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

Generaciones cuánticas

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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Generaciones cuánticas

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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Generaciones cuánticas

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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Generaciones cuánticas

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

Física finisecular: un modelo cambiante del mundo

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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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Generaciones cuánticas

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.

Física finisecular: un modelo cambiante del mundo

‫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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Generaciones cuánticas

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

El mundo de la física

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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Generaciones cuánticas

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.

El mundo de la física

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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-

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Generaciones cuánticas

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

Generaciones cuánticas

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.

El mundo de la física

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

20

Generaciones cuánticas

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.

El mundo de la física

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. '‫)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

80

Generaciones cuánticas

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

Física a bajas temeperaturas

81

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-

‫ر‬

‫ﻛﺔاﺑﻢ‬

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0,10

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0,015 Í O 'S J I

•—

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

82

Generaciones cuánticas

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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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

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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 ltra 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

161

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

Generaciones cuánticas

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

Saltos cuánticos

163

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

164

Generaciones cuánticas

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

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G ran B retaña

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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.

Saltos cuánticos

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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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Generaciones cuánticas

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:

Saltos cuánticos

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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 surgimiento de la física nuclear

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

El surgimiento de la física nuclear

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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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Generaciones cuánticas

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

El surgimiento de la física nuclear

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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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Generaciones cuánticas

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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Generaciones cuánticas

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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Generaciones cuánticas

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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Generaciones cuánticas

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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Generaciones cuánticas

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-

El surgimiento de la física nuclear

‫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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Generaciones cuánticas

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

De dos partículas a muchas antipartículas

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

De dos partículas a muchas antipartículas

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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.

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‫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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Generaciones cuánticas

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 tif^acíó 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

y

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

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« 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-

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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 poco^e 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-

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‫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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Generaciones cuánticas

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

El sueño de Eddington

‫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 ft^anchester 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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Generaciones cuánticas

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

El sueño de Eddington

‫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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Generaciones cuánticas

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

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،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

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Generaciones cuánticas

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).

La física y las nuevas dictaduras

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 ^^eizsácker 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

Generaciones cuánticas

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

La física y las nuevas dictaduras

229

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

230

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

231

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

232

Generaciones cuánticas

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,

''

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).

La física y las nuevas dictaduras

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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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Generaciones cuánticas

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

La física y las nuevas dictaduras

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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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Generaciones cuánticas

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

Fuga y ganancia de cerebros

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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Generaciones cuánticas

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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Generaciones cuánticas

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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Generaciones cuánticas

،: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,

'

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-

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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

Del enigma del uranio a Hiroshima

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.

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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 .^eían 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.

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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, 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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Militarización y megatendencias

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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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10.000

٠٥

X )‫ر '؛‬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

Generaciones cuánticas

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

Descubrimientos de partículas

305

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 ­

306

Generaciones cuánticas

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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Generaciones cuánticas

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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Generaciones cá n tica s

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.

Descubrimientos de partículas

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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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Generaciones cuánticas

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

Descubrimientos de partículas

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

Generaciones c á n tica s

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

Descubrimientos de partículas

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

Generaciones cuánticas

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

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

333

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

334

Generaciones cuánticas

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-

Teorías fundamentales

335

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.

336

Generaciones cuánticas

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/ 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

Generaciones cuánticas

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

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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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Generaciones cuánticas

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

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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-

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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 tex^o 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 cosmología y el renacimiento de la relatividad

la

tie r r a

353

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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Generaciones cuánticas

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

La cosmología y el renacimiento de la relatividad

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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

Elementos de la física del estado sólido

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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