ ía debía pagar unos 800.000 d ó lares inicialm ente y p o ste rio rm e n te 110.000 dólares al año. D e este m odo, el ISTEC se g arantizaba u n o s fondos iniciales de 35 m illones de dólares en 1988 y 5 m illones a n u a les a p a rtir de entonces. Las com pañías japonesas e n c o n tra ro n justificadas dichas in versiones; predecían que la su p erco n d u ctiv id ad coparía un m ercado anual de 30.000 m illones de dólares anuales en el añ o 2000, pero la p redicción era dem asiado o p tim is ta. C om o en el caso de investigación de la fusión, el cam ino desde el d escubrim iento científico hasta la innov ació n tecnológica se co nvirtió en m u ch o m ás difícil e incierto que lo esperado.

CAPÍTULO 2 5

Física de ingeniería y electrónica cántica

Todo comenzó con

٠■tr a n s is t o r

De acuerdo « ١١٦ u n a encuesta realizada en 1951 en tre los m iem b ro s de la A m erican Physical Society, el 42 p o r 100 de los físicos trab ajab a en ‫ ط‬llam ada física m o d ern a, definida com o teoría cuántica, física nuclear, electrónica y física atóm ica y m olecular, y sólo el 27 p o r 100 trab ajab a en la «vieja física» de teo ría clásica, acústica y óptica. £1 cam po m ás p o p u la r resultó ser la electrónica, con el 18 p o r 100 de los encuestados que la identificaban co m o «cam po p re d o in in a n te de esencialización»; en el segundo puesto estaba la física nuclear, con el 15 p o r 100. La fascinación p o r la electrónica, que en la época todavía significaba circuitos de válvulas de vacío, aceleró y to m ó u n nuevo giro cu an d o los dispositivos de estado sólido co m en zaro n a su stitu ir a las válvulas. £1 tran sisto r de p u n to de contacto de g ern ian ío de 1948 fue u n triu n fo de la física del estad o sólido, p ero n o fue u n g ran triu n fo com ercial (véase capítulo 24). No sólo era difícil el desarrollarlo com o p ro d u c to in d u strial -W e ste rn Electric em pezó a fabricarlo en 1951- sino que tam bién los transistores eran caros y funcionaban de m anera bastante p o bre com parados con las válvulas electrónicas en m in iatu ra, con las que com petían: p o r ejem plo, eran ruidosos, n o m u y fiables y sensibles a la h u m ed ad y a las distorsiones m ecánicas, y en m uchas ocasiones u n tran sisto r salía con distintas características com p arado a otro de su m ism a serie. Tres años después de ‫ ظ‬invención de Brattain y Bardeen, no era obvio que el tran sisto r tuviera n in g u n a aplicación práctica. U na posible solución p a ra los p roblem as era reem plazar el tra n sisto r de p u n tas p o r u n o de u n ió n pero, p o r u n tiem p o , la idea de Shockley se m an tu v o en el cam po teórico. Según el relato de dos histo riad o res, «Shockley p o d ía diseñar cualquier can tid ad de am plificadores sem iconductores u san d o estas u n io n es en cualquier configuración im aginable, p ero sus bocetos se q u ed arían básicam ente com o u n a form a de onanism o m en tal hasta que el arte de la fabricación de u n io n es fin alm ente llam ara la atención de su inventiva explosiva» (R io rd an y H o d d e so n 7 ‫ل‬9 ‫ و‬, p. 177). Los p ro b lem a s práctico s

Física de iê n ie ría y electrónica cuántica

373

7.000

6.000

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3.000

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4.000

‫ة‬ ‫ه‬

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3.000

2.000

١ ٨٨٨

1958 60

62 64 66

68 70 72

74 76 78

80

Gráfico 25.1. Gastos de los EEUU en válvulas electrónicas y aparatos sem iconductores, 1959-1980. Fuente: W. A. Atherton, From Compass to Computer: A History o f Electrical and Electronics Engineering (1984). Con perm iso de Macmillan Press Ltd.

A unque la em presa de Sh©ckley n o o b ten ía éxito com ereial, ind irectam en te era de gran im p o rtan cia p o r ser la fuente de o tras cuantas pequeñas firm as establecidas p o r antiguos em pleados. U no de estos «traidores» (com o los llam aba Shockley) fue R obert Noyce, quien fu n d ó u n a co m p añ ía de sem iconductores asociada con Fairchild, u n a firm a de in stru m e n ta l. Los científicos en Fairchild S em iconductor presen taro n nuevos procesos de fabricación de transistores de silicio, que d iero n lugar al tran sisto r «mesa», in n o v ad o r y de altas prestaciones, en 1957. En este aparato, el fun cio n am ien to del tran sistor estaba restringido a u n a p eq u eñ a capa de superficie oxidada p o r u n m éto d o

CO-

nocido com o tecnología planar. El m étodo era adecuado para hacer circuitos integrados de nu m ero so s tran sisto res de silicio o g erm anio en u n úuíco bloque de sem ico n d u cto r o sea, sin el uso de cables co n e c ta res-. La idea de u n circuito sem ico n d u cto r integrad o estaba en el aire y Noyle pidió u n a p aten te p o r su invento en verano de 1959. En el m ism o año pero antes, y sin saberlo Noyle, o tra p aten te sim ilar había sido pedida p o r Jack Kilby, u n científico retirad o que colaboraba con Texas Instru m en ts. El p rim e r circuito integ rad o «m onolítico» de Kilby incluía tres resistencias, u n c o n d en sad o r y un tran sisto r co n stru id o en u n a pieza de germ anio. La invención del circuito integrado, realizada de m an era in d ep en d ien te p o r Noyle y K ilby inició u n nuevo capítulo en la

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historia de Ja ‫ ^ ^؛‬e l e c t r ó n i c a . Este nuevo capítulo se desarrolló de u n a m an e ra m arcadam en te sim ilar al capítulo a n te rio r de los transistores: Jos p rim ero s circuitos integrados de Texas In stru m e n ts eran ‫؛‬ro h ib itiv o s en su precio y fueron com p rad o s casi exclusivam ente p o r los m ilitares, el p rim e ro p o r Ja fuerza aérea. En 1962, eJ precio m edio de u n circuito in teg rad o era de 50 dólares y to d o s los circuitos eran com p rad o s p o r los m ilitares. El total de gasto federal en electrónica ese año fue de 10.000 m illones de dólares, de los cuales 9,2 m il m illones los gastaba el D ep a rta m en to de D efensa. C uando los precios em p ezaro n a dism in u ir, el porcen taje de co m p ra m ilitar tam b ién dism inuyó. En 1968, el precio m ed io h ab ía b ajado a 2,30 dólares y m enos de la m itad de los circuitos integrados iban p ara los m ilitares. En los años sesenta, la tecn o lo g ía de circuitos in teg rad o s se desarrolló en g ran m edida gracias a Texas In stru m e n ts, Fairchild y o tra s firm as especializadas. La idea de un tra n sisto r de efecto de cam p o (o FET p o r sus siglas en inglés, Field-Effect T ransistor), es decir, u n o en el que la c o rrie n te a través de u n a capa fina se m ico n d u cto ra sea m odu lad a ap lican d o u n cam p o eléctrico externo, fue concebida p o r Shockley en u n a fecha ta n te m p ra n a co m o 1945. En cu alq u ier caso, h iciero n falta qu in ce años hasta que los científicos en Bell L ab o rato ries tu v ie ra n éxito en desarro llar u n tra n sisto r de efecto de cam p o p ráctico a la m e d id a del tra n sisto r de m etaJ-óxido-silicio (o M O S). Este tip o de tra n sisto r se vio q u e estaba in d icad o p ara circuitos in teg rad o s p o rq u e los tra n sistores M O S p o d ía n em p aq u etarse de m a n e ra m ás densa y re q u erían m en o s energía. A m ed iad o s de los sesenta, los circuitos in teg rad o s e n tra b a n en el m ercado civil y enseguida fu ero n d esarro llad o s en m icrop ro cesad o res, siendo éstos usados p a ra o rd enadores y p a ra m u ch as o tra s cosas. En 1963 la in d u stria e l e c t r ó n ^ estad o u n id en se p ro dujo tran sisto res p o r valor de 252 m illones de dólares. D e éíitos, el 37 p o r 100 fue utilizado p o r la in d u stria , sobre to d o en o rd e n a d o r^ ‫ ؛‬, y el Í 6 p o r 100 p o r consum ídores. ‫ر‬ El desarrollo com pleto, de u n a im p o rta n c ia obvia p a ra el m u n d o m o d e rn o , em pezó con el transistor, u n p ro d u c to de la física del estado sólido. En su m anual sobre se' de 1950, Shockley especuló b revem ente sobre el fu tu ro de la electrónica de transistores. Su especulación estaba m ás cercana a la realidad de lo que podía suponer: «Aquellos que h an trab ajad o in ten sam en te en el cam po co m p arten el sentím ien to del a u to r de u n g ran o p tim ism o en relación con las potencialidades últituas. A la m ayoría de Jos trab ajad o res les parece que se h a abierto u n área com parable al área entera de electrónica del vacío y de descarga de gas». EJ cam bio que o c u rrió con el salto a circuitos integ rad o s en los años sesenta fue m en os radical que el salto a n terio r desde las válvuJas elctrónicas a los tran sisto res discretos. Los circuitos integrados n o sup o n ian u n a nueva física y eran, al c o n tra rio que el transistor, desarrolladas p o r ingenieros y científicos industriales m ás que p o r investigadores físicos. Noyce y Kilby difícilm ente h u b ie ra n sido can d id ato s serios a Jos p rem ios N obel (au n q u e p o d ría n haber sido n o m in ad o s). A p ro p ó sito del circuito integrado, Kilby ap u n tó : «en contraste con Ja invención del transistor, ésta era u n a invención con relativam ente escasas im plicaciones científicas [...] C iertam en te en aquellos años po d ría u n o decir so b rad a


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m en te que hab ía contriuid© m u y poco al p en sam ien to científico», © tro p articip an te en el desarrollo te m p ra n o de los circuitos integrados, D ouglas W arschaucr, sugirió que, alrededor de 1960, «los ingenieros y tecnólogos en su gran m ayoría ya no escuchaban a los científicos de investigación básica y realm ente n o estaban m u y interesados en lo que los científicos básicos estaban h acien d o (B raun y M acD onald 1978, pp. 103 y 138). ?ero, aun q u e la in d u stria de los sem iconductores sólo estaba rem o tam en te em parentad a con los desarrollos en física p u ra, la aseveración de Kilby de que el circuito integrado «contribuyó m u y p oco al p en sam ien to científico» difícilm ente pued e considerarse correcta. De m o d o indirecto, las innovaciones en la m icroelectrónica fireron en o rm em en te im p o rta n te s p a ra el p en sam ien to científico, en concreto, a través de los in stru m en to s electrónicos que revo lu cio n aro n m u ch as ram as de las ciencias experim entales. C ualquier ex p erim en to m o d e rn o de la física de altas energías, cualquier observación astrofísica y cualq u ier trab ajo im p o rta n te en física de m ateria condensada experim ental d ep en d en de m o d o crucial (au n q u e n o rm a lm e n te sin reconocim iento) de la técnica de los circuitos integrados inventados p o r Kilby y otros.

El microondas)

٠١ láser y la óptica

c u á n tic a

£‫ ا‬láser, u n o de los m ás im p o rta n te s y versátiles in stru m en to s científicos de la física d e ^ p o s g u e r r a , era el descendiente directo del nráser o am plificador de m icroondas, y el p ro p io m áser era el hijo de la ciencia de radares y tecnología del tiem p o de guerra. A unque la espectroscopia de m icro o n d as de gases fue inventada antes de 1940, el trab ajo en radares y de los equipos so brantes de ra d a r provocaron u n vuelco en la especialidad y la co n v irtiero n en u n cam p o sofisticado y ráp id am en te cam biante en 1950. D e acuerdo con la evaluación de u n historiador, «la espectroscopia m olecular a través de la absorción de m icro o n d as en gases, es, sin n in g ú n género de dudas, el prim er ejem plo de u n cam po floreciente de investigación física creada - e n to d o s los sentid o s- p o r el radar» (F orm an 1995, p. 422). Las m icroondas n o sólo eran de gran interés p ara los físicos, sino que n o eran de m e n o r interés p ara los m ilitares estadounidenses, que querían saber cóm o co n stru ir u n a fuente de ondas m ilim étricas. £sta no era una lab o r sencilla p ara los aparatos electrónicos existentes, com o los m agnetrones y los klystrones, ya que éstos no estaban diseñados para alcanzar este rango de longitudes de onda. D espués de haberse g rad u ad o en C altech en 1939, C harles Towncs estuvo ocho años en Bell L aboratories, d o n d e tra b a jó con ap arato s de ra d a r y de navegación. En 1948 se u n ió al L ab o rato rio de R adiación de la U niversidad de C olum bia. Este laborato rio estaba su b vencionado p rin cip alm en te p o r los servicios m ilitares (el C u erp o de Señales y la O ficina de Investigación Naval, O N R p o r sus siglas en inglés), que estaban interesados en m ag n etro n es q u e a p o rta b a n longitudes de ondas m uy cortas. A finales de 1949, los investigadores del L abo rato rio de R adiación hab ían desarrollado m agnetrones que p o d ían generar m icroondas de 3-4 ١١١١١١‫ ؛‬en 1951, Townes alcanzó u n a longitu d de o n d a réco rd de poco m ás de 1 m m ; sin em bargo, los m ag n etrones de m ilím etros vio que eran básicam ente inútiles en su sen tid o práctico. E ran insuficientes, m uy

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caros y ten ían tiem p o s de vida que raram en te excedían de las dos horas. En ‫ ط‬prim avera de 1951, com o co n su lto r de © N R y d irecto r de su C om ité C o n su lto r sobre la Cen eració n de O n d as M ilim étricas, Townes lanzó la idea de cóm o generar las ondas de u n a m an e ra co m p letam en te diferente. La idea de Townes era la de usar los pro p io s osciladores de la naturaleza, las m oléculas y los átom os, y usar em isión estim ulada en un haz de m oléculas com o fuente p ara o n d as m ilim étricas fu ertem en te ‫ إ؛‬n u lificad as. Una idea sim ilar fire sugerida de m an era in d ep en d ien te p o r Joseph Weber, q u ien sin em bargo n o desarrolló su proyecto en u n a p arato p ráctico (éste es el m ism o W eber que conocim os en el capítulo 23, que afirm aba h ab er d etectado las ondas gr¿ivit‫؛؛‬cionales). La base científica de la innovación de Townes, el concepto de em isión estim ulada, volvió a la teo ría de rad iació n de Einstein de 1917, pero fue u n concepto que no recibió m u ch a aten ció n hasta los años cincuenta. En u n crucial ex p erim en to de 1950, E dw ard Purcell y R obert P o u n d ’ la em isión estim ulada y ta m b ié n la inversión de la p o blación -e s to es, la existencia de condiciones de n o equilibrio de u n estado de u n a m ayor energía m ás p o b lada que el estado de baja energía. Para tra e r m oléculas desde el estado de energía m e n o r al m ayor, p u ed en ser «bom beados» ópticam en te, o sea, excitados p o r la absorción de fotones entrantes. El m éto d o de b o m b eo óptico fue p ro p u esto originalm ente p o r el fisico francés Alfred Kastler en 1950 y verificado e ^ r i m e n ta ln r e n te p o r su g ru p o en París dos años después. La em isión estim ulada, la inversión de la po b lación y el b o m b eo óptico fueron ingredientes clave en el m áser, pero hasta 1951 vivieron p o r separado y no desem peñ aro n u n papel d e te rm in a n te en la física. El ú ltim o ingrediente crucial fue la idea de usar u n a cavidad reso n an te p ara p ro d u c ir u n feedback positivo y desde ahí obten er u n a ganancia neta de energía, u n proceso que Townes describió

''

com o u n a «reacción [m olecular] en cadena autosostenible». En 1951 los ingredientes principales del m éto d o m áser eran b ien conocidos, p ero antes de Townes nadie los había com b in ad o con el p ro p ó sito de am plificar m icroondas. U na deTas razones del tardio desarrollo del concepto de m áser p o d ría ser el h ab e r c o n ju g a d o el conncim entó del físico con el ingenieril. Townes escribió, p o steriorm ente, que «las necesarias ideas !^ c á n ic o -c u á n tic a s n o se con o cían o n o eran apreciadas en general entre los ingenieros eléctricos, m ie n tra s q u e los físicos [...] con frecuencia n o estaban fam iliarizados con los conceptos p ro p io s de la ingeniería eléctrica. Es com prensible que el crecim iento real de este cam p o v in iera poco después de la Segunda G uerra M undial, ya que ésta llevó a m u ch o s físicos a la fro n te ra en tre la m ecánica cuántica y la ingeniería eléctrica» (B rom berg 1991, p. 222). La nueva idea de Townes de m ayo de 1951 fue el concepto de m áser o «aparato para o b ten er m icro o n d as cortas a p a rtir de sistem as atóm icos o m oleculares excitados» com o lo titu lab a en su cuad ern illo de lab o rato rio . En vez de hacer que las m oléculas resp o n d ieran de m o d o pasivo al estím ulo de u n haz de electrones, Townes concibió ‫ظ‬ idea de m oléculas resonantes que g eneraran las m icro o n d as y adem ás llevaran consigo la energía y la frecuencia. O tro s físicos del L ab o ratorio de R adiación de C olum bia no confiaban en la idea y a rg u m en tab an que u n m éto d o alternativo de generación de


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m icroon d as, basado en la rad iació n C herenkor, parecia m ás p ro i^ctedor. De to d o s m odos, Townes se m an tu v o con su idea de osciladores m oleculares y, en la p rim avera de 1954, obtuvo el p rim e r éxito en la fo rm a de detección de oscilaciones de m oléculas de am oníaco. C on el am plificad o r de 1,25 cm que co n struyó ju n to con lam es C o rd o n y H erb e rt Zeiger, Townes p u d o d e m o stra r la existencia del p rim e r « m a ser» , u n acrónim o del inglés m ic ro w a v e a m p lific a tio n b y s tim u la te d em issio n o fr a d ia tio n , o am plificación de m icro o n d as a través de em isión estim ulada de radiación, o com o fue presentad o en el p rim e r in fo rm e p a ra el P h ysic a l R e v ie w , «un ap arato experim ental que puede ser usado com o u n esp ectró m etro de m icro o n d as de m u y alta resolución, u n am plificad o r de m icro o n d as o u n oscilador m u y estable». El té rm in o m áser fue acu ñ ad o en u n artícu lo m ás com pleto de 1955 titu la d o «El M áser, N uevo T ipo de A m plificador de M icroondas, están d ar de frecuencia y esp ectróm etro». En ese tiem po, u n haz de láser de am oniaco estaba listo y ta m b ié n estaba lista la p etición de p aten te de Townes, el com u n icad o de p ren sa de la invención en la U niversidad de C olum bia sobre el «máser» o «reloj atóm ico») y el in fo rm e de Townes p a ra el C uerpo de Señales. En el p rim er m áser práctico, co n stru id o de acuerd o co n las ideas de Townes de 1951, las m oléculas de am on iaco e ran enviadas a través de u n sistem a de filtro eléctrico (u n «enfocador»), en el cual las m o lécu la^^ n el estado excitado eran separadas de aquellas en el estado más bajo. Elîaz de m oléculas excitadas entonces e n trab a en una cavidad do n d e se creaba u n cam po m agnético oscilante em itid o com o m icro o n d as salientes. Tuvieron que facerse los ex perim entos con su p rim e r m áser p ara que Townes y sus colaboradores se dieran cu enta de u n a de sus p ropiedades m ás valiosas, básicam ente que estaba bastante libre de ruid o . A dem ás, la am plificación o b ten id a al in tro d u c ir la radiación en la ca'· ‫؛‬dad n o estaba o rig in alm en te considerada com o u n a p arte esencial del concepto del m aser. Al p rin cip io Townes n o le p restó aten ció n a lo que quizá es el hecho m ás caracten stico de los m áseres y láseres, la coherencia de las ondas. P or supuesto, no era la prím era vez que u n científico realizaba u n a b rillan te innovación sin u n claro en tendíc ie n to de lo q u e h ab ía hecho. El m áser de am oniaco de Townes, b asado en la inversión de población entre dos eslia o s de energía, fue ráp id a m e n te c o n tin u a d o p o r nuevos tipos de m áser y de m éto>ios de o b ten ció n de inversión de p oblación. En 1955, Níkolai B a so v y A lex an d e r Pro،r.orov, en el In stitu to Físico Lebc'dcv en M oscú, sugirieron u n proyecto de bom beo ‫ ﺀ_ث‬p erm itiera la inversión c o n tin u a de població n , y p o r tan to , u n a am plificación cona n u a . La idea hizo uso de tran sm isio n es cuánticas en átom os con tres niveles de ener‫ ﻧﺘﻖ‬. de los cuales el nivel in term ed io era uietaestabie (p o r ejem plo, ten ía u n tie m p o de ‫ئ‬ largo). El añ o siguiente, u n a idea sim ilar file analizada con m ás detalle y aplicada ‫؛ ﺀ‬o ، m áseres de estado sólido p o r N icolaas b loem bergcn, u n físico ’ ‫ ' ه‬que trab ajab a en la U niversidad de Eíarvard. El tra b ajo de

tuvo u n a

■ d u e n d a a largo plazo en la físíca de m áser y de láser, y en electrónica cuántica en ge‫ﻟﺺ‬

- ^ r q u e a p o rtó a esas áreas los conceptos de la relajación m agnética y de la reso-

‫ﻧﺺﺀ‬ m agnética nuclear (N M R p o r sus siglas en inglés). Los p rim ero s m áseres parag e n é t i c o s eficientes basados en la teo ría de los tres niveles de B loem bergen

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aparecieron en 1958. La exitosa fam ilia de lo,‫ ؟‬m áseres de ru b í fue iniciada p o r C hihiro K ikuchi y sus colegas en la U niversidad de M ichigan.

? ٥٢

su baja tem p e ratu ra de

ruido, los m áseres de estado sólido e n c o n tra ro n u n uso tem p ran o en los radiotelescopíos y en antenas de m icroondas. Por ejem plo, P en ziasy W ilso n hicieron uso de u n am plificador m áser de ٢٧١١‫ ؛‬en su célebre descu b rim ien to de 1965 de la radiación cósm ica de fondo. D espués de 1955, la idea de aplicar el p rin cip io de m áser a longitudes de ondas m ás p equeñas del rango visible o de los in frarro jo s era natural. O rig in ariam en te se pensó que esto sería m u y difícil, y que se necesitaría u n a e n tra d a de energía m u y g rande y quizá prohibitiva. Fue de nuevo p o r instigación de los m ilitares -e s ta vez a través de la O ficina de Investigación C ientífica de la Fuerza A é re a- p o r lo que Townes se encargó del problem a. En 1957 lo investigó de m a n e ra teó rica y alcanzó la conclusión de que pro b ab lem en te n o h abría n in g ú n p ro b lem a serio en aplicar técnicas de m áser a la región visible. A unó fuerzas con A rth u r Schawlow de 11 ،‫ ة؛‬L aboratories y, en 1958, los dos físicos pu b licaro n u n análisis detallado en el P h ysica l R e v ie w sobre «M áseres infrarro jos y ópticos» concluyendo que la p o sibilidad es favorable p a ra los m áseres que producen osciladores en las regiones in frarro ja y óptica». Al m ism o tiem po, AT&T envió u n a petició n de patente. El artícu lo de ‫ب‬ ser, pero en ‫ ظ‬época era sólo u n a teoría.

fue la base teórica para el lá-

D urante los dos años siguientes, varios tísicos e ingenieros, tanto en

‘

com o en laboratorios de investigación corporativos, com petían para desarrollar u n láser operativo. U no de ellos fue G ordon G ould en ‫ ظ‬com pañía privada TRG (Technical Research G roup), quien en oto ñ o de 1957 había esquem atizado de m anera independiente cóm o podría ser construido u n láser. Tam bién fue G ould quien utilizó p o r prim era vez el térm ino «‫ذ‬

·» com o acrónim o en inglés de lig h t a m p lifica tio n b y stim u la te d em ission ٠/

ra d ia tio n , o am plificación de luz a través de la eIrrisión estim ulada de radiación. De una

m anera típica p ara la época, poco después del im pacto del s p u tn ik , la m ayor parte de la investigación estaba pródigam ente subvencionada p o r las agencias militares. U na de estas agencias era la ARPA, a d v a n c e d research pro jects agen cy o Agencia de Proyectos de Investígación Avanzada, que estaba interesada en p ro m o c io n a reftrab a jo sobre el láser com o una posible arm a. En 1959, p o r casi u n m illón de dólares, ARPA involucró a TRG en un program a secreto con el propósito de desarrollar u n láser funcional. U sando distintos nrétodos y aproxim aciones, los científicos en Bell Laboratories y en el C entro W atson de ‫ ظ‬IBM tam bién trabajaron d u ro para construir u n láser práctico. Y así lo hicieron T heodore Maim an, un físico de los laboratorios de investigación flughes, que se centró en los m edios de láser sólido m ás que en los láseres gaseosos investigados por otros grupos. M aim an trabajó con los iones de crom o en vez de con u n a pequeña parte de cristal de rubí y encontró ‫ ظ‬form a de obtener inversión de población excitando los iones ópticam ente m ediante una lám para de destellos de xenón. Los experim entos confirm aron sus cálculos y, el 16 de mayo de 1960, obtuvo su p rim era em isión de láser. Poco después, M aim an tenía un láser de ru b í listo y rápidam ente entregó u n artículo p ara el P h ysical R e v ie w sobre ‫« ظ‬Acción del m áser óptico en el rubí». Sin em bargo, el editor rechazó el artículo, posiblem ente p o r

Física de ingeniería

‫ﻣﻞ‬ electrónica cuántica

379

que éste no casaba con la política de la publicación de adm itir únicam ente artículos que «contengan contribuciones significativas a la física de naturaleza básica». Por esta razón, el prim er anuncio del láser - u n artículo breve titulado «Radiación óptica estim ulada en el ru b í» - apareció en la publicación británica N a tu re. En 1961, M aim an y sus ’ ’ entregaron u n a descripción m ás detallada de sus experim entos al P h ysical R ev iew . Esta vez, el artículo fue aceptado. Inicialm ente, había cierta incertidum bre sobre si M aim an realm ente había obtenido u n efecto láser con el ru b í y tuvo que pasar algún tiem po antes de que fuera reconocido com o inventor del láser. En 1960-1961, v arios g ru p o s de científicos d e sa rro llaro n o tro s tip o s de láser. A finales de 1960, Ali Javan y su g ru p o en Bell L ab o rato ries con sig u iero n con éxito u n a descarga de láser gaseoso q u e o p e ra b a con áto m o s de n e ó n excitado p o r colisiones con áto m o s de helio. Esto fue u n a in n o v a c ió n im p o rta n te , p o rq u e fue el p rim e r láser q u e fu n c io n a b a con c o n tin u id a d . El p rim e r láser h e lio -n e ó n o p e rab a en la longitu d de o n d a de in fra rro jo s de 1,15 - 10“6 m . © tro resu ltad o im p o rta n te en la h ístoria te m p ra n a del lá.sgr fue la c o n stru c c ió n en 1962 de u n láser que u saba cristal de a rse n iu ro de galio, el p rim e r ejem plo de la fam ilia de crecim ien to rá p id o de láseres sem ico n d u cto res. H ú b o l e esp erar v ario s años h asta que la investigación sobre el láser se co n v irtie ra en u n cam p o p rim o rd ia l en la física pero, a m ed iad o s de los años sesenta, el n u ev o campo_hí،DÍa e n tra d o en u n n u ev o estadio de d esarro llo rápido. U na b ib lio g rafía reco p ilada en 1964 recogía u n as 600 referencias a láseres, incluyendo estudios y textos q u e n o e ra n de investigación. D os años después, la bibliografía pu e sta al día c o n te n ía 3.390 referencias, con u n ín d ice de 3.335 autores. Casi to d o s los a rtícu lo s te m p ra n o s so b re investigación del láser se p u b lic a ro n en el P h y sic a l R ev ie w o en A p p lie d P h ysics L e tte rs. M ie n tra s q u e el cam p o florecía, h u b o u n increm e n tó en la a p a ric ió n de p u b licacio n es en m ás revistas especializadas, com o o p t i c s C o m m u n ic a tio n s , A p p lie d o p t i c s y L á se r Focus. El láser fue bienvenido y estu d iad o ta n to p o r físicos académ icos com o industriales. A lrededor del 70 p o r 100 de los artículos estadounidenses de láser listados en el P h ysics A b str a c t a p rin cip io s de los sesenta era enviado p o r lab o rato rio s industriales. No

sorp ren d e que u n a gran p arte de investigación sobre láser en los Estados U nidos, ya firera en las universidades o en la in d u stria, estuviera subvencionada p o r la institución m ilitar. Se ha estim ad o que los gastos del D e p a rta m e n to de D efensa en investigación sobre láser en 1963 fueron de u n o s 20 m illones de dólares, y que hasta el 80 p o r 100 de los artículos de investigación sobre el láser recibían al m enos apoyo económ ico parcial del D ep artam en to de Defensa. El láser era de gran im p o rtan cia, n o sólo com o in stru m en tó p a ra la ciencia y p o r sus m últiples aplicaciones en las tecnologías m ilitar y civil, sino tam b ién p o rq u e fue u n factor crucial en el renacer de la óptica que se dio en los años sesenta. La ó p tica estuvo estancada d u ra n te dos décadas y, alrededor de 1950, se consideraba co m o u n a especie de disciplina gris con u n gran pasado, pero sin visos de tener u n gran fu tu ro (véase el gráfico 24.1). Junto con la holografía, los usos ópticos de los sem iconductores y el auge de la ó p tica n o lineal, el láser creó u n desarrollo nuevo y vigoroso p ara la ciencia óptica.

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A diferencia del m áser, el láser ta m b ié n se co n v irtió en u n éxito a rro lla d o r en el m ercad o com ercial. A este respecto, su tray ecto ria fue sim ilar a la del transistor. En 1993 se estim aba q u e el m ercad o del láser su m ab a u n valor de u n o s 20.000 m illones de dólares, y q u e m ás de tres cu a rto s de este d in e ro era civil. Las aplicaciones c o m e r ciales del láser son generales y m u y b ie n conocidas, incluyendo n o sólo cirugías y m e d icina, im p resió n y co m u n icacio n es ópticas, sino ta m b ién discos com pactos, solda d u ras de m etales, lectores de tarjetas electrónicas y rep ro d u c to re s de au d io y vídeo; adem ás, los láseres d esem p eñ an u n p apel im p o rta n te en diversos in stru m e n to s cien tíficos. Los m ás p ro d u cid o s y versátiles de en tre la g ran can tid ad de tipos de láser han sido los de sem ico n d u cto res: en 1988, se p ro d u je ro n u n o s 200 m illones de láseres sólo de este tipo. El desarrollo de los m áseres y láseres se llevó a cabo p rin cip alm en te en los Estados U nidos, p ero h u b o tam b ién co n trib u cio n es im p o rta n te s de los físicos rusos y, después de 1960, de los físicos japoneses y europeos. En el In stitu to Lebedev en M oscú, Basov y P rokhoro v se p ercataro n de la p osibilidad de u n m áser de am oníaco in d ep e n d ien te m en te de Townes, sug iriero n el m éto d o de tres niveles, y en 1958 p ro p u sie ro n el uso de los sem iconductores p ara los láseres. Townes, Basov y P rokhorov recibieron el prem io N obel en 1964 p o r sus co n trib u cio n es. D os años después, Kastler fue h o n ra d o con el p rem io y en 1981 dos de los o tro s p ioneros de las técnicas láser, B loem bergen y Schawlow fueron igualm ente galardonados. M aim an, el in v entor del láser, no fue reconocido com o m ereced o r del prem io.

Las fibras ópticas

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El p rim e r sistem a de com u n icació n extensivo,\‫؛‬ljelég rafo óptico de C laude C happe de 1790, estaba basado en señales de luz, pero las innovaciones consiguientes en las telecom unicaciones -d e s d e la telegrafía eléctrica hasta h r a d i o - hicieron uso de partes m u y diferentes del espectro electrom agnético y tra n sm itie ro n las señales a través de ca bles m etálicos o b ien a través de la atm ósfera. D esde alrededor de 1860, la telegrafía ó p tica p rácticam en te desapareció. A unque la idea de u sar la luz enviada a través de u n tu b o de v id rio co m o m ed io de alm acen am ien to y tra n sm isió n de info rm ació n fuera plan tead a en los años trein ta, h u b o que esperar a después de la guerra para que co m en z aran los experim en to s con fibra ó ptica. U no de los p rim ero s estudios fue realiza do a p rin cip io s de los años cin cu en ta p o r u n g ru p o de científicos holandeses asociados con la U niversidad Tecnológica de Delft. Su investigación fúe subvencionada p o r el C onsejo de Investigación de la D efensa de los Países Bajos, e in te n tab a proveer a los nuevos su b m arin o s del país de periscopios m ejo rad o s - n o sólo era en los Estados U n i dos d o n d e el d in ero m ilitar apoyaba la investigación en física-. Para asegurar u n refle jo absoluto, los científicos de D elft d esarro llaro n v id rio y fibras de plástico cubiertos p o r u n a capa de u n índice refractivo m ás bajo. Las fibras, en to d o caso, n o e n c o n tra ro n uso n i m ilitar n i com ercial, y la co m p añ ía Philips declinó co m p ra r y desarrollar la tecnología.


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El prim er uso práctico de las fibras revestidas ٨٥ fue en las comunicaciones sino en la m edicina, concretam ente en el endoscopio flexible para gastroscopia inventado en 1957. En aquella época, se vio que para que la fibra óptica funcionara a través de grandes distancias, deberían ser superados dos problem as críticos: en prim er lugar, se necesitaba una fuente de luz coherente y fuertem ente enfocada; en segundo lugar, la pérdida de señal era prohibitivam ente grande en las fibras de vidrio existentes com o para hacer de ellas guías de ondas prácticas. Con la invención del láser, parecía que el prim er problem a iba por el buen camino para ser resuelto. M ientras que los láseres gaseosos no eran prácticos, el potencial para los láseres sem iconductores fue reconocida en una fecha tem prana, en particular porque este tipo de láser era com pacto y fácil de m odular a través de una corriente de entrada. Las prim eras fuentes de láser utilizadas en experim entos de fibra óptica fireron los láseres de arseniuro de galio y, ‫ﺀ‬0 ‫ ه ﺀ ل‬receptores varios tipos de fotod‫؛‬odo$ de estado sólido encontraron su aplicación. Lo‫؛‬s láseres de diodo sem iconductor obtenidos por prim era vez en los Laboratorios B‫؟‬ll en 197© se com probaron com o aun más útiles que com o fuentes de comunicación،‫ ؟؛‬ópticas. De m anera alternativa, otro invento de AT&T pudo utilizarse, el diodoVemisor de luz o LED. Aunque la tecnología de transistores no desem peñaba un papel directo en el desarrollo de sistemas de fibra ‫ آ ﺗﺈ ة‬،‫ ة ﺀ‬, sí que lo desem peñaba de form a indirecta, com o una firente de láser sem iconductores y fotodiodos. El láser encendió m ucho interés en las com unicaciones ópticas, u n campo al que hasta entonces se le había dado poca prioridad p o r parte de ingenieros y científicos industriales. Con el problem a de la fuente en principio solucionado, el interés se dirigió hacia el m edio de transm isión. La cuestión crucial era si era posible diseñar fibras ññas, hechas de vidrio o de cualquier otro m aterial transparente, con una atenuación óptica am pliam ente m enor que los mejores tipos de vidrio conocidos en la época. La industria del vidrio óptico no estaba preparada para el tipo de trabajo científico y de desarrollo necesario para poder producir el vidrio de calidad extrem adam ente fino requerido para la transm isión óptica. La cuestión global fue investigada ' m ente p o r dos físicos que trabajaban para Standard Telecommunications Laboratories en Londres, Charles Kao y Ceorge Hockham . En un artículo publicado en el Proceed in gs o f t h e In s titu tio n o fE le c tric a l E ngineers, los dos físicos calcularon y debatieron varíos m odos de pérdida en una fibra guía de ondas de sección transversal circular. Este trabajo, de gran influencia, estaba basado en la teoría electrom agnética clásica y consistía esencialmente en resolver las ecuaciones de Maxwell ante las condiciones de ‫'؛‬rontera dadas p or la estructura de una fibra de vidrio cilindrica. Fue un trabajo que podría haber sido entendido y apreciado por Lord Rayleigh y otros especialistas en la teoría de ondas electromagnéticas alrededor del cambio de siglo -d e hecho, el prim er análisis teórico com pleto de propagación electromagnética en cilindros dieléctricos fue realizado ya en 1910 p or Peter Debye y su estudiante D. Hondros. Kao y Hockham predijeron que el valor crítico para la pérdida de señal en una fibra óptica era de 20 decibelios por kil(')iiretro (dB/km) o m enos, correspondientes a

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ap roxim ad am en te el 1 p o r 100 de tran sm isió n a través de u n k iló m etro de fibra. Las fi bras de v id rio a las q u e se p o d ía acceder exhibían u n a p érd id a de aproxim adam ente 1.000 dB /km ; p o r tan to , el cálculo de K ao-H ockham m o strab a que eran necesarias m e jo ras de dos ó rdenes de m a g n itu d (téngase en c u en ta que el dB es u n a u n id a d lo g arít m ica). Esto fue u n a m ala noticia, p ero Kao y H o ck h am concluyeron que era «difícil, pero no im posible» d esarrollar tales fibras de bajas pérdidas. «Los estudios teóricos y experim entales ind ican q u e u n a fibra de m aterial v idrioso co n stru id o en u n a e stru c tu ra revestida con [...] u n d iám etro to tal de u n o s 100 Xo [100 veces la lo n g itu d de onda] representa u n a posible guía de o n d as práctica con u n potencial im p o rta n te com o n u e vo m edio de com unicación», escribieron. «La co m p ren sió n de u n a guía de ondas de fi b ra de éxito depende, en el presente, de la disp o n ib ilidad d é m aterial dieléctrico ade cuado de baja pérdida» (Bray 1995, p. 271). V El trab ajo de Kao y H o ck h am fue u n reto p a ra la in d u stria lie l v idrio e im pulsó a lab o rato rio s p rivados y g u b ern am en tales a lo an ch o del m u n d o a aceptar el reto. Bell Laboratories, lab o rato rio s de telecom unicaciones nacionales, universidades técnicas e in d u strias privadas se c o m p ro m e tie ro n seriam ente en el in ten to de en c o n tra r m ateria les adecuados p a ra la fibra óptica. C o rn in g Glass W orks en los Estados U nidos, la co m p añía de v id rio m ayor y m ás o rie n ta d a hacia la investigación en to d o el m u n d o , esta bleció u n g ru p o de investigación p a ra en c o n tra r u n a solución. El g ru p o estaba liderado p o r R obert M aurer, u n físico con u n d o cto rad o en el M IT que se había u n id o a C o r ning en 1952 com o físico aplicado. El equipo de C o rn in g se centro en el silicio fusio nado, al cual añad ía óxidos p a ra in c re m e n ta r el índice de refracción. N o sólo las n u e vas fibras de C o rn in g te n ía n pro p ied ad es electrom agnéticas excelentes, sino que tam b ién eran m ecán icam en te fuertes y q u ím icam en te estables. De u n m o d o in tere sante, la innovación estaba in sp irad a p o r el trab ajo de la in d u stria del tran sisto r con si licio p u ro y dopado. Las p rim eras fibras de silicio dopadas estaban listas en 1970 des pués de cu atro años de tra b a jo a m e n u d o fru stran te. C on u n factor de aten u ació n de 16 dB /km , eran m u y p ro m eted o ras e in d icab an que el desarrollo de las fibras de vidrio ópticas era sim p lem en te cuestión de tiem po. D u ra n te los años siguientes, C o rning d e sarrolló m éto d o s de fabricación p a ra el nuevo tip o de fibra de vidrio y p ro d u jo versio nes a u n m ás eficientes. En 1975, M au rer y su eq u ip o alcanzaron los 4 dB /km y en 1980 la pérd id a se redujo a 0,3 dB /km . Al m ism o tiem po, investigadores japoneses in fo rm a ro n de u n réco rd de baja aten u ació n de 0,2 dB /km , m uy cerca del lím ite teórico para las fibras de silicio dopadas. A finales de los años setenta, las com unicaciones de fibra óptica hab ían p asado de ser u n invento a ser u n a innovación, y los p rim ero s cables de fibra com erciales se hiciero n operativos. E ntre los usos m ás im p o rtan te s de la nueva tecnología estaban los cables su b m arin o s, siendo el p rim e ro el enlace del canal de 1986 en tre Ing laterra y Bélgica. D os años antes, el p rim e r cable de fibra óptica tran satlán ti co, d e n o m in a d o TAT 8, fue ab ierto p a ra d a r servicio entre Inglaterra y N orteam érica. El in n o v ad o r proyecto, u n a colaboración en tre AT8cT, B ritish Telecom y France Tele com , tenía u n a capacidad co rresp o n d ien te a 40.000 conversaciones telefónicas, o casi el doble de la capacidad de cable existente a través del A tlántico. La fibra óptica co n ti


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nu ó con su ráp id o desarrollo a lo largo de los años o ch en ta y noventa. U na de las in novaciones m ás im p o rta n te s fue la invención en 1987 de u n a fo rm a de am plificar las señales en u n a fibra ó p tica a través de la inserción, d irectam en te a la línea, de u n a fi b ra d o p ad a con iones del elem ento erbio, del g ru p o de tierras raras. Junto con el desa rrollo de las fibras de láser, los am plificadores d o p ad o s con erbio iniciaron u n a nueva fase en las co m unicaciones de fibra óptica.

CAPÍTULO 26


Signos de crisis Desde alrededor de 1965, la física de los Estados U nidos y, en cierto m odo, tam bién la físi ca europea, parecía agitarse de nuevo en aguas turbulentas. Los años desde el Proyecto M anhattan habían sido u n periodo sin precedentes e ininterrum pido de crecimiento, op tim ism o, apoyo político y prestigio social. A finales de los sesenta, la guerra en V ietnam re sultó ser u n tem a m u y controvertido en los Estados U nidos y en los círculos académicos los sentim ientos antim ilitaristas se hicieron m ás com unes y aceptados. Ya que u n a parte tan grande de la com unidad física estadounidense trabajaba en proyectos militares o estaba siendo subvencionada p o r dinero militar, los físicos se vieron identificados fácilmente con el com plejo m ilitar-industrial que en ese tiem po estaba en el p u nto de m ira. Alrededor de la m ism a época, la energía nuclear em pezó a perder algo de su inocencia y fascinación. Por prim era vez, la gente em pezó a preguntarse si las centrales de energía nuclear eran real m ente u n cam ino sin problem as p ara conseguir energía barata que hasta entonces se daba por supuesta. ¿Podía estar u n o confiado de que eran seguros los reactores? ¿Qué decir de los residuos radiactivos? ¿Y cóm o se podía prevenir que dictadores usaran la tecnología de la energía nuclear p ara p roducir bom bas atómicas? La incom odidad tem prana con la ener gía nuclear fue fácilmente extrapolada con u n a incom odidad con los científicos asociados com o m ás cercanos con la tecnología: los físicos. U na consecuencia m ás directa fue la de cisión del presidente Ford de 1974 de abolir la Com isión de Energía Atómica y reponerla en 1977 con u n nuevo D epartam ento de Energía (en inglés D epartm ent o f Energy, DOE). Era m ás que u n sím bolo im portante el que la palabra «atómica» desapareciera. La Guerra de V ietnam y el creciente interés en problem as m edioam bientales eran sólo dos de los im portantes factores en la com pleja red de reorientaciones políticas, culturales y emocionales que agitaron al m u n d o occidental en ese periodo. En la m ism a época, m ien tras que los valores culturales tradicionales se vieron ata cados, la relación en tre la a d m in istració n pública y la ciencia se tra n sfo rm ó . Los poli-


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ticos y adm in istrad o res em p ezaro n a cuestionarse la m áxim a de que lo que era b u en o para la ciencia era b u e n o p a ra la sociedad. U na a c titu d m ás desilusionada con respecto a la ciencia se hizo n o ta r en cam bios en el sistem a de subvenciones estadounidense, que causaron p reo cu p ació n en tre m u ch o s físicos. La en m ien d a de M ansfield de 1969 p ro h ib ía al D ep a rta m e n to de D efensa q u e gastara d in ero en investigaciones que n o estuvieran d irectam en te relacionadas con p ro p ó sito s m ilitares. M uchos físicos estaban a favor de la en m ien d a, pero ten ían razones p a ra tem er sus consecuencias. A unque la F undación N acional de la C iencia (N atio n al Science F o u n d atio n , NSF) recibió u n a sum a extra de 85 m illones de dólares, n o fue capaz de com p en sar del to d o la pérdida de apoyo de las institu cio n es m ilitares. A dem ás de esto, u n a p a rtid a in crem en tad a del dinero de la NSF se asignó a proyectos de investigación socialm ente útiles, algunos de ellos en las ciencias sociales, m ás que a la ciencia básica. En ‫ل‬97 ‫ ه‬, W illiam Koch, directo r del A m erican In stitu te ofFhysic$, co m en tó que la física «de estar reconocida com o un a ciencia desesp erad am en te necesaria p a ra la supervivencia nacional y p ara su presfígio» se h a colocado en «un contexto social m ás convencional, con nuevas p rioridades» (Schweber 1994b, p. 143). D u ran te dos décadas h ab ía sido co m ú n m e n te aceptado que la inversión en ciencia básica se com p en saría en su m ayoría en el sector in d u strial y esto aseguraría el crecim iento económ ico. A hora algunos econom istas pu n tero s negaban que el apoyo económ ico público a la ciencia fuera u n factor de ‫ ؛‬٨ novación. Según F íarry Johnson, p ro feso r universitario de Econom ía, no existía u n a correlación clara en tre la can tid ad de d in ero que u n país se gastaba en la ciencia con su crecim iento económ ico. La ciencia básica, arg u m en tab a en 1968, era «pura y llanam ente u n bien de lujo, accesible sólo p a ra las m u y escasas personas en la sociedad que han recibido la educación p a ra p o d e ra p re c ia r sus m isterios esotéricos y que han sido capaces de p ersu ad ir a u n n ú m e ro ‫؛؛‬u íid e n te de sus co n ciu d ad an o s p ara que sustenten ‫ ؛‬US

iniciativas» (K ragh 1980b, p. 39). Era

te la

característica que encajaba bien con gran

p arte de la c o m u n id a d física y u n a r g u m e n t ó l e , si se aceptaba, en cam in aría la física básica hacia u n a caída en p icado del su sten tó g u b ern am en tal de la investigación. El nuevo debate era q u e los físicos sentían u n a p resió n in crem en tad a p ara justificar sus requisitos m o n etario s. Ya n o b astaba con apelar a criterios p u ra m e n te in tern o s de curiosidad científica o postular, com o hizo Schw inger en 1965, que «el nivel científico de ^ a lq u ie r p erio d o está personificado en la actitu d actual con relación a las p ropiedades fundam en tales de la m ateria. La visión del m u n d o de u n físico define el estilo de la tecnología y la cu ltu ra de la sociedad y le d a u n a d irección al progreso ftrturo» (Schw eber 1997, p. 664). En dólares constantes de 1983, las subvenciones federales p ara la investigación en física básica cayeron de 45‫ل‬.‫ ه‬m illones de dólares a 690 m illones en 1976 - u n 34 p o r 100 m e n o s-. El apoyo p o ste rio rm e n te creció len tam en te, pero en 1983 todavía significaba m en o s del 85 p o r 100 del nivel de 1967. D u ra n te el m ism o p eríodo, los gastos del D ep artam en to de D efensa y la NASA en investigación básica cayeron de m a n era m u cho m ás drástica que lo que se in crem en taro n los gastos de la NSF (véase tabla 26.1). M ientras que caía el apoyo, tam b ién lo hacía la p ro d u cció n de nuevos físicos. A p rin -

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TABLA 26.1 O bligaciones de EEUU p a ra investigación básica en física, en m illones de dólares de 1983 Fuente

1967

1976

1984

94,8

126,4

151,6

AEC/DOE

519,8

379,5

563,9

NASA

216,8

107,0

101,6

NSF

Defensa Total federal

179,6

60,4

126,1

1.045,2

690,2

960,4

Nota: Basado en datos de Brinkm an et al., 1986.

cipios de los ochenta, m ás de 1.600 físicos o b tu y íero n su d o cto rad o en las universida des estadounidenses. D iez años después, el n ú m e ro decreció a poco m ás de 900 (gráfi co 26.1). El n ú m e ro de d octores en el su b cam p o m as am plio, la física del estado sóli do, decreció de 442 en 1971 a 202 en 1980; en la físjca de partículas elem entales, el segundo su b cam p o p o r v o lu m en , la caída fue de 278 a 117. Sólo la óptica ex p erim en tó u n crecim iento de 25 a 43, sin d u d a en p a rte com o resultado del «efecto láser» y la im p o rta n c ia in crem en tad a de la ó ptica en las in d u strias de alta tecnología. El m ercado laboral en general era desfavorable, y u n p orcentaje apreciable de los nuevos doctores en física estaban desem pleados o te n ía n que aceptar trabajos n o relacionados con su form ación. Ya en los p rim ero s años trein ta, la crisis ocupacional fue lim itada y tuvo u n a d u ra c ió n relativam ente corta. En 1980, los «buenos viejos tiem pos» h ab ía n vuelto en gran parte, o así parecía. Sin em bargo, el n ú m e ro de graduados en física co n tin u ó estando en u n nivel bajo y, adem ás de esto, u n porcentaje im p o rta n te de graduados eran ciu d ad an o s extranjeros, euro p eo s o asiáticos. D ebería hacerse n o ta r que la física estadoun id en se ex p erim en tó u n a crisis sólo en u n sentido relativo, en concreto con re lación al extrem o apoyo y prestigio que hab ía d isfru tado d u ra n te las dos décadas p re vias. A dem ás, la crisis se relacionaba con factores externos y no afectaba de m an e ra se ria el progreso del co n o cim ien to científico. Sin d u d a, los años d u ra n te los cuales la crisis fue m ás debatida, especialm ente en tre la c o m u n id ad de física de altas energías, eran ju sto los años en que la física de altas energías consiguió tan to s avances notables que la gente em pezó a h ab lar de la «nueva física». La crisis en la física estad o u n id en se en los años setenta no se m anifestaba sólo en té rm in o s de apoyo económ ico y reclu tam ien to de nuevos físicos. Estos problem as ta m b ién te n ía n conexión con u n a m ás general crisis «m oral», y en cierta m edida eran re sultado de esta crisis, la cual am enazaba con ser au n m ás seria que la crisis en recursos m ateriales. M ientras que los físicos estaban aco stu m b rad o s a ser los héroes de la n a ción, y la física, la reina de las ciencias, desde finales de los sesenta la confianza p ú b li ca en las ciencias cayó ráp id am en te. U na encuesta de 1971 reveló que sólo el 37 p o r 100 del público valoraba a los científicos de m o d o «m uy favorable». Y n o fúe sólo el públi-


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o

-o

o،-I

Año académico Gráfico 26.1. Grados de física en EEULL 1961-1983. Fuente: Reproducido con perm iso de Physics Through the 1990s: Elementary-Particle Phyjics. (©) 1985 por National Academy o f Sciences. Cortesía de National Academy Press, W ashington, D.C.

co quien em pezó a p erd er c o ifia n z ^ en lo que ah o ra era cada vez m ás conocido com o «curia científica» (scientific priesthood). The N ew Priesthood fue el títu lo de u n libro de 1965 escrito p o r R alph Lapp, u n físico nuclear interesado en las consecuencias sociales y éticas de la física. Se oyeron voces disidentes, a m e n u d o fuertes, de en tre los propios físicos, m u ch o s de los cuales em p ezaro n a cuestionarse el ord en existente de las cosas. U no de los asu n to s principales fue la p articip ació n de los físicos, com o gru p o , en los asuntos sociales. ¿Eran las cuestiones sociales u n cam po legítim o, si no de la física, de los físicos? M ás específicam ente, ¿cóm o se p osicióno la c o m u n id ad física e stad o u n i dense con respecto a la investigación m ilitar, la carrera arm am en tística y la gu erra de V ietnam ? Tales p reg u n tas n o eran nuevas, pero alred edor de 1970 eran lanzadas con m ás frecuencia y con m ás d eterm in ació n . C harles Schwartz, u n físico de Berkeley, sugirió en 1968 que la A m erican Physical Society (APS) debería involucrarse en los asu n to s públicos, y que la in q u ie tu d p o r la física ú n icam en te com o física estaba equivocada. Según la visión de Schwartz, la APS debería hacerse o ír en el tem a de la g u erra de V ietnam en particular, «no p o rq u e te n

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gam os u n a co m petencia ú n ica en esta m ateria, sino p o rq u e c o m p artim o s u n a m ism a p reo cu p ació n y responsabilidad con el resto de segm entos de la e stru c tu ra social esta dounidense» (P T enero 1968, p. 9). La p ro p u e sta provocó m u ch o debate en tre los m iem b ro s de la APS, m u ch o s de los cuales apoyaban a Schw artz y d e m an d ab a n que la APS to m a ra u n a posición. O tro s, p o r supuesto, estaban h o rro rizad o s de que la APS pudiese convertirse en u n in stru m e n to político. C o m o lo expresó u n físico em pleado en u n lab o ra to rio m ilitar, «no q u erem o s q u e la APS se degrade cayendo en la m ism a categoría que los “hippies”, “extrem istas” y o tro s personajes bajo influencias ex tran je ras» (P T febrero 1968, p. 15). Q u e la p ro p u e sta de Schw artz se rechazara p o r u n a sóli da m ayoría n o im plicaba que los físicos estadounidenses fueran socialm ente indife rentes, estuvieran en general a favor de las pólítifcas g ubernam entales en V ietnam , o estuvieran felices p o r trab ajar p a ra el P entágono. H abía u n a preo cu p ació n real y ex te n d id a de có m o u sar y o rg an izar la ciencia^de u n m o d o m ás h u m a n o y socialm ente justo. P or ejem plo, en 1969, los físicos fu n d a ro n Scientists for Social a n d Political Actio n (C ientíficos p o r la A cción Social y P o lítk a ), u n a organización cuyo objetivo era b u scar «un redireccio n am ien to radical de la tecnología y la ciencia m odernas». El se cretario de la organización era M a rtin Perl, u n físico de 42 años de Stanford que m ás tarde ganaría u n p rem io N obel p o r su trab ajo en física de n eu trin o s. El porcentaje de físicos que p ro testó c o n tra la p articip ació n en V ietnam era m ayor que el de cualquier o tra disciplina académ ica, científicos sociales y académ icos hu m an istas incluidos. Las encuestas in d icab an que dos tercios de los físicos académ icos m ás destacados sim p ati zaban con el activism o estu d ian til radical y que cu atro de cada cinco n o ap ro b ab an la investigación clasificada en los laboratorios universitarios. La oposición no estuvo lim i tada a la g uerra de V ietnam , sino que incluyó la carrera arm am entística y, en concreto, el recientem ente pro p u esto sistem a de m isil antibalístico (ABM p o r las siglas en inglés de anti ballistic missile). En la re u n ió n de la APS de la p rim avera de 1969, m ás de m il fí sicos firm aro n u n a p etición dirigida al p residente N ixon urgiéndole a que p arara el sis tem a ABM y d ep lo ran d o «el com ienzo de u n a p articu larm en te peligrosa, pero final m ente fútil, escalada de arm as nucleares cu an d o n u estra expansiva crisis in tern a exige un a reasignación de los recursos nacionales» (Easlea 1973, p. 311). La caída en las subvenciones p a ra la física en los años setenta y la nueva conciencia social de m u ch o s físicos estaba en m arcad a en los Estados U nidos, pero no estaba lim i tad a a este país. En casi to d o s los países europeos, los presupuestos gubernam entales para la ciencia en general se estabilizaron y, d e n tro de los presupuestos, la ciencia físi ca fue u n a víctim a b astan te clara, a u n q u e n o ta n to com o en los Estados U nidos. H u b o en esta década u n salto de subvenciones y de interés público general y universal desde la física hacia la biología y las ciencias sociales. D ifícilm ente po d ría hablarse de una «crisis» en la física europea, la cual, a pesar de los recortes en dinero, realm ente no te nía u n a en tid ad co m o «física europea», sino q u e era física en los d istintos países e u ro peos. La frag m en tació n en tre m u ch as naciones fue quizá el m ayor pro b lem a en lo que, a pesar de to d o , llam arem os física europea. La difícil situación económ ica alrededor de 1970 hizo q u e G ran B retaña y Francia red u jeran sus gastos en investigación y desarro-


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lio (I+ D ) y en G ran B retaña varios g randes centros de física fueran clausurados. Sólo en A lem ania O ccidental la física ex p erim en tó u n m o d esto in crem en to en apoyo, y este país tam bién fue el único que apoyó ta n to al CERN com o a su laboratorio de física de altas energías n acional p ro p io (el centro DESY). U n paso im p o rta n te hacia u n sistem a de física eu ropeo m ás unificado se dio en 1968 con la fú n d ació n de la E uro p ean Physical Society (EPS) o Sociedad Física E uro pea, con el italiano G ilberto B ernardini com o su p rim e r presidente. La idea de fu ndar tal organización se gestó en u n a re u n ió n de 1965 de la Sociedad Física Italiana, do n d e los p articip an tes co n sen su aro n q u e la p articip ació n creciente de la física en los p ro b le m as sociales, políticos y éticos necesitaba de u n a m ayor u n id a d en tre los físicos en Eu ropa. La EPS era básicam ente u n a u n ió n u organizació n-paraguas de sociedades físicas nacionales existentes y de academ ias científicas. En 1972 incluía organizaciones de veinticuatro países, ocho de la E uropa co m u n ista y q u ince de la E uropa no com unista, m ien tras que com o país n o europeo, Israel era tam b ién m iem bro. Las organizaciones de la EPS represen tab an a u n o s 36.000 m iem bros, haciendo de la m ism a la m ayor o r ganización profesional de físicos del m u n d o . T radicionalm ente, cada u n o de los grandes países europeos ten ía su p ro p ia p u b li cación de física m ás o m en o s in tern acio n al. Éstas ten ían u n gran pasado, pero en la era de la posg u erra d o m in a d a p o r Estados U nidos, era m u y poco seguro que éstas fueran a ten er tam b ién u n gran futuro. La p rim e ra revista que fue publicada p o r entero p o r la EPS, y en este sen tid o la p rim e ra publicació n de física realm ente europea, fue Europhysics Letters, que em pezó en 1986. In c o rp o ró las secciones de com unicaciones p e r tenecientes o rig in alm en te a la italiana N uovo C im ento y al francés Journal de Physique. A unque la nueva p u blicación aceptaba escritos en inglés, francés, alem án y ruso, nada m ás em pezar to d o s los artícu lo s estaban escritos en inglés. Se había reconocido d u ran te largo tie m p o q u e el inglés era la lengua in tern acio n al de la física y que las p u b li caciones nacionales en o tras lenguas n o d e s e m p e ñ a b a n nin g ú n papel real en la inves tigación fronteriza de la física. En 1980, ú n físico destacado que n o p u d ie ra h ablar y escribir en inglés era u n a rareza, casi u n a co n trad icció n en sí m ism a. D espués de 1986, otras publicaciones europeas de fí sica.seJ ú s io n aro n , cerraro n o fueron reorganizadas bajo el sistem a de p u blicación de la EPS. La racionalización era indispensable y sim plem ente hab ía dem asiadas, y dem asiado p oco im p o rtan tes, publicaciones de física en Europa. La cu lm in ació n llegó a p rin cip io s de 1998, cu an d o dos de las publicaciones m ás prestigiosas e h istó ricam en te im p o rtan tes, la alem ana Zeitschrift fü r Physik y la francesa Journal de Physique se fu sio n aro n , m etam o rfo seándose en la nueva European Physical Journal. M odelada siguiendo el p a tró n de Physical Review, la nueva p u blica ción apareció con cinco secciones diferentes. Por supuesto, apareció n o sólo en papel, sino tam b ién en fo rm ato electrónico. En 1983, la crisis - s i es que realm ente h u b o a lg u n a - en la física de Estados U nidos ya había pasado y el apoyo federal em pezó a m o stra r u n increm ento sustancial. El cam bio m ás drástico fue la cantidad de d inero asignado p ara investigación en defensa. Los presupuestos de Reagan de 1984 pedían u n increm en to de 6.900 m illones de dólares en

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I+D federal, con p rácticam ente to d o el· increm en to relacionado con e‫ ؛‬D ep artam ento de Defensa. M ientras que la p arte de defensa de la inversión federal en I+D fue del 48 por 100 en 1980, en el p resupuesto de 1984 era del 67 p o r 100. Lo que pasó d u ra n te los años ochenta fue u n a rem ilitarización de la ciencia, con u n papel asignado a la física rem iniscente de aquél de los años cincu en ta -e s decir, com o u n a fuente de nueva tecnología de arm as y de o tro s conocim ientos m ilitarm en te útiles (véase gráfico 20. 1)- . La principal razón p o r la cual se dio este renovado papel en la investigación m ilitar fue la Iniciativa Estratégica de D efensa de Reagan (Strategic D efense initiafíve, SDI) o «Star Wars» (Guerra de las Galaxias), u n p ro g ram a de investigación tecnológicam ente am bicioso de 26.000 m illones de dólares dirigido a desarrollar u n «escudo nuclear» basado en el láser avanzado y en arm as de haces de ^ r f í c u ^ ‫ ^ ؛‬g n a d a s para d estru ir los m isiles balisfíeos soviéticos atacantes. La iniciativa causo acalorados debates en la co m u n id ad física, en m uchos casos la repetición de muchos,¿lebates relacionados con el sistem a ABM y la guerra de V ietnam . A unque m uchos lab oratorios de física estuvieran ’ generosam ente com o resultado del proyecto SDI, la m ayoría de los físicos estadounidenses no estaban entusiasm ados p o r ello. El p rim e r a!٦٠ desde que lo anunciara Reagan, la U nión o f C o n cerned Scientists había conseguido el apoyo co n tra el SDI de unos m il científicos, incluyendo 54 prem ios N obel. A rg u m en taban que el SDI no sólo era tecnológicam ente ingenio y económ icam ente ruinoso, sino que tam b ién era «m oralm ente repugnante». C o m o en debates anteriores sobre el papel de los físicos en proyectos m ilitares, no existía n ingún acuerdo en tre ellos. U no de los prem ios N obel que protestaba c o n tra el SDI fue R o b ertW ilso n , q u ien en 1% ‫ ة‬descubrió la radiación cósm ica de fondo. Su co descubridor y colaureado, A rno Penzias, declinó firm ar el m anifiesto de protesta, arg u m en tan d o que era «más polém ica que ciencia». £sta época de g ran agitación política en el m u n d o de la física incluía u n a nueva actitu d crítica hacia ‫ ط‬m ism a investigación física, ta n to en el ám bito cognitivo com o en relación a sus prio rid ad es y organización. Los artículos sobre «la crisis de la física» se m ultiplicaron, ta n to en los Estados U nidos com o en E uropa. C om o ejem plo típico de la nueva crítica a ten er en cuenta, el de u n joven físico británico que en 1974 atacó el sistem a de gran ciencia p o r desem bocar en «elitismo, c o m ^ titiv id a d , subsidio, burocratización, m e n ta lid a d de a d m in istra c ió n de em presas y co n cen tració n del p o d er económ ico y de to m a de decisiones», y esto n o era todo, ya que tam b ién «asfixiaba la espontaneidad, independencia, originalidad, creatividad, e incluso la objetividad». En la física de altas energías, arg u m en tab a que el sistem a había llevado a «una sucesión de m odas pasajeras que se h a n hecho tan populares com o los hula-hops [...] los físicos m ás jóvenes se h an d ad o cu enta de que juegan con ventaja si se a p u n tan a u n a de estas m odas pasajeras ta n p ro n to com o sea posible, in d ep en d ientem ente de que sea o n o fructifero y sin ten er en cuen ta si realm ente creen en ello» (¥aes 1974, p. 463). A lgunos de estos tem as fueron destacados p o r M ichael M oravcsik, u n teórico estadounidense, en un artículo titulado, có m o no, «La crisis de la física de partículas». M oravcsik creía que la física de partículas elem entales estaba to talm en te equivocada y que p arte de la culpa debería encontrarse en u n a m ezcla de factores sociológicos y m etodológicos. El confor


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m ism o reinaba, p ro p u g n ab a M oravcsik, siendo el p e o r síntom a «el fadism , esto es, la concentración de esfuerzos alrededor de u n p eq u eñ o n ú m e ro de tem as y enfoques de m oda, los cuales están m ás d eterm in ad o s p o r las cualidades personales de algunos físi cos influyentes que p o r los criterios usuales de m érito científico» (M oravcsik 1977, p. 92). Su crítica fue contestada p o r u n rep resentante del statu quo de la física de p a rtíc u las, el teórico b ritán ico John Polkinghorne. D e m o d o sintom ático, quizá, en los años ochenta M oravcsik derivó a estudios de ciencia del Tercer M u n d o y Polkinghorne eligió la teología com o vocación en lugar de la física. Tanto social com o cognitivam ente, la fí sica de altas energías estaba en u n estado fluctuante en los años setenta. Las objeciones c o n tra el sistem a científico declaradas p o r físicos estadounidenses estaban casi p o r com pleto enfocadas hacia el m al uso de la física, la organización de la física y la carencia de responsabilidad social. Fue u n a o posición radical, pero sólo rela tivam ente: a pesar de to d a la retórica, n o se cu estio n ab an asunciones fundam entales, com o el valor de la ciencia o los m éto d o s aceptados de investigación científica. M ás allá de esto, era u n a crítica m ás m o ra l que ideológica, basada en u n análisis político explí cito. El fuerte co m p ro m iso de m u ch o s científicos euro p eos con el m arxism o no era u n tem a que se en c o n tra ra en el debate estadou n id en se, d o n d e la «m arxología» estaba prácticam en te ausente. Los físicos euro p eo s de izquierdas ten d ía n a estar m ás directa m en te inspirad o s p o r el m arx ism o y en algunos casos d em an d ab an u n a tra n sfo rm a ción m ás radical de la ciencia. P or m en c io n a r sólo u n ejem plo, el físico francés JeanM arc Lévy-Leblond arg u m en tab a que la ideología era inseparable de la ciencia y que parte de la ideología de la física m o d e rn a era la jerarq uización epistem ológica de la ciencia que adscribía u n a posició n de privilegio a la física de partículas «fundam ental». U na o p in ió n sim ilar fue d efendida p o r Philip A n d erso n y otros en los Estados U ni dos, pero sin los trasfo n d o s ideológicos.) O tra p arte de la ideología de la ciencia fue la -tradicionalm en te elitista y m eritocráti،‫ ^؛‬concepción de la ciencia [...] [y] la ideología de expertos y com petitividad». ¿Cóm o/és, se p reg u n tab a Lévy-Leblond y sus alm as ge m elas, que cu an to m ás se involucra u n a ciencia en la p ro d u cció n d iaria y la vida co ti diana, m ás p ierde su n atu raleza «científica»? La ciencia, c o n tin u ó en u n clásico argu m ento m arxista, «se h a ido sep aran d o p rogresivam ente de sus orígenes y ha cesado de m o strar sus frutos e in sp iració n a p a rtir de la m asa de sabiduría popular»; com o ejem plo, m en cio n ab a la localización de agua (com o ejem plo de conocim iento p o p u lar tra dicional) y sugirió que este fen ó m en o debería ser investigado con la m ism a seriedad • com o u n detalle concreto del corte transversal de la colisión p ro tó n -p ro tó n ante altas energías». Y, au n así, incluso el radical Lévy-Leblond d u d ab a si lu ch ar p o r u n a física m arxista específica. A dm itió que la física de altas energías estaba realizada esencial m ente del m ism o m o d o en los Estados U nidos y en la U n ió n Soviética, e incluso p ro bablem ente en la C h in a m aoísta, y q u e «no es fácil cam biar radicalm ente u n p u n to de vista sobre el co n ten id o in te rn o de n in g u n a ciencia» (Lévy-Leblond 1976, pp. 166169). O tros profetas de los años sesenta y setenta tu v iero n m enos d u d as en sus p e ti ciones de m o d o s de ciencia q u e diferían fu n d am en talm en te de la despreciada «ciencia capitalista» cuyo arq u etip o era la física de altas energías.

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Una revuelta contra la ciencia La crítica c o n tra la ciencia en u n nivel fu n d am en tal, en ocasiones incluyendo el re chazo de la ciencia com o tal, n o fue u n invento de los años sesenta. A través de su his to ria, la ciencia h a sido atacada co n tin u am en te y gran p arte de la crítica que se hizo tan visible en los años sesenta y setenta te n ía sus raíces en el siglo xix o incluso a u n antes. De acuerdo con u n a co rrien te crítica, típ icam en te e n co n trad a en los escritos del cristalógrafo m arxista b ritán ico John D. Bernal en los años trein ta y cuarenta, la ciencia está socialm ente o rganizada de m a n e ra e rró n ea y se usa para u n o s p ropósitos equivo cados, p o r ta n to debe ser cam biada. A unque Bernal y sus cam aradas en el m o v im ien to de «científicos rojos» de los años tre in ta n o rechazaban los valores de la ciencia en sí, sim plem en te in te n ta b a n conseguir cam bios p ro fu n d o s en la práctica social de la ciencia. C am b ian d o la sociedad -d e s d e u n a e stru c tu ra capitalista a u n a basada en el so cialism o - la ciencia se cu raría de su enferm edad. Pero había otras versiones m ás a n tiguas de crítica de la ciencia que to m a ro n u n a p o stu ra m ás radical, cuya consecuencia fue la negación de la ciencia, m ás q u e u n a redefim ción de la m ism a. La trad ic ió n ro m án tica o u tó p ica, y a m e n u d o antiintelectual, enfatizaba el co n o cim iento de la n a tu raleza ap reh en d id o subjetiva e in tu itiv am en te y se o p o n ía a los cánones de objetividad característicos de la ciencia co m ú n . El vitalism

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tarios m ilitares e industriales. No tiene m érito destacar que eran m arcados, au n q u e a‫؛‬ m ism o tiem p o n o percibidos, los paralelism os en tre la anticiencia y los m ovim ientos radical-científicos de los setenta y la actitu d hacia la ciencia que floreció en A lem ania a principios de los años veinte bajo el liderazgo espiritual de O s^'ald Spen^ler (véase capítulo 10). D e m o d o similar, había paralelism os con la situación en la U nión Soviética, el Tercer Reich y el resto del m u n d o a ‫؛؛‬ ٨١٦ le,‫ ؟‬de los años treinta. En 1942, el sociólogo R obert K. M erton escribió sobre «un asalto frontal c o n tra la au to n o m ía de la ciencia» y advirtió co n tra lo que veía com o u n antiintelectualism o am enazante. «La revuelta de la ciencia», escribió, «que [hasta recientem ente] parecía ta n im probable ya que im plicaba sólo al tím id o académ ico que p o n d eraría todas las contingencias, no im p o rta cuán rem otas, aho ra h a sido forzada a la atención tan to del científico com o del gran público» (M e rto n l9 7 3 , p. 267). ?erten ecien te a u n a trad ició n b astan te diferente a la de los críticos sociales europeos, el análisis de T h o m as K uhn de 1962 de la evolución histórica de la ciencia ininten cio n ad am en te resultó ser o tra fuente p a ra el m alestar hacia la ciencia. C on u n ،loeto rad o en física bajo la dirección de John Slater, K uhn no ten ía n in g u n a inten ció n de unirse a la ten d en cia anticiencia. En su best seller La estructura de las revoluciones científicas, K uhn arg u m en tab a co n tra la visión positivista de la ciencia, sugiriendo que no existe el progreso científico a lo largo de p erio d o s de cam bio revolucionario, e insinuó que la ciencia se desarrolla en u n a m an era n o racional. El m ensaje, le pareció a m uchos de sus jóvenes lectores, era q u e la física n o era m ás científica que ‫ ط‬f ic o lo g ía , la histo ria del arte, o ‫ ظ‬crítica literaria. T am poco debía la astro n o m ía m o d e rn a ser m ás confiable que la astrología. D esarrollando algunos de los tem as de K uhn, el filósofo austriaco -am erican o Paul F ey erab en d fu e m ás allá y atacó la ciencia y al m éto d o científico com o nociones p u ra m e n te i d e o l ó ¿ ^ s que iban de la m an o de la religión, los m itos y ‫ ظ‬propagan d a; sólo la ciencia, al c o n tra rio que la religión y los m itos, había llegado a ser el dogm a p re d o m in a n te de lo sJiem p o s m o d ern o s, ejecutando u n a d ictad u ra m ental pareja a ‫ ط‬de la Iglesia católica ro m a n a en la E dad M edia. Feyerabend arg u m en taba a favor de la abolición de la in stru cció n o bligatoria de la ciencia en las escuelas y de cualquier tip o de apoyo g u b ern am en tal de las actividades científicas. «¿Qué tiene de grandioso la ciencia?», se p reg u n tab a. «¿Qué hace a la ciencia m o d e rn a preferible a la ciencia de los aristotélicos o a la cosm ología de los Hopi?» (Feyerabend 1978, p. 73). Según Feyerabend, ab so lu tam en te nada. Los trab ajo s de K uhn y Feyerabend co n fo rm aro n el contexto de otros estudios históricos, filosóficos y sociológicos de la ciencia, siendo la últim a m o d a conocida com o el pro g ram a de sociología del co n o cim ien to científico o constructivism o social. Los soriólogos constructivistas de los años o ch en ta y noventa negaban que la cosm ovisión científica estuviera basada en la n aturaleza y que, p o r tan to , debiera dársele m ayor p rio rid ad q u e a cualq u ier o tra cosm ovisión. La ciencia, decían, es !}ásicamente u n a construcció n social y cu ltu ral fabricada a través de negociaciones, decisiones políticas, trucos retóricos y p o d er social. Sabiendo q u e la verdad y la falsedad son siem pre reíativas a u n m arco local dado, las creencias de los científicos sobre la naturaleza n o son

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inheren tem en te superiores a aquellas de las de n in g ú n o tro grupo. En u n ،ibro sobre la h isto ria de la física de altas energías m o d e rn a , el autor, u n físico joven convertido en sociólogo, concluyó, «El m u n d o de la H E ? [física de altas energías] es u n p ro d u cto cultu ral [...] n o hay n in g u n a obligación p a ra cualquiera que quiera presen tar u n a visión del m u n d o de to m a r en cu en ta lo q u e tiene que decir la ciencia del siglo XX» (Pickering 1984a, p. 406). Tales visiones, p opulares en g randes secciones del m u n d o académ ico, no eran lo que la m ayoría de los físicos gusta de escuchar. Los constructivistas sociales habían sido acusados de co n trib u ir a u n a atm ó sfera de «m ayor superstición» y a u n renacer del odio hacia la ciencia. ¿Qué tiene to d o esto que ver con la física? D e fo rm a directa, m uy poco. Las visiones de Feyerabend y M arcuse n o eran lo m ás d eb atid o en los lab o rato rio s de física, pero de m an era indirecta, la crítica de la ciencia y el m alestar general hacia la ciencia que resultó después de alred ed o r de 1970 ‫؛‬ue ta m b ié n im p o rta n te para la física. C om o ciencia d u ra y «m asculina» con u n a (m erecida) rep u tació n p o r sus cercanas conexiones con las aplicaciones m ilitares, la física se v io ^ ta c a d a m ás que la m ayoría de las dem ás ciencias. M uchos estudiantes b rillantes decidj^ron que los estudios en ciencias sociales o quizá en ciencias biológicas y m edio am b ien tales e ra n m ás de su gusto. En general, la p o p u la rid a d de la física en tre los estudiantes cayó estrepitosam ente. H abía otras form as de d isen tir de la física establecida que subiéndose al p o p u la r carro relativista o d iciendo que la física es u n a expresión de los m o d o s de pensam iento m asculinos y capitalistas. F ritjof C apra, u n teórico de p artículas estadounidense, creyó que había e n c o n tra d o u n a conexión p ro fu n d a en tre la teo ría cuántica m o d e rn a y expresiones de m isticism o orien tal, tales com o el b u d ism o Zen. Su Tao d e ‫ ا‬،‫ س' ﺀ ةمﺀ‬, publicado p o r vez p rim e ra en ‫ ا‬975 ‫ ﺀ‬se hizo in m en sam en te p o p u la r p o rq u e casó m uy bien con el espíritu de la década. Fue c o n tin u a d o enseguida p o r u n a co rrien te de o tro s trabajos del m ism o d u d o so género. El proyecto de C ap ra era de algún m o d o el opuesto absoluto al de los críticos de la ciencia q u e acusaban a la física de ser u n a em presa desalm ada y m aterialista. Según C apra, las ideas de la física cuántica eran exactam ente las m ism as qu e aquellas alcanzadas m u ch o antes p o r los m ísticos del este a través de la m editación y la in tu ició n . La idea c o m ú n incluía que la física era básicam ente subjetiva, u n reflejo de la m en te h u m a n a m ás q u e u n a descripción de u n a naturaleza indep en d ien te co m p u esta de partículas y cam pos. A dem ás, C apra e n c o n tró en la teoría de m atriz s «dem ocrática» el paralelism o m ás convincente con el m isticism o oriental. El que la teo ría de m a triz s h u b iera sido a b a n d o n a d a p o r la in m en sa m ayoría de los físieos era u n hech o q u e parecía n o p re o c u p a r al autor, siendo el a b a n d o n o de la teoría prob ab lem en te desconocido p a ra la m ayoría de sus lectores. El Tao de lafísica fue el rep resen tan te de u n a ten d en cia co n ectada con ‫ ط‬c o n tra c u ltu ra que n o rechazaba a la física com o tal, sino q u e sugería in terp retacio n es alternativas y extrapolaciones que para m uchos lectores eran m u ch o m ás atractivas que las versiones fidedignas. La aiternativa de D avid B ohm a la irte rp re ta c ió n de C open h ag u e de la m ecánica cuántica tuvo sus com ienzos m u ch o s años antes de los setenta, p ero fue sólo con el nuevo clim a cultural q ue desarrolló sus ideas en u n a dirección co n so n an te con el m isticism o y la holística


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que caracterizaro n a] m o v im ien to ««، '١٧ age». Las ¡deas de B ohm de u n «orden im plicado» le con v irtiero n en u n p ersonaje de culto en am plios círculos, pero no im pactaron de n in g ú n m o d o en la física p red o m in an te.

¿El final de la físi€a? «¿Se vislu m b ra el final de la física teórica?» fue el títu lo del discurso in au g u ral de S tephen H aw king cu an d o en 1980 asum ió la prestigiosa C átedra Lucasiana de m atem áticas en la U niversidad de C am bridge. H aw king consideró com o u n a posibilidad realista que la física teórica sin d u d a p u d iera te rm in a r en u n fig u ro no dem asiado distante, posiblem ente tan p ro n to com o en el cam bio de siglo, ?ero ¿qué quiere decir que la física, la ciencia, llega a su final? Según H aw king, significaba «que p o d ríam o s tener u na teoría com pleta, consistente y unificada de las interacciones físicas que p o d rían describir todas las observaciones posibles». ?٠٢ el reciente progreso realizado en física fírndam ental, sin tió que «había algunas bases p a ra el o p tim ism o cauteloso p o r el que p o dam os ver u n a teoría com pleta a lo largo de la vida de algunos presentes aquí» (Crease y M an n 1986, p. 410). M erecen destacarse dos pu n to s: el p rim ero , que Hawking entendió la expresión «final de la física teórica» com o el establecim iento de una teoría unificada y com pleta que abarcara, en principio, todas las teorías especiales. Segundo, que H aw king era optim ista con relación a que se en co n trara dicha teoría, o sea, que pensaba que sería algo bueno. En los años ochenta y noventa, el tem a del fin de ‫ ط‬física se debatió am pliam ente y fue la base de u n a in d u stria m en o r de publicaciones. Le¡os de ser u n sín to m a de c risis ,^ ^ )o p u la rid a d del tem a reflejó u n sentido de progreso que se dio en los intentos p ara unificar las leyes básicas de la física. Después de todo, com o dirían m uchos físicos, el fin últim o de ‫ ظ‬física fundam ental es pro d u cir u n a teoría final o com pleta y después, de alguna form a, suicidarse. H abiendo digerido esta teoría final del fírturo, n o quedaría nada m ás ‫ ﻣﺎ و‬hacer, al m enos nada de interés fundam ental. H aw king era p len am en te consciente de q u e el tem a del fin de la física co n tab a con un a historia larga. R elatam os en el capítulo ‫ ل‬cóm o en la década de 1890, M ichelson profetizó el fin de la física, au n q u e lo que tenía en m en te no era u n a gran teoría unificada. Siguiendo los te m p ra n o s triu n fo s de la m ecánica cuántica, y especialm ente la form ulación relativista especial de la m ecánica cuántica en 1928, varios físicos sugirieron que ‫ ط‬física estaba ap ro x im án d o se a u n estado de p len itu d . El o p tim ism o era en o rm e )·prevaleció u n sen tim ien to general de q u e «la física estaba p rácticam en te term inada», com o dijo ?eierls. El sen tim ien to fue expresado y hech o tam os،) p o r D irac en u n artículo de 1929, «La teo ría general de la m ecánica cu án tica a h o ra está casi com pleta», escribió; «Las leyes físicas subyacentes necesarias p a ra la teo ría m atem ática de gran parte de la física y to d a la q u ím ica son p o r ta n to co m p letam ente conocidas, y la dificuitad es sólo q u e la aplicación exacta de estas leyes deriva a ecuaciones dem asiado com plicadas com o p ara ser resolubles» (K ragh 1990, p. 267). ? ro n to se vio q u e el o p tim ism o de D irac era inftrndado y que la m ecánica cuán tica relativista en realidad dio paso a to d a u n a nueva serie de problem as. La visión de

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D irac de la teoría final era, com o la de H aw king, reduccionista. Se esperaba que ‫دس‬ teo ría verd ad eram en te com pleta, en la fo rm a de u n g ru p o de ecuaciones, explicara todos los fen ó m en o s de u n a m a n e ra deductiva; en este sentido, los fenóm enos podrían ser reducidos a instancias especiales de la teo ría final. £1 ideal de reduccionism o de ‫ظ‬ teo ría p u d o ser e n c o n tra d o m u ch o s años antes de D irac y fue, p o r ejeniplo, el fundam en tó m etodológico de la teo ría de cam po u n ificada de G ustav M ié de 1912. £instein tam b ién suscribió la visión de que el fin ú ltim o de la física es «llegar a aquellas leyes firndam entales universales a p a rtir de las cuales el cosm os p u ede ser recreado p o r p u ra deducción», co m o escribió en 1918 en u n discurso dado con ocasión del sexagésim o cum pleañ o s de Planck. D espués del o p tim ism o p re m a tu ro de 1928-1930, h u b o que esperar m u c h o tiem po h asta que los físicos re to m a ra n el debate del fin de la física. M ientras, o tro s físicos enfocaban la cu estió n de u n a m an era distinta. Las teorías deductivas de M ilne y Eddingto n , desarrolladas en los años tre in ta y cuaren ta, p ro m etía n u n co n o cim iento apriorístico del universo entero, que incluiría las «explicaciones» de las constantes n a t u r a l ^ tales com o la co n stan te de e stru c tu ra fin^La.<
G am ow n o req u ería u n a teo ría fú n d a m e n ta l u n ificada a p a rtir de la cual todas las dem ás teorías p u d iesen ser deducidas, sino que las leyes fundam entales, estuvieran COnectadas o no, friesen conocidas. En el m ism o año en que G am ow publicó su artículo, Einstein expresó en sus Notas autobiográficas su p ro fu n d a creencia de que «la n atu raleza está co n stitu id a de tal m o d o que es posible de m an e ra lógica fo rm u lar ،eyes tan ftiertem ente d eterm in ad as que d e n tro de las m ism as sólo se den constantes com pleta

La ciencia atacada, ¿la fí$ica en crisis?

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y racionalm en te d eterm in ad as (n o constantes, p o r tan to , cuyos valores num éricos puedan ser cam biados sin d e stru ir la teoría)» (Schílpp 1949, p. 63). R ichard Feynm an fue o tro de los científicos que creía que el conocim iento científico al nivel m ás fu n d am en tal era finito, y que llegaría u n día en que la física a este nivel term inaría. «£sto de que siem pre vayam os a d escu b rir m ás y m ás leyes nuevas n o puede c o n tin u a r siem pre», escribió en 965‫ل‬. C o m o G am ow , usó la m etáfo ra de las expíoraciones geográficas p ara d ejar claro su p u n to de vista: «Tenemos m u c h a suerte de vivir en u n a era en la cual todavía realizam os descubrim ientos. Es com o el d escubrim iento de A m érica -s ó lo la descubres u n a v ez-. La era en que vivim os es la era en la que estam os descu b rien d o las leyes fun d am en tales de la naturaleza, y ese día n u n ca volverá. [...] H ab rá [en el futuro] u n a d egeneración de ideas, ju sto com o la degeneración que los grandes exploradores sien ten que o c u rre cu an d o los tu ristas em piezan a m overse en u n territo rio » (Feynm an 992‫ل‬, p. 172). A un q u e las ideas de G am ow , Eínsteín y Feynm an n o se referían a u n a teo ría unificada, sus concepciones respecto al final de la física eran b astan te sim ilares a las que se hiciero n ta n p opulares cerca del final de siglo. Steven W einberg era u n o de los m u ch o s teóricos de los años noventa que creía en una teoría final a p a rtir de la cual fluirían to d as las líneas de explicación. La teo ría n o sería inevitable lógicam ente, sino q u e estaría aislada lógicam ente, en otras palabras, «cada constante de la naturaleza p o d ría ser calculada a p a rtir de p rim ero s p rin cip io s [...] Conoceríam os a p a rtir de la base de m atem ática y lógica p u ras p o r qué la verdad n o es I‫؛‬geram ente diferente» (W einberg 1993, p. 237). C ualquiera que fuera la fo rm a precisa de la teoría final, W einberg ten ía confianza en que sería m ecánico-cuántica, u n a postu ra co m p a rtid a p o r casi to d o s los ünifiâcionistas. La m ayoría de las visiones de te ó r i c o ^ e ^ a r t í c u l a s de u n a teoría final son reduccionistas y están basadas en u n a visión jerárquica de las ciencias que ha sido pu esta en du d a p o r m u ch o s filósofos, así com o p o ^ h n o s físicos. La crítica de Philip A nderson de los años setenta de la reclam ada su p e rio rid a d epistem ológica de la física de altas energías incluía la observación: «La hab ilid ad p ara red u cir to d o a sim ples leyes fundam entales n o im plica la habilid ad p ara em p ezar a p a rtir de aquellas leyes y reco n stru ir el universo. D e hecho, cu an to m ás nos h ab lan los físicos de partículas elem entales sobre la natu raleza de las leyes fu n d am en tales, m e n o r relevancia parece que tiene con respecto a los m u y reales p ro b lem as del resto de la ciencia, y m u ch a m e n o r con respecto a aquellos de la sociedad» (A ntlerson 1972, p. 393; véase tam b ié n el capítulo 21). A nderso n destacó que son las soluciones a las ecuaciones, no las ecuaciones p o r si solas, las que se relacion an con fen ó m en o s físicos y que las soluciones son específicas a los diferentes niveles de la n atu raleza. A un q u e los áto m o s y las m oléculas se co n stituyan a p a rtir de q u ark s y leptones y éstos obedezcan a las leyes de física de partículas elem entales, física ató m ica, q u ím ica y física del estado sólido n o p u e d en reducirse a la física de p artícu las elem entales. Si este nivel de «em ergencia» es aceptado, no hay raz ó n p a ra esp erar que u n a teo ría final sea u n a teo ría «de todo». D e ahí q u e la teoría final n o m arcará el final de la física, so lam en te el final de la física fu n d am en ta l de altas energías.

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«El final de ‫ ظ‬física» se p u ed e e n ten d er en u n sen tido que n© tiene nada que ver con las teorías finales, unificadas. La física, tal com o la conocem os, puede te rm in a r sim plem en te p o rq u e las perso n as p ierd an interés en ella o p o rq u e los gobiernos e in stituciones subvencionado™ ،‫ ؟‬d ecid an que n o hay necesidad de apoyar la in v e stig a c ^ n en física básica en u n a escala sustancial. Tales som bríos avisos no son nuevos, pero al liegar el siglo a su final, eran oídos con m ás frecuencia y m ás alto que antes. Y estos avisos frieron expresados p o r físicos que estaban p reo cu pados p o r o tro p eriodo de crisis, acentuad o p o r la carencia de d escu b rim ien to s realm ente em ocionantes d u ran tes m ás de dos décadas. P ara algunos, parecía q u e la crisis de los años setenta había vuelto y que factores in tern o s y externos conspiraba p ara que la vida de los físicos fuera m ás dura. C on la disolución de la U n ió n Soviética en 1990, la situación se hizo p articu larm en te difícil para los físicos en el este de E uropa y Rusia. N o servía de m u ch o consuelo que en el m u n d o o ccidental estuvieran m u ch o m ejo r p arad o s que sus colegas orientales. Leo Kadanoff, u n teórico destacado de m ateria co n d en sad a estadounidense destacó en 1992 que la «ciencia está p oco valorada» y que las actitudes anticientíficas de los sete n ta eran aú n p o líticam en te im p o rtan tes. «Estam os acercándonos velozm ente a una situación en la que nadie se creerá n ^ d e lo que digam os en cualquier m ateria reíativa a n u estro p ro p io interés. N ada d é lo q u e hagam os parece que p u eda d eten er núestra caída en n ú m ero , apoyo o valo r social [...‫ آ‬Hoy,‫؛‬cu an d o el público piensa en los produ cto s de la ciencia, es p ro b ab le p en sar en ‫ ^؛‬b l e m a s m edioam bientales, inform es “científicos” desp reo cu p ad o s o deshonestos, h u rra s en Liverm ore p ara que haya “nucleares para siem p re” y u n a g ran can tid ad de ru id o ' en todos los tem as, desde el calen tam ien to global hasta “la cara de D ios”». A unque ‫ ظ‬situación era seria, según la visión de K adanoff, n o era u n p relu d io del final de la ciencia, pero sí que podría ser u n p relu d io a u n papel b astan te redu cid o de la ciencia en el siglo XXI, y de la física en particular. «En las ú ltim as décadas, ‫ ظ‬ciencia h a sido m u y considerada y ha sido el centro del interés y la p reo cu p ació n sociales. N o deberíam os so rp ren d ern o s si esta anom alía desaparece. Todos estarem os d esencantados y h eridos p o r esta previsible evolución. Pero si p o d em o s m ira r con d istancia y ver la situación con algo de perspectiva, to do s los q u e estam os en la ciencia p o d em o s decir que hem os tenido suerte de ser p arte de u n a em presa que ha m erecido la pena» (P T octu b re 1992, p. 10).

C A P ÍT U L O 27


El problema de la unidad En 1918 se $ab‫؛‬a que la teo ría de E instein de ‫ ظ‬relatividad general describía la gravitación y la teoría de fen ó m en o s electrom agnéticos de M axw ell-Lorentz. Éstas eran las dos fuerzas fun d am en tales reconocidas en la época, p o r lo que era n a tu ra l tra ta r de u nificar am bas teorías. Las teorías de cam p o de Weyl (1918) y de E d d ington (1921) estab an entre las ideas de unificación m ás te m p ra n a s pertenecientes al nuevo p ro g ram a de geom etrizació n de la física. La ap foxim ación de T h e o d o r Kaluza, u n m atem ático de la U niversidad de K óninsberg, era diferente de la seguida p o r Weyl, pero el objetivo de K aluza era el m ism o. En u n trab ajo de 1921, K aluza atacó el p ro g ra m a de proveer «una descripción co m p letam en te unificada del m u ndo [...] [la cual es] u n a de las grandes am biciones del esp íritu h u m an o » (Vizgin 1994, p. 151; cursiva en el original). Kaluza postu ló p o r u n espacio rie m a n ia n o de cinco d im ensiones, añad ien d o a las cu atro dim ensiones del espacio -tiem p o usual u n a h ip o tética d im en sió n extra del m u n d o . El significado físico de la q u in ta d im en sió n n o estaba claro, pero Kaluza descubrió que, en esta dim en sió n , la trayectoria de u n a p artíc u la era siem pre u n a curva cerrada. Adem ás, su teo ría de cam po de cinco dim ensiones, basada en catorce potenciales (diez gravitacionales y cu atro electrodinám icas), incluía ta n to a la teo ría general relativista de la gravitación com o a las ecuaciones fijndam entales del electrom agnetism o. Einstein enco n tró atractiva la teo ría al principio, p ero p ro n to ta n to él com o la m ayoría de los otros especialistas en el cam p o llegaron a la conclusión de que no ten ía conexión con el m u n d o físico. Kaluza y los p rim ero s unificacionista،‫ ؟‬n o in c o rp o ra ro n el m u n d o cuántico a sus p ro g ram as y sólo c o m p ren d iero n que de alguna m a n e ra la teo ría cuántica cam biaría el juego de la unificación. Ya en 1916, E instein com en tó en su artículo sobre ondas gravitacionales q u e «la teo ría cu ántica d eberá m odificar no sólo la electro d in ám ica de M axwell sino tam b ién la nueva teo ría de gravitación». De m o d o $¡milar, Kaluza reconoció que «cualquier hipótesis que declara te n er u n a significación u n i

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versal está am enazada p o r la esfinge de la física m o d erna: la teoría cuántica» (Vizgin 1994, p. 158). En cualquier caso, n i Einstcin n i Kaluza hícíerou uso de la teoría cuán tica en sus teorías unitarias. U na am p liació n de la teo ría de cinco d im en sio n es de K aluza p a ra c u b rir fen ó m enos c u án tico s ta m b ié n fue su g erid a p o r O sk ar K lein en 1926, poco después de la aparició n de la m ecán ica o n d u la to ria de S chródinger. En la teo ría de K lein, la q u in ta C O o rd e n a d a n o era o bservable p ero n o p o r ello d ejab a de ser físicam ente significativa - e n o tra s p alab ras, u n a m a g n itu d análoga a la carga e lé ctrica-. En este sen tid o , esp era b a qu e fuera capaz de explicar la ato m ic id a d de la electricid ad com o u n a ley c u án tica y ta m b ié n explicar la c o n d u c c i ó n básica de blo q u es de m ate ria, el electró n y el p ro tó n . Al a su m ir q u e el espacio de cinco d im en sio n es estaba cerrad o en la dirección de la q u in ta co o rd en ad a, con u n p e rio d o d efin id o X, Klein a rg u m e n ta b a que «el o rig en de la c u á n tic a de P lan ck p u e d e ser b u sc a d o en esta p erio d ic id a d en la q u in ta dim en sió n » , esto es, q u e ría acep tar el c u a n to de acción m ás q u e com o u n a co n sta n te irred u cib le de la n atu raleza. En c u a n to al p e rio d o , sugirió X = he(2K)ll2/e, sien d o e la carga n u m é ric a del e lectró n y K la co n stan te de grav itació n de E instein. «El p e q u e ñ o valor de esta lo n g itu d » , q u e es ٨ = 10“3° m , «puede explicar la n o apar¡ción de la q u in ta d im e n sió n en e x p e rim e n to s usuales co n io resu ltad o de o b te n e r la m ed ia de la q u in ta d im en sió n » escribió K lein en N aturé en o ctu b re de 1926. La teoría de K aluza-K lein de las cinco d im en sio n es atrajo ٧٨ interés con sid erab le a finales de los añ o s veinte, y fue e stu d ia d a p o r m u ch o s te ó ric as, inclu y en d o a V ladim ír Fock en la U n ió n Soviética, L éon R osenfeld en B é l g i c a ^ u i s de Broglie en F rancia y D irk S tru ik en los E stados U nidos. D esde alre d e d o r de 1930, en cu alq u ier caso, m u ch o s físicos p e rd ie ro n in terés en la teo ría, que p arecía lejos de ser p ro b a d a físicam ente y aplicada. C o m o ta n to s ca n d id a to s p a ra ser u n a teo ría un ificad a, se m a n tu v o en la periferia de la física d u ra n te m u c h o s años, al ser c o n sid e ra d a com o especulativa y sólo de in terés m atem ático . M ucho después, sin em bargo, la teo ría K aluza-K lein ex p erim en tó u n

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A m itad de los años setenta, Joél Scherk, E dw ard W itten y otros reco n sid eraro n la teoría en conexión con las nuevas teorías de supergravedad que am pliaron ‫ ظ‬teoría general de ‫ ظ‬relatividad de Einstein. La supergravedad, u n a versión supersim étrica de la relatividad general, fue inventada en 1976 p o r D aniel Freedm an, Peter van N ieuw enhuízen y otros. Sobre 1980, la teo ría m u ltid im en sio n al de K aluza-K lein era u n a zona caliente en la física teórica, in te ra c tu a n d o y co m p itien d o con nuevas ideas de la gravedad cu án tica, tales com o la teo ría de las supercuerdas. M ien tras que Kaluza y Klein p o d ía n integrar ‫؛‬as cinco dim ensiones, la m ás p o p u la r de las teorías renacidas de Kaluza-Klein hacía lo posible p o r o b ten er la unificación a través de u n espacio de once dim ensiones. En cualqu ier caso, au n q u e la versión de la supergravedad de ‫ ظ‬teoría de K ' se consideró com o m atem áticam en te fascinante, predijo partículas que no eran sim ilares a aquellas conocidas en la n aturaleza. D espués de m u ch o trab ajo y considerable entusiasm o, se vio que la teo ría de once dim en sio n es de K aluza-Klein n o íd n eio n ab a m ejor que el m odelo original de los años veinte.

№‫؛‬f ‫؛‬cac ‫؛‬ones y especulaciones

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£ ١ difícil p roblem a de a rm o n iz a r ‫؛‬a m ecánica cu ántica y la relatividad general fue atacado desde m u ch o s ángulos d istintos. U n m o d o fueron los in ten to s de cu an tizar el cam po gravitatorio, típ icam en te de algún m o d o sim ilar a aquel de la cuantización del cam po electrom agnético en la teoría cu án tica de cam pos. C on la teoría " ' ca cuántica de H eisenberg-Pauli de 1929, pareció d u ra n te u n tie m p o que m ien tras que los cam pos gravitacionales débiles p o d ría n ser tra ta d o s de la m ism a m a n era que los cam pos electrom agnéticos. H eisenberg y Pauli m an tu v iero n , de m o d o hiperoptim ista, que u n a cuan tizació n del cam p o gravitación^، «podría ser llevado a cabo sin nuevas dificuhades a través de u n form alism o to ta lm e n te análogo a este aplicado aquí [su artículo de Í929]». P ro n to se vio que el p ro b lem a era m u c h o m ás difícil que lo anticipado. £1 p rim e ro q u e aplicó los nuevos p ro ced im ien to s de cuantización de cam po a la gravitación fue Rosenfeld, q u ien en 1930 estudió lo que llam ó los «cuantos gravitacionales». U n in te n to m ás com p leto y am bicioso de in teg rar la m ecánica cuántica con ‫ظ‬ relatividad general fue realizado p o r el físico ru so M‫؛؛‬tvei B ronstein en trabajos entre 1933 y 1936. B ronstein debatió la «física cGh» unificada y exam inó los lím ites cuántieos de la teo ría general de relatividad en lo que m ás tard e sería llam ada la lo n g itu d de Planck /p = {hG /c’Y 12 = ~ 10~35 m . Sin em bargo, los trabajos de B ronstein atrajeron m uy poco la aten ció n en u n tiem p o en el q u e el interés de la física estaba c en trad o en el núcleo at¿m ico, la radiación cósm ica y en los p roblem as de la electrodinám ica cuántica. Se tuvo que esp erar a los anos cincuenta, con el in terés renovado en la relatividad general, cu a n d o el problem a, dé la cu án tizació n del cam po ^ v i t a c i o n a l fue elevado p o r m ás que u n o s pocos físicos. ¥ fue sólo entonces cu an d o la escala de Planck, incluyendo u n a m asa de Planck -( c h /G ) ]l2 o u n o s ‫ل‬0 ' ‫ ق‬g ra m o s- fu ero n debatidas explícitam ente en la literatu ra física, al p rin cip io p o r Klein y John W heeler. D irac, Peter Bergam a n n y otro s tra b a ja ro n en los llam ados nuevos m éto d o s canónicos de gravitación cuantizada, u n a ap roxim ación q u e cu lm in ó en 1958, cu an d o D irac obtuvo con éxito la teoría general de la relatividad en la fo rm a h am ilto n ian a. C on la teoría en esta form a, era relativam ente fácil aplicar las reglas de la cu an tización a los cam pos gravitacionales. D irac sugirió en 1959 q u e los cuan to s resultantes de la gravitación se llam aran «gravitones», u n n o m b re que in m ed iatam en te se acuñó com o parte del vocabulario de los físicos. A paren tem en te n o estaba al ta n to que el n o m b re gravitavitón para u n cuanto de energía g rav itato ria ya había sido p resen tad o p o r D m itri B lokhintsev y £ G alperin en 1934, en u n artícu lo publicad o solam ente en ruso.

Teorías de gran ،^¡ficación En 1973, la teo ría electrodébil y la nueva cro m o d in ám ica cuántica (C D C ) estaban en su lugar y eran am p liam en te aceptadas co m o b u en as teorías p ara las interacciones débiles, electrom agnéticas y fuertes (capítulo 22). La sim etría asociada con la teoría electrodébil de W einberg-Salam era conocida com o u n a sim etría SU(2) X U ( l) rota, la de C D C u n a sim etría SU (3). La teo ría de gauge SU(2) X L‫ (؛‬l) fúe la p rim e ra unificación con éxito en la física de partículas m o d e rn a , pero n o fue u n a teo ría realm ente u n i

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ficada en el sentido fidedigno de la palabra. Por ejem plo, operaba con dos in teraccio nes diferentes y constantes de em p arejam ien to asociadas. La am pliación de la teoría electrodébil p a ra cu b rir interacciones fuertes tam b ién estaba d irectam ente conseguida al am pliar SU (2) x U ( l) en SU (3) x SU(2) x U ( l) . En este caso, la teoría jugaría tan to con leptones com o con q uarks, pero au n así estaría basada en diferentes g rupos, dis tintas constantes de em p arejam ien to y diferentes partículas elem entales. A principios de 1974 H ow ard Georgi y Sheldon Glashow en la U niversidad de H arvard sugirieron en un artículo program ático que u n a unificación adecuada de las tres fuerzas de la n a tu ra leza debería estar basada en u n grupo sim ple conocido com o el SU(5), el cual era dife rente de u n a sim ple com binación de los grupos de SU(3) y SU(2) x U (l) . «Presentam os un a serie de hipótesis y especulaciones» escribieron am bos teóricos, «que llevaban in d e fectiblem ente a la conclusión de que SU (5) es el g ru p o de gauge universal, que todas las fuerzas de partículas elem entales (fuertes, débiles y electrom agnéticas) son m anifesta ciones diferentes de la m ism a interacción fu ndam ental que involucra una sola fuerza de acoplam iento, la constante de estru ctu ra fina» (Zee 1982, p. 46). En este p rim e r ejem plo de u n a g ran teo ría unificada, G eorgi y G lashow afirm aban que en la descripción del SU (5), las tres constantes de acoplam iento se fu n d irían en una sola a m uy altas energías o, lo que llega al m ism o extrem o, a distancias ex trem ad a m en te pequeñas. Al c o n tra rio de m uch as o tras teorías unificadas, la teoría SU(5) se re lacionaba d irectam en te con la física em pírica. Según G eorgi y Glashow, u n a cierta can tid a d ex p erim en talm en te d eterm in ab le en la teo ría electrodébil (el p arám e tro Sen 2Q^, siendo 0،v la llam ad a m ezcla o ángulo de W einberg) se poctóa calcular com o 3/8. En la teoría electrodébil de W einberg-Salam la cuanfización p o d ría ser d eterm in ad a sólo m ed ian te experim ento. O tro hecho atractivo ،le la teoría SU(5) es que explicaba la igualdad de la carga n u m érica de p ro to n es y electrones, esto es, p o r qué los átom os de hid ró g en o son neutros. H asta la llegada de SU(5) la igualdad de carga se había consi d erad o sim p lem en te u n h echo accidental de la naturaleza, sin relación alguna con la teoría fu n d am en tal. A p rin cip io s de los sesenta, resp o n d ien d o a u n a sugerencia de H e rm a n n B ondi y R aym ond L yttleton de q u e p o d ía h a b er u n a p eq u eñ a pero cosm o lógicam ente im p o rta n te diferencia de carga, los exp erim entos p ro b a ro n que la dife rencia de carga, de existir, era m e n o r que 1 en tre 1020. C on la teo ría de G eorgi-G lashow , hab ía a h o ra razones teóricas p a ra p en sar que las cargas eran exactam ente iguales. D e m o d o m ás so rp ren d en te au n , la teo ría predecía que el p ro tó n era inestable. Éste ta m b ién p o d ría ser el caso del n e u tró n , incluso estando en núcleos atóm icos n o ra diactivos. La teo ría u n ificada SU (5) in c o rp o ró n o sólo los quarks, los leptones y las p artículas de in tercam b io electrodébiles (el fo tó n y los bosones pesados W y Z ), sino tam b ién u n g ru p o de bo sones vectoriales coloreados superpesados conocidos com o partículas X. Éstos req u erían cargas eléctricas fracciónales, 1/3 ó 4/3 de am bos signos. C uriosam ente, las nuevas partículas causarían transiciones entre los quarks y leptones, u n tip o de reacción n o p e rm itid a p o r teorías anteriores. C om o ejem plo, G eorgi y Glas how m en cio n aro n el proceso p o r el cual u n p ro tó n se desintegra en u n p o sitró n y en u n p ió n n eu tro , a través de u n m ecanism o d o n d e u n o de los q u ark arrib a ( up-quark)


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del p ro tó n tra n sm ite u n a p artícu la X a su q u a rk abajo (d ow n-quark). Ésta era sin du d a u na predicción so rp ren d en te y u n a de las razones p ara el co m en tario de G eorgi y Galshow: «N uestra hipótesis p u ed e estar equivocada, y n u estras especulaciones p u e d en no tener u tilidad alguna, pero la sim plicidad y u n icid ad de nu estra idea son razones suficientes p ara que sea to m a d a en serio». La aproxim ación G eorgi-G lashow fue desarrollada ráp id a m en te p o r Georgi, Helen Q u in n y Stcven W einberg, quienes, u n o s cu an to s m eses m ás tarde, aplicaron las técnicas de renorm alizació n de g ru p o p a ra calcular las constantes de acoplam iento efectivas com o fan cio n es de la energía. L nten d iero n q u e el valor original p ara el p a rám etro de ángulo de m ezcla, 0,375, era válido sólo ante la energía extrem a característica de ‫ظ‬ unificación (alred ed o r de 10‫ ﻗﻞ‬GeV) y e n c o n tra ro n u n valor de u n o s 0,20 ante bajas energías. En 1974 este valor pred ich o era m arcad am en te m e n o r que el m ejor valor exp erim en tal (u n o s 0,35), p ero ex perim entos p o steriores diero n resultados m u ch o más coincidentes con el valor teórico. En 1980, el valor experim ental había descendido a 0,23 ± 0,02, lo cual n a tu ra lm e n te llevó a q u e los físicos se to m ara n la teoría en serio. Los cálculos de G eorgi, Q u in n y W einberg tam b ién les en cam in aro n a estim ar la m asa de los bosones su p erpesados en u n valor ta n gran d e com o el de 1017 GeV, que no estaba lejos de la m asa de/Planck y que, p o r ta n to , sugería u n a conexión posible con la teoría de la gravitación. C on /e sp e c to a la v ida de los pro to nes, los tres físicos diero n la p rim e ra estim ación teórica, co n cretam en te en tre 1031 y 1032 años. Según la sugerencia de G eorgi y G la ^ o w , se predecía la d esintegración del p ro tó n com o m ediada p o r un b o són X que causaría que el p ro tó n cam b iara a, p o r ejem plo, u n p ió n n eu tro y u n positrón. D ebido a la d esintegración del p ió n en pares de electrones generados p o r ‫'؛‬otones gam m a, la d esintegración dejaría u n a traza claram ente detectable de trayectorias de electrones (p ' —> TT‫ ؛؛‬e+;TT° —>yy; y —>e~ e+). C o n los trabajos de Georgi, Glashow, Q u in n y W einberg, así com o el trab ajo in d ep en d ien te realizado p o r A bdus Salam y Jogesh Pati, la teo ría u n ificada SU(5) fue lanzad a con éxito com o el p rim e r y pro to típ íco ejem plo de u n a teo ría de g ran unificación, o TGU, p o r sus siglas, para abreviar. Fue elevada enseguida p o r m u ch o s teóricos q u e v iero n q u e éste p o d ría ser u n paso im p o rtan te hacia la largam ente trab ajad a unificación de las fuerzas de la naturaleza. De acuerdo con u n físico, «la idea de g ran unificación n os libera de n u estra m o n ó to n a existencia en tre los desechos de la ru p tu ra de la sim etría, lib erán d o n o s para so ñ ar sob re la física «verdadera» a 10‫ ؛؛‬GeV en u n salto m agnífico de la im aginación, probab lem ente sin precedentes en la h isto ria de la física». La predicción de la inestabilidad del p ro tó n , y p o r ta n to la inestabilidad de to d a la m ateria, fue calificada com o «la predicción m ás c o n tu n d e n te de n u e stra era» (Zee 1982, pp. 260 y 242). En 1981 existía u n a in d u stria, p eq u eñ a pero en expansión, de la g ran unificación. U na reseña de los artículos publicados en este añ o incluye alred ed o r de 800 referencias. La posibilidad de q u e los p ro to n es p u d ie ra n ser inestables había sido m en cionada brevem ente, sólo p ara rechazarla, p o r Weyl en 1929. En 1938, E rnst Stueckelberg afirm ó explícitam ente: «nin g u n a tra n sm u ta c ió n de p artículas pesadas (n e u tró n y p ro tó n ) hacia partículas ligeras (electrón y n e u trin o ) ha sido observada hasta ah o ra en níngu-

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na tran sfo rm a c ió n de m ateria. Por tan to , exigimo$ u n a ley de la conservación de la carga pesada» (Pais 1986, p. 488). La ley em p írica de la conservación del nucleón de Stueckelberg llevó, en el p e rio d o de posguerra, a la. ley de conservación de bariones (el n o m b re «barión» fue p ro p u esto p o rA b ra h a m Pais en 1954). A unque se daba p o r buen a esta ley en general, u n o s cuan to s experim entalistas b u scaron indicios de desintegración de p ro to n e s m u ch o s años antes de que el tem a estuviera en boga com o resultad o de las predicciones del SU (5). En 1954, Frederick Reines y Clyde C ow an estaban p rep a ran d o los experim en to s que, dos años después, resultarían en la detección del n eu trin o . Reines y Cow an, en co laboración con M aurice G oldhaber, observaron que su sistem a de detectores tam b ién p o d ría ser usado p a ra fijar u n lím ite m e n o r en el tiem p o de vida del p ro tó n , y concluyeron en 1954 que el tie m p o de vida era m ayor que 1022 años. E xperim entos p o steriores y m ás elaborados, desarrollados tres kilóm etros p o r debajo de la superficie de la tie rra en u n a m in a de o ro sudafricana en 1974 resultaron en u n lím ite m e n o r de 2 X 103° años. Éste era u n valor cercano al valor predicho cam ente, pero el ex perim ento, cuyo objetivo principal era la detección de n eu trin o s, no ten ía conexión directa con la predicció n de la d esintegración de protones. D e hecho, en 1974 llevaba fu n cio n an d o casi tres años, p ara p o d e r conseguir la sensibilidad necesaria. Al m ism o tiem p o , cu a n d o Reines y M. E (]rouch p u blicaron el resultado a p rin cipios de 1974, sí que relacio n aro n su ex p erim en to con u n «interés reciente en la posibilidad de que la conservación de b ario n es p u ed e n o ser u n prin cip io absoluto». C u an d o la p redicción de TG U se hizo conocida, y especialm ente después de que los nuevos cálculos de 1979 m o stra ra n u n tiem p o de vida de 10 3‫ ا‬años com o probable (en lugar de los 1037 años, com o algunos teóricos h ab ían calculado), el interés en los experim en to s de d esintegración del p ro tó n a u m e n tó drásticam ente. El r e c ita d o fue una serie de grandes experim en to s de g ran unificación en la gran ciencia^de Estados U nidos, India, Japón, la U n ió n Soviética y E uropa. U no de lo‫ ؛‬p rim aro s experim entos, a través de u n a colab o ració n en tre lab o rato rio s e sta d o u n id e n se^ se desarrolló en una p ro fu n d a m in a de sal en ()h io , rellenada co n 10.000 toneladas de agua m u y p u ra. El sistem a detecto r pesaba unas 8.000 to neladas y em pleaba m ás de 2.000 tu b o s fotom ultiplicadores. No se en c o n tró n in g u n a d esintegración de pro to n es en el experim ento; au n q u e otro s exp erim en to s in fo rm a ro n de u n o s pocos candidatos p ara la desintegración de los p ro to n es, éstos n o p u d ie ro n ser p robados. La situación d u ra n te la siguiente década no cam bió sensiblem ente. Los experim en to s se hicieron m ás grandes y m ás caros, p ero n o se en c o n tra ro n signos seguros de desintegraciones de protones. Q ue la teoría de la g ran u nificación n o consiste sólo en cálculos m atem áticos, sino que p u ed e involucrar tam b ién algo de ciencia m u y g rande, se ilu stra con el proyecto jap o n és-estad o u n id en se S uper-K am iokande. Éste es el observatorio de n e u trin o s m ás g ran d e del m u n d o , u n d etecto r C herenkov de agua localizado en la m in a de K am ioka al n o rte de 'lokio. El tan q u e de agua Super-K am iokande tiene u n volum en de unos 50.000 m etros cúbicos y está ro d ead o p o r u n o s 13.000 tu b o s m ultiplicadores suficientem ente sensibles com o p ara detectar fotones individuales. El detecto r ha buscado la desintegración de nucleones desde que es operativo en 1996, pero hasta a h o ra la b ú s


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q u eda h a sido en vano. ¿Significaba el fracaso en o bservar la desintegración de p ro to nes la refutación de la teo ría de la gran unificación? N o, los resultados experim entales m o stra ro n que la teo ría SU( 5) original n o era adecuada, pero n o fu eron in terp retad o s com o u n fracaso de la idea de TG U co m o tal. H ab ía m uchas o tras form as de TG U en el m ercado, q u e ofrecían d istin to s tiem p o s de vida y de m o d o s de desintegración del p ro tó n , p o r lo q u e el esquem a de la T G U n o era fácilm ente descartable. La desintegración p redicha del p ro tó n n o era la única razón p o r lo que las TG U eran consideradas com o áreas extrem adam ente interesantes de investigación alrededor de 1980. Los bosones X y sus efectos eran indetectables, o casi, a tem p eratu ras norm ales, pero se esperaba de ellos que desem p eñ aran u n papel im p o rtan te en las tem peraturas m ucho m ás altas que g o b ern aro n el universo prim itivo. Para p o d e r estudiar los efectos físicos de las partículas X , el universo p rim o d ial del big bang era el laboratorio ideal (y dado que las energías de o rd en de 10 15 GeV estaban m u ch o m ás allá de aquellas p ro d u cidas p o r cualquier acelerador concebible, el único realista). Ya en 1967, el físico soviéti co A ndrei Sajarov -q u iz á m ás conocido com o disidente p o lític o - había sugerido que el n ú m ero bariónico p o d ía n o conservarse exactam ente y que la n o conservación podía ser cosm ológicam ente im p o rtan te. La sugerencia no atrajo m ucho interés, y h u b o que esperar hasta 1978, cu an d o el japonés M otohiko Y oshim ura usó las nuevas TG U para p redecir u n a sim etría b a rió n -a n tib a rió n causada p o r bosones X prim ordiales, p ara que la cosm ología llegara a ser u n a p arte im p o rta n te de las TG U y viceversa. A unque el S uper-K am iokande n o h a e n c o n tra d o d esintegración alguna de p ro to nes, su labo p 'ñ ó 'h a sido en vano. En 1998 los datos de n e u trin o s de rayos cósm icos in dicaron la existencia de oscilaciones de n eu trin o s, es decir, que los neu trin o s m uónicos cam bian hacia algún o tro tip o de n e u trin o s que n o son n eu trin o s electrónicos co rrientes. Los in fo rm es galvanizaron a la c o m u n id a d de física de partículas, ya que las oscilaciones significaban que al m enos u n o de los n eu trin o s involucrados debía poseer m asa y que el m o d elo están d ar debía, p o r tan to , ser m odificado.

Teoría de las supercuerdas A pesar de lo im p rsio n an tes y com pletas q u e eran las teorías de la gran unificación, según algunos físicos n o lo e ra n lo bastante. D esde u n p u n to de vista m etodológico, se veía com o u n defecto que n o estuvieran basadas en u n p rin cip io fu n d a m en ta l y que incluyeran varios p arám etro s libres, co m o las co nstantes de acoplam iento y las masas de q u a rk y de lep tó n . A sim ism o, las TG U n o incluían la gravedad y p o r tan to eran in com pletas. La can d id ata m ás p o p u la r del fin del siglo xx p a ra u n a teoría unificada com pleta, la teo ría de las supercuerdas, incluía u n a te o ría cuántica de la gravedad y evi taba los p arám etro s libres. D e to d o s m o d o s, la teo ría n o había sido desarrollada o rig i n alm ente com o u n in te n to de resolver el an tig u o en ig m a de cóm o unificar la m ecán i ca cuántica y la relatividad general. La te o ría de cu erd as m o d e rn a tie n e su o rig e n en el c o n tex to del p ro g ra m a in sp i rad o en la m a triz S p a ra e n te n d e r las in te ra c c io n es fu ertes. En 1968, el te ó ric o ita

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lian o G abriele V eneziano su g irió u n m o d e lo de h a d ro n e s p a ra explicar d e te rm in a dos proceso s de colisión. A p ro x im a d a m e n te d os a ñ o s después, Yoshiro N a m b u y o tro s in te rp re ta ro n la te o ría de V eneziano co m o u n m o d elo de cu erd as, m ás que de p artíc u las. En c u a lq u ie r caso, e n seg u id a se vio q u e los m o d elo s de cu erdas del tip o V en ezian o -N am b u e ra n n o físicos: d e sc rib ía n sólo b o so n es, re q u e ría n u n espaciotie m p o de 26 d im e n sio n e s y p re d e c ía n u n a p a rtíc u la de espín 2 sin m asa, así com o u n ta q u ió n (c o m o estad o fu n d a m e n ta l del esp ectro de m asa). Los ta q u io n e s, p a r tí culas h ip o té tic a s q u e se m u e v e n m ás rá p id o q u e la luz, tie n e n m asas im aginarias; a u n q u e so n c o h eren tes co n la te o ría de la relativ id ad , n o so n p a rtíc u la s cu ánticas aceptables. A p rin cip io s de los años setenta, u n a teo ría de alguna m an e ra m ás realista, el «m o delo p ió n d u al d ecadim ensional», fue elab o rad a p o r John Schwarz y A ndré N eveu. La nueva teo ría in c o rp o ra b a ta n to ferm io n es com o bosones. Para que el m odelo te m p ra n o de cuerdas sea u n a te o ría consistente, el esp acio -tiem p o tiene que estar d o tad o de diez dim en sio n es, u n a te m p o ra l y nueve espaciales. La presencia inevitable de una p artícu la sin m asa de espín 2 fue vista en p rin c ip io com o u n defecto, p o rq u e n in g u n a p a rtíc u la así p o d ría ser de relevancia p a ra la física de had ro n es. Sin em bargo, en 1974, Schwarz, en co labo ració n con el teó rico francés Jóel Scherk, co n virtió la difi cu ltad en v irtu d al c o m p re n d e r q u e la p artíc u la p o d ría ser un gravitón. H asta e n to n ces, la teo ría de cuerdas h ab ía sido u n a teo ría de las interacciones fuertes, sin referen cias a la gravitación. La teo ría a h o ra era re in te rp re tad a com o u n a can d id ata a una teo ría unificad a de to d as las fuerzas fu n d am en tales. Se co m p ío b ó que, paija en co n tra r el valor co rrecto de la c o n stan te de gravitación, la escala de lo n g itu d d e ta s cuerdas n e cesitaba estar cercana a la lo n g itu d de Planck, es decir, in m en sam en te m e n o r que las cuerdas h ad ró n icas originales. Los objetos de la teoría, las cuerdas, eran m u y diferen tes de las p artícu las p u n tu a le s (leptones, q u ark s) q u e aparecían en el m o d elo están dar. Las cuerdas son curvas u n id im en sio n ales de 10~35 m etros de extensión que p u e d en existir en d os versiones, ab iertas y cerradas. Las tensiones de las cuerdas son en orm es, co rresp o n d ien tes a energías de 1019 GeV. Las excitaciones o vibraciones de u n a cu erd a se in te rp re ta n co m o el o rigen del espectro de partícu las elem entales, con esperanza de in clu ir aquellas conocidas em p írica y d efinitivam ente, incluyendo m u chas otras. En las teorías de sup ercu erd as, h ay m u ch as partícu las corresp o n d ien tes a u n tip o dad o de v ib ració n y se su p o n e q u e to d as las p artícu las conocidas p u ed en ser descritas p o r el estado fu n d am en tal. Las diez d im en sio n es necesarias se su p e ran en un n ú m e ro de seis, pero las seis d im en sio n es ex tra se o n d u la n o «com pactifican» de m a n e ra sim ilar a la q u in ta d im e n sió n en las teo rías de K aluza-K lein. Esto será, p o r ta n to, n o observable. El interés en la teo ría de cuerdas en los años setenta era lim itado, en p arte p o r el de sarrollo con éxito de la C D C después de la «revolución de noviem bre» en 1974. Aun así, u n n ú m e ro red u cid o de teóricos c o n tin u a ro n tra b ajan d o en la teoría de las cu er das, la cual en 1980 se h abía convertido en la teo ría de supercuerdas, o sea, que in c o r p o ra b a su p ersim etría espacio-tiem po. En las teorías su persim étricas (SU SYs), todas las


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partículas tien en p artícu las h ipotéticas asociadas, com o los «squarks», «selectrones», «fotinos» y «gravitinos»; p o r ejem plo, u n electrón es u n electrón de espín cero supersim étricam en te tran sfo rm ad o . N i el selectrón n i o tro s socios supersim étricos exóticos h a n sido jam ás en co n trad o s. U na de las ventajas de in c o rp o ra r la su p ersim etría era que desaparecería el estado fu n d am en tal taq u ió n ico . Las teorías de supercuerdas, tal com o existían desde los p rim ero s años ochenta, eran m atem áticam en te interesantes, pero no parecía que tu v ie ra n m u ch a relevancia física. Incluso en el ám b ito teórico, había varios problem as, b ásicam ente q u e las teorías estaban plagadas de infinitos y lo que se co n o ce técnicam en te co m o anom alías. Las anom alías son condiciones que in cu m p len las leyes de sim etría o de conservación cu an d o la teo ría es cuantizada, y, p o r ta n to hacen que la teoría sea inconsistente. Existían o tro s p roblem as de consistencia, tales com o que las diez dim en sio n es parecían in com patibles co n la form a correcta de la teo ría de las supercuerdas. En el verano de 1984, Schwarz y su co lab o rad o r b ritán ico M ichael G reen, b a sá n d o se en el trab ajo de E dw ard W itten y otro s, d iero n nueva vida a la teoría d em o stran d o que todas las anom alías p o d ría n anularse en tre sí en el caso de que la teoría estuviera go b ern ad a p o r u n o de los g ru p o s de sim etría in tern o s conocidos com o SO(32) y Eg x E‫؛؛‬. En la teo ría de supercu erd as SO (32), la excitación de la carga surgió com o resulta do de in clu ir la éravédad, y fue esta teo ría la p rim e ra q ue Schwarz y G reen desarrolla ron. Poco después de e ste -im p o rta n te hecho, W itten sugirió que las supercuerdas SO (32) p o d ría n ser com pactificadas p a ra conseguir u n a teoría cu atridim ensional. El artículo de Schw arz-G reen inició lo que se vino a llam ar la «revolución de las su p er cuerdas», q u e se inició casi exactam ente diez años después de la «revolución» de la te o ría de cam p o de gauge convencional. O tro co m p o n en te im p o rta n te de la revolución de 1984 fue el desarrollo de u n a nuev a versión de la teo ría de las supercuerdas, conocida com o la teo ría h eterótica, llevado a cabo p o r D avid Gross y sus colaboradores en la U niversidad de P rin ceto n . La teo ría de supercu erd as h eterótica se basó en el g ru p o Eg x E8 y solam ente p e rm itía cuerdas cerradas. Siendo u n a m ezcla de la a n te rio r teoría de cuerdas de bosones de 26 dim en sio n es y la nueva teoría supersim étrica decadim ensional, la teoría h eteró tica se consideró p ro m e te d o ra con respecto a las conexiones con el m u n d o de las bajas energías. El hecho m ás destacable de las tres teorías de su p ercu er das consistentes conocidas hasta finales de los o ch en ta residía en que eran únicas y es tab an co m p letam en te libres de p arám etro s ajustables. La estru c tu ra m atem ática de la teo ría de su p ercuerdas estaba hilada de m a n e ra ta n densa que no se p o d ía cam b iar sin desm oronarse. Éste fue u n h echo que atrajo a m u ch o s teóricos físicos: en u n c o n tras te radical a las teorías unificadas m ás tem p ran as, d e n tro de la trad ició n de cam po de gauge, el desarrollo com pleto de la unificación de supercuerdas fue m atem ático. N o h u b o n in g ú n a p o rte ex p erim en tal de los lab o rato rio s n i sugerencias de nuevos experi m entos basados en la teoría de supercuerdas. C on los avances del o to ñ o de 1984, la teo ría de supercuerdas se hizo m uy p o p u lar entre los teóricos de m en te m atem ática. O c u rrió u n a especie de efecto arrastre. M ien tras que el n ú m e ro anu al de artículos relacionados con la teoría de cuerdas había sido

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A ño Gráfcio 27.1. N úm ero de artículos sobre cuerdas y supercuerdas. Fuente: Galison 1995. Reimpreso con perm iso de Walter de G ruyter G m bH & Co.

inferior a 100 d u ra n te los años 1975-1983, en 1987 se pu b licaro n unos 1.200 artículos sobre el tem a (véase gráfico 27.1). La teo ría de las su p ercuerdas fue aclam ada com o un gran logro, casi la realización de u n sueño de m ás de cien años, el tra m p o lín hacia una nueva física, el codiciado Santo G rial de u n a teo ría cu ántica de la gravedad. Al m enos, así era com o los p ro p io s teóricos de cuerdas veían la situación. W itten esperaba que el pró x im o e n ten d im ien to correcto de la teo ría de cuerdas «involucrara u n a revolución de nuestro s conceptos de las leyes básicas de la física -sim ila r en m ag n itu d a cualquie ra que haya o cu rrid o en el p asad o -» (D avies y B row n 1988, p. 97). Proclam ó que la teoría « d o m in ará la p ró x im a m ita d de siglo, así com o la teoría cuántica de cam pos ha d o m in a d o la m ita d de siglo previa» (P T julio 1985, p. 20) y Schwarz sugirió que la te o ría heterótica bien p o d ría ser la m ítica «teoría del todo» (T D T ) que en prin cip io im plicaría el final de la física fun d am en tal. N o to d o s los físicos estaban co n ten to s co n respecto a la au to p ro clam ad a revolución de las supercuerdas. El p rin cip al p ro b lem a de la teo ría de las supercuerdas, según m u chos, era su d e slu m b ran te falta de co rresp o n d en cia con la experim entación. La teoría no predecía n ad a n o trivial que pudiese ser co m p ro b ado, sin em bargo se creía que in cluía física a energías m ás bajas, las p artícu las y resultantes de la física convencional no p o d ían deducirse de h echo de la teoría. N o fue n ad a so rp ren d en te que m u ch o s experim entalistas de altas energías recibieran la revelación de las supercuerdas con algo m e nos que gran entusiasm o. Varios años antes del im p o rtante hito de las supercuerdas, en 1984, com enzó u n acalorado debate. Los experim entalistas no estaban solos en la o p o sición a u n a teoría que sólo p o d ía ser c o m p ro b ad a a través de las m atem áticas: a éstos se u n ie ro n teóricos a los q u e n o les gustaba la falta de contacto de la teo ría con la ex perim en tació n . E n tre los o p o n en tes o escépticos estaban Feynm an, Glashow, Schwin-


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ger y G eorgi, m ie n tra s q u e W einberg y Salam estaban a favor y acep taro n con e n tu siasm o la teo ría de las supercuerdas. G lashow fue u n o de los o p o n en tes m ás categóri cos de los teóricos de supercuerdas, a los cuales criticó p o r su stitu ir arro g an tem en te la n o ció n em p írica de verdad con consideraciones p u ra m e n te m atem áticas de unicid ad y belleza. «H asta que los p artid ario s de las cuerdas n o in terp reten propiedades perci bidas del m u n d o real, sim p lem en te n o están h aciendo física», escribió G lashow en 1998. Se p reg u n tó , retó ricam en te, «¿deberían pagarles las universidades y perm itirles p erv ertir a estudiantes im presionables? [...] ¿No son las teorías sobre cuerdas m ás ade cuadas en los d e p a rta m e n to s de m atem áticas o incluso en sem inarios de teología que en d ep arta m e n to s de física?» (G alison 1995, p. 399). P ara Glashow, los teóricos de cuer das eran «fanáticos excéntricos que siguen visiones extrañas» y la m oda de las supercuer das u n a en ferm ed ad «m ucho m ás contagiosa que el sida» (D aviesy Brow n 1988, p. 191). W einberg reconoció la d ificultad de asociar la teo ría de supercuerdas con u n a descrip ción física que p u d ie ra ser p ro b ad a ex p erim en talm en te, pero no consideró que eso fue se u n defecto: La teo ría final va a ser lo q u e es p o rq u e es m a te m á tic a m e n te consisten te. E n to n ces la in te rp re ta c ió n física v en d rá sólo c u a n d o p u ed a resolver la teo ría y lo q u e p red ice p a ra fí sica a energías accesibles. É sta es la física en u n rein o q u e n o es accesible d ire c ta m e n te a la ex p erim en tació n , y el p rin cip io q u e lo guíe n o p u ed e ser la in tu ic ió n física p o rq u e no ten em o s n in g u n a in tu ic ió n p a ra lid ia r a esta escala. La teo ría d eb e e sta r c o n d ic io n a d a p o r la consistencia m atem ática. E sperem os q u e esto co n d u z c a a u n a teo ría co n so lu cio nes q u e se parezcan al m u n d o real a energías accesibles. (D avies y B row n 1988, p. 221)

El in teré s en la te o ría de las cu erd as d eclin ó a p rin c ip io s de los n o v en ta, p e ro en 1998, el o p tim is m o y la e m o c ió n h a b ía n v u elto a la c o m u n id a d de las cu erdas. La razó n p rin c ip a l de esto fu e ro n los n uevos d esarro llo s en lo q u e se v in o a co n o cer co m o te o ría M , te o ría P -b ra n a y te o ría D -b ra n a , q u e son tip o s de teo rías de cuerdas generalizadas. El n u ev o tra b a jo p ro m e tió nuev o s m o d o s de en lazar los re su lta d o s de las teo rías de cu erd as y de aq u ello s de las teo rías m ás convencionales de cam p o de gauge.

Cosmología cuántica La idea de u sar física de p artícu las p a ra c o n fo rm a r y restrin g ir las teorías co sm oló gicas ya data del o rigen de la física de p artícu las elem entales a p rin cip io s de los años trein ta, y desem p eñ ó u n papel im p o rta n te en los trab ajos pioneros de G am ow , A lpher y H erm án a finales de los cuaren ta. C o n el d esarrollo ráp id o de la física de altas e n e r gías en los sesenta y setenta, la conexión cercana en tre cosm ología (y astrofísica) y la física de p artícu las se estrechó. D e acu erd o co n algunos físicos, la relación cam bió el estado com pleto de la cosm ología: Parece q u e [...] la cosm ología se h a convertido en u n a verdadera ciencia en el sen tid o de q u e las ideas n o sólo son desarrolladas sino que

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tam b ién se p ru e b a n en el lab o rato rio [...] Esto dista m u cb o de lo que o c u rría en los tiem pos en que p ro liferaro n las teorías cosm ológicas y había pocas form as de confirm a r o de refo tar alguna de ellas ap arte de p o r su atractivo estético» (Schram m y Steigm an 1988, p. 66). A dem ás, la confianza en el m odelo caliente de big bang co n d u jo a la gente a usar este m o d elo p a ra o b te n e r co n o cim ien to s de la física de partículas a energías extrem as del universo m u y te m p ra n o , energías m u y p o r delante de lo que nin g ú n acelerador en la tie rra p o d ría producir. En este sentido, el universo te m p ra n o se conv irtió en «el acelerador del pobre», com o se llam aba con asiduidad, m ien tras que la física de altas energías y la cosm ología e n tra ro n en u n a relación crecientem ente sim biótica. M ien tras q u e la astrofísica nuclear era u n cam po bien establecido en los años cincuenta, la astrofísica de partículas em ergió com o u n nuevo su bcam po vigoroso de la física en los años setenta. P or ejem plo, la sim biosis se hizo m anifiesta en la publicación Astroparticle ‫'ﺀة ﻣﺄﻣﻢ‬،;‫ئ‬, fu n d ad a en 1992. Según el escenario h ip o tético del big bang, tal com o era aceptado p o r m uchos especialistas alred ed o r de 1980, la fase inicial del universo u ltrad en so y ultracaliente de Planck (los p rim ero s 10“43 segundos) estaba regida p o r la gravedad cuántica, y p o r tanto fuera del alcance del co n o cim ien to científico presente. A ‫ ط‬expansión siguió u n enfriam iento y m en o res - a u n q u e aú n g igantescas- energías de ‫ ا‬0 ‫ ة؛‬GeV o m ás. En esta fase, las fuerzas fuertes, débiles y electrom agnéticas estaban unidas, de acuerdo con las teorías de la gran unificación. U na exp an sió n p osterior, ah o ra a u n tiem p o en tre 1033 segundos y 102 segundos después de cero, im plicaba u n deshielo o u n a ru p tu ra sim étrica de, en p rim e r lugar, las interacciones fuertes y después las débiles y electrom agnéticas. Al final de esta fase, se e n te n d ía q u e ta n to la p ro d u c ció n de los bosones X com o la de los b o so n es IV se hab ía d eten id o y las fuerzas de co lo r em p ezaro n a existir en la fo rm a de nucleones. Los p e rio d o s de en fria m ie n to consiguientes eran de m eñ o r interés p a ra los físicos de altas energías, ya q u e c o rre sp o n d ían a energías o b ten ibles en el la b o ra to rio C o m o se m e n c io n a en el cap ítu lo 23, u n o de los p rim e ro s y m ás im p o rta n te s resu ltados de p artícu las o b te n id o s de los cálculos de big bang era que el n ú m e ro de especies de n e u trin o s p o d ría ser com o m u c h o de cu atro , p ara p o d e r c o n co rd a r con la o b servada a b u n d a n c ia de helio, u n resu ltad o o b te n id o en 1977 p o r G ary Steigm an, D avid S ch ram m y Jam es G u n n . P o steriores refin am ien to s co n d u je ro n a u n lím ite inferio r de tres fam ilias de n e u trin o s. La p red icció n , b asada ú n ic a m e n te en a rg u m en tos cosm ológicos, fue c o n firm a d a en 1993 con resu ltad o s del co lisio n ad o r LEP (Large E lectron P o sitro n ) del C ERN , q u e in d ic a b a n q u e h ab ía sin d u d a tres especies de n e u trin o s. C o m o destacó S ch ram m , «de algún m o d o , ésta fue la p rim e ra vez que un co lisio n a d o r de p a rtíc u la s h ab ía sido capaz de p ro b a r u n a teo ría cosm ológica, y tam bién m o stró q u e el m a trim o n io e n tre física de p a rtíc u las y cosm ología sin d u d a había sido co n su m ad o » (S ch ram m 1996, p. xvii). La fro n te ra del n ú m e ro de especies de n e u trin o s su p o n ía q u e los n e u trin o s n o te n ía n m asa o casi n o la ten ían . La posibilidad de los n e u trin o s ta u pesados n o p o d ía ser excluida, p ero los cálculos de 1991 m o stra b a n q u e la nucleosíntesis p rim o rd ia l re q u e ría que la m asa del n e u trin o tau

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fuera m e n o r de 0,5 MeV. Esta restricció n co n co rd ab a con la o b te n id a experim en talm en te, p e ro era m ás precisa q u e ésta y p o r ta n to p e rm itió que fuera o tra p ru e b a del escenario h ip o té tic o te m p ra n o del big bang. La restricció n del n ú m e ro de fam ilias de n e u trin o s a tres fue en general algo q u e llevó a im p licar que el n ú m e ro de fam ilias o «generaciones» de to d as las p a rtíc u la s fu n d a m e n ta le s (leptones y quarks) ta m b ié n estaha lim itad a a tres. Los cálculos cosm ológicos m e n c io n a d o s se asen tab an en la teo ría electrodébil está n d a r y a la vez la apoyaban, p ero n o a las TG U , inclu y en do las interacciones fúertes. Las nuevas teorías de g ran u n ificació n de tip o SU (5) fu eron in m ed iatam en te em pleadas p ara a b o rd a r cuestiones cosm ológicas q u e h ab ían p erm an e cid o h asta entonces m ás allá de la explicación. U na de las cuestiones era relativa al casi co m pleto predom in io de la m ateria respecto a la an tim ateria. ¿Por q u é n o hay, en ta n to se p u ed a

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nocer, an tim a te ria alguna en el universo? C o n tin u a n d o a p a rtir de las especulaciones de D irac de 1933, N laurice G o ld h ab er sugirió en 1956 que la sim etría p a rtíc u la -an tip artícu la se ex ten d iera al u niverso entero. P ro p u so q u e el universo p o d ría consistir en u n cosm os y en u n «anticosm os» sep arad o desde el m ism o com ienzo de su existencia. U nos cu an to s físicos estab an de acu erd o con G o ld h ab er en que el universo es sim étrico en tre la m ateria y a n tim a te ria a u n a escala m u y g rande, p ero esto era u n a visión m in o ritaria . En los años sesenta, el físico sueco, y p o ste rio rm en te p rem iad o con u n N obel, H an n es Alfvén, sugirió u n a te o ría cosm ología basada en cantidades iguales de las dos form as de m ateria. Su te o ría fue ig n o ra d a o rechazada, n o sólo p o rq u e fuera p ro p u e sta com o u n a altern ativ a al m o d elo de big bang, sino p o rq u e tam p o c o existía ra stro de las ingentes can tid ad es de a n tim a te ria q u e requería. H asta 1975, la cuestión de la an tim a te ria h ab ía sido d eb atid a d u ra n te d os décadas, p ero no se le h ab ía enc o n tra d o n in g u n a explicación. La v isió n acep tad a era q u e la asim etría de la m ateria, o la desigualdad del n ú m e ro b arió n ico , era p o r algún m otivo p a rte de la co ndición inicial del universo. En o tra s palabras, m ás q u e explicar la asim etría, se to m a b a com o u n factor contingente. C on la no conservación del n ú m e ro b arió n ico inclu id o en las grandes teorías unificadas, se obtu v o fácilm ente u n a explicación de la asim etría. En su trabajo de 1978, Y oshim ura asu m ió u n universo inicialm ente sim étrico, y m o stró que el incum plím ie n to de la conservación del n ú m e ro b arió n ico y la ‫؛‬nvariancia CP característica de la TG U co n du cía a u n exceso de p artícu las sobre las an tip artículas poco después de la creación en í = 0. La razó n de d esintegración de p artícu las X en el universo m u y tem p ra n o diferiría de aquél de las partículas anti-X , y el resultado habría sido de m ás q uarks y leptones que an tiq u ark s y antileptones. La aniq u ilación h aría el resto del trab ajo y la com po sició n actual del m u n d o en té rm in o s de p artículas p o d ría ser vista, p o r tan to , com o resultado de u n a g ran unificación tem p ran a. D u ra n te el p erio d o de 19781980, Y oshim ura, W einberg, Frank W ilczek y o tro s u sa ro n tam b ién la TG U p a ra resolver o tra cuestión cosm ológica: básicam ente, p a ra decirlo en plata, saber p o r qué el un iverso está ta n vacío. El n ú m e ro de b ario n es en la p a rte observable del universo es alrededor de ‫( وص‬n ú m e ro de E ddin g to n ) y el de fotones de 10 ‫؟ ؟‬.Esta p ro p o rció n se

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considera com o u n a can tid ad fu n d am en tal, ya q u e la teoría prescribe que sea constante en el tiem po. ¿Por qué hay m il m illones de veces m ás fotones que bariones? Según d razo n am ien to de la TGU, éste n o siem pre había sido el caso, p ero era el resultado de ‫ط‬ ligera asim etría en el proceso de an iq u ilació n q u ark -a n tíq u a rk en el universo tem prano. La aplicación de la TG U a la cosm ología co n d u jo a éxitos brillantes, pero tam bier. a severos p roblem as. P or ejem plo, se esperaba q u e se fo rm ara u n n ú m ero grande de en orm es m o n o p o lo s p rim ario s, unas 10’‫ ؛‬veces m ás pesados que los protones. Sin em bargo, no se h a observado n u n ca ni u n solo m o n o p o lo. La im plicación cosm ológica m ás im p o rta n te de las '‫ آرات ) ل‬, u n a especie de derivación, quizá fuera el m odelo inflacionario p resentado p o r A lan G uth en 1981 y m ejo rad o por A ndrei Linde y de m o d o in d ep en d ien te p o r A ndreas A lbrecht y Paul S teinhardt en 1982. El m o d elo del universo inflacionario se basaba fu n d am en talm en te en la fase d e tran sició n relacionada con la ru p tu ra esp o n tán ea de la sim etría predicha p o r la TGL' ‫ه‬ u n a te m p e ra tu ra de u n o s 1027 K. A un q u e este m o d elo tuvo éxito a los ojos de m uchos cosm ólogos, tam b ién los hab ía que p en sab an q u e la inflación era u n a quim era. ¿Cóm o de en serio se debería to m a r u n a teo ría cosm ológica que dep en d ía p o r com pleto d e u n a gran teo ría u n ificada cuya p rin cip al predicción, la desintegración de p ro to n es, hab ía fracasado en su verificación? L ntre estas pasajeras m odas teóricas, las supercuerdas n o eran lo ú n ico que p reo cu p ab a a físicos y astró n o m o s. «[El m odelo inflacionario] no tiene evidencias que lo apoyen», escribieron dos cosm ólogos, «y sin em bargo, com o la teo ría es bella en el aspecto m atem ático, m u ch o s m atem áticos la h an asum ido y han elegido no to m a r en c u en ta estos tem as [...] la cosm ología está ' a ‫ظ‬ fro n tera en la q u e la ciencia ya n o está basada en la evidencia experim ental y deja de realizar predicciones com probables. U na vez que se h a cruzado esta línea, hem os dejad o atrás el m u n d o de la física y hem o s e n tra d o en el reino de la m etafísica» (R othm an y E llis 1987, p. 22). H abía físicos que lidiaban con los aspectos cu ánticos de la cosm ología en m odos m uy diferentes y m u ch o m ás especulativos que los físicos de las TGU. La idea de aplicar la m ecánica cuántica d irectam en te a to d o el universo, sin existir u n a teoría cuántica de la gravedad, se re m o n ta a E ddington y S chródinger a finales de los años treinta. En 1939, S chródinger llegó a la notab le conclusión de que las partículas p o d ría n haber sido creadas en u n universo en expansión ú n icam en te com o resultado de la m ism a, pero su trab ajo fue efectivam ente olvidado. En los años cincuenta, Bryce U eW itt en los Estados U nidos llevó a cabo u n p ro g ram a de investigación relacionado, apoyándose en algunas de las ideas de W heeler. La extravagante extrapolación de la m ecánica cuántica al universo en tero co n d u jo a D eW itt en 1977 a u n a ecuación cuántica, u n a especie de ecuación cósm ica de Schródinger, que se hizo con o cida com o la ecuación W heelerD eW itt. Sin em bargo, n o estaba claro có m o in te rp re ta r la ecuación, cóm o e n c o n tra r la solución única co rresp o n d ien te a u n solo y ú n ico universo y, p o r supuesto, cóm o hacer algo ú til con ‫ ظ‬ecuación en sí. A lexander V ilenkin, d esarrollando u n a sugerencia a n te rio r realizada p o r E dw ard Tyron, a rg u m e n tó en 1982 que la existencia del uníverso p o d ría ser e n ten d id a co m o u n proceso de tú n el de m ecánica cuántica a p a rtir de

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u n a «nada» de fluctuaciones del vacío cuántico. El titu lo del articulo de V ilenkin, «La creación de los universos a p a rtir de ‫ ظ‬nada», debió de so rp re n d er a m u ch o s lectores de Physical Letters. M uchos o tro s físicos re to m a ro n la idea de explicar ‫ ط‬creación del universo com o resu ltad o de fluctuaciones del vacio: esto tam b ién captó la im aginación de teólogos y filósofos; sin em bargo, la m ayoría de los físicos consideraba esta fase¡n an te idea salvajem ente especulativa, y p o r supu esto lo era. Im p erté rrito s an te la ausencia de u n a teoría cu án tica de la gravedad aceptable, desde alreded o r de 1980 los m od elo s de gravitación cu án tica h a n sido em pleados p o r varios físicos p a ra explicar la creación del universo a p a rtir de u n «estado» de nada. U no de los m ás conocidos fue el p ro p u esto p o r Jam es H artle y Stephen H aw king en 1983. T om ando com o su p u n to de p a rtid a la ecuación de W heeler-D eW itt, los dos físicos desarrollaron u n a función o n d u la to ria del universo, u n concepto que en c o n traro n legítim o, y afirm aro n que rep resentaba ‫ ط‬am p litu d del universo creándose a p a rtir de unas p artículas ligeras cuánticas finitas. D e acuerdo con H aw king, n o habría n in g ú n p ro blem a relativo a la creación ya que en to rn o a f = o en tre las fluctuaciones cuánticas, la m ism a n o ció n de espacio y tiem p o p erd ería su sentido, ? o r tan to , n o h abría singularid ad y ta m p o co u n a fro n tera o b o rd e de espacio-tiem po. Al ser au to co n ten id o , el un iverso ni se crearía n i se destru iría. Según H aw king en su best seller Breve historia del tiempo, esta visión tiene im plicaciones profirndas m ás allá de los reinos científicos: C on el éxito de las teo rías científicas p a ra d escrib ir sucesos, la m ayoría d e ‫ ظ‬gente ha llegado a creer q u e ،‫ةه؛د‬

p e rm ite q u e el u n iv erso evo lu cio n e de ac u erd o co n u n c o n ju n -

to de leyes, en las q u e él n o in te rv ie n e p a ra infringirlas. Sin em b arg o , [...] to d av ía dep e n d e ría de D ios d a r c u e rd a al reloj y elegir la fo rm a d e p o n e rlo en m arch a. En ta n to en c u a n to el universo tu v ie ra u n p rin cip io , p o d ría m o s su p o n e r q u e tu v o u n creador, ?e ro si el u niverso es realm en te a u to c o n te n id o , si n o tie n e n in g u n a fro n tera o b o rd e [en el tie m p o‫ ؛‬n o te n d ría ni p rin c ip io n i final: sim p le m e n te sería. ¿Q ué lu g ar q u ed a, en to n ces, p a ra u n creador? (H aw king 1988, p. 149)

lo que, quizá, sea u n m o d o a p ro p iad o de te rm in a r esta sección.

Cuarta parte: una mirada atrás

C A P ÍT U L O 28

La física Nobel

La ú ltim a v o lu n ta d de Alfred N obel, el in d u strial sueco que am asó u n a fo rtu n a gracias a la invención y m a n u fa c tu ra de la d in am ita, fue la fu n d ació n de la in stitu ció n N obel al com pleto. En 1900, tras u n com plejo proceso legal, el testam ento to m ó la fo rm a de los estatutos de la F u n d ació n N obel, y los p rim ero s galardones fu ero n concedidos el año siguiente. Alfred N obel q uería establecer p rem io s anuales de física, quím ica, fisio logía (o m edicina), literatu ra y lucha p o r la paz, pero su testam en to era b astante vago, p o r lo que se les dejó a sus ejecutores y a la p o ste rio r in stitu ció n N obel que fijara los detalles y creara u n a m a q u in a ria de organización. Según el testam en to del 27 de n o viem bre de 1895, el d in ero «debería ser concedido a n u alm en te en galardones a aq u e llas personas q u e hayan c o n trib u id o en m ayor m ed id a a beneficiar a la h u m a n id a d d u ran te el año in m ed ia ta m e n te precedente». La p arte de la física galardonaría a «la perso n a que haya hech o el d escu b rim ien to o invención m ás im p o rta n te en el d o m in io de la física». A dem ás, el testam en to subrayaba que «no se dará n in g u n a consideración a cuál sea la n acio n alid ad de los candidatos, es decir, q u ien m ás se lo m erezca será ga lard o n ad o con el prem io , sea o n o de origen escandinavo» (C raw ford 1984, p. 221). Los prem io s N obel se en treg an oficialm ente en u n a cerem onia que tiene lugar cada año en E stocolm o el 10 de diciem bre, el día de la m u e rte de N obel. A ntes de que esto o cu rra, tiene lugar u n elab o rad o proceso. La A cadem ia Real Sueca de la Ciencia, una corporación, de científicos suecos, prin cip alm en te, organizados en diferentes secciones, elige a cinco m iem b ro s de cada u n o de los com ités científicos, incluyendo el com ité N obel de Física. U na de las m em bresías está reservada p ara el presidente de la sección de física del In stitu to N obel. El p o d e r real en el proceso de elección recae en estos m iem bros del com ité. El com ité p e rm a n e n te de la física recoge nom in acio n es de u n n ú m ero p o ten cialm en te am plio de n o m in ad o res, algunos p erm an en tes y algunos asig nados ad hoc. A quellos designados p e rm a n e n te m en te p a ra n o m in a r incluyen a to dos los m iem bro s del com ité y de la A cadem ia, previos laureados N obel y profesores de fí sica de las antiguas universidades escandinavas e in stitu ciones sim ilares. Los n o m in a-

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dores ad hoc incluyen a profesores de universidades extranjeras seleccionadas y algunos científicos elegidos de m an era individual. A lgunos de los que n o m in a n hacen uso de su derecho a p ro p o n e r candidatos al com ité, que entonces considera to d as las p ro p u estas y p rep ara inform es detallados sobre algunos de ellos. El co m ité delibera sobre cuál(es) can d id ato (s) recom ienda, pero no tien e n in g u n a obligación de seguir ‫ ط‬p ro p u e sta de la m ayoría de los n o m in ad o res. De hecho, en la m ayoría de los casos anterio res a 1940, ios científicos más n o m in a d o s no hab ían sido reco m en d ad o s p o r el com ité. ? ٥٢ ejem plo, en Í910, Poincaré fue sugerido p o r trein ta y cu atro n o m in ad o res y Planck p o r diez, pero el com ité decidió recom end ar a Van d er Waals, el cual sólo h ab ía sido p ro p u esto p o r u n n o m in ad o r. A unque la decisión del com ité es la p a rte crucial del sistem a de n o m in ació n , no term in a aquí. La n o m in a c ió n de u n com ité necesita ser co n firm ada p o r la sección de ‫؛؛‬sica de la A cadem ia, y la p ro p u e sta se debate finalm ente p o r el plenario de la Acade^ m ia, el cual tien e la ú ltim a palabra. A unque la A cadem ia casi siem pre seguirá la reco m en d ació n del com ité, n o está obligada a ello. En 1908, p o r ejem plo, el com ité recom en d ó a Planck y la sección de física de la A cadem ia refrendó la propuesta. Sin em bargo, cu an d o la A cadem ia se reu n ió en sesión plenaria, el can d id ato físico fue rechazado p o r u n a significativa m ayoría. Al final, se decidió en tregar el galardón al físico francés G abriel L ip p m an p o r su invención de u n m éto d o p a ra la fotografía a color. U na situación sim ilar o c u rrió cu atro años m ás tard e, cu a n d o u n a re u n ió n del pleno rechazó a K am erlingh O nnes, el can d id ato reco m en d ad o p o r el com ité de Física y la sección de Písica de la A cadem ia. D e to d o s m o d o s, K am erlingh O n n es tuvo que esperar sólo u n año m ás p a ra recibir el prem io. El resultado del proceso de n o m in a c ió n pued e m u y b ien decidir que n in g u n o de los candidatos p ro p u esto s es m ereced o r del prem io. En ese caso, el p rem io se reserva para el año siguiente y * se entrega entonces. En ‫ ظ‬p rim e ra m itad del siglo, esto n o fue ta n infrecuente, ya q u e o c u rrió en 1921, cu an d o el p rem io se reservó p ara 922‫ل‬ y entonces fue entreg ad o a Einstein. U n p rem io p u ed e ser reservado sólo p o r u n año. Su au n así, n o se entregara, será « p erm an en tem en te reservado», o sea, anulado. Esto ha o cu rrid o cinco veces con el prem io de Física, en 1916, 1934, 1940, 1941 y 1942. N ada m ás com enzar, el p rem io N obel fue u n éxito y se consolidó com o el m ás prestigioso de los p rem ios científicos. U na razó n p a ra explicar el estatus del p rem io y la publicidad que lo rodeaba era la can tid a d de d in ero involucrado. En 1901, consistía en u n o s 40.000 dólares, u n a can tid ad con u n p o d er de co m p ra de casi el doble de su valor actual y, en su época, co rresp o n d ien te a tre in ta veces el salario anual de u n profesor universitario. A dem ás de la co n tin u a im p o rta n c ia del prem io, se añade el que la elección de u n laureado con el N obel n o rm a lm e n te ha sido reconocida com o razonable p o r la c o m u n id a d física en general. Solam ente en u n o s pocos casos se h a considerad o la elección com o «errónea» o «extraña», esto es, claram ente diferente de las visiones de la m ayoría de los físicos de elite. A sim ism o, los prem ios N obel de Ciencias h a n m an te n id o su rep u tació n co m o galardones v erd ad eram en te internacionales, n o influidos claram ente p o r factores políticos e ideológicos. En este sentido, hay u n a gran

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diferencia en tre los p rem io s de ciencias y los p rem io s de la paz y de literatura. Por supuesto, la política e n tra en la to m a de decisiones, pero el p rem io está m otivado científicam ente, n o políticam ente. N ada m ás co m en zar la in stitu ció n N obel, se co m prendió que el galard ó n era u n prem io , n o sólo al científico ind iv idual sino ta m b ién a ‫ ظ‬nación a la cual pertenecía el científico. La com petición p o r el p rem io era vista com o u n concurso en tre naciones, u n a visión q u e ha prevalecido desde entonces. En los perio d o s de tensión y guerras, los p rem io s n o p o d ía n evitar ser asociados con sentim ientos naciónalistas, de m an era m uy sim ilar a las m edallas ganadas d u ra n te los Juegos O lím picos. El com ité N obel de Física, siem pre, p o r razones entendibles, ha tem id o g alardonar con u n p rem io a u n ex p erim en to que se d em u estre equivocado o a u n a teoría que o bien n o p u ede ser verificada o bien se d em u estre erró n e a en el añ o siguiente. P or ejem plo, en 1903, LeBon fue n o m in a d o p o r sus rayos N , y en 190 ‫ ق‬B londlot p o r sus «rayos negros», en am b o s casos con n o m in acio n es de u n solo científico. Se p u ede im ag in ar con facilidad qué h u b iera significado p a ra la rep u tació n del p rem io N obel si h u b iera galard o n ad o a u n o o a am b o s científicos franceses. Las am bigüedades de los estatu to s de la F u n d ació n N obel, que reflejan las am bigüedades del testam en to , crearon u n a o p o rtu n id a d p ara la arb itra rie d ad en la Ínterp retación de qué tip o de trab ajo científico era m erecedor de u n prem io. P or ejem plo, ¿cóm o de en serio debería tom arse la con d ició n de «reciente»? En los estatutos de ‫ط‬ F undación N obel,‫ ظ‬cond ició n fue suavizada y especificada p a ra significar «el año inm ed iatam en te precedente», p a ra ser en ten d id o en el sentido de «que u n a invención o u n trab ajo p o r el cual u n p rem io co n tem p lad o bajo los térm in o s del testam en to p o n drá de aq u í en adelante los m ás m o d e rn o s resultados de trabajo, trabajos o invenciones m ás antiguos sólo serán ten id o s en c u en ta en caso de que su im p o rtan c ia no haya sido prev iam en te dem ostrada». A unque el criterio incluido en el testam en to ya fue suavizado con el p rim e r g alardón - e l d escu b rim ien to de R óntgen ten ía entonces cinco a ñ o s - en general, lo reciente era con sid erad o im p o rta n te d u ra n te las prim eras décadas. Fue u n a razó n fu n d a m e n ta l p o r la cual B oltzm ann y Kelvin n o fueron considerados para el prem io. La in stitu ció n N obel estaba ansiosa de que el p rem io n o fuera concedido p o r u n servicio largo y m e rito rio en la física sino p o r u n tra b ajo específico de origen reciente. Esto perm an eció com o la política oficial pero en la práctica no siem pre se seguía. E jem plos notables son Reines, cuyo d escu b rim ien to del n e u trin o fue an te rio r en tre in ta y nueve años a su prem io, y Kapitza, q ue tuvo que esperar unos cuaren ta años antes de recibir su p rem io ; el p rem io de C h an d rasek h ar fue u n o s cu arenta y cinco años p o ste rio r a su trab ajo principal. El p rem io m u y retrasado de Van Vleck es tam b ién o tro ejem plo. O tro pro b lem a, y m ás serio, era q u é se incluía d e n tro del concepto de la física. Los té rm in o s «invención» y «beneficio p a ra la h u m an id ad » se to m a ro n se escogieron para significar qu e los avances en la física aplicada y la tecnología p o d ría n ser reconocidos en paralelo al trab ajo de la física p u ra . La invención de M arconi de ‫ ط‬telegrafía sin hilos fue galard o n ad a en 1909, y G ustav [)alén, u n ingeniero sueco, recibió el p rem io en 1912 p o r su invención de la ilu m in ació n au to m ática de los faros. A unque el p rim e r co

420


m ité de física m ira b a con sim p atía los inventos, esta sim patía no se extendió a las patentes. En 1901, se decidió com o regla que las invenciones patentadas no deberían ser consideradas p ara el prem io. N atu ralm en te, esta política excluyó a la m ayoría de los inventores con m ás éxito, desde E dison a M aim an. D esde 1912 n in g ú n p rem io h a sido entregado p o r u n trab ajo p u ra m e n te tecnológico. E n tre los n o m in ad o s sin éxito de las dos prim eras décadas, se p u e d e n e n c o n tra r fam osos inventores com o E d o u ard Branly (telegrafía sin cables), V aldem ar ?o u lse n (g en erad o r de arco), C ari ٧٥٨ Linde (m áquiñas de refrigeración), F erd in an d von Z eppelin (dirigibles), O rville y W ilbur W r‫؛‬ght (avión), M ichael P u p in (bobinas ‫؛‬n d u cto ras de carga) y T hom as E dison (bom billa eléctrica, fonógrafo y m u ch o s m ás). El req u erim ien to de «beneficio para la h u m a n idad» no fue u n g ran problem a: siguiendo u n a antigua tra d ició n en ‫ ظ‬ciencia académ ica, los m iem b ro s del co m ité p ro n to resolvieron q u e el progreso fu n d am e n tal en la ciencia era, en sí m ism o y p o r definición, u n beneficio de la h u m an id ad . En o tras palabras, las consideraciones utilitaristas n o te n ía n p o r qué e n tra r en la to m a de decisiones. D e este m o d o , se p rescindió de justificar p o r qué la explicación de Lorentz del efecto Z eem an o, m ás tarde, la teo ría de Schw inger de la electrodinám ica cuántica, beneficiaban a la h u m a n id a d de alguna m a n e ra práctica. La política de n o conceder el estatus de p rem io N obel a '

tecnológicas

n o im plicaba que se im p id iera recibir el codiciado p rem io a los científicos em pleados p o r com pañías privadas. C o m o h em os visto, desde los años veinte, los lab o rato rio s afiliados con in d u strias privadas h a n estado crecientem ente ’ en la ciencia p u ra y h a n c o n trib u id o al progreso de la física tam b ién en su nivel fu n d am en tal. Ejem píos tem p ran o s son el p rem io de Q u ím ica de L angtnuir de 1932 y de D avissin de ?‫؛‬sica en 1937 (véase capítulo 9). La tabla 28.1 e n u m e ra los laureados en Física que real‫؛‬zaron su trab ajo galard o n ad o m ien tras trab ajab an en, o estaban ^ in c ip a lm e n te asociados a, lab o rato rio s privados. El p rem io de 986‫ ا‬fue entregado p o r el trab ajo pióñero en óptica electrónica y p o r el diseño del p rim e r m icroscopio de electrones. El invento se rem o n ta b a a los p rim ero s años trein ta, cu an d o M ax Knoll y E m st Ruska en la U niversidad Técnica de Berlín co n stru y ero n u n m icroscopio electrónico operativo. U na g ran p arte del trab ajo p o ste rio r de Ruska fue realizado en u n lab o rato rio que Siem ens y H alske m o n ta ro n en 1937 y en el cual p ro d u je ro n el p rim er m icroscopio electró n ic o com ercial en 1939. La m ita d del p rem io de 1986 fue a H einrich R ohrer y G erd B innig p o r su diseño del m icroscopio de efecto tú n el. R ohrer se u n ió al L aboratorio de Investigación de IBM en Suiza en 1963 y Binnig le siguió en 1978. O rig in ariam en te, el com ité definía la física de m a n e ra am plia, m ás com o ciencias físicas que com o física p u ra. La astrofísica, m eteorología, geofísica y quím ica física estab an incluidas, p ero n o la astro n o m ía. En los años veinte h u b o u n cam bio de op in ió n , de to d o s m o d o s, resu ltan d o en u n a exclusión n o oficial de la astrofísica y de las ciencias de la tierra. Si algún su b cam p o ¡n terd‫؛‬sc‫؛‬plin‫؛‬u o ciencia h erm a n a debiera ser aceptada com o física es desde luego u n a su n to político, m ás que de arg u m en to s de principios. La práctica p o r lo ta n to ha cam b iad o a lo largo de los años. En los prim eros tiem pos, cu an d o la astrofísica estaba d efinida com o p a rte de la física, n o se entre-

La física Nobel

421

TABLA 28.1 Prem ios N obel concedidos a físicos de lab o rato rio s privados o asociados con ellos Ano

Científicos

Instituciones

1937

C. J. D avisson

AT&T / Bell L ab o rato ries

1956

J. B ardeen, W. B rattain , W. Shockley

AT &T / Bell L ab o rato ries

1977

P. W. A n d erso n


1978

A. Penzias, R. W ilson


1986

1987

E. R uska

Siem ens & H alske

H . R ohrer, G. B inning

L ab o ra to rio de Investigación de IBM

K. A. M üller, L. G. B ernorz

L a b o rato rio de Investigación de IBM

gó n in g ú n galard ó n en esta área. £l p rem io ta rd ío de Bethe de 1967, galardonado p o r su teoría de 1938 de la p ro d u c c ió n de energía estelar, fue el p rim e r p rem io dad o en astrofísica. C oincidió con la ráp id a evolución de la astrofísica nuclear y relativista, que p u so m uy cercanas a la astro n o m ía y la física y p u ed e q u e hiciera cam biar la actitu d de lo que co n stitu ía la física N obel. En cu alq u ier caso, en tre 1974 y 1993 no m enos de siete prem ios frieron concedidos p o r trab ajo s que d eben clasificarse m ás cerca de la astro n o m ía que de la física. Tam bién es im p o rta n te m en cio n ar que al m enos u n físico, M ax D elbrück, rcc‫؛‬bió el p rem io N obel de Riología. C o n relación a la línea fronteriza entre la física y la quím ica, las m aterias eran b astan te diferentes, entre o tras razones p o rq u e hay u n p rem io p o r separado de q u ím ica pero n o de astronom ía. C on u n a posible excepción, el p rem io de 1926 de Jean Perrin, n in g ú n p rem io N obel de Física ha sido entregad o p o r u n trab ajo en quím ica, incluyendo la quím ica física y la física quím ica. Esto p u ed e parecer b astan te n a tu ra l -lo s q uím icos reciben prem ios de Q uím ica, los físicos de F ísica- p ero la relación n o es sim étrica. Sin e n tra r en la discusión de las interrelaciones de la física y la quím ica a lo largo del tiem po, es de reseñar que u n gran n ú m e ro de p rem io s N obel de Q u ím ica h a n sido entregados a científicos que eran físieos o cuyo trab ajo n o rm a lm e n te se consid eraría com o p erteneciente a la física. La m ayoría de los trab ajo s p rem iad o s en la lista 28.2 bien p o d ría n ser caracterizados de igual m odo, o quizá incluso m ejor, com o física. La radiactividad, los isótopos, la estru ctu ra m olecular y el d escu b rim ien to de los elem entos q uím icos eran trad icio n alm en te enten d id o s com o pertenecientes a la quím ica, lo cual explica algunos de los prem ios. El caso m ás conocido es el p rem io entreg ad o a R uth erfo rd , que consideró su trab ajo sob re la radiactiv id ad com o estrictam en te físico y consideraba de poca m o n ta a la quím ica. La natu raleza interd iscip lin ar de m u ch o s d escu b rim ien to s en el cam po de la rad ia c tiv id a d y la q u ím ic a n u c le a r en o casio n es h a c o n d u c id o a d ecisiones controvertidas. U na de ellas tiene que ver con el d escu b rim ien to de la fisión nuclear, que fue investigada p o r el com ité quím ico ya en 1941. En 1945, el p rem io de Q uím ica de 1944 fue en treg ad o sólo a H ahn, m ien tras que S trassm ann, ^ i t n e r y F r i s c h n o fue-

422


TABLA 28.2 Prem ios de Q u ím ica concedidos a físicos o en áreas de investigación de n atu raleza física Año

Laureado

Trabajo N obel

C ontexto del laureado/a

1908

Ernest Rutherford

d esin teg ra ció n radiactiva

física

1911

Marie Curie

d e sc u b rim ien to de Ra y Po

física

1920

Walther Nernst

te rm o d in á m ic a q u ím ica

q u ím ica física

1921

Frederick Soddy

rad iactiv id ad , isó to p o s

q u ím ic a física

1922

Francis Aston

esp ectro sco p ia de m asas

física

1932

Irving Langmuir

q u ím ica de superficies

q u ím ica física

1934

Harold C. Urey

d eu terio

q u ím ica n u clea r

Frederic Joliot

rad iac tiv id a d artificial

1935

Irene Joliot-Curie

física física

1936

Peter Debye

e stru c tu ra m o lecu lar

física

1944

Otto Hahn

d e sc u b rim ie n to d e la fisión


1949

William Giauque

m é to d o s de bajas te m p e ra tu ra s


1951

Edwin McMillan

e lem en to s tra n su rá n ic o s

física

Glenn Seaborg 1960

Willard Libby

q u ím ica n u clea r m é to d o de d a ta c ió n C -14

q u ím ica n u clea r

1968

Lars Onsager

te rm o d in á m ic a irreversible

q u ím ica física

1971

Gerhard Herzberg

e stru c tu ra m o lecu lar

física

1977

Ilya Prigogine

e stru c tu ra s disipativas

q u ím ica física

ro n considerados. M eitn er y Frisch, que h ab ían sido los p rim ero s en explicar c o rrecta m ente los ex perim entos de Berlín, fueron n o m in a d o s p ara u n p rem io de Física, pero el in fo rm e del com ité fue negativo. Se juzgó que la explicación de M eitner y Frisch era m ás b ien u n a suposición con suerte y que si debía ser g alardonada la explicación teó rica, sería m ás b ien el n o n o m in a d o B ohr q u ien m erecería el prem io. Los m iem b ro s individuales de los com ités científicos eran a veces m u y influyentes en la política científica N obel y tu v iero n éxito, p o r ejem plo, en p ro m o cio n a r a sus fa voritos en ram as concretas de investigación física. En los años veinte el teórico Cari O seen fue en gran m ed id a responsable p o r el giro g rad u al hacia la física teórica que se ñaló u n a ru p tu ra con respecto al pasado experim ental. El quím ico físico Svante A rrhenius ejerció g ran influencia en las p rim eras decisiones N obel tan to en quím ica com o en física. Usó su posición p a ra destacar la teo ría ató m ica y fue decisivo en los prem ios entregados a R u th erfo rd y a Planck. A rrh en iu s tam b ién tuvo éxito cu an d o bloqueó d u ran te u n largo p erio d o el p rem io de Q u ím ica p a ra N ernst, en este caso n o ta n to p o r razones científicas co m o personales. U n trab ajo digno de u n p rem io N obel ten ía que ser u n «descubrim iento o inven ción», lo que en o rigen llegó a significar que el trab ajo p u ram en te teórico no estaba

La física Nobel

423

acreditad© p a ra u n prem io. D u ran te las dos p rim eras décadas ap roxim adam ente, el COm ité de física estaba d o m in a d o p o r los experim entales y ten ía predilección p o r los exp erim en to s de alta precisión. Esto reflejaba la ten d en cia e ^ r i m e n t a l i s t a general en la física sueca de la época. D e este m o d o , en tre 1890 y 920‫ل‬, setenta y siete suecos se docto ra ro n en física en las universidades del país en E stocolm o, Lund y U ppsala. Sesenta y siete de las tesis p resentadas eran sobre to d o experim entales y sólo diez teóricas. El com ité de física n o ten ía ganas de co n sid erar ‫ ظ‬física teó rica de m o d o serio si la teo ría no h abía sido d irectam en te verificada p o r la experim en tació n. La física teó rica y m atem ática a m e n u d o se consideraba com o «especulativa». El ideal de la ciencia fue expresad o p o r u n físico sueco en u n c o m en tario de 1918 sobre la teo ría de la relatividad de E instein. Esta teoría, escribió, cultivaba la teo ría p o r sí sola y atraía a los jóvenes. Pero «las personas m ayores, q u e h a n co nocido varias teorías a lo largo de su vida [...] están m ás inclinadas a estar satisfechas sólo co n co n o cim ien to fáctico, p o r ejem plo, con teorías ex p erim en talm en te dem ostrables, y son escépticas con relación ،٦ las teorías que no p u ed e n ser verificadas [...] Es u n gusto sim ple y p oco cultivado el que se deja llevar p o r tales teorías [abstractas]» (Eizinga 1995, p. 84). La m ayoría de los m iem b ro s del com íté N obel, in d ep en d ien tem en te de su edad, eran «personas m ayores». Es bien sabido que Einstein n o recibió su p rem io N obel p o r la teo ría de la relatividad sino p o r su explicación de 1905 del efecto fotoeléctrico, o m ejo r dicho, el p rem io fue entregado p o r la predicción de la ley fotoeléctrica correcta, n o p o r la teoría fotónica sobre la cual estaba basada la teoría: p ara ser precisos, «por sus co n trib u cio n es a la física teórica, en especial p o r su d escu b rim ien to de la ley del efecto fotoeléctrico», destacando la palab ra m ágica «descubrim iento». H asta 1922, Einstein hab ía sido n o m in a d o en n o m enos de 62 ocasiones, y sólo u n a de las n o m in acio n es m en cio n ab a específicam ente el efecto fotoeléctrico. El físico sueco que escribió el in fo rm e sobre la teoría de la relatividad de Einstein concluyó q u e su aceptación era u n a «cuestión de fe» y o tro m iem bro del com ité aseguró q u e «es altam en te im p ro b ab le que N obel tuviera en cuen ta especulaciones tales com o éstas p a ra ser objeto de sus prem ios» (F riedm an 1981, p. 795). Desde entonces, el com ité em pezó a juzgar el trab ajo teó rico bajo u n a óptica m ás favorable, especialm ente con la elección de O seen en 1923, p ero ‫ ظ‬a ctitu d general era todavía conservadora y n o confiaba en la física teórica sin u n a conexión fuerte con el trabajo experim ental. C u an d o H eisenberg y Schr¿‫؛‬d in g er fu ero n pro p u esto s p ara el p rem io de 1929, el com ité resolvió q u e la m ecánica cuántica «todavía no ha dado lugar a ningún d escubrim ien to nuevo de u n a n atu raleza m ás fundam ental» y en su evaluación de 1933 de D irac, O seen concluyó que el joven teórico b ritán ico hasta entonces no había hecho n in g ú n «trabajo in n o v ad o r realm en te grandioso» (K ragh 1990, p. 116). Así y todo, los tres p io n ero s cu ánticos fueron finalm ente galardonados con el N obel. La tabla 28.3 ag ru p a los p rem io s N obel de Física desde 1901 hasta 1998. C o n tan d o a todos, 160 científicos h a n recibido el p rem io de Física, b ien dividido o b ien sin dividir. D e los 160 d estin atario s del prem io, sólo dos (el 1,3 p o r 100) eran m ujeres, en concreto M arie C urie y M aría G oeppert-N layer. T eniendo en cuen ta que am bas recibieron ‫ ط‬cu a rta parte del prem io, el to tal final de m ujeres p rem ios N obel es de m edio. Asi

424


m ism o, sólo ha h ab id o dos destin atario s del Tercer M u n do, o tres si incluim os a C handrasekhar. N in g ú n físico africano o latin o am erican o ha recibido n u n ca el galardón. La m ayoría de ganadores del p rem io N obel h an sido euro p eos (54,4 p o r 100) o estadounidenses (41,9 p o r 100) en la época en que desarro llab an su trabajo. M ientras que hasta 1940 los físicos de A lem ania e In g laterra eran los m ás hom enajeados (recibiendo cada nació n el 22 p o r 100 de los p rem io s), hasta Í970 los físicos estadounidenses hab ían recogido m ás p rem io s N obel q u e los físicos alem anes y b ritánicos juntos.

TABLA 28.3 P rem ios N obel de Física Año

Nombre(s)

País

Objeto de estudio

Año ،‫ ﺀ؛‬descubrimiento

1901

Wilhelm K. Róntgen

Alemania

Rayos X

1895

E

1902

Pieter Zeeman

Países Bajos

Efecto Zeeman

1896

E

Hendrik A. Lorentz

Países Bajos

—

1896

T

Antoine H. Becquerel

Francia

Radiactividad

1896

E

Pierre Curie

Francia

—

~ 1898

E

Marie Curie

Francia

—

- 1898

E

Lord Rayleigh

Inglaterra

Argón

1895

E

1905

Philipp Lenard

Alemania

Rayos catódicos

~ 1902

E

1906

Joseph J. Thom son

Inglaterra

Electrón

1897

E

1907

Albert A. Michelson

EEUU

Interferom etría de precisión

~ 1890

E

1908

Gabriel Lippm ann

Francia

Fotografía a color

- 1895

E

1909

Guglielmo Marconi

Italia

Telegrafía sin hilos

~ 1895

E

C. Ferdinand Braun

Alemania

- 1897

E

1910

Johannes van der Waals

Países Bajos

Gases y líquidos

187^

T

1911

Wilhelm Wien

Alemania

Radiación de calor

1896

T

1912

Nils Gustav Dalén

Suecia

Reguladores autom áticos

1907

E

1913

Heike Kamerlingh

Países Bajos

Bajas tem peraturas

~ 1908

E

1914

O nnes Max von Laue

Alemania

Difracción de rayos X

1912

E/T

1915

William H. Bragg

Inglaterra

Estructura cristalina

1912

E

W illiam L. Bragg

Inglaterra

1917

Charles Barkla

Inglaterra

1905

E

1918

Max Planck

Alemania

Rayos X secundarios Teoría cuántica

1900

T

1919

Johannes Stark

Alemania

Efecto Stark

1913

E

1903

1904

-

La física Ncbei

٨^٠

1920

Nombre(s) Charles-Edouard

País

Objeto de estudio

425

Año de descubrimiento

Francia

Aleaciones de níquel-acero

- 1895

E

Efecto fotoeléctrico

1905

T

Guillaume 1921

Albert Einstein

Suiza

1922

Niels Bohr

Dinamarca Teoría atóm ica

1913

T

1923

Robert Millikan

EEUU

Carga del electrón y efecto fotoeléctrico

1911-1915

E

1924

Karl M. Siegbahn

Suecia

Espectroscopia de rayos X

~ 1922

E

1925

James Franck

Alemania

Colisiones electrón-átom o

- 1915

E

Gustav Hertz

Alemania

1926

Jean Perrin

Francia

Equilibrio de sedimentación

1908

E

1927

A rthur H. C om pton

EEUU

Efecto C om pton

1923

E

Charles T. R. Wilson

Inglaterra

C ám ara de niebla

1911

E

1928

Owen Richardson

Inglaterra

Fenómenos termiónicos

~ 1910

T

1929

Louis de Broglie

Francia

Naturaleza ondulatoria de los electrones

1923

T

1930

Chandrasekhara Raman India

Efecto Raman

1928

E

1932

W erner Heisenberg

Alemania

Mecánica cuántica

1925

T

1933

Paul Dirac

Inglaterra

Mecánica cuántica

1925-1928

T

Erwin Schrodinger

Austria

Mecánica ondulatoria

1926

T

1935

James Chadwick

Inglaterra

N eutrón

1932

E

1936

Victor Hess

Austria

Radiación cósmica

-1 9 1 1

E

Carl D. Anderson

EEUU

Positrón

1932

E

C linton J. Davisson

EEUU

Naturaleza ondulatoria de los electrones

1977

E

George P. Thom son

Inglaterra

-

1927

E

1938

Enrico Fermi

Italia

Reacciones nucleares de neutrones

1934

E

1939

Ernest Lawrence

EEUU

Ciclotrón

1932

E

1943

O tto Stern

Alemania

M étodo de haces moleculares

~ 1920

E

1944

Isidor Rabi

EEUU

M étodo de resonancia magnética

1930s

E

1945

Wolfgang Pauli

Austria

Principio de exclusión

1925

T

1946

Percy Bridgman

EEUU

Física de altas presiones

-1 9 3 0

E

1937

426

Año


Nombre(s)

‫ ا‬947

Edward Appleton

1948

1949

País Inglaterra

Objeto de estudio


Capa de Appleton

1926

E

Patrick M. S. Blackett Inglaterra

Física de cámara de niebla

~ 1933

E

Hideki Yukawa

Teoría del mesón

1935

T E

E

Japón

1950

Cecil F. Powell

Inglaterra

Descubrimiento del mesón

■947

1951

John D. Cockcroft

Inglaterra

Acelerador de alta tensión

1932

Ernest Walton

Inglaterra

Felix Bloch

EEUU

Magnetismo nuclear

~ 1945

E/T

Edward Purcell

EEUU

1953

Frits Zernike

Países Bajos

M étodo de fase-contraste

- 1932

E

1954

Max Born

Alemania

Mecánica cuántica

1926

T

Walther Bothe

Alemania

M étodo de coincidencia

1924

E

Willis Lamb

EEUU

Efecto Lamb en hidrógeno

1947

E

Polykarp Kusch

EEUU

M om ento magnético del electrón

1947

E

John Bardeen

EEUU

Efecto transistor

١^

E

Walter Brattain

EEUU

William Shockley

EEUU

Transistor de unión

1949

E

Chen Ning Yang

EEUU

No-conservación de paridad

1957

T

1935

E

1937

T

1952

1955

1956

1957

Tsung Dao Lee

EEUU

Pavel Cherenkov

URSS

Ilya M. Frank

URSS

-

Igor Tamm

URSS

-

Owen Chamberlain

EEUU

Emilio Segre

EEUU

1960

Donald Glaser

1961

1958

1959

Efecto Cherenkov

T

A ntiprotón

1955

E

EEUU

C ám ara de burbujas

1952

E

Robert Hofstadter

EEUU

Esparcimiento de electrones en el núcleo

- 1955

E

Rudolf M ossbauer

Alemania

Efecto Móssbauer

1958

E

La física Nobel

Año

Nombre(s)

País

Objeto de estudio

427

A ño de descubrimiento

1962

Lev Landau

URSS

Teoría del helio líquido

~ 1941

T

1963

Eugene W igner

EEUU

Principios de simetría

~ 1930

T

Maria Goeppert-

EEUU

Estructura nuclear orbital

1948

T

-

1948

T

Electrónica cuántica (láser)

1954

E

1955

E

Mayer

1964

1965

J. Hans D. Jensen

Alemania

Charles Townes

EEUU

Nikolai G. Basov

URSS

_

Alexander Prokhorov URSS

-

E

Richard Feynman

EEUU

Electrodinámica cuántica

1949

T

Julian Schwinger

EEUU

_

1948

T

Sin-Itiro Tomonaga

Japón

-

1943

T

1966

Alfred Kastler

Francia

Doble resonancia

1950

E

1967

Hans Bethe

EEUU

Producción de energía estelar

1938

T

1968

Luis Alvarez

EEUU

Partículas elementales

~ 1962

E

1969

M urray Gell-Mann

EEUU

Teoría de partículas elementales

1962-1964

T

1970

H annes Alfvén

Suecia

M agnetohidro-dinám ica

~ 1948

T

Louis E. F. Néel

Francia

Modelos de m agnetismo

1932-1948

T

1971

Dennis Gabor

Inglaterra

Holografía

1948

E

1972

Leon Cooper

EEUU

Teoría de la super conductividad

1957

T

John Schrieffer

EEUU

John Bardeen

EEUU

Leo Esaki

Japón

Túnel sem iconductor

1957

E

Ivar Giaver

EEUU

Brian Josephson

Inglaterra

1973

E

Efecto Josephson

1962

T

428

Año 1974

‫ ا‬97 ‫و‬

1976

1977

1978

1979


Nombre(s)

País

Objeto de estudio

A ño de descubrimiento

Antony Hewish

Inglaterra

Pulsares

1967

E

M artin Ryle

Inglaterra

Técnicas de radioastronom ía

1954

E

Aage Bohr

Dinamarca

Modelo nuclear colectivo

1953

Ben Mottelson

EEUU

L. James Rainwater

EEUU

-

1950

T

Burton Richter

EEUU

Partícula J/c}>

1974

E

Samuel Ting

EEUU

H ohn van Vleck

EEUU

Teorías de m agnetismo

1930s

T

Nevill M ott

Inglaterra

Teoría de metal

~ 1936

T

Philip Anderson

EEUU

Teoría del estado sólido

~ I960

T

Peter Kapitza

URSS

Física de bajas tem peraturas

- 1940

E

Arno Penzias

EEUU

Radiación de fondo 3 K

1965

E

Robert Wilson

EEUU Teoría electrodébil

1967

T

E

—

Steven Weinberg

EEUU

Abdus Salam

Pakistán

-

1967

T

Sheldon Glashow

EEUU

-

1961

T

No-conservación CP

1964

E

Espectroscopia de electrones

1950s

E

Nicolas Bloembergen Países Bajos Espectroscopia láser

1956

E

A rthur Schawlow

EEUU

- 1956

E

1982

Kenneth Wilson

EEUU

Fenómenos críticos

1970

T

1983

William Fowler

EEUU

Astrofísica nuclear

~ 1960

T

Subrahmanyan

India

Estructura de las estrellas

1934-1939

T

Carlo Rubbia

Italia

Descubrimiento de W y de Z

1983

E

Simon van der Meer

Países Bajos

Klaus von Klitzing

Alemania

Efecto Hall cuantizado

1980

E

1980

1981

James Cronin

EEUU

Val Fitch

EEUU

Kai M. Siegbahn

Suecia

-

C handrasekhar 1984

1985

La física Nobel

Año 1986

1987

1988

1989

1990

País

Nombre(s)

Objeto de estudio

429


Ernst Ruska

Alemania

Microscopio electrónico

1930s

E

H einrich Rohrer

Suiza

Microscopio de efecto túnel

1978

E

Gerd Binnig

Alemania

Karl Alex M üller

Suiza

1986

E

J. Georg Bednorz

Alemania

León Lederman

EEUU

1962

E

Melvin Schwartz

EEUU

-

Jack Steinberger

EEUU

-

N orm an Ramsey

EEUU

Relojes atómicos

1950s

E

Hans Dehmelt

Alemania

Técnica de confinamiento de iones

1973

E

Wolfgang Paul

Alemania

-

1950s

E

Richard Taylor

EEUU

Alta superconductividad T N eutrino m uón

Dispersión elástica profunda

H enry Kendall

EEUU

-

Jerome Friedman

EEUU

-

1960s E

1991

Pierre-Gilles de Gennes Francia

Cristales líquidos

‫ل‬974

1992

Georges Charpak

Francia

Aparatos de detección

1970s

E

1993

Russell Hulse

EEUU

D escubrim iento del p u l sar binario

1974

E

- 1960

E

1994

1995

1996

E

Joseph Taylor

EEUU

Bertram Brockhouse

Canadá

Clifford Shull

EEUU

M artin Perl

EEUU

D escubrim iento del leptón tau

1974

E

Frederick Reines

EEUU

D escubrim iento del neutrino

1956

E

David M. Lee

EEUU

Superfluidez en el He-3

1972

E

Robert Richardson

EEUU

Douglas Osheroff

EEUU

Espectroscopia de neutrones -

_

-

430

A ño 1997


Nombre(s)

País

Objeto de estudio

Steven Chu

EEUU

William Phillips

EEUU

-

Claude Cohen-

Francia

—

Enfriamiento láser de átomos

1980s

Tannoudhi 1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

Robert Laughlin

EEUU

H orst Stórmer

Alemania

Daniel Tsui

EEUU

Gerardus ’t Hooft Países Bajos M artinus J. G. Veltman

Cuasipartículas electrónicas

1982

-

-

Zhores L Alferov

Rusia

Estructura cuántica de las interacciones electrodébiles Comunicaciones

H ervert Kroemer

Alemania

Semiconductores

Jack S. Kilby

EEUU

Circuito integrado

Eric A. Cornell

EEUU

Condensación Bose-Einstein

Wolfang Ketterle

Alemania

Carl E. W ieman

EEUU

Raymond Davis Jr.

EEUU

Masatoshi Koshiba

Japón

Riccardo Giacconi

EEUU

Rayos X cósmicos

Alexei A. Abrikosov

EEUU y Rusia

Superconductores y superfluidos

Vitaly L. Ginzburg

Rusia

A nthony J. Leggett

Reino Unido y EEUU

Frank Wilczek

EEUU

Libertad asintótica en la interacción fuerte

Roy J. Glauber

EEUU

T. cuántica de coherencia óptica

John L. Hall

EEUU

Espectroscopia láser de precisión

Theodor W. Hánsch

Alemania

N eutrinos cósmicos

David J. Gross H. David Politzer 2005

Nota: El año del prem io se refiere al año en el cual ha sido im puesto, no el año en el cual el laureado re cibió el premio. Las letras «E» y «T» indican si el trabajo era principalm ente experimental o teórico. Las nacionalidades se refieren al periodo del trabajo prem iado o, si éste ha ocupado un periodo extenso de tiempo, a la prim era parte del periodo.

C A P ÍT U L O 29


Crecimiento y progreso El siglo xix a m e n u d o h a sido identificado com o la era de la ciencia, y sin d u d a fue d u ran te este siglo cu a n d o em ergió la ciencia m o d e rn a com o algo m ás que u n a actividad intelectual p a ra u n p eq u e ñ o g ru p o de filósofos naturales; sólo d u ra n te este siglo la ciencia se organizó en el ám b ito nacional, y en m e n o r m ed id a intern acio n alm en te, y sólo entonces se c o m p ro b ó su valía p a ra la sociedad en general. Sin em bargo, el si guiente siglo p uede, con m ás justificación incluso, ser llam ado el siglo de la ciencia, p o rq u e fue d u ra n te este p erio d o cu a n d o la ciencia v in o a d o m in a r no sólo la esfera in telectual sino tam b ién g ran p arte de las esferas social, económ ica y m ilitar de la vida. La ciencia despegó en el siglo xix, estuvo p len am en te establecida y p rep arad a para la acción en 1900 y entonces se em barcó en u n curso de evolución rápida que n o ha te n id o precedentes en la h isto ria en tera de la h u m a n id a d . En p rim e r lugar es u n creci m ien to cuan titativ o el q u e h a caracterizado el avance de la ciencia en el ú ltim o siglo del segundo m ilenio. P or supuesto, la física n o es la única ciencia que ha ex p erim en ta do u n crecim iento destacable. En general, todas las ram as clásicas de la ciencia se han expandido a g ran escala a lo largo del siglo, a u n q u e con patro n es b astante diferentes en tre sí: p o r ejem plo, m ien tras que la física estabilizó su crecim iento d u ra n te las ú lti m as dos o tres décadas, ha h ab id o u n p erio d o de crecim iento sostenido en las ciencias biológicas y m edioam bientales. A lrededor de 1900, com o vim os en el capítulo 2, la física era u n negocio florecien te pero p equ eñ o , con u n n ú m e ro to tal de físicos académ icos m e n o r de 1.500. La a n ti gua Sociedad Física A lem ana incluía a u n o s 350 m iem bros, y la m em bresía en la nueva Sociedad Física A m ericana era de m en o s de u n centenar. El n ú m ero de publicaciones físicas, com o se in fo rm a en las principales revistas de resúm enes de artículos, era de al rededor de 2.400. En los años noventa, el m u n d o de la física había crecido en ta m añ o de m o d o m u y sustancial. La m em b resía en los dos sociedades físicas se había in cre

432


m en ta d o a u n o s 25.000 (en A lem ania) y a 40.000 (en los Estados U nidos) y el n ú m ero de artículos de investigación resu m id o s en Physics Abstraéis se ap roxim aba a los 200.000. La pob lació n m u n d ial de físicos era m ás de 150.000. R edondeando, la m ano de o b ra y la p ro d u c c ió n de artícu lo s se h a n in crem en tad o p o r u n factor de cien en m e nos de u n siglo. Los gastos en investigación de física y de fo rm ació n sin d u d a se h ab rán in crem en tad o p o r u n factor au n mayor. Al crecim iento en la física, que despegó sobre to d o después del final de la P rim era G uerra M undial, le siguió, al p rin cip io lentam en te, u n m o d o diferente de organización y de hacer la física. El cam b io ya fue visible a finales de los años veinte, pero el gran avance real fue sin d u d a la Segunda G u erra M u n d ial y los grandes cam bios que la gue rra y sus consecuencias cau saro n en la ciencia y que resu ltaro n ta n útiles p ara los o b jetivos m ilitares. U n resultado del cam bio generacional de la posg u erra y el giro gene ral hacia m o d o s in stru m en talistas y pragm áticos de p en sam ien to fue que la filosofía p erdió su lugar en la física. M uchos m iem b ro s de la generación m ás tem p ra n a de físi cos ten ían u n h o n d o interés en cuestiones filosóficas y a veces se in sp ira ro n en filóso fos en su trab ajo innov ad o r, o d eb atían co m p eten tem en te las im plicaciones filosóficas de la nuev a física. Para Planck, Bohr, Schródinger, Weyl, H eisenberg, Einstein, Eddingto n y m uch o s o tro s de sus colegas, la filosofía era u n aspecto im p o rta n te de la física. Pocos de los líderes de la física de la p o sg u erra se p re o cu p a ro n acerca de la filosofía o tenían u n co n o cim ien to m ás q u e superficial del cam po. En los años sesenta, con las m u ertes de B ohr y Schródinger, la q u e antes fuera orgullosa y vital trad ició n de físicosfilósofos llegó a su final. D espués de 1945, la física com en zó su m arch a a to d a velocidad hacia la era de la g ran ciencia, au n q u e deb ería tenerse en c u en ta que la g ran ciencia de tip o glam oroso en co n tra d a en la física de altas energías ex p erim en tal n o era ni es típica de la física en general. Incluso los físicos de la p e q u eñ a ciencia se v iero n influidos p o r la tendencia, cuyo resultado m ás im p o rta n te fue el salto del físico individual com o p ro d u c to r de u n id ad es de co n o cim ien to a colectivos, eq u ip o s o colaboraciones. En cu an to a la bib liom etría, la ten d en cia se m anifestó a través de u n cam bio desde los artículos de in vestigación con u n a u to r indiv id u al a artícu lo s de investigación con m últiples autores. La ten d en cia inevitable hacia la colectivización -in e v ita b le p o r el ritm o de crecim ien to y la com plejidad de los in stru m e n to s y ta m b ié n p o r la creciente interdisciplinaridad de m uchos cam pos de la física- n o significa q u e los días de las grandes in d iv id u alid a des hayan term in ad o . La v erdadera creatividad a ú n subyace en el genio de científicos individuales, u n a aseveración q u e se ve apoyada p o r la h isto ria de la física de la p o s g u erra a u n nivel n o in ferio r q u e en la física m ás heroica de la preguerra, con su ap a rente ab u n d an cia de genios desde P lanck y E instein h asta B ohr y Yukawa. A lo largo del siglo, la física ha seguido siendo u n a ciencia v erdaderam ente in te r nacional, o quizá la p alab ra co sm o p o lita sea m ás adecuada, p o r ser u n hecho caracte rístico que m uch ísim o s físicos se hayan m u d a d o sin esfuerzos de u n país a otro, de u n a ciudad a o tra , de u n la b o ra to rio a o tro , con el p ro p ó sito de trab a jar bajo las m ejores condiciones posibles sin p restar m u c h a aten ció n a las ubicaciones nacionales. Q uizá


433

nos gustaría p en sar en la física de finales del siglo XX com o m u ch o m ás cosm opolita de lo q ue era p reviam ente, p ero de hech o los físicos jóvenes siem pre se h a n m ovido (m ás o m enos) con lib ertad de u n país a o tro y ha n pensad o q ue su ciencia es transnacional. P or o tro lado, caracterizar la física co m o in tern acio n al en el aspecto social sería u n a exageración. A pesar de los g randes cam bios políticos q ue h a n o c u rrid o en la relación en tre la p arte rica del n o rte del m u n d o y el d e n o m in a d o Tercer M undo, la física to davía está co m p letam en te d o m in a d a p o r E uropa y N orteam érica. El hecho de que au tiguas colonias se hayan convertido en naciones in d ep endientes y que algunos de los países tercerm u n d istas (en especial en el este asiático y en A m érica del Sur) se hayan desplazado de países en d esarrollo a países desarrollados apenas se refleja en la com posición intern acio n al de ‫ ط‬física: de los o ch en ta artículos presentados d u ra n te la conferencia m u n d ia l de París en 1900, dos fu ero n en tregados p o r físicos de lo que m ás tard e se llam arían países del Tercer M u n d o . Si se h u b iera dad o u n a conferencia corresp o n d ie n te en 1995 (aun im pensable co m o p u ed a serlo), el porcentaje no hu b iera sido mayor. Lo que se ha dicho del tem a del Tercer M u n d o se p u ede decir tam b ién respecto del tem a de género. En 1900, la física estaba casi ab so lu tam ente d o m in a d a p o r hom bres, así com o lo estaban todas las ram as de la ciencia ١٢ , p o r supuesto, to d a la vida pública y profesional. N oventa años m ás tarde, el n ú m e ro de m ujeres físicas se ha increm entado m u y no tab lem en te y relativam ente m ás ráp id o que el n ú m e ro de h o m b res físicos, pero el in crem en to n o h a p ro d u cid o m u ch a diferencia. En el ám b ito m u n d ial, la prop o rción de m ujeres es todavía m e n o r del 10 p o r 100, u n a cifra que se co m p ara de m añera desfavorable con las cifras co rresp o n d ien tes en las ciencias biológicas y quím icas. A dem ás, la sm u je re s rara m e n te h an d ad o el paso hacia la elite de la física, y en investl· gación fronteriza son todavía m enos visibles q u e lo que se esperaría dada su p ro p o rción de puestos de enseñanza. M arie C urie se m a n tie n e com o la m u jer física del siglo, y de hecho de to d o s los tiem pos. Por lo general, la física a p rin cip io s de siglo estaba d o m in ad a p o r A íem ania, Inglaté rra y Prancia (p ara m ás detalles, véase cap ítu lo 2). A lem ania, al c o n tra rio que Francia, siguió d esem p eñ an d o u n papel destacado hasta b ien e n tra d a la década de los treinta y los físicos b ritán ico s n u n c a cesaron de c o n trib u ir de m an era significativa a la física m undial. En los años trein ta, los Estados U nidos ya se habían convertido en la nueva potencia m u n d ia l en la física al igual q u e en o tras ciencias y en especial en el desarrolio tecnológico. A pesar del crecim iento de la c o m u n id ad soviética de física, d u ra n te décadas después de la g uerra, la física estad o u n id en se d isfru tó de u n a posición casi hegem ónica. Sin d u d a, u n o de los cam bios m ás notables de la física del siglo XX, especialm ente si se co m p ara con el siglo an terio r, h a sido el auge de la d o m in a ció n de la física estadou n id en se. D u ra n te el ú ltim o cu arto de siglo, el d o m in io se ha m o strad o m enos m arcad o y E uropa, en cierto m o d o , ha vuelto a escena, pero Estados U nidos aún es in cu estio n ab lem en te la n ació n líder en física. P or o tro lado, la naturaleza tran sn a cional o cosm o p o lita creciente de ‫ ظ‬física, causada en p arte p o r los avances en transp o rtes y telecom unicaciones, h a hecho q u e de alguna m an e ra sea m enos relevante h a

434


blar de la física en té rm in o s nacionales. Los avances tecnológicos h an ten id o u n a gran influencia en la física. Recuérdese q u e solam ente hab ía dos representantes estad o u n i denses en la conferencia de París de 1900 - e n aquella época los viajes transatlánticos eran lento s y caro s-; y que los físicos estadounidenses tu v iero n p roblem as p ara unirse a la revolución cu án tica después de 1925 p o r el retraso en las com unicaciones desde E uropa -lle v ó tiem p o antes de que las publicaciones físicas alem anas llegaran a los Es tados U n id o s-. Las co ndiciones de hacer física y de estar p en d ien te de la frontera de in vestigación h a n cam b iado en u n a era en la cual el tráfico aéreo, la telefonía m u n d ial, el correo electrónico y el servicio de In te rn e t están a la o rd e n del día. En m u ch as ocasiones se ha alegado que la ciencia y la dem ocracia van de la m ano, y que la ciencia solam en te p u ed e florecer bajo condiciones políticas dem ocráticas, pero esta afirm ación n o se ve apoyada p o r la h isto ria de la física del siglo xx, e incluso m e nos p o r la h isto ria de siglos anterio res. C ualq u iera que sea la relación en tre d em o c ra cia y desarrollo científico, si es q u e existe ésta, n o es sim ple. Para estar seguros, la físi ca decayó a p a rtir de 1933 pero difícilm ente fue deb id o a que la d ictad u ra nazi ahogó el esp íritu libre de la dem o cracia q u e se su p o n e ta n necesario p a ra el sano desarrollo de la ciencia. D ado el g ran n ú m e ro de físicos destacados que huyeron de A lem ania, la caída fue b astan te m o d esta y, com o a p u n ta m o s en el capítulo 16, la física italiana vivió sus años d o ra d o s d u ra n te la d ic ta d u ra fascista. D e nuevo, y a pesar de las purgas de los años tre in ta y de la terrib le p érd id a de perso n as y recursos d u ra n te la guerra, la física en la U nión Soviética c o n tin u ó estan d o a u n nivel alto, ta n to cualitativa com o c u a n ti tativam en te d u ra n te la era Stalin y después. La física en el siglo xx n o sólo h a crecido en té rm in o s de m an o de obra, organiza ción, aparato s, p ro d u cció n investigadora y apoyo económ ico, sino que tam b ién ha progresado científicam ente, p ro d u c ie n d o m u ch o co n ocim iento nuevo sobre la n a tu raleza. N o existe u n a relación a u to m ática en tre el crecim iento cuantitativo y el p ro g re so cualitativo en el co n o cim ien to , y de hech o es difícil e n c o n tra r alguna correlación es pecífica en tre las dos en la física del siglo xx. Es notable que lo que la m ayoría ap u n taría com o las m ás p ro fu n d as y am plias innovaciones conceptuales del siglo, la relatividad y la m ecánica cuántica, em ergieron sin d e p en d er de u n apoyo económ ico a gran escala ni de ex perim en to s costosos. Esto n o quiere decir que n o haya n in g u n a correlación, ya que parece razonable asu m ir q u e los ex p erim en to s interesantes serán m ás probables en una co m u n id ad de físicos g ran d e y con b u en o s m edios económ icos que en u n a co m u n id a d p eq u eñ a y con pocos m edios. El progreso en el co n o cim ien to , a d istin g u ir del crecim iento absoluto, llega de dis tin to s m od o s. U n tip o de progreso, q u e p o d ría llam arse el m o d o extensivo de p ro g re so, consiste en ex ten d er la base de co n o cim ien to en áreas de la naturaleza ya abiertas a la investigación. Esto suele o c u rrir a través de m edidas m ás precisas o a través del d e sarrollo de in stru m e n to s que h ag an posible investigar áreas m ás am plias de d e te rm i nados cam pos. La espectroscopia, en el am plio sentido del térm in o , es u n b u en ejem plo del m o d o extensivo de p rogreso y tam b ién lo es la física del estado sólido. O rig in alm en te con fin ad a a la física de m etales, la física del estado sólido cubrió áreas


435

m ás y m ás am plias y se llegó a co nvertir en el cam p o m o d e rn o y m uy am plio de la física de m ateria condensada. El progreso extensivo a m e n u d o es

'

p o rq u e

se cree que m e ram en te p ro d u ce d atos nuevos y co n o cim iento in stru m en tal, sin em bargo en realidad tam b ién es ‫ س‬agente p o d ero so p a ra el cam bio cualitativo. Esto se ve ilustrado en m u ch o s casos m en cio n ad o s en este libro, tales com o las cuidadosas m edidas de la rad iació n de cu erp o s negros a finales de la década de los noventa del siglo XIX y la extensión de la observación telescópica en los años cincuenta para in cluir las ondas de radio. O tro s tipos de progreso consisten en a b rir nuevas ventanas a través de las cuales los secretos de la n atu raleza p u e d a n ser estudiados, esto es, el descu b rim ien to de fenóm eno s cualitativ am en te nuevos. La física m o d e rn a h a ten id o gran éxito a este respecto, sobre to d o quizás antes de 1940. Lo q u e se conoce g eneralm ente com o física m o d ern a debe su p ro p ia existencia a tales descu b rim ien to s, de los cuales los rayos X y l a radiactividad fueron los m ás te m p ra n o s e im p o rtan tes. P or fin, hay u n tercer tip o de progreso, esencialm ente teórico: la in tro d u c c ió n de nuevas estru ctu ras y prin cip io s que reorganizan y dan nuevo sen tid o a co n o cim ien to ya o btenido. Tales p rin cip io s hacen m ás que tra e r ú n icam en te o rd e n a lo que inicialm ente parecían cuerpos desunidos de COnocim iento . Tam bién son p o ten tes en su sentido h eu rístico y, a través del siglo, han sido m u y v alorados p o r los físicos teóricos. El progreso, sea cual sea el significado del té rm in o , h a sido u n elem ento de la física del siglo XX ta n visible co m o su crecim iento. A un que el progreso en el conocím ie n to no ha sido u n ifo rm e y h a v ariad o de u n cam p o a o tro, h a sucedido de m anera c o n tin u a , casi siem pre de m o d o acum ulativo, en u n frente m uy am plio y a m en u d o de fo rm a espectacular. En la d écada de 1990, los físicos sabían b a stan te m ás sobre cóm o ftm cio n a la n atu raleza q u e en la década de 1890. ?٠٢ destacar ú n ica m e n te u n área, to d o el c o n o cim ien to sob re las e stru c tu ra s ató m icas y sub ató m icas y las fuerzas q ue m a n tie n e n las p artícu las básicas ju n ta s fue cosechado a lo largo del siglo XX. C on a n te rio rid a d a la década de 1890, p rácticam en te n o se sabía n ad a sobre la co n stitu c ió n m icroscópica de la m ateria, y casi to d o de lo p o co q u e se sabía, o se creía saber, era gracias a los q u ím ico s m ás q u e a los físicos. M erece la p en a m en c io n a r el tem a del progreso, n o p o rq u e los físicos ten g an n in g u n a d u d a sobre el tem a, sino p o rq u e se ha co n vertido en u n a m o d a en algunos am b ien tes de la sociología y de la filosofía cuestio n a r la realidad del pro greso científico. H ay especialistas que niegan seriam ente que se p u ed a h ab lar de m o d o significativo de pro g reso en la ciencia. La respuesta sim ple a tal desatin o sería echar u n vistazo al avance de algúna área de la física m o d e rn a , com o p o r ejem p lo la co n d u ctiv id ad eléctrica en los cu erp o s m etálicos o los procesos energéticos estelares, y c o m p a ra r el estad o del co n o c im ien to en los años n o v en ta con el de u n siglo antes. A lgunos sociólogos del co n o c im ie n to científico alegan h ab er m o stra d o q u e los «científicos en el fren te de investigación n o p u e d e n resolver sus desacuerdos a través de u n a ex p erim en tació n m ejor, m ás co n ocim iento, m ás teorías avanzadas o p e n sa m ie n to m ás claro» (C ollins y ? in c h 1992, p. 144). Q uizá n o haga falta señalar q u e a d icha e x tra ñ a alegación le falta apoyo en la h isto ria de la física del

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sig lo XX ya q ue los desaeuerd os ru tinariam en te han sid o solven tad os ex actam en te de esta m anera.

La física y las otras c ie n c ia s D u ran te la p rim e ra m itad del siglo XX, la física em ergió com o la ciencia n ú m e ro u n o en cu a n d o a glamour, u n p u esto que p ro b ab lem en te aú n conserva a pesar de los problem as que ha ten id o que en carar m ás recientem ente. £1 público llegó a ver a los grandes físicos com o m agos con algún tip o de enlace directo con D ios o con la n aturaleza. £1 m ás fam oso de los g randes pensadores q u e fascinó m ás al público fue p o r supuesto £ instein , pero ha sido seguido p o r o tro s físicos fam osos, com o Bohr, Feynm an, G ell-M ann y H aw king. Los grandes y visionarios teóricos representan u n a faceta de la fascinación de la física, el o tro lado y m ás o scuro era el p o d e r de la física que quedaba m ás d ram áticam en te sim bolizado con las n u b es de hongos causadas p o r las explosiones nucleares. Los físicos parecían cu b rir to d o el espectro, desde la p ro fu n d a filosofía cuántica hasta los aparatos tecnológicos com o el ra d a r y el láser. C on respecto a la fascinación del público, n in g u n a o tra ciencia p u d o co m p etir con la física. U n libro recíente em p ren d e la categorización de los cien científicos m ás influyentes del m u n d o en la historia, incluyendo los psicólogos y los científicos sociales (S im m ons ]997). A unque no se deb iera to m a r el ran k in g com o d em asiado serio -¿ c ó m o pued e u n o com parar significativam ente a A rquím edes con (} p p en h eim er?- es interesante observar cóm o de alto h a situ ad o el a u to r a los físicos. Los tres p rim ero s en la lista (N ew ton, Einstein y B ohr) son to d o s físicos y, en tre los veinticinco científicos «m ás influyentes», doce son físicos, ocho de ellos pertenecientes al siglo XX. La posición de d o m in io de ‫ ط‬física en tre las ciencias en los tres p rim ero s cuartos de siglo se pued e ilu strar p o r el im p acto q u e la física ejerció en o tra s de las ciencias clásicas tales com o la a stro n o m ía, la quím ica, la geología y la biología. £1 im p acto sucedió sobre to d o a través de tres canales, siendo el m ás directo de ellos la m igración de físieos a o tras disciplinas científicas. £٨ m u ch o s casos, los jóvenes físicos m ig ra ro n con éxito o realizaron u n trab ajo im p o rta n te en u n a de las o tras ciencias. £s d igno de atención que haya hab id o m uy pocos casos de tráfico inverso, © tro canal de im pacto ha sido la ad o p ció n de canales físicos de p en sam ien to en ciencias que trad icio n alm en te eran ajenas e incluso hostiles a tales actitudes del trab ajo científico. N o m enos ‫؛‬utp o rta n te fue la influencia en las ciencias n o físicas de los in stru m e n to s y técnicas dadas p o r la física experim ental. E n el caso de la quím ica, en m u ch o s m o d o s la disciplina herm an a a la física, esto n o era u n hecho nuevo. £s bien sabido, que en tiem pos de Lavoisier, era u n a p arte im p o rta n te de la quím ica física que em ergió a finales de la década de 1880, pero en el siglo XX ‫ ط‬quim ica llegó a d e p e n d e r incluso m ás cercanam ente de nuevos m éto d o s experim entales o rig in ad o s en la física, com o los rayos X, la ،^fracción de los electrones, la espectroscopia R M N y la esp ectro m etría de m asas. A u n nivel m ás fu n d am en tal, la quím ica incluso estaba am en azad a con convertirse en u n a ram a de la física, en concreto en el sentido de q u e algunos físicos atóm icos y cuánticos (incluyen


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do a B orn y D irac) alegaban que la q u ím ica n o era m ás que teo ría cuántica aplicada. C inco años antes de la llegada de la m ecánica cuántica, B orn escribió que «no hem os p en etrad o lejos en el vasto te rrito rio de la quím ica» pero «hem os viajado suficiente m ente lejos com o p ara v ernos en la d istancia los pasos que deb en ser atravesados a n tes de que la física p u ed a im p o n e r sus leyes sobre la de su ciencia herm ana» (Nye 1993, p. 229). C on la em ergencia a finales de los años veinte de la q u ím ica cuántica -u n a te o ría p rim ero d esarrollada p o r físicos m ás que p o r q u ím ic o s- el deseo im perialista de B orn (y pesadilla de m u ch o s quím icos) parecía convertirse en realidad. Sin em bargo, p ro n to se co m p ren d ió q u e n i siquiera las sim ples m oléculas p o d ría n ser reducidas a fí sica cuántica sin la e n tra d a em p írica de los d atos de los quím icos. Lo que es lo m ism o, la quím ica teórica estaba p ro fu n d a m e n te afectada p o r la m ecánica cuántica (y p o r o tras ram as de la física) y el cam po hasta cierto p u n to puede ser considerado com o «fí sica aplicada». Previam ente hem o s lidiado con el desarrollo de la astrofísica y los cam bios fundam en tales en las ciencias astro n ó m icas q u e siguieron al to rm e n to so d esarro llo de la física (capítulos 12 y 23). En el caso de la geología, el im p acto era m enos directo, pero n o ob stan te condujo a u n a reo rien tació n drástica de esta ciencia, desde su posición tradicional com o h isto ria n atu ra l a u n a nueva «ciencia de la tierra» que fue m odelada sobre los estándares de la física e hizo uso de in stru m e n to s y razo n am ien to s característicos de la física. Parte de las ciencias geológicas, tales com o la geofísica y la sism ología, ya estaban «fisicalizadas» a p rin cip io s de siglo, especialm ente bajo la influencia del físico alem án Em il W iechert. C on la revolución de las placas tectónicas de los años sesenta, la tran sfo rm ació n in sp irad a p o r la física fue com pleta. U na h isto ria u n ta n to sim ilar pued e contarse sobre el im pacto de la física en la b io logía, d o n d e la llegada de la biología m olecular en los años trein ta m arcó u n a in tr u sión p o ste rio r del p en sam ien to físico y reduccio n ista en las ciencias naturales. Esto no es sorp ren d en te, ya que varias de las personas m ás influyentes de la biología m olecular habían recibido fo rm ació n en física, incluidos M ax D elbrück y W alter Elsasser, c o n ta n d o am b o s con valiosas co n trib u cio n es a la física antes de que ab a n d o n a ra n el cam po para dedicarse a la biología (y, en el caso de Elsasser, las ciencias de la tierra). Francis C rick, con fam a de doble hélice, se g rad u ó en física en 1938 y se convirtió a la biología sólo después del final de la g uerra, en p a rte p o r la inspiración del libro de Schródinger ¿Qué es la vida? La d ilucidación de la e stru ctu ra del A D N en 1953, a m pliam ente percib id a com o el d escu b rim ien to m ás im p o rta n te de la biología m o d ern a, era en gran p a rte el resultado del análisis de los p a tro n es de difracción realizados por M aurice W ilkins, o tro físico convertido en biólogo. La tendencia general de la biología en este siglo, y de la biología m olecular en particu lar, h a estado m u y influida p o r la fí sica y u n p en sam ien to reduccio n ista ha sido traslad ado desde esta ciencia. En 1966, Crick escribió: «el fin ú ltim o del m o v im ien to m o d e rn o de la biología es de hecho ex plicar to d a la biología en té rm in o s de física y quím ica y existe u n a m uy b u en a razón para ello: desde la revolución de la física a m ediados de los años veinte, h em os tenido una cim en tació n teórica sólida p ara la q u ím ica y las partes relevantes de la física [...] y

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es la com p ren sió n de que n u estro con©c‫>؛‬n‫؛‬en to al nivel atóm ico es seguro lo que nos co n d u jo al gran influjo de los físicos y quím icos hacia la biología» (© lby 1994, p. 425). En total, n o sería exagerado decir que el cam in o y d irección globales de las ciencias en el siglo XX h a n estado fu ertem en te influidos p o r el d esarrollo de la física. U no de los resultados m ás im p o rtan tes de la ciencia de este siglo es lo que parece ser la validez ilim itada de las leyes básicas de ‫ ظ‬física. En la década de 1890, todavía era m ateria de debate si la segunda ley de la term o d in ám ica era de aplicación para las células vivas y, m ás en general, si las leyes de ‫ ظ‬física eran aplicables en cualquier lugar de la naturaleza y en cualquier tiem po. Todavía n o es obvio que las leyes tengan este rango am plio de validez, pero m uchos años de investigación parecen confirm ar que éste es de hecho el caso. Las leyes son válidas no solam ente p ara los organism os vivos, sino que tam bién son válidas para los lugares m ás distantes del universo, los centros de las estrellas y para el estado s u ^ c o m p a c t o del universo m u y te m p ra n o de hace un o s diez m il m illones de años. Todos los intentos de d ar leyes separadas p ara estratos separados del m u n d o han fracasado. Los físicos de final del siglo XX p u ed en alegar con algo de confianza (no confundir con certeza) que conocen las leyes fundam entales y que éstas son válidas para to d a la naturaleza. Esto no significa que to d a la naturaleza haya sido explicada p o r los físicos, ni que las otras ciencias hayan sido reducidas a la física, ?ero sí significa que no hay fenóm enos en la naturaleza cuya explicación requiera principios o ieyes que estén en contradicción con aquellas aceptadas p o r los físicos (puede que aparezcan tales fenóm enos, pero de m o m en to no lo h a n hecho y n o tenem os razones para asum ir que lo hagan). Entonces, sin sugerir ningún tip o de reduccionism o sim plista, hay u n sentido en el cual puede decirse que es la m ás fu ndam ental y ‫ ظ‬m ás general de todas las ciencias. Este p u n to de vista «im perialista» n o es n ad a nuevo, pero sólo es en este siglo cuando ha sido sustantivizado y se ha convertido en m ás que u n dogm a de fe y de autocom placencia.

E vo lu cio n e s conservadoras C om o se ha m e n cio n ad o antes, el papel d esem p eñ ado p o r la física en áreas exteriores a la física ha cam b iad o co m p letam en te d u ra n te el siglo XX y convirtió la ciencia en u n a p a rte in teg rad a en la sociedad p o sin d u strial. Este h echo y los efectos que h a tenido en la o rganización y ejecución de ‫ ظ‬física es quizá el m ayor cam bio que h a ocurrido; cu an d o m ira m o s hacia o tro s aspectos, está b astan te claro que la descripción general ha sido ta n to de c o n tin u id a d com o de d isco n tin u id ad , ta n to de ' com o de cam bios revolucionarios. A escala ontológica, los cam bios h an sido sin du d a m uy pro fu n d o s, en la m ayor parte com o resu ltad o de la revolución cuántica - d e acuerdo con ? h ilip A nderson, «una dislocación q u e tiene q u e ser m en talm en te sanada incluso en tre m u ch o s físicos» (A nderson 995‫ل‬, p. 2 0 8 ‫ )ل‬- . La m ecánica cuántica nos ha p ro p o rc io n a d o estru ctu ras fun d am en tales que n o tien en sim ilitu d n in g u n a con to d o lo que p u ed e ser p ercib id o o m ed id o directam en te. N uestras creencias actuales sobre lo que, en ú ltim a instancia, constituye el m u n d o distan m u ch o de las de la década de 1890, cu an d o todavía ten ía sentido p en sar en la m ateria com o u n a colección de b lo


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ques en m in iatu ra. El vacío ha resultado ser cualq u ier cosa m enos la «nadería» y está lleno de vida, de actividad y de p ropiedades. Éste es u n resultado m u y im p o rta n te de la nueva física, pero en sí m ism o n o h u b iera im p actad o a u n físico de 1900, que esta b a aco stu m b rad o a p en sar en el vacío com o lleno de éter. En algunos o tro s tem as, la física y los físicos n o h a n cam biado m u ch o a lo largo del siglo. D e esta m an era, las reglas fu n d am en tales de este juego - la m etodología de la in v estig ació n - son p rácticam en te tan iguales en la década de 1990 com o lo que en la de 1890. C ó m o evaluar u n a aseveración, qué cu en ta com o u n b u en experim ento, p ro ce d im ientos de p ru eb a, la fu n ció n de la m atem ática en el razo n am ien to físico y el uso de experim entos bien razonados; estos y o tro s tem as m etodológicos básicam ente se h an m an te n id o igual, a u n q u e desde los años seten ta los ex perim entos co m p uterizados se h an visto añ ad id o s a los m éto d o s de la física m o d ern a. Si los jóvenes R utherford o Som m erfeld h u b ie ra n sido catap u ltad o s a n u estro m u n d o , h u b ie ran ten id o m uchos problem as, pero no insuperables, en e n ten d er m uchas cosas sobre las teorías y experi m entos de la física, y fácilm ente h u b ie ra n v alorados los m éto d o s de la física m o d ern a, tan cercanos a aquellos usados en su p ro p ia época. El m ism o tip o de c o n tin u id ad se da con los sueños y aspiraciones ú ltim o s de los físicos. Las ideas de unificación, belleza m atem ática y los p rin cip io s generales com o cim ientos de la física no so n p ro d u cto s fi niseculares de la física del siglo xx. A unque Planck o M ié no h u b ie ran en ten d id o ni las m atem áticas n i la física de las teorías GTU, h u b ie ra n apreciado p lenam ente la idea ge neral y el p ro p ó sito de esta clase de teorías m odernas. N o quiero aseverar que n o ha hab id o cam bios en los m étodos de la física, sino que los m étodo s e ideas am pliam ente diferentes de aquellos conocidos en el siglo xix han sido relativam ente sin im p o rtan cia. C o m o ap u n ta m o s en el capítulo 27, ciertos cam pos de la física de altas energías (com o la teoría de las supercuerdas y la cosm ología infla cionaria) están ta n alejados de los experim entos que n o pu ed en ser probados em pírica m ente. La consistencia m atem ática y los argum entos estéticos p o r tan to tienden a c o n vertirse en los m éto d o s de d em o stració n de la «verdad» de estas teorías. Ésta es una aberración de la m etodología co m ú n m en te aceptada de la ciencia, potencialm ente p e ligrosa en este aspecto. A pesar de todo, n o se debería sobredram atizar la situación ya que, p o r u n a parte, ésta es u n a tendencia solam ente de u n ám bito m inúsculo de la físi ca teórica y n o afecta al 99 p o r 100 de la física en la cual la teoría y la experim entación tienen u n sano contacto en tre ellas. A dem ás, realm ente n o es u n problem a nuevo. La teoría de vórtices de éter del siglo xix, las teorías de cam po unificadas de principios del siglo xx, la teoría fú n d am en tal de E ddington de los años tre in ta y la m ayoría de las teo rías posbélicas de la gravedad cuántica h icieron uso de estos estándar que no se basaban en la experim entación. M uchos años antes de los teóricos de las supercuerdas, había fí sicos que arg u m en tab an p o r p u ro racionalism o. Por ejem plo, en una fam osa declara ción de 1933, Einstein sugirió que «la naturaleza es la com prensión de las ideas m ate m áticas m ás sim ples concebibles [...] [y] pod em o s descubrir, a través de construcciones p u ram en te m atem áticas, aquellos conceptos y aquellos contactos lícitos entre ellos que facilitan la clave p ara en ten d er los fenóm enos naturales» (H o lto n 1988, p. 252).

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٨ $‫ ؛‬com o los m éto d o s de hacer física en esencial han perm an ecid o inalterables, tam p o co h an cam biado los ideales de lo ‫ ﺳﺎ و‬la física debería ser y de cóm o deb en com p o rtarse los físicos. La ciencia tiene sus n o rm a s culturales sin codificar - lo que el sociólogo R o b ert M erto n llam ó en Í942 el ethos científico o c o n ju n to de im perativos institu cio n ales-. P or ejem plo, los científicos g eneralm ente se adhieren a la idea de «universalism o» (que la evaluación de las aseveraciones científicas debería ser im personal y objetiva), pien san que debería evitarse el s،‫؛‬eretism o (u n a parte del «com unalism o») y aceptar el «escepticism o organizado» co m o la actitu d adecuada ante las nuevas afirm aciones de nuevo co nocim iento. Éstas y o tras reglas ocasionalm ente se infringen, pero n o p o r ello dejan de ser aceptadas com o reglas. Las n o rm as que contrib u y ero n al final del a su n to de los rayos N en 1903 eran en su m ayoría las m ism as que e n tra ro n en escena cu an d o ‫ ظ‬fusión fría fue an u n ciad a en 1989. Los grandes cam bios o cu rrid o s en la física del siglo XX se han basado en el conocim ien to existente y en u n sano respeto p o r las tradiciones. H a h abido varios intentos de basar la física en u n a cosm ovisión en teram en te nueva (tales com o aquellos propuestos p o r E d din g to n y M ilne en los años tre in ta ), pero to d os h an fracasad(). Puede parecer ex trañ o que el respeto p o r la trad ició n p u ed a p ro d u c ir cam bios revolucionarios, pero esto es justo lo que describió T h o m as K uhn en 1962 bajo la etiqueta de «ciencia ñ o rmal». Por o tro lado, los cam bios que a veces le siguen a la ciencia regida p o r el paradigm a o «norm al» n o son revoluciones en el sentido c o n tu n d en te de la palabra que sugirió Kuhn en 1962, o sea, nuevos p aradigm as in com patibles y to ta lm en te diferentes de los antiguos. N o h a o cu rrid o tal revolución en la física del siglo XX. D espués de todo, u n físico teórico de los años noven ta n o te n d rá pro b lem as en e n te n d er el esp íritu y detalles del trab ajo de P lanck de 1900 en el cual se in tro d u jo la d isco n tin u id ad cuántica, tam p o co u n ex p e rim e n ta d o r m o d e rn o dejará de apreciar el clásico artículo de ١. ‫ر‬. T h o m so n de 1897 en el cual se a n u n ció el electrón. N o hay n in g u n a brecha insuperable de com u n icació n , n in g u n a in co n m en su rab ilid ad p ro fu n d a entre la física de los años noventa y la de u n siglo antes. La lección a extraer del ú ltim o siglo de física es q u e el co n o cim iento físico se h a exp a n d id o m u ch o y h a p ro d u cid o nuevas y m u y m ejoradas teorías, pero que éstas se han p ro d u cid o en su m ayoría de m an era acum ulativa y sin una ru p tu ra total con el pasado. Siem pre h a sido im p o rta n te el ser capaces de re p ro d u cir los éxitos de las teorías antiguas, y este sensato requisito garantiza u n a cierta co n tin u id a d en el progreso teórico. Los grandes d escu b rim ien to s y teorías de n u estro siglo desde luego n o h an dejado intacto al co n o cim ien to m ás tem p ran o , p ero tam p o co lo han convertido ' d am ente en n o conocim iento. La m ayoría de los hechos experim entales c o n tin ú a n siendo hechos incluso a la luz de las nuevas teorías. La observación de que el exceso de perihelio de M ercu rio es de 0,43” p o r año fue explicada, no derrocada, p o r la teoría de Einstein de la relatividad y cu alquier teoría fu tu ra de la gravitación ten d rá que acóm o darse a la realidad observada. La m ayor p a rte de la física parece estar firm em en te estabilizada. C ada vez resulta m ás difícil im ag in ar que estas partes, ta n co m p ro b ad as a conciencia y ta n d e p en d ien


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tes de u n a red m ayor de teorías y exp erim en to s pued a cam biar drásticam ente en el fu turo. D u ran te varias décadas se ha co nsiderado herético, incluso ridículo, sugerir que la ciencia se desarrolla «ideológicam ente», esto es, hacia u n cierto estado de conoci m iento que refleja la verdadera estru ctu ra de la naturaleza. Es correcto, com o a p u n tó el filósofo N icholas Rescher, que «el p rogreso científico [sig n ific a n te es en general una m ateria que n o consiste en a ñ ad ir m ás hechos -c o m o al rellenar u n c ru c ig ra m a- sino en cam biar la fo rm u lació n en sí.» (Rescher 1978, p. 48). La relatividad, la m ecánica cuántica y la teo ría electrodébil son ejem plos de tales fo rm ulaciones cam biadas que al p rin cip io ni se apoyaban ni sugerían nuevos hechos experim entales. Pero no sólo la vi sión m inusvalora el aspecto de «añadir m ás hechos», sino que tam b ién deja abierta la cuestión de la existencia o n o del m ejo r m arco teórico posible que dejará a u n a teoría en u n estado estable o «term inado». P odem os so n reír p o r la ingenuidad de los físicos finiseculares que creyeron q u e la física b ásicam ente h abía llegado a su estado final, pero su fracaso n o im plica q u e n o exista dicho estado final. Ya que m uchas teorías fí sicas p ro pu estas d u ra n te la h isto ria se h a n p ro b a d o co m o erróneas, no se deduce de esto que aquellas aceptadas hoy estén equivocadas tam b ién y que sean reem plazadas p o r teorías en teram en te nuevas. Se p o d ría especular q ue la h isto ria p o d ría repetirse a sí m ism a y que los físicos del m añ a n a p o d ría n e n c o n tra r fen ó m en o s b a sta n te nuevos en la n atu raleza que d e m a n dasen u n a refo rm u lació n co nsiderable de la física teó rica - u n a especie de analogía a los so rp ren d e n te s d e scu b rim ien to s de 1895-1897-, ¿Es plausible tal escenario? Parece que a u n q u e n o se p u e d a d e scartar dich a posibilidad, todavía parece m en o s posible que los físicos se hayan o lvidado de algún aspecto de la n atu raleza g ran d e e im p o r tante. El m o d e rn o ejército de físicos y su arsenal de in stru m e n to s sofisticados de alta precisión hacen q u e sea m u c h o m ás difícil q u e dichos fenóm enos p erm an ezcan es condidos, com o en el caso de la rad iactiv id ad hace u n siglo. H an pasado m uchas d é cadas desde que u n nuevo d esc u b rim ie n to c o n tra d ije ra d irectam en te u n a teo ría fu n dam ental. En 1986 fue a n u n c ia d o el d esc u b rim ie n to de u n a « q u in ta fuerza», u n a fuerza de ran g o in te rm e d io que n o p o d ía ser explicada en la te o ría establecida. Si se h u b iera aceptado la aseveración, p o d ría h a b e r co n d u c id o a u n g ran cam bio co n cep tu al en la física teórica, p ero eso n o fue lo q u e o c u rrió . D espués de u n o s años de ex p erim e n to s y de in ten so debate, se c o m p ro b ó q u e la q u in ta fuerza n o era u n a a m e naza a la física e stá n d a r q u e o p e ra b a co n c u atro fuerzas de la naturaleza: la q u in ta fuerza no existe. La física sin d u d a c o n tin u a rá evolucio n an d o y p ro d u c ien d o m uchos d escubri m ientos interesantes en el nuevo siglo. Pero es posible q ue el p a tró n de progreso en la física cam bie y qu e m u ch os de los aspectos m ás fund am entales se m an ten g an tal com o se conocen aho ra. Siem pre h ab rá trab ajo em o cio n an te p o r hacer y d escubrim ientos p o r venir, p ero está lejos de ser cierto que el avance de la física en el siglo xxi será tan expansivo com o lo h a sido en el siglo xx. Feynm an, tal com o lo citam os en el capítulo 26, creía que «la era en la que vivim os es en la q u e estam os d escu briendo las leyes fu n dam entales de la naturaleza, y ese día n o volverá n u n c a más». Sea la profecía de Feyn-

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m an correcta o no, sólo se p o d rá saber a través de los avances del siglo xxi. Q uizá u n h isto riad o r q u e escriba la h isto ria de la física del siglo xxi citará a Feynm an p ara d e m o stra r su sabiduría, o quizá le citará p ara d e m o stra r que estaba co m p letam en te eq u i vocado.

Apéndice Lecturas recomendada$

Capítulo ‫ﻝ‬ El capítulo se basa en p a rte en K ragh 1996a. Los estudios de la física del siglo

XIX

incluyen a H a rm a n 982‫ ا‬y P u rrin g to n 1997. Véase tam b ién B rush 1978, en especial para los contextos m ás am plios. Jungnickel y M cC o rm m ach 1986 está recom endado p a ra el p erio d o entero hasta 1925 y es especialm ente inform ativo sobre la física alem ana. Visiones generales útiles de la física finisecular p u ed en enco n trarse en H ieb ert 1979 y H eilbron 1982. La cuestión de la p le n itu d de la ciencia se debate en Badash 972‫ ا‬y los p roblem as de la d escripción del m u n d o m ecánico en Klein 1973. Sobre las especulaciones de los espacios ^ a t r‫؛‬d‫؛‬m en s‫؛‬onales y n o euclídeos, véanse B ork 1964 y Beichler 1988. Los aspectos científicos y cuasicientíficos del concepto de éter son debatidos en K ragh 1989a y C a n to r y H odge 1981. Sobre la energética de © st^ a ld , véanse H ieb e rt 1971 y H ak fo o rt 1992. Las ideas de LeBon y el clim a espiritual en el cam bio de siglo son analizados en Nye 1974.

Capítulo 2 Los d ato s estadísticos so b re la física e n to rn o a 1900 son p rese n tad o s y d eb atid o s en F o rm a n , H eilb ro n y W eart 1975. V éanse ta m b ié n H irosige y N isio 1986 en subdisciplinas de física y P yenson y Skopp 197^ p a ra u n análisis detallad o de la educación en física en A lem ania. Kevles 1976 c o m p a ra las c o m u n id ad e s física, q u ím ic a y m a te m á tica en los E stados U n id o s. Los d ato s de la d escrip ció n de N agaoka de la física eu ro p e a en 1910 están b asad o s en B adash 1967 y C arazza y K ragh 1991. Los físicos italian o s e n tre 1900 y 1904 se an alizan c u a n tita tiv a m e n te en G ald ab in i y C iuliani 1988. Jungnickel y M cC o rm m ach 1986 tien e m u c h a in fo rm a c ió n sobre teóricos físicos alem anes. Sobre la física en A m érica, véanse Kevles 1987 y R eingold y Reingold 1981.

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Capítulo 3 La historia de los rayos X,‫ ظ‬radiactividad, el clcctrón y otros aspectos de la física atóm ica, nuclear y de partículas se describe en Pais 1986. Un inform e m uy legible pero poco detallado se encuentra en Segr¿' 1980. ،‫ ؟‬obre‫ ظ‬ru ta para descubrir la radiactividad de Becquereí, véase M artins 1997 y para los intentos tem pranos de explicación del origen de ‫ظ‬ radiactividad, Kragh 1997a. £1 descubrim iento del electrón se trata en Falconer 1987, Feffcr 1989, Dahl 1997 y Davis y Falconer 1997, de los cuales el últim o trabajo incluye reediciones de m uchos artículos de T hom son. Arabatzis 1997 resum e las historias de descubrim ientos complejos. Los pseudodescubrim ientos de la luz negra y de los rayos N se exam inan en Nye 1974 y 1980. Sobre rayos magnéticos, véase Carazza y Kragh 1990, y sobre el descubrinúcnto de la radiación cósmica, Xu y Brown 1987 y De María, Iannielio y Russo 1991.

Capítulo 4 C o n n y T urner 1965 incluye extractos o repro d u cciones com pletas de m uchos de los artículos im p o rta n te s sobre teo ría ató m ica en tre ‫ ا‬89 ‫ ق‬y 1914. Los aspectos del m odélo atóm ico de T h o m so n son tra ta d o s en Sinclair 1987 y Kragh 1997a y 1997b. £l m odélo de N icholson se analiza en M cC orm m ach 1996 y el nacim ien to del á to m o nuclear de R uth erfo rd en H eilbron 1968. Sobre la teo ría ató m ica de Bohr, véanse H eilbron y K uhn 1969, H eilbron 1981 y ta m b ié n French y K ennedy 1985. Los artículos de B ohr de 1913 y el m em o ra n d o de M anchester se rep ro d u cen en B ohr 1963 con u n a in tro d u c ción de Léon Rosenfeld.

Capítii
Capítulo 6 M endelssohn 1977 es u n a h isto ria sem ip o p u lar del desarrollo de ‫ ظ‬física de bajas tem p eratu ras. £1 objeto de estu d io es tra ta d o de u n a form a m ás escolar en D ahl 1992, el cual ofrece u n a h isto ria com pleta de ‫ ظ‬superconductividad, desde finales del siglo XIX hasta p rin cip io s de la década de 1990. Véase tam b ién D ahl 1984 para el d escu b rim ien

Apéndice

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to de la superco n d u ctiv id ad . O tro s aspectos del d esarrollo de la criogenización se describen en Scurlock 1992. Las teorías de la co n d u ctiv id ad eléctrica desde 1898 hasta los años veinte son el tem a de Kaiser 1987. La h isto ria de la u p e rc o n d u c tiv id a d y la superfluidez ta m b ié n se analizan en detalle en G avroglu y G oudaroulis 1989, d o n d e el énfasis es en aspectos m ás generales y m etodológicos. U n análisis de u n físico de Leiden sobre el d escu b rim ien to de la su p erco n d u ctiv id ad y del lab o ra to rio de K am erlingh O nnes se p u ed e en c o n tra r en C asim ir 1983.

Capítulo 7 Existe u n a rica literatu ra sobre la teo ría especial de la relatividad y sus precursores que incluyen H o lto n 1988, G oldberg 1984 y D arrigol 1996. Sobre las teorías preeinsteinianas, véanse H irosige 1976, Ner$ess‫؛‬an 1986 y D arrigol 1994. La teoría de 1905 de Einstein se analiza con g ran detalle en M iller 1981. La m ejo r de las m uchas biografías de Einstein es Pais 1982. A lgunos de los desarrollos te m p ran o s son analizados en G oldberg 1976 y G alison 1979. Sobre la h isto ria te m p ra n a de la relatividad general, véanse M ehra 1974 y los análisis detallados de N o rto n 1985 y E arm an y G lym our 1978. Las tres pruebas clásicas de la relatividad general son analizados, p o r ejem plo, en Rose¥eare 1982 (el avance del perih elio ), E arm an y G ly m o u r 1980a (cu rv a tu ra de la luz) y Earm a n y G ly m o u r 1980b (co rrim ien to ^ v i t a c i o n a l hacia el rojo). H entschel 1992 es un análisis útil de la actitu d de E instein hacia los experim entos y H entschel 1990 provee de u n análisis detallado de las reacciones científicas y n o científicas a la teoría de la relatividad. Sobre la recepción de la relatividad en diferentes países, véase tam b ié n Glick 1987-

Capítulo 8 La cosm ovisión electrom agnética se tra ta en M cC orm m ach 1970 y Jam m er 1961 incluye detalles conden sad o s del concepto electrom agnético de m asa. M iller 1986, una colección de ensayos, lidia con la electrodinám ica sin la relatividad, incluyendo u n análisis detallado de la teo ría de 1906 del electrón de Poincaré. U n debate sobre el electrón rígido de A b rah am se en c u e n tra en G oldberg 1970. Para los experim entos de variación de m asa, véanse M iller 1981, C ushing 1981 y B atim ell1981 ‫؛‬. El papel de la m asa e‫؛‬ectro m ag n ética en la te m p ra n a física ató m ica y nuclear se debate en Siegel 1978 y Kragh 1985 contien e in fo rm ació n sobre los experim en to s de variación de m asa de los años veinte. La m ejo r fíjente sobre la teo ría de M ié y de o tras teorías unificadas del p rim er tercio del siglo es Vizgin 1994.

Capítulo 9 A th erto n 1984 es u n a d escripción general de la h isto ria de la tecnología eléctrica. Sobre la carga de b o b in as y la telefonía de larga distancia, véase W asserm an 1985 y,

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para el m éto d o de carga co n tin u a, K ragh 4 ‫ ا‬9 ‫ و‬. La investigación tem p ran a de AT&T está cu b ierta en H o d d eso n 1981a y Fagen 1975, y Russo 1981 cuen ta la interesante histo ria sobre el d escu b rim ien to de D avisson y G erm er de la difracción del electrón. Para detalles sobre el desarrollo de las válvulas de vacío, véase Tyne 1977. Sobre la invest‫؛‬gación de L an g m u ir y de G eneral Flectric, véase Reich 1983 y 1985. Los aspectos sobre la física de la P rim era G u erra M un d ial se tra ta n en H artc u p 1988, S chróder-G udchus 1978, Kevles 1987 y C ardw ell 1975.

Capítulo 0 ‫ﻝ‬ Sobre las políticas y subvenciones científicas en la República de W eim ar, véanse S chróder-G udehus 1978 y F orm an 1974. Sobre las políticas científicas internacionales en los años veinte, véase tam b ién C ock 1983. H eilbron 1986 y Cassidy 1992 detallan descripciones interesantes de la ciencia alem ana en el p erio d o visto desde las vidas de Planck y H eisenberg respectivam ente. Los detalles sobre la física y las políticas científicas en la joven U n ió n Soviética se p u e d e n en c o n tra r en Josephson 1991. La ideología de los físicos alem anes es analizada en F o rm an 1973 y F orm an 1971 arguye que el clim a intelectual de la república de W eim ar influyó decisivam ente en el pen sam ien to de los físicos con relación a los fenóm enos cuánticos. La co n trovertida tesis de F o rm an es criticada en H en d ry 1980 y en K raft y Kroes 1984.

Capítulo ٧ £ n tre los m u ch o s libros que lidian con la h isto ria de la teoría cuántica en los años diez y veinte están los libros de Jam m er 1966, H en d ry 1984a, M acK innon 1982, D arrigol 1992 y M ehra y R echenberg 1982 y 1987. Para los aspectos de la teoría de Schródinger, véase K ragh 1982b así co m o las co n trib u cio n es de Bitbol y D arrigol 1992. También de m erecida co n su lta son las biografías de Pais 1991 (sobre B ohr), Cassidy 992‫؛‬ (sobre H eisenberg), D resden 1987 (sobre K ram ers), M oore 1989 (sobre Schródinger) y Kragh 1990 (sobre D irac). La teoría de D e Broglie es analizada en D arrigol 1993 y la historia experim en tal del d ualism o o n d a -p a rtíc u la se detalla en W heaton 1983. El origen de la ecuación de D irac se describe en K ragh 1981a y 1990 y en M oyer 1981. Sobre la recepción y tran sm isió n de ‫ ط‬m ecánica cuántica, véase el v o lum en 4 de M ehra y Rechenberg 1982, Sopka 1988, H eilbron 1985, C artw rig h t 1987 y Kojevnikov y N ovik 1989. D e e n tre estas firentes, H eilb ro n 1985 y C artw rig h t 1987 lidian con la falta de interés de los estadounidenses en los aspectos filosóficos. Las ftrentes de artículos clásieos trad u cid o s al inglés incluyen ter H aar 1967, Van d er W aerden 1967 y Ludwig 1968.

Capítulo 12 Las fuentes sobre física nuclear se reproducen en Beyer 1949 y Brink 1965. Sobre los prim eros m odelos nucleares, véase sobre to d o Stuewer 1983 y 1986a. U na revisión concisa se presenta en Badash 1983. Stuewer 1979 es u n volum en de actas de conferencias de

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Ja historia de Ja física nuclear en los años treinta. Para u n a descripción detallada de Ja controversia de C am bridge-V iena, véase Stuew er 1985a. Sobre el m odelo de protón-electró n y sus problem as, así com o otros aspectos de la física nuclear, véanse p o r ejem plo Pais 1986, Brown y Rechenberg 1996, Brom berg 1971 y W einer 1972. La prim era historia del n eu trin o se cubre en Brow n 1972 y la idea del m u n d o reticular de H eisenberg en Carazza y Kragh 1995. Sobre el descubrim iento del deuterón, véanse Stuewer 1986c y Brickw edde 1982. M i descripción de la tem p ran a astrofísica nuclear está tom ada de Kragh 1996b. U n análisis m ás detallado de la fase m ás tem p ran a puede ser encontrado en Hufb au er 1981. Los prim eros ciclotrones están descritos con gran detalle en H eilbron y Seidel 1989 e inform ación sobre las m áquinas de alta tensión de Cavendish puede encontrarse en H en d ry 1984b. U na perspectiva interesante sobre la im plicación de B ohr en la física nuclear se da en A aserud 1990.

Capítulo 3 ‫ﻝ‬ La sección sobre D irac y el p o sitró n se basa en K ragh 1990. Sobre este tem a, véanse tam bién H an so n 1963, M oyer 1981, K ragh 1989, de M aria y Russo 1985 y R oqué 1997a. £ n tre los trabajos que tra ta n de m an era extensa Ja p rim e ra física de partículas, Brow n y H o ddeson 1983 es m u y inform ativo, sobre to d o en Jo relativo a la teoría, tam b ién lo son Pais 1986 y B row n y R echenberg 1996. Rueger 1992 nos da u n b u e n detalle de los problem as de la electrom ecánica cuántica de los años treinta. Los intentos de resolver los problem as in tro d u cien d o u n a longitud m e n o r se analizan en K ragh 1995. La física de rayos cósm icos en Ja época, el descu b rim ien to del m u ó n y la relación entre teoría y ex^ r im e n ta c ió n se analizan en de M aria y Russo 1989, G alison 1983,1987 y 1997, y Cassidy 1981. Sobre el d escubrim iento de los m esones y la p rim era teoría de los m esones, véanse Brow n 1981, D arrigol 1988a, B row n y H oddeson 1983, y B row n y Rechenberg 1996. Reediciones de varios de los artículos m ás im p o rtan tes de la época se encu en tran en C ahn y G oldhaber 1989 y sobre investigación sobre rayos cósm icos en Hillas 1972.

Capítulo 14 La literatu ra sobre Ja filosofía cu án tica es vasta, p ero casi to d a eUa n o histórica. Entre los trabajo s h istóricos que lid ian co n la situ ació n en los años veinte y tre in ta están H en d ry 1984a, M acK innon 1982 y Jam m er 1996. W hitaker 1996 es u n a b u en a descripción seiiñhistórica y en su m ayoría n o técnica. Jam m er 1994 es aún la m ejor descripción histórica-filosófica. Sobre d istin to s aspectos de la h isto ria de la co m p lem entariedad, véanse Beller 1992, H eilb ro n 1985 y H o lto n 1988. La p ru e b a de la im posibilidad de Von N eu m an n está revisada de m a n e ra crítica en P inch 1977 y C aru an a 1995. C ushing 1995 es u n exam en histórico-filosófico detallado de las in terpretaciones de la m ecánica cuántica con u n énfasis en concreto sobre la posición de Bohm . w h e e le r y Z urek 1983 incluye repro d u ccio n es de Ja m ayoría de Jas fuentes im p o rtan tes del p erio d o entre 1926 y 1980.

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Capítulo 5 ‫ﻝ‬ La ten d en cia cosm ofísica de los años tre in ta está analizada en Kragh 982 ‫ا‬a, en la cual está basada p a rte del capítulo. Sobre las teorías de E ddington, véanse Kílmíster 1994 y, p o r su filosofía de la ciencia, Yolton 1960. La in spiración de S chródinger de Edd in g to n está d o c u m e n ta d a en Rueger 1988. El sistem a de M ilne es tra tad o en H arder 1974 y U rani y Gale 1993 y las visiones cosm ológicas de D irac en Kragh 1990. Las relaciones n u m éricas en tre co nstantes natu rales están descritas en B arrow 1981 y Barrow y T ip le r l9 8 6 .

Capítulo 16 Beyerchen 1977 fue la p rim e ra y todavía es u n a de las m ejores descripciones detaliadas de fisicos en el Tercer Rc'ich. Véase tam b ién W alker 1995, que se cen tra en el proyecto de energía nuclear alem ana. E ntre las antologías, K enneberg y W alker 1994 y M ehrtens y Kichter 1980 son valiosas colecciones de análisis de ciencia y tecnología alem a n a en tre 1933 y 1945. U n a excelente colección de fuentes p rim arias anotadas, traducidas al inglés, se pued e en c o n tra r en H entschel 1996. Las condiciones de los fisicos en la A lem ania nazi tam b ién están cub iertas en m uchas biografías, com o la de Heilb ro n 1986 (Planck), Cassidy 1992 (H eisenberg) y Sime 1996 (M eitner). El im pacto del régim en nazi en la investigación física en A lem ania está exam inado cu an titativam ente en Pischer 1988. G rah am 1972 incluye capítulos sobre la física y la cosm ología en la U n ió n Soviética en la era de Stalin. lo sep h so n 1991 da u n análisis detallado de la física soviética en la época, cu b rien d o contextos ta n to ideológicos com o institucionales. Sobre esta m ateria, véanse tam b ién G orelik 1995, V ucinich 1980 y Kojevnikov 1991. Sobre la física italiana en la era de M ussolini, véase H o lto n 1978.

Capítulo 17 Sobre la física estadounidense en los años treinta, véanse W einer 1970 y Kevles 1987. W einer 1969 lidia con los tísicos refugiados en los Estados U nidos y W eart 1979a es una descripción cu antitativa detallada de la física am ericana sobre to d o del p eriodo de entreguerras. E ntre los m ejores estudios de la m igración de físicos en los años tre in ta están H o lto n 1983, H o ch 1983 y Kider 1984.Véase tam b ién Fermi 1971, escrito p o r la viuda de u n o de los m ás fam osos em igrantes físicos. Stuew er 1984 exam ina el caso de ‫ظ‬ física nuclear desde u n a perspectiva de la em igración.

Capítulo 18 El descu b rim ien to de la fisión está tra ta d o en m u ch o s lugares, com o G raetzer y Anderso n 1971, W eart 1983 y Krafí't 1983. U n estudio detallado de la reacción de 1939 a la n o ticia del d escu b rim ien to de la fisión se da en Badash, H odes y T iddens 1986. G raetzer y A n d erso n 1971 incluyen reediciones trad u cid as de varios de los artículos

Apéndice

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clave desde 1934 a 1945, al igual que hace w©hlfar{h 1979 (en inglés y alem án). Las recopilaciones personales de dos de los físicos cen tralm en te involucrados se d a n en Frisch y ^ e e l e r 1967. Sobre la tra n sm isió n y p rim ero s trabajos en la fisión, véanse Stuew er 1985b y W eart 1976. Stuew er 1994 provee de detalles sobre el contexto físico nuclear de los años trein ta. £ ١ trab ajo francés sobre energía n u clear está descrito p o r com pleto en W eart 1979b y el trab ajo b ritán ico en G o ^'ing 1964. U na historia com pleta y m u y legible del cam in o que co n d u jo a las explosiones atóm icas de 1945 se da en R hodes 1986. Los detalles de los proyectos nucleares alem anes y rusos, sólo m encionados con b revedad en el texto, p u e d e n ser e n co n trad o s en Fowers 1993, W alker 1995 (am bos sobre A lem ania) y H ollow ay 1994 y R hodes 1995 (sobre Rusia). Para m ás info rm ació n sobre el in ten to jap o n és de d esarrollar u n a b o m b a atóm ica, véase Wilcox 1985.

Capítulo 19 N o existe u n a b u en a h isto ria de ‫ ط‬física nuclear de la posguerra, pero u n o s cuantos picos de su d esarrollo p u ed en seguirse a través de los discursos de los N obel y del estudio de B rink 1995. Véase tam b ién L e e y W irín g a 1990 sobre el m odelo de arm azón S H £ fL nuclear. M ladjenovic 1998 es u n a d escripción com pleta y útil. Para los prim eros d escub rim ien to s de los elem entos tran su rán ico s, se puede co n su ltar Weeks 1968, que es todavía el trab ajo m o d elo sobre el d escu b rim ien to de los elem entos quím icos. Sobre la h isto ria de la energía nuclear en u n a perspectiva global, véase G oldschm idt 1982. Las arm as nucleares y las políticas nucleares en el p e rio d o de posg u erra son los objetos de estudio de n u m ero so s libros y artículos. Badash 1995 es u n a b u e n a in tro ducción. U na descripción m ás detallada se e n c u e n tra en H ew lett 1989, p o r ejem plo, y un a b u e n a colección de firentes sobre las políticas nucleares desde 1939 a 1990 se lncluye en C an telo n , H ew lett y W illiam s 1991. Sobre el desarrollo de la b o m b a de hidrógeno, véase R hodes 1995. La h isto ria de la firsión co n trolada se relata en H en d ry 1987 (prehistoria), H en d ry y Lawson 1993 (proyecto b ritán ico ), Post 1995 (sobre to d o aspectos científicos) y B rom berg 1982 (proyecto estadou nidense).

Capítulo 2 0 £xiste u n vasto catálogo de lite ra tu ra sobre aspectos políticos y m ilitares de la física de la p o sg u errra (y de la ciencia en general), en su m ayoría co n cen trad a en la escena estadou n id en se en los dos decenios posterio res a 1945. F o rm an 1987 es u n gran ejem plo. Se e n c u e n tra n m ás análisis generales en D ickson 1984 y G reenberg 1967. Sobre la física de g ran ciencia, véanse G alison y Hevl)' 1992 y W e in b erg 1967. Schweber 1989 es u n ensayo interesante sobre los contextos políticos e ideológicos de la física de partículas de los años cincuenta, y H oddeson ‫ ﺀﺀ‬al. 1997 Incluye aspectos de gran ciencía de altas energías en los años sesenta y setenta. Sobre aceleradores y gran ciencia en lapón, sólo m en cio n ad o de fo rm a breve en el texto, véase H o ddeson 1983. La historia

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del CERN está detallada en H e rm a n n ٤’‫ ؛‬al. 1987-1990 y Krige 1996. U na com paración bibliom étrica interesante en tre los aceleradores am ericanos y europeos sobre 19601985 se e n c u e n tra en Irvine et al. 1986 y, con m ayor detalle, en Irvine y M artin 1985.

Capítulo 21 La literatu ra secu n d aria sobre física de partículas es com pleta. Pais 1986 es útil, sobre to d o en la teoría. D oncel et 1987 .‫ اه‬se cen tra en p rincipios de sim etría y C ahn y G oldhaber 1989 relata u n a d escripción co n d en sad ¿ apoyada p o r reediciones de noventa y ocho artículos experim entales notables. Brow n, D resden y H o d d eso n 1989, H o d d eso n et al. 1997, y Foster y Fowler 1988 son recopilaciones mu}' inform ativas. N ew m an e Y psilantis 1996 es u n a e n o rm e colección de artículos históricos sobre física de altas energías m o d e rn a y se dirige sobre to d o a los físicos. D iferentes aspectos de la física de interacciones débiles se tra ta n en C line y Reidasch 1984 y F ranklin 1986. Análisis bib lio m étrico s com pletos de la física de interacciones débiles en tre 1950 y 1975 se incluyen en W hite, Sullivan y B arboni 1979 y Koester, Sullivan y W h ite 1982. Sobre aspectos experim entales de la h isto ria de los quarks, véanse, p o r ejem plo, Pickering 1981 y el m ás p o p u la r R iordan 1987. Los detalles sobre detectores y m u ch o s otros aspectos de «la cu ltu ra m aterial» de la física de altas energías se dan en G alison 1997. Para o tra literatu ra, m ás especializada, véase H ovis y K ragh 1991.

Capítulo 2 2 U n tratam ien to histórico, com pleto y detallado, de la Q ED hasta aproxim adam ente 1952 se encuentra en Schweber 1994a. O tros aspectos de ‫ ظ‬física de renorm alización se analizan en Brow n 1993. Véanse tam bién las descripciones históricas de Q ED en Weinberg

1987 y 1989. U na selección de los artículos m ás im portantes de QED

entre 1927 y 1953 está reproducida en Schwinger 1958. El desarrollo del program a de m atriz s y temas relacionados desde sobre 1943 a 1985 se analizan de m anera experta en Cushing 1990 y con m enos exigencia en Freundlich 1980. Cao 1997 es una historia ،;onceptual sintética, trazando el desarrollo de las teorías de cam po hasta aproxim adam ente 1990. El descubrim iento de las corrientes neutras son analizadas en Galison 1987 y, desde u n p u n to de vista distinto, p o r Pickering 1984b. Pickering 1984a y Pais 1986 son relatos valiosos de la física de partículas en los años sesenta y setenta y C ahn y G oldhaber 1989 incluye reediciones de la m ayoría de los artículos pioneros experim entales. H oddeson et al. 1997 es u n a gran fuente con respecto a ‫ ظ‬física de partículas entre 1965 y 1980. Sobre el · · · ■ en 1983 de los bosones de vector interm edios, véase por ejem plo la popular descripción en W atkins 1986. M ás Bibliografía en Hovis y Kragh 1991.

Capítulo 2 3 Partes del capítulo se apoyan en K ragh 1996b, el cual d a u n a descripción com pleta de la cosm ología en tre 1930 y 1967. Sobre los aspectos del desarrollo de la cosm ología

Apéndice

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m o d ern a, véanse tam b ién B ertotti et 1990 .‫ اه‬y L ightm an y Braw er 1990. H eth erin g to n 1993 es una recopilación ‫ ا؛آال‬de artículos sobre ‫؛‬٤١h isto ria y la filosofía de la cosniología y B ernstein y Feinberg 1986 incluye u n a selección de artículos clásicos. H arw lt 1981 lidia con los d escu b rim ien to s astrofísicos de u n m o d o original y fascinante. £1 destino de la relatividad general en tre 1925 y 1955 se debate en £ isenstaedt 1989. Sobre los desarrollos de la p o sg u erra de la relatividad general, véanse T h o rn e 1994, W ill 1993 y las con trib u cio n es de H aw king e Israel 1987. La controversia sobre al a trib u ció n de W eber de h ab er detectad o las o n d as gravitacionales se exam ina en C ollins 1992.

Capítulo 2 4 La m ejo r y m ás com pleta h isto ria de la física de estado sólido es H o d d eso n et al. 1992, u n proyecto co n ju n to que cubre el desarrollo de la disciplina desde sus raíces del siglo XIX hasta ap ro x im ad am en te 1960. H e u sado en concreto las co n tribuciones de H oddeson, Baym y £ ck ert 1992, B raun 1992 y W eart 1992. Tam bién valioso es £ckert y S chubert 1990, q u e enfatiza los aspectos de ciencia aplicada y B raun y M acD onald 1978 que lidia sobre to d o con la electrónica de sem iconductores. Para u n a descripción detallada de la invención del tran sisto r, véanse H o d d eso n 1981b y R iordan y H oddeson 1987. Sobre la investigación de la su p erco n d u ctiv idad p o sterio r a 1930, véanse D ahl 1996, G avroglu y G ou d aro u lis 1989 y B ardeen 1973. £1 descu b rim ien to y prim eros desarrollos de la co n d uctiv id ad en Tc alta se cu b ren en H azen 1988.

Capítuln 2 5 La evolución de la m icroelectrónica se cubre, p o r ejem plo, en £ ckert y Schubert 1990, B raun y M acD onald 1978 y R io rd an y H o d d eso n 1997. Sobre el te m p ra n o desarrollo de las tecnologías de m icro o n d as, véanse F o rm an 1992 y 1995. La h isto ria del láser se describe en B rom berg 1991 y B ertolotti 1983. Sobre la fibra óptica, véanse Faltas 1988 y Bray 1995. La h isto ria de los Bell Telephone L aboratories, Sm its 1985, es una ftrente de interés general sobre m u ch o s aspectos de la tecnología de com unicaciones. Sobre la investigación de los lab o rato rio s Bell, véase tam b ién B ernstein 1984.

Capítulo 2 6 Los datos sobre la física estad o u n id en se alred ed o r de 1965-1985 son debatidos en B rin k m an 1986. Sobre la crisis de la física estad o u n id en se, véanse Kevles 1987 y Schweb e r 1994b y 1995. La ola m ás general de c o n tra c u ltu ra, incluyendo versiones de la anticiencia y de las ciencias alternativas, es analizada en Easlea 1973, N ow otny y Rose 1979 y B u rn h am 1987. £1 debate m o d e rn o sobre el fin de la ciencia es el objeto de análisis de H o rg an 1996 y hay co n trib u cio n es en F.lvee 1992. Para u n a perspectiva filosófica, véase Rescher 1978.

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Capítulo 2 7 N o existe u n b u e n trab ajo histó rico sobre las teorías de cam po unificada y de p articulas de la posgu erra. Para la fase m ás te m p ra n a , véase V izgin 1994. La h isto ria de teorías de gravedad cu án tica está revisada en b revedad en A shtekar 1991. Las grandes teorías unificadas hasta los p rim ero s años o ch en ta están descritas en Pickering 1984a y, a escala popu lar, en Trefil 1983. U na recopilación de las fuentes p rim a ria s de teorías unificadas m o d e rn a s p u ed e en co n trarse en Zee 1982 y, enfocándose en las aspectos astrofísicos y cosm ológicos, en S chram m 1996. Sobre las teorías de supercuerdas, véanse □ avies y B row n 1988, G alison 1995 y Schwarz 1996.

Capítulo 2 8 Las m otivaciones de los N obel y sus discursos, ju n to con ensayos biográficos, están publicados en u n a serie de setenta volúm enes h asta el m o m en to , véase [Nobel] 19671997. £1 origen y p rim e ro s desarrollos de la in stitu ció n N obel están descritos en C raw ford 1984 y u n a co m p leta lista de n o m in ad o res y n o m in ad o s desde 1901 hasta 1937 está incluida en C raw ford, H eilbron y u llric h 1987. Para el análisis de los procesos de los prem ios N obel de Física, véase F ried m an n 1981 y 1989. C raw ford, Sim e y W alker 1997 es u n o de los pocos trab ajo s sobre la física N obel de la p o sguerra (en este caso, u n «no prem io» m ás q u e u n prem io).

Bib№grafía

A breviaturas usadas p a ra las p u b ‫؛؛‬cac‫؛‬ones periódicas: AHES AJP AS BW HS HSPS NS PS PRSA PT RH S RM P RSS SH PM P SHPS SIC 555

T&c

A rchivefor the H istory o fE x a c t Sciences Am erican fournal o fphysics Annals ofScience Berichte zu r Wissenschaftsgeschichte Historia Scientarium Historical Studies ٠« the Physical Sciences (desde 1988: Historical Studies in ‫ ﺀأمﺀ‬Physical and Biological Sciencies) N ew Scientist Perspectives on Science Proceedings ‫م‬/ ‫ ةأا ﺀ‬Royal Society ofLo n d o n , series A Physics Today Revue d ’Histoires des Sciences Reviews o fM o d ern Physics Rivista di Storia della Scienze Studies in the H istory a nd Philosophy o fM o d ern Physics Studies in the H istory a n d ‫ ا'يﺀام‬،‫ةر‬،‫ ارأا ﻣﺮ‬ofScience Science in C ontext Social Studies ofScience Technology and Culture

A aserud, F. (1990), Redirecting Science: N iels Bohr, Philantropy, and the Rise o f Nuclear Physics, C am bridge, C am bridge U niversity Press. A n d e rso n , Ph. (1971), «Are th e big m achines necessary?», N S 82, pp. 510-514. — (1972), «M ore is different», Science 177, pp. 393-396.

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Krahg Helge - Generaciones Cuanticas

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